（光学工程专业论文）ld光纤耦合及其泵浦的被动调q锁模激光特性研究.pdf

01kf ，-fi 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：整函；臣 日 期：鲨! 里：生：l 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：毫函；改导师签名：论文作者签名：钨涵：殴导师签名： 山东人学硕t ：学位论文 皇置置鼍曩鼍曼曼! ! ! ! 曼曼! 曼暑! 喜曼量曼曼鼍詈鼍置量詈詈詈皇皇量篁鼍皇一 目录 f 了j i 乏i c o n t e n t s 一i i i 中文摘要一v a b s t r a c t v i 符号说明。：v i i i 第一章引言1 1 1 高功率半导体激光器及其列阵光纤耦合2 1 2 激光二极管泵浦的激光晶体简介3 1 - 3 激光调q 技术5 1 4 激光锁模技术的分类8 1 5 激光调q 锁模技术及理论研究1 0 1 6 速率方程理论。12 1 7 本文的研究内容1 3 第二章激光二极管光纤耦合技术1 4 2 1 激光二极管光纤耦合技术概述1 4 2 2 光束特性分析。l6 2 3 半导体激光器条形b a r 的光束整形及光纤耦合一l8 2 3 1 光纤列阵耦合方法l8 2 3 2 单根光纤耦合方法l9 2 4 实验装置与结果2 2 2 4 1 固定光纤连接头2 4 2 4 2 可插拔光纤连接头2 5 2 4 3 实验结果实物图及讨论2 6 第三章l d 泵浦的n d ：l u v 0 4 锁模调q 激光特性研究。2 9 3 1 半导体可饱和吸收镜2 9 3 1 1 半导体可饱和吸收镜概述2 9 l j j 东大学硕士学位论文 3 1 2s e s a m 锁模机理分析3 0 3 1 3s e s a m 的主要特性3l 3 2s e s a m 调q 锁模激光特性研究3 3 3 2 1s e s a m 的结构3 3 3 2 2 实验装置及结果一3 4 3 2 3 理论分析3 8 第四章全文总结- 4 3 参考文献4 4 致 射5 4 攻读学位期间获得的奖励、发表的学术论文目录5 5 o 山东人学硕十学位论文 c o n t e n t s c o n t e n t s ( c h i n e s e ) ”i c o n t e n t s ( e n g l i s h ) 。i i i a b s r i ：t a c t ( c h i n e s e ) v a b s t r a c t ( e n g l i s h ) v i d e s c r i p t i o no fs i g n s 。v i i i c h a p t l 烈t r o d u c t i o n 1 1 1f i b e rc o u p l i n go fh i g hp o w e rl da n dl da r r a y 2 1 2i n t r o d u c t i o no fl a s e rd i o d e e u m p e dl a s e rc r y s t a l 3 1 3q s w i t c h i n gt e c h n o l o g y 5 1 4t e c h n i q u e so fm o d e - l o c k i n g 8 1 5t h e o r ya n dt e c h n o l o g yo f q s w i t c h d ea n dm o d e l o c k e dl a s e r s 1 0 1 6r a t e - e q u a t i o nt h e o r y 1 2 1 7c o n t e n t s 13 c h a p l 2t e c h n o l o g yo ff i b e rc ：o u p l i n gf o rl d 1 4 2 1i n t r o d u c t i o no f t c c h n o l o g yo f f i b e rc o u p l i n gf o rl d 1 4 2 2b e a mc h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i s 16 2 3b e a ms h a p i n ga n df i b e rc o u p l i n go fl db a r 18 2 3 1f i b e rc o u p l i n g 、i t l lf i b e r a r r a y 1 8 2 3 2f i b e rc o u p l i n gi n t oo n ef i b e r 1 9 2 