（光学工程专业论文）ld泵浦nd：gdvo4晶体134um激光器的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 6 饱和吸收体总粒子数密度 泵浦常数 泵浦脉冲持续宽度 激光上能级寿命 脉冲氙灯泵浦能量 贮能电容 氙灯电极两端电压 真空中的介电常数 基频光单光子能量 普朗克常数 谐振腔的光学长度 反转因予 坳k f o 髟 c u 岛 枷壳 t r 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已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：j 年 日 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：黑车一导师签名：衄日 期：卫2 l 丝4 山东大学硕士学位论文 摘要 6 0 年代初，自激光的问世以及激光倍频效应发现以来，人们寻找新的波长的 激光光源的努力从未停止过。在现代信息社会，激光在我们的牛活中扮演着越来 越重要的角色。在光信息存储和传输、光盘技术、激光打印、彩色复印等领域， 红绿蓝( r g b ) 可见激光器起着十分重要的作用；在用作军事武器方面，大功率 的脉冲激光器起着重要作用。在医学领域，某些红外波段对人体是安全的，可以 用作激光手术。n d 掺杂的固体激光器仍是最重要的激光光源，也是通过倍频等频 率变化技术得到其它波长激光的基础 1 3 4 岬1 波长附近的激光由于与硅光纤低色散和低损耗的波长一致，所以与光 通信中广泛采用的硅光纤传输窗口相吻合，而且它的倍频又是得到红色激光的有 效途径，因此1 3 4 u m 区域的激光在激光医学、光纤通信、光传感定位和中红外 参量振荡的抽运源等领域有着广阔的应用前景。现在最常用的为掺n d 的y a g 、 y v 0 4 激光器。 n d ：g d v 0 4 晶体是由俄罗斯和德国科学家首先报道的一种新的激光材料。最 诱人之处在于该晶体具有高的热导率，是一种很有希望的中高功率激光器的重要 工作物质。本文对n d ：g d v 0 4 晶体的激光性能和调q 性能进行了实验研究，并取 得了一些成果，论文主要内容概括为： l 、介绍了全固态激光器的历史与发展、固体激光器的几种调q 技术、 n d ：g d v 0 4 激光晶体的工作性质以及与其它几种激光晶体的性质比较。 2 、简要介绍了声光调q 技术，在l d 端泵a 向牛长n d ：g d v 0 4 晶体1 3 4 岬 山东大学硕士学位论文 静态激光的基础上，利用声光调q 对1 3 4 岬的动态激光进行了实验研究。当声 光调q 器件重复率为5 k h z 时，获得的最短脉宽为1 7 0 n s ，此时的短脉冲能量为 4 4 8 u j ，峰值功率为2 5 6 w ，并且实验结果与理论分析相一致。 3 介绍了c o “：l a m g a l 。o ，。晶体的特性，并以c o ”：l a m g a l 。o 。饱和吸收体作为 q 开关，我们研究了高功率激光二极管泵浦的c 切n d ：g d v 0 4 固体激光器1 3 4 岬 的被动调q 。在最佳输出镜透过率t = 5 5 、泵浦功率1 1 5 w 下，静态输出功率 为3 0 1 w 。以c o ：l m a ( 初始透过率t 。= 9 0 9 6 ) 作为饱和吸收体，实现了其被动调q 的脉冲运转，其最短脉冲周期为3 2 n s ，最高输出功率为2 6 6 m w ，最高重复率和 峰值功率分别为2 7 7 k h z 、1 8 7 w 。 通过上述的理论和实验研究，对于n d ：g d v 0 。激光晶体的特性和其调q 特性我 们都有了一定的了解，对中高功率的1 3 4 岬调q 固体激光器具有一定的指导意 义和应用价值。 2 关键词：1 3 4 岬；l d 泵浦；n d ：g d v 0 4 晶体 山东大学硕士学位论文 b a s i n go ns t 砒i co u t p u to f ad i o d ep u m p e d1 3 4 肛ma c u tn d ：g d v 0 4l a s e r ，t h ed y n a m i c o u t p u tp r o p e n i e so ft h el a s e rq s w i t c h e db y aa oq s w i t c ha r ee x p e r i m e n t a l r e s e a