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援叠 论文题曩:l d 泵灞双频n d :y a g 激光技本研究 学科专盟:溯试诗量技术及仪器 作者姓名:卢伟超签名:曼整塑 导师姓名:焦明星教授签名:焦丝量 摘要 双频激光器在绝对躐离干涉溅交中占膏极其熏要静缝位,蠢秀这稃涮爨方法溅量 豹是躐离蔼不是位移,所以不错要精密的导轨,但要求双频激光光源的频麓尽可能大, 以获得较小的合成波长,进而提高测詹精度。因此,研究双频激光技术具有十分重要 的惹义。 本论文对激光= 极管( l d ) 泵浦双频激光技术进行了理论分析和实验研究,设计 并验诞了一种新型超大颓差双频激光器方案。论文主要内容如下: 第一,分辑了l d 泵演固体激光器的慕本理论,通过四能级固体激光系统速率方 程,对l d 泵浦网体激光器的工作特性进行了理论分析,并建立了相应的实验系统, 谚究了该系统豹簸毽特蠖。 第二,分析了倍频激光器涟续运转理论,讨论了k t p 晶体倍频的相位匹配问题。 狂类相位嚣配要求基波鹣镳髹方淘耩蔓正交,当麓渡翡嚣令蒸交势豢相等拜雩,傣叛效 率最磁。 第三,优化了双频n d :y a g 激光器设计方案,使激光器结构更鸯西紧凑。应丽双折 射滤光片的选摸特性实现了单频激光振荡输出;通过改变k t p 的f 光偏振态与偏振分 光棱镜p 分壤之间的夹角,实现了双腔绿光输出。 第罄,浚谤7 激光羧率稳定方案,疰弱f - p 光羚麓光谱璎论讨论了灵敏度秘调裁 频率急问的关系,并用m a t l a b 软件进行了数值仿真。 关键键;双频激光器,奎融:y a g 晶体,l d 聚溘,k t p 馈频,频率稳定 西安理工大学硕士学位论文 t i t l e :s t u d yo fl d - p u m p e dd u a l - f r e q u e n c yn d :y a gl a s e r t e c h n l q u e m a j o r :m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g i e sa n di n s t r u m e n t a t i o n s c a n d i d a t e :w e i c h a ol u s i g n a t u r e :型:丝 s u p e r v i s o r :p r o f m l n g x l n gj i a os i g n a t u r e :忽- 2 i 丝 a b s t r a c t d u a l - f r e q u e n c y l a s e r p l a y s a n e x t r e m e l yi m p o r t a n t r o l e i na b s o l u t e 。d i s t a n c e i n t e r f e m m e t r y b e c a u s et h i sm e a s u r e m e n ta p p r o a c hm e a s u r e st h ed i s t a n c er a t h e rt h a nt h e d i s p l a c e m e n t , i td o e s n tn e e dp r e c i s eg u i d er a i l ,b u ti no r d e rt oi m p r o v et h ea c c u r a c yo f a b s o l u t e d i s t a n c em e a s u r e m e n t ,s m a l l e rs y n t h e t i cw a v e l e n g t hi s r e q u i r e d ,w h i c hc a l lb e o b t a i n e db yu s eo fad u a l - - f r e q u e n c yl a s e rs o u r c ew i t hi t sf r e q u e n c y d i f f e r e n c ea sl a r g ea s p o s s i b l e a s ar e s u l t ,i n v e s t i g a t i n gt h e d u a l - f r e q u e n c y l a s e rt e c h n i q u ei so fg r e a t s i g n i f i c a n c e a l a s e r - d i o d e ( u ) ) e n d - p u m p e dd u a l f r e q u e n c yn d :y a gl a s e rt e c h n i q u ei sa n a l y z e d t h e o r e t i c a l l y a n d i n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l y , a n dan o v e ls c h e m e o f l a r