（信息与通信工程专业论文）ld泵浦绿光激光器光学系统设计.pdf

硕十学位论文 摘要 由于良好的光束特性及商品化生产技术的日渐成熟，l d 泵浦绿光激光器得 到越来越广泛的地应用，受到更多研究者的青睐，成为l d 泵浦固体激光器研究 的热点之一。本文是对l d 泵浦绿光激光器的光学系统进行研究，期望达到的目 标是设计出特定l d 泵浦绿光激光器的光学系统，包括光学谐振腔的设计以及光 学准直系统的设计。本文的主要内容及创新成果如下： ( 1 ) 提出了光学效果等效的方法，并将其应用到l d 泵浦绿光激光器的光学谐 振腔内激光束参数表达式的推导过程中。推导过程以矩阵光学为出发点，将激光 工作物质的热透镜焦距引入到光学变换矩阵中，通过对输入腔镜和输出腔镜之间 的光学元件组的光学效果进行等效，将其等效为某一个特定的光学元件，从而简 化了直腔、三镜折叠腔以及四镜折叠腔内激光束参数表达式的推导。 ( 2 ) 提出了光线追迹法，并将其应用到光学准直系统的分析中。该方法是在建 立的直角坐标系中对光线进行追迹。与高斯光束的理想透镜变换公式相比，光线 追迹法将光学系统的像差隐含于光束的透镜变换过程中，弥补了高斯光束透镜变 换公式忽略透镜像差的缺陷。将光学追迹法的计算结果与高斯光束的理想透镜变 换公式计算的结果相比较，依据比较结果可以判断所设计的光学准直系统的优劣。 ( 3 ) 设计出了满足特定要求的l d 泵浦绿光激光器的光学系统。通过对比确定 实验方案，运用理论分析光学谐振腔、计算确定激光束的光学准直系统参数，并 使用光学追迹法对准直系统进行分析判定设计优劣，最后根据实验结果对参数作 出调整，设计出激光束发散角小于2 m r a d 、光斑质量良好的、激光发射功率稳定 的l d 泵浦绿光激光器，完成了光学系统的设计任务。 关键词：热透镜；光学变换矩阵；谐振腔；光线追迹法；像差；光束发散角 l d 泉浦绿光激光器光学系统设计 a bs t r a c t b e c a u s eo fo u t s t a n d i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h eb e a ma n di n c r e a s i n g l ym a t u r e t e c h n o l o g yo fc o m m e r c i a lp r o d u c t i o n s ，l dp u m p e dg r e e nl a s e ri sw i d e l yu s e di n m a n yf i e l d s i ti sf o c u s e db ym o r er e s e a r c h e r sa n di th a sb e c o m eo n eo ft h em o s th o t r e s e a r c hi s s u e so fl dp u m p e ds o l i d s t a t el a s e r t h i sd i s s e r t a t i o ni ss t u d i e dt h eo p t i c a l s y s t e mo fl dp u m p e dg r e e nl a s e r t h ep u r p o s et h a ta c h i e v e si s t oc o m p l e t et h e o p t i c a ls y s t e md e s i g no fl dp u m p e dg r e e nl a s e r ，i n c l u d i n gt h ed e s i g no fr e s o n a t o r a n dc o l l i m a t i o ns y s t e m t h em a i nc o n t e n t sa n dt h ei n n o v a t i o n so ft h es t u d yc a nb e s u m m a r i z e da sf o l l o w s ： f i r s t l y ，t h ee q u i v a l e n tm e t h o do fo p t i c a le f 佗c ti sp r o p o s e da n da p p l i e dt ot h e c a l c u l a t i o np r o c e s sw h i c hd e d u c e st h ee x p r e s s i o no fl a s e rb e a mp a r a m e t e r s t h el a s e r b e a mi sl o c a t e di nt h eo p t i c a lr e s o n a n tc a v i t yo fl dp u m p e dg r e e nl a s e r t h e c