r c h e d w h e nt h er e p e t i t i o nm t eo f t h ea 0q - s w i t c hj s5 k h z ，t h eo u t p u tp u l w i t h m ep u l s ew i d t ho fl7 0 n s ，t h ep u ke n e r g yo f4 4 8 灿甜dt h ep e a kp o w c ro f2 5 6 wi s o b 诅i n e d t h ee x p e r i m e n t a lm s u l l sa r cc o n s i s t e n tw i t ht h et h e o r e t i c a la n a l y s is 3 、w ei n v e s t i g a t e dah i 曲p o w e rd i o d e l a s e rp u m p e dp a s s i v e l yq s w k h e dc c u t n d ：g d v 0 4 1 d - s t a t el a r ，i 船i n ga t1 3 4 p m ，w i t l lac o z + ：l a m g a l ll o l 9s a t u r a b l e a b s o r b e lw i t ht 1 1 eo p t j m u mo u t p u tc o u p l e r 蛔n s m i s s i o n ，1 5 5 a n dp u m pp o w e ro f 1 1 5w ，t h es 诅t i co u t p u tp o w e ro f3 0 1ww a so b t a i n e d t h ep a s s i v e l yq s w i t c h i n g o p e r a t i o nw i t hc o ：l m a ( i 1 1 i t i a lt 砌s m i s s i o n 驴9 0 呦a ss a t 嗽b l ea b s o f b c r ，s h o w s t h a tt h es h o r t e s to u t p u tp u l s ew i d t h ，t h eh i g h e s to u t p u tp o w e r t l l eh i g h e s tp u l r e p e t i t i o n 锄dt h eh i g h e s tp u l s ep e a kp o w e rw e 陀3 2 n s ，2 6 6 m w ，2 7 7 k h z 卸dl8 7 w ， r e s p e c t i v e l y b yt h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，w eh a v eab e t t e ru n d e r s t a i l d i n gf o r t h eq s w i t c h e dm a t e r i a l ：n d ：g d v 0 4c f y s t a l t h e r ea r es o m ei n s t r i i c t i o n a ls i g n 讯c 帅c e 锄d 印p i i c a t i o nv a l u e sf o rm e d i a l 扑dh i 曲p o 、 惯1 3 4 p mp 船s i v e i yq s w i t c h e d a l j s o l i d s t a t ej a s e 4 k e y w o r d s ：1 3 4 岬；l dp u m p ；n d ：g d v o l 4c r y s t a l 山东大学硕士学位论文 第一章引言 自从六十年代激光器问世以来，固体激光器飞速发展，尤其是八十年代中后 期，随着激光二极管( l d ) 的问世，激光二极管泵浦的固体激光器( d p s l ) 由 于具有显著的优点逐渐成为人们注目的焦点。一些性能优良的全固态激光器已走 出实验室，走向商品化。在本章中，我们首先对全固态激光器的历史、发展进行 了回顾，然后对一些激光材料进行了比较总结。 1 1 全固态激光器的历史与发展 在固体激光器的发展史上，泵浦源的改善和革新起着重要的作用。1 9 6 0 年 t h m a i m a n 发明的红宝石激光器是用螺旋形氙灯泵浦的。