（光学工程专业论文）LD端面泵浦Nd：YVOlt4gtLBO单频671nm激光器.pdf

摘要 摘要 激光二极管( l d ) 泵浦的固体激光器具有效率高、光束质量好、结构紧凑、寿 命长等优点，在军事、医学，科研等领域具有广泛的用途。尤其是其单频运转，在 光谱学、相干测量、全息等领域有广泛的应用。其中，全固态红光激光器的研究得 到了国内外的广泛关注。随着晶体生长技术和半导体技术的发展，它在彩显、医疗、 光存储和作为可调谐c r ：l i s a f 激光器泵浦源等方面的广泛用途受到了重视。而且， 1 3 m 区域激光由于与硅光纤传输窗口符合而有非常广泛的应用前景。利用波长为 6 7 1 n m 的单频红光激光器，通过参量下转换得到光纤中低损耗传输的1 3 4 pm 纠缠源 将是今后探索量子信息实用化的一个有效途径。 本文对l d 端面泵浦n d ：y v 0 4 晶体，l b o 晶体内腔倍频获得6 7 1 n m 单频红光 进行了系统的理论分析和实验研究。利用半导体激光器( l d ) 端面抽运位于四镜环 行腔中的n d ：y v 0 4 晶体，保证激光器单频运转的腔内光学单向器由t g g 和 2 波 片构成；腔内倍频晶体选用i 类i 临界相位匹配l b o 晶体。在1 6 w 泵浦时，我们获 得了输出功率为3 6 0 m w ，l 小时内功率波动小于1 0 ，1 分钟内基频光( 1 3 4 2 n m ) 的频率漂移优于4 7 m h z ，波长为6 7 1 n m 的单频红光。 论文共分四部分： 第一章：绪论 回顾l d 泵浦固体激光器的发展历史，研究现状及发展趋势，概述了红光固体 激光器的发展现状。 第二章：l b o 内腔倍频的理论分析与计算 对红光的倍频产生进行了理论分析，考虑到倍频效率与相位匹配的关系，分别 介绍了i 类与类相位匹配、临界与非临界相位匹配的区别，指出了与非临界相位 匹配的倍频过程相比，临界相位匹配中产生的走离效应对倍频效率的影响。综合各 种因素给出了选择i 类临界相位匹配l b o 作为倍频晶体的结论。最后，介绍了倍 频晶体l b o 的物理与非线性特性，并对i 类临界相位匹配l b o 晶体的匹配角和走 离角进行了计算，进一步深化了对倍频晶体相位匹配、走离角等基本概念的理解。 第三章：激光器系统的设计及实现 l d 端面泵浦n d ：y v o j l b o 单额6 7 1 n m 激光器 从n d ：y v 0 4 晶体的基本特性出发，考虑了激光晶体的热效应问题，提出了补 偿办法；分析了四能级系统的空间速率方程理论，得到了激光器阈值功率、斜效率 和输出功率的表达式，并讨论了腔型参数的影响，为激光器的优化设计提供了可靠 的理论依据。最后，通过实验，实现了输出功率3 6 0 m w 的稳定单频6 7 1 n m 红光输 出。 第四章：总结与展望 关键词单频红光激光器；内腔倍频；n d ：y v 0 4 i 。b o 晶体：i 类临界相位匹配 i i a b s t r a c t a b s t r a c t d i o d e - p u m p e ds o l i d - s t a t el a s e r s ( d p s l ) ，w i t hh i 曲e f f i c i e n c y , n i c e b e a mq u a l i t y , c o m p a c tc o n f i g u r a t i o n ，a n d l o n gl i f e t i m e ，h a v e b e e n e x t e n s i v e l ya p p l i e d i n m i l i t a r ya f f a i r s ，m e d i c a lt r e a t m e n t s ，s c i e n t i f i c r e s e a r c h e sa n ds oo n e s p e c i a l l y , t h es i n g l e f r e q u e n c yd p s la r er e q u i r e df o r al o to fa p p l i c a t i o n ss u c ha s s p e c t r o s c o p y , c o h e r e n tm e a s u r e m e n ta n d h o l o g r a p h y a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fc r y s t a lg r o w i n gt e c h n o l o g ya n d l dt e c h n o l o g y , a l l - s o l i d s t a t er e dl a s e r sh a v es h o w nb r o a dp o t e n t i a l a p p l i c a t i o n si nc o l o rd i s p l a y s ，b i o m e d i c a l ，a n dp u m p i n gs o u r c e sf o rt u n a b l e c