（光学工程专业论文）泵浦光在激光介质中的分布及腔匹配的研究.pdf

摘要 摘要 激光二极管泵浦的固态激光器( 全固态激光器) 以其结构紧凑、体积小、 寿命长、效率高等一系列优点，近年来获得了迅猛发展。 本文介绍了全固态激光器的发展历程，不同泵浦方式和激光晶体的优缺点， 阐述了全固态激光器设计的基本理论，其中速率方程理论中的交叠效率是优化 激光器参数的理论依据。 由于全固态激光器的输出功率和输出激光质量与激光介质的增益分布相关 联，本文采用光线追迹和光强矩阵的方法对侧面泵浦和端面泵浦条件下激光介 质的增益分布特性进行了系统研究，并根据其增益分布的特点对谐振腔进行了 设计和优化。 采用光线追迹和光强矩阵的方法对激光二极管线阵直接侧面泵浦条件下的 增益分布进行了模拟计算，讨论了泵浦距离、吸收系数、镀反射膜、水冷装置、 多个l db a r 等间距均匀环绕泵浦等系统参数对增益分布的影响。提出了使用泵 浦光与振荡光的交叠效率来定量评价泵浦结构参数设计，得出了激光二极管线 阵越靠近激光介质越好的结论。为了进一步提高泵浦光与谐振腔振荡光基模的 交叠效率，设计了微柱透镜将泵浦光的发散角压缩到6 。，交叠效率提高到 2 4 5 。在对侧面泵浦平凹腔的优化设计中发现增加腔长和凹面镜的曲率半径可 以提高泵浦光与腔基模的交叠效率。 采用同样的方法首次模拟了光纤耦合的圆对称泵浦光单端面、双端面泵浦 n d ：y v 0 4 激光晶体块内部的增益分布和泵浦光光斑变化曲线。根据激光介质内 泵浦光光斑的变化曲线，设计了单端、双端泵浦的谐振腔分别为腔长8c m 、凹 面镜的曲率半径为2m 的平凹腔和腔长1 8c l l l 、凹面镜的曲率半径为2 m 的对称 双凹腔。在此基础上，计算了单端面、双端面泵浦光与谐振腔振荡光基模的交 叠效率，分别为7 7 5 和8 2 8 。 通过比较侧面泵浦、端面泵浦激光器的交叠效率，得出了端面泵浦激光介 质内泵浦光与谐振腔振荡光基模的交叠效率好于侧面泵浦的结论。 关键词：侧面泵浦端面泵浦增益分布光线追迹光强矩阵交叠效率 a b s t r a c t a b s t r a c t d u et oc o m p a c t n e s s ，s m a l ls i z e ，l o n gl i f e t i m e ，h i g he f f i c i e n c ya n do t h e r a d v a n t a g e s ，l 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 ( a l l s o l i d s t a t el a s e r ) h a sm a d eg r e a t p r o g r e s si nr e c e n ty e a r s t h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fa l l s o l i d - - l a s e rw a si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r , a sw e l l a sm e r i t sa n dw e a k n e s so fd i f f e r e n tp u m p e dp a t t e r na n da c t i v ec r y s t a l s t h e n , b a s i c t h e o r i e so fa 1 1 - s o l i d - - l a s e r , s u c ha sr a t ee q u a t i o nt h e o r ya n do s c i l l a t o rt h e o r y , w e r e p r e s e n t o v e r l a p p i n ge f f i c i e n c yp r o v i d e d t h e o r e t i c a lp r o o ff o rl a s e rd e s i g na n d o p t i m i z a t i o n b e c a u s et h eo u t p u tp o w e ra n db e a mq u a l i t yo fa l l s o l i d - s t a t el a s e rh a v eac l o s e r e l a t i o n s h i pw i t hg a i nd i s t r i b u t i o no fl a s e rm e d i u m ，t h eg a i nd i s t r i b u t i o ni nl a s e r c r y s t a l ss i d e - p u m p e do re n d - p u m p e db yl a s e rd i o d ew e r es y s t e m a t i c a l l ys t u d i e du s i n g t h er a yt r a c i n gm e t h