（光学工程专业论文）全固态单频激光技术研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：盔丝墨日期：坦垒：丝 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：盔盗荔 导师签名： = 孺嬲 摘要 ti ，o o p 。 单频全固态激光器由于具有输出线宽窄、频率稳定性好、结构紧凑和寿命长 等优点，因此成为了全固态激光器研究领域的一个重要研究内容。其中，1 0 6 m 单频激光在科研、军事、工业制造和医疗上均具有广泛的应用前景，从而成为国 际上研究的热点；同时，研究1 0 6 “m 单频激光也是研究其他波长单频激光以及 非线性频率变换产生单频激光的基础。在全固态单频激光器中，单频和高功率一 直是两个重要的研究方向，高功率单频全固态激光器在工业、医疗、军事等诸多 领域有着非常重要的实际应用，特别是非线性光学频率变换技术对高功率单频脉 冲激光有着迫切的需求，但是高功率激光输出和单频运转通常难以同时实现。 本文的第二章介绍了单频激光器的理论，是本论文的理论基础。本章分别介 绍了激光器的模式理论、速率方程的理论、泵浦光和振荡光的空间分布以及对单 频检测装置。模式理论是理解激光特性，进行激光腔设计和装调的基础，是研究 和掌握激光基本技术和应用的基础；速率方程表征的是原子的自发辐射、受激辐 射和受激吸收几率的基本关系，是进行理论计算的根本；泵浦光与振荡光的空间 分布，对于基横模的运转是非常必要的；而单频检测装置的介绍决定着实验的最 终结果是否可信。四者环环相扣，是实现环行腔单频激光器的基本理论基础。 第三章是本论文实验的准备工作。首先对实验中需要的一些参数进行了测 量，如热透镜焦距、泵浦光斑大小等参数；其次，根据这些已经测得的参数，对 实验腔型进行了设计，以及分析了像散对谐振腔的影响等；最后，利用理论知识， 对激光器的阈值和效率进行了估计，基本与实验结果相吻合。本章的准备工作为 之后的实验提供了实际的指导，使得之后的实验可以灵活的改变参数，从而取得 最好的结果。 第四章是本论文的实验部分，也是本章的核心部分，分别介绍了1 2 w 的 n d ：y v 0 4 单频激光器的实验研究，脉冲单频激光器的研究，n d ：g d v 0 4 单频激光 器的研究，以及1 3 1 9 n m 激光器的研究和和频的初步研究。本章在上一章的基础 之上，获得了斜效率为5 6 的1 2w 单频激光输出，据我们所知，这个功率是在 国内处于领先地位，激光器的效率在采用8 0 8 n m 泵浦n d ：w 0 4 晶体相关报道中 是最高的。 关键词：全固态激光，单纵模，环行腔 北京丁业大学工学硕卜学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t a n s o l i d s t a t es i n 西e 一舭q u c yl 鹤既i sa d v 孤t a g eo fn 蝴wl i n e1 j i ，i d t l l ，9 0 0 df 玉e q u e i l c y s t a b i l i t y ，c o m p a c ta n dl o n gl i f e ，i ti s ai n 啪r t a n tp a r ti l l i ea l l - s o l i d s t a t ei 雒盯f i e l d t h e 1 0 6 p ms i i l 酉e - f e q l l e l l c ) rl 勰e rh 勰b a dp r o s p e c ti n 廿l es c i e l l t i f i cr 器e 锄c h ，l i l i l i t a 】嘎i l l d l l s 仃i a l m 踟f 犯嘶n ga i l di n e d i c a la p p l i c a d o n s ，s oi th a sb e c 锄em er e s e a r c hf 0 c u si i lt l l ei i l t e n l a t i o n a l 托a r c h ；a tm es 锄et i m e ，t l l e1 0 6 p ms i i l g l e - 脚e n c yl 鹤盯i sm eb a s eo fs t l l d y i n go t l l e r w 乏胁g t l ls i i l 西e - 舭q u e l l c yl a s 懿觚dn l i n e 骶侬 ( 1 u 铋c yc o n v e 塔i o nt 0g 饥e m t eo t h e r w a v e l e n g ms i n g l e 一触x l u c yl a s e 风h lm ea l l - s o l i d - s t a t es i i l g