4e x p e r i m e n t a ls e t u pa n dr e s u l t s 2 2 2 4 1f i x e do p t i c a lf i b e rc o n n e c t o r 2 4 2 4 2p l u g g a b l ef i b e ro p t i cc o n n e c t o r 2 5 2 4 3e x p e r i m e n t a lr e s u l t sm a pa n dd i s c u s s i o n 2 6 c h a p t 3l d p u m p e dq s w i t c h e dm o d el o c k e dn d ：l u v 0 4l a s e r 2 9 3 1s e s a m 。2 9 3 1 1i n t r o d u c t i o no fs e s a m 2 9 3 1 2a n a l y s i so fm o d el o c k e dm e c h a n i s mo fs e s a m 3 0 3 1 3k e yf e a t u r e so fs e s a m 3l 3 2q s w i t c h e dm o d e l o c k e dn d ：l u v 0 4l a s e rw i t hs e s a m 3 3 i ! i i j j 东人学硕士学位论文 3 2 1s t r u c t u r eo fs e s a m 。3 3 3 2 2e x p e r i m e n t a ls e t u pa n dr e s u l t s 一3 4 3 2 3t h e o r e t i c a la n a l y s i so fq s w i t c h e dm o d e l o c k e dl a s e r 一3 8 c h a p t 4c o n c l u s i o n 4 3 r e f e r e n c e s 4 4 a c k n o w l e d g e m e n t s ：一5 4 a w a r da n dp u b l i c a 兀o nl i s t 5 5 i v l i j 东人学硕十学位论文 中文摘要 激光二极管( l d ) 泵浦的固体激光器具有全固化、体积小、泵浦效率高、光 束质量高、寿命长、稳定性好及运转方式多样化等优点，在激光通讯、遥感探测、 材料加工、光信息处理、激光医疗和军事武器装备等领域有着广泛的应用前景， 受到国内外激光技术领域极大的关注。 大功率半导体激光器列阵( l a s e rd i o d ea r r a y ，简称l d a ) 具有光电转换效率 高、体积小、功率大、可靠性高、结构简单等优点。半导体激光器得到了越来越 多的应用，材料和器件的水平也有了长足的进展。但是，半导体激光器阵列存在 固有缺点。典型的半导体激光器一维线阵列，其光束质量在垂直与平行于p n 结两 个方向上相差很大，这限制了它们的应用。为了提高光束质量，减少光束的发散 性，必须对输出光束进行整形，形成小芯径、小数值孔径的高亮度光纤耦合半导 体激光输出。同时，光纤能够实现柔性传输，使用灵活方便。 激光晶体增益介质是激光器的核心部件，它的光学和物理特性决定了激光器 系统的输出特性。而其中掺钕离子的激光晶体由于吸收波长在8 0 8 n m 附近，适合 采用半导体激光器抽运，作为增益介质得到了广泛研究。 本论文根据半导体激光器及其列阵的光束特性，研制出了高效高功率的光纤 耦合模块。对条宽为l c m ，发光区厚度为l n m 的高功率半导体b a r 条激光器，利 用微光学元件( b t s 和h o c ) 将1 9 个发光单元的光束耦合进芯径为4 0 0 p r o ， n a = 0 2 2 的单根光纤中时，获得了7 2 的耦合效率。采用光纤耦合输出的激光二 极管作泵浦源，用n d ：l u v 0 4 晶体作为激光工作物质，首次实现了l d 泵浦 n d ：l u v 0 4 晶体、s e s a m 被动调q 锁模1 0 6 4 p r o 激光运转。从理论和实验上分别 对s e s a m 被动调q 锁模的n d ：l u v 0 4 激光脉冲输出特性进行了研究，测量了不 同泵浦功率下的脉冲宽度、峰值功率和重复率；同时，考虑激活介质反转粒子数 密度、饱和吸收体基态粒子数密度以及泵浦速率的影响，给出了描述调q 锁模激 光运转特性的速率方程，通过计算机求解该方程组得到的脉冲宽度、峰值功率和 重复率的理论结果与实验中测得的被动调q 锁模激光输出脉冲的实验值相符。 