o da n dl i g h ti n t e n s i t ym a t r i xm e t h o d t h e n , t h eo s c i l l a t i n gc a v i t y w a sd e s i g n e da n do p t i m i z e di na c c o r d a n c ew i t hg a i nd i s t r i b u t i o n i nt h ec a l c u l a t i o no ft h ep u m p i n gl i g h td i s t r i b u t i o ni ny a gr o dd i r e c t l y s i d e - p u m p e db yd i o d e ，t h ee f f e c to fv a r i o u ss y s t e mp a r a m e t e r s ，s u c h a sp u m p d i s t a n c e ，a b s o r p t i o nc o e f f i c i e n to fa c t i v em e d i u m ，r e f l e c t i v ef i l m ，c o o l i n gs y s t e m ， m u l t i - d i o d e u n i f o r m l ys u r r o u n d i n gp u m pa n ds oo n , o ng a i n d i s t r i b u t i o nw e r e d i s c u s s e d o v e r l a p p i n ge f f i c i e n c y w a sp r o p o s e dt oe v a l u a t eq u a n t i t a t i v e l yl a s e r d e s i g n l a s e r - d i o d e b a rs h o u l d b ep l a c e dt oy a gr o d 嬲c l o s ea sp o s s i b l e m i c r o c y l i n d r i c a l l e n sw a sd e s i g n e dt or e d u c el d sd i v e r g e n c ea n g l et o6 0 ，t h e o v e r l a p p i n ge f f i c i e n c yw a se n l a r g e dt o2 4 5 o v e r l a p p i n ge f f i c i e n c y c o u l db e f u r t h e re n l a r g e db yi n c r e a s i n gc a v i t yl e n g t ho rr a d i u so fc u r v a t u r ei nt h ed e s i g na n d o p t i m i z a t i o no ft h eo s c i l l a t i n gc a v i t y t h e g a i n d i s t r i b u t i o ni ny v 0 4 c r y s t a lb l o c k s ，s i n g l e - e n d p u m p e d o r d o u b l e - e n d - p u m p e db yt h ec i r c u l a rs y m m e t r yp u m p ，w e r e s i m u l a t e du s i n gt h es a m e m e t h o d ，a sw e l la st h ec u r v eo fp u m ps p o tr a d i u s t h et y p ea n ds p e c i f i cp a r a m e t e r so f o s c i l l a t i n gc a v i t yw e r e 百v e n , a c c o r d i n gt o t h ec u r v eo fp u m ps p o tr a d i u s t h e i i a b s t r a c t o v e r l a p p i n ge f f i c i e n c i e s i n s i n g l e - e n d p u m p e da n dd o u b l e e n d - p u m p e ds i t u a t i o n w e r e7 7 5 a n d8 2 8 ，r e s p e c t i v e l y a sac o n c l u s i o n , t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ee n d - p u m p i n gi sb e t t e rt h a n s i d e - p u m p i