a l c u l a t i o np r o c e s si sb a s e do nt h eo p t i c a lm a t r i x ，a n dt h et h e r m a ll e n sf 1 0 c a ll e n g t hi s i n t r o d u c e di n t ot h eo p t i c a l仃a n s f o r mm a t r i x ，t h e nt h eo p t i c a l c o m p o n e n tg r o u p b e t w e e ni n p u tm i r r o ra n do u t p u tm i r r o ri sr e g a r da sa no p t i c a lc o m p o n e n tw h i c h o p t i c a ie f f - e c ti st h es a m ea st h eo p t i c a lc o m p o n e n tg r o u p t h ec a l c u l a t i o np r o c e s s i n c l u d i n gt h es t r a i g h tc a v i t ya n dt h et h r e e - m i r r o rf b l d e dc a v i t y a sw e l la st h e f o u r m i r r o rf o l d e dc a v i t yi ss i m p l i n e db yi n t r o d u c i n gt h ee q u i v a l e n tm e t h o d s e c o n d l y ，t h er a y - t r a c i n gm e t h o di sp r o p o s e df b ra n a l y z i n go p t i c a lc o l l i m a t i o n s y s t e m t h ism e t h o de s t a b l i s h e sc a r t e s i a nc o o r d i n a t es y s t e mn r s t l y ，a n dt h e nt h e s p e c i n cr a yi s t r a c e d c o m p a r e dw i t hg a u s s i a nl e n st r a n s f o r m a t i o nf o r m u l a ，t h e r a y - t r a c i n gm e t h o d ，i nw h i c ht h ea b e r r a t i o no fo p t i c a ls y s t e mi sh i d d e ni nt h eb e a m t r a n s f o r m a t i o np r o c e s s ，i sw e l l t h er a y - t r a c i n gm e t h o df e t c h e su pt h ed i s n g u r e m e n t t h a tg a u s s i a nl e n st r a n s f o r m a t i o nf o r m u l ao v e r l o o k s t h er e s u l tw h i c hc a l c u l a t e sb y t h et w om e t h o d sr e s p e c t i v e l yi sc o m p a r e d a n dt h ec o m p a r e dr e s u l tc a nb ea sab a s i s f o rd e t e r m i n i n gt h eo p t i c a lc o l l i m a t i o ns y s t e mt h a td e s i g n e di sg o o do rb a d t h i r d l y ，t h eo p t i c a ls y s t e mw h i c hs a t is n e st h er e q u e s to fg i v e nl dp u m p e dg r e e n l a s e ri sd e s i g n e d t h ee x p e r i m e n t a lp r o g r a mi sd e t e r m i n e db yc o m p a r i n g ，a n dt h e n o p t i c a lr e s o n a n ti sa n a l y z e da c c o r d i n ga st h et h e o r ya n dt h ep a r