（光学工程专业论文）全固态、新型饱和吸收体Vlt3gt：YAG+13μm调Q激光特性研究.pdf

山东大学博士学位论文 中文摘要 闪光灯泵浦的固体激光器虽不及二极管泵浦的激光器具备那么多的优点，但 是也具有自己独特的优势，比如制造简单、操作方便、价格低廉等，在本论文中， 我们也给以一定的研究与介绍。激光二极管泵浦的全固态激光器，具有效率高， 结构紧凑，连续输出稳定、寿命长等优点和在激光通讯、遥感探测、工业加工、 军事、医疗等领域有着广泛的应用前景，备受国内外激光界重视，作为本论文研 究的重点。 本论文以n d ：y a g 和n d ：g d v 0 4 晶体( a 切和c 切) 为激光晶体，以饱和吸 收体v ”：y a g 和声光开关为腔内调q 组件，从理论和实验两方面研究了全固态1 3 岫主被动调q 激光器的各项激光运转特性，建立了主、被动调q 激光脉冲输出 性能的速率方程模型，数值求解方程的理论计算值与实验结果相吻合。并采用直 腔结构，实现了l d 泵浦v 3 + ：y a g 和声光n d ：g d v o d k t p 内腔倍频6 7 1n n l 红激光 的运转，在理论分析中，将二次谐波转换视为谐振腔的一种非线性损耗，考虑调q 激光速率方程的新模型，对两种n d ：g d v o , d k t p 内腔倍频调q 红激光脉冲输出特 性进行了理论模拟。其主要内容为： i 简单介绍了全固态激光器发展过程以及闪光灯和二极管激光泵浦的激光 工作介质；简述了全固态1 3i t m 激光的研究意义及进展；概述了激光调q 技术及 速率方程模型和准相位匹配倍频技术。( 第一章) l i 实现了闪光灯泵浦n d ：y a g ，n d ：g d v 0 4 晶体、饱和吸收体v 3 + ：y a g 被动 调q 1 , 3 1 9i t m ，1 3 4 2l , t m 激光运转，测量了不同v 3 + ：y a g 小信号透过率、不同输 出镜透过率及泵浦功率下的单脉冲能量、峰值功率、脉冲宽度和重复率，并对a 向和c 向切割的n d ：g d v 0 4 获得的各项激光特性进行了比较。( 第二章) i 实现了l d 泵浦n d ：g d v 0 4 晶体、饱和吸收体v “：y a g 被动调q1 3 4 2i t m 激光运转，同时，考虑腔内光子数密度的空间分布以及激活介质反转粒子数密度、 饱和吸收体基态粒子数密度和泵浦光的横向空间分布，给出了描述调q 激光运转 特性的速率方程新模型，通过数值求解，对实验结果进行了理论模拟。( 第三章) 实现了l d 泵浦n d ：g d v 0 4 晶体、v 3 + ：y a g 和c o “：l a m g a l l l o l 9 双被动调 山东大学博士学位论文 q 激光运转，测量双被动调q 激光的脉宽、重复率、单脉冲能量和峰值功率随泵 浦功率的变化关系，并同v 3 + ：y a g 单一被动调qn d ：g d v 0 4 激光进行了比较。结 果表明，双被动调q 脉冲激光不仅能压缩脉宽，而且单脉冲能量和峰值功率较高； 在理论分析中，通过进一步考虑激活介质反转粒子数密度和泵浦光的纵向分布， 首次给出了描述双被动调q 激光脉冲输出性能的速率方程模型，理论计算与实验 结果相吻合。( 第四章第一节) v 对l d 泵浦声光和v 3 + ：y a g 双调qn d ：g d v 0 4 激光特性进行了理论和实验 和研究，测量了使用声光调制频率下双调q 激光的输出特性，并同单一v3 + ：y a g 被动调q 的各项激光性能进行了比较，结果表明，同时使用声光开关和v 抖：y a g 饱和吸收体，会得到高峰值功率和具有稳定重复率的短脉冲序列，获得的双调q 脉冲宽度比单v ”：y a g 被动调q 明显压缩，单脉冲能量和峰值功率也大为增加。 同时，建立了主被动双调q 激光脉冲输出性能的速率方程模型，数值求解方程的 理论计算值与实验结果相吻合。( 第四章第二节) 采用直腔结构，实现了l d 泵浦n d ：g d v 0 4 晶体、k t p 内腔倍频、v 3 + ：y a g 被动或声光主动调qo 6 7 11 t m 红激光输出，对不同泵浦功率下的脉冲宽度、重复 率、单脉冲能量和峰值功率进行了测量；在理论分析中，将二次谐波转换视为谐 振腔的一种非线性损耗，并考虑调q 激光速率方程的新模型，对两种 n d ：g d v 0 4 i 方向上的热导率 是n d ：w 0 4 晶体的2 倍多，同时在8 0 8 n m 处也有着非常宽的吸收带，使其成为 适合半导体泵浦的非常有效的激光工作物质。 n d ：g d v 0 4 晶体晶格常数a = b = 0 7 2 1 2 n m ，c = 0 6 3 5 0 n m ，口= 夕= y = 9 0 0 ，光轴 平行于c 轴，a 向热导率1 0 1 w m 以k 1 ，c 向热导率为1 1 7 w m d k 1 。a 向热膨胀系 数为1 0 5 1 0 。6 k - 1 ，c 向热膨胀系数为7 4 2 1 0 飞j 4 】。