（光学工程专业论文）激光二极管端面泵浦固态激光器及倍频技术研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本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 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术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 中怍了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：邀蕴三拯筐逍亘丞逋固奎邀堂昼区堡塑拄盔丛童 学位论文作者签名 骂金箍 日期： 2 ( ) 0 j 年1 1 月1 j 目 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送突论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅：可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：邀世三丝筻监亘垂逋固查邀左墨丞壁麴拉盔壁壅 学位沦文作者签名墨金丝日期：2 0 0 5 年1 1 同l5 日 作者指导教师签名：兰d 阻日期：2 。5 年1 1 月1 5 日 国懈辛哮吲研书蔓唧历壹博簧砸馍璺 墓蚕薹薹茎萋囊霎 霉塞薹茎蓦_ 妻霉l 季；di 耋罕? 蔓嚏；i j 薹! 礁蝰善蓄e 瑟矧嚣d 封 醛醛! l j 鼐? ；蠹；通基鞫_ 器薹引主蠢鑫茬骧喜主喜ig 舀冒 蠢磐黏籍l l ：妊并一“封 l 士 i 露l 掌i i i 嚣 盔薹蓄；! 矍i 蠢稚誊拉i 融h i 舅l l 囊鼠霉釜；事孽i 翟萌鎏| ；i ；弱“羁嚣g ：睡譬墓b b l l 勇蓦主兰匿= l l l 器目囊萎垂、 ! i f 匿巨l 蠢； i 蠢罨曼 萼i ；碗l 羹l 蟊轮珏i 锄封珏i 秘壤量：翻馨i 萎塞目美端l 奏i ；三：孽l l 舅舅舂善碍霪壁；：l 塞呈跬珏珏。 羟h i 目m f 之l 瞳 主i 至睦窒舌l 塞霎；| 霉霉；芋羹篁鹜鬻妻；薹i 矍薹i 壁；i 羹自孽置薹辇l “皂j 莲宝宝盘孽援如! i 琵：鞋掣l 飞蠹g 导等# i l 妻| 。薹薹；! j o 霎礁 崔手 i 鞴雾l ；掣喜耋妻 垂垂冀h l l 孚量l 擎警；茎荤= 星手謇；骞目謦酬h 。瑟誓 x 国防科学技术大学研究生院学位论文 图5 5d s l 8 8 2 0 与a d u c 8 1 2 接口电路示意图5 6 图5 6 软件流程图5 7 图5 7 半导体激光器驱动及温控系统管理软件主界面5 8 第4 页 一旦堕型茎垫查盔兰翌壅圭堕堂垡笙奎 表目录 表2 1n d ：y a g 与n d ：w 0 4 性能比较 表4 1n d ：y v 0 4 晶体的光学特性 表4 - 2 半导体激光器技术指标 一2 8 4 3 4 5 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 不利。 激光二极管泵浦固体激光器( l a s e rd i o d ep i l m p e ds o l i ds t a t el a r ，简称d p s s l ) 的 优点弥补了半导体二极管激光器和灯泵固体激光器的这些不足。d p s s l 综合了二极管激光 器重量轻、体积小和固体激光器高储能、单元技术成熟、可定标到高功率等优点，使得在 一个结构紧凑、性能稳定、全固化的器件上实现高功率、高光束质量、高效率、商稳定性 和长寿命工作成为可能，是固体激光器一个有生命力的发展方向，有广阔应用前景。d p s s l 的出现，为固体激光器注入了新的生机，特别在低功率固体激光器方面，是固体激光器的 一场革命。 d p s s l 的发展历程 二极管泵浦固体激光器的工作可追溯到2 0 世纪6 0 年代初。早在1 9 6 3 年，即g a a s 半 导体激光器问世后的次年，就有人提出用半导体激光器的相干辐射针对n d + 3 的吸收带泵浦 来得到高效率、结构紧凑的全固态激光器。1 9 6 4 年，k e y s 等人在4 k 温度下用g a a s 二极 管激光泵浦u 3 + ：c a f 2 ，得到了2 6 1 3 肛m 的激光输出。尽管也有人作了一些探索性的工作， 但由于早期的半导体激光器只能在液氮温度下输出很小的功率，无法实现有效的d p s s l 工作。 随着1 9 7 0 年半导体激光器实现了在室温下的连续工作，1 9 7 2 年，d a l l i e l m e y c r 等人完 成了室温下用二极管激光泵浦n d ：y a g 的实验。1 9 7 4 年c o n a m 等提出甩列阵半导体激光 器泵浦n d ：y a g 。1 9 8 0 年础c e 从卫星之间通信和遥感测风速的需要，用列阵g a a s 半导 体激光器泵浦n d + 3 ：y a g 激光器。 2 0 世纪8 0 年代，二极管泵浦固体激光器的研究工作获得长足进展。1 9 8 5 年周炳琨教 授在斯坦福大学研究出单纵模、频率抖动小于1 0 h z 的d p s s l ，更引起人们的重视。