关键词：光纤耦合；l d 泵浦；速率方程；调q 锁模激光器；光强起伏机制 v 山东大学硕l ：学位论文 a b s t r a c t l a s e r - d i o d e ( l d ) p u m p e ds o l i d s t a t el a s e r sh a v e 嘶d ea p p l i c a t i o n si nt h ef i e l d ss u c h a sl a s e rt e l e c o m m u n i c a t i o n , r e m o t e s e n s i n gd e t e c t i o n , m a t e r i a l sp r o c e s s i n g ，i n f o r m a t i o n p r o c e s s i n g ，m e d i c a l ，a sw e l la sm i l i t a r yd u et oi t sa d v a n t a g e ss u c ha sa l ls o l i ds t a t e ， s m a l lv o l u m e ，h i g hp u m pe f f i c i e n c y , h i g hb e a mq u a l i t y , l o n gl o n g e v i t y , h i g hs t a b i l i t y a n dv a r i o u sr u n n i n gm o d e s ，a n dh a v eb e e nf o c u s e dm u c ha t t e n t i o no n h i g h - p o w e rl a s e rd i o d ea r r a y s ( l d af o rs h o r t ) h a v ea d v a n t a g e ss u c ha sh i g h p h o t o e l e c t r i cc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y , s m a l ls i z e ，h i g hp o w e r , h i g hr e l i a b i l i t y , s i m p l e s t r u c t u r ea n ds oo n l dl a s e r sh a v eb e e nw i d e l yu s e di na p p l i c a t i o n s ，t h et e c h n i c a ll e v e l o fm a t e r i a l sa n dd e v i c e sh a sa l s ob e e ng r e a t l yi m p r o v e d h o w e v e r ，l a s e rd i o d ea r r a y s h a v et h e i ri n h e r e n td i s a d v a n t a g e s t h eb e a mq u a l i t yo fat y p i c a lo n e - d i m e n s i o n a ll i n eo f l a s e rd i o d ea r r a y si nt h ev e r t i c a la n dp a r a l l e lt ot h ep nj u n c t i o ni sv e r yd i f f e r e n t , w h i c h i sal i m i tf o rt h e i rf u r t h e ra p p l i c a t i o n s i no r d e rt oi m p r o v eb e a mq u a l i t yo fl a s e rd i o d e a r r a y sa n dr e d u c et h eb e a md i v e r g e n c e ，i ti se s s e n t i a lf o rs h a p i n gt h eo u t p u tb e a mt o f o r mah i g h b r i g h m e s sf i b e r - c o u p l e dd i o d el a s e ro u t p u t 、枋ms m a l lc o r ed i a m e t e ra n d s m a l ln u m e r i c a la p e r t u r e m e a n w h i l e ，t h ef i b e rc a l la c h i e v ef l e x i b l et r a n s m i s s i o