a m e t e r so ft h el a s e r b e a mc o l l i m a t i o ns y s t e ma r eg a i n e dt h o u g hc a l c u l a t i o n i ti su s e dt h er a y - t r a c i n g m e t h o dt oa n a l y z et h ea b e r r a t i o no fo p t i c a lc o l l i m a t i o ns y s t e mt h a td e s i g n e d a n dt h e e s t i m a t i o n ， o fw h i c ht h eo p t i c a lc o l l i m a t i o ns y s t e mi sg o o do rb a d ，i sc o n f i r m e d a c c o r d i n gt ot h er e s u l tt h a ta b o v e a tl a s t ，t h ep a r a m e t e r sa r ea l t e r e do rn o ta c c o r d i n g i l i 硕士学位论文 t ot h ee x p e r i m e n t t h eo p t i c a ls y s t e md e s i g no fg i v e nl dp u m p e dg r e e nl a s e ri sw e l l a c c o m p l i s h e d ，o fw h i c ht h ed i v e r g e n c ea n g l eo ft h el a s e rb e a mi sl e s st h a n2 m r a da n d t h eq u a l i t yo ft h eb e a mi sg o o da n dt h eo u t p u tp o w e ri ss t e a d y k e yw o r d s ：t h e r m a l l e n s ；o p t i c a lt r a n s f e rm a t r i x ；r e s o n a n tc a v i t y ；r a y t r a c i n gm e t h o d ； a b e r r a t i o n ；b e a md i v e r g e n c ea n g l e i v l d 泵浦绿光激光器光学系统设计 插图索引 2 1 热透镜随泵浦功率的变化曲线1 3 2 2 谐振腔示意图15 2 3 以随腔长三的变化曲线1 8 2 4 光束束腰半径随腔长三的变化曲线1 8 2 5 热透镜效应等效腔1 9 2 6 。随热透镜厂的变化曲线2 0 2 7 考虑热透镜与不考虑热透镜像方束腰随腔长的变化比较曲线2l 2 8 输出镜上光斑随腔长的变化2 1 2 9 三镜折叠腔热透镜等效腔2 2 2 1 0 四镜折叠腔热透镜等效腔一2 3 3 1 柱透镜准直分析2 7 3 2 各角随臼变化图形2 8 3 3 透镜组准直l d 2 8 3 4 棱镜准直l d 2 8 3 5 压缩比随顶角的变化曲线2 9 3 6 自聚焦透镜中光线轨迹与随其长度变化曲线3 0 3 7 高斯光束的透镜变换3 2 3 8 像方束腰随透镜焦距的变化3 3 3 9 像方束腰与出射镜面距离随厂的变化3 3 3 1 0 球差产生原理图3 4 3 1 1 光线追迹图3 6 4 1l d 实物图及频谱图4 0 4 2 高阶模式图4 l 4 3 结构示意图4 2 4 4 稳定条件随热透镜焦距的变化曲线4 3 4 5 凹透镜的直角坐标系4 5 4 6 倍频光输出功率随腔长变化4 7 4 7 绿光光斑模式图4 7 4 8 绿光输出功率4 8 4 9 准j 直后的绿光光斑4 8 4 1 0 样品4 9 v i i 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 硕士学位论文 附表索引 表1 1n d ：y a g 主要光学特性一5 表1 2n d ：y v 0 4 主要光学特性5 表1 3k t p 主要光学特性6 表1 4l b o 主要光学特性一7 表4 1 样机主要技术参数4 9 v i i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：余劫寸之 日期：叫年6 月b 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密曰。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：办7 日期：7 年6 月6 日 年易月彳日 硕十学位论文 第1 章绪论 1 1l d 泵浦绿光激光器发展历程及研究现状 l d ( l a s e rd i o d e ，激光二极管) 泵浦绿光激光器的发展历程是伴随着l d 泵 浦固体激光器的发展而发展的，其发展历程可以追溯到2 0 世纪6 0 年代。 