由于晶体的各向异性，切 割方向不同，晶体的吸收发射截面、热导率、热致双折射特性等参数都会相差很 大，从而导致晶体作为激光介质时输出激光的特性具有明显的差异。在a 轴切割 时，其7 r 偏振( 别c ) 和盯偏振( e 上c ) 两种偏振态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。n d ：g d v 0 4 激光器输出7 r 偏振光，有利 于腔内倍频效率的提高。根据f i n d l a y - c l a y 的分析，虽然c 向切割的n d ：g d v 0 4 晶 体的发射截面积( 1 2 1 0 _ 9 c r n 2 ) 小于a 向切割的发射截面积( 7 6 x1 0 j 9 c m 2 ) ，具 有较高的激光阈值，但其内部损耗要小得多，因而其斜效率远远地高于a 切割 n d ：g d v 0 4 晶体【5 ，6 】。应用到调q 激光器中，c 向切割的n d ：g d v 0 4 激光器输出的 激光脉冲具有更短脉宽、更高峰值功率，因此沿c 轴切割n d ：g d v 0 4 晶体也已成为 人们研究的热点晶体之- 7 ，8 】。近年来，人们曾经对n d ：y v 0 4 晶体的基频和倍频 调q 激光特性进行了广泛的研究 9 1 3 ，而对n d ：g d v 0 4 晶体的激光特性研究，相对 而言比对n d ：y v 0 4 晶体的研究较少。 1 2 全固态1 3 p m 激光的研究意义及进展 被动调q1 3 1 a m 激光所产生的纳秒量级脉冲在光纤传输、微型制造、遥感、信 息存储等方面均有着广泛的应用。1 3 1 x m 激光可以通过在激光腔内插入饱和吸收体 v 3 + ：y a g 或c o “：l a m g a l l l o l 9 等实现。 l d 泵浦的1 3 4 2 n m 激光器在很多方面都有重要的应用。1 3 4 p m 波段是入眼安全 区，同时与硅光纤低色散和低损耗的波长一致，因此1 3 4 1 a m 区域的激光可以广泛 应用于激光医学、光纤通信、光传感定位以及中红外参量振荡的泵浦源等领域。 4 山东大学博士学位论文 通过将1 3 4 2 n m 倍频得到的6 7 1 n m 红光可以用作c r ：l i s a f 、c r ：l i s g a f 、c r ：l i s c a f 等可调谐固体激光介质的泵浦源 1 4 ，这将在很大程度上代替价格昂贵、结构复 杂、效率低的氪离子激光器。另p b 6 7 1a m 红光对应着彩色全息感光胶层的最大光 谱灵敏度，可用于彩色显示领域。 早在1 9 9 7 年，r f l u c k 等人利用i n g a a s p 半导体可饱和吸收镜实现了n d ：y v 0 4 1 3 4 2 r t m 的被动调q 单频运转，输出的脉冲宽度最短达2 3 0 p s 1 5 。掺p b s i 拘磷酸盐玻 璃以及掺c 0 2 + 的晶体( 如c 0 2 十：l i g a 5 0 8 c d + ：m g a l 2 0 4 ，c 0 2 + ：l a m g a l l l o l 9 ) 也可用作 1 3 1 a m 波段的被动开关，并成功地实现了各种掺钕激光晶体的被动调q 运转 1 6 2 0 。 2 0 0 7 年，清华大学采用采用双端面泵浦n d ：y v 0 4 的方式并旅以声光调制获得了大 功率、高重复频率的1 3 4 2 n m 脉冲输出，其最大调制重复频率为1 0 0 k h z ，在重复频 率为5 0 k h z 时，输出脉冲的平均功率为l1 2 w ，相应脉宽为6 0 n s 2 1 。山东师范大学 利用c 0 2 + ：l a m g a l l l o l 9 作为被动调q 晶体，以n d ：y v 0 4 作为增益物质，实现了其 1 3 4 2 n m 的被动调q 运转，输出脉冲的平均功率为5 8 0 m w ，脉宽为4 2 n s ，相应的单 脉冲能量和峰值功率分别为1 4 5 和3 4 6 w 2 2 。 本论文中，我们实现了内腔倍频v 3 + ：y a g 被动调q n d ：g d v 0 4 k t p 及声光主 动调qn d ：g d v 0 4 k t p6 7 1 n m 输出红激光运转，并测量了各项激光输出特性。 1 3 激光调q 技术及速率方程理论 ： 一、激光调q 技术 调q 技术的发展和应用，是激光发展史上的一次重要突破，其特点是把激光 能量压缩在纳秒量级的脉冲中发射，使激光的单色亮度提高了几个数量级。纳秒 量级、高重复率脉冲激光光源广泛应用到遥感探测、激光通讯、医疗卫生等领域， 因此调q 激光器，特别是激光二极管泵浦的调q 激光器一直是固体激光器的研究 热点。 调q 技术可分为主动调q 和被动调q 两种。主动调q 激光器谐振腔内损耗的 变化由外部驱动源控制，而与腔内激光强度无关，声光调q 是其常用的方法之一。 声光调q 是利用光通过介质中超声场时发生衍射而造成光偏折，以此来控制激光 谐振腔内的q 值。由于声光开关的调制电压较低( 几十伏) ，容易与连续激光器配 5 山东大学博士学位论文 合而获得1 - - - 6 0 k h z 高重复率且稳定性好的巨脉冲。