n ，a n d m a d et h eu s eo ft h e mm o r ec o n v e n i e n t l a s e rc r y s t a li st h ec o r ec o m p o n e n ti nl a s e rs y s t e m i t so p t i c a la n d p h y s i c a lp r o p e r t i e s d e t e r m i n et h eg l o b a ld e s i g na n do u t p u tc h a r a c t e r i s t i c so ft h el a s e rs y s t e m a n dt h e n d d o p e dc r y s t a l sd u et ot h e i re x c e l l e n tl a s i n gp r o p e r t ya t8 0 8 n ma n da v a i l a b i l i t yo f d i r e c tl a s e rd i o d ep u m p i n gh a v eb e e nw i d e l yu s e dt oc o n s t r u c tl a s e r - d i o d ep u m p e d s o l i d - s t a t el a s e r si nt h en e a r - i n f r a r e dr e g i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n , c o n s i d e r i n gb e a mc h a r a c t e r i s t i c so ft h ed i o d el a s e r sa n dl d a r r a y s ，w ed e v e l o p e dah i g he f f i c i e n th i g h p o w e rf i b e rc o u p l i n gm o d u l e s b yu s i n g m i c r o - o p t i c a le l e m e n t s ( b t sa n dh o c ) ，t h eb e a m sf i - o m19l i g h t - e m i t t i n gu n i to fa h i g h - p o w e rl a s e rd i o d eb a rw h o s ew i d t hi s lc ma n dl i g h t - e m i t t i n ga r e at h i c k n e s sa b o u t ln mi n t 0as i n g l eo p t i c a lf i b e r 、而t l lc o r ed i a m e t e ro f4 0 0 1 x ma n dn a = 0 2 2 a n dt h e c o u p l i n ge f f i c i e n c yi s7 2 b yu s i n gt h ef i b e r - c o u p l e dl a s e r - d i o d ea st h ep u m ps o u l o e ， n d ：h i v 0 4c r y s t a l sa st h eg a i nm e d i u m s ，w eh a v ep e r f o r m e dt h ep a s s i v e l yq s w i t c h e d m o d e l o c k e d ( q m l ) l a s e ro p e r a t i o na t1 0 6 9 r n 、析t hs e s a m a n dw es t u d i e dt h e v i c o n s i d e r i n gt h ep o p u l a t i o n - i n v e r s i o nd e n s i t yi n t h eg a i nm e d i u m ，t h eg r o u n d s t a t e p o p u l a t i o nd e n s i t yo fs a t u r a b l ea b s o r b e ra n dt h ei n f l u e n c eo ft h ep u m pr a t e ，t h er a t e e q u a t i o n so fal d - p u m p e dp a s s i v e l yq - - s w i t c h e