随着 量子阱技术的成熟和中心波长为8 0 8 n m 的半导体激光器输出功率的提高，结构紧凑、效率 高( 2 0 以上) 的d p s s l 和它的倍频激光器于8 0 年代中期进入市场。以后，又出现了多 种固体激光工作物质( 如n d ：y v 0 4 、n d ：l i y f 4 等) 的d p s s l 。通过对谐振腔的设计又 从这些激光器中获得了多种工作波长( 如1 0 6 4 n m ，1 3 1 0 m ，9 4 6 舳等) 的d p s s l 。 进入2 0 世纪9 0 年代以后至今，由于大功率l d 的发展，以及d p s s l 整体设计上的优 化，二极管泵浦的固体激光器更是有了长足的进步。以紫外激光为例：1 9 9 5 年，m o k a 及其同事用b b o 晶体得到了1 5 w 的紫外激光输出。随后，1 9 9 6 年，y k y 如等得到了重 复率为1 0 h z ，平均功率为5 w ，2 2 6 呦的紫外输出。1 9 9 8 年，y k y j p 又报道了重复率为 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 0 0 h z ，平均功率为1 0 6 w 的紫外输出。2 0 0 0 年，t e t s u o k o j i m a 及其同事更是得到了重复 率为1 0 k h z ，平均功率为2 0 5 w 的2 6 6 n m 的紫外激光输出。在这期间，具有里程碑意义 的事件是美国劳伦兹一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，其体积仅有葡萄柚般大小。 目前，d p s s l 的发展方向主要有三个： 一是高功率输出。文献“”报道了l d 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 1 1 | t l 薅避埋滔嶝禹嚣澎。溪蓬 x 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章激光二极管泵浦固体激光器的理论问题 1 1 1a b c d 矩阵 1 1 谐振腔的设计 谐振腔的设计主要依据柚c d 矩阵理论，如传输矩阵耻g ；) ，反射矩阵 t n = 一o ，薄透镜变换矩阵华( 一o ) 。 图1 1 光线在腔中往返传播 在图1 1 中的共轴球面腔中一次往返矩阵为 t _ 偿舟 1 一丝2 上一丝2 恐r 4 上 2 2 4 三2 三4 上2 蜀r 墨也1r 马墨r n 次往返矩阵为t n 由a b c d 矩阵可推导出一般的两镜腔及等效两镜腔的稳定条件为 o 蜀9 2 1 ，说明光束存 在像散，光束偏离了高斯光束分却，这正是半导体激光器的情况。由于半导体激光器平行 和垂直于结平面方向有不同的像散，因而在这两个方向有不同的m 2 值。 第l 国防科学技术大学研冤生院学位论文 当泵浦光与固体激光器腔内基模同轴时，d r 钇的闽值泵浦功率为。 圪2 老( 叫+ 耐矽 ( 2 ” 式中，为泵浦量子效率t 表征被固体激光介质吸收的泵浦光子数与入射的泵浦光子 数的比值；r 为激光介质上能级的寿命：占是由于在激光介质内的吸收、散射和在腔面上 的输出等引起的总损耗；，为泵浦光在固体激光腔内的柬腰半径；q 为固体激光器谐振 腔模束腰半径：t 为发射截面。当 是将工作物质的两端面掺杂胁+ 离子，使得端面处没有热吸收。 第2 5 页 里堕型堂垫查查兰竺塑竺堕兰垡堡壅 燮a 懒， ( b ) ( c )( d ) 图2 s 端面泵浦时常用的几种冷却方式 2 3 3 提高端面泵浦固体激光器的最高输出功率 泵浦 光柬 限制二极管端面泵浦固体激光器最高输出功率的要素，是热效应作用下工作物质端面 的应力极限。由于泵浦光从一个端面聚焦进入工作物质，则此端面承受很大的张力。 m z ：喇g 晶体的张力极限是( 1 2 3 3 0 8 ) 1 0 6 j k ，那么在7 5 应力极限的情况下，单端面泵 浦的输出功率应为3 0 矽 通常通过双面泵浦或对工作物质进行端面泵浦，同时用混合腔的方式来实现增加泵浦 功率，同时又保持住端面泵浦的优点。 多面泵浦方式，如图2 6 所示，泵浦光从晶体的两个端面进入工作物质，减轻了每个 端面处的热效应。 n d ly a g 6 3 5 m m 3 7 5 m 1 d w ：撮f 蓐阵2 m m 直径 s d l 3 4 0 0 s不懂膜 腔长s 0 c m 凹憧 r = 1 1 m 1 0 6 4 n m9 7 反射 图2 6 双端面泵浦二极管泵浦固体激光器 混合腔板条激光器如图2 7 所示。采用板条工作物质，晶体的前后端面抛光，上下面 第2 6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 进行冷却，泵浦光从一个面进入晶体，工作物质激活体积是矩形。利用混合腔，即小尺寸 方向为稳腔，大尺寸方向是离轴非稳腔来保持输出光的光束质量。 图2 7 混合腔端面泵浦板条固体激光器 2 4 影响d p s s l 性能的诸多因素 单位：m m d 只譬钇的性能与半导体激光器的光束质量、固体激光材料和谐振腔的设计等因素有 关。基质材料( 如列g 、。等) 要有良好的导热性与热稳定性。