近年来，人们已对掺n d 晶体、 声光调q 激光特性进行了一定的研究 2 3 2 5 。 与主动调q 激光器相比，被动调q 激光器操作简单，高效稳定，同时又可大 大降低制造成本，已经成为产生高重复率脉冲激光的重要手段之一。被动调q 技 术往往通过在腔内插入饱和吸收体材料来实现调q 运转。有机染料 2 6 】曾被用作被 动q 开关来实现激光器的调q 运转，然而有机染料热稳定性差、易退化，导致输 出调q 脉冲极不稳定；与染料相比，作为固体饱和吸收体的色心晶体( 如l i f ：f 2 ) 【2 7 ，虽然光化学和热学性质较好，但其易褪色，因此使用寿命及存储受到一定的 限制。半导体材料作为饱和吸收体也已有报道 7 3 7 5 ，7 9 ，同时半导体材料还兼具 输出镜的作用，称为半导体饱和吸收镜( s e s a m s ) 。本论文中所使用的v ”：y a g 晶 体作为新型被动q 开关具有优良的性能，其在1 肛1 4 5 1 且n 波段具有饱和吸收特性， 因而可作为掺n d 3 + 激活介质的饱和吸收型被动q 开关。虽然h e i l e r s 等人于1 9 9 2 年早已报道过c 0 2 + ：l a m g a l l l o l 9 晶体的饱和吸收特性 2 8 】，但截至目前为止，介 绍v 3 + ：y a g 的相关报道毕竟还是相对较少。与有机染料及色心晶体相比，v 3 + ：y a g 和c 0 2 + ：l a m g a l l l o l 9 一样，具有光化学性质稳定、热导性好、饱和光强低、损伤 阈值高及无退化等优点，逐渐成为人们研究的热点。近年来，人们已经研究过脉 冲氙灯、连续氪灯泵浦及激光二极管泵浦的掺n d 晶体、c 0 2 + ：l a m g a l “0 1 9 被动调 q 激光特性【1 5 - 2 0 ，2 2 ，2 9 - 3 2 】，对c 0 2 + ：l a m g a i i i o l 9 调q 的自倍频晶体n d ：y a b 及 n d ：y v 0 4 的绿光特性也有报道 2 2 ，3 3 。同样，目前利用v 3 + ：y a g 作为被动调q 元件，人们也已经成功地实现了n d ：k g w ，n d ：y a g 3 4 ，n d ：y a p ，n d ：y v 0 4 3 5 】 等各类激光晶体的稳定调q 运转。另外，v 3 + ：y a g 具有较大的基态吸收截面和较 长的基态恢复时间，在调q 过程中容易实现漂白，所以v 3 + ：y a g 是掺钕激光器较 理想的被动q 开关。 二、速率方程理论 速率方程是分析调q 激光运转特性的有效理论工具。1 9 6 3 年，a a v u y l s t e k e 3 6 和w g w a g n e r 3 7 首先给出了描述快速调q 机理的速率方程组，用 两个方程分别描述腔内光子数密度和激活介质反转粒子数密度随时间的变化。之 后，a s z a b o 等人给出了被动调q 激光的速率方程组，用第三个方程来描述饱和 吸收体粒子数密度随时间的变化 3 8 4 0 。到目前为止，该方程组已被广泛引用和 6 山东大学博士学位论文 适当修i e 4 1 4 4 。但在上述这些文献中，速率方程均采用了平面波近似，即假定 泵浦光分布、腔内光子数密度分布及饱和吸收体的恢复都是均匀的。但对于l d 泵 浦的调q 激光，这些假定显然过于简单化，并使对调q 激光输出脉冲特性特别是 脉宽的理论计算值与实验结果偏差较大【4 5 】。z h a n g 等在用速率方程研究调q 激光 运转特性时，考虑了腔内光子数密度的高斯空间分布，研究表明理论计算值比平 面波近似时更接近实验结果 4 6 5 0 1 。但在他们的研究中没有考虑泵浦速率及激活 介质的受激辐射寿命对调q 特性的影响，另外，他们虽然考虑了激光光束在激活 介质和饱和吸收体处由于横截面积的不同而对调q 特性产生的影响，但在速率方 程中只给出了一个平均光子数密度，而没能将光子数密度沿激光谐振腔的纵向分 布直接表示出来。因此欲对l d 泵浦调q 激光进行较为精确的理论分析，必须将 上述因素都要考虑迸速率方程中。在本论文给出的描述l d 泵浦的调q 激光运转 特性的耦合速率方程组中，均考虑了腔内光子数密度的横向分布以及激活介质反 转粒子数密度、饱和吸收体粒子数密度和泵浦光的空间分布，通过对方程组的数 值模拟，得到了与实验值相符的理论计算结果。 1 4 相位匹配与倍频技术 倍频技术是利用激光束通过某些具有非线性光学性质的晶体后产生光的二次 谐波，从而使输入光束实现光波变频的技术，它是拓宽激光波长范围最有效的方 法之一。相位匹配是非线性光学中一个重要概念。它的采用，使非线性作用的转 换效率大幅提高。而转换效率的大小取决于非线性晶体的有效非线性系数。为有 效地进行非线性光学频率变换，必须使参与相互作用的光波在介质中传播时具有 相同的相速度。实现有效频率变换的方法之一就是相位匹配技术，利用非线性晶 体的双折射与色散特性达到相位口r c e s u 。 