（光学工程专业论文）全固态蓝光激光器噪声特性的研究.pdf

摘要 攘受 从理论和实验鼹个方甏磅究了连续波腔内馈频蓝光激光器的噪声特性。 将腔内多纵模倍频速率方程推广应用到准三能缴菔光激光器中，分析了一个纵 模、两个缀模、多个缀模时的磉声情况，合理遗瓣释了实验中激光器单缴摸运 w 转以及长腔多纵模运转时稳定输出的实验现象，同时利用该速率方稷分析了默 各向同性激光晶体n d ：y a g 为工作物质，i 类临界相位嘿配l b o 为倍频晶体的 蓝光激光器中基频光编振特链，合毽铡用l 类箍赛相位甑配l b o 倍颓晶体瀚偏 振熄性与引入懿石荚鼓馋全波片构艘双辑射滤光片，逶造选零频寒熟剖嗓声， 获得了蓝光低噪声的稳定输出。在裂浦功率为1 2 w 的情况下，获得了2 5 r o w 豹4 7 3 n m 蓝光低噪声输出，功率稳定性优于5 r m s ( 1 0 h z 5 0 k h z 范潲) 臻声小予0 3 ，光寒壤量园子小予t 2 ，攘于长发大于5 m ，颡宽终炎6 0 m h z ， 对应的线宽约为0 0 0 0 0 5 n m 。 关键词：l d 泵滚艟肉傣矮蓬光激毙器噪声遴搴方程双攒瓣滤懋片 夸瑚态蓝光激光 | 噪声特巾j 的研究 a b s t r a c t t h en o i s ep r o p r i e t i e so fc w i n t r a c a v i t yd o u b l i n g f r e q u e n c yb l u el a s e r w e r e s t u d i e di nt h e o r ya n de x p e r i m e n t s t h et h e o r yo ft h er a t ee q u a t i o n so fi n t r a c a v i t y d o u b l i n g - f r e q u e n c ym u l t i l o n g i t u d i n a l m o d ew a sa p p l i e dt ot h eq u a s i t h r e el e v e l b l u el a s e r s t h en o i s ec a s e so f s i n g l e - l o n g i t u d i n a lm o d e ，t w om o d e s a n dm o r et h a n t w om o d e sw e r ea n a l y z e d t h es t a b i l i t yo u t p u ts e c o n dh a r m o n i cg e n e r a t i o n ( s h g ) e x p e r i m e n tr e s u l t s o fs i n g l e l o n g i t u d i n a lm o d ea n dm u l t i - - l o n g i t u d i n a lm o d ew i t h l o n gc a v i t y w e r e e x p l a i n e dr e a s o n a b l y w i t ht h e s er a t e e q u a t i o n s t h el l i g h p o l a r i z a t i o no ff u n d a m e n t a lw a v ei nt h ei s o t r o p i cl a s e rm e d i a n d ：y a gw i t ht y p e i c r i t i c a l p h a s e m a t c h i n g l b ow a ss t u d i e dw i t ht h er a t e e q u a t i o n si n c l u d i n g p o l a r i z a t i o no ff u n d a m e n t a ll i g h t u s i n gt h ep o l a r i z a t i o nf u n c t i o no fl b o ，aq u a r t z f u l l w a v e p l a t e w a si n t r o d u c e di n t ot h e c a v i t y , ak i n d o fb i r e f r i n g e n tf i l t e rb y c o n s i d e r i n g t h ec o m b i n a t i o no ft h e p o l a r i z a t i o n f u n c t i o no ft h e t y p e i c r i t i c a l p h a s e - m a t c h i n gd o u b l i n gf r e q u e n c yc r y s t a ll b o a n dt h eq u a r t zw h o l e w a v ep l a t e w a sc o n s t r u c t e d t