g e f r e q u e n c y - d i f f e r e n c ed u a l f r e q u e n c yl a s e ri sd e s i g n e da n dv e r i f i e d m a i nc o n t e n t so ft h i st h e s i s a r ci n c l u d e da sf o l l o w s f i r s t ,t h et h e o r yo fl d p u m p e ds o l i d - s t a t el a s e r ( d p s s l ) i sa n a l y z e d b ym e a n so ft h e r a t e e q u a t i o n o f f o u r - e n e r g y - l e v e l s o l i d s t a t el a s e r s y s t e m ,t h ed p s s lo p e r a t i n g c h a r a c t e r i s t i c sa r ea n a l y z e dt h e o r e t i c a l l ya n di n v e s t i g a t e d t h ec o r r e s p o n d i n gd p s s l e x p e r i m e n t a ls y s t e mi se s t a b l i s h e da n d i t so u t p u tc h a r a c t e r i s t i c sa r ei n v e s t i g a t e d s e c o n d l y , t h ec o n t i n u o u s - w a v eo p e r a t i n gt h e o r y o ft h e f r e q u e n c y d o u b l e d l a s e ri s a n a l y z e d t h ep r o b l e mo fp h a s e m a t c h i n gi nk t pf r e q u e n c y d o u b l i n gc r y s t a li sd i s c u s s e d t h e t y p e - i ic r i t i c a lp h a s e m a t c h i n gr e q u i r e st h a tt h ep o l a r i z a t i o nd i r e c t i o n so ft h ef u n d a m e n t a l w a v e sb em u t u a l l yp e r p e n d i c u l a r , a n dt 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 yr e a c h e st h em a x i m u m w h e nt h em a g n i t u d e so fb o t hc o m p o n e n t so ft h ef u n d a m e n t a lw a v e sa r ee q u a l t h i r d l y , t h ed e s i g n e ds c h e m eo fd u a l - f r e q u e n c yn d :y a gl a s e ri so p t i m i z e d ,a n da c o m p a c tl a s e rc o n f i g u r a t i o ni so b t a i n e d t h es i n g l e - f r e q u e n c yl a s e ro u t p u ti sr e a l i z e db y m e a n so ft h el o n g i t u d i n a lm o d es e l e c t i o np r o p e r t yo ft h eb i r e h i n g e n tf i r e r t h eg r e e nl a s e r b e a m s 锄b eo u t p u tf r o mt h et w oc a v i t i e sb yc h a n g i n gt h ea n g e lb e t w e e nt h efc o m p o n e n to f k t pa n dt h epc o m p o n e n to ft h ep b se l e m e n t l a s t l y , t h es c h e m eo fl a s e rf r e q u e n c ys t a b i l i z a t i o ni sd e s i g n e d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n s e n s i t i v i t ya n dm o d u l a t i o nf r e q u e n c yi sd i s c u s s e db ya p p l i c a t i o no ft h ef po p t i c a lh e t e r o d y n e 毓 ! 