非线性光学频率变换，它包括和频、倍频、差频、光学参量转换等多种方式， 但从相位匹配条件来看，可以分为两类双折射相位匹配( b p m ) 技术 8 0 】和准相 位匹配( q u a s ip h a s em a t c h i n g , q p m 5 2 5 5 9 技术。对于频率为( 0 1 、0 0 2 、f 0 3 ，波矢为 k l 、k 2 、k 3 的三束激光在非线性光学晶体中相互作用时，需要满足下面两个关系式： 能量守恒：0 9 ，= ，+ 眈 动量守恒：岛= 白+ 岛吻七 7 山东大学博士学位论文 传统的双折射相位匹配( b p m ) 技术，是利用单轴或双轴非线性晶体的双折射特 性和色散特性，通过选择光波的波矢方向和偏振方向使得a k = o 来实现相位匹配。 本论文中采用的就是双折射相位匹配技术。 作为优良非线性晶体之一的k t p ( k t i o p 0 4 ) 晶体由于具有高的非线性转换系 数、高的允许角和温度容限、小的走离角以及相对较高的抗损伤阈值等优点，被 广泛用来实现掺钕激光器内腔倍频激光输出。由于其i i 型匹配时的非线性系数要 远大于i 型匹配时的非线性系数，因此常常采用i i 型相位匹配条件的k t p 晶体作 为腔内倍频元件。掺钕晶体常与倍频晶体钛氧磷酸钾( 1 o p 0 4 - k t p ) 组合，以 获得倍频6 7 1 n m 波长的红光。近几年对掺n d 晶体、k t p 倍频的调q 绿激光特性 已有许多报道 1 3 ，5 7 ，5 8 ，对于倍频的调q 红激光论述毕竟甚少【5 9 】。 本论文中采用光纤耦合输出的激光二极管作泵浦源，以n d ：g d v 0 4 晶体作激光 工作物质，分别研究了饱和吸收体v 3 + ：y a g 以及声光两种调q 方式下的k t p 晶 体内腔倍频红光输出特性进行了研究。理论研究方面，考虑腔内光子数密度、激 活介质反转粒子数密度和泵浦光的空间分布，给出了描述以上倍频激光运转特性 的耦合速率方程组，通过数值模拟，得到了与实验结果相吻合的理论计算结果。 1 5 本文的研究内容 本论文根据固体激光器的调q 特性，以新型饱和吸收体v 抖：y a g 为调q 晶 体，分别用闪光灯泵浦n d ：y a g 激光晶体发出1 3 1 9 1 t r n 激光、闪光灯泵浦n d ：g d v 0 4 激光晶体发射1 3 4 2 i t m 激光、l d 泵浦n d ：g d v 0 4 激光晶体发射1 3 4 2 1 t m 激光、l d 泵浦n d ：g d v 0 4 声光- v3 + ：y a g 主被动调q 和v 3 + ：y a g - - c o “：l a m g a l l l o l 9 双被 动调q 激光、l d 泵浦v 3 + ：y a g 被动调q 内腔倍频n d ：g d v 0 4 k t p 红激光以及 l d 泵浦声光调q 内腔倍频n d ：g d v 0 4 k t p 红激光的实验研究。从理论和实验两 方面分别研究了饱和吸收体v3 + ：y a g 被动调q 激光的脉冲输出特性以及v3 + ：y a g c o “：l a m g a l ll o l 9 双被动调q 激光脉宽控制特性，并对声光- v3 + ：y a g 主被动 调q 激光的运转特性进行了理论和实验研究，另外，还从理论和实验两方面研究 了k t p 晶体的倍频激光特性。具体内容为： 1 分别实现了闪光灯泵浦n d ：y a g 和n d ：g d v 0 4 晶体、v 3 + ：y a g 被动调q 1 3 岬 8 山东大学博士学位论文 的激光运转，并对a 向和c 向切割的n d ：g d v 0 4 获得的各项激光特性进行了比较。 ( 第二章) i i 实现了l d 泵浦n d ：g d v 0 4 晶体、v ”：y a g 被动调q1 3 4 2 1 t m 激光运转， 同时，考虑腔内光子数密度的空间分布以及激活介质反转粒子数密度、饱和吸收 体基态粒子数密度和泵浦光的横向空间分布，给出了描述调q 激光运转特性的速 率方程新模型，通过数值求解，对实验结果进行了理论模拟。( 第三章) i i i 研究了l d 泵浦n d ：g d v 0 4 晶体、v3 + ：y a g - - - c o2 + ：l a m g a l l l o l 9 双被动调 q 激光脉宽压缩特性，实验表明，双被动调q 的脉宽、重复率低于单被动调q 方 式；而脉冲能量、峰值功率均高于单被动调q 。同时，考虑腔内光子数密度的空 间分布以及激活介质反转粒子数密度、饱和吸收体基态粒子数密度和泵浦光的横 向空间分布，给出了描述被动双调q 激光脉冲输出性能的速率方程模型，数值求 解方程的理论计算值与实验结果相符。( 第四章第一节) i v 研究了l d 泵浦n d ：g d v 0 4 声光- v 3 + ：y a g 主被动双调q 运转，获得了在 泵浦源泵浦功率下的脉宽、脉冲重复率、单脉冲能量和峰功率，并同单一v 3 + ：y a g 被动调q 的各项激光性能进行了比较，实验说明，同时使用声光开关和v ”：y a g 饱和吸收体，会得到高峰值功率和具有稳定重复率的短脉冲序列，获得的双调q 脉冲宽度比单声光调q 明显压缩，单脉冲能量和峰值功率比单v ”：y a g 被动调q 也大为增加。