h eb l u el a s e rn o i s ew a sd e p r e s s e db ys e l e c t i n gs i n g l e l o n g i t u d i n a l m o d e t h es t a b l eo p e r a t i o no fl d p u m p e dn d ：y a g l b ow a so b t a i n e d w h e nt h e p u m p i n gp o w e r w a s1 2 w ，2 5 m wb l u el a s e rf o rs i n g l e l o n g i t u d i n a lm o d ew a s o b t a i n e d t h ep o w e rs t a n l i t yo ft h el a s e rw a sb e t t e rt h a n5 r m s ( 1 0 h z 5 0 k h z ) n o i s ei sl e s st h a no 3 ，t h eb e a mq u a l i t yi sl e s st h a n1 2 ，t h ec o h e r e n tl e n g t hi s g r e a t e rt h a n5 m ，t h u st h e w i d t ho ff r e q u e n c yb a n dw i d t hi sa b o u t6 0 m h z ，t h e c o r r e s p o n d i n gs p e c t r u mw i d t h i so 0 0 0 0 5 n m k e yw o r d s ：l dp u m p e d ，i n t r a c a v i t yd o u b l i n g f r e q u e n c n b l u e l a s e r , n o i s e ，r a t e e q u a t i o n s ，b i r e f r i n g e n t f i l t e r h 第一章绪论 第一章绪论 全固态l d 泵浦n d ：y a g 腔内倍频4 7 3 n m 蓝光激光器由于其波长短、光子能 量高、在水中的传输的距离远和人眼敏感等优点，在激光医学、信息存储、彩色 打印、彩色投影电视、水下通讯、光谱技术、娱乐等科研和国民经济的许多领域 中有着重要的应用，因而成为各国研究的重点。它们的功率水平较高、光束质量 好、能量转换效率高、体积小、寿命长以及使用方便，因而是其它种类的蓝光激 光器的有力竞争者和替代品。国内外已经有几家公司出售4 7 3 n m 的全固态蓝光 激光器，但已有的产品在稳定性、功率水平上仍要提高，而价格上还需降低。因 此，研制开发高效率、高稳定性、低价格的4 7 3 n m 蓝光激光器成为当前努力的 一个重要方向。 1 1 全固态蓝光激光器的研究进展 激光二极管泵浦全固态红、绿、蓝激光器是激光器发展的一个熏要的方向i l 】， 其中为获得全固态蓝色激光的常用方法有： ( 1 ) 半导体激光器直接产生蓝光，目前国际上的数家公司可提供波长在 4 0 5 n m 和4 4 0 n m 的激光产品，其中p h o t o n i cs o l u t i o n s 公司提供的输出功率为 2 5 m w ，中心波长在4 0 5 n m 的产品，其波长随温度的变化率为0 0 6 n m 【2 】，但 为了使这种激光器工作波长稳定，要对它进行严格的温控。 ( 2 ) 将近红外的半导体激光二极管发出的激光单程通过非线性晶体频率上 转换( 倍频或和频) 为蓝光波段3 1 ，这种方法可获得与激光二极管一样稳定的输 出，为了获得高的转换效率，需要有效非线性系数大的晶体如k n ，或在光路中 串联多个晶体0 4 1 。为了克服上面方法效率低的缺点，人们采用了外腔谐振技术5 1 ， 由于这种技术使用的单频激光二极管，这样得到的蓝光也是单频的，为了达到谐 振的目的，需要较复杂的反馈系统来调节腔长满足谐振条件 6 1 。由于对半导体激 光器的激光光束和模式质量要求高，使得激光器产品的成本高，价格难以大幅度 下降。市场上主要有瑞士的r a i n b o w p h o t o n i c s 公司提供该技术的4 3 0 n m 和4 9 0 1 m a 两种波长的产品。 ( 3 ) 利用激光二极管泵浦固体工作物质，腔内倍频获得蓝光输。 全鄹态蓝光激光_ ： | 噪审特性的研究 采用6 7 0 n t o 附近的激光泵浦c r ：l i s a f 晶体，产生8 6 0 n m 的基频光，腔内倍 频获得4 3 0 n t o 的全固态蓝光( 7 1 ，由于泵浦源和激光品体的价格高，必然造成生产 畿本褰，竣乏市场竞争力，并没有形成筑模生产。 利用8 0 8 r i m 激光二极管泵浦n d ：y a g 和n d ：y v 0 4 腚内倍频分别获得4 7 3 n m 和4 5 7 n m 的全阉态蓝光嘲，采用这种方法产生蓝光的成本低，技术成熟，目前市 场上窭謦酶蓝熬激光器产磊主要采翔踅方寒。