些! 生! ! ! 一 一 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 。_ _ _ _ _ 。_ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。- 。1 s p e c t r u mt h e o r y , a n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n i sc a r r i e do u tb yu s co ft h em a t l a bs o f t w a r e k e y w o r d s :d u a l 一丘e q u e n c yl a s e r ;n d :y a gc r y s t a l ;l dp u m p i n g ;k t p 丘e q u e n c y d o u b l i n g ; 丘e q u e n c ys t a b i l i z a t i o n 进 独创性声明 秉承租题傀良道德传统和学校的严谨学风郑重申明:本人所呈交的学位论文是我个 人在导探指导下述行的研究工作及取锝的成果。尽我所u 船,滁特别加以标注和致谢的地 方外,论文中不包含其他人的研究成果。与我一阈 二作豹强志对本文联论述的工作秘成 果的侄何黉献埒己在论文中律了锈确的说明并已致谢。 率论文及其相关资料若有不实之处,由本人承担切楣关责任 论文作者签名:孽鸳2 盔窭孵3 月2 搴日 学位论文使用授权声明 零火奎鳓:纽在导师的指导下创作完成辜业论文。本人已通过论交的答辩,并 恐经在西安理王大学申请搏士硕学位。本人作为学位论文著f # 权拥有者,同意授权 l 孽安理王大学掇有学经论文的郝分使用权,即:i ) 巴获学继的研究生按学校规定提交 印刷泼翻电子版学位论文,学较可以采用影印、缩印竣其他复制手段像存册究生土突的 学位论文,霹戳将学豫论文的全部裁部分内容编a 有关数据痒进行检索j 笏为教学和 科研程的,学校对以将公开盼学位论文或解密后的学位论文依为资料程强书镑、炎辫室 等场所或在校蔺掰上供校斑师生潞滨、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括翻登 授权西安理王夫学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解衡后,适用本授秘说硝) 论文作暑签客:l 递筮导师签名: 缮砸星 缸一7 年i 弓苘5 日 第一章绔论 1 绪论 激光干涉测量技术是以光波干涉原理为基础进行测量的一门技术。自2 0 世纪6 0 年代以来,由于激光的出现、隔振条件的改善及电子与计算机技术的成熟,使干涉测 量技术得到长足的发展。双频激光干涉仪是在单频激光干涉仪的基础上发展的一种外 差式干涉仪,被测信号载波在一个固定的频差上,整个系统成为交流系统,大大提高 了抗干扰的能力,特别适合现场条件下使用。仪器与不同的光学部分组合,可测量长 度、角度、速度、直线度、平行度、垂直度等,以其良好的抗干扰能力和优越的性能, 素有“小型计量室”之称。 1 1 双频激光器在干涉测量中的应用简介 双频激光器是指在一个激光谐振腔中同时产生两个不同频率的激光,它被广泛应 用于激光干涉仪、位移、角度、准直等多种精密测量系统中。对于位移测量,单频干 涉仪和双频干涉仪都是强大的工具,但是它们必须具有长度至少等于被测距离的高精 度导轨,而且在测量过程中光线不能被中断,这样的导轨不仅笨重、价格昂贵、生产 加工难度大,而且在有些场合根本不可能架设导轨,这些条件都限制了它们的应用。 为了克服上述的缺点,绝对距离干涉测量即无导轨测量技术在二十世纪7 0 年代便应运 而生。因为这种方法测量的是距离而不是位移,所以测量过程中不需要精密的导轨, 但是需要一系列由长波长和短波长组成的合成波长链,长合成波长用于粗测,而短合 成波长用于精测,由于合成波长与双频激光的频差成反比,因此就需要频差从几g h z 到几十g h z 、甚至上百g h z 的大频差和超大频差双频激光光源。 绝对距离干涉测量的理论基础来自小数重合法“1 ,其主要思想是合成波长链的形 成和逐级精化“1 ,即利用若干单波长形成长度逐级增加的多级合成波长,并以上一级 测量结果作为本级的初测值( 用以确定干涉条纹的整数级次) ,从而逐级逼近被测长度 的真值。如此可以解决以往测量中大量程与高准确度之间无法兼顾的问题,并且克服 了双频激光干涉仪需要铺设导轨而带来的种种困难,具有广阔的应用前景。根据干涉 计量的基本原理可知: l 丛! 逸( 1 1 ) 2 式中,工为被测长度;和s 分别为被测长度内所包含的整数级次和小数级次;b 为 合成波长。对于频差为a v 的双频激光,合成波长缸表示为 丸- 古 ( 1 2 ) 西安理工大学硕士学位论文 式中,c 为真空中光速。