同时，建立了主被动双调q 激光脉冲输出性能的速率方程模型，数 值求解方程的理论计算值与实验结果相吻合。( 第四章第二节) v 采用直腔结构，实现了l d 泵浦n d ：g d v 0 4 晶体、k t p 内腔倍频、v ”：y a g 被动调q0 6 7 1 i t t m 红激光输出；在理论分析中，将二次谐波转换视为谐振腔的一 种非线性损耗，并考虑调q 激光速率方程的新模型，对n d ：g d v 0 4 k t p 、v 3 + ：y a g 被动调q 红激光脉冲输出性能进行了理论模拟。( 第五章第一节) 仍采用直腔结构，实现了l d 泵浦n d ：g d v 0 4 晶体、k t p 内腔倍频、声光 调q0 6 7 1 1 t m 红激光输出；在理论分析中，仍就将二次谐波转换视为谐振腔的一 种非线性损耗，利用速率方程的新模型，对n d ：g d v 0 4 k t p 、声光调q 红激光脉 冲输出特性进行了数值模拟，理论计算和实验结果相符合。( 第五章第二节) 9 山东大学博士学位论文 第二章闪光灯泵浦调q 激光特性研究 全固态1 3 1 a m 激光器产生的激光波段在非线性光学研究、光通信第二窗口装 置检测、光纤传感、激光雷达、光信息处理、医疗等方面有着广泛的应用前景， 利用被动调q 是实现这一要求的简单、高效、低成本的实用方法。使用广泛的被动 调q 晶体c r 4 + ：y a g 饱和吸收波长范围为0 8 - 一1 2 t m 5 6 ，6 3 ，不适合1 3 9 m 波段调q 。 而新型饱和吸收体v3 + ：y a g 晶体 7 7 ，7 8 的波长范围在1 0 5 1 4 5 9 m 6 0 ，适合于 1 3 岬波段调q 。 2 1新型饱和吸收体v 3 + ：y a g 及激光晶体n d ：g d v 0 4 的光谱特性 4 0 06 0 08 0 0i o o o1 2 1 4 1 6 w a v e l e n g t h ，黯撼 图2 - 1v3 + ：y a g 的线性吸收谱 新型的晶体材料v 3 + ：y a g 饱和吸收波段宽( 1 0 5 1 4 5 i - t m ) ，基态吸收截面大， 激发态吸收损耗小，恢复时间短，饱和能量密度低，损伤阈值高，是一种综合性 能优良、有着广泛应用前景的被动调q 元件。a m m a l y a r e v i c h 等人首次将其引 入到激光二极管泵浦全固态激光器中，以n d ：k g d w 为工作物质，获得了平均功率 约4 5 m w ，脉宽为9 0 n s ，单脉冲能量6 2 6 u j 的1 3 4 2 9 m 的调q 脉冲输出； v p m i k h a i l o v 等人的早期研究表明：v3 + ：y a g 可有效地实现激光器调q 和锁模运 转；a a g n e s i 等通过合理的腔型设计，还实现了亚纳秒1 3 4 2 1 x r n 锁模输出；作为 1 0 o 5 o ， o o 管喜釜毒m薏苞 山东大学博士学位论文 调q 波段的扩展。 本文利用新型的晶体材料v 3 + ：y a g 作为被动调q 元件，以n d ：y a g 、n d ：g d v 0 4 为激光工作物质，并用闪光灯泵浦和二极管泵浦两种泵浦方式，实现了1 3 1 9 j a n 和1 3 4 2 1 , t m 激光的调q 运转。 v 3 + ：y a g 的线性吸收光谱如图2 一l 所示，可以看出光谱范围很宽，大于1 0 0 0 姗，在4 2 5n m ，6 0 0n l t l ，8 0 0n r l l ，l1 4 0n l r l ，1 3 2 0n i i 附近有5 个吸收峰，实验证明 其在1 0 5 - 1 4 5i t m 具有饱和吸收特性，可在此波段作为被动调q 元件。它在1 3 u m 处的基态吸收截面大，为仃g s a = ( 7 2 2 , 6 ) x 1 0 - 1 8c m ? ，激发态吸收截面小，为仃e s a = ( 7 4 2 8 ) x1 0 1 9t i l l 2 6 0 】，两者比值为= 莎嘲仃g s a 0 1 ，即对应的激发态再吸收 损耗小。它的恢复时间较短，为2 2 - - e 6n s 【6 1 ，合理设计腔型可获得调q 锁模运转。 v 3 + ：y a g 在1 3 a m 处的饱和能量密度较低，小于0 0 5j c 1 1 1 2 ，相应的饱和功率密度 小于7m w 锄2 。其损伤阈值高，目前文献中还没有关于它损伤阈值的相关报道。 目前常用的可获得高功率1 3 1 t m 附近激光输出的激光增益介质如引言所述，有 n d ：y a g ( 1 3 1 9 n m ) ，n d ：y v 0 4 ( 1 3 4 2 n m ) 和n d ：g d v 0 4 ( 1 3 4 2 n m ) 等。