1 9 6 0 年世界上诞生的第一台激光器，是使用闪光灯泵浦红宝石实现激光运转 的。在红宝石激光器诞生之后，科学家们就意识到激光二极管泵浦代替闪光灯泵 浦固态激光材料所能带来的优势。不过由于半导体工艺的限制( 如激光二极管的 寿命短、阈值高、效率低，需要在极低的温度下发射谱线才能与增益材料的吸收 峰值相对应等) ，实际可用的全固态激光器并没有出现。1 9 6 2 年，研究人员发现 g a a sp n 结可以产生受激发射，并对其激光辐射特性进行了研究。1 9 6 3 年 r n e w m a n 利用g a a s 二极管8 8 0 n m 附近的辐射去泵浦n d ：c a w 0 4 ，得到1 0 6 “m 的荧光输出。1 9 6 8 年，麦道宇航公司的r o s s 在17 0 k 的低温下，实现了世界上 第一台用g a a s 激光二极管( 8 6 7 n m ) 横向泵浦的n d ：y a g 激光器睥1 。 整个7 0 年代跟6 0 年代相比，由于半导体生长工艺仍然没有突破，激光二极 管泵浦源的低功率和低转换效率阻碍了全固态激光器技术上的进步，没有太大的 发展1 。1 9 7 1 年，o s t e r m a y e r 等人首次实现了能够在常温条件下连续运转的激光 二极管泵浦n d ：y a g 激光器。1 9 7 2 年，b a r n e s 首次建立了l e d 侧面泵浦n d ：y a g 激光器模型，并给出了阈值和斜效率的近视表达式。 8 0 年代，随着半导体技术的突破性发展，全固态激光器进入了一个蓬勃发展 的新时期。这期间，由于量子阱( q w ) 和应变量子阱( s l q w ) 的出现，l d 的 阂值电流减小，连续或准连续功率有了明显的提高。同时由于非线性光学频率变 换技术的发展，19 8 5 年，b a e r 和k e r i s t e a d 研制成功l d 泵浦内腔倍频全固态激 光器，以k t p 晶体作为非线性倍频晶体，获得了1 1 m w 的0 5 3 肛m 绿光输出1 。 k o z l o v s k y 等人用掺氧化镁铌酸锂( m 9 0 ：l i n b 0 3 ) 晶体实现外腔谐振倍频，获得 了2 m w 单纵模5 3 2 n m 绿光输出陌1 。 9 0 年代至今，l d 泵浦绿光激光器得到了迅速发展。1 9 9 1 年，t t a i r a 等设计 的n d ：y v 0 4 微片激光器l d 功率为6 2 m w 时得到1 6 m w 的单纵模绿光输出，转 换效率为2 6 1 。1 9 9 4 年，n m a c k i n n o n 等采用o 5 m m 厚的和2 m m 厚的k t p 设计的l d 阵列泵浦微片激光器得到了5 0 m w 的绿光输出。19 9 9 年，y u a n f u c h e n 等采用三明治腔结构进行了l d 泵浦n d ：y v 0 4 k t p 调q 绿光激光器的试验 研究，在泵浦功率为1 7 w ，重复频率为5 0 k h z 时输出绿光平均功率为4 6 w ，光 l d 泵浦绿光激光器光学系统设计 光转换效率为2 7 随1 。近年来，高功率绿光激光器的发展极为迅速。k o n n o 等人 采用平面镜v 型腔获得了6 8 w 的倍频绿光输出阳1 。法国的l eg a r r e c 等采用3 0 个连续l d 侧面泵浦单棒，在z 型腔腔内k t p 晶体倍频结构下，双端输出2 7 k h z 、 1 0 6 w 的高功率绿光，总的光电转换效率达到了5 4 0 l ；h o n e a 等采用k t p 倍频 的v 型腔半导体泵浦n d ：y a g 激光器，获得了1 4 0 w 的绿光输出n ；c h a n g 等人 分别采用k t p 和l b o 作为倍频晶体，获得了3 1 5 w 和1 7 0 w 绿光输出n 引。 国际上获得的绿光的功率越来越高，但是由于国外高功率半导体激光器禁运、 价格等条件限制，国内在这方面的研究水平一直落后于发达国家。近年来，随着 国产半导体激光器质量的提高以及国外半导体激光器价格的下降，l d 泵浦固体高 功率绿光激光器的研究也得到了极大的发展，中科院物理所、西安光机所、长春 光机所、天津大学、山东大学等单位先后开展了这方面的研究，并且取得了一定 的成果。 19 9 4 年，山西大学光电研究所报道了研制成功l d 直接耦合泵浦的小型 n d ：y v 0 4 k t p 绿光激光器n 朝，19 9 6 年又研制出采用5 0 0 m wl d 直接耦合泵浦的、 基横模绿光输出达7 3 m w 的高效率n d ：y v 0 4 k t p 腔内倍频激光器。1 9 9 6 年长春光 机所金天峰等人研制的l d 泵浦n d ：y v 0 4 微小型激光器，斜效率达到6 1 5 n4 1 。