以后改进为直管氙灯、 弧光氙灯等作泵浦源并一直沿用到现在。灯泵固体激光器有其严重的缺点：效率 低、寿命短、功率及频琦夏稳定性不好以及体积、重量大和结构复杂等。 自从1 9 6 2 年第一支激光二极管产牛以后，人们就产生了用激光二极管作为固 体激光器泵浦源的思想【l 】，1 9 “年美国m i t 林肯实验窒k e y s 【2 1 等人首次在实验室 条件下实现了这一想法。此后，由于激光二极管未能实现室温、长时问和大功率 运转，激光二极符泵浦固体激光器一直没有取得进展。直到1 9 7 2 年，室温下波长 匹配的全固态y a g 激光器才得以实现吼 8 0 年代以后，随着分予束外延( m b e ) 、金属有机物化学气相淀积( m o v c d ) 等晶体牛长新技术的日益成熟和量了阱结构的出现，使得l d 的阂值电流明显降 低，转换效率和输出效琦夏成倍增长，使用寿命也显著增长。另外，新量了阱材料 的发展使l d 的激发波长得到了很大的拓宽，在室温下，覆盖范围已扩展到从蓝 光到红外。高功率、高效率l d 的发展使全固态激光器从8 0 年代末起迈上了一个 山东大学硕士学位论文 新台阶，研究内容几乎涉及到了激光技术的各个方面：利用调q 和锁模技术可产 生峰值功率几十k w 的皮秒级超短脉冲；利用短薄片腔、环形腔或扭转模腔等方 法可实现激光器的单频运转；利用倍频、和频和参量等频率变换技术可获得更大 波段范围的激光输出。 进入9 0 年代以后，d p s l 的研究重点已经转向实用化和商品化。更深入的研 究则在倍频、和频、调q 、锁模和大功率等方面迅速展开，并不断的取得突破性 进展。 1 2 固体激光器的调q 技术 在激光测距、雷达、制导、激光加工和核聚变等技术领域中，都要求激光器 输出高峰值功率兆瓦级以上的光脉冲，正是为满足这种需要，调q 技术因而飞快 发展起来。 在激光技术中，品质因数q 与谐振腔的损耗相对应，定义为： q - 2 舭 腔内贮存的激光能量每秒损耗的激光能量 调q 就是调节激光器的q 值，即在激光器泵浦初期，把谐振腔的q 值调得 很小，使激光器暂时不满足振荡条件，在泵浦脉冲的激励下获得很高的反转粒子 数密度，再迅速调大谐振腔的q 值，此时由于反转粒了数密度远大于阈值反转粒 予数密度，激光振荡迅速建立，达到很高的峰值功率，同时，反转粒予数迅速被 耗尽，脉冲很快结束，因此可以得到具有窄脉冲宽度和高峰值功率的巨脉冲。常 用的q 开关可以分为主动式q 开关和被动式q 开关两类。 主动调q 开关就是采用一定的措施主动的控制谐振腔q 值的开关，从而达到 使q 值突变的目的，主动调q 技术具有高稳定性、高可靠性以及高可控性等优点， 然而由于需要外加脉冲高压源或高频驱动信号源，使激光系统变的较为复杂，成 本高。主动调q 技术包括：转镜调q 技术，电光调q 技术和声光调q 技术等。 8 山东大学硕士学位论文 被动调q 开关是利用某些物质对入射光有强烈的非线性效应而制成的q 开关，具 有价格便宜、运转可靠、结构简单等优点，在中小功率激光器中被广泛使用。例 如，可饱和吸收染料、b d n 染料片、c ，：y a g 、c 0 2 + ：l a m g a l l l o l 9 等材料都具有 对光的饱和吸收特性：当光强较低时，吸收系数很大，谐振腔内的q 值很低；当 光强逐渐增大至超过其饱和光强的阈值时，吸收系数迅速减小，谐振腔的q 值变 得很大，从而达到调q 目的，获得窄脉冲宽度、高峰值功率的巨脉冲。 1 3 激光二极管泵浦的激光工作物质的新进展 在激光器件发展过程中，另一个值得注意的重要问题就是研制与l d 泵浦相 适应的各种新型激光工作物质，以获得新的激光波长、更高的效率、更低的价格、 更适合于工业化生产以及调q 、锁模和倍频输出等。 一种优良的激光工作物质应该具有以下几个特点】： 1 优良的荧光和激光性能 为了获得较小的阈值和尽可能大的激光输出能量，一般要求材料在光源辐射 区交界有较强的有效吸收，而在激光发射波段上应无光吸收。要有强的荧光辐射， 高的量子效率，适当的荧光寿命和受激发射截面等。 2 优良的光学均匀性 晶体内的光学不均匀性不仅使光通过介质时波面变形，产牛光差，而且还会 使振荡闽值升高、激光效率下降，光束发散度增加。晶体的静态光学均匀性好， 即要求内部很少有杂质颗粒、包裹物、气泡、生长条纹和应力等缺陷，折射率不 均匀尽量小。晶体的动态光学均匀性好，就要求该材料在激光的作用下，不因热 和电磁场强度的影响而破坏晶体静态光学均匀性。 激光晶体还必须有良好的热稳定性。