由表2 1 可以看出， 同样的激活离子寓于不同的基质中，其物理性自也有所差别；同样的激光工作物质可通过 谐振腔膜系的设计得到不同的波长。谐振腔的设计应充分考虑到来自半导体激光器的泵浦 光和固体激光的模场在固体激光工作物质中有最大的重叠。 第2 7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 表2 1n d ：y a g 与n d ? n ，o d 性能比较 物理参数 删：瑚g 崩：观 有效激光截面盯( 1 0 “9 c 埘2 ) 2 8 1 5 6 激射波长聊i 1 0 6 4 21 0 6 4 3 线宽n m 0 6 o 8 偏振 无平行于c 轴 辐鞑寿命 上s 2 5 51 1 5 峰值泵浦波长， m 8 0 7 58 0 8 5 峰值泵浦吸收系数( 1 掺杂浓度) 删“ 84 0 7 导热率( 矽m k ) l o 35 1 4 砌d 口p 硬度，姆删。 1 3 2 04 8 0 由于n 隰让中存在多次能量的转换，为获得高岭总体效率( 及固体激光的输出效率与 加在半导体激光器上的电功率之比) ，担4 泵浦用半导体激光器应有商的外微分量子效率或 斜率效率，有高的泵浦光转化为固体激光的效率，这与半导体激光与固体激光器之问的耦 合光学系统和固体激光器谐振腔设计密切相关。一般有，半导体激光器的外微分量子效率 可达3 5 5 0 ：半导体激光泵浦光一固体激光转换效率达5 0 以上( 理论极限为 7 5 7 8 ) ，总体效率达2 5 以上，这比灯泵浦固体激光器高一个数量级。 第2 8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第三章激光的倍频技术 激光倍频技术也称为二次谐波( s h g ) 技术，是最先在实验上发现的非线性光学效应。 1 9 6 1 年由f r a 】f l k e n 等人进行的红宝石激光倍频的实验，标志着对非线性光学进行广泛实验 和理论研究的开端。激光倍频是将激光向短波长方向变换的主要方法，已达到实用化的程 度，有商品化的器件和装置，获得非常广泛的应用。 3 1 倍频的基本原理 在频率关系上，倍频相当于和频效应中q = 吐= 缈，鸭= 2 m 的情形，注意到 职国) = 圭( 鸭) ，再由三波耦合方程可得出基频瓦和倍频光波电场置。的波耦合方程 譬：导e 1 m ( 3 1 ) 疵 册 警：孚圪瓦严 ( 3 2 ) 出 删2 口。 3 1 1 非耗尽近似 当倍频光为小信号近似，相应的入射基频光损耗可以忽略不计，即警* 0 ，对式( 3 2 ) 可直接积分为 剐驴薏砭p 一警踟n c ( 争e 嘲慨。， 式中，s i n c ( 警) = 呈垫i ；：挚，工为晶体长度，丸为基频光的真空波长。每单位面积的光 功率即光强= 圭抛岛i e l 2 ，所以式( 3 3 ) 可用倍频光强表示。 小畿枷2 ( 半) t ， 用输出的倍频光强，。与基频光强，。之比表征其转换效率，成为倍频效率，即 第2 9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 = 等= 甍毪和稆( 等) = s t 等， s ， 由s i n c 函数的性质可知，址= 0 时，梳取最大值，如图3 1 所示，而三o ，所以触= o 是保证获得高效率倍频的关键因素，称为相位匹配条件。从某种意义上讲，相位匹配条件 决定着光波之间能量的交换方式和效率。 f l r1 ，- ：。、，。 图3 1 倍频转换的频率与相位因子的关系曲线 3 1 - 2 相位匹配的物理分析 址= o 时，基频光大量转换成倍频光，非耗尽近似失效，波耦合方程可化为 冬：堕岛。 出 拿：堕 出 。 ( 3 6 ) ( 3 7 ) 2 一仍。= 昙石，保证在相位匹配条件下基频光能量不断向倍频转移( 华 o ) ， 础韶 且有= 也。= n 。 由能量守恒关系堕蔓学= 。，得边界条件( z ) + 乞( z ) ：( o ) ，代入式( 3 7 ) 得 掣：粤【( o ) 一五( z ) 】 ( 3 8 ) 以删 。 第3 0 页 积分后，得到在相位匹配条件下的严格解 f ：。( z ) ：气( o ) t a 埘竺蔓z 吒( o ) 】 ( 3 9 ) 厶。( ：) ：l ( o ) t a i l l l ：【竺堑z 吕艘) 毛 ( 3 1 0 ) l ( z ) ：l ( o ) 一l 。( z ) ：l ( o ) s e c 向：【竺堑z ( 三生q ) ；】 ( 3 1 1 ) 由图3 2 可以明显看出基频光与倍频光在晶体中的“消长”过程和光波能量转移的形 象表示。定义晶体的特征长度为 k = 盂( 暴= 孟阪c 昕1 c s 蚴 当z 2 s 时，有5 0 以上的基频光转换成倍频光。厶。可作为选取倍频晶体长度的参考 标准。对于较大的有效非线性系数和较强的基频光强输入，采用较短的倍频晶体就可 以获得较高的倍频光强。在七= o 的条件下，对于足够长的晶体，倍频转换效率叩。趋近 于1 0 0 。 n 5 0 图3 2 相位匹配条件下基波与二次谐波的“消长”关系 3 2 相位匹配的意义和方法 相位匹配是非线性光学中最重要的概念之一。倍频相位匹配条件为船：o ，即 2 吒。如。由光子动量p 与波矢女的关系，可推导出只+ 圪= 昱。