l 争缸；q i l 饥c yl 鹪s i l l 酉e 如q l l e l l c y a i l dh i g hp o w 盱i sa l w a y st l l et w oi l p o r 锄tr 懿e 甜c h p o i n t s ，a l l - s o l i d - s t a t eh i g hp o w e r s i i l 班e - f b q u e i l c yl a s e rh a sv e 巧i m p o r t 锄ta p p l i c a t i 伽p r o s p e c ti i lm a n ya r e 雒s u c h 雒证d u s t 嘎 m e d i c a l ，m i l i t a r y ，i i lp a n i c u l n o n l i i l e a r 缸邪e l l c yc o n v e r s a t i o n 坂加o l o g yh a s 锄u r g 吼t d 删f 1 0 rp u l s e d s i n 酉e 缸q u e l l c yh i 曲p o w e rl a s e r s ， b u t h i g l lp o 、v e ro u t p u ta i l d s i i l 酎e - f e q p e n c y0 l ，e r a t i o ni so f 融ld i 衔c u l tt os i m u l t a n e o u s l ya c h i e v e n es c c o n dc h a p t e ri n 仃o d u c e sm em e o 巧o fs i n g l e 一舶q u 髓c yl a s a n di ti st h e 吐l e o r e t i c a l b a s i so ft h i sp a p e r t h i sc h a p t e ri i l 触c e dt h et h e o 巧o f1 a s e rm o d e ，t l l em t ee q u a t i o nt h e o r mt h e s p 撕a ld i s t r i b u t i o no fn l ep 啪pl a s e r 锄dt h eo s c i l l a t i n gl 嬲e r 孤dt h es i n g l e 丘踟u e i l c yd e t e c t i o n d e 访c e t h en l e o 叮o fl 铺e rm o d ei st l l eb a s e dt 0u n d e r s t a n dn l el 弱e rc h a r a c t e r i s t i c s ，d e s i g na n d d i 曲u gt h el a s e rc a 访劬a n di t i st h eb a s e dt 0r e s e a r c ha n dm a s t e rt h e l a s e rt e c l l i l 0 1 0 9 ya n d a p p l i c a t i o n 1 l l er a t ee q u a t i o nm e o 可r e s e a r c h e st h eb a s i cr e l a t i o no ft l l ea t o m i cs p o n t a n e o u s 锄i s s i o n ，s t i m u la t i 甜e i i l i s s i o na n ds t i m u l a t e da b s o 印t i o n ，a n di t i st h e 如n d a m e n t a lm e 0 代l i c a l c a l c u l a t i o n s t h es p a t i a ld i s t d b u t i o no ft h ep u m pl a s e ra n dm eo s c i l l a t i n gl a s e ri sv e r yi m p o r t a n t f o rt h eo p e r a t i o no fs i n 9 1 e 的n s v e r s e 1 i l es i n g l e 侬i q u e i l c yd e t e c t i o nd 嘶c eh a st h ed c c i s i v er o l e i i l 麟p 甜m e l l t a lr e s u l t 1 1 1 ef o u rp a n si st h et h e o 巧b a s i sf o rr e a l i z i n gt h es i n 酉e f b q u e i l c yl a s t