dm o d e - l o c k e dn d ：l u v 0 4l a s e r a t 1 0 6 4 1 x m 谢ms e s a ma r eg i v e n t h et h e o r e t i c a la v e r a g eo u t p u tp o w e r , p u l s ew i d t h , a n dp u l s er e p e t i t i o no ft h el a s e ra r eo b t a i n e db yt h en u m e r i c a ls o l u t i o no ft h er a t e e q u a t i o n s ，a n dt h e t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n sa g r e e 谢n lt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so f p a s s i v e l yq - s w i t c h e dm o d e - l o c k e dl a s e r k e yw o r d s ：f i b e rc o u p l i n g ；l a s e rd i o d e - p u m p e d ；r a t e - e q u a t i o nm o d e l ；q s w i t c h e d a n dm o d e l o c k e dl a s e r ；i n t e n s i t yf l u c t u a t i o nm e c h a n i s m v n 山东大学硕十学位论文 v i l l q ( r ，t ) w l w g w g w b l 1 9 n g n g n ( r t ) o t a t o r l t r l c l p p i n r i n l p h p e 符号说明 平均光子数密度 基横模的平均半径 基横模在激活介质处的半径 基横模在s e s a m 饱和吸收体处的半径 泵浦光在激活介质中的平均半径 激活介质的长度 s e s a m 饱和吸收体的厚度 激活介质的折射率 s e s a m 饱和吸收体的折射率 激活介质中的反转粒子数密度 激活介质的受激发射截面 激活介质的受激辐射寿命 激活介质对泵浦光的吸收系数 s e s a m 饱和吸收体的小信号透过率 输出耦合镜的反射率 谐振腔的损耗 光在谐振腔中往返一周的时间 谐振腔的物理长度 谐振腔的光学长度 泵浦功率 单位体积内的泵浦速率 泵浦光的单光子能量 基频光的单光子能量 脉冲的峰值功率 单脉冲能量 i j j 东人学硕十学位论文 第一章引言 自二十世纪六十年代固体激光器诞生以来，激光技术发展迅速。在1 9 6 2 年世 界上第一支c r 4 + ：y a g 激光二极管( l a s e rd i o d e l d ) 问世后不久，美国m i t 实 验室的k e y e s 等人就以之作为固体激光器的泵浦源并实现了准连续激光输出【1 1 。限 于当时半导体激光器技术不成熟，一直没有得到大规模使用。到上世纪八十年代， 随着半导体激光器制造工艺飞速发展，半导体激光器的输出功率和使用寿命等参 数都得到很大的改善，加上其自身发射线宽窄、光谱可调谐范围宽等优点，成为 作为非常适合固体激光器的泵浦源。同时随着固体材料的革命性发展，激光二极 管泵浦固体激光器( d i o d e p u m p e ds o l i d s t a t el a s e rm d p s s l s ) 成为人们研究的 热门。九十年代之后，激光二极管泵浦固体激光器的理论和实验研究取得了重要 进展。实现激光二极管泵浦固体激光器有效运转必须具备两个条件 2 1 ，即：增益介 质要足够长来充分吸收泵浦光能量；泵浦光束尺寸要不大于基模尺寸以获得高的 模式耦合效率。因此常采用端面泵浦方式，但这种方式泵浦光空间分布主要集中 在增益介质的中央部位，增益介质吸收的泵浦光中有相当一部分转换为热能存储 在晶体内部，造成温度分布不均匀，引发热效应。激光二极管泵浦固体激光器模 式的最佳化分析为激光器的最佳化参数选择提供了重要依据【3 5 】，同时，固体激光 器热效应模型及热焦距测量方法的提出为实现谐振腔的优化设计提供了参考睁1 5 】。 另外，随着l d 泵浦光耦合技术的提高和固体激光介质的冷却问题的解决，固体激 光器的泵浦效率、输出功率、光束质量都上升到新的水平。