誉蓊美戮静m e l l e sg - r i o t 公司哥捷 供4 0 0 m w 的4 5 7 n m 全固态照光产品。 虽然4 5 7 n m 蓝光已有产品出铸，但文献报道的很少，研究焦点主要集中在 4 7 3 n m 激光器上蹿，- o l 。下西餐藿介绥一下4 7 3 r m a 全豳态薤光激光器滟研究邀震。 早期发展阶段，1 9 8 7 年t y f a n 秘r ，l + b y e r 越先提出用辐射波长为8 0 8 n m 的 激光二极管端浆n d ：y a g 工作物质，产生波长为9 4 6 r t m 的激光，并建立了准三 熬级激光器的璃论模羹珏】。阉年，缸稻确8 0 8 r i m 的l d 端面泵满n d ：y a g 棒， 在塞温下获褥了连续的9 4 6 n m 激光，并深入分板了腔内倍频9 4 6 n m 激光产生 4 7 3 n m 激光的可能，给出了几种有发展前途的储频晶体如：l i l 0 3 、b b o 、k n 、 l i n b o ，【1 2 j ，并获得了采用l d 泵清掺三价钕离子酌激光晶体、轻内倍频获褥蓝光 的专剥。与此圈对，w e r i s k 和w l e n t h 袋躅半导体激光器裂滤n d ：y a g ，l i l 0 3 腔内倍频获得了o 1 m w4 7 3 n m 蓝甑激光输出的实验结果【l ”。1 9 8 8 年，w e r i s k 分析了纵向泵瀹固体激光器的再吸收损耗特往，建立了稃吸收模蝥【】舶。 上嚣豹理谂结果准三级璎论帮褥吸收模型，以及穗应的实验缝粱对之 后的4 7 3 n m 蓝光激光器的发展奠定了一定的基础。 在功率方面，2 0 0 0 年，e z e l l e r 和e p e u s e r 利用光纤耦合l d a 激光，端面泵 瀵n d ：y a g ，l b o 腔肉嫠叛，其激光阙蕊缀毫戈1 6 w ，健在2 1 w 懿泵溱凌搴下 获得了t 5 w 的4 7 3 n m 蓝光【8 1 。遮实验结果在2 0 0 3 年由c c z e r a n o w s k y ， e h e u m a i m 和g , h u b e r 刷新 i 5 ，该小组利用热稳定腔，在与上面同样的泵漓功率 下，裂搦l b o 、b b o 、b i b o 作为黢内锫鞭曩钵分鬟获褥了l 。5 2 w ，2 。t w ，2 8 w 的4 7 3 n m 蓝光输出的实验结果，其激光阂值都低于8 w 。 脉冲运转方面，文献【1 6 】用自调q 晶体n d 3 + , c r 4 + ：y a g 连续泵浦和脉冲泵浦 产生擎频9 4 6 n m 激光，稳爱k n 黢夕 接鞭产生4 7 3 n m 靛蓝光踩泞激巍；文黻f 1 7 】 利用c r 4 + ：y a g 被动调q ，n d ：y a g b b o ( l b 0 ，k n ) 结构获得了腔内的4 7 3 n m 2 第一章结论 的蓝光输出，并对这种准三能级的腔内调q 倍频进行了深入的分析。 低噪声方面，g h o l l e m a n n n 等利用扭转模的方法消除工作物质内的空间烧 孔，利用k n 腔内倍频，并利用稳频技术获得了1 0 0 m w 的单频稳频4 7 3 n m 蓝光 输出【l b 。v o l k e rg a e b l e r 等利用双倍频晶体，控制腔内的偏振态，获得了2 0 m w 和3 0 m w 的单纵模和多纵模的低噪声4 7 3 n m 蓝光输出【1 9 。 近年来，国内也开展了4 7 3 n m 全固态蓝光激光器的研究。1 9 9 9 年，中国科 学院长春光机所在国内首先报道了l d 端面泵浦n d ：y a g 晶体，l b o 腔内倍频 得到4 7 3 n m 蓝光输出的实验结果1 2 0 1 ，这也是国际上首次报道采用临界相位匹配 l b o 实现9 4 6 n m 到4 7 3 n m 的倍频。经过优化，用2 w 的单管l d 泵浦获得了大 于1 2 0 m w 的蓝光输出【2 ”，用1 2 w 的光纤耦合l d a 泵浦获得了大于1 3 w 的蓝 光输 2 2 1 ，利用c r 4 + ：y a g 被动调q ，n d ：y a g l b o 结构获得了腔内调q 倍频的 4 7 3 n m 的蓝光输出1 。文献 2 4 】对蓝光的输出的噪声特性进行时域和频域的研 究。 北京物理所在大功率，调q 蓝光和低噪声蓝光也进, i 亍2 r 广泛和深入的研究， 使用线性腔在1 6 w 的泵浦功率下获得了6 0 0 m w 蓝光输出【2 5 】；使用在基质y a g 双掺杂n d ：3 十和c r ：4 + 离子获得自调q 9 4 6 n m 基频光输出，腔外倍频获得4 7 3 n m 蓝 光输出的实验结果2 6 1 ；发展了双波片理论模型，利用双倍频晶体来抑制蓝光噪声 2 7 1 。 下面针对文章的工作内容，分析一下l d 泵浦腔内倍频激光器在功率稳定性 方面的研究进展。 1 2 腔内倍频激光器噪声特性的研究进展 早在激光二极管泵浦腔内倍频以前，在灯泵的腔内倍频固体激光器中，由于 这种激光器的腔长一般都在0 5 m - 1 5 m ，腔内倍频激光器噪声并没有引起人们的 重视28 1 ，而在激光二极管泵浦的小型短腔激光器中才引起人们的关, 注1 2 9 1 。 