激光器在工作时，由于激活离了的无辐 射跃迁和摹质吸收光泵的一部分能量而转化为热能，同时由于吸热和冷却条件不 9 山东大学硕士学位论文 同，在激光棒的径向就会出现温度梯度，从而导致晶体光学均匀性降低。 3 良好的物理化学性能 要求热膨胀系数小，弹性模量大，热导率高，化学价态和结构组分要稳定， 还要有良好的光照稳定性等。还要求能容易制得大尺寸、光学均匀性良好的单晶， 易于加工。 随着l d 波段范围的扩展和输出功率的提高，使固体激光材料的研究和探索 出现了新的高潮。人们目前正在寻找更多的适合l d 泵浦的新型固体激光材料， 有些材料在固体激光发展初期已进行过研究( 如磷灰石结构晶体) ，但在灯泵时期 由于存在某些缺陷( 如难以得到大尺寸、热导性差等) 不能与y a g 、红宝石等竞 争而被放弃；l d 泵浦的激光晶体尺寸可以只是灯泵所用的l 2 0 或更小，由于光 谱匹配好，泵浦效率商，热效应也大大减小，因而使得激光晶体获得新生。 ( 1 ) n d ：y a g ：是最成熟的固体激光材料。目前其它各种材料的评价一般都与 n d ：y a g 进行比较。n d ：y a g 属立方结构，其绝大多数光学性质为各向同性；荧 光线窄，增益高，阈值低；机械强度高，热导性好，具有良好的光学质量。主要 缺点是n d 离了浓度掺杂高时会发生浓度促灭。 ( 2 ) n d ：y v 0 4 ：与n d ：y a g 相比，n d ：y v 0 4 有许多独特的优点。在l d 泵浦的 众多激光晶体中，它是n d ：y a g 的有力竞争者。 n d ：y v 0 4 晶体是锆英石结构，属四方晶系，是单轴晶体。在a 轴切割时其万 偏振( el ic ) 和盯偏振( e j _ c ) 的光谱特性具有明显差异，其最强吸收和最强辐 射都发牛在石偏振取向。n d ：y v 0 4 激光器输出万偏振，有利于腔内倍频效率的提 高。 n d ：y v 0 4 可以允许比n d ：y a g 掺入更多的n d 离予而不发牛浓度促灭效应， 在8 0 8 n m 附近的吸收系数能够达到n d ：y a g 的3 1 5 倍，有非常宽的吸收带。 n d ：y v 0 4 晶体在i 0 6 岬和1 3 4 岬l 波长处都具有较大的受激发射截面。在1 0 6 叩1 1 0 山东大学硕士学位论文 处，n d ：y v 0 4 受激发射截面盯约为n d ：y a g 的四倍。在1 3 4 岬处，n d ：y v 0 4 受 激发射截面远高于n d ：y a g 。主要缺点是热导率低，具有较为完善的解理面，机 械性能也不如n d ：y a g 好，在高功率下受到很大限制。 ( 3 ) n d ：s 心和n d ：s f a p ( n d ：s r 5 ( v 0 4 ) 3 f 和n d ：s r 5 ( p 0 4 ) 3 f ) ：是n d 掺杂磷灰 石结构激光晶体中的优秀者，属六方晶系，是单轴晶体，具有偏振光谱各向异性 特征；在1 0 6 岬处的受激发射截面和荧光寿命都很高，泵浦阈值较低，对连续 运转和调q 运转都很合适，激光性能优越。它们最大缺点是热导率低，容易出现 多畴，易开裂、机械性能差，适用于低阈值、小功率、高效率的d p s l 器件。 ( 4 ) n d ：g l 硒s ：在8 0 l n m 处具有宽的吸收光谱，是l d 泵浦的理想材料之一。 其荧光谱线宽，可产生锁模d p s l 超短脉冲；荧光寿命长，适于高功率脉冲运转； 光学质量好，损耗小，廉价，能均匀的进行大浓度掺杂而不会导致荧光促灭，能 制成各种形状的高质量大尺寸工作物质， 浦光纤激光输出。r 丰要缺点是热导率低， 应用受到一定的限制。 特别是可以制作激光光纤，实现l d 泵 限制了器件平均输出功率的提高，使其 n d ：g d v 0 4 晶体是由俄罗斯和德国科学家首先合成的一种新的激光材料【6 】，与 n d ：y v 0 4 有相同的晶体结构。n d ：g d v 0 4 因具有众多的优异特性而成为l d 泵浦 激光器的理想工作物质，它具有如下特剧7 。9 】：( 1 ) 在8 0 8 n m 附近具有宽而强的 吸收带，和商品化的g a a s a l 激光二级管发射波长相匹配。n d ：g d v 0 4 在8 0 8 n m 峰值波长吸收峰半宽为1 6 n m ，是n d ：y a g 的近2 倍；吸收截面是n d ：y a g 的7 倍之多，是n d ：y v 0 4 的近2 倍。( 2 ) 大的发射截面。