h en l i r dc h a p t e ri 8 t h e 硼e p a m t i o no fm i st h e s i se ) 【p 硎m 即t f i r s t ，m e 邪u r es o m e e x p e d m e n t a lp a r a m e t e r s ，s u c ha st l l em 锄a lf o c a l l e n g t h ，n l es i z eo f 吐l ep u m pl a s e ra n ds oo n s c c o n d ，a c c o r d i n gt ot h e s el ( 1 1 0 w l lp 础l m e t e r s ，d e s i 盟m el a s e rc a 、，i 哆锄da n a l y z et h ef i a c t o ro f a s t i g m a t i s m f i n a l l y ，u s i n gt h em e o c a l c u l a t et h en u 螂h o l da n de 伍c i e n c yo ft h el a s a i l dt h e r e 如l ti sa g r e ew i t ht h ee x p e r i m e n t a lr 铭u l t s t h ep r e p a r a t i o no ft h i sc h a p t e rp r o 访d e sp r a c t i c a l g l l i d 锄c ef o rm ef o l l o w i n ge x p 锄呱e n t s ，m a k et h ef o l l o w i n ge x p 甜m t sc h a n g et l l ee x p 甜m e i l t p 撇m 曲那，o b t a i nt h eb e t t e rr e s u l t s t h ef o u r t hc h a p t e ri sm e e 】【p e 血n e n tp a r to ft h i sp 印e r ，a n di t i sa l s ot h ev i t a lp a r t h lm i s c h a p t i w ei n t r o d u c et h ee x p 甜m e l l t a lr e s e a 玎c ho ft h el2wn d ：y v 0 4s i n g l e 肫q u 锄c yl a s m e r e s e a r c ho fp u l s e ds i n g l e 舭q u e i l c y1 a s n d ：g d v 0 4s i n g l e 舭q u e n c yl a s t h er e s e a r c ho f 13l9 l l ml a 8 e ra n dt h ep r e l i n l i n a 巧s t l l d yo fs 啪一舶q u e n c yg e n e m t i o n o nm eb a s i so ft h el a s t c h a p t w eo b t a i l l12ws i i l g l e 能q u 即c yl a s e ro u t p u tw i t h5 6 o ft h es l o p ee 伍c i e n c y t 0t h e b e s to f0 1 1 rk i l o w l e d g e ，m i si st h eh i g h e s ts l o p ee 伍c i e n c yi ns i n g l e - 仃e q u e l l c yn d ：y v 0 4r i n gl a s t h ee 伍c i e l l c yo ft h es i n g l ef k q u e n c yl a s e ri sc l o s et om el i m i to ft h ee m c i e n c yt h e o r e t i c a l l y k e y w o r d s ：a l l s o l i d - s t a t el a s e r ，s i n 百e 一矗e q u e n c yl a s e r ，r i n gl a s e r 北京工业大学工学硕士学位论文 i v 目录 目录 摘要i 第1 章绪论1 1 1d p l 的历史发展与现状l 1 2 全固态激光器的优点2 1 3 单频d p l 的国内外研究现状3 1 4 本论文的主要工作6 第2 章单频激光器的理论基础9 2 1 激光器的模式理论一9 2 1 1 空间烧孔效应9 2 1 2 横模的选择1 0 2 1 2 1 横模选择原理1 1 2 1 2 2 横模的选择方法1 