n gi np a t t e r nm a t c h i n g ，a f t e rt h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h eo v e r l a p p i n g e f f i c i e n c i e so f b o t hp u m pp a t t e r n s k e yw o r d s ： s i d e p u m p ，e n d p u m p ，r a yt r a c i n g ，l i g h ti n t e n s i t ym a t r i x ， o v e r l a p p i n ge f f i c i e n c y i i i 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 蘸曩怕 。 籼0 8 年占月8 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年 月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含 任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉 及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本学 位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 诲县韶 z 。宕年，月汐e l 第一章绪论 第一章绪论 激光作为2 0 世纪人类的重大科技发明之一，对人类的生活产生了广泛而深 刻的影响。从第一台红宝石激光器问世以来，激光技术的发展非常迅猛。激光 技术在科学研究和国防建设等领域发挥了重要作用，已经成为现代科学技术乃 至社会发展进步的重要支柱之一。 本章简要介绍了全固态激光器及其发展历史、全固态激光器的泵浦源、全 固态激光器的泵浦方式、全固态激光器的工作物质及非线性光学材料。 第一节全固态激光器概述 激光二极管泵浦的固体激光器( d i o d ep u m p e ds o l i ds t a t el a s e r , 简称d p s s l 或d p l ) 是用激光二极管( l a s e rd i o d e ，简称l d ) 或激光二极管阵列( l a s e rd i o d e a r r a y ，简称l d a ) 代替闪光灯泵浦固体激光介质的激光器，也称为全固态激光 器( a 1 ls o l i ds t a t el a s e r ) 。它集合了固体激光器和半导体激光器两者的优点：结 构紧凑、体积小、能量转换效率高、寿命长等。但它最吸引人的地方是能够输 出单频、高稳定性、高功率、高光束质量的激光光束。可以说它拓宽了激光技 术的应用领域，从而成为当今激光领域的最令人瞩目的研究热点之一。 1 1 1全固态激光器的发展历史 2 0 世纪6 0 年代是全固态激光器的萌芽时期。1 9 6 0 年，在第一台红宝石激 光器诞生的同时，科学家就意识到了激光二极管泵浦代替闪光灯泵浦固体激光 材料的潜在的优势。但是由于当时二极管的寿命短、效率低、阈值高、常温下 发射光谱不能与增益材料的吸收峰相对应等半导体工艺上的限制，实用的全固 态激光器没有出现。1 9 6 2 年第一支g a a s 激光二极管【1 2 】问世，两年后美国m i t 林肯实验室的k e y e s 和0 u i s t e 3 】用g a a s 二极管泵浦c a f 2 ：u 3 + 晶体，实现了波长为 2 6 3g m 的准连续( q u a s i - c w ) 激光输出。但是当时的l d 必须冷却才能获得 激光输出，因此整个实验是在液氦冷却的环境中进行的。1 9 6 8 年，麦道宇航公 司实现了第一台l d 泵浦的n d ：y a g 激光器【4 】，但为了实现波长匹配，也必须把 l d 冷却到1 7 0 k 。 第一章绪论 2 0 世纪7 0 年代，半导体生长工艺仍然没有实质性突破，激光二极管依旧必 须低温冷却，再加上自身低功率、低转化效率的限制，大大延缓了全固态激光 器的发展，所以说，2 0 世纪7 0 年代是全固态激光器的缓慢发展时期。这一时期 d p s s l 的研究工作主要在n d ：y a g 激光器的设计、探索新的激光增益介质和光 纤激光器等方面取得了明显的进展。1 9 7 1 年f o s t e r m a y e r s , 6 f f jg a a s pl e d 阵列 在室温下泵浦n d ：y a g ，得到了1 4 m w 的10 6 4 n m 的激光输出。j a c k s o n 和r i c e l 7 用高重复频率短脉冲l d 侧面泵浦n d ：y a g 得到了准连续激光输出r o s e n k r a n t z 8 】 在1 9 7 3 年首次报导了脉冲l d 端面泵浦实验，并给出了与实验结果相符的阈值 能量表达式。