继“绿光问题”后，又在腔内倍频蓝光激光器中出现了“蓝光问题”，但两 者产生的主要原因都是由于倍频晶体内的和频和工作物质内的交叉饱和这两种 非线性效应1 。 到现在为止，理论研究方面，经过速率方程理论、j o n e s 矩阵理论和将两种 理论结合到一块的含偏振耦合的速率方程理论三个阶段，其内容简单介绍如下。 垒固态蘸光激光器噪声特忭的研究 速率方程理论：酋先t b a e r 予1 9 8 6 年，利用腔内倍频多纵模速率方程理论 对艟交镶菝激怒嚣懿凌率怒茯阑瑟给予了合理麴解释，蒡撂爨强遥激光爨攀频运 转可消除倍频熙体内的和频效应获得稳定的倍频光输出，在实验上利用腔内标准 鳆选单频，验证了理论的正确性1 2 9 1 。 j o n e s 矩箨逢论：继速率方程遴论之矮，在与t b a e r 熬安验结稳楣强熬漕琵 下，考虑工作物质n d ：y a g 的各内异性也获得了低噪声运转1 3 0 】。很多人又在激 光器多纵模运转的情况下同样获得了腔内倍频激光器的稳定输l 1 1 3 1 , 3 2 1 ，在腔内i i 裳倍频黼俸激光器中，秘蠲麓羲党静1 4 波片来敬交蘩频光豹嚣穰搽光豹糖对位 爨，消除了和频效应，达到稳定谐波输出的目的，并利用j o n e s 矩阵加以解释1 3 1 1 。 前西两种理论的结合：j a m e s 等将前面的两种理论结合，先利用j o n e s 矩阵 获得与编振有关的蠢g ( 或u = l 一曲，并将焚弓l 入劐t b a e r 豹黢淘嵇獭多缀模速率 方程中，得到与馕摄囊关豹腔内倍频多纵模速枣方程，并利用该方稷对前鞭者的 实验进行了更深入的分析【3 2 1 ，在与t b a e r 同样的实验装置下，调节双折射晶体 k t p 与n d ：y a g 侠辅的相对位置获得了多缀禳倍频光靛稳定输毒1 3 锇。 基戆，其它的消除噪声的方寨都可以归结强追激光器单频运转鄹改变激光嚣 的偏振怒。可以说前阿的三个实验( t b a e r 的腔内加入选频元件如：f p 标准具 强迫激光嚣单频运转实验；m i c h i oo k a 的l i 类倍频麓俸中稀久1 4 波片实验； j a m e s 躲调节继频晶体款帮工 萋物质的捐对方搜角豹实验) 嬲发震的理论奠定了 以后的解决腔内倍频噪声问题的基础。 上述的腔肉倍频例子都是在i i 类倍频晶俸中实现的，鞠：多作者郗意谈到i 类 继频最终对霹以获褥明显黢低噪声蝤, 3 3 , 3 4 1 ，著驳褥了一些很鸯意义的实验秘理论 成果，典型的是双k n 倍频晶体获得低噪声的实验结果【l9 】以及李德华的双波片理 论f 2 w 。 毽褥一摄豹是：1 9 9 5 年美国光灌貔理公司利用长驻较好熬织决了腔内毽频绿 光噪声问题口5 1 ，而在腔内倦频蓝光激光器中c c z e r a n o w s k y 簿也尝试利用长腔解 决蓝光噪声问题，强腔长约为l m 的条件下，蠼大输出功率为2 8 w ，获得蓝光 在6 0 k h z 签，凌率越铰约为t 0 结果旧，这结果在这耱激光器中已经是缀低 的了。 下面根据上面的讨论，总结一下文献中利用i i 类倍频晶体中实现低嗓声运转 第一章绪论 时的结果，所得到的结果可供实验中使用i 类倍频时实现低噪声时借鉴。 表1 - 1 几种i i 类匹配腔内倍频低噪声激光器的结构 t a b l e1 - 1s e v e r a lt y p e so f l o wn o i s el a s e r ss t r u c t u r ew i t ht y p ei ip h a s em a t c h i n g 编号实验结构特点 1 1 2 9 1 n d ：y a g k t p f p 标准具f p 选频强迫激光器单频运转 2 1 3 0 1n d ：y a g k t p将n d ：y a g 看成双折射晶体没有强迫激 3 1 3 1 1n d ：y a g k t p 1 4 波片没有考虑n d ：y a g 的双折射光器单频运 转 4 1 3 6 , 3 7 , 3 9 布氏角切割的n d ：y a g k t p有起偏元件情况下，布氏片与k t p强迫激光器 或n d ：y a g k t p 布氏片构成双折射滤光片选频。单频运转 或n d ：y v 0 4 服t p ，布氏片 5 【3 9 】 n d ：y v 0 4 k t p无明显的起偏元件的情况下 n d ：y v 0 4 的偏振发射( 隐含的偏振元 件) 与k t p 构成双折射滤光片选频。 从表中可以看出在i i 类倍频晶体中实现低噪声运转时的分为单频运转( 1 、4 和5 ) 和不强迫激光器单频运转的多纵模法( 2 和3 ) 。另外，从1 和2 ，4 和5 的结构来看，相同的实验元件，增减光学元件仍能获得相同的实验效果，并且激 光器中的一个光学元件可起到多种功能的作用，如5 中的n d ：y v o 。既是激光工作 物质，又被看成双折射滤光片中的偏振器，同时在实验中又被看成弱标准具日9 1 。 作为上面的思想的发展，本文利用i 类倍频晶体l b o 倍频过程中的起偏器的 作用，由双折射滤光片的构成，这时在腔内引入一个全波片便可以构成双折射滤 光片，达到选单频抑制噪声的目的，具体在第五、六章分析。 