2 2 1 3 纵模的选择13 2 1 3 1 纵模选择原理l3 2 1 3 2 纵模选择方法13 2 2 速率方程及输出特性l5 2 3 泵浦光和振荡光的空间分布对激光器输出特性的影响2 0 2 4 单频检测装置的介绍2 4 2 5 本章小结2 8 第3 章高功率单频激光器的谐振腔设计2 9 3 1 热透镜的测量2 9 3 2 法拉第旋光器的研制3 2 3 3 泵浦光斑的测量3 2 3 4 环形腔的设计3 3 3 5 像散的影响3 5 3 6 小信号增益系数的计算3 6 3 7 激光器效率的计算3 7 第4 章高功率高效率单频激光器的实验研究4 l 4 1 高功率高效率连续n d ：y v 0 4 单频激光器的实验研究4 1 4 1 1 高功率高效率连续n d ：y v 0 4 单频激光器的实验装置4 l 4 1 2 实验结果及分析4 2 4 2 脉冲n d ：y v 0 。单频激光器的实验研究4 5 4 3 高功率连续n d ：g d v 0 单频激光器的实验研究4 8 4 3 1 高功率连续m ：g d v o 一单频激光器的实验装置4 8 4 3 2 实验结果及分析4 9 4 4 连续1 3 1 9 n m 激光器的实验研究5 0 4 55 8 9 n m 和频的初步研究5 2 结论5 5 参考文献5 7 攻读硕士期间所发表学术论文6 l i i i 北京工业大学t 学硕上学位论文 致谢6 3 l v 第1 幸绪论 第1 章绪论 1 9 1 7 年，a e i n s t e i n 提出了受激辐射概念；2 0 世纪5 0 年代人们认识到，在非 平衡态，电磁辐射可以通过受激辐射得到放大；1 9 5 4 年，c h t 0 w n e s 制造了氨 分子振荡器，即m a s e r ( m i c r o w a v ea m p l i f i c a t i o nb ys t i m u l a t e de m i s s i o no f r a d i a t i o n ) ；1 9 6 0 年，休斯研究实验室的t m a i m a i l 博士成功演示了世界第一台红 宝石固态激光器，即l a s e r ( l i 龇a m p l i 矗c a t i o nb ys t i 枷l a t e de m i s s i o no f r a d i a t i o n ) ，意为辐射通过受激发射的光放大。自此，打开了激光的时代。 自激光诞生到现在，已经有5 0 年的历史了。各种各样的激光器在工业、农业、 国防、科学技术、生物医疗等众多领域得到非常广泛的应用。 1 1 d p l 的历史发展与现状 1 9 6 0 年，即在第一台激光器诞生的同一年，r n e 、釉锄【1 】就首次提出了激光 二极管泵浦固体激光器( d p l ) 的思想。他用砷化镓( g 拟s ) 发光二极管( l e d ) 泵浦掺铷离子的钨酸钙晶体( n d ：c a w 0 4 ) 得到1 0 6 p m 的荧光输出。之后，在第 一支砷化镓二极管激光器诞生后不久，k e y e s 和q u l s t 【2 】利用c a f 2 ：u 制成了世界上 第一台二极管泵浦固体激光器。早期的g a a s 激光二极管采用同质结结构，激励 阈值电流很高，功率输出和效率很低，且必须在液氮冷却下工作，波长范围也受 限制，因此这一阶段全固态激光器主要限于实验室研究。 2 0 世纪7 0 年代，c o n a n t ，j a c k s o n ，和f a m e r 等人，比较全面的研究了l e d 横 向泵浦的情况，而且用l d 进行端面泵浦的全固态激光器也有报道。在这一时期， 第一支光纤激光器也在此间问世【3 】。随着半导体理论和激光二极管制作工艺的提 高，采用异质结的l d 己可在室温下工作，但输出功率和效率仍然比较低，不能 适应商品化的要求。1 9 7 1 年，f w o s t e 咖e v e r 报道了第一台室温下运转的全固态 n d ：y a g 激光器，获得1 4 n 1 w 1 0 6 岬的连续波激光输出【4 1 。 进入2 0 世纪8 0 年代，作为泵浦源的l d 取得了长足的发展。由于l d 吸收了半 导体物理研究的新成果，采用了量子阱( q w ) 、应变量子阱( s lq w ) 等新结 构材料；同时发展了晶体生长技术新工艺，使得l d l d a 的阈值电流明显降低， 连续或准连续的输出功率和转换效率有了大幅度提高，输出波段范围不断扩展， 使用寿命也显著延长，成本和价格不断下降，输出功率成倍提高。1 9 8 2 年，k u b d e 和n o d a 首次用g a a i a s 量子阱泵浦l n p ( l i n d p 4 0 1 2 ) 得到波长1 3 u m ，输出功率 为1 4 m w 的单纵模激光束【5 。 