r ：l i s a fl a s e r s s i n c et h ew a v e l e n g t ho f1 3 p r oi st h et r a n s m i s s i o nw i n d o w o fs i l i c o nf i b e r ，t h el a s e r sa t1 3j _ t ma r ev e r yi m p o r t a n tf o rt h eo p t i c a l c o m m u n i c a t i o ni nf i b e r s w i t ht h es i n g l e - f r e q u e n c yr e dl a s e ra t6 7 1 n mt ob e t h ep u m ps o u r c e t h ee n t a n g l e dl i g h ta t13 4 2 n mc a nb eo b t a i n e dv i at h e p r o c e s so ff r e q u e n c y d o w n c o n v e r s i o n t h ee n t a n g l e do p t i c a lb e a ma t 1 3 4 2 n mi sab a s i cr e s o u r c ef o rt h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o no fq u a n t u m i n f o r m a t i o n t h u s ，t h es i n g l e f r e q u e n c y l a s e r sa t6 7 1 n ma r ea l s ot h e n e c e s s a r yp u m ps o u r c e sf o rd e v e l o p i n gq u a n t u mc o m m u n i c a t i o ni no p t i c a l f i b e r s i nt h i st h e s i s ，t h ee x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a ls t u d yo nl a s e r - d i o d e e n d - p u m p e dc w n d ：y v 0 4 l b os i n g l e f r e q u e n c yr e dl a s e ra t6 7 1 n mw i t h i n t r a c a v i t yf r e q u e n c y d o u b l i n gi sp r e s e n t e d t h el a s e rw a se n d - d r i v e nb ya l a s e rd i o d e at y p e ic r i t i c a lp h a s e - m a t c h e dl b oc r y s t a l ，at g ga n dal 2 w a v ep l a t ea r ep l a c e di n s i d et h er i n gr e s o n a t o rw i t hf o u rc a v i t ) ，m i r r o r st ob e t h e f r e q u e n c y - d o u b l i n gc r y s t a l a n dt h eo p t i c a l d i o d e ，r e s p e c t i v e l y t h e s i n g l e f r e q u e n c ys e c o n d h a r m o n i cw a v eo u t p u to f3 6 0m wa t6 7 1 n m w a v e l e n g t hw i t ht h el o n g t i m ei n t e n s i t yf l u c t u a t i o nl e s st h a n1 o w i t h i n 1 h o u rw a so b t a i n e d a tt h es a m et i m et h ef r e q u e n c ys h i f to ft h ef u n d a m e n t a l w a v ea t1 3 4 2 u mo f l e s st h a n4 - 4 7 m h z ( 1m i n u t e ) w a so b s e r v e d i i i ! 里! ! ! ：! ! 竺2 1 1 笪! ! ! q 生! 竺! ! ! g 生：! 竖! ! 竺型! 竺! ! 苎! ! ! ! 