其中n d ：g d v 0 4 晶体在1 3 4 2 n m 谱线处具有较大的受激发射截面，几乎与n d ：y a g 晶体最强的 1 0 6 4 n m 谱线处的受激发射截面相当，比n d ：y a g 晶体在1 3 1 9 n m 谱线处的受激发射 截面高出约一个数量级；但比n d ：y v 0 4 晶体在1 3 4 2 n m 谱线处受激发射截面小一半。 而n d ：g d v 0 4 在8 0 8 r i m 处有7 倍于n d ：y a g 的较大的吸收截面，其吸收带宽约3 0 n m ， 比n d ：y v 0 4 也要大，而且热导率是n d ：y v 0 4 的2 倍多，所以在较高功率泵浦下的 激光稳定性优于n d ：y v 0 4 。 n d ：g d v 0 4 晶体的物理性质与n d ：y a g 和n d ：y v 0 4 晶体相比略优，尤其是其热 导率高，比n d ：y a g 晶体和n d ：y v 0 4 晶体大半；而且热破坏阈值也高，是n d ：y a g 晶体的四倍，这对实现高功率激光输出有利。所以对于n d ：g d v 0 4 晶体在1 3 4 2 n m 谱 线处的输出功率，不必进行热效应的补偿。表2 2 、2 3 给出了其物理和光学特性光 谱。 山东大学博士学位论文 1 2 o 卑 5 五 曩 暑 _ 昌 。 号 。 参 屠 墨 - 毒 w a v e l e n g t h ( r i m ) 图2 - 2 0 5a t n d ：g d v 0 4 晶体的室温吸收光谱 8 6 4 2 o w a v e l e n g t h n m ) 图2 30 5a t n d ：g d v 0 4 室温下归一化的荧光谱 d9 5 01 0 0 e1 0 5 0ll o d l 3 0 01 3 5 01 4 0 0 疋( n m ) 图2 4n d ：g d v 0 4 晶体偏振荧光光谱 山东大学博士学位论文 2 奄 。 葛 x ( 蹴 图2 5n d ：g d v 0 4 晶体的吸收光谱 图2 - 4 给出了n d ：g d v 0 4 晶体室温下的荧光光谱，测量范围是8 5 0 n t o 到 1 4 0 0 n t o 。图中显示有多个荧光发射峰，中心波长和跃迁能级如表2 1 所列。 表2 - 1n d ：g d v 0 4 晶体室温荧光谱和跃迁能级 应当注意的是，n d 3 + 离子在能级4 f 3 2 4 i 蚍的激光跃迁属于三能级系统，因而 4 1 9 2 能级的最大斯塔克能级分裂e 限制了激光的发射。由于高的再吸收损耗和相 对小的热导率，n d ：g d v 0 4 晶体最大的斯塔克分裂仅是4 0 9 e r a 。这些结果显示， 因为在室温下基态之上的4 i 蛇多能态较小的斯塔克分裂，要用8 0 8 5 n m 的l d 泵浦 得到4 f 3 陀一4 1 9 2 跃迁的激光输出是非常不容易的。 对于4 f 3 2 4 i l l 2 和4 f 3 2 4 1 1 3 2 多能态的激光发射是四能级系统，我们可以很 容易地得到波长为1 0 6 3 n m 和1 3 4 0 n t o 的激光发射。 1 3 山东大学博士学位论文 鲁 墓 喜 1 0 4 01 0 6 0i 。8 0l l l i 姗l l 钧 x 细m ) 图2 - 6n d ：g d v 0 4 晶体兀偏振荧光谱与n d ：y a g 晶体 1 0 6 4 n m 荧光谱的比较 表2 2 给出了后面章节实验中用到的掺杂浓度为0 5 2 a t 的n d ：g d v 0 4 晶体的 参数。 表2 - 2n d ：g d v 0 4 晶体的物理和光学特性参数 6 2 1 n d 掺杂浓度( 原子比) 晶格常数 熔点 密度 莫氏硬度 折射率( 1 0 6 4 n m ) 激光跃迁 o 1 3 0 a = b = 0 7 212 n m ，c = 0 6 3 5 0 n m 1 7 8 0 5 4 8 9 e r a 3 4 6 - - 5 n o = 1 9 7 2 ，l 铲2 18 3 9 12 6 r i m 4 f 3 2 4 1 9 2 1 0 6 3 1 n m 4 f 3 彪一4 l l1 尼 13 4 1 9 r i m 4 f 3 2 - - - 4 1 1 3 忽 热导率 1 1 7w m _ k 1 ( 3 0 0 k ) 发射截面 1 0 6 4 9 m o re = 7 6 10 q 9 6 1 1 1 - 2 1 3 1 9 9 m o r 。= 1 8 1 0 - 1 9 c m 之 1 3 4 2 i t mo r 上= 1 9 5 10 _ 1 ( n d 计0 5 2a t ) o r = 1 8 x1 0 1 9 锄。2 吸收系数( 8 0 8 n m ) 7 8 c m 。1 吸收截面( 8 0 8 n m )盯a = 5 2 1 0 d 9 上能级寿命 9 8 9 s 泵浦波长8084rim 热膨胀系数( 3 0 0 k ) = 3 5 x1 0 挑= 4 3 x1 0 击做 发射带宽 3 r i m 激光输出波长 1 3 4 9 m 以上参数冈掺杂离子的浓度不同、发射波长不同而有差异，故数据皆是某特定条件下的值。 