2 0 世纪9 0 年代以后至今，半导体激光器向高功率、高稳定性、长寿命、宽波 北京工业大学- r ：学硕士学位论文 段等方向发展，连续输出百瓦量级，准连续输出达千瓦量级。特别是微通道制冷 技术应用于激光二极管，促进了大功率列阵的发展。在这一时期内，具有里程碑 意义的事件是美国劳伦兹利弗莫尔国家实验室研制成功了千瓦级高功率二极管 泵浦n d ：y a g 激光器。l d 的发展，也同时带动了新型固体激光材料和l d 泵浦技 术的发展。此外，以激光二极管泵浦为基础的全固态激光系统的研究也全面展开。 1 2 全固态激光器的优点 激光二极管泵浦的固体激光器( l a s e rd i o d ep u m p e ds o l i d - s t a t el 嬲e f s ) 技术 是一个飞速发展的领域，在科研、工业、军事等领域具有广泛的应用。该技术具 有战略性，全局性，带动性，在国防建设，高技术产业和科技研发中起着不可取 代的关键支撑作用。由于其核心技术不能引进，必须自主创新发展。d p s s l 效率 高，体积小，操作简单，虽然这些优点早在1 9 6 3 年就已经认识到，但是，只是到 了1 9 8 5 年前后，大功率、长寿命、可靠、易操作的激光二极管( l a s e rd i o d e ，l d ) 以及激光二极管阵列( l a s e rd i o d ea m l y l d a ) 的获得才使之成为现实。随着可 靠的大功率l d 技术的发展，d p s s l 得到极大的进展。这些进展中包括直接使用 二极管激光器本身，以及窄线宽，高光束质量，高功率和不同波长的d p s s l 。 从世界上第一台闪光灯泵浦的激光器的诞生到第一台l d 泵浦的固体激光器 的实现用了1 4 年的时间。从原则上讲，在d p s s l 中实现不同模式的激光运转与传 统的闪光灯泵浦并没有什么区别。因此我们主要关心激光器设计的改进和功能的 扩展。 与灯泵固体激光器比较 1 总体效率高。传统的闪光灯由于其辐射光谱宽，很难与激光晶体的吸 收带匹配，导致大部分能量以热的形式耗散掉，因而转换效率低。而 作为全固态激光器的泵浦源l d 可以通过改变温度使输出波长与激光 晶体的吸收谱完全匹配，这样，不仅转换效率很高，同时也降低了激 光晶体的热负荷和对冷却系统的要求。 2 频率和功率稳定性好。传统的灯泵固体激光器由于冷却水湍流、闪光 灯泵浦中等离子体波动造成的噪声以及闪光灯本身的功率波动使得 灯泵固体激光器的频率和功率稳定性都比d p l 要差很多。 3 光束质量好、寿命长。l d 泵浦的固体激光器相对灯泵激光器由于热 畸变小，因而容易获得高光束质量激光输出，d p l 可以产生接近衍射 极限的t e m o o 模的激光输出；由于l d 的寿命较长，同时固体激光 介质本身既能产生高光束质量且具有长寿命，因此d p l 的寿命远高 于传统的灯泵激光器。 4 泵浦方式灵活，激光晶体选择多样化。l d 发射的是激光，其光束质 2 第l 章绪论 量虽比一般激光差很多，但方向性比气体放电的灯要好很多，因而可 以设计很多个性化的泵浦结构如端泵、侧泵、多程泵浦等；激光晶体 可以是棒状、块状、碟片状、板条状等。 5 结构紧凑、小型化。由于l d 本身结构紧凑、体积小，近年来更是取 得了进一步的进展，如目前大部分光纤耦合的l d 都已经实现了电制 冷、电源和l d 模块一体化的集成设计；不仅大大减小了激光器的体 积和重量，也促进了激光器的产业化和商品化。 1 3 单频d p l 的国内外研究现状 由于固体激光器的增益谱线很宽，以及常规闪光灯泵浦激光器冷却系统引起 的振动，使一般固体激光器单频、稳频技术较气体激光器难度大。但随着d p l 技术的迅速发展，它具有的稳定、高效的特点，使得固体单频激光技术达到了较 高的水平。 从上面的分析己知，单频d p l 的实现主要有两个途径。一是腔内插入纵模 选择元件，选出单模；另一个是消除空间烧孔，依靠模式间自身竞争，振荡在某 一模式。综合国内外有关资料，适合于l d 泵浦的、效果较好的方案有如下几种。 1 环形腔法 消除空间烧孔的有效措施之一是让腔中只有单一方向传播的光波，从而以行 波腔代替驻波腔。一般采用腔内插入法拉第旋光器，形成光学二极管，使腔内不 再形成驻波。 1 9 8 5 年，斯坦福大学t h o m e sj k 铋e 和r o b e nlb y e r 等实现了二极管泵浦 的n d ：y a g 单块非平面结构环形腔激光器，在最大泵浦3 1 w 时，获得了1 6 3 m w 的1 0 6 4 姗单频输出【6 】。 1 9 8 6 年，斯坦福大学t h o m e sj l e 和r o b e r tl b y e r 等用单块非平面结构 环形腔激光器，输出单频稳频激光2 5 m w ，斜效率1 9 ，测量频率涨落在 4 0 k h z 8 m i n 以内。1 9 9 2 年进一步的测试结果表明，这种环形激光器的拍频线宽 为0 3 3 h z ，窄于激光极限线宽阴。 