竺 1 1 1 et h e s i sc o n s i s t so ft h ef o l l o w i n gf o u rc h a p t e r s ： c h a p t e rl ：i n t r o d u c t i o n i nt h i sp a r t ，t h ep r o g r e s s i n gh i s t o r ya n dd e v e l o p i n gt e n d e n c yo fd p s l a r er e v i e w e da n dt h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t so fr e ds o l i d - s t a t el a s e r s u p - t o d a t ea r es u m m a r i z e d c h a p t e r2 ：t h et h e o r e t i c a la n a l y s i so fs e c o n dh a r m o n i cg e n e r a t i o nv i a i n t r a c a v i t yf r e q u e n c y d o u b l i n go f l b o t h ep r i n c i p l eo ft h e f x e q u e n c y d o u b l e d r e dl a s e ri s t h e o r e t i c a l l y a n a l y z e di nw h i c ht h ed e p e n d e n c eo ft h ef r e q u e n c y - d o u b l i n ge f f i c i e n c yo n t h ep h a s e m a t c h i n gi sd e s c r i b e d b yc o m p a r i n gt h en o n c r i t i c a la n dc r i t i c a l p h a s em a t c h i n gi nt y p e - ia n dt y p e - i i c u tc r y s t a l s ，t h ew a l k - o f fe f f e c ti n t y p e - i c r i t i c a lp h a s em a t c h i n gi sd i s c u s s e d b a s e do nt h e s et h e o r e t i c a l a n a l y s i sw ed r e wac o n c l u s i o nt h a tt y p e - i c r i t i c a lp h a s em a t c h i n gl b o s h o u l db et h eb e s tc a n d i d a t ef o rp e r f o r m i n gt h ef r e q u e n c y - d o u b l i n gf r o m 1 3 4 2 n mt o6 7 1 n m c h a p t e r3 ：d e s i g na n dr e a l i z a t i o no f t h el a s e rs y s t e m u s i n gt h er a t e e q u a t i o n o ff o u r - l e v e l s y s t e m ，t h ee x p r e s s i o n so f t h r e s h o l dp u m pp o w e r , o u t p u tp o w e ra n ds l o p ee f f i c i e n c ya r ec o n c l u d e d i n a d d i t i o n ，t h ee f f e c t so fp a r a m e t e r so ft h el a s e rr e s o n a t o r sa n dt h et h e r m a l e f f e c to fl a s e rc r y s t a la r ed i s c u s s e d a l la b o v ec a l c u l a t e dr e s u l t sp r o v i d e dt h e r e l i a b l er e f e r e n c e sf o rt h eo p t i m i z e dd e s i g no ft h el a s e rs y s t e m f i n a l l y ， t h r o u g he x p e r i m e n t a ls t u d yw eb u i l tal de n d - p u m p e dn d ：y v o d l b o i n t r a c a v i t yf r e q u e n c y - d o u b l e ds i n g l e f r e q u e n c yr e dl a s e r , a n do b t a i n e dt h e s t a b l eo u t p u tp o w e ro f 3 6 0 m wa tt h ew a v e l e n g t ho f 6 7 1 n m 。 