由于激光二极管泵浦 固体激光器具有转化效率高、稳定性好、结构简单、光束质量高、寿命长、工作 介质覆盖的波段范围广及运转方式多样化的优点，加上与非线性光学变频技术相 结合，可以实现多种波长运转，另外这种激光器输出光束的发散度比半导体激光 器要小三个数量级，而储能机制要提高七个数量级，目前已经广泛应用到激光通 讯、遥感探测、以及工业加工、光信息处理、激光医疗和军事武器装备等方面， 成为当前激光器行业的主流。 本论文采用光纤耦合输出的激光二极管作泵浦源，用n d ：l u v 0 4 晶体作激光 工作物质，研究了饱和吸收体s e s a m 被动调q 锁模激光的脉冲输出特性。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，给出了描述以上调q 山东大学硕 ：学位论文 锁模激光运转特性的耦合速率方程组，并通过数值模拟，得到了与实验结果相吻 合的理论计算结果。 在本章中将对本论文中用到的晶体的特性、调q 、锁模技术以及速率方程理 论进行分析和说明。 1 1 高功率半导体激光器及其列阵光纤耦合 半导体激光器与光纤耦合的研究是紧紧跟随半导体激光器发展起来的。2 0 世 纪7 0 年代初，g a a s g a a i a s 异质结半导体激光器的室温连续工作的实现开创了半 导体激光器发展的新时期。与其它种类的激光器相比较，半导体激光器具有十分 突出的优点，除了体积小、重量轻、电光转换效率高等特点外，半导体激光器的 制造工艺还与半导体电子器件和集成电路的生产工艺兼容，故便于与其它器件实 现单片光电子集成。半导体激光器的工作频率和频率可以方便高效地进行直接调 制，且调制带宽范围大。同时随着半导体激光器及其列阵光纤耦合模块性能的改 善，其优越性更加显著，其应用领域越来越广，在激光器市场中的份额同益增大【1 6 】。 目前标准的半导体激光器列阵( l d a b a r ) 通常宽度为1 c m ，一般由多个激光 发光单元构成。由于其特殊的工作原理，l d a 有源层发光单元的尺寸在平行于p n 结方向( 即慢轴方向) 上有源层的宽度一般超过1 0 0 i n n ，在垂直于p n 结方向( 称 为快轴方向) 上有源层的厚度为几个i n n ，各个发光单元结构的严重不对称性造成 了高斯光束远场光强分布的不均匀，光斑呈狭长的椭圆形，且激光光束发散角很 大，快轴方向约3 0 。 - - 4 0 。f w h m ( 远超过光纤的数值孔径角) ，慢轴方向约6 。 1 2 。f w h m 。快轴方向为基横模高斯分布，光束质量较好，慢轴方向为多模高斯 分布，光束质量较差，发散角小【1 7 】；发光点在空间分布上较稀疏，输出光能量不 集中。正是由于两个方向光束质量的这种极不均衡性，在多数的应用中要求对半 导体激光器的光束进行整形、聚焦，形成小芯径、小数值孔径的高亮度光纤耦合 半导体激光输出。 对激光二极管列阵进行耦合，首先必须对二极管激光模块的光束进行整形来 改善光束质量，但光束整形系统( 棱镜列阵、透镜列阵等) 的价格昂贵且随着整 形系统复杂性的增加，光的利用效率也会降低，尤其是在高功率、小光纤芯径的 情况下。另外，对于由单管激光器构成的高功率激光系统，虽然具有高可靠性和 2 山东人学硕十学位论文 长寿命的优点，但因为体积所限参与耦合的器件数目不可能很多，所以亮度的提 高也受到了限制。 新型光纤耦合二极管激光器把激光二极管线阵与单管激光器二者的优点结合 到了一起，具有较低的成本的同时实现了高亮度和高可靠性。这种新型光纤耦合 二极管激光器的核心是一种特别设计的二极管线阵( t - b a r ) 。所谓的t - b a r ( 嘶l o r e ab a r ) ，是一种经特殊设计的、具有多个发光单元的激光二极管线阵，每 个发光单元的间距以及宽度都经过了严格设计，故无须复杂的光束整形系统就可 以实现慢轴方向上的高光束质量。由于在外延芯片和横向结构上的特殊设计，t - b a r 在光束整形方面省去了很大部分的微光学元件，仅需要快轴和慢轴方向上的准直 透镜就可以把光束导人直径为几百l u n 的光纤。 光纤耦合的二极管激光模块具有输出光束质量高、接近于点光源、光束方向 易于调整并且稳定性好等优点，是高亮度二极管激光器的理想解决方案。由于单 个激光器b a r 条功率有限，要获得更大光纤耦合输出功率，可以考虑将两个甚至 多个b a r 条耦合到单根光纤中。 本文通过对二极管激光器光束输出特性的分析，确定了二极管b a r 条在快轴 和慢轴方向的不同发散角，并利用l i m o 公司的快慢轴准直透镜和微棱镜列阵， 将光束汇聚到直径为4 0 0 i n n ，数值孔径为0 2 2 的光纤中，耦合效率达到7 2 ， 符合作为激光器泵浦光源的要求。 1 2 激光二极管泵浦的激光晶体简介 固体激光材料的飞速发展有力地推动了半导体泵浦的固体激光器的迅速发 展。目前，应用最为广泛的固体激光增益介质是搀杂了激活粒子的玻璃或晶体。 