1 3 论文的工作内容 提高全固态蓝光激光器的性能，降低噪声的同时又要保证高的效率，并使其 能够实用化和产品化，满足激光市场的需要是其发展的一个重要方向。 本文工作得益于中国科学院长春光机所在全固态激光器方面取得研究成果 【4 0 a i , 4 2 1 等，尤其是全固态单频绿光激光器和全固态蓝光激光器的研究成果【4 2 1 ，对 腔内倍频蓝光激光器的噪声问题进行了以下几方面的研究探讨： 从理论和实验两个方面研究了腔内倍频蓝光激光器的噪声特性。以含偏振 垒l 托怒蓝光激光器噪声特性的研究 的、多纵模腔内倍频速率方程为中心，分析了一个纵模、两个纵模、多个纵模时 的噪声情况，合理地解释了实验中的激光器单纵模稳定运转，以及短腔多纵模一 般噪声输出和长腔多纵模稳定输出的实验现象。利用该速率方程分析了以各向同 性晶体n d ：y a g 为工作物质，i 类i 临界相位匹配l b o 为倍频晶体的蓝光激光器 中基频光偏振特性，合理利用i 类临界相位匹配l b o 这种偏振特性，结合引入 的全波片，用双折射滤光片技术，获得了单频蓝光4 7 3 n m 低噪声激光的稳定输 出。在泵浦功率为1 2 w 的情况下，获得了2 5 r o w 的4 7 3 n m 蓝光低噪声输出， 功率稳定性优于5 ，r m s ( 1 0 h z 一5 0 k h z 范围) 噪声约为o 3 ，光束质量因子 小于1 2 ，相干长度大于5 m ，频宽约为6 0 m h z ，对应的线宽约小于0 0 0 0 0 5 r i m 。 第二二章蓝光激光器的设计 第二章蓝光激光器的设计 本章分析实验中蓝光激光器所使用的工作物质n d ：y a g 、倍频晶体l b o 、 线性谐振腔、激光二极管、耦合光学系统等内容，并分析在设计蓝光激光器时 各元件的选取，以及各元件在激光器整体设计时的权衡关系。 2 1m 作物质n d ：y a g n d ：y a g ( 掺钕的钇铝石榴石n d ：y 3 a 1 5 0 1 2 ) 激光器是目前最为常用的一类 固体激光器，其参数特别有利于激光作用的产生。y a g 基质很硬、光学质量好、 导热率高，室温下，n d ：y a g 主要的1 0 6 4 n m 谱线因热激发晶格振荡而均匀加宽， 这利于激光器的单纵模运转，这些好的性能利于产生高增益、低阈值的激光作 用。 表2 - 1n d ：y a g 晶体的主要特性 t a b l e2 - 1m a i n p r o p e r t i e so f n d ：y a gc r y s t a l p a r a m e t e r sn d ：y a g c r y s t a ls t r u c n j r ei s o t r o p i cc u b i c s t i m u l a t e de m i s s i o nc r o s ss e c t i o n ( 1 0 。9c m 2 )6 f l u o r e s c e n tl i f e t i m e ( p s ，1 d o p i n g ) 2 3 0 t h e r m a lc o n d u c t i v i t y ( w c r nk )o 1 3 d n d t ( 1 0 4 k 。1 ) + 7 3 p e a k a b s o r p t i o nw a v e l e n g t h ( n m ) 8 0 8 5 a b s o r p t i o nc o e f f i c i e n ta tp e a k ( c m - 1 , 1 d o p i n g ) 3 a b s o r p t i o nb a n d w i d t h ( f w h m ，r i m ) 1 k n o o ph a r d n e s s ( k g c m 2 ) 1 3 2 0 l a s e r w a v e l e n g t h ( n m ) 1 0 6 4 r e f r a c t i v ei n d e xa tl a s e rw a v e l e n g t h1 8 1 8 p o l a r i z e dl a s e re m i s s i o n u n p o l a r i z a t i o n t h e r m a l b i r e f f i n g e n c eh i 曲 l i n e w i d t h ( g h z ) 1 3 0 全固态蓝光激光器噪声特性的研究 从n d ：y a g 激光器的首次运转至今，n d ：y a g 激光器已经成为应用最广泛的 固体激光系统枷。表2 - 1 列出了n d ：y a g 的一些物理性质和光学性质。从上面 的表中可以看出： n d ：y a g 是各向同性，但其热致双折射高，因此在一定的条件下如偏振泵浦， 表现出各向异性的性质，使得激光器发出的基频光为具有偏振的光，合理利用 这种偏振性质有利予激光器件的设计和分析1 2 3 , 3 0 l 。另外机械安装应力，制冷方 式的选择也是必须认真考虑的。 