在绝对距离干涉测量中,干涉仪只能测量小数级次,而整数级 次可根据粗测值通过计算得到。只要上一级测量的不确定度小于下一级合成波长的四 分之一,即可沿合成波长链向下逐级精化。因此,研究大频差和超大频差双频激光器 对绝对距离干涉测量是十分重要的。 1 2 双频激光技术研究现状 目前,常用的双频激光器有0 6 3 2 趴mz e e m a n 效应h e n e 激光器,0 6 3 2 8 p m 双 纵模h e n e 激光器以及0 6 3 2 跏m 声光效应h e n e 激光器,但是由于它们的频差比较 小( 均小于1 0 8 0 m h z ) ,其应用范围受到很大限制。 近年来,尽管国内外相继开发出了一系列基于腔内双折射效应的新型双频h e n c 激光器,但其最大频差不超过1 g h z ,根本原因是n c 原子荧光线宽比较小( 约 1 5 0 0 m h z ) 。而在绝对距离干涉测量等领域中,为了形成几十m m 到几m m 长的合成波 长( 以兼顾测量精度和对被测距离的初估这两方面的要求) ,需要频差为几g h z 到几 十g h z 的大频差、超大频差双频激光器作光源,因此拓宽双折射双频激光器的频差范 围很有必要。扩大频差范围的有效途径是更换激光增益介质,可用固体激光代替气体 激光,因为一些激光晶体的荧光线宽比气体的荧光线宽大得多,如掺钕钇铝石榴石 ( n d :y a g ) 晶体在室温下的荧光线宽约为1 5 0 1 8 0 g h z ,这就给发展大频差和超大频 差双频激光器提供了可能。 国外在大频差双频激光研究领域取得了显著成绩。日本通产省邮电通信研究实验 室采用l d 抽运微片双纵模n d :y v 0 4 激光器,在腔长为3 m m 的情况下,当输出波长 为1 0 6 4 n m 时,其频差可达到5 0 5 g h z ;当输出波长为5 3 2 n m 时,其频差可达到 1 0 1 g h z 。法国r c n n c s 大学b r c t c n a k c re 研究组采用两束相距约l m m 的正交线偏振钛 宝石激光纵向抽运n d :y a g 晶体,激光晶体两侧各有一只四分之一波片以消除空间烧 孔效应,通过改变两波片快轴( 或慢轴) 之间的夹角,并辅以熔融石英f p 标准具角 度调谐,实现了频差为0 2 6 g h z 的双频激光振荡输出“1 。白俄罗斯国家科学院应用 l d 抽运耦合腔1 0 6 4 n m 双频n d :y a g 激光器,其频差可在5 0 m h z 8 4 g h z 范围内可 调。美国i l l i o i s t 大学的h s ua 等人报道了采用具有啁啾光栅和双调制器的分布反馈 ( d f b ) 式双纵模双频半导体激光器,实现激光器双频运转,获得了频差分别为6 3 g h z 和1 7 5 g h z 的双纵模双频激光n 1 。这种双频激光器研究方案的显著特点是可获得几十 g h z ,乃至上百g i - i z 的超大频差双频激光,而且频差可调谐( 但不能连续调谐) ,通过 增大光栅的啁啾量及改变光栅的耦合系数,还可进一步扩大频差调谐范围。但是,由 于空间烧孔效应增加了模竞争和耦合腔反馈,所以随着激光器偏置电流的增大,会引 起两个纵模输出功率的波动。 在国内,清华大学最早开展了大频差双频激光器的研究工作。研究方案是在激光 2 第一章绪论 二极管( u ) ) 泵浦n d :y a g 激光器谐振腔内,插入一只集纵模选择和纵模分裂于一体的 多功能光学元件一晶体石英双折射f - p 标准具,获得了频差约为2 g h z 的1 0 6 4 n m 正交 线偏振双纵模激光同时振荡输出“。该方案的突出优点是结构简单,频差大。其缺点 是对石英晶体双折射f - p 标准具的设计、加工和调整要求比较高,并且频差不能连续 调谐。近两年来,他们又开展了利用应力双折射效应来获得大频差双频激光输出的研 究工作“1 ,这种双频激光器是在驻波腔单纵模n d :y a g 激光腔内发生应力双折射( 在 激光晶体上施加外部作用力) ,使激光纵模产生分裂,获得1 0 6 4 n m 正交线偏振双频激 光输出,频差大小随外部所加压力的改变而变化。当在n d :y a g 晶体上所加压强为 0 4 m p a 时,获得约3 4 g h z 的巨大频差。应力双折射双频n d :y a g 激光器的优点是频 差大,可连续调谐。缺点主要表现为:一是频差稳定性不够高,这主要受外部加载装 置稳定性的限制;二是不能获得大功率双频激光输出,因为该方案没有考虑纵模选择 问题,故只能在l d 泵浦功率不很大的情况下,才能保证激光器单纵模运转,进而使 之分裂以获得双频激光振荡输出。北京理工大学光电工程系采用l d 抽运扭转模腔可 调谐双频n d :y a g 激光器,其频差从几十m h z 到1 g i - i z 可调。四川大学激光应用研究 所应用全内腔双纵模h e n e 激光器,其频差6 0 0 m h z 1 g h z 可调。 1 。3 双频激光技术发展趋势 在双频激光技术研究现状的基础上,考虑双频激光器在光波干涉测量等技术领域 中的应用特点,概括其发展趋势主要表现在以下几个方面“: ( 1 ) 提高双频激光的频差稳定性。