1 9 9 6 年，英国南安普顿大学k i m a n i n 等人利用环形腔获得5 4 w 的1 0 6 4 姗 单频输出，在腔内加入标准具后，获得4 2 w 的1 0 6 1 4 1 1 i i l 的单频输出【8 1 。 1 9 9 7 年，德国汉诺威激光中心i f r e i t a g 等利用可饱和吸收体c r 4 + ：y a g 被 动调q ，实现了二极管泵浦非平面n d ：y a g 环形激光器。在k h z 的水平上，最 大输出达8 0 0 m w ，脉冲宽度小于3 n s ，单脉冲能量为7 0 ，峰值功率为3 0 k w 的单频激光【9 】。 2 0 0 1 年，北京理工大学光电工程系吴克瑛等采用单块非平面环形腔，获得 单频激光输出功率2 7 0 m w ，光光转换效率在1 5 以上，斜效率可高于3 0 ，输 北京t 业大学t 学硕上学位论文 出激光光束质量接近衍射极限，测量得到光束传输因子m 2 约为1 2 【1 0 】。 2 0 0 4 年，德国h a g c i lz i m e r 等人报道了一种新颖的单块非平面环形激光器。 它在单块y a g 晶体的表面粘合了一块厚l o o i j m 的n d ：y a g 薄片，最终获得1 6 w 单 频1 0 6 4 i 弧激光连续输出，斜效率达到4 5 【l l 】。 2 0 0 5 年，山西大学张宽收等人利用环形腔，最大获得2 w 光光转换效率为 3 3 3 的单频1 0 6 4 n m 激光，当泵浦功率为2 2 w 时，得到瓦级单频1 0 6 4 i n 激光输 出，最高光光转换效率为4 7 2 【1 2 】。 2 0 0 7 年，张铁犁，姚建铨等采用8 0 8 衄光纤耦合输出激光二极管( f c l d ) 单端端面抽运n d ：w 0 4 晶体，采用四镜折叠环形腔，在腔内插入法拉第旋光器 和半波片实现激光的单向运转以抑制空间烧孔效应，并在腔内加入标准具，最终 实现连续单频1 0 6 4 n m 激光输出。在2 4 6 w 抽运功率时，最高输出功率达到9 w ， 光光转换效率为3 6 6 ，m 2 因子约为1 1 4 ，频率漂移约2 0 0 m h z 【1 3 1 。 2 0 0 8 年，北京理工大学光电工程系张秀勇等人利用共焦f p 腔，实现免调制 频率稳定技术，使得单频激光器在3 0 分钟的时间内频率波动在士5 0 0 k h z 内【1 4 1 。 2 0 0 8 年，哈尔滨工业大学姚宝权等人利用单块非平面h o ：y a g 环形激光器， 获得7 3 w 单频2 0 9 岬激光输出，其中斜效率为7 1 ，光束质量因子m 2 约为 1 1 【1 5 】。 2 0 0 9 年，英国伦敦皇家学院的p c s h a r d l o w 等人，利用反馈镜和环形腔的 方法实现了1 7 w 的单频输出，斜效率为4 4 【1 6 】。 2 0 0 9 年，哈尔滨工业大学的赵家群等人，采用n d ：y v o 小0 4 晶体，利用 环形腔的方法，在3 0 w 的泵浦功率下，实现了1 3 w 的单频激光输出，光光转换 效率为4 3 3 【1 7 】。 2 0 l o 年，北京工业大学激光工程研究院的赵伟芳等人，利用环行腔实现连 续1 0 6 钿曲激光输出。在2 2 7 7 w 的泵浦功率下，获得1 2 w 的单频激光，光光转 换效率高达5 6 ，m 2 因子约为1 1 1 【18 1 。 2 短腔法 激光振荡的可能纵模数主要由工作物质的增益线宽v 。和谐振腔的纵模间 隔血。决定。而纵模间隔曲。= c 2 此与腔长成反比，因此选择单纵模的方法之 一是缩短谐振腔的长度l ，以增大纵模间隔，。，使得在v 。范围内只存在一个 纵模，而其余的纵模都位于，。之外，此即所谓短腔法选纵模。 1 9 8 9 年美国麻省理工学院林肯实验室的研究人员首先研制出了输出波长为 1 0 6 4 岬l 和1 3 岬的n d ：y a g 微片激光器。其中n d 3 十的掺杂浓度为1 w t ，腔 长为7 3 0 岬，激光器的阈值功率小于1 m w 。在抽运功率为阂值几倍时，观察到 4 第1 章绪论 单纵模单横模输出，输出光束基本为圆对称，发散角为2 删【1 9 1 。 1 9 9 1 年日本的t a h l n 硎1 蕊r a 等报道用5 0 0 m w 的l d 泵浦n d ：w 0 4 微片激 光器，n d ：w 0 4 的掺杂浓度为1 1 a t ，尺寸为3 m m 宰3 m m 木o 5 m m ，在晶体端面 镀膜直接构成腔。泵浦光阈值5 3 i i l w ，实现了1 0 3 m w 单模激光输出，其斜效率 为3 2 4 。通过改变晶体温度对激光进行频率调谐，频移达到2 0 7 g h z ，而无跳 模现象f 2 0 】。 