n d ：y a g 的荧光寿命和吸收系数都与掺杂浓度有关，随着掺杂浓度从1 0 a t m 增加2 5a r m 时，荧光寿命从2 3 0 u s 减小到1 6 0 u s ，吸收系数从3 增加到 8 。 n d ：y a g 有着较高的k n o o p 硬度，较大的热导率，其中正的热光系数使得 在受热时产生正的热透镜，可用凸面腔镜实现光路上的补偿。尽管很多商业二 极管泵浦固体激光器也大量使用，但上面的很多性能是其它晶体如：n d ：y v o 。 无法比拟的。另外，n d ：y a g 的吸收截面不是偏振相关的，这给横向泵浦或随 机泵浦带来了方便。 n d ：y a g 的立方结构也有利于窄的荧光谱线，使得n d ：y a g 的线宽为 1 3 0 g h z ，然而在实际的器件运转时如： 单纵模运转时的谱线线宽1 0 0 g h z 4 钔。 要注意。 多纵模运转时的谱线线宽为3 0 g h z 、而 这在设计激光器选频元件和鉴频元件时 n d ：y a g 的吸收带宽很窄，仅l n m ，这要求作为泵浦源的激光二极管的带宽 也要窄，同时更要求在对激光二极管进行温度调谐( 典型的调谐速率约为 0 3 n m ) 时温控精度要高，以使其发射光谱与n d ：y a g 的吸收带宽达到好的 光谱匹配。 在正常的工作条件下，n d ：y a g 激光器在室温时以最强的4 f 3 ，2 4 1 1 l ，2 跃迁 产生1 0 6 4 1 n m 波长的振荡。利用波长选择元件：标准具或色散棱镜、或以特殊 设计的谐振腔反射镜作为输出镜，或使用镀有高度选择性的介质膜的反射镜， 也可能获得其他波长的跃迁。上述的这些元件抑制了其它不需要的波长的激光 振荡，而提供了所需要波长的最佳条件。这些技术可在n d ：y a g 中产生2 0 多条 跃迁谱线。而i f l 前最实用的是9 4 6 n m 、1 0 6 4 n m 、1 3 2 0 r i m 激光谱线，并且经过 笫二章虢光激光器的设计 倍频可得到蓝( 4 7 3 n m ) 、绿( 5 3 2 n m ) 、红( 6 6 0 r i m ) 三基色光源。 其中，通过镀有高度选择性的介质膜的反射镜来选择9 4 6 n m 激光谱线时， 必须首先抑制1 0 6 4 n m 、1 3 2 0 n m 激光谱线，通过计算，介质膜系对1 0 6 4 n m 、 1 3 2 0 n m 激光谱线的透过率大于7 0 时可以确保在较大的泵浦功率时也只有 9 4 6 n m 形成激光振荡f l o 】，通过腔内倍频可获得4 7 3 n m 蓝光激光输出。但由于激 光器运转于9 4 6 n m 谱线时是准三能级的结构，使得在纵向非泵浦区域或弱泵浦 区域的基频光的再吸收严重，而影响到激光器的闽值和效率。考虑到工作物质 对泵浦光能量的利用率和对激光的再吸收作用，根据阈值公式，求得实验中作 为蓝光激光器工作物质n d ：y a g 的优化长度为1 5 m m l l 4 1 。 2 2 蓝光倍频晶体l b o 当前，人们多选用k n 晶体实现9 4 6 n m 激光的倍频。k n 的有效非线性系 数大，倍频效率高，但其易潮解，并且加工困难，价格高，这些因素制约着全 固态蓝光激光器的实用化。为此，在选用蓝光倍频晶体时，将目光转向了新型 的b b o 和l b o 晶体。表2 2 列出了i 类临界相位匹配条件下的三种晶体对9 4 6 n m 波段的倍频参数。 表2 - 2 常用的蓝光倍频晶体的相位匹配比较 t a b l e2 - 2c o m p a r i s o n so f d o u b l e dn o n l i n e a r c r y s t a lu s e d f o rb l u el a s e r s c r v s t a ll b ok nb b o p r i n c i p a lp l a n e ， x yb i a x i a 】x yb i a x i a lu n i a x i a l t e m p e r a t u r e ( k ) 3 0 03 0 03 0 0 t y p eo f p h a s e m a t c h i n g o + o = e w a l k o f f a n g l e m r a d 】 0 0 000 01 12 9o0 00 0 04 6 7 00 0 00 0 06 0 1 8 p h a s ev e l o c i t i e s“16 0 8 l6 0 8 l6 0 8c ，22 6 822 6 82 2 6 8c 16 5 716 5 716 5 7 a tt h e t a , p h i ( d e g )9 0 0 1 939 006 002 5 0 d 。( p m v ) 8 1 2 e _ l10 2 e l20 1 e 0 c r y s t a la n gt o l ( m r a d c m 、 26 】04 504 7 t e m p e r a t u r er a n g e ( k c m ) 7 2 904 93 0 7 5 m i x a c c p ta n g ( m m d c m ) 52 152 108 908 909 50 9 5 m i xa c c p tb w ( c m a c r n )4 58 64 58 636 736 72 7 2 l2 72 l 奄丽番簸光激光器嵘声特性的研究 比较上露表中的数擐可以看爨：使用b b o 嚣孝，售频光志蕊角大，迭3 4 。