大频差、超大频差双频激光器可以产生合成波 长为几十m m 到几m m 甚至更小的合成波,在绝对距离干涉测量中,合成波长被作为 长度的基准,要求频差稳定性优于1 0 1 量级。目前,双频激光的频差稳定性只能达到 1 0 。4 量级上,因此,提高频差稳定性成为双频激光技术研究的难点。 ( 2 ) 探索获得大频差( 几g h z ) 和超大频差( 几十g i - i z 甚至上百g h z ) 双频激 光的新方法。与c 0 2 激光器、h e n e 激光器等气体激光器相比,固体激光器和半导体 激光器具有很宽的增益带宽,将成为大频差和超大频差双频激光器的主要研究对象, 特别是l d 泵浦n d :y a g 激光器将倍受青睐,这不仅仅是因为1 0 6 4 n m 激光处于大气透 过窗口之内,更主要是n d :y a g 晶体具有光学各向同性的特性。另外,对于频差一定 的1 0 6 4 n m 双频n d :y a g 激光器,应用激光倍频技术( 如腔内k t p 倍频) ,不仅将获得 双频5 3 2 n m 绿光输出,而且频差也将增大一倍,这也是扩大频差的另一种有效方法。 因此,l d 泵浦双频n d :y a g 激光器将成为今后双频激光技术研究的热点。 ( 3 ) 不断探索频差调谐的新方法。在获得大频差、超大频差双频激光输出的同时, 也要求频差可以调谐,并且调谐方法简单、范围大、准确度和灵敏度高,因此,频差调谐 技术已成为双频激光研究的特色方向。 3 西安理工大学硕士学位论文 1 4 课题目的及意义 本课题的目的是改进一种可调协的大频差,超大频差双频固体激光器的新方案,并 验证其可行性。 近年来,l d 泵浦双频n d :y a g 激光器成为发展大频差、超大频差双频激光器的主 要研究对象。因为n d :y a g 晶体在室温下的荧光线宽约为1 5 0 1 8 0 g h z ,具有各向同 性的特性,l d 泵浦n d :y a g 激光器容易实现基横模输出,并且阈值低,斜效率高,输 出功率稳定,为发展大频差、超大频差双频激光器提供了条件。对于频差一定的1 0 6 4 n m 双频n d :y a g 激光器,若应用激光倍频技术( 如腔内k t p 倍频) ,可获得5 3 2 n m 的双 频绿光激光输出,使频差增加一倍,是扩大频差的一种有效的途径。因此,l d 泵浦双 频固体激光器成为获得大频差的双频激光器的一种新方法。 由于双频激光干涉系统测量速度的快慢和测量精度的高低依赖于双频激光器频差 的大小,那么就需要频差尽可能大的双频激光光源,因此研究大频差和超大频差双频 激光器具有十分重要的意义。 1 5 课题主要研究内容 本课题主要是在l d 泵浦n d :y a g 绿光激光器的驻波腔中插入一块偏振分光棱镜 ( p b s ) ,使其与倍频晶体k t p 共同构成双折射滤光器以实现单纵模运转;同时使p 分量和s 分量的1 0 6 4 n m 基频光分别在直线腔和直角腔中以单纵模振荡,经k t p 倍频 后输出两路正交偏振的5 3 2 n m 绿光;同时由于应用k t p 的i i 类相位匹配,所以直线 腔与直角腔中5 3 2 n m 的绿光偏振态相同,再由p b s 分光即可实现两路都是双频绿光 输出,其频差范围约为0 2 0 0 g i - i z 。具体包括以下几方面的研究内容: ( 1 ) l d 泵浦固体激光器基本理论研究与l d 端面泵浦n d :y a g 激光器的设计与 实验研究。通过四能级固体激光系统速率方程,对l d 泵浦固体激光器工作特性进行 理论分析和研究,设计l d 端面泵浦n d :y a g 激光器实验系统,并对激光器输出特性 进行分析等。 ( 2 ) 分析倍频激光器连续运转理论及k t p 的光学性质,讨论最佳相位匹配角, 即类相位匹配要求基频光的偏振方向相互正交,当基波的两个相互正交的分量数值 相等时,即基波电矢量在两个偏振方向分量相等时,k t p 晶体的倍频效率最高。 ( 3 ) 应用i i 类相位匹配理论,优化双频激光器的设计方案,使腔内腔外的结构更 加的紧凑,并从实验上验证方案的可行性。 ( 4 ) 分析稳定激光频率的基本原理,讨论稳定激光频率的各种方案,并由此选定 边带稳频法对所设计的双频激光器进行频率稳定。 4 第二章l d 泵浦固体激光器理论分析与设计 2l d 泵浦固体激光器理论分析与设计 进入2 0 世纪8 0 年代,激光器二极管( l a s e rd i o d e l d ) 及其列阵( l a s e rd i o d ea r r a y l d a ) 研究工作的巨大进展极大地推动着固体激光器件、技术及应用的发展。在此基 础上出现的二极管泵浦固体激光器( d i o d ep u m p e ds o l i d s t a t el a s e r d p s s l ) 以其效 率高、热效应小、器件结构紧凑、能获得高功率和高光束质量输出等诸多优点而倍受 关注,发展极其迅速,成为光电子行业增长最快的领域之一。特别是大功率的d p s s l 在军事、医疗、科研等诸多领域有重要的用途,近年来成为国际上竞相研究开发的热 点。 2 1 全固态激光器的发展概述 最早的固体激光器采用闪光灯作为泵浦源,由于闪光灯的发射光谱宽,而固体激 光介质的吸收带很窄,所以转换效率很低,这一主要因素在一段时间内制约了固体激 光器的发展。