科学家进行了大量的实验，发现了几种新的固体激光增益材料， 其中最具有代表性的是n d p s o l 4 ( n p p ) 和l i n d p 4 0 1 2 ( l n p ) 。1 9 7 4 年b e l l 实验 室的s t o n e 和b u r r u s 州首次实现了l d 端面泵浦的掺钕硅的光纤激光器。在1 9 7 8 年他们又实现了单晶光纤激光器【lo 】。总体来说，在整个七十年代里，全固态激 光器基本上没有太大的进展，输出功率最高也只有几十毫瓦的水平。 进入八十年代以后，l d 吸收了半导体物理研究的新成果，采用了量子阱( q w ) 和应变量子阱( s l o w ) 等新结构，同时还发展了分子束外延( m b e ) 、金属有机物化 学气相淀积( m o c v d ) 等晶体生长技术的新工艺，使得l d 的阈值电流明显降低， 转化效率显著提高、输出功率急剧增加，使用寿命大大延长。l d 的发展也打破 了二极管泵浦固体激光器的停滞状态，使全固态激光器的发展进入了一个蓬勃 发展的时期。1 9 8 2 年，k u b o d e r a 和n o d a n 门首次使用g a a l a s 量子阱l d 泵浦 l i n d p 。0 。：( l n p ) 晶体，获得了1 3pm 、1 4 m w 的单纵模激光输出。值得一提的是， 周炳琨n 2 3 等人在1 9 8 5 年用不需要水冷的l d 泵浦n d ：y a g 整体腔( 腔镜直接镀在 y a g 棒的两端) 得到了稳定度比闪光灯高一个数量级的激光输出。这一时期内， 科研工作者们也进行了大量的有关全固态激光器倍频的实验工作。 2 0 世纪9 0 年代至今是全固态激光器的飞速发展时期。这个时期的全固态激 光器不再受到作为泵浦光源的半导体激光器的输出功率和波长匹配等因素的限 制，再加上l d 的价格已经降到了可以接受的水平，因此发展非常迅猛：在不到 二十年的时间内，其输出功率从毫瓦量级迅速达到了万瓦的量级；其激光波长 也得到了极大的发展，目前已经能够覆盖从紫外的2 0 0 n m 左右到中红外的5 l am 左右的很宽的波长范围；而且又出现了光纤激光器，上转换激光器、自倍频激 光器、波导激光器等新型的全固态激光器。目前l d 泵浦固体激光器的主要发展 方向是：高功率输出、可见波段输出、紫外波段输出。 2 第一章绪论 在中小功率范围内，l d 泵浦的固体激光器已经在逐步取代灯泵浦的固体激 光器、可见和紫外时激光器；在大功率范围内，千瓦量级的l d 侧面泵浦固体 激光器正向大功率的灯泵浦固体激光器和横流轴流c 0 2 激光器提出挑战。由此 可见，全固态固体激光器正在成为主流激光器，并最终获得更大的发展。 1 1 2 全固态激光器的优秀特性 从第一台红宝石激光器问世以来，固体激光器一直是众多激光器中的倍受 关注的对象。由于七、八十年代固体激光器大多使用传统的闪光灯作为激励能 源，使得固体激光器出现了低效率和热效应等诸多问题，从而使其研究和应用 受到了很大的限制。八十年代中后期，随着激光二极管性能的迅速提高，使得 全固态激光器表现出了效率高、稳定性好、寿命长等许多优秀特性，兼备了激 光二极管和固体激光器的双重优点。 与传统的灯泵浦固体激光器相比较，全固态激光器( d p s s l ) 具有以下优点： 1 较高的转换效率。如图1 1 所示：与闪光灯的发射带相比，激光二极管 的发射带与激光介质的吸收带之间存在很好的光谱匹配，再加上泵浦光模式可 以很好地与激光振荡模式相匹配，从而产生很高的泵浦效率。事实上，闪光灯 的辐射输出能量与输入电能之间的转换效率( 7 0 ) 远高于激光二极管的辐射输 出能量与输入电能的效率( 2 5 - 5 0 ) 。然而不同激光介质吸收带的吸收能量只是 闪光灯辐射能量的很小一部分。激光二极管的输出波长是可以选择的，在特定 固体激光器中，可以使其全部处于吸收带中，总体效率可提高近1 0 倍。 第章绪论 圈11 激光= 极管和泉浦“的技射谱及n d ：y a g 晶体的吸收谱 2 较好的光束质量。由于二极管泉浦固体激光器的高转换效率，减少了激 光工作物质的热透镜效应，进而_ 人大改善了激光器的输出光束质量激光光束 质量已接近理论极限m 2 = l ，在纵向泵浦( 端面泵浦) 时町以产q ，近f 衍射极 限、近于理想t e m o o 模强度分布的输出。 3 更南的频率稳定性和更窄的线宽。由于l d 发射带和激活介质的吸收带完 全匹配，这样激光晶体可以不再吸收其它无用的辐射，熟效应大大减少，极人 地降低了冷却要求。作为泵浦源的l d 输出功率稳定性很高，泵浦功率的波动对 线宽的影响人大降低，使得l d 泵浦的固体激光器具有更高的频率稳定性和更窄 的线宽。目前使用新型单块非平面环形腔可以使输出激光线宽最窄做到3 k j - l z ， 远远优于闪光灯泵浦的1 2 0 k h z 的最窄线宽。单频输出的l d 泵浦全固态激光 | 频率漂移小于1 0 k h z ，输出功率波动小于1 。 4 寿命长、性能可靠。在固体激光器系统寿命和可靠性能方面激光二极 管泵浦都要优于闪光灯泵浦。在连续工作时，激光极管阵列的寿命达到】5 0 0 0 小时以e ，而普通n 光灯的甲均寿命只有5 0 0 小时。