1 9 9 8 年中科院物理所报道了l d 泵浦n d ：y v 0 4 l b o 腔内倍频绿光激光器，当泵浦光功 率为5 5 w 时，获得了1 2 w 基模5 3 2 n m 绿光输出n 引，2 0 0 0 年又报道了用l d 双向泵浦 n d ：y v 0 4 k t p 腔内倍频的大功率绿光激光器，在泵浦功率为2 8 w 时，获得最大连 续绿光输出8 8 w n6 l 。2 0 0 2 年，电子部1 1 所的姜东升等人采用三镜l 型腔，实现平 均功率6 8 w 的绿光输出n7 l 。2 0 0 5 年，天津大学激光与光电子研究所研究人员采用 平凹腔结构，通过对k t p 倍频晶体进行冷却和加热措施，先后获得了8 5 w 和1 1 0 w 的高平均功率绿光输出n p 20 1 。从国内外的研究成果来看，我国要赶上国际先进水 平还需要很长的一段路要走。 1 2l d 泵浦绿光激光器的结构 l d 泵浦绿光激光器的结构可以划分为四个组成部分，分别是：泵浦源一l d 、 激光工作物质及用于倍频的非线性晶体、光学谐振腔以及光学准直系统。本文在 后面的章节重点对光学谐振腔以及光学准直系统进行研究，这里对泵浦源以及常 用的两种激光工作物质和用于倍频的两种非线性品体进行介绍，随后简单地介绍 与结构相关的激光工作物质的泵浦方式和非线性倍频晶体的倍频方式。 1 2 1l d 简介 l d 在绿光激光器的作用是为激光提供运转的能量，它是以直接带隙半导体 材料构成的p n 结或p i n 结为工作物质的一种小型激光器心1 j 。能构成p n 结的工 2 硕十学位论文 作物质有几十种，目前已制成激光器的半导体材料有砷化镓( g a a s ) 、砷化铟 ( i n a s ) 、锑化铟( i n s b ) 、氮化镓( g a n ) 、铝镓砷( a l x g a l x a s ) 等。l d 的激励 方式主要有三种，即电注入式、光泵式和高能电子束激励式。绝大多数激光二极 管的激励方式是电注入式，即给p n 结加正向电压，已使其在结平面区域产生受 激发射。与其他的激光器一样，要使其产生相干辐射，必须满足三个基本条件： ( 1 ) 建立起激射媒质( 有源区) 内载流子的反转分布。即处在高能态导带底的 电子数比处在低能态价带的空穴数大很多。这是靠给异质结加正向偏压，向有源 层内注入必要的载流子来实现的。 ( 2 ) 激光二极管的谐振腔是由半导体晶体的自然解理面作为反射镜形成的，通 常在不出光的那一端镀上高反多层介质膜，而出光面镀上抗反膜。对f p 腔激光 二极管，可以利用晶体与p n 结平面相垂直的自然解理面构成f p 腔，这样受激 辐射在光学谐振腔内得到多次反馈而形成激光振荡，获得相干受激辐射。 ( 3 ) 必须对激光二极管提供足够强的电流注入，以弥补谐振腔引起的光损耗及 从腔面的激光输出等引起的损耗，不断增加腔内的光场，提供足够大的增益，即 为形成稳定振荡要求必须满足一定的电流阈值条件。当激光器达到阈值，具有特 定波长的光就能在腔内谐振并被放大，最后形成激光而连续输出。 半导体激光器的常用参数有： ( 1 ) 波长：即激光器工作波长，目前已有的波长有6 3 5 n m 、6 6 0 n m 、8 0 8 n m 、 9 8 0 n m 以及1 3 1 0 n m 、1 5 5 0 n m 等。 ( 2 ) 阈值电流厶：即激光管开始产生激光振荡的电流，对一般小功率激光器而 言，其值约在数十毫安。 ( 3 ) 垂直发散角日i ：半导体激光器的发光带在与p n 结垂直方向所张开的角度。 ( 4 ) 水平发散角口，半导体激光器的发光带在与p n 结平行方向所张开的角度。 半导体激光发展到现在，其结构形式多种多样，但其结构形式只有几种最基 本的，如同质结激光器、双异质结激光器、条形激光器、量子阱激光器等。下面 分别进行介绍。 ( 1 ) 同质结激光器( h o m o j u n c t i o nl a s e rd i o d e ，h l d ) 同质结激光器是由两层不同类型的半导体材料构成，在体材料上采用杂质结 扩散的办法形成p n 结，通过p n 结区的电子空穴复合提高增益，利用垂直于结 的两个解理面而形成谐振腔，提供光反馈，在p n 结上加上正向偏置电压提供载 流子的输入，从而得到相干光输出。这是l d 发展的第一阶段，此类激光器有致 命的弱点：激光闽值的电流特别高，且只能在低温下输出。 ( 2 ) 双异质结激光器( d o u b l eh e t e r o i u n c t i o nl a s e rd i o d e ，d h l d ) 双异质结激光器由三层不同类型的半导体材料构成，结构中间一层窄带隙p 型半导体为有源层，两侧分别为宽带隙和低折射率的p 型和n 型半导体限制层， 3 l d 泵浦绿光激光器光学系统设计 三层半导体置于基片上，前后两个晶体解理面为反射镜构成谐振腔。