1 9 6 2 年,第一只同质结砷化嫁半导体激光器问世;一年后美国人纽曼首 次提出了采用半导体二极管作为激光器泵浦源的构想。但由于早期的l d 工作稳定性 差,转换效率低,寿命比闪光灯还短,而且需要采用液氮来冷却,其优越性未得到体 现,因此l d 作为固体激光器的泵浦源显得很不成熟,在近二十年的时间内未能引起 人们的重视。进入八十年代后,随着晶体生长技术分子束外延( m s 助、金属有机化学 气相沉淀( m o c v d ) 和化学束( c b e ) 的日益成熟以及量子阱( q w ) 和应变量子阱( s l o w ) 新结构的出现,l d 的各项性能指标得到很大改善,使半导体泵浦全固体激光器获得了 长足的发展,也使最早出现并已有近四十年发展史的固体激光器重新焕发出勃勃生机。 进入90 年代后,由于大功率l d 的发展和l d 泵浦固体激光器整体设计上的优化,大 功率l d 泵浦固体激光器有了很大的进展,并且研究重点已转向实用化和商品化方向 发展。近年来,国内l d 泵浦固体激光器的研究也十分活跃。全固态激光器的发展步 入一个新台阶。l d 泵浦的全固态激光器主要优点是“”: 1 结构小型、紧凑,整体性强、密封性能好,一般有防震和防冲击等特性,所以工作稳定、 操作简单、维护方便且费用较低。配合适当技术,还可耐高温、耐寒、防水。在很多场合 ( 如航空、航天、宇航、舰船、工业现场等) 有重要的应用。 2 总体转换效率高,和灯泵的固体激光器相比,由于激光二极管( u ) ) 具有外量子效率高, 泵浦波长易与介质吸收峰很好对应等特点,使得二极管泵浦固体激光器( d p s s l ) 的光 一光转换效率大大提高。此外,由于采用l d 泵浦降低了冷却要求,加之l d 频率稳定, 从而减小了激光器的技术噪声,使得d p s s l 的各项指标,如斜效率、线宽、稳定度、脉 宽、单频运转等均超过了闪光灯泵浦的固体激光器。 5 西安理工大学硕士学位论文 3 可靠性好,寿命长。l d 泵浦的全固态激光器,寿命可长达1 0 1 0 s 小时,而灯泵固体 激光器的寿命通常只有4 0 0 多小时。 4 可以制成多种新波长器件和特种器件。l d 泵浦固体激光器通过采用不同的激光晶体以 及频率变换技术,可以得到多种新的振荡波长,波长覆盖比l d 宽,而且可以利用l d 阵 列泵浦,获得更大的输出功率:同时l d 泵浦固体激光器还可以获得如:双波长、可调谐等 器件。 激光二极管泵浦的固体激光器以上的种种优点,使其在工业激光加工、科学检测、目 标测距、激光核聚变、激光射击武器、激光医用手术刀及激光分离同位素等军事、工业、 医学和科学研究等的应用领域中起着越来越重要的作用,已成为激光领域研究的重点之 一 高效大功率l d 的出现以及新型激光晶体和频率变换技术的成熟,大大激发了人们研 究开发全固态激光器的热情。总结近些年来全固态激光器的发展和研究现状,d p s s l 器 件的研究热点和发展方向主要有以下几点: 1 全固态可见光激光器。蓝光除n d :y a g 的9 4 6 n m 谱线倍频外,还有近红外l d l 直 接倍频,t i :s a p p h i r e 、c r :l i s a f 等近红外输出的倍频以及通过参量和频等方法获得;全 固态绿光激光器的研究已经从实验室走向市场化,从m w 量级到w 级的全固态绿光激光 器都有产品问世;前些年全固态红光的研究比较少,但是近几年出现了彩色印刷、显示等 巨大的潜在市场,使红光的实用价值越来越受到关注。 2 中红外激光器。主要是基于细m 附近激光在大气遥感、医疗等方面的应用价值, 掺钦、祛、饵等稀土离子泵浦的中红外参量激光器近几年研究较多“”“1 ,是当前全固态激 光研究领域的重要方向之一。 3 单频激光器。单频激光器是高精度光谱和原子物理研究中不可缺少的光源,也是 相干光学测量如光雷达及光通信等应用的核心器件。获得单频的技术方法比较多,如环形 腔、微片腔、短程吸收、腔内加波片及标准具等。 另外,非线性晶体材料及周期性和准周期性畴反转l i n b 0 3 ,l i t a 0 3 ,k t p ,m g o :l n 等材料应用于全固态激光器,通过倍频、和频以及参量变频过程,在频域上扩展了d p s s l 的波长范围。饱和吸收器,尤其是半导体饱和吸收器和c r 4 * :y a g , v 3 + :y a g 应用于全固态 激光器,在时域上扩展了d p s s l 的脉冲范围还有二极管泵浦的光纤激光器由于在光通讯 方面的应用前景,也是研究比较多的一个方向。 2 2 四能级激光系统的速率方程理论 2 2 1 四能级系统 6 人们常常把构成物质的大量粒子( 原子、分子或离子等) 的集合总称为量子系统 第二章l d 泵浦固体激光器理论分析与设计 或简称为粒子系统。目前常用的激光工作物质,按照与产生激光有关的能级构成,可 分为二能级系统、三能级系统和四能级系统。光放大就是由这些能够实现粒子数反转 的激光介质来完成的。 四能级系统激光工作物质的能级,由两个抽运能级和两个激光能级组成。图2 - 1 示出了一个四能级系统激光工作物质的能级简图。图中符号w 表示辐射跃迁几率,a 表示自发跃迁几率,s 表示无辐射跃迁几率,国表示热跃迁几率。