1 9 9 3 年中科院上海光机所首先在国内实现了l d 泵浦n d ：y a g 微片激光器 室温下连续单横模运转，观察到了稳定的单纵模输出【2 。 1 9 9 3 年z l l o u 等首次报道c ，n d 3 + ：y a g 微片自调q 激光器的研究成果。 用l d 脉冲激光做泵浦源，获得了重复频率为5 0 0 h z 的1 0 6 4 岬脉冲激光输出【勿。 1 9 9 6 ，瑞士b b r a 吼等人利用a f p s a 来对n d ：w 0 4 微片实现被动调q ， 获得只有5 6 p s 的单频激光。通过对饱和吸收体的设计参数和泵浦功率可以使脉 宽在5 6 p s 和3 0 i l s 之间变化，重复频率从2 7 k h z 到7 m h z 之间变化【2 3 】。 2 0 0 6 年中科院郭林等人，采用s e s a m 对n d ：k l u w 微片实现被动调q 的 方式，获得了重复频率为1 0 l 沮z ，脉宽为1 7 n s ，平均输出功率为2 6 0 i i l w 的单频 光【2 4 1 。 2 0 0 6 年浙江大学用频率可调的l d 做泵浦光源，对n d ：w 0 4 微片进行增益开 关实验。以掺杂浓度为l ，直径为2 0 i 】m ，厚为1 h u n 的n d ：y v 0 4 作为增益介质， 在晶体两端面直接镀膜构成平平腔，晶体厚度即激光器腔长，利用外调制信号对 l d 的驱动电流进行调制，使l d 产生重复频率在1 h z 2 5 k h z 范围内可调的巨形脉 冲，以此泵浦n d ：w 0 4 微片激光器，获得了光束质量好、相干性能好、光束指向 稳定的单色激光脉冲【2 5 1 。 2 0 0 9 年，波兰的j a r o s l a wz s o t o r 等人，利用微片激光器获得了可以宽调谐的 5 3 2 n m 的单频激光输出【2 6 1 。 2 0 0 9 年，德国的a s t e i m e t z 等人，利用微片被动调q 的方式，获得了2 m h z 的，2 0 0 p s 脉宽的单频激光【2 7 1 。 2 0 1 0 年，哈尔滨工业大学的李纲等人，报道了室温下，端面泵浦t m ，h o ：y v 0 4 微片，从而获得2 u m 的激光输出【2 8 】。 3 其他选频方法 除了以上两种方法外，还有一些其他常用的方法：腔内插入选模元件，扭转 模，预激光，种子注入等。 1 9 7 1 年，贝尔实验室的d a v i da d r a e g e n 采用扭转模技术，用1 k w 钨碘灯 泵浦n d ：y a g 获得了连续波o 5 w 单频激光输出【2 9 1 。 1 9 8 0 年，美国的b y e r 和p a r k 采用一个低功率q 开关单纵模运转的主振荡 器产生种子脉冲，注入q 开关非稳腔高功率运转的副振荡器，获得了峰值功率 北京t 业大学工学硕e 学位论文 1 6 7 m w 的单纵模激光输出【3 0 1 。 1 9 8 5 年，a d e l b e n 等人依据预激光的方法，实现了l d 泵浦可控增益开关的 单频n d ：y a g 激光器，获得了重复频率l k h z ，峰值功率6 0 m w 单纵模激光脉冲 输出，线宽小于8 m h z 【3 l 】。 1 9 9 0 年，陆耀东，兰信钜等人在谐振腔内插入一块f p 标准具获得单纵模 激光输出的方法的基础上，将其输出镜改为具有光谱选择性的反射型标准具，使 两个标准具分别满足选单纵模的条件，从而降低了对每个标准具的要求。获得了 1 5 0 m w 连续单频激光输出【3 2 】。 1 9 9 7 年，英国曼彻斯特大学的d j b i i l l 【s 等人设计出一种新颖的四镜复合腔 选频，使得复合腔更紧凑，体积更小。 2 0 0 7 年，清华大学雷鸣，巩马理等人报道了采用四镜复合腔选频，获得了 3 3 w 的基模输出【3 3 1 。 2 0 0 8 年，美国的n v o r o b i e v 等人，采用体布拉格光栅实现了调q 的单纵模 输出【3 4 1 。 2 0 0 9 年，f 姗【l l ( f w - u 等人报道了采用种子注入放大技术，获得了脉宽大约 为2 0 i l s ，单脉冲能量大于1 0 0 m j 的调q 单频激光输出【3 5 】。 综上所述，可以看出，为了获得大功率单频激光，单向环形腔法是最普遍采 用的方案之一。 1 4 本论文的主要工作 单频全固态激光器由于具有输出线宽窄、频率稳定性好、结构紧凑和寿命长 等优点，因此成为了全固态激光器研究领域的一个重要研究内容。其中，1 0 6 u m 单频激光在科研、军事、工业制造和医疗上均具有广泛的应用前景，从而成为国 际上研究的热点；同时，研究1 0 6 “m 单频激光也是研究其他波长单频激光以及 非线性频率变换产生单频激光的基础。在全固态单频激光器中，单频激光器和高 功率激光器一直是两个重要的研究方向。