c h a p t e r4 ：c o n c l u s i o na n do u t l o o k k e y w o r d ss i n g l e f r e q u e n c yr e dl a s e r ；i n t r a c a v i t yf r e q u e n c yd o u b l i n g ； n d ：y v 0 4 l b oc r y s t a l ；t y p e ic r i t i c a l p h a s em a t c h i n g 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导 下独立完成的，学位论文的知识产权属于山西大学。如 果今后以其他单位名义发表与在读期间学位论文相关 的内容，将承担法律责任。除文中已经注明引用的文献 资料外，本学位论文不包括任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的成果。 学位论文作者( 签章) ： 2 0 0 7 年6 , e lbb f 训铁 第一章绪论 第一章绪论 激光与以往的光源相比，具有亮度高，方向性好、单色性和相干性好等特点， 因而，自1 9 6 0 年第一台红宝石激光器诞生以来，激光器的研究一直受到人们的广 泛关注，激光器的应用已经涉及到人们社会生活的方方面面。 目前，激光器的种类很多，其中，固体激光器由于具有体积小，储能高、激发 方案简单和可靠性强等优点，发展极为迅速，一直处于激光技术发展的中心位置， 在不同的领域有着广泛的应用。而激光二极管( l a s e rd i o d e ，简写为l d ) 及其阵列 ( l a s e rd i o d ea r r a y ，简写为l d a ) 泵浦的固体激光器( d i o d e p u m p e ds o l i d s t a t e l a s e r ，简写为d p s l ) ，兼备了半导体激光器和固体激光器的优点，并弥补了彼此的 某些不足，因而在军事，工业、医学和科研上有着广泛的应用前景。特别是全固化 单频激光器己成为诸如相干信息处理、频率计量、量子光学、引力波测量和量子信 息处理等诸多领域必不可少的光源。 1 1l d 泵浦固体激光器的发展历史 用l d 作为泵浦源是激光泵浦技术中的一个重要突破。六十年代起始，l d 泵 浦的固体激光器便迅速发展起来。在1 9 6 0 年第一台闪光灯泵浦红宝石激光器诞生 之后，1 9 6 2 年，第一支g a a s 二极管激光器就问世了心。不久，r n e w m a n 就第一 个提出了l d 泵浦固体激光器即全固态激光器的思想，1 9 6 3 年，他用砷化嫁( g a a s ) 发光二极管( l e d ) 泵浦掺钕离子钨酸钙晶体( n d ，+ ：c a w 0 4 ) ，在1 0 6 4 n m 发现了 受激荧光嘲。1 9 6 4 年，美国m i t 林肯实验室的k e y e s 和q u i s t 首先展示了第一台 l d 泵浦的固体激光器，其激光工作物质为u 3 + ：g a f 2 嘲，输出波长2 6 1 3 m 。随后， 研究者们把对激光材料的研究转向了掺杂稀土元素的激光增益介质，其中普遍使用 的是掺杂n d 3 + 离子的n d ：y v 0 4 晶体和n d ：y a g 晶体，这是因为n d 3 + 离子对于l d 来说有着很好的光谱特性，并且y v 0 4 晶体和y a g 晶体具有良好的热机能性，容 易生成较大的尺寸。1 9 6 8 年，麦道宇航公司的r o s s 制造了第一台l d 泵浦的n d ：y a g 激光器。1 。 进入七十年代中期后，出现了多种新型固体激光增益介质，它们克服了高掺杂 l l d 端面泵浦n d ：y v o d l b o 单频6 7 1 a m 激光器 时引起激光上能级寿命的浓度淬灭的缺点，使增益介质在较小的模体积内可以吸收 较多的泵浦光能量，但是由于l d 的光束发散角大，单色性差，波长也单调，且难 以在室温下运转。此外，在泵浦方式上也有了新的变化，c o n a n t 和g c n o 于1 9 7 4 年 制成了横向泵浦的装置”4 ，但实验仍在低温下进行。整个七十年代，l d 泵浦源本 身的低功率和低转换效率阻碍了l d 泵浦固体激光器的发展和进步。这种状况，一 直持续到八十年代中期。 八十年代以来，l d 采用了量子阱( q w ) 和应变量子阱( s l q w ) 等新技术， 同时发展了分子束外延( m b e ) 、金属有机物化学汽相沉积( m o c v d ) 等晶体生 长技术的新工艺。使得l d 的阈值电流明显降低，转换效率也大幅度提高，输出功 率成倍增加，使用寿命也显著增长。另外，新量子阱材料的发展使l d 的激发波长 得到了很大的拓宽，在室温下，覆盖范围己扩展到从蓝光到红外。这种高转换效率、 高输出功率、长寿命的l d 及l d a 的出现，极大地推动了固体激光器件、技术及 应用的发展。以此为基础的l d 泵浦的固体激光器( d p s l ) 也日趋成熟，成为光电 子行业增长最快，最令人瞩目的领域之一。 