其中系统的抽运上能 级e 4 是一个宽度较宽的吸收带,激光上能 级e 3 是一个亚稳态,能级e l 是基态,系统 的激光下能级是亚稳态和基态之间的另一 个低能级e 2 ,这个低能级e 2 上的粒子数很 少,只要吸收带转运到e 3 的粒子数稍有增 加,两个激光能级e 3 和e 2 之间就很容易实 现粒子数反转。正是这个原因,在固体和气 体激光工作物质中,四能级系统用得最多, 例如n d :y a g 晶体就是四能级系统激光工 作物质。 ljl i 岛 i a s w l , 吼什。h ,1,卜 b e 1 图2 - 1 四能级系统原理图 f i g 2 1 s c h e m a t i co f f o u r - e n e r g y - l e v e ls y s t e m 2 2 2 四能级固体激光系统速率方程理论 根据光与物质问的相互作用原理,可以将能级系统中各能级粒子数或腔内光子数 密度随时间的变化用微分方程表达出来,这些微分方程称为速率方程。速率方程理论 是分析激光器工作特性的一种最基本的理论,也是激光器工程设计的主要理论依据, 阈值功率和斜效率都可以从它的稳态解求得。具体如下: 在l d 泵浦激光器中,泵浦光与振荡光为空间分布函数。设泵浦速率密度为月 伍x z ) ,反转粒子数密度为a n 伍x z ) 和腔内光子数密度为s ( z x z 土对于单模输 出的理想四能级系统速率方程可写为1 2 1 型垡! ! :盈r ( x ,y ,z 1 一坐坚! 圣望 出 。 f , 一兰a x ,y ,z ) s ( | y ,l z ) ( 2 1 ) 石d s 一詈。俨皤,r , z ) s ( x ,y ,z ) d v 一争 ( 2 2 ) 式中,s 为腔内光子总数;7 f 为激活介质上能级的荧光寿命;j 为受激辐射截面;d 为 腔内往返损耗,包括输出,散射与吸收等损耗;工为谐振腔光学腔长;厅为增益介质的 折射率;c 为真空中光速。 定义归一化泵浦速率密度为r pc ( x z 土归一化腔内光子数密度为印( 墨z z 设 7 西安理工大学硕士学位论文 系统为稳定状态,则型生g 盈0 ,a s 。0 ,得出基模稳态方程为 口f 口f 碟舞n 南 ( 2 3 ) 式中,r 为泵浦速率。它与泵浦光功率存在如下关系“” r 生:丝:刍( 2 4 ) h v , 仉- 1 - e x p ( - a ,+ ,) ( 2 5 ) 式中,铷为量子效率;如为入射到增益介质表面的泵浦功率;舶为激光介质的吸收效 率( 激光介质吸收的光功率与入射到激光介质总光功率之比) ;a o 为增益介质对泵浦光 的吸收系数;1 为增益介质的长度;h v p 为泵浦光子能量。 2 3l d 泵浦固体激光器工作特性分析 2 3 1 阈值泵浦功率 当激光器工作在阈值时,腔内的光子数接近于零,即s = o ,所以,从( 2 3 ) 式可 以得到 f f f i ,( x ,y ,z p 。僻,y ,z 沙。丽n 6 ( 2 6 ) 式中,为阈值泵浦速率。设 ,l 。力n ( x ,y ,z 弘。伍,y , z ) d v 豺器 亿, ,2 。肌皤,y ,z 扣0 2 ( x ,y ,z ) d v i 冬 孪兰生出 ( 2 8 ) 石2 w o , 2 r 仉山2 w p 2 ( z ) + 2 一 式中,乃、1 2 分别为泵浦光与振荡光的空间重叠因子;怖为泵浦光在增益介质内z 处的光斑半径,通常唧例满足下式:w p ( z ) - - w o p + o l z - z o p j ,式中锄,z o p ,0 分别为泵浦 光的束腰尺寸、焦点位置、发散角;协为振荡光束腰尺寸;通常情况下,z 处振荡光 的光斑半径仞近似等于m 饥的大小。 8 苇二章l d 象滤罄俸激竞器理论分秘奄菠诗 定义重叠效举因子“” ”孚 ( 2 j 9 ) 它决定了泵滤光奄缀荡惫兹空蠲璧爨援发。定爻泵滤毙斑在会矮长度内麓警均光褒半 径 一1 4 , s p 一【l 2 ( z 逑p ( 2 1 0 ) 若用代替怖国,则j l 和山的表达式( 2 口式、( 2 8 ) 式分别简化为。 歹l 一_ 。: i ( 2 1 1 ) 疵r 酩。+ ) 小忑i 面4 - 丽硝2 2 f ( 2 _ 2 + 2 ) ( 2 1 2 ) 则阕值泵浦功率为 磊一鲁砉萼魄- - 2 + w o a 4 2 ) ( 2 渤 q 4 f 或 己鱼岳=n壬(214ro z , ) 以,l 嬲上式可以看出,阙氆泵滚功率与聚滂光斑大小和振荡光斑大小有关,即聚演光与振 荡毙在谤擐憝疼熬象闯模式珏配程痰越好,激毙器静阙毯泵灌琏率藏越低。 2 3 2 斜效率 l d 泵溏固体檄光器的斜效率定义为 玩。i - o 百“ s 式中,如,为输出功率。 、 当泵浦光为j 臌阙值泵浦时,( 2 3 ) 式中三f ,a & 。 ,y ,z ) 心,剐 2 3 3 输出功率 ( 2 1 7 ) l d 裂浦固体激光器的激光输出功率定义为 订咖,羞s 娆1 8 ) 式审,t 为辕出镌透过黎。根掇斜效攀定义( 2 1 5 ) 式和( 2 ,1 6 ) 式,也褥到 只。一叩,。