， 鼗使搜瘸鞍短的鑫体，蓬光毙窳蔟鬣遣缀差；k n 虽煮大豹鸯散 线健鬟数， 毽龛谗瀣嶷小，镶o ，4 9 ，辩巧境溢凄变纯敏戆；褥l b o 静走离角小，怒b b o 的1 5 ，兔诲遗嶷大，怒k n 浆1 5 傣，虽没鸯k n 晶体大鹣枣效棼线毪系数， 餐裰摅螽奎菇俸态光斑半径国葶嚣走离羯p 决定豹蓿颓磊搭中鍪獗光帮倍额光静最 大徜互作用长度公式： l 。* 1 1 6 0 9 ( 2 1 ) 通过避当的紧聚焦靼增加毽频最体数长度倪可以获每孽较藏效攀鼹藏巍竣 出。 遴裙l d 泵溃4 7 3 n m 蓝党激光嚣的结鞫紧凑，壤频爨体态麴必寮寒簇缀小， 一般必t 0 0 。u r n 发表，考虑到激光器黧售频效率与露效 线链系数蠢。葶葵菇俸长 度三乘积( 或互) 的平方成歪阮( 觅公式( 2 。7 ) 稻( 2 蔼) ) ，通过适警增斑 长度和紧聚焦纂频光，仍可以获褥较大的三一值。丽减小出，会增加腔内经过 l b o 的基频光的功率密度，从霹进步提越它的傣羰效率，这里实验中选取 1 0 m m 长豹塔频磊锩l b o ，关于紧聚焦闻燧褒焘嚣给整0 2 - 弱下黢。爨越l b o 歪 逶合馋为获褥离散、寒光束袋鬟戆蘩光激光嚣熬菲线憋结灏磊钵。 为方馁螽霹对l b o 起馕 乍月的分板，缀撰l 类冁器是发慰凝l b o 戆糖谴 莲酝豢传，凌基频巍、镶叛光的壤矢爨镶摄方翔，器髂熬主霉鸯黛褥系x y z ，稠 整涎醚角0 、方位麓舻，作在藏一个立体溺中，数据参觅表2 - 2 ，各鬣静确定方 法翻下： 相位甄配角0 方向的确定：光的波矢量k 与z 轴的夹角； 方使角舻方向的确定；光的波矢凝k 在x o y 瑚投影与x 轴正向豹夹角； 0 光镳叛方向魏确定：垂童予k o z 嚣( 波矢量k 与z 确定的平垂称圭乎露) e 光偏振方向的确定：在k o z 露内 从图中可以看出，对于i 类角度甄配倍频时，馈频光的偏振方向与基频的馕 扳方两辐囊壹，这是l 炎售频隧媳撩霞匹艇斡必然结暴。毽实黢中秘馒爨在各 向厕蚀的工 乍物质n d ：y a g 中，廷镳振的蒸频光，当发生镶频曝，辘巍熬基频 第二章蓝光激光器的设计 光的却具有了强烈的线偏振特性，这一点是值得注意的。另外，当l b o 按图中 方式放置时，在水平面内转动l b o 将改变方位角p ，而在垂直面内转动l b o 时将改变相位角0 ，实验中，在晶体纵向位置固定时，通过仔细调节这两个角 度使倍频效率达到最大。 e 图2 1i 类l b o 临界相位匹配腔内倍频9 4 6 n m 的结构图 f i g 2 1 f i g u r eo f t y p eic r i t i c a lp h a s em a t c h i n gl b o f o r9 4 6 n m 2 3 蓝光线性谐振腔的分析 考虑到激光器结构紧凑及半导体激光二极管泵浦固体激光器的特点，使得 纵向泵浦工作物质成为可能，同时为了减少光学元件的个数，常将工作物质的 一个端面直接镀膜构成谐振腔的腔镜，与另外个腔镜构成平凹线性驻波谐振 腔，结构如图2 - 2 所示，本节分析这种腔的横模和纵模特点。 2 3 1 线性腔的横模 m 1m 2 降争 图2 - 2 无源线性驻波谐振腔 f i g 2 2l i n e a rs t a n d i n gw a v e r e s o n a t o r 设图2 2 中的谐振腔的腔长为三，凹镜的曲率半径为r ，则稳定腔所确定的 腔基模束腰半径为1 4 5 】： ：= _ z 4 l ( r - l ) 。 ( 2 2 ) 万 以曲率半径r 为参数作出腔模半径与腔长的关系曲线如图2 3 ，从圈中可以 全同态蓝光激光器噪声特性的研究 看出以下两点： 对于同一曲率半径月，腔模束腰半径在腔长为r 2 处的增加到最大值，而在 l = ? j 2 的两边对称地减小。 对于同一腔长工，腔模束腰半径随曲率半径月的增加而增加。 利用上面的结果，在实验中，可调节腔长工和腔镜的曲率半径r 达到泵浦 光和基频光模式匹配的目的。 t h el e n g t ho fc a t t y ( m m ) 图2 - 3 线性腔的束腰半径与腔长的关系 f i g 2 3r e l a t i o n s h i po f b e a mw a i s t r a d i u sa n dc a v i t yl e n g t hf o rl i n e a rr e s o n a t o r 利用下面的高斯光束的变换公式可求得腔内和忽略输出腔镜变换作用的腔 外任意点处的光束参数。 ( 2 3 ) 其中：厂为瑞利长度或共焦参数，大小为光斑半径由变化到疡。的距离 w ( z ) 为位置z 处的光斑半径，z 的坐标原点为束腰位置；r 御为位置z 处的光 束等相位面曲率半径，实验中腔外光束参数的变换和求解往往都是根据腔内的 光参数来进行的。 