激光二极管的泵浦能量稳 定性好，比 j 光灯采浦优一个数量级。 5 ，有利于新型激光材料的应用。激光极管泵浦的大多数激光材料也可以 使用闪光灯泵浦，然而许多激光材剩如n d ：y v 0 4 、y b ：y a g 和t m ：y a g 等，只 暮三一，一06 第一章绪论 在激光二极管的泵浦作用下才能显示其独特的优势。 6 有利于科研工作人员的健康。弧光灯泵浦时会出现有害人体健康的高压 脉冲、高温和紫外辐射，而使用激光二极管泵浦时没有这些潜在危险。 与激光二极管l d 相比较，全固态激光器( d p s s l ) 具有以下优点： 1 窄线宽。由于l d 的腔较短以及镜片的反射率较低，导致腔寿命小，相比 之下d p s s l 的腔寿命可达到激光二极管的1 0 3 数量级，因此l d 的线宽很宽， 通常为0 0 2 2n l f l ，而d p s s l 的线宽通常只有达到0 0 0 1 - 4 ) 0 1 r i m 。再加上d p s s l 输入的波长漂移量很小，采用环形腔结构等方式可以获得窄线宽甚至单纵模的 激光输出。 2 高峰值功率。d p s s l 由于其激光介质上的能级寿命比较长，其能量储存 能力远高于l d ，因此可以得到了高峰值功率的调q 激光脉冲输出。 3 小发散角。l d 的p n 结腔结构决定了输出光的发散角比较大，垂直于 p - n 结的方向的发散角大约为4 0 。，而平行于p n 结的方向的发散角约为1 0 。， 因此光束质量和模式都比较差，需要复杂的耦合系统和准直系统才能满足实际 的激光应用要求。而d p s s l 的发散角比较小，尤其是端泵浦的d p s s l 很容易 实现基横模的激光输出。 4 高稳定性。l d 的输出波长随着温度的升高而增长，漂移量为0 2 o 3 r i m ，而d p s s l 受环境的影响比l d 小的多，稳定性也比l d 提高了很多。 5 可制成多种新波长器件和特种器件。d p s s l 通过使用不同的激光介质以 及非线性光学频率变换技术，可以得到多种新的激光波长。d p s s l 的波长覆盖 范围比l d 宽，可以覆盖到从紫外光到中红外光的光谱范围，而且其输出功率比 单个l d 要大；同时d p s s l 可以有如双波长、可调谐等特种器件。而l d 的频 率不易调节，限制了它的应用范围。 采用激光二极管( l d ) 泵浦的全固态激光器( d p s s l ) 以其效率高、体积小、光 束质量好等诸多优点，在众多的激光技术中异军突起，成为当前激光技术研发 的热点之一。 第二节全固态激光器的光泵浦系统 全固态激光- g , $ ( d p s s l ) 利用了激光二极管( l d ) 的发射波长与激光增益介质 的吸收峰在光谱上相匹配的特点，使得泵浦能量更多地被用来增加反转粒子数， 5 第一章绪论 使其泵浦效率得n t 极大的提高，同时还减少了热效应并改善了输出激光的光 束质量。可以说，用激光二极管( l d ) 作为泵浦源是激光泵浦技术中的一项重要 突破，推进了激光应用技术的进一步发展。 1 2 1 全固态激光器的泵浦源l d 和l d a 全固态激光器( d p s s l ) 的发展是与激光二极管( l d ) 的发展息息相关的。早在 2 0 世纪6 0 年代初，科学家们就提出了用波长在8 0 0 r i m 9 0 0 n m 的半导体光器件 作为固体激光器泵浦源的设想。但是由于当时的半导体工艺还比较落后，实用 的全固体激光器装置没有出现。直到8 0 年代，随着高功率、高效率激光二极管 ( l d ) 及其阵列( l d a ) 的发展，全固态激光器r ( d p s s l ) 才蓬勃发展起来。 全固态激光器( d p s s l ) 泵浦源的核心部件是激光二极管( l d ) 及其阵列 ( l d a ) 。 按照时间占空比可将l d 分为三类：脉冲激光二极管( p u l s el a s e rd i o d e ) 、准 连续激光二极管( q c wl a s e rd i o d e ) 和连续激光二极管( c wl a s e rd i o d e ) 。准连 续激光二极管的输出方式是脉冲式的，只不过它的时间占空比比一般的脉冲激 光二极管大。通常将时间占空比大于l 的脉冲激光二极管称为准连续激光二极 管。连续激光二极管的输出方式是连续的，时间占空比为1 0 0 。 按照空间相干性又可将激光二极管分成两部分：相干激光二极管和部分相 干激光二极管。相干激光二极管是在平行于p - n 结和垂直于p n 结两个方向上 都呈现单模特征。这类l d 主要应用于光存储、光读取、光通讯、卫星通讯等领 域。部分相干激光二极管则只在垂直于p - n 结的方向上呈现单模特征，而在平 行于p - n 结的方向上呈现多模特征。它的应用范围包括泵浦n d ：y a g 固体激光 器、激光焊接、红外照明和l 临床医学等领域。 目前的l d 都是在p n 结侧面发射激光的，其光谱的半宽度为2 3 n m ，波长 的温度变化率约为o 2 o 3 r i m 。l d 发射的光束为像散椭圆高斯光束，如图1 2 所示：在快轴平面内的发散角大约为4 0 。8 0 。，而在慢轴平面内的发散角大约为 10 。 