1 4 山东大学博士学位论文 2 2 闪光灯泵浦n d ：y a g 晶体v3 + ：y a g 被动调q1 3 1 9n m 激光实验 研究 与主动调q 相比，被动调q 激光运转的实验装置简单、转换效率较高、成本低 廉。本节中，通过使用新型饱和吸收p , v “：y a g ，我们实现了闪光灯泵浦n d ：y a g 被动调q1 3 1 9 n m 激光输出。分别测量了输出单脉冲能量及脉冲宽度，并计算了脉 冲峰值功率。在腔长4 4 c m 和泵浦能量为4 3 4j 时，获得单脉冲能量为1 0 m j ，最短脉 宽为8 6 9n s ，相应的峰值功率为11 5k w 。 一、实验装置 实验装置图如2 7 所示。 m tm 2 f l a s hl a m p 图2 7 实验装置 实验采用平凹腔结构如图2 7 所示，谐振腔的腔长为4 4 c m 。泵浦源采用氙气 闪光灯来泵浦( 0 5 x 1 0 0h i m ，单面镀银的椭圆柱面反射镜) 。腔镜m i 是曲率半径 1 m 的全反镜，镀1 0 6 l x m 高透膜和1 3 4 1 x m 高反膜；输出平面镜m 2 作为谐振腔的 输出镜，镀1 0 6 9 m 高透膜和1 3 4 t t m 部分反射膜( 输出镜透过率3 0 ) 。激光工作 物质为尺寸0 5 x 1 0 01 1 1 1 1 1 3 、搀杂浓度0 5 a t 的n d ：y a g 晶体，将其靠近输出镜m e 放置。不镀膜的v ：y a g 晶片( 中5 x 3 5i i l m 3 ，小信号透过率为5 0 ) 置于靠近全反 镜m l 的地方，用于研究被动调qn d ：y a g 激光的输出特性。采用e m p 2 0 0 0 型 ( m o l e c t r o nc o r p ，u s a ) 激光功率计测量激光输出功率，用快速光电探测器( 响 应时间：8 0 0r i m - 1 8 0 0n m ) 和t d s 3 0 3 2 b ( t e k t r o n i xi n c u s a ) 数字存储示波器 测量输出调q 脉冲信号。 二、实验结果及讨论 1 5 山东大学博士学位论文 对被动调q 运转而言，口因子可以用来表征对饱和吸收体漂白的难易程度【4 l 】， 口：c r g s a( 2 1 ) y o a s 式中，a a s 是腔内振荡光在增益介质和饱和吸收体上的光斑有效面积之比，盯器是 饱和吸收体的基态吸收截面；盯是增益介质的受激发射截面；】，是反转因子( 在四 能级系统中为1 ，三能级系统中为2 ) 。口越大，饱和吸收体越容易漂白，也越容 易输出多脉冲；相反，如果口越小，饱和吸收体越难以漂白，调o 过程也难以实现。 由于口嚣和仃都是固定值，所以要想获得理想的调o 输出，必须f f a a s 达至：) - - 个合 适的值，使激光器既能够实现调o 运转，又能够有效抑制多脉冲的产生。相对于 c 0 2 + ：l a m g a i i1 0 1 9 ( 简写c o ：l m a ) 而言 6 4 】，v ：y a g 有更大的仃豁，而且高出一个 数量级，因此在我们这个平凹腔结构实验中，饱和吸收体v ：y a g 可以尽可能靠近 全反镜放置，以增大振荡光在饱和吸收体上的有效光斑的面积，使激光器既能够 实现调q 输出，又能够有效抑制多脉冲的产生。 本实验调q 运转的脉冲波形和脉宽均是在只有单脉冲输出的情况下进行测量 的，图2 8 示出了单脉冲输出能量随泵浦能量的变化关系。 图2 - 8 单脉冲输出能量随泵浦能量的变化 实验表明输出能量随泵浦能量的增加而增大，并测出泵浦能量的阈值为1 2 1 5 j 。在泵浦能量达到4 3 4j 时，对应单脉冲输出能量为1 0m j 。 图2 9 、2 1 0 示出了单脉冲的脉宽和峰值随泵浦能量的变化关系。从图中可看 1 6 山东大学博士学位论文 出脉宽随泵浦能量的增加而逐渐变短，脉冲峰值随泵浦能量的增加而逐渐增大。 在泵浦能量为4 3 4j 时，测得最短脉宽为8 6 9n s ，相应的峰值功率为1 1 5k w 。 i n o i d e n tp u m pe n e r g y ( j ) 图2 - 9 脉宽随泵浦能量的变化 i n o i d e n tp u m pe n e n g y ( j ) 图2 1 0 脉冲峰值随泵浦能量的变化 图2 1 1 给出了泵浦能量为4 3 4j 时的单脉冲输出波形。 1 7 山东大学博士学位论文 图2 1 l 泵浦能量为4 3 4 j 时的脉冲波形 2 3 闪光灯泵浦n d ：g d v 0 4 晶体v “：y a g 被动调q 1 3 4 2n m 激光实 验研究 本节中，我们实现了闪光灯泵浦a 向切割与c 向切割n d ：g d v 0 4 晶体v 3 + ：y a g 饱 和吸收体被动调q1 3 4 2 n m 激光输出，测量并计算了激光各项输出特性，如单脉冲 输出能量、脉宽和峰值随泵浦能量的变化关系。实验再次证实了v 3 + ：y a g 作为饱 和吸收体，适于1 3 9 m 激光的被动调q 实验；且实验结论显示c 向切割的n d ：g d v 0 4 比a 向切割的n d ：g d v 0 4 能够获得更高输出能量、更高峰值、更短脉宽的脉冲。 