在倍频过程中，其频率 关系表明了能量守恒，而相位匹配则表明在高转换效率条件下的动量守恒关系，保证能量 第3 l 页 一 国防科学技术大学研究生院学位论文 转移由基频光向倍频光单向的不断进行。相位匹配条件控制着光波之间能量转移的方向。 另外，由波矢与相速度的关系七= 是= 导，得出在2 k = 七2 。时，有飞= 。，表明在晶体 c ，lp d 一 中，基频光波与倍频光波的等相位面具有相同的速度，保证相位关系2 吼= 昙玎+ 饮。在整 个运动过程中始终不变，是一种与空间坐标无关并且相位差恒定的相干过程，在此条件下 产生的倍频光波将得到同步叠加、干涉增强的效果。具体从光学参数的意义上讨论，由 吃2 毒2 飞。丢，相位匹配条件要求2 n z m ，由于要补偿介质中必然存在的色散效应， 发明了相麻的角度相位吒配方法。 3 2 1 角度相位匹配 将基频光以特定的角度和偏振态入射到倍频晶体，利用倍频晶体本身所具有的双折射 效应抵消色散效应，达到相位匹配的目的。角度匹配是高效率产生倍频光辐射的最常用、 最主要的方法。按基频光电场偏振态的配置方式，分为平行式和正交式，相应的角度匹配 称为错误l 未找到引用源。类和错误! 未找到引用源。类相位匹配方式。在正常色散条件 下，对于单轴晶体，可以得到相应于错误i 未找到引用源。类和错误! 未找到引用源。类 方式匹配角的解析表示式。 ( 1 ) 负单轴晶体错误l 未找到引用源。类匹配方式( d ”+ 矿寸，。) 。 基频光电场取d 光偏振方向，在满足一定的入射角哦负的条件下，角度匹配使得倍频光 电场沿p 光方向偏振，将等式”：= 。( 砖量) 代入到倍频p 光的折射率曲面方程。 去：掣+ 辈 ( 3 1 3 ) 【( 回】2n ：。4 式中，。和。为给定的倍频光主轴折射率，可求出负单轴晶体错误! 未找到引用源。类 匹配角的解析表示式 一s i n 器】l 2 冲) ( 3 上式对于负单轴晶体的主折射率有一定的要求，即”；n ；。，否则，色负不存在。表明在 第3 2 页 国防科学技术大学研冗生院学位论文 n ： 乞时，基频光与倍频光的能量不再重合，导致光功率密度降低，光斑变大。为 了增大孔径长度乞，希望基频光束孔径4 大，须进行扩束；但是倍频转换效率与光强l 成 正比，与4 2 成反比，4 变大会导致蹿。变小。因此，基频光扩束后，并不能导致倍频光的 增加。另外，基频光的发散角口导致对相位匹配角色的偏离也影响倍频效率。相位因子 别2 = 。( 印一蟛 脚c ( 3 2 2 ) 式中，目= 吃+ 口，n ；。( 口) 由式( 3 1 3 ) 表示。将上式在以附近作级数展开，取一级近似， 求得七与发散角口的关系 从* 詈【警m ：啪p z 。， 相位失配与基频角的发散角成正比，口对仉。的影响是比较大的。因此在一般情况下， 角度相位匹配具有不稳定性，也称为临界相位匹配。 由式( 3 2 0 ) 和( 3 2 3 ) 可知，t a l l a 和从都与s i n ( 2 眈) 成正比，只要s i n ( 2 吼) = o ，则 a 和龇皆为零，即要求熙= o 或岛= 要，而鼠；o 是不可能满足相位匹配条件的。必须选 第3 5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 取已：三，即基频光垂直于光轴入射。当几何参量确定为寻后，可以通过温度的改变来 达到相位匹配。一般来说，p 光的折射率受温度的影响较大。以错误l 未找到引用源。类 匹配方式为例：在以t 要且丁= l 时，若4 乓，乙) = 形( l ) ，椭圆与圆形的折射率曲面在 垂直于光轴方向上“相切” 不但使折射率的值相等，其一阶导数也相等，充分满足了相位匹配条件。醵；等使得 乞一m ，消除了光孔效应，充分利用了倍频晶体的空间长度，有助于提高倍频转换效率； 同时大大降低了发散角口对相位匹配条件的不利影响。因此，温度匹配实际上是角度匹 配的一个吒= 鲁的特例，通常也称为非临界相位匹配。 3 3 倍频方式 一般来讲，倍频晶体既可以放在激光谐振腔之外，也可以放在激光谐振腔内。这两种 方式分别称为腔外倍频和腔内倍频。对于摹频光重复频率低而峰值功率很高的情形，通常 采用腔外倍频方式；而在基频光重复频率高而峰值功率较低时，一般采用腔内倍频方式。 腔内倍频的转换效率较高。 3 3 1 腔外倍频 腔钋倍频基频光源一般采用脉冲调q 激光器，为了获得较高的转换效率，有时还采用 多级放大，提高基频光的峰值功率以便得到大的倍频光强。在腔外倍频实验中，有时也采 用聚焦的方法来提高基频光在倍频晶体中的光功率密度。图3 5 中入射到晶体上的高斯光 束以共焦参数气来表示。在2 气之内，光束的发散较小。也称为准直长度。与束腰半 径的关系为 z 0 = 妻i 簖= 掘乙 ( 3 2 4 ) 二 如果选取二倍准直长度2 z 。= 上，为晶体的长度，则这个条件为共焦聚焦条件。 第3 6 页 望堕型兰垫查查望婴茎生坚堂篁丝苎 l 一 倍额晶体 _ _ _ 一 i i i ：钆 i 一 一 “ 隧3 5 高斯光束倍频的共焦聚焦条件 在此条件下，倍频转换效率叩。* 0 。腔外倍频效率通常低于腔内倍频。 3 3 2 腔内倍频 腔内倍频将非线性倍频晶体放置在激光谐振腔内，使腔内绗基频光往返通过倍频晶体， 在适当的条件下，可获得较高的转换效率。