进入九十年代后，大功率l d 迅速发展起来，以及l d 泵浦固体激光器整体设计 上的优化，使得大功率l d 泵浦固体激光器进入了新的阶段，并且研究重点己转向 实用化和商品化。这种高功率l d 泵浦固体激光器迅速渗透到激光技术的各个领域， 并在l d 泵浦固体激光器锁模运转、单频运转、以及频率变换等方面取得了很大的 进展，达到了实用水平。随后，大功率光纤耦合半导体激光器也迅速发展起来，使 端面泵浦也不再局限于小功率激光器。国际上，l d 泵浦固体激光器基模连续输出 己接近1 0 0 w ”，准连续输出的平均功率达1 0 0 0 w 删。 1 2l d 泵浦固体激光器的特点及发展趋势 1 2 1l d 泵浦固体激光器的优点 l d 泵浦固体激光器( d p s l ) 作为众多激光器中的佼佼者，具有如下优点： 首先，与传统的闪光灯相比，采用l d l d a 做泵浦源的最主要的优点是效率高。 由于泵浦灯具有很宽的辐射光谱，与激光介质的吸收带匹配不是很好，通常灯泵浦 的激光器总效率较低，并且大功率下热效应明显，光束质量和稳定性差，而l d l d a 的发射谱线要窄许多，还可以通过温度调谐来改变其发射波长，使其峰值发射波长 2 第一章绪论 与激活粒子的吸收带理想地匹配，因两泵浦效率比灯泵浦高许多。 其次，l d l d a 泵浦的固体激光器的噪声特性好、频率稳定。由于不存在液体 或气体工作物质的流动起伏噪声和泵浦灯的等离子体波动噪声，所以d p s l 的辐射 噪声特性可比灯泵浦时优一阶以上。 最后，d p s l 具有热光畸变小、光束质量好、稳定性好、寿命长( 达l o o o o 一 2 0 0 0 0 小时) ，结构简单，体积小等优点，也是其它类型的激光器所不能比拟的。 1 2 2l d 泵浦固体激光器的主要泵浦方式 l d 泵浦固体激光器的泵浦耦合方式可分为端面泵浦和侧面泵浦。 ( 一) 端面泵浦 l d 输出的空间相干光束沿着谐振腔的轴向泵浦，聚焦在激光介质内，谐振腔 的参数设计可保证泵浦光束和谐振腔模的激发空间很好地重叠在一起，即达到了模 式匹配，其重叠程度直接影响光泵浦的效率，同时端面泵浦在入射方向穿透深度大， 增益介质对泵浦光的吸收充分，对泵浦光的利用率也相对高一些，泵浦阈值低， 斜效率高。目前，端面泵浦方式一般有两种：直接端面泵浦和光纤耦合的端面泵浦。 直接端面泵浦虽然效率高，但囿体激光的输出功率受端面限制，这就限制了泵浦光 的最大功率。如果采用功率较大的激光二极管阵列做泵浦源，则由于阵列型= 极管 输出的泵浦光模式不好，因而不易将泵浦光有效地耦合到工作物质中。针对这一弱 点，人们又进一步发展了光纤耦合的端面泵浦方式，与直接端面泵浦方式不同，这 种结构把激光二极管发射的光束质量差的激光耦合到光纤中，经过光纤传输后，出 射的光束变成发散角较小的，圆对称的、中间部分光强最大的泵浦光束。由于激光 二极管或二极管阵列与光纤问的耦合较与工作物质的耦合容易，从而降低了对器件 调整的要求。 ( 二) 侧面泵浦 侧面泵浦的模式覆盖度差，激光阈值高，效率低，但是光学耦合简单，热效应 小而均匀。这种方法可以使用更多的l d 阵列，通过长方体表面或圆柱体表面相对 于光轴进行侧面泵浦，对于散热和泵浦耦合都提供了较大的区域，因而相对于端面 泵浦输出功率可大大提高。 1 2 3l d 泵浦固体激光器单频输出的实现方法 众所周知，在端面泵浦方式下，泵浦光可在很大程度上与激光介质内的基模在 3 l d 端面泵浦n d ：y v 0 4 l b o 单频6 7 1 n m 激光器 空间上实现模式匹配，所以l d 端面泵浦固体激光器易获得高效高质量的t e m o o 模 输出，现已采用多种方法使其达到单纵模输出。例如扭转腔模、短腔谐振、利用标 准具选模等，但只有利用在环行腔中插入法拉第单向器才可实现精密的选模。 j h a r r i s o n d 等用t g g 晶体作为法拉第旋转器，使激光器实现单向运转，彳导到了大 于6 0 0 m w 的单频激光输出，此方法腔内元件较多，损耗大，适用于大功率激光器。 随后，r s c h e p s “町等及g t m a r k e r t l l l 等分别利用y a g 增益介质自身作为法拉第旋转 器，并将n d ：y a g 晶体以特殊方式切割与两个腔镜共同组成非平面环行谐振腔，获 得单频运转，最大单频输出分别为4 9 3 m w 和l9 0 r o w ，斜效率分别为3 9 和4 2 ， 但此方法晶体切割比较特殊，谐振腔调整要求严格，限制了它的进一步发展。 1 2 4l d 泵浦固体激光器的发展趋势 近年来，随着高亮度泵浦源、高增益的激光介质、大非线性系数的晶体的研究 进展，l d 泵浦固体激光器有了突飞猛进的发展。今后，l d 泵浦固体激光器的发 展主要有以下几个方面： ( ) 向大功率化发展 在高功率的d p s l 方面，2 0 0 0 年2 月在瑞士举行的美国光学学会先进固体激 光器专题会议上报道了用l d 泵浦n d ：y a g 相位共扼激光器获得9 0 0 w 输出的衍射 极限光束。“，文献 1 3 报道了l d a 泵浦n d ：y a g 激光器在1 0 6 4 n m 连续输出达 3 3 k w ，5 3 2 n m 连续输出达4 0 0 w ，基模运转可达2 0 0 w 以上。 ( 二) 向小型微型化发展 由于d p s l 与传统的闪光灯泵浦特性有很大的差别，耦合方式有直接耦合、光 纤耦合、微透镜及透镜通道耦合等。在d p s l 中往往激光介质本身还同时充当调制 器件、非线性器件等其它功能，这样，腔的结构简单、可靠、多功能、小型甚至微 型的器件就可以输出高功率。另一方面，泵浦波长可与激光介质吸收波长很好匹配， 省去了庞大的冷却机械结构。在实用化的微型d p s l 激光器方面，目前的产品己经 可以将其集成在几厘米长的空间内，输出几百或几十毫瓦。 ( 三) 向多波长发展 d p s l 激光器的倍频是获得其它波长输出的一种有效手段。在可见波段，经过 二倍频，d p s l 在0 6 7 1 u m ，o 6 6 1 t m ，0 6 5 6 p m ，0 6 2 7 p m ，o 5 9 4 t m ，o 5 4 i _ t m ，0 5 3 2 1 a m ， 4 第一章绪论 0 4 7 3 i j l m ，o 4 5 7 h m 等各种可见光波长都有激光输出。另外，d p s l 经过三倍频、 四倍频后，可输出紫外波长的激光。现在d p s l 的输出波长可覆盖从紫外到中红外 的广大的光谱范围。当然，实现多波长的其他手段还包括采用可调谐激光器。 ( 四) 向多种激光材料发展 在l d 泵浦的激光晶体的种类上，除了传统的n d ：y a g 、n d ：y v 0 4 晶体外，还 发展了高增益的n d ：y l f 、y b ：y a p 、n d ：g d v 0 4 ，可调谐的t i ：a 1 2 0 3 、c r ：l i s a f 、 c r ：l i s g a f 等晶体；激活离子除传统的n d 离子外，还有y b ，e r ，t m ，h o 等离子， 可调谐的有c r ，t i 等多种离子。 1 3 本课题的研究意义、发展现状及主要工作 红光激光器在激光医疗、激光显示、量子信息等方面有着巨大的应用前景。 在激光显示中，红光是红、绿、蓝三基色之一。其中，绿光激光的技术最为成 熟。而红光和蓝光目前仍是研究的重点。 在医疗方面，红光对组织的穿透能力强，可以达到组织深处。红光可治疗慢性 炎症、内分泌失调、神经功能障碍等疾病”“；在光动力疗法中，运用红光照射h p d ( i 血 叶琳醋硫酸盐1 ，可以产生一系列光动力学作用，产生单态氧等氧化力极强的细胞毒 性物质而杀死癌细胞，因而红光是治疗早期癌症的理想光源。”。 此外，6 7 1n m 红光又可以作为可调谐激光器的抽运源，例如c r ：l i s a f 等晶体。 特别值得一提的是，全固态激光器的单频运转在光谱学、相干测量、全息等领 域有广泛的应用。而1 3 1 x m 区域激光由于与硅光纤传输窗口符合而有非常广泛的应 用前景。利用波长为6 7 1 r i m 的单频红光激光器，通过参量下转换得到光纤中低损耗 传输的1 3 4 1 t m 纠缠源将是今后探索量子信息实用化的一个有效途径。 对于l d 抽运n d ：y v 0 4 晶体、内腔倍频的红光激光器，国内外已有一些文献报道。 1 9 9 8 年，a g n e s i 等人首次利用i i 类非临界相位匹配( 温度约3 8 c ) l b o 内腔倍频，实 现了4 3 0 m w 的6 7 1 1 1 r i l 输出”1 ；中国科学院物理研究所采用了类临界相位匹配k t p 和i 类非临界相位匹配( 温度约5 ) l b o 倍频“7 r ”1 ，分别得到了7 0 m w 和5 0 2 m w 的 6 7 1 n m 红光。随后，大量报道中都采用了i 类临界相位匹配l b o 倍频以获得高功率的 红光输出o ”1 。其中，天津大学研究组利用i 类临界相位匹配l b o 内腔倍频得到了 5 l d 端面泵浦n d ：y v o 以b o 单频6 7 1 1 1 1 1 激光器 最高2 8 5 w 的6 7 l n r n 输出。以上研究工作集中在获得单横模运转，据我们所知，仅 有文献【2 2 】采用在驻波腔中插入标准具的方法获得t 3 7m w 的单纵模红光输出。 本文对l d 端面泵浦n d ：y v 0 4 晶体、l b o 晶体内腔倍频获得6 7 1n m 单频红光 进行了理论分析和实验研究，获得了稳定输出3 6 0 m w 的6 7 1n n l 单频红光。 第二章l b o 内腔倍频的理论分析与计算 第二耄l b o 内腔倍频的理论分析与计算 1 9 6 1 年，f r a n k e n 等人首次实现了激光的二次谐波产生( s e c o n dh a r m o n i c g e n e r a t i o n ，s h g ，又称倍频) ，从而开启了激光非线性频率变换技术的大门。不过 当时的转换效率仅有l o 量级。此后，经过近四十年的发展，尤其是最近十几年， 无论是泵浦源还是非线性频率变换材料都有了长足的进步，使得非线性频率变换技 术得到快速发展和广泛应用。 作为种典型的二阶非线性相互作用过程，倍频( s h g ) 技术是非线性频率变 换中最常用的技术，在拓宽激光光谱、促进短波段激光技术发展中发挥着举足轻重 的作用。 本章主要从理论上分析如何利用i 类临界相位匹配的三硼酸锂晶体( l b o ) 对 n d ：y v 0 4 激光器产生的1 3 4 2 n m 激光进行二倍频。 