光从有源层 沿垂直于p n 结的方向射出。这是l d 发展的一个重要的里程碑。 ( 3 ) 量子阱( q w ) 半导体激光器 这种半导体激光器是运用量子阱结构的一种激光器。当窄带隙的有源层材料 厚度小于电子的德布罗意波长时，有源区就变成了势阱区，两侧的宽带隙材料成 为势垒区，电子和空穴沿垂直阱壁方向的运动出现量子化特点，电子形态密度也 变成类阶梯状。这种激光器与双异质结相比，具有阈值低、量子效率高、温度特 性好、输出功率大、动态特性好、寿命长等特点。这种结构的l d 是目前市场应 用的l d 主流产品。 ( 4 ) 垂直腔面发射激光器( v e r t i c a lc a v i t ys u r f a c ee m i t t i n gl a s e r ，v c s e l ) 该类型的激光器是一种特殊的半导体激光器，其特征为圆形输出光束，易与 光纤耦合，转换效率高，调制速率快，阈值低，噪声小；垂直腔面很小，易于高 密度集成和成管前整片检测。这种l d 的理论研究成果已经非常丰富，不过还没 有成熟的产品投放到市场。 1 2 2 激光工作物质 用于l d 泵浦绿光激光器中的工作物质必须具有以下三个特点：尖锐的荧 光谱线；能与l d 发光谱线相对应的强吸收带；针对所需要的荧光跃迁的相 当高的量子效率。 随着l d 的输出功率、稳定性、寿命等性能的不断提高，固体激光材料的研 究也得到了进一步的发展。满足上面三个条件的固体激光工作物质即激光晶体被 大量地发现，数量多达数十种3 m 2 。2 引。如n d ：y a g 、n d ：y v 0 4 、钕玻璃、n d ：y l f 、 以及n d ：y a p 等。这么多的晶体中，用于l d 泵浦绿光激光器中最常用的有两种， 分别是n d ：y a g 和n d ：y v 0 4 。 ( 1 ) n d ：y a g 晶体 n d ：y a g 晶体是最早发明的固体激光介质之一，是将三价的n d ”掺入钇铝石榴 石中，替代y 3 + 离子获得的，属于立方晶系，在光学上各向同性，是目前最常用的 一种固体激光材料，也是目前最成熟的固体激光材料。n d ：y a g 晶体的参量特别 有利于激光作用的产生：第一，激活离子n d 3 + 的吸收峰值与g a a s 二极管辐射标准 光谱重合，非常适于用l d 泵浦；第二，在n d ：y a g 中，三价的钕替换了三价的钇， 因而不需要补偿电荷，它的立方结构也有利于得到窄的荧光谱线，导致了高增益、 低阈值；第三，y a g 基质很硬、机械强度高、导热性好且具有良好的光学质量。 除了具有优越的光谱和激光特性外，还具有很好的物理、化学特性，其主要 的特性如表1 1 所示。 ( 2 ) n d ：y v 0 4 ( 掺钕钒酸钇) 晶体 4 硕十学位论文 表1 1n d ：y a g 主要光学特性 光学特性名称数据 莫氏硬度 激光波长 热膨胀系数k 。1 3 0 0 k ) 热传导系数( w c m k 3 0 0 k ) 热光系数( 3 0 0 k ) 受激辐射截面 谱线宽度 峰值泵浦波长 吸收系数 8 5 1 0 6 4 3 n m ，1 3 4 2 n m ，9 1 4 n m 7 8 1 0 6 o 14 w c m k ( 2 0 0 c ) ，0 10 w c m k ( 10 0 0 c ) 砌刀：7 3 l c r 6 r 1 2 8 1 0 一1 9 c m 2 1 0 6 4 n m o 6 n m 8 0 8 6 n m 0 2 m 。1 ( 1 0 6 4 ) n d ：y v 0 4 晶体最早是由m i t 林肯实验室的j r o c o n n o r 于1 9 6 6 年发明的， 属于单轴晶体。晶体中激活离子n d 的振荡强度大；y v 0 4 基质对n d ”有敏化作 用，提高了激活离子的吸收能力；同时，n d ：y v 0 4 晶体有很强的双折射特性；a 轴切割时具有很强偏振吸收特性，其光场e 矢量平行于晶体光轴方向的万偏振 ( 剧c ) 和仃偏振( e j - c ) 的光谱特性具有明显差异，其最强吸收和最强辐射都 发生在万偏振取向，因此常用a 轴切割晶体得到丌偏振光输出。 n d ：y v 0 4 晶体有几种光谱特性特别适合于激光二极管泵浦：吸收系数高、受 激发射截面大，比n d ：y a g 大5 倍；吸收光谱宽，且吸收带宽变化不大，宽的泵 浦带宽表示泵浦效率更高，且不需要严格地选择何种激光二极管作为泵浦源和控 制激光二极管泵浦波长。当采用腔内倍频时，由其产生的基波振荡光具有线偏振 特性，非常有利于倍频转换和倍频效率的提高。其特性如表1 2 所示。 表1 2n d ：y v 0 4 主要光学特性 光学特性名称数据 莫氏硬度 激光波长 热膨胀系数k 。 