而玻璃增益介质的自身缺陷比较严重，造成激光器阈值较高，并且其散热性较差， 因而人们多以激光晶体作为增益介质。在各式各样的激光晶体中，以搀杂n d 3 + 离 子的晶体应用最为广泛。目前应用较广的有n d ：y a g 、n d ：y v 0 4 、n d ：g d v 0 4 、 n d ：l u v 0 4 、n d ：y l f 和n d ：y a p 等激光晶体。 n d ：y a g 是目前研究最成熟的激光材料，广泛应用于闪光灯泵浦和半导体泵浦 的y a g 激光器。其优点在于y a g 基质很硬、光学质量好、热导率高，另外y a g 的立方结构也有利于形成窄的荧光线宽，使激光器高增益和低阈值工作，是适合 3 山东大学硕i ：学位论文 半导体泵浦的理想固体材料之一。 n d ：y v 0 4 晶体是锆英石结构，属于四方晶系，是单轴晶体。n d ：y v 0 4 晶体 中激活离子n d 3 + 位置具有低的点群对称性，离子振荡强度大。w 0 4 基质对n d 3 + 离子有敏化作用，提高了它的吸收能力。沿a 轴切割时，其偏振( e e ) 和。偏 振( e l c ) 的光谱特性有明显的差异，其最强吸收和最强辐射都发生在丌偏振取 向，故一般输出偏振光，有利于腔内倍频效率的提高。n d ：y v 0 4 晶体可以允许 比传统的n d ：y a g 晶体掺入更多的n d 3 + 离子且不发生浓度猝灭效应，而且和 n d ：y a g 晶体相比，它具有更大的吸收系数和受激发射截面以及大的吸收带宽 1 1 8 - 1 9 ，所以特别适合作半导体泵浦固体激光器的增益介质。近年来，人们已经对 n d ：y v 0 4 激光器及其倍频的激光特性进行了广泛的研究1 2 0 - 2 4 。 n d ：g d v 0 4 晶体是由俄罗斯和德国科学家于1 9 9 2 年合成的一种新型激光材料 1 2 5 1 。它与n d ：y v 0 4 晶体都是锆英石结构，同属四方晶系。由于g d 3 + 离子半径比 y 3 + 离子大，与n d 3 + 离子的半径更接近，因此与n d ：y v 0 4 晶体相比，n d 3 + 离子更 容易替代g d 3 + 离子而得到较高n d 3 + 浓度和较低n d 3 + 浓度梯度的n d ：g d v 0 4 晶体。 在孔偏振取向上，n d ：g d v 0 4 晶体在8 0 8n l n 处的吸收截面是n d ：y a g 晶体的7 倍， 在1 0 6 岬波长处其受激发射截面为n d ：y a g 晶体的3 倒2 6 1 ，它在( 1 1 0 ) 方向上的 热导率是n d ：y v 0 4 晶体的2 倍岁2 7 1 ，同时在8 0 8 n m 处也有着非常宽的吸收带， 使其成为适合激光二极管泵浦的非常有效的激光工作物质。 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、热双 折射特性等参数也会相差很大。当应用到调q 激光器时，c 向切割较a 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，因而沿c 轴切割 n d ：g d v 0 4 晶体成为人们研究的热点晶体之 2 8 , 2 9 1 。 l d 泵浦的固体激光器，为了获得更高的效率，工作物质的吸收波长与泵浦光 波长相匹配是很重要的。本论文所使用l d 泵浦光的波长为8 0 8 n m ，n d ：l u v 0 4 晶 体能将8 0 8 n m 泵浦光吸收转变为1 0 6 4 1 m a 激光输出。2 0 0 2 年，m a u n i e r 报道了一 种新型的n d 离子掺杂的钒酸盐晶体n d ：l u v o a 。n d ：l u v 0 4 晶体与n d ：y v 0 4 晶体 同构型，属于锆英石类结构。在基质晶体中，如果l u 离子取代y 离子能使掺杂粒 子的能级分裂加大，使掺杂离子在高能级的分布数目减少，这样有利于激光的产 生【砌。并且由于l u 3 + 和n d 3 + 的共价作用，n d ：l u v 0 4 应具有更高的发射截面【3 1 3 2 1 。 4 山东人学硕f ：学位论文 另外，n d ：l u v 0 4 晶体的比热较n d ：y v 0 4 高，与n d ：g d v 0 4 晶体的相近，所以具 有较高的损伤阈值。其a 轴和c 轴的热导率分别为8 1w m jk - 1 和9 9w m 1 k ， 高于n d ：w 0 4 ，略低于n d ：g d v 0 4 晶体。n d ：l u v 0 4 的吸收截面( 8 0 0n l n 附近) 和发射截面( 1 0 6 4r i m ) 均优于n d ：y v 0 4 和n d ：g d v 0 4 晶体。 