设激光器输出镜对基频光的反射率为r ，则腔 内基频光的功率比腔外的要大芒i 倍，如果r a l ，则腔内倍频效率将是非常可观的。对 于连续运转和准连续运转的高重复率调q 的激光器，通常采用腔内倍频方式，如图3 6 所 示。 今反镜 拿反镜 ( a ) ( b ) 图3 6 腔内连续倍频激光器 腔内倍频对倍频晶体的光学均匀性和透明度要求高，在高平均功率使用的场合，对倍 频晶体的导热性能也有较高的要求，必要时须采用温控方式。图3 6 ( 6 ) 所示的在连续 激光器的谐振腔内插入声光q 开关及谐波反射镜形成双程倍频，优点是结构简单，倍频效 率高，缺点是激光棒热透镜效应影响较大，谐波反射镜增加了腔损耗。 另外，腔内的任何光学器件都不能对倍频光有吸收损耗。与腔外倍频类似，腔内倍频 也有共焦聚焦条件。即倍频晶体应当尽量位于腔内高斯光束的束腰处，2 z n 也可以作为倍 第3 7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 频晶体长度的参考值综合考虑。对于腔内多纵模连续激光倍频，由于多纵模之间交叉的和 频( 舾f g ) 效应，和频效应和倍频效应互相竞争，导致倍频激光输出非常不稳定，产生所 谓“绿光问题”。 3 4 倍频晶体 倍频晶体材料是实现激光倍频技术的物质基础，按空间对称性的要求，从2 1 种没有反 演对称中心的点群中选取，倍频晶体主要由无机氧化物和半导体材料构成，前者常用于近 红外、可见和紫外波段，后者则用于中、远红外波段。具备实用价值的倍频晶体应满足以 下要求； ( 1 ) 宽的透明波段。从基频到倍频波段有高的透过率，极小的吸收损耗，在实际使用 中，不同的倍频波段应选取相应的倍频晶体配合使用。 ( 2 ) 大的非线性系数九a 以尬p 的非线性系数氏作为比较标准，目前常用的磷酸钛 氧钾( r 妒) 晶体，其非线性系数为标准值的2 1 5 倍。 ( 3 ) 适当的双折射。角度相位匹配利用倍频晶体本身所具有的双折射效应来克服色散 效应，达到相位匹配的目的。双折射太小的晶体虽然可以观察到倍频现象，但不能满足相 位匹配条件，因此也就不能获得高的倍频效率。例如，第一个从红宝石激光上观察到倍频 效率的石英正单轴晶体，由于双折射效应太弱，基频p 光与倍频d 光的折射率曲面没有相 交，不能实现角度相位匹配。而折射率较大的晶体，虽然可以实现相位匹配，但存在比较 严重的光孔效应，使孔径长度厶远小于倍频的特征长度三。，也不利于倍频效率的提高。 理想的双折射最好能达到吃= 9 0 0 ，即温度匹配的效果，在实际应用中，双折射应保证倍 频晶体的孔径长度不小于特征长度，以利于获得较高的倍频效率。 ( 4 ) 高的抗光强损伤阂值。倍频效率与基频光强成正比，而倍频现象就是强光作用下 的非线性效应，因此，倍频晶体必须能够承受高功率激光的照射而不出现损伤现象，光损 伤阈值从实际运用意义上要求，至少不低于l m 矿册2 。同时，大的基频光强能减少倍频 晶体的特征长度，有利于倍频光强的增大。 ( 5 ) 稳定的物理化学性能。具有实际应用价值的倍频晶体应具备光学均匀性好，不潮 解，各项性能随外界环境因素变化较小等特点。 ( 6 ) 大的接收角度和接收带宽。有利于降低基频光的发散和非理想单色性对相位匹配 第3 8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 的不利影响。 当前，因为k 7 p 有大的非线性系数、高损伤阈值、大的接收角和温度接受范围，所以 被广泛应用于发射l 州左右波长的m 3 + 激光器倍频光的发生。 置7 p 也对各种和频、差频以及在o 3 5 4 o 川的整个透光波段的光参量应用也具有很 强的吸引力。虽然其他材料的某些特定参量优于k z p ，但是x 即各种性能的组合仍使其 成为二阶非线性光学应用，特别是m + 激光器发生倍频光自辱最好的材料。这种晶体的非线 性系数大，在大的波长范围内更适合于错误l 末找到引用源。类匹配过程，在y z 和，一z 平面内足够大的双折射使相位匹配成为可能。该晶体具有大的吸收角、通常情况下大的温 度带宽、较好的热特性和高的损伤闽值。所以k z p 晶体是近年来出现的适用于m “激光 器最好的非线性材料。其主要的不足是，这种晶体的尺寸有限( 1 2 硎3 ) ，生长过程很困 难，因而晶体的成本高。 舅z p 在熔点( 约1 1 5 0 0 c ) 时发生分解，因而常规的熔化过程不能用于晶体的生长。然 而，利用水溶和热熔这两种技术可以生长出肼p 单晶。现在已经可以生产出长达2 0 m m 的 晶体。 现在，从高质量的激光束泵浦的k z p 中通常能够得至b 超过6 5 的倍频效率。不过，k 7 p 在长时间受到基频光和倍频光的累积照射后，将产生缓慢的光化学退化( 格雷轨迹) ，导 致晶体增加吸收，最终引起晶体失效。如果是船p 在温度升高的条件下工作，就是光化学 效应逆转。晶体工作在1 5 0 栅7 硎2 的磁通量和8 0 0 c 的温度时，显示出超过2 0 0 万次脉冲 的寿命，其转换效率大于6 0 。然而，当它工作在6 5 0 c 或者更低的温度时，将由于体损伤 而失效。 除l 汀p 以外，三硼酸锂晶体( 简称l b o ) 也是一种常用的倍频晶体。