( 吃一昂) + 等知阮吲 泣 根据上式可知,泵浦光麓振荡光在谐振黢内的空阎模式题配程度的好环,也鸯羧影响墼| 输 出功率的大小。 2 4 d p s s l 结构 根据作为浆浦源的l _ d 及其列阵功率的火小和输出光束特点,泵浦方式一般分为 攮是泵滚窝缀淘泵溱蘸耱。横肉泵灌努式,辩侧瑟泵溱方式,兜学耩会系绕篱攀,嚣 鼠l d 可以有火的发射蕊,适合于大功率的l d 列阵域堆泵浦,可以获得高功率的固体 激光赣辫;缀囱泵灌方茂,甏璇蘑泵溱方式,吴毒装置筵攀、藕合效率袁、辕出激毙 光束质嫩好、裂浦光在空间上岛固体激光腔横匹配良好、闲假低、效率高、横模选择 戆力强等优点,实验孛选露这秘泵溱方式。 端筒泵浦方式是小功率d p s s l 常用的种泵浦方式,主要由l d 泵浦源、耦合光 学系统秘国体激竞器三郯分缝成。鹈会光学系统将l d 毫效零辍合爨来,势褰效攀疆 含进固体激光工作物质。固体激光器的设计生要在予谐振腔腔形、阐体激光材料几何 足寸移像置的选择,它髑遵德一般固体激光嚣约设诗原烈。耩不嗣的是在端薤泵漓皆 一般采取半外胶( 或半内腔) 结构,即在固体激光晶体的后端面镀般色膜,使它对固 体激光波长全反,对泵滤光寓遴;丽输趣嚣具寅对质箨的固体激光波长会逶的透过攀, 1 0 出得戳可 至6 l圳 蔓啡 z k m 暖 仉 船甜 c 一玎 鞯 卫吩 一c ,z t隰 鼢 第二章l d 泵浦固体激光器理论分析与设计 同时能抑制未被固体激光工作物质全部吸收的泵浦光和其它的激射谱线从输出腔面逸 出。 2 5d p s s l 实验系统的组成 l d 泵浦n d :y a g 固体激光器实验系统主要由以下几部分组成:n d :y a g 激光介质、 l d 泵浦源、l d 用电流源、l d 用温控仪、l d 聚焦光学系统和激光谐振腔等。 2 5 1n d :y a g 昌体光学特性 表2 - 1n d :y a g 激光晶体特性 t a b 2 1c h a r a c t e r i s t i co f n d :y a gc r y s t a l 熔点( ) 1 9 7 0 密度( g c m i ) 4 5 反射率 1 8 2 7 8 x 1 0 1 , 热膨胀系数( k ) 0 - 2 5 0 辐射寿命t ( us ) 2 5 5 有效激光截面口( 1 0 1 9 c 2 ) 2 8 线宽( ) 0 5 峰值泵浦波长( a m )8 0 7 5 吸收带宽a 一( ) 5 5 激射波长( m ) 1 0 6 4 2 损失系数( e m - ) 0 0 0 3 e 1 0 6 4 n “ 偏振无 10 5 1 0 0 导热率( w m k ) “,2 0 莫氏硬度 8 5 克隆普( 1 ( n o o p ) 1 3 2 0 硬度( k 哪4 ) 峰值泵浦吸收系数 8 ( 1 掺杂浓度) ( e r a - ) 1 1 两安理工大学硕毒学位论免 n d :、g 激光器是目前最常用 的一种固体激光嚣。掺钕的钇锻石 榴石( n d :y 3 a l s o l 2 一n d :y a o ) 晶体 缝合了许多适合产生激光作用的优 点,y a g 基质徽硬、光学质量好、 热导率离,y a g 的立方结构也肖利 于窄的焚光谱线,从而产生高增益、 低阈值的激光输出。 n d :w 婚蒸体的暇收谱宙一些 分立的吸收峰构成,如图2 2 所示, m 围2 - 2 n d :y a g 吸收谱 f i f r 2 - 2 t h ea b s o r p t i o n 郎i 。岫o f n d :y a g w 瑷看爨,该晶体在8 0 8 r i m 辩近有一强吸浚蜂,逶合予l d 系清。瑟使激巍器能高效 率工作,必须使泵浦源的发射谱与n d :y a g 吸收谱棚匹配,而通过温度调节可将l d 光波渡长控镧袭8 0 8 r i m 酣透,满足笼诺匹聚鼗求,跃焉提赢裘溱效攀。磁:y a g 激巍 龋体特蚀如表2 一l 所示。 2 5 2l d 输出特性及对电源的基本要求 霆2 - 3 是一糖典型黪王,d 在不霹漫发下獒激毙 : 毒 输出功率只与诫向工作电流知的关系曲线图,从 爹3 鞠孛虿渡看出梆l :墨2 ( 1 ) 在同一温度下,当矗小于某一个值时, l 也 只约秀鬈,嚣姿莲蓬该德l l 雩,冀陡五煞瑗长黧直彝鞠翻摹轻 线上升关系,这个电流称为l d 的阀值电流。 j ,细u 吣 ( 2 ) 掏蓬嘏流缱滋度舞离褥舞离,于是整个 圈2 - 3 不同温度下输出功率与藏 激光器的特性曲线基本上随温度的变化而平移; 相工作电流输出曲线图 ( 3 ) 如果激光器在恒定酌亳流下工作,当环 ! ! 强。辩:8 竺搴玲k ? 境温度发生变化时,激光器输如功率的变化将是 很大的。这一特性给l d 在通用仪器设备上的应用造成很大的麻烦,因为通用产品中 的激光器登须傲到在一年四季的室内常温下能保证激光功率离度稳定。 b l d 甭电流源的基本鬃求 对l d 电溅源的基本要求怒; ( 1 ) l d 魑依靠载流子赢接注入丽工作的,注入电流的稳定性对激光器的输出有 嶷接的、明显豹影嚷。因此,要求l d 的电源是一个恒流源,著且艘该具有根高的电 第二章l d

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