6 第一章绪论 图1 2 激光二极管( l d ) 发射光束的空间分布示意图 目前在连续激光二极管泵浦固体激光器的应用中存在的主要问题是提高输 出功率。我们可以通过下面两种方法来提高l d 的输出效率： 1 增加发光面积，有效地降低发光面上的功率密度，这样就能够通过提高 泵浦电流的方法来得到更高的输出功率。 2 将多个单管的l d 组成一维或二维的激光二极管阵列( l d a ) ，这样也能够 极大地提高输出功率。 1 2 2 全固态激光器的泵浦方式 对全固态激光器( d p s s l ) 而言，除激光二极管( l d ) 技术外，还有多项关键 技术制约着它的发展，其中泵浦耦合技术就是大功率d p s s l 技术的一个难点。 它主要研究l d 发出的泵浦光束在固体晶体中的激光振荡区域内的空间耦合。 泵浦光从l d 或l d a 出射，经过光学系统聚束，再按照一定的方式耦合到 激光增益介质内。d p s s l 的泵浦方式就是指泵浦l d 光束与激光束的交叠方式。 目前大致可以分成三种【l 列：端面泵浦( e n d p u m p i n g ) 、侧面泵浦( s i d e - p u m p i n g ) 和紧缩折叠式泵浦( t i 曲f l yf o l d e dp u m p i n g ) 。每种泵浦方式都有自己的适用范围、 优缺点，不同的泵浦方式对应的全固态激光器的性能也各不相同，所以说泵浦 方式的选择对于设计全固态激光器具有非常重要的意义。本小节将根据相应的 全固态激光器实例逐一讨论这三种泵浦方式的优缺点。 7 第一章绪论 1 2 2 1 端面泵浦 端面泵浦，也叫做纵向泵浦，是指激光二极管( l d ) 发射的泵浦光从激光增 益介质的端面入射进入工作物质的一种泵浦方式，其典型结构如图1 3 所示。 l d 或l d a 发射的光束沿着光学谐振腔的轴向泵浦，光束被聚焦在增益介质的 一个很小的体积内，这样泵浦光束和谐振腔模的激发空间就能够很好地重叠在 一起，模式匹配良好，这样就容易得到光束质量好的激光输出。空间重叠程度 也直接影响光泵浦的效率。同时，纵向泵浦时光在入射方向上得到较长距离的 介质吸收，有利于泵浦光被充分吸收。所以端面泵浦的全固态激光器泵浦效率 高，输出激光光学质量好，易于单模激光输出。正是因为端面泵浦的这些优点， 在l d 泵浦固体激光器的初期，科研工作者大部分都使用这种泵浦方式。 图1 3 端面泵浦模型图 当然，端面泵浦方式也存在着缺陷：缺陷之一表现在泵浦光的耦合技术上， 因为谐振腔内激光横模场横向尺寸十分有限，要把数目很大的激光二极管( l d ) 及其列阵( l d a ) 发射的光聚焦到激光介质端面不是一件容易的事情；另一个缺 陷是关于增益介质的热效应：在小的泵浦空间中产生的无用热量会在激光介质 中造成热透镜效应，从而使光束产生畸变，降低了光束质量。 针对端面泵浦中暴露出的泵浦光的耦合技术难题，科学家们也发展了许多 端泵耦合技术。下面我们简单地介绍几种典型的端面泵浦耦合结构： ( 一) 光纤耦合的二极管端面泵浦结构【1 4 1 。图1 4 是光纤耦合激光二极管端 面泵浦n d ：y a g 激光器示意图。这种耦合方式能够获得良好地端面泵浦效果。 首先将每个l d a 发出的光耦合到一根独立的光纤中，然后再通过光学系统将泵 浦光汇集到激光介质中。它的优点是改善了输出光束的不对称性，增加了泵浦 光与激光模式的交叠，从而提高了泵浦效率。另外采用这种耦合方式，对光学 系统的要求不高，甚至可以直接通光纤把泵浦光耦合到激光介质内来实现端面 第一章绪论 泵浦耦合。 图1 4 光纤耦合激光二极管端面泵浦n d ：y a g 激光器示意图 ( 二) 自聚焦微透镜耦合结构 15 1 。自聚焦微透镜r s e l f o cm i c r ol e n s ：s m l ) 又称为渐变折射率透镜( g r i nl e n s ) ，也就是平时所说的自聚焦光纤。它本身是 一种折射率径向变化的柱透镜。泵浦光在其中传播时由于折射率的变化而连续 折射最终会聚。如图1 5 所示：l d 发出的泵浦光首先通过自聚焦微透镜线阵准 直，再用非球面透镜会聚进入工作物质，实现端面泵浦。 f 研 图1 5 利用自聚焦微透镜线阵准直的l d 端面泵浦原理图 ( 三) 柱透镜、球面镜和非球面镜系统【16 1 。图1 6 的光学系统是由两个柱透 镜、球面镜和非球面镜组成。此耦合系统可以通过柱透镜l l 和l 2 把l d 的快慢 9 第一章绪论 轴发散角压缩到大致相同的角度，从而容易实现大功率端面泵浦。 l 埘 ul 2哺l 4 图1 6 柱透镜、球面镜和非球面镜组成的端面泵浦耦合系统 ( 四) 微柱透镜和透镜导管耦合系统 1 7 ，18 1 。其结构如图1 7 所示。用透镜导 管( l e n sd u c t ) 会聚泵浦光实现端面泵浦是一种简单而有效的手段。它是一种非 成像光学元件，其输入面是球面，侧面和输出面都为平面。它利用球面的会聚 和侧面的全反射，将发射截面很大的二极管阵列发射的泵浦光会聚起来，从截 面较小的一端输出。针对l d 快轴的发散角较大的特点，使用微柱透镜阵列对其 进行预压缩，一般可以将快轴方向约4 0 。