l b o 晶体是中 国科学院福建物质结构研究所在对硼酸盐系列化合物的研究和筛选中发现的一种新型在 外倍频晶体。由于该晶体具有宽的透光波段、高的光学均匀性、大的有效非线性系数及角 度带宽、小的离散角以及高的激光损伤阈值和优良的物化性质等，因此，它已被广泛应用 于高平均功率的二次谐波、三次谐波、四次谐波、和频、差频及参量振荡等非线性光学频 率变换领域。 第3 9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第四章8 0 8 n m l d 泵浦n d ：w 0 4 腔内倍频实验与分析 随着d p s s l 技术飞速发展，人们发现了许多新的适合于i d 泵浦的激光晶体，也使许 多老的激光晶体重新找到了优势，n d ：y v 0 4 即为其中之一。 自从1 9 6 6 年首次被m i t 林肯实验室研制成功后，n d ：y v 0 4 就被公认为是一种优良的 激光材料。然而这种材料难以生长，而且其低导热性能使其根本无法在转换效率很低、热 效应严重的闪光灯泵浦下得到应用，从而限制了它的广泛使用。随着新的生长方法如泊努 利法、浮区法、助溶剂法的出现，现在己经能研制出组分偏离小、光学均匀性好的完整大 单晶。另外，由于采用了激光二极管泵浦，使得它宽吸收带、高增益的优点得以突出，成 为了d p s s l 中小功率激光器的新的重要的激光介质。 采用u ) 作为泵浦源研制小型化、实用化、高效率的固体激光器是近年来激光领域内 的一个非常活跃的方向，将n d ：y v 0 4 加工成薄片，可制作成小型甚至是微型固体激光器。 进一步采用腔内倍频技术可获得绿光输出，可以在彩色显示、激光分色、医疗及娱乐等许 多领域获得应用，从而受到了极大关注。 本章内容立足于实验室现有条件，设计了一种在室温下，连续稳定工作的l d 泵浦 n d ：y v 0 衄绿光激光器实验系统，泵浦阈值在5 4 2 m w ，在半导体激光器输出激光功率 为9 0 0 m w 时，倍频输出绿光功率为1 1 2 1 i n w ，相应的光光转换效率为1 3 ，考虑到 没有对半导体激光器、激光晶体和倍频晶体进行温度控制，这样的光光转换效率已经 很高了，而且本实验系统简单方便，演示效果好，对于学生理解l d 泵浦全固态激光器和 腔内倍频技术具有很强的指导意义，在应用中取得了良好的教学效果。 4 1 实验系统的结构 根据前述谐振腔的理论，考虑到晶体的热效应，我们采用了如下的实验装置 第加页 嗣防科学技术大学研究生院学位论文 图4 1l d 泵浦n d ：y w l p 绿光激光器实验系统示意圈 囊矮泵漳必深秀嚣安赛孝 旗撬奄接零研究骶生产豹拳导葬激燹嚣，最大赣滋功率约必 9 0 0 m w ，中心波长为8 0 8 n m 。l d 输出光束质量较差，芨x 和y 方向的发散角度不一样， 所以其出射光束的光斑形状缀历一个如下的变化过程 二h 圈4 2 如射光斑的形状变化( 放火5 0 倍后的汞意图) 我们选择在其光斑形状恰为正方形的距离处放置一个短焦距透镜。激光晶体 w ：抑砚 后端面镀对8 0 8 ”埘入射激光的增透膜，作为谐振腔的泵浦端面，前端面镀对1 0 6 4 一坍基频激 光全反，同时对8 0 8 n m 入射激光增透的介质膜。倍频晶体x z p 按照相位匹配条件的要求角 度进行放置，它的作用相当于一个半波片。输出境为谐振腔的前端镜，一面镀对1 0 6 4 行m 基 频激光全反的介质膜，另一面镀对5 3 2 村埘倍频绿光的增透膜。整个系统的前面放置一个氦 氖激光器，作为参考激光光源，利用其发出的6 3 2 8 删的氦氖激光作为整个系统用来调节 光路的参考光束。 本实验中， w ：册j 晶体和k 丁r p 晶体都属于极易污染和损坏的实验用品，而且如果要 提高泵浦效率，在后续的工作中还要对其进行温度控制，以便使其工作在最佳工作状态， 因此晶体的机械装配是本实验中的一个难点。我们在调研时发现，国内同样的实验，都没 有给出一个较好的解决方案，于是我们南开大学宋峰教授的指导和帮助下，利用线切割技 术，设计并制作了如下的晶体装配装置，在实验中取得了良好的效果。以 w ：印碗晶体为 例，晶体装配结构如下图所示。 第4 l 页 -|蠕蠛 譬数 、；广禽镜一、毒透 l曲 国防科学技术大学研究生院学位论文 ( 1 ) 铜块 i 8 ) ( 2 ) 嚣d y 她 ( 3 ) 固定螺丝 ( 4 ) 装缝 ( 5 ) 铝扳 6 ) t 茸c ( t ) 夹圈螺丝 ( 8 ) r 比导缝 徊萋霍尊鬓舞 图4 3 晶体装配结构示葸图 8 0 8 n m 半导体激光器泵浦光由端面入射，d _ ：。晶体侧面均匀涂敷导热硅脂放入尺 寸紧密配合的铜块中，该铜块被螺钉固定在铝板上；将铜块切割出一条狭缝，用于调整尺 寸；螺钉用于夹紧晶体，但不可过紧，以防将晶体被夹碎；铜块侧面钻孔，再后续的实验 中，如果需要进行温度控制的话，可以将温度传感器均匀涂敷硅脂插入孔中；用半导体制 冷片珏c 对铜决进行恒温控制。 4 2n d ：w o 晶体的性能 由于在实验中需要用激光二极管泵浦m ，：肼晚晶体产生1 0 6 4 ”的激光，我们有必要对 该晶体的性质作一初步的介绍。