一、实验装置 实验装置仍采用图2 7 所示，只是将原来的激光晶体n d ：y a g 换成n d ：o d v 0 4 晶体，且谐振腔的腔长为3 0 c m ，其它各项描述均同前。 为进行比较，我们使用尺寸均为3 x 3 x 2 5m i l l 3 、搀杂浓度均为o 5 2 a t 的a 向 切割的和c 向切割的n d ：g d v 0 4 晶体作为激光工作物质，并将它们靠近输出镜m 2 放置。两片不同小信号透过率的v ：y a g 晶片( 一片为t o = 5 0 ，尺寸西5 3 5m m 3 ； 另一片为t o = 7 0 ，尺寸西5 1 5m m 3 ) 置于靠近全反镜m l 的地方，来研究被动调 qn d ：g d v 0 4 激光的输出特性。采用e m p 2 0 0 0 型( m o l e c t r o nc o r p ，u s a ) 激光功 率计测量激光输出功率，用快速光电探测器( 响应时间：8 0 0 n m 1 8 0 0 n m ) 和 t d s 3 0 3 2 b ( t e k t r o n i xi n c u s a ) 数字存储示波器测量输出调q 脉冲信号。 二、实验结果及讨论 山东大学博士学位论文 在上一节里，我们已经提及，鉴于对口因子中元素的分析，我们提出饱和吸收 体尽可能放于的位置。所以本实验中，饱和吸收体v ：y a g 仍尽可能靠近全反镜放 置，以增大振荡光在饱和吸收体上的有效光斑的面积，使激光器既能够实现调q 输 出，又能够有效抑制多脉冲的产生。 本实验调q 运转的脉冲波形和脉宽仍在只有单脉冲输出的情况下进行测量， 图2 1 2 、2 1 3 、2 1 4 分别示出了单脉冲输出能量、脉宽和峰值随泵浦能量的变化 关系( 乍- t - 对两种不同小信号透过率的饱和吸收体：t o = 5 0 和t o = 7 0 ) 。 翟 冀 孕 塞 m 益 盖 葛 盛 3 o 图2 1 2 脉冲输出能量随泵浦能量的变化关系 1 9 1 1 1 罂1 象 j 芎 垒 o o i n c i d e n tp u m pe n e r g y , j 图2 1 3 脉宽随泵浦能量的变化关系 图2 1 4 脉冲峰值随泵浦能量的变化关系 实验结果显示单脉冲输出能量和峰值随着泵浦能量的增加和小信号透过率减 小而增大，而脉宽随着泵浦能量的增加和小信号透过率减小而减小。当泵浦能量 为2 7j 和小信号透过率：t o = 5 0 时，对a 向切割和c 向切割的n d ：g d v 0 4 晶体而言， 单脉冲输出能量分别为1 5 5m j 和1 7 6m j ，脉宽分别为6 1 7 2n s 和5 3 9 0i i s ( 如图 2 0 工lpl胍 蕃至撕渤著堇蒌言蒌毫撇猫枷撇蚴m缁瑚 参) l om龟基m囝5d 山东大学博士学位论文 2 1 5 、2 1 6 所示) ，相应的峰值分别为2 4 7k w 和3 3 0 k w 。 l l 。i 4 _ ，- - _ _ ， ：1 q 0 啡： ， - # - ，- p _ 廷 ， r ，- t o_ “ j ， ；。；。：。i 0-l。1-。-t。tjtj i l 。l 。l7 。l l 。l l 。一 ： j o i卜毒。赫三黼k _ # ， 目i # 一 - 一- - 一e 一，一一叫一， ， 图2 1 5 脉宽为6 7 1 21 1 5 的单脉冲( a 向切割的n d ：g d v 0 4 ) 图2 - 1 6 脉宽为5 3 9 01 1 8 的单脉冲( c 向切割的n d ：g d v 0 4 ) 从图2 1 2 到图2 1 4 ，我们可以看出，在相同泵浦能量和相同小信号透过率情 况下，c 向切割n d ：g d v 0 4 比a 向切割n d ：g d v 0 4 获得的单脉冲输出能量要大、脉 宽要短、峰值要高。因此，对闪光灯泵浦v ：y a g 做饱和吸收体的被动调qn d ：g d v 0 4 激光而言，c 向切割n d ：g d v 0 4 比a 向切割n d ：g d v 0 4 效率更高。根据f i n d l a y - c l a y 的分析，虽然c 向切割n d ：g d v 0 4 晶体的发射截面积( 1 8 1 0 4 9 c l i l 2 ) 小于a 向切 割的发射截面积( 7 6 1 0 以9 c m 2 ) ，具有较高的激光阈值，但其内部损耗要小得多， 2 l 山东大学博士学位论文 因而其斜效率远远地高于a 向切割n d ：g d v 0 4 晶体 5 ，6 】，所以c 向切割的n d ：g d v 0 4 激光器能够输出更短脉宽、更高峰值功率的激光脉冲。另外，若饱和吸收体的小 信号透过率可以更小，则能够获得更大单脉冲输出能量、更短脉宽、更高峰值的 调q 脉冲。 山东大学博士学位论文 第三章l d 泵浦调q 激光的实验与理论研究 激光二极管( l d ) 泵浦的调q 激光器是获得高重复频率纳秒、亚纳秒激光脉冲 的重要技术，在显微机械加工、激光雷达、空间光通讯、激光测距