n d ：g d v 0 4 在1 0 6 “m 的发 射截面为7 6 xl o 1 9 c m 2 ，是n d ：y a g 的3 倍多，与n d ：y v 0 4 相当；在1 3 4 岬的 发射截面也高于n d ：y a g ，与n d ：y v 0 4 相当。( 3 ) 长的荧光寿命。n d ：g d v 0 4 的 上能级寿命为l o o ，有利于存储能量。( 4 ) 高的热导率。n d ：g d v 0 4 的热导率为 1 1 7 w m o k ，比n d ：y v 0 4 和n d ：y a g 都高( 它们的热导率分别为5 4 和1 1 1 山东大学硕士学位论文 w m 。k 。) 。( 5 ) 可实现高浓度掺杂而不出现发光浓度促灭。( 6 ) 大的分凝系数。 n d 在g d v 0 4 中的分凝系数为0 7 8 ，而n d 再y v 0 4 中的分凝系数为0 “。大的 分凝系数使牛长光学质量均匀的晶体相对容易。这些优点使n d ：g d v 0 4 成为l d 泵浦激光器和高功率激光器的理想工作物质，近年来引起人们的极大兴趣，俄罗 斯、美国、德国、日本、瑞士、韩国等都在进行研究。 表1 1 几种n d 掺杂固体激光材料的性能参数 激光晶体辐射波长泵浦波长吸收带宽荧光寿命发射截面 ( n m )( n m )( n m )( 烛)( 1o - 1 9 c m 2 ) 9 4 6 n d ：y a g1 0 6 48 0 8o 82 3 02 4 1 3 1 9 n d ：y v 0 41 0 6 4 8 0 8 5 2 o9 8l o 7 n d ：s v a p1 0 6 58 0 9 61 62 1 55 0 n d ：s f a p1 0 5 8 88 0 5 2 1 62 9 85 4 1 3 2 8 n d ：y l f1 0 4 77 9 76 45 0 01 8 n d ：y a p1 0 7 98 0 01 7 02 o n d ：g l a s 8 1 0 5 38 0 l1 43 5 04 2 n d ：l s b1 0 6 48 0 831 1 8 1 3 n d ：g s g g1 0 6 l8 0 82 8 41 3 n y a b1 0 6 28 0 8 53 66 02 o n d ：m g ：l n 1 0 8 58 1 3 1 68 8 n d ：g d v 0 d1 0 6 48 0 8 51 6l o o7 6 山东大学硕士学位论文 偏振和石偏振) 。石偏振( e0c ) 吸收要远强于盯偏振( e j - c ) 吸收，并且石偏 振在8 0 8 5 n m 处的吸收峰是最强的。 1 4 ： 、一 x = 们 c o c 8 8 14 c 2 0 w a v e i e n g t h n m ) 图1 1n d ：g d v 0 4 晶体的吸收光谱 图1 2n d ：g d v 0 4 晶体的8 5 0 1 4 0 0 n i n 之问的荧光光谱 山东大学硕士学位论文 参考文献 【l 】 r n e w m a l l ，j a p p l p h y s ，、，0 1 3 4 ，p p 4 3 7 ，1 9 6 3 【2 】r j k e y e s ，e ta 1 ，a p p lp h y s l e t t ，、，0 1 4 p p 5 0 ，l9 6 4 【3 】 h gd a n i e l m e y e r ，e ta 1 ，j a p p l p h y s ，v b l 4 3 p p 2 9 1 1 ，1 9 7 2 4 】a a k 枷i n s k i i ，l a s e rc r y s t a i ，s p r i n g e r - v e r l a 舀b e r l i nh e i d e l b e 唱1 9 8 1 【5 】a a k 锄i n s k i i ，p h y s s 协t s 0 1 ( a ) ，v o i 9 p p 1 4 8 ，1 9 9 5 【6 】a 1 z a g i l m e n n y i ，v g0 s 们哪o v ，e ta 1 ，s o v j q u a n t u me l e c t r o n ，v 0 1 2 2 p p 1 0 7 1 1 9 9 2 【7 】z h 粕gh u a 的i n ，m e n gx 锄l i n ，l i uj u n h a i ，c ta 1 ，“g m 、v t ho fl o w l yn dd o p e d g d v 0 4s i n g l ec r y s 