在高功率固体激光器研究中，高功率单 频全固态激光器在工业、医疗、军事等诸多领域有着非常重要的实际应用，特别 是非线性光学频率变换技术对高功率单频激光有着迫切的需求，但是高功率激光 输出和单频运转通常难以同时实现。 本文的第二章给出了单频激光器的理论研究，是本论文的理论基础。分别介 绍了激光器的模式理论、速率方程的理论、泵浦光和振荡光的空间分布对激光器 输出特性的影响以及对单频检测装置进行了介绍。 第三章是本论文实验的基础。首先对实验中需要的一些参数进行了测量，如 热透镜焦距、泵浦光斑大小等参数；其次，根据这些已经测得的参数，对实验腔 型进行了设计，以及分析了像散对谐振腔的影响等；最后，利用理论知识，对激 6 第l 章绪论 光器的阈值和效率进行了估计，基本与实验结果相吻合。 第四章是本论文的实验部分，分别介绍了1 2 w 的n d ：w 0 4 单频激光器的实 验研究，脉冲单频激光器的研究，n d ：g d v 0 4 单频激光器的研究，以及1 3 1 9 姗 激光器的研究和和频的初步研究。 7 北京下业大学t 学硕一 j 学位论文 8 第2 章单频激光器的理论基础 第2 章单频激光器的理论基础 2 1 激光器的模式理论 被约束在空间一定范围内的电磁场只能存在于一系列分立的本征状态中，场 的每一个本征态具有一定的谐振频率和一定的空间分布。在激光技术中，通常将 光学谐振腔内可能存在的电磁场本征态称为腔的模式。从光子的观点看，激光模 式也就是腔内可能区分的光子状态。腔内电磁场的本征态应由麦克斯韦方程组及 腔的边界条件决定，不同腔型的模式各不相同【3 6 】。 由于研究方法和测量方法的不同，实际中人们往往从两个不同的角度研究腔 模：横模和纵模。横模强调在激光传输方向( 光轴) 垂直面内光场分布形式；纵 模强调腔内沿激光传播方向场分布特点。 在激光光谱特性中，激光线宽和相干长度，主要有纵模特性决定；而特定波 长下，光束发散角和光束直径由横模特性决定。通常，大量腔纵模落在增益线宽 内，而且许多横模可以同时获得足够的增益，因此若不采取特殊的方法限制模数， 激光器将多模振荡。 2 1 1 空间烧孑l 效应 如果引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的，则这种加宽称作均匀加 宽。对此种加宽，每个发光原子都以整个线型发射，不能把线型函数上的某一特 定频率和某些特定原子联系起来，或者说，每一发光原子对光谱线内任一频率都 有贡献。对于非均匀展宽的谐振谱线则是指不同组的原子具有不同的响应频率， 因此，只有那些响应频率与入射辐射接近的那组原子才会与入射光有较强的作用 【3 7 】 o 在一般情况下，固体激光工作物质的谱线展宽主要是晶格振动引起的均匀加 宽和品格缺陷引起的非均匀加宽，在室温下以前者为主，尤其对质量较好的晶体， 如n d ：y a g ，n d ：y v 0 4 非均匀加宽可以忽略。 在均匀加宽激光器中，几个满足阈值振荡条件的纵模在振荡过程中相互竞 争，结果总是靠近中心频率的一个纵模得胜，形成稳定振荡，其他纵模被抑制。 这样看来，均匀加宽稳态激光器输出应是单纵模的，且单纵模频率总是在谱线中 心频率附近，但实际情况并非如此，由于空间烧孔效应的存在，一般观测到的都 是多模运转。 实际上，由于不同纵模的空间分布并不统一，在普通直腔中，激光的往返传 9 北京工业大学t 学硕上学位论文 播应满足相长干涉条件。同时，往返光波振幅相近、频率相同，干涉叠加形成驻 波。由于半波损失，在两端腔镜面处始终为波节。 由于驻波场原因，在某一纵模驻波场的波节处，激活物质并不发生增益饱和 现象。这些未被利用的增益原子将激发那些波腹位于其他位置的纵模。由于轴向 空间烧孔效应，不同纵模可以使用不同空间的激活粒子而同时产生振荡，这一现 象叫做纵模的空间竞争。 八八八一八八八 vvvvv m 0 d e l ： ( 6 ) q 妇 l 眦珏 图2 1 驻波腔中的空间烧孔示意图 f i g 2 1 - 上图中，( a ) 表示其中一个纵模的电场( 模式i ) ；( b ) 表示由于模式i 引起 的反转粒子数n 饱和；( c ) 表示临近纵模( 模式i i ) 的电场。从图可知，模式i i 可以获得一定的增益，与没有被模式i 饱和的原子相互作用，从而起振。 如果激活粒子的空间转移很迅速，空间烧孔便无法形成。在气体工作物质中， 粒子作无规则热运动，迅速的热运动消除了空间烧孔，所以以均匀加宽为主的高 气压气体激光器可获得单纵模振荡。但在固体工作物质中，激活粒子被束缚在晶 格上，借助粒子和晶格的能量交换形成激发粒子的空间转移，但由于激发态粒子 在空间转移半个波长所需的时间远大于激光形成所需的时间，所以空间烧孔不能 消除。如不采取特殊措施，以均匀加宽为主的固体激光器一般为多纵模振荡。在 含光隔离器的环形行波腔内，光强沿轴向均匀分布，不存在空间烧孔，因而可以 得到单纵模振荡。 2 1 2 横模的选择 1 0 第2 章单频激光器的理论基础 横模的控制