在半导体激光二极管泵浦方式下，m ，：y 他晶体的泵浦波 长为8 0 8 5 脚l ，吸收线宽为2 0 m ，主激光波长为1 0 6 4 n 肼，荧光寿命o 0 9 2 郴，受激辐射面 积为2 5 1 0 “硎2 ，是常用的激光晶体埘：喇g 的1 2 5 倍。图4 4 为m ：y 他晶体能级结 构图，产生1 0 6 4 一m 激光的谱线对应着4 吸斗4 ，在常温下距基态4 咴较远，4 盟上钕 离子数接近于零，因此激光系统为四能级系统。 第4 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 ：毁 4 d m 4 g 斯 g i l 汀k l 擅 6 小_ 越l g 。，g ，2 l h i u t f ，a o f t s m f ”，h 撮 f # 冉 i i 措 l i “i a l t it ：； ： j 扣； 1 ? ! ? ； ； j |i i ； ： 图4 ，4n d ：y v o 。晶体能级结构图 4 2 - 1n d ：w 0 4 晶体的光学特性 弛f ：谚晶体的光学特性如下表4 ，1 所示 表4 1n d ：y v 0 4 晶体的光学特性 激发波长1 0 6 4 玎卅，1 3 4 2 h 肌 受激发射截面 2 5x l o - 1 9 硎2 1 0 6 4 埘 荧光寿命 9 0 j 岱 吸收系数 3 1 4 洲一 8 l 锄m 增益带宽 o 9 6 肌 1 0 6 4 n 掰 4 2 2n d ：w 0 4 晶体的吸收光谱 晶体的吸收光谱是确定泵浦光波长的根据。我们用光谱仪测量了晶体的吸收光谱，主 要结果示于图4 5 。 第4 3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 0 螂 爆 罄 替 ， 6 八 ； ： u _ ；。| 图4 5n d ：y v 0 4 晶体的吸收光谱 图4 5 中虽然显示出3 个重要的吸收带，但对上d 泵浦而言，有实际意义的是峰值波长 为8 0 8 6 n 珊的吸收峰。 4 2 3n d ：w 0 1 4 晶体的发射光谱 据报道o ”，香港城市大学电子工程系对m ：册i 晶体在室温下的发射光谱进行了测 量，结果如图4 6 所示。 j ：m 4 ： f ： 以一 f j 菠长 图4 6n d ：w 0 4 晶体的发射光谱 由图可以看出，在8 5 0 1 4 0 锄肌波长范围内有三组发射峰。测得的主发射峰为 1 0 6 4 3 ”m 。 第“页 发射强度 国防科学技术太学研究缴院学健论文 4 。3l 鑫凄黼激巍振荡实验 按照鹜4 。l 掰永的缭奉棼，程光学平台上依次敖簸象滚髑半鼯体激党嚣、聚焦透镜、激 必嚣髂、赣攒镜秘角来调熬毙鼹越戆寨氖激怒爨。安验爱戆泵瀵滚为蘧安赛罄辏梳彀按拳 研究所生产的半导体激光器，漾用优化燕子阱结橼设键+ ，最大输蹬功率约为9 0 0 m w ，中心 波长为8 0 8 m 。采用r o 标准管瓷封装，输出端带鸯壤壹透镜，输爨必为条状，如下鬻4 + 7 所示。 图4 78 0 8 半导体激光器封装圈 其具体的技术指标如下表4 2 所示 表4 2 半导体激光器技术指标 参数符号数值单位 连续输出功率 昂 1 0 中心波长 a 8 0 8 士1 0 厅朋 光谱宽度 2 2 5 玎肌 工作电流 厶 o 2 5爿 光束发散角 岛岛 4 0 1 0 d e g 微分量子效率 e s 1 0 5 工作温度 矗 l o 4 0 其电流一功率特性曲线如下图4 8 所示 第4 5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图4 8 半导体激光器电流一功率特性曲线 将半导体激光器放置在五维调节平台上，可以调整泵浦光的高低、左右、前后位置以 及俯仰角和旋转角。打开电源开关，预热一段时间后，慢慢调节电流旋钮，增大工作电流， 提高出射激光的功率。在此需要注意，电流调节时需要缓慢增加或减少，以免冲击电流损 坏器件。半导体激光器发射的激光为不可见光，有可能对人眼造成伤害。激光器工作时， 严禁直接注视其端面。这时，可以借助于上转换片，观察出射激光的光束形状变化，结果 如图4 2 所示。 在整个光路的最前面放置一台胁一 k 激光器，作为参考光。调整日p 一 k 激光器使其 输出光平行于光学平台，在光路上放置一小孔光阑，使上抬一肫光恰好通过小孑l 照射在半 导体激光器输出镜的中心，调整胁一腑激光器的位置，使得反射光也通过小孔，沿原光 路返回。打开半导体激光器的电源，调节半导体激光器所在的五维平台，使半导体激光器 输出的光沿胁一且，j 激光的光路通过小孔光阑，保证其发射的激光与正括一 f j 激光等高、共 轴。 利用上转换片，在泵浦光斑恰好为正方形的位置处放置一个短焦距聚焦透镜。透镜放 置在五维精密调节支架上，打开胁一他激光器，使胁一 k 激光的入射点和反射点重合， 保证透镜垂直于光路，并且其中心与光轴等高。 将d ：抑n 晶体按照图4 3 所示装配好，整个装置同样放在五维精密调节平台上，前 后移动m ：舢：晶体在光学平台上的位置，使经过聚焦的泵浦光的焦点正好入射到 第4 6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 d ：抑包晶体的后端面上。利用同样的原理，调节晶体的位置，使m ：n 7 q 晶体的中心 调节到与h g 一 k 激光的光路同轴、等高。