1 2 第二章蓝光撤光器的设计 2 3 2 线性腔的纵模 上面是线性谐振腔的横模分布情况 谐振腔的谐振频率为： ，2 赢l ( m + n + 1 ) 则同一横模的纵模间隔为 圹砭c 雨 下面给出谐振腔的纵模分布情况 4 6 1 。 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 其中： v 是谐振腔的谐振频率，整数m 、h 为横模的阶数，整数q 表示 腔场的纵模；c 是真空中光速； t ，是光在第i 段介质中的折射率；函是光在第i 段介质中经过的几何距离；a v a 是同一横模的纵模间隔。 从谐振频率上可以看出，腔模在频率上是高度简并的，对( 2 q + 脚+ 疗) 相 同的所有模式都具有相同的谐振频率，但应该注意的是，由于不同的横模具有 不同的损耗，因此上述在频率上简并的模在损耗上一般并不是筒并的。 另外，从谐振频率还可以看出，如果第i 段介质是双折射晶体，并且以引 起激光位相差的方式放入激光器中，那么，这段介质对于该激光就对应着两个 折射率n ，和n 。则会产生两套纵模，由同一横模的纵模间隔公式可知，此时就 会有相应地有两套纵模间隔。实验中合理利用可以获得双频激光器1 4 7 4 8 1 ，但有 时要加以抑制来保证激光器的稳定运转 4 9 , 5 0 。 2 4 泵浦源及耦合光学系统 与闪光灯相比，激光二极管( u ) ) 具有发光效率高、谱线窄、可调谐和偏 振发射的特点，作为泵浦源是激光技术的一大进步。但由于其发光特点，往往 需要经过耦合光学系统处理，爿能用来作为激光工作物质的泵浦源使用。本节 结合l d 的一般特性，介绍实验中使用的2 w l d 耦合光学系统的结构。 2 4 1 泵浦源l d 的特点 1 l d 的一般特性 奎阉态蓝光激光器噪声特性的研究 半导体激光器的发射截顽很小，由于衍射的缡果导致激光的输出具有很大 韵发散角，且垂囊于p n 结和平行予p n 结的两个方向的发散角不同，使得光束 呈攒图形曩存在麓象教。因数镬爝辩一般葵经过搦台光学系绞整形袋蒙焦处理 后再注入到激光介质。 l d 的发射谱线很窄，一般还可以通过温度调谐来改变发射波长。温度降低， l d 豹发瓣波长波短波方肉移殛：瀣发舞麓，l d 豹发射懿发瓣渡长囱长渡方鹈 移动。典型的波长随温度的漂移率为o 2 0 3 n m 。c 。 另外，l d 的输出具有高度的线偏振特性( 偏振比的媳型假为1 0 0 ：1 ) ，光束 赘瞧矢蠢方囱与p n 结平雩亍。 2 2 w 激光二极管的欺型参数 由中阐科学院北京半导体所提供的2 w 激光二极管的典型参数为：发光截 面的尺寸为1 2 0 0 , u r n 2 ；垂直于p n 结和平行于p n 结的两个方向的教散全翔分 爨麴鸯3 3 。6 。帮6 。6 。；滋发为2 0 辩，l d 洚篷发瓣波长淘8 0 8 ，8 r i m ，党谱睾最 大金宽约为1 8 n m ；l d 的闽值电流豹为4 1 0 m a ，微分斜效率为1 0 9 w a 。 2 。4 2 耦光学系统 由上节的分析可以知道，l d 蠹冬发散角很大，光束空阗的分布严璧不对舔著 存在象散，因此，对于l d 浆浦激光器来说，提高泵浦光注入激光晶体的耦台 效率，改罄泵漓光在激光晶体内静空阉特性，是疆终实现l d 泵滴激光器商羧 运转的关键之。尤其对l d 泵溱蘸光激光器，工作物艨n d ：y a g 处于准兰憨 级的工作状态，由于模式匹配不好可能引起横向的非泵浦区域，或由于耦含光 学系统韵象差弓| 起的级向弱裂清区域，都会因礁三能级的再蔽收损耗而增加激 光爨的竣馕，影响至i 激光器的效率，因戴对祸含光学系统懿要求严掇。 实验中使用的耦台光学系统典型结构如图2 - 4 所示。该结构由准融镜、扩柬 棱镜对霸聚焦镜构成。 图中款藕会建学系绞款三令部分分别蠢各蠡懿 萋鲻。其中，难蠹甓款俸曩l 是把发散角很大的高斯光束凇直成近似平行的光线，由于激光二极管发出的光 是精度像敝的光束，两个方向的发散角很大且差别也很大，因此不得不使用大 数镶魏经熬透镜维采炱瑷。该结掏中暴弱瓣是瀵足消球蒺帮委弦条 孛豹三片透 l 霹 第二章蓝光激光器的设计 镜组，等效焦距1 8 m m 。 c o l l i m a t i n gf o c u s i n gl e n s l e n s 图2 - 4 l d 耦合光学系统 f i g 2 - 4c o u p l i n go p t i c ss y s t e mf o rl d 因为l d 发射的光束是一个椭圆的光锥，椭圆长短轴之比大约在3 ：1 - - 6 ：1 之 间，如果不对光束进行圆化，那么经过准直、聚焦后的光束也是不对称的，用 这样的光束去泵浦激光晶体势必造成反转粒子数在横截面上分布的不均匀，在 圆对称腔体内也就不可能得到t e m 0 0 模。对l d 进行圆化，也就是对发散角小 的方向进行扩束。根据拉氏不变量，光束的横向尺寸扩大几倍，其发散角就要 相对缩小几倍，这样可以使l d 发射的光束在垂直和水平方向有近似相等的发 散角，在一定的位置的横截面上垂直和水平方向有相同的宽度，即达到圆化的 目的。其中的棱镜对就起到了光束圆化的作用。并且这两个相同的棱镜的放置 方式使得入射光在入射面满足布儒斯特角( 无需镀膜) ，而在出射时垂直出射面 ( 镀泵浦光的减反膜，剩余反射率小于o 2 ) ，这样