2 1 内腔倍频原理分析陟刎 当光通过介质传播时，会引起介质的电极化，此时介质的电极化强度p 与入射 的电场强度西的关系是： 鼻= z ”目( q ) + 麟弓( q ) 巨( q ) + 榴局( 峨) 乓( 奶) 置( 呜) + ( 2 - 1 ) |i ki i | 式中，硝、硝，罐、分别是一阶( 线性) 、- - f p ，三阶、电极化率， 它们分别为二阶、三阶、四阶、张量；q 、哆、鸭，为不同光频电场的角频 率a 通常，一般光源的光频电场强度日较小，只用( 2 1 ) 式中的第一项就足以描 述晶体的线性光学性质，诸如：光的折射、反射、双折射和衍射等。而在强光( 如 激光) 作用下，可引起晶体的非线性光学效应。在非线性高次极化项中，二次项z 所引起的非线性光学效应最为显著，应用也最为广泛。式( 2 1 ) 中二次项可写为： 曰2 ( ) = 藤( r o l ，伤，q ) e ( q ) 巨( 吐) ( 2 - 2 ) ，j 式中，掣2 为二次极化项所产生的非线性电极化强度分量，q 、呜分别为基频 光的角频率，鸭= q4 - 0 ) 2 ，e ，、巨分别为入射光的光频电场分量。 l d 端面泵浦n d ：y v o 以b o 单频6 7 1 r i m 激光器 当q = q + 吐时，所产生的二次谐波为和频；当q = q 一吐时，所产生的二次 谐波为差频；而当q = 呸= 国时，鸭= c o 。+ 吐= 2 ，产生倍频光。 介质中原子( 分子) 非线性极化引起的极化波，可以看成是具有频率的新波 源，并以相速度v ，= q k = c i n ( c o ，) 在非线性介质中传播，当各处产生的众多的“微 观”极化波的相速度与入射波一致时，才可能同相位叠加形成可观的“宏观”波， 即存在所谓的相位匹配条件： a k = 七( q ) t ( q ) 一( 哆) = 0 ( 2 - 3 ) 对于倍频过程，如果针对在非线性介质中传播的耦合基波和二次谐波来解麦克 斯n ；b - n ，在共焦长度白( = t 鬲o ) 0 z n ) ，的条件下，可得到倍频转换效率叩跗g ( 即 二次谐波产生的功率与入射基波的功率之比) 为： 专叫竽去c 专字，2 c z 4 ， 式中，为非线性晶体的长度，m 为基波光束的频率，d 为与式( 2 - 2 ) 中的非 线性极化率z 2 有关的有效非线性系数， 为折射率，巴为基波功率，钆为基波腰 斑半径，_ 为极化波与基波之间的相位失配： t = 2 t ( q ) 一( 哆) ( 2 5 ) 根据( 2 - 4 ) 式，倍频转换效率叮与基波的功率密度( 只( 万确2 ) ) 成正比， 在一个长度为，的晶体中，对于给定的基波功率圪，叩跗g 随腰斑的减小而增加， i g n z 0 变得可以和z 相比拟，进一步减小吼( 或知) 将使光束在晶体内有很大程度的 发散，因而降低了光强，并导致7 - - 次谐波产生的减弱，所以合理的情形是将光束 聚焦到f - - 2 ，此时2 = _ 1 1 2 a n ，称为共焦聚焦。对于腔内倍频的情况，谐振腔 内的强度比起腔外的强度超过( 1 一r ) 。1 倍，r 为输出镜反射率。在适当的条件下，可 以将激光器的全部可利用的功率以2 而不是口的波抽取出来。我们假设在给定的 泵浦功率下，当输出镜具有最佳的透射率2 时，功率可达到极大值。用一个对田具 第二章l b o 内腔倍频的理论分析与计算 有百分之百反射率的镜面取代输出镜面，并在谐振腔内放置一个非线性晶体，如果 此时每穿行一次由c o 到2 c o 的转换效率是2 ，该台激光器就又回到原来的最佳状 态，只不过以前的损耗是由于功率经过输出镜耦合出去，现在的功率损失则是由于 二次谐波产生。因此，产生的2 c o 功率等于以前经过输出镜输出耦合的激光功率， 这样，就相当于激光器原来输出的总功率完全转换给二次谐波。 2 2 相位匹配溉”1 在倍频过程中，吼= 0 ) 2 = c o ，0 3 = 2 c oa 此时，相位匹配条件( 2 - 3 ) 变成： a k = 2 ( 甜) 一t ( 2 ) = 0 ( 2 6 ) 可以看出，此即式( 2 5 ) 中表示的极化波与基波之间的相位失配缸= 0 。由式 ( 2 4 ) 可知，倍频转换效率强烈的依赖于相位失配程度a k ，在基频光固定的前提 下，如果满足缸= 0 ，倍频光的转换效率达到最高，这也更进一步说明了相位匹配 条件对于保证高效倍频是至关重要的。 根据波矢量k 的定义： i ：旦国i( 2 7 ) c 式中，1 1 、c 、国及i 分别代表折射率、真空中光速、光的圆频率及单位波矢量。 在非线性作用过程中，只有在各光束共轴传播时，各光束之间才可以达到最大重叠， 才能有较高的转换效率。因此，在共轴条件下( 即各光束的i 相同，各波矢量都可 当作标量处理) ，可对相位匹配条件进行简化。于是，根据式( 2 7 ) ，倍频过程中的 相位匹配条件( 2 6 ) 可变为： 7 l i ( c o ) = n 2 ( 2 c o ) ( 2 - 8 ) 然而，光波在正常色散范围内传播时，光波的频率越高，其折射率也越大。因 此，光波在各向同性的介质中传播时，原则上，无论如何都不能满足相位匹配条件。 