然后，放置输出镜，这里我们采用对8 0 8 n m 泵 浦光全反，1 0 6 m 出射激光大约有l o 透射率的平面输出镜。本实验中，调节光路的心得 体会是，在竖直方向上，近处调高低，远处调俯仰：在水平方向上，近处整体移动，远处 角度偏转。也就是说，为了调整等高，对于距离近的点，可以直接调节激光器的高度，对 于距离远的点，则只能调节激光器所处平台的俯仰角度。在水平方向上，也是同样的道理。 整个系统的光路调节好以后打开半导体激光器的电源，缓慢增加其工作电流，利用 上转换片观察激光输出。经过反复实验，我们得出了如下一组比较理想的实验结果。 图4 9 出射激光功率随泵滴光功率变化曲线 由图4 9 ，我们可以得出，d | 隧咒泵浦阈值在2 6 2 m w 左右，以后随着泵浦光强度的增 加，出射的1 0 6 埘激光功率几乎呈线性增加。在泵浦功率为9 4 7 用w 时，出射激光功率为 3 3 2 m w ，光一光转换效率达到3 5 1 。 4 4 影响激光输出功率的因素 在这里的d p s s l 实验中，激光器的腔长和输出腔镜的透射率对激光输出功率的影响 很大，下面分别加以阐述。 激光器输出功率的表达式为： 第4 7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 = 饥晶寿r ( 4 - 1 ) 二厶 式中t 为输出镜透过率，s o 为腔内光子数，可由速率方程求得。 从理论上来讲，激光器的腔长l 越大，激光器的腔内损耗越大，因而激光输出功率随 着变小。但是实际上，由于n d ：y v 0 4 的热透镜效应，实际情况井非完全如此。通过不断的 实验，我们可以得到如下的结论： 1 ) 在泵浦功率比较低的情况下，随着腔长的增大，激光输出功率变小 2 ) 在泵浦功率比较高，远远大于阈值功率的腔况下，对于腔长较大自4 激光器，输出 功率将逐渐下降，直到变为零：对于腔长较小的激光器，其输出功率随泵浦功率的变化曲 线则有可能出现凹点，即到了一定的泵浦功率，输出功率下降，但随着泵浦功率的增加， 输出功率改变了下降的趋势，转而上升。 根据式( 4 1 ) ，输出镜的透射率t 越大，激光输出功率也越大，但是随着输出镜透射 率的增大，谐振腔的透射损耗也越大，因而影响腔内的光子数s o 。事实上，输出镜透射率 是通过因子t ，6 0 来影响激光器输出功率的。其中6 f 1 n ( 1 一d ，2 + 6 ，表示除透射损耗以外的 其他损耗，包括元件截面散射、菲涅耳衍射等与长度无关的部分和杂质吸收、体散射等与 长度有关的部分。激光器的输出功率p 。与1 y 6 0 成正比。在不同的谐振腔非透射损耗下， 因子t y 6 0 随着输出镜透射率的增大而增大，当达到某一最大值之后，逐渐减小。可见，谐 振腔设计应当取使得t 6 0 因子最大的输出镜透射率，才能在相同的泵浦功率下获得较高的 激光输出功率。在本实验中，我们通过反复的实验，发现当t = 1 0 时，在相同的泵浦效率 下激光的输出功率最高。 4 5k t p 晶体倍频实验 为了能够得到5 3 2 h 埘波长的绿光输出，我们利用k 砰晶体进行腔内倍频处理。实验证 明，只有具有特定偏振方向的线偏振光，以某一特定角度入射k ? p 晶体时，才能获得良好 的倍频效果，而以其他角度入射时，则倍频效果很差，甚至完全不出倍频光。根据前面的 理论分析，只有当基频光和倍频光的折射率相等时，才能产生好的倍频效果。就是使 甩。= 一2 。( 4 2 ) 式中n 。和”2 。分别为k z p 晶体对基频光和倍频光的折射率。 k 7 p 晶体是一种常用的双轴晶体，基频光通过它时，分解为偏振方向相互垂直的两线 第4 8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 偏振光：快光( ，光) 和慢光( s 光) ，设其折射率分别为”，和n ，。由于m ：抑，0 4 晶体的 受激发射截面对沿c 轴方向的偏振具有最大的值( 是对沿口轴值的4 倍) ，因此在腔内没有 倍频晶体时，输出的1 0 6 “脚激光总是沿c 轴方向的线偏振光。腔内偏振模式的分析可以采 用琼斯矩阵算法。删：册i 晶体在c 一口坐标( 实验室坐标) 系中和k 卯晶体在s 一，坐标系 中的琼斯矩阵分别是 噬= k 2 圳= k 剖 。， 式中4 = ( 2 万兄) ( 砟一) 厶是m ：硼。晶体中p 光和d 光的相对相位延 迟：龟= ( 2 万且) ( n ，一 ，) 厶是足弦晶体中慢光( s 光) 和快光( 厂光) 的相对相位延迟：五是 振荡纵模( 基频) 在真空中的波长：厶和厶分别是m ：y 吼晶体和k 印晶体通光方向的长 度。从泵浦端算起，腔内基频光一次往返韵琼斯矩阵为 m = 形胄( 一力职r ( 伊) 暇 ( 4 4 ) 式中口为s 一，坐标系相对于c 一口坐标系的旋转角，r ( 疗) 是旋转变换矩阵。根据相位 匹配条件，取口= 4 5 0 时倍频效率最高。 实验装置如图4 1 所示。足z p 晶体的尺寸为3 m m 3 ，l 埘3 m m ，以室温下的相位匹配角 度方式切割。本实验系统实现的关键就是光路的调节，这里既包括整个系统光路的调节， 也包括k 7 p 晶体偏转角度的调节。因为倍频光的形成，需要达到相位匹配条件，角度方面 的偏差对于倍频光的输出具有至关重要的作用，这里