1 3 激光调q 技术 调q 技术的出现是激光发展史上的一个重要突破，极大推动了在工业和医疗 卫生等领域激光应用技术的发展，成为科学研究的有力工具。在第一台激光问世 不久，1 9 6 1 年就有人提出了激光调q 概念。调q 就是调节激光器的q 值，即在 激光器泵浦的初期，先让谐振腔处于低q 值状态，腔内阈值很高，激光器暂时不 满足振荡条件，在抽运脉冲的激励下，工作物质上能级不断积累粒子，获得很高 的反转粒子数密度，在适当时刻再迅速增大谐振腔的q 值，此时反转粒子数密度 远远大于阈值反转粒子数密度，受激辐射迅速增大，激光振荡达到很高的峰值功 率，同时反转粒子数迅速被消耗殆尽，脉冲很快结束，这样就获得具有更窄脉冲 宽度和更大峰值功率的巨脉冲。也就是把激光能量压缩在纳秒量级的脉冲中发射， 使激光的峰值功率提高了几个数量级。 调q 技术的种类繁多，按控制方式可分为主动调q 和被动调q 两种。 1 3 1 主动调q 谐振腔内损耗的改变完全由外部驱动源控制，与腔内激光的强弱和泵浦能量 的大小无关。常用的主动调q 技术包括机械调q 技术、声光调q 技术和电光调 q 技术等。 ( 1 ) 机械调q 技术 在机械调q 中，最常用的是转镜调q 。转镜调q 就是利用改变激光谐振腔中 两反射镜的平行度来控制谐振腔的q 值的调q 方法。此方法既直观又简易，但是 装置稍复杂。在调q 激光器发展初期，转镜调q 所需的光学材料及电机既简易又 易于获取，被最早投入使用。现在，转镜调q 在激光性能及经济效益方面无法跟 其它调q 方法相比。不过c 0 2 激光器现在仍可应用转镜调q 。转镜调q 开关结构 较为简单，成本也不高。但调q 重复率较低，噪声大，寿命较短，需要经常维修。 ( 2 ) 声光调q 技术 5 i l j 东人学硕士学位论文 超声波属于纵向机械疏密波，超声波在介质内传播时，介质的密度随之变化， 介质的介电常数发生变化，从而影响光在其中的传播特性，使介质产生弹光效应， 这种弹光效应即声光效应。声光效应引起的折射率的周期性变化，使这时材料相 当于光学相位光栅，从而改变透射光传播方向，此时谐振腔处于高损耗状态，激 光晶体在此期间不断积累能量。当停止施加超声波时，谐振腔变为低损耗状态， 产生激光输出。声光调q 具有调制电压较低，重复率高( 可达到几十k h z 甚至上 百乜) ，输出稳定的优点，但输出脉冲宽度较宽( 一般在几十到数百纳秒) ，开 关能力差，单程消光比很低，故声光开关不能运用在高增益大功率的激光器中。 ( 3 ) 电光调q 技术 沿晶体某一方向施加电场时，使晶体内传播的光波的双折射情况发生变化， 表现为晶体折射率的大小发生变化，不同偏振方向的光即寻常光与非寻常光之间 产生位相差，从而使光的偏振面转动的现象，这种现象称为光电效应。其中折射 率的变化和外加电场成正比的电光效应称为线性电光效应或普克尔( p o c k e l s ) 效 应，折射率的变化和电场强度平方成正比的电光效应成为克尔( k e r r ) 效应。电光 调q 一般利用线性电光效应实现q 值突变。优点在于可由电子学方法精确控制且 寿命长，缺点是半波电压较高，高压脉冲对其它的电子线路易造成干扰。 ( 4 ) 腔倒空技术 腔倒空技术即先使普通激光器两端的反射镜反射率为1 0 0 ，等到腔内光子 数密度达到峰值时，迅速把输出镜的反射率从1 0 0 降为0 ，这就导致光能从腔内 迅速全部倒出到腔外。这种技术产生的q 开关的脉宽是振荡器腔长的函数，激光 脉宽等于光子在腔内往返一周的时间。 1 3 2 被动调q 被动调q 是利用某些物质对入射光有强烈的非线性效应而实现q 值调节的。 在抽运的初始阶段，由于谐振腔内自发辐射光强很小，饱和吸收体的透过率很低， q 值很小，不能实现激光输出，反转粒子数不断增加，增加到一定程度后，饱和 吸收体由于吸收饱和而呈现透明，q 值很大，实现窄而强的激光脉冲输出。可饱 和吸收晶体体调q 、可饱和吸收染料调q 、可饱和反射镜调q 和爆裂薄膜调q 等都属于这一类。被动调q 装置简单，输出脉宽窄，但稳定性较差，脉冲重复率 6 i j j 东人学硕f ：学位论文 不可控，且随着泵浦能量的变化而有较大的波动。目酶常用的固体可饱和吸收介 质有c r 4 + ：y a g 晶体、g a a s 晶片以及近几年半导体可饱和吸收镜( s e s a m ) 调q 【3 引。 ( 1 ) 有机染料 有机染料是早期的饱和吸收材料，技术己相当成熟，染料调q 开关的优点是 装置简单、成本低，但有机材料稳定性差、破坏阈值低、寿命短、易老化，且在 用于连续泵浦激光时需加循环冷却系统，所以其应用受到很大限制。 ( 2 ) c r 4 + ：y a g 作为一种新型被动q 开关，c r 4 + ：y ：a g 具有优良的性能，在o 9 1 2 岬波段具 有