但对各向异性的晶体而言，由于存在着自然双折射，同一波法线方向上允许有两个 不同折射率的光波传播。例如使基频光在晶体内以寻常光( o 光) 方式传播，折射 率为n ? ( c o ) ；而使所产生的倍频光为非寻常光( e 光) 传播，并且折射率为打：( 2 c o ) 。 9 l d 端面泵浦n d ：y v o d l b o 单频6 7 1 i l l r l 激光器 那么，在晶体的正常色散范围内，就有可能利用晶体的双折射所引起的折射率不同， 来抵消由于色散所引起的相位失配，从而满足相位匹配条件。 根据相互作用的基频光偏振方向区分，有两类相位匹配：基频光偏振态平行而 与倍频光偏振态正交的情况为i 类相位匹配；基频光偏振态正交而其中之一与倍频 光偏振态平行的情况为i i 类相位匹配。 通常，在激光技术中常用两种方法来实现相位匹配： ( 一) 角度相位匹配 角度相位匹配是控制激光束在晶体中某一特定方向( 口，妒) 上传播，使在该 方向上满足( 2 8 ) 式。为了寻找该特定的方向，利用晶体的折射率曲面最为方便， 现以负单轴晶( 斤。 。) 为例进行说明。1 负单轴晶的折射率曲面是双层曲面，它是由一个球面和一个旋转椭球面套合而 成，此两种曲面在x 3 轴( 光轴) 方向上相切，其截面如图2 1 所示： 、 图2 1 负单轴晶折射率曲面和相位匹配 由曲面中心( 原点o ) 向曲面上任一点相连的矢径，就是波矢的方向，其中， 原点o 到双层曲面中球面的距离就是o 光的折射率，与双层曲面中的椭球面交点的 长度就是该方向上的e 光的折射率。由于色散的缘故，基频光与倍频光的折射率曲 面不同，因此，可把他们划戍两组图形，图中实线表示基频光的折射率曲面，丽虚 线表示倍频光的折射率曲面。这样倍频光的e 光折射率曲面与基频光的o 光折射率 曲面在该截面内交于m 点。显然，相交于m 点的o 光与e 光的折射率相等，从而 1 0 第二章l b o 内腔倍频的理论分析与计算 满足了相位匹配条件。从曲面中心o 点到m 点的矢径方向就是相位匹配方向，称 为p m ( p h a s em a t c h ) 方向。o m 与光轴( x 3 ) 方向间的夹角护称为相位匹配角( 记 作六) 。事实上，由于两个折射率曲面相交为一曲线，因此，从几何上容易知道， 以o m 为母线绕光轴旋转一周构成一锥面( 项角为2 e ) ，该锥面上任一母线方向， 都能满足相位匹配条件，即： 群( c o ) = g ( 2 c o , 以) ( 2 9 ) 同理，可得出正单轴晶的相位匹配条件： 群( 谚巳) = 嵋( 2 c o ) ( 2 l o ) 事实上，以上匹配方式中，基频光全是0 光或全是e 光，它的两个光频电场分 量属于同一偏振状态，而倍频光必是另一种偏振状态，这种匹配方式即为i 类相位 匹配。事实上，由于在共波法线方向上允许有两个不同折射率的光波传播，根据式 ( 2 2 ) ，基频光中0 光与e 光的相互作用，同样可以满足相位匹配条件，而产生倍 频光。此时，相位匹配条件( 2 6 ) 变为： a k = t 。( ) + k o ( 珊) 一k a y ( 2 c o ) = 0 ( 2 - 1 1 ) 式中，基频光两个偏振方向垂直( e 光和0 光) ，而倍频光的波矢下标为“e ( o ) ”，表 示倍频光可为e 光或0 光，此为i i 类相位匹配。在类相位匹配下，负单轴晶可产 生倍频e 光，正单轴晶可产生倍频0 光。在共轴条件下，同样利用( 2 7 ) 式可以导 出，这两类倍频的相位匹配条件可由折射率表示为： 1 负单轴晶 【群( 功+ 群( 国，) 】= n ；( 2 c o , 易) ( 2 - 1 2 a ) 1 正单轴晶 ：1n o l j + 啊e ( 旗岛) 】= 噬 ( 2 - 1 2 b ) 上 因此，对单轴晶体，其相位匹配角、接收角、吸收带宽、温度带宽等参数可通 过公式直接求得；而对于双轴晶体，则情况比较复杂，在数学上一般很难有简单的 解析表达式。 在角度相位匹配情况下，仅使基频光和倍频光相速度一致并不意味着二者的光 线( 即能流) 方向一致。只有当波法线方向对光轴的夹角为0 。或9 0 。时，二者光线 方向才与波法线方向一致。我们称满足角度匹配时，晶体内基频光和倍频光光线方 l d 端面泵浦n d ： y v o d l b o 单频6 7 1 n m 激光器 向不一致而影响倍频效果的现象为光孔效应，也称为走离效应，如图2 2 所示 di 弋 r 2 u l 乞l 幽2 2 走离效应 光束宽度为d 的基频光在晶体内传播距离乞后，产生的倍频光和基频光在空间 上分离开了。在乞距离内产生的倍频光可在空间相干叠加而提高亮度；当超过乞后， 产生的倍频光将不再与前面产生的倍频光相干叠加，倍频效率将不再提高。图中 被称为孔径相干长度，c t 为走离角，由几何关系可知： = 旦 ( 2 1 3 ) t g a 因此，走离角是限制倍频晶体长度的一个重要参数，走离角的大小直接关系到 的长度，并且即使在乞之内走离效应也会使三波互作用的有效非线性系数变小， 从而降低相互作用效率2 ”。 ( 二) 温度相位匹配 对于某些非线性光学晶体，诸如铌酸锂( l n ) ，k d p 等晶体，它们的e 光折射 率( n 。) 随温度的变化比0 光的折射率( h 。)