3 0 0 k ) 热传导系数( w c m k 3 0 0 k ) 热光系数( 3 0 0 k ) 受激辐射截面 谱线宽度 峰值泵浦波跃 在8 0 8 n m 的峰值吸收系数( c m 1 ) 4 5 1 0 6 4 3 n m ，1 3 4 2 n m ，9 1 4 n m a 口= 4 4 3 1 0 ，a 6 = 1 1 3 7 1 0 6 c ：0 0 5 2 3 ，上c ：0 0 5 1 0 也刀= & 5 1 0 r 6 k 晚刀= 2 9 l 酽k 2 5 1 01 9 c m 2 1 0 6 4 n m 0 8 n m 8 0 8 5 n m 3 7 ( 偏振) ；10 ( o 偏振) 5 l d 泵浦绿光激光器光学系统设计 1 2 3 非线性材料 目前的研究成果中，要产生5 3 2 n m 的绿光，需要通过非线性光学，使用倍频 晶体来实现绿光的输出。可以用做倍频的晶体有许多，按照晶体光学可分为三类： 第一类晶体是光学均质体，从结晶轴上看三个正交方向是完全等价的，这类晶体 属于立方晶系；第二类晶体在同一平面内具有两个或更多个结晶学上的等价方向， 属于三方、四方和六方晶系；第三类晶体，没有两个结晶学上等价方向可供选择， 他们属于斜方、单斜和三斜晶体，又称为双轴晶体。在l d 泵浦的固体绿光激光 器中使用比较广泛的是两种晶体，为磷酸氧钛钾( k t p ) 晶体和三硼酸锂( l b o ) 晶体，下面分别介绍其光学特性乜3 屯引。 ( 1 ) k t p 晶体 k t p 晶体是一种新型非线性材料，属于双轴晶体结构。该晶体具有的特点如 下：有效非线性系数大、损伤阈值高、室温下可实现相位匹配、透光范围宽、性 质稳定、不容易潮解等优点，在光学参量振荡、和频尤其是倍频中得到广泛的应 用，被认为是一种综合性能最为优秀的非线性晶体材料之一。作为倍频晶体，具 有非线性系数大、接收角大、走离角小、温度和光谱带宽宽、光电系数高和介电 常数低、阻抗比值大、不吸水、化学、机械性能稳定等光学特点。其光学特性如 表1 3 所示。 表1 3k t p 主要光学特性 光学特性名称数据 非线性光学系数( p m v ) 允许角( ，刀厂口d c ， ) 允许波长( 栉埘c m ) 走离角( o c ) 透光范围( “m ) 倍频产生相位匹配范围 吸收系数 热膨胀系数( 1 0 q o c ) 热光系数( 1 0 o c ) d 3 l = 6 5 ，d 3 2 = 5 0 ，d 3 3 = 1 3 7 ，d 2 4 = 7 6 ，d 1 5 = 6 1 1 5 v 6 8 0 5 6 0 5 5 0 3 5 4 5 9 9 7 1 8 0 0 n m ( 类) 0 1 c m 1 0 6 4 n m ， 1 c m 5 3 2 n m a 1 2 11 ，口2 2 9 ，a 3 2 0 6 以刀= 1 1 ，呶刀= 1 3 ，如刃= 1 6 ( 2 ) l b o 晶体特性 l b o 晶体属于双轴晶体，具有可透光波段范围宽、光学均匀性好、内部包络 少、倍频转换效率较高、损伤阈值高、接收角度宽、离散角小等优点，且i 、i i 类非临界相位匹配( n c p m ) 的波段范围宽，光谱非临界相位匹配( n c p m ) 接近 13 0 0 n m 。它可以广泛应用于二次【2 9 1 、三次谐波产生，另外在o p o 和o p a 等领域 也有广泛的应用。其特性见表1 4 。 6 硕十学位论文 表1 4l b o 主要光学特性 光学特性名称 数据 非线性光学系数( p m v ) n c p m 温度 温度线宽 走离角( o c ) 透光范围( “m ) 倍频产生相位匹配范围 吸收系数 热光系数( 1 0 。6 o c ) d 3 l = 一2 2 4 ，d 3 2 = 2 6 9 ，d 3 3 = 0 6l 1 4 8 0 c 10 6 4 n m ( i 类) 4 0 c c m 0 6 o 1 6 2 6 5 5 1 n m 3 0 0 0 n m ( i 类) 0 1 c m 1 0 6 4 n m ， 0 3 c m 5 3 2 n m 呶刀= 母3 如刀= 一b 6 如刃= ( 乇3 2 1 d 1 2 4 泵浦方式 在l d 泵浦绿光激光器中，泵浦技术往往决定了总体的激光效率，提高泵浦效 率可以大幅度降低成本1 。按泵浦光与激光振荡模式的方向关系，泵浦方式主要 有两种：纵向泵浦( 端面泵浦) 和横向泵浦( 侧面泵浦) 。 1 纵向泵浦 纵向泵浦，就是将泵浦源放置在激光工作物质的一个端面，让泵浦光从激光 工作物质的端面进入，对激光工作物质进行泵浦。这种泵浦方式具有结构紧凑、 整体效率高、空间模式好的特点。它能够使泵浦光与振荡激光做到最大的重叠， 如果对谐振腔结构进行优化设计，还可以减小有效泵浦截面，使泵浦光束在激光 工作物质内有很小的模体积。因为纵向泵浦在入射方向的穿透深度很大，有利于 增益介质对泵浦光的充分吸收，因此泵浦阈值功率低，效率比较高。但因这种泵 浦方式泵浦源只能放在激光工作物质的端面方向，受激光工作物质端面横向尺寸 的影响和光束圆化系统的制约，只能放置一、两个激光器，总的泵浦能量也就受 到限制。