的发散角压缩到1 0 。甚至更小。压缩 后的快慢轴发散角差不多，这样也有利于模式匹配，从而容易得到光学质量好 的激光输出。 h e a ts i n k l e n sa r r a y k 争广 q卜f 卜一n d 一：w 一0 4 u t c h i n g l s e 图1 7 微柱透镜和透镜导管作为端泵耦合系统的试验示意图 1 0 第一章绪论 另外还有许多端泵耦合技术，由于它们的试验装置比较复杂，同时也不具 有代表性，在此就不再一一介绍。 端面泵浦的全固态激光器的输出功率比较有限，大部分都是中小功率。影 响其输出功率的因素除了上述的泵浦光耦合方面的技术难题外，更为主要的就 是增益介质的热效应。泵浦光沿增益介质轴向的传输过程中积聚的热量不能够 得到及时的释放，使得增益介质产生了较大的畸变，从而导致激光输出光束质 量的下降。为此科学家们开始研究侧面泵浦，因为侧面泵浦为增益介质的散热 和泵浦光的耦合提供了更大的面积，这样有利于全固态激光器的大功率输出。 1 2 2 2 侧面泵浦 侧面泵浦，也叫做横向泵浦，是指激光二极管( l d ) 发射的泵浦光从激光增 益介质的侧面入射进入工作物质的一种泵浦方式，其典型结构如图1 8 所示。 这种泵浦方式是提高全固态激光器输出功率的重要途径之一。侧面泵浦中为泵 浦耦合和增益介质的散热提供了比较大的表面面积，再加上可以通过增加增益 介质的长度来提高激光的输出功率，因此侧面泵浦全固态激光器的输出功率都 比较大，可以很容易获得几十瓦的激光输出。 增透膜 高反射镜 切 图1 8 侧面泵浦模型图 合镜 侧面泵浦条件下，工作物质既可以是圆棒、半圆棒，也可以是板条或其它 形状。 侧面泵浦方式同样也有缺点：泵浦光与激光基模的模式匹配差，容易形成 多模振荡，光束质量也不好；泵浦效率低，般只有1 0 2 5 。 这里可以分析一下侧面泵浦效率低的原因。侧面泵浦时，泵浦光在沿着增 第一章绪论 益介质的径向传输。在传输的过程中，增益介质对泵浦光的吸收随着传输距离 的增加而指数下降，所以泵浦光在到达增益介质中心之前已经被大量地吸收， 这样就导致激光增益介质内靠近l d 的区域对泵浦光的吸收比较充分，反转粒子 数a n 就比较大，而增益介质中心对泵浦光的吸收比较少，反转粒子数a n 就比 较小。然而激光产生的振荡区域是在增益介质的中心区域，增益介质表层的光 容易溢出腔外形成损耗，从而大大降低了泵浦效率。另外激光增益介质对泵浦 光的不均匀吸收也使得它很难实现良好的模式匹配，从而形成多模振荡。进一 步降低了t e m o o 模式输出的效率。 为了改善增益介质对泵浦光的吸收从而获得良好的激光输出模式，本论文 在第三章做了许多工作。 1 2 2 3 紧缩折叠式泵浦 由前面的讨论可知，端面泵浦和侧面泵浦方式各有优点，同时也都有缺点。 为了综合二者的长处而克服它们的缺点，t h o m a sm b a e r t l 9 】等人提出了一种全新 的设计思想紧缩折叠式泵浦方式，如图1 9 所示。 上面讨论时提到过，端面泵浦时泵浦光传播方向与激光腔腔轴方向一致， 模式匹配比较容易实现，可以达到较高的泵浦效率并获得良好的输出模式，但 是由于增益介质的热效应，输出功率受到了很大的限制；而侧面泵浦时泵浦光 传播方向垂直于腔轴方向，但为泵浦耦合和增益介质的散热提供了较大的表面 面积，可以得到较大功率的输出，但是泵浦效率低，输出激光的光学质量也不 好。紧缩折叠式泵浦方式的设计非常巧妙：从泵浦光方向与激光振荡的取向来 看，尽管二者存在着一定的夹角，但角度很小，接近于端面泵浦方式，容易实 现模式匹配；而从l d 与激光介质的相对位置来看，有类似于侧面泵浦，散热性 好，可以获得高功率输出。这样看来，这种泵浦方式兼顾了端面泵浦和侧面泵 浦的优点，同时又克服了它们的缺点。 1 2 第一章绪论 图1 9l d 紧缩折叠式泵浦激光器结构示意图 n g3 在设计全固态激光器的过程中，应该根据实际要求来选择合适的泵浦方式。 对于中小功率激光器，一般采用端面泵浦方式；而对于大功率激光器，这需要 根据泵浦l d 的特性和对输出光束的要求来决定采用什么样的泵浦方式。 第三节全固态激光器的激光晶体 科学家对固体激光器晶体材料的研究一直就没有停歇过。随着激光二极管 代替闪光灯做泵浦源，固体激光器领域掀起了研究全固态激光器的新潮。科研 工作者在重新评估原有激光晶体性能的同时，也加紧了探索新型激光晶体的步 伐。 良好的全固态激光器激光晶体必须具有尖锐的荧光谱线和与泵浦l d 相对 应的强吸收带。目前，l d 泵浦的激光晶体材料主要有两大类：第一类是以稀土 离子为激活离子，第二类则是以过渡金属离子为激活离子。 1 3 1 掺杂稀土离子的激光晶体 1 3 1 1n d 3 + 类激光晶体 掺n d 3 + 类激光晶体中的激活离子n d 3 + 的吸收峰与g a a sl d 辐射光谱重合， 比较适合用作l d 泵浦的增益介质。n d 3 + 离子可以在很多基质材料中掺杂并构成 不同的离子电子组态。他们在吸收谱和发射波长上仅有微小的差别，而在其它 第一章绪论 的物理化学性质方面则有较大的不同。下面将对全固态激光器中常用的n d ”类 激光晶体做一简单介绍。 ( 一) 掺钕钇铝石榴石晶体 掺钕钇铝石榴石( n d ：y 3 a 1 5 0 1 2 ) 的简称是n d ：y a g ，它具有优越的光谱和激 光特性，是目前最常用和研究最完善的一种固体激光晶体。其基质材料y 3 a 1 5 0 1 2 具有良好的物理化学和机械特性：机械强度高，导热性好并且具有良好的光学 质量。部分y 3 + 离子被n d ”离子代替，便形成了n d ：y a g 。一般掺杂比在1 a t ( 即 1 0 0 个y 3 + 离子中有一个被n d ”离子取代) 左右，此时颜色呈淡紫色。 n d ：y a g 主要的吸收带有五条：0 5 3p a n 、0 5 8 岬、o 7 5 岬、0 8 0 8 岬和o 8 7 p m 。最主要的吸收带是o 7 5l a i n 和o 8 0 8p m ，其中o 8 0 8g r n 的吸收带最强。可 见该激光材料的吸收峰正好与g a a sl d 的辐射光谱重合，且吸收光谱较宽，使 得激光增益高、阈值低。室温下最强的荧光谱线是1 0 6 4n i n 。目前，大部分倍频 器件、连续波器件、调q 器件等都用n d ：y a g 作为激光介质。到目前为止， n d ：y a g 仍然是最好的高效、高功率的激光晶体。 ( 二) 掺钕钒酸钇晶体 掺钕钒酸钇晶体n d ：y v 0 4 是一种与n d ：y a g 有竞争力的激光晶体。与 n d ：y a g 相比，n d ：y v 0 4 的一些光谱性质更适合l d 泵浦：在8 0 8n n l 附近有较 高的吸收系数，是n d ：y a g 的3 5 倍，这样可以使用短腔而有利于获得单纵模激 光输出；吸收光谱宽，在8 0 9n l l l 波长存在很强的宽吸收带而且其吸收带宽变化 不大，这样可以放宽对泵浦l d 的要求；在1 0 6p a n 和1 3 2p a n 处具有较大的受 激发射截面，是n d ：y a g 的两倍，泵浦阈值低：同时，它是一种高双折射晶体， 易产生偏振光，这样就可以避免n d ：y a g 出现的热致双折射现象。当然，n d ： y v 0 4 也有缺点：荧光寿命较短，只有n d ：y _ a g 的4 2 ；导热性、机械性能比 n d ：y a g 差，限制了它在高平均功率全固态激光器中的应用。 ( 三) 其它掺钕类激光晶体 n d ：y l f ( 掺钕氟化钇锂) 也是很好的激光晶体。由于这种材料中n d ”的荧光 谱线宽，是y a g 中的三倍，有助于产生窄脉宽超短脉冲输出。n d 3 + 荧光寿命是 y a g 的两倍，即使l d 功率较低仍能有效存储能量，可产生大功率调q 脉冲。 它是单轴晶体，有两个主要跃迁波长：1 0 5 3 岬和1 0 4 7 岬。对于兀偏振光 ( e c ) ，1 0 4 7p a n 跃迁的增益系数是1 0 5 3p m 跃迁的1 1 倍。而对于。光( e 上c ) ，1 0 5 3 岬跃迁是1 0 4 7 岬跃迁的两倍。兀偏振1 0 4 7i n n 的增益截面是6 1 4 第一章绪论 偏振1 0 5 3 岬的1 5 倍。可以采用一个腔内偏光镜从每次跃迁中选择两种波长 之一，而且偏振光输出可以减小热致双折射影响。但该材料的热导率较低、机 械性能较差，不宜用于高平均功率激光器。它的吸收线宽只有2 n m ，与l d 发射 光谱宽度相当，激光输出强烈依赖于l d 的结温变化，导致对l d 温度控制的要 求比较严格。 钕玻璃在8 0 01 1 1 1 1 处具有较宽的吸收光谱，可以产生较短的锁模脉冲，荧光 寿命长，存储能量多，适于高功率脉冲运用，在灯泵浦时经常使用这种材料。 它具有光学性质好、损耗小、价廉等优点。但是钕玻璃的主要缺点就是热导率 比较低( 比n d ：y a g 低约一个数量级) 。在当今流行使用发热比较集中的l d 或 l d a 泵浦的时代，它的这个缺点大大限制了它的应用。 n d ：y a p ( 掺钕铝酸钇) 的性能与n d ：y a g 很接近，属斜方晶系，晶体内的 光增益是各向异性的。它的荧光带宽比y a g 稍宽，有可能得到更短的脉冲。受 激发射截面是y a g 的2 4 倍，因此发光效率较高。但较难生长出高质量的晶体， 再加上热透镜效应比较严重，从而限制了它的推广应用。 多晶n d ：y a g 陶瓷为粉红色透明晶体，是近年研制出来的新型激光晶体。 这种陶瓷作为激光介质，许多物理化学特性和光学特性与单晶y a g 十分相似， 同时他还具有较小的散射损耗，较大的尺寸，独特的复合结构和更优良的掺杂 特性，因此它更加适合于高功率、高效率微片激光器。 另外，掺n d 3 + 的激光增益材料还有很多种，限于篇幅的问题我们不再一一 介绍。 1 3 1 2 掺镱类激光晶体 与n d 3 + 离子相比，n b 3 + 能级结构比较简单( 2 f 7 2 2 f s 2 ) ，荧光寿命长( 约 为n d 3 + 同种材料寿命的三倍) ，量子效率高( 约为9 0 ) ，因此它更适合于l d 或l d a 泵浦。另外它的吸收波长为9 4 0 m ，适合于l d 泵浦，激光输出波长为 1 0 5 p r o ，因此在泵浦和提取光子能量之间的量子亏损非常低，斜效率比较高， 从而导致低热