另外，由于泵浦空间较小，造成激光介质内热透镜效应比较严重，从而 降低了激光光束质量，限制了功率的提高，因此这种泵浦方式比较适用于中小功 率的l d 泵浦绿光激光器。 2 横向泵浦 横向泵浦，就是在激光工作物质的侧面放置泵浦源，其优点是输出激光的功 率大。侧面泵浦主要有两种方式，一种是对棒状激光工作物质的环绕型泵浦，另 一种就是对板条状激光工作物质的边泵或面泵。侧泵用的激光工作物质一般较长， 以便吸收更多的泵浦光，因此输出功率较大；而且由于侧泵对轴向放置的激光工 作物质进行横向泵浦，散热和泵浦祸合区域都很大，可以简单增加激光工作物质 的长度和l d a 的数量来提高输出功率，是提高l d 泵浦绿光激光器输出功率的根本 途径之一，但它的泵浦阈值比端面泵浦方式的高，泵浦效率也比较低。目前大功 7 l d 泵浦绿光激光器光学系统设计 率的l d 泵浦绿光激光器都采用这种泵浦方式。 1 2 5 倍频方式 倍频方式根据倍频晶体放置位置的不同，分为腔内倍频和腔外倍频0 3 ，即 晶体是放置在光学谐振腔的里面还是光学谐振腔的外面。研究现状表明，对于出 光功率较大的激光器，一般使用的是腔外倍频，而功率不大的激光器使用的是腔 内倍频。因为大功率的激光一次就能够给激光工作物质强大的能量，对其进行充 分的泵浦；而小功率激光器必须要进过多次的往返，在往返的过程中将泵浦光放 大进行更充分的泵浦，最后达到所要求的激光功率。 1 3 绿光激光器的应用 l d 泵浦绿光激光器的迅速发展，其应用范围越来越广泛，总结起来，主要 应用一下领域： ( 1 ) 用于飞秒激光器的泵浦源3 1 在飞秒激光器中主要是用l d 泵浦固体激光 器作为泵浦源的，如用l d 泵浦n d ：y a g n d ：y v 0 4 倍频后绿光激光器作为泵浦源， 泵浦t i ：a 1 2 0 3 晶体产生飞秒脉冲。 ( 2 ) 在医疗方面的应用们由于人眼对绿光最为敏感，5 3 2 n m 波长的绿光激光 脉冲可以用于眼科手术，还可以用于治疗血管性疾病。脉冲绿光激光器因其功率 高，对皮肤的作用时间对于选择性光解热来说也相对较短，这样激光不会对目标 组织周围的皮肤组织产生非选择性加热，从而不会导致热损伤，降到了手术危险 性。近年国内开展的绿激光治疗前列腺炎的手术就是激光在医疗方面的一个典型 应用，是迄今前列腺治疗最成功的手段，手术一次收费约1 2 0 0 0 元，市场潜力很 大。遗憾的是该手术所用的主要设备光源及光纤还不能国产化。2 0 0 7 年，西图尼 公司为北京3 0 l 医院研制成皮肤黑斑治疗仪，其主要部件就是输出功率为5 w 的 绿激光，疗效显著，目前设备仍在使用。 ( 3 ) 在彩色显示领域的应用与其他显示光源相比，激光显示技术具有色域宽、 显示画面尺寸灵活可变、无有害电磁射线辐射等独特优点，可用于家庭影院、数 码影院、超大屏幕投影、公众信息大屏幕以及教学演示、虚拟现实模拟等众多领 域，成为家庭及室外未来首选的视频显示设备，所以大功率三基色全固态激光器 作为激光彩色显示的关键技术，已成为当前国际激光领域研究的热点。 ( 4 ) 在工业精密加工中的应用朝绿光激光器由于其亮度高、聚焦光斑小、作 用时间短、热影响区小、工件不会因加工而产生大的形变等优点、可以对一些硬 度高、脆性大的材料进行加工，在精度加工中显示出它的独特优越性；另外，激 光还可用于焊接，用功率不太大的激光束，使材料熔化而不使其汽化，在冷却后 成为一块连续的固体结构；除此之外，激光在电子工业中也得到广泛应用，可以 8 硕十学位论文 用来调整微型电阻的阻值，随着激光器性能的改善和新型激光器的出现，激光在 超大规模集成电路方面的应用已经成为许多其他工艺所无法取代的关键技艺，为 超大规模集成电路的发展展现出令人鼓舞的前景。 ( 5 ) 用于娱乐由于l d 泵浦绿光激光器的高亮度以及小的发散角，因此它可以 应用于娱乐产业，如舞台灯以及地标等。 1 4 选题背景 因l d 泵浦绿光激光器有许多的优点及广泛的应用前景，因此它是激光研究 领域的热点之一。据不完全调查统计，市场每月需求的小功率l d 泵浦绿光激光器 数以万计，且其中很大一部分是用于出口海外。这个数据显示的只是l d 泵浦绿光 激光器系列产品中的一部分产品的需求量，还有其他许多大功率的绿光激光器的 产品市场需求量也是相当可观的。然而，与这巨大的市场需求形成鲜明对比的现 实却是产业化生产中存在着大量频繁出现的有待解决的问题，如光束的模式跳变、 光功率经常性的不稳定、光束质量难以达到预期的质量要求、光学系统设计的周 期过于偏长以及结构比较复杂等等。这些问题的存在，使得生产效率迟迟的难以 得到提高，产品的成本不能够降低到令人满意的程度。 现有的投放到市场中的产品，虽然基本能够达到应用的要求，但还是有许多 产品存在着缺陷，如光学系统的设计过于复杂，或者所选用的准直透镜不够合适 使得所得到的光束质量不够好等。这样的问题，可以通过对光学系统进行深入的 研究、对其设计进行更改来解决。 通过深入的研究，不但可以找到现有的产品的光学系统存在的缺点，而且能 够设计出