协la n di t sl 嬲e rp r o p e r t i e s ”，【j 】j c r y s t a lg r o w t h ，v 0 1 2 1 6 ，p p 3 6 7 2 0 0 0 【8 】 tj e n s e n ，v go s t o u m o v ，j p m e y n ，e ta 1 ，“s p e c t r o s c o p i cc h a r a c t e r j z a t i o na n d l a s e rp e r f - o r n l a n c eo f d i o d e - l a s e r p u m p e dn d ：g d v 0 4 ”，a p p l e dp h y s i c sb ，、，0 1 5 9 ， p p 3 7 3 ，1 9 9 4 【9 】p a s t u d e n i k i n ，a i z a g u m e n n y i ，y d z a v a n v ，e ta 1 ，“g d v ( ) 4 雏an e w m e d i u mf o rs o l i d - s t a t el a r s ：s o m eo p t i c a ia n dt h e n l l a lp r o p e n i e sl a r s ：s o m e o p t i c a l 帅dt h e 咖a lp r o p e n i e so fc r y s t a l sd o p e dw t hc d 3 + ，t m 3 + ，扑de r 3 + i o n s ”， q u a n t u me l e c t r o n i c s ，v 0 1 2 5 ，p p 11 6 2 ，1 9 9 5 1 6 山东大学硕士学位论文 第二章l d 泵浦的声光调q1 3 4 “mn d ：g d v 0 4 激光器 半导体激光器泵浦技术丰要有两种：一种为端面泵浦( e n d - p u m p i n g ) ，又 称为纵向泵浦( 1 0 n g i t u d i n a l i yp u m p i n g ) ，另一种为侧面泵浦( s i d e p u m p i n g ) 。在 侧面泵浦方式下，只有在高功率连续激光器或准连续激光器中，才能实现t e m 0 0 【”。 侧面泵浦宜于获得高功率输出，因为激光介质可利用的泵浦体积很大。在端面泵 浦方式下，泵浦光可被有效的耦合进激活介质的t e m 0 0 模体积内，即实现泵浦光与 振荡光的空间模式匹配，从而大大提高激光器的转换效率。当工作于t e m 0 0 模状态 时，典型的端面泵浦激光器的效率比侧面泵浦激光器高出一倍以上【2 卅。此外，与 侧面泵浦相比，端面泵浦容易获得高质量的t e m 0 0 模输出。 声光调q ：该技术是利用光通过介质中超声场时，由于衍射造成光偏折来控 制激光器的q 值。由于声光开关的调制电压较低，容易与连续激光器配合而获得1 6 0 k h z 高重复牢的巨脉冲，且稳定性好。但其开关能力较差，输出脉宽较宽，一般 在几十到数百纳秒。但在许多领域如：激光遥感、测距、雷达、对光源的丰要要 求是高重复率和高峰值功率，对脉冲宽度要求并不十分严格。因此，声光调q 仍是 获得巨脉冲的重要手段。l d 泵浦的全固态声光调q 激光器，体积小，使用方便，是 更具有实用化的新型激光器件。 对于连续泵浦的内腔式倍频、参量振荡等非线性激光器件，往往需要准连续 运转来提高腔内的峰值功率。声光调q 是目前获得准连续运转激光器的重要途径。 本章中在l d 端泵a 向生长n d ：g d v 0 4 晶体1 3 4 岬静态激光的基础上，利用声 光调q 对1 3 4 u m 的动态激光进行了实验研究。当声光调q 器件重复率为5 k h z 时，获得的最短脉宽为1 7 0 f l s ，此时的短脉冲能量为“8 山，峰值功率为2 5 6 w 。 山东大学硕士学位论文 2 1 实验装置 实验装置如图2 1 所示。谐振腔采用平一凹腔，腔长约1 3 0 m m 。凹镜m 靠近 泵浦端的一面镀8 0 8 n m 增透膜，靠近n d ：g d v 0 4 晶体的一面镀8 0 8 n m 增透膜和 1 3 4 p m 全反膜，曲率半径为2 5 0 m m 。平面镜m 2 为对1 3 4 m 部分透过的输出镜。 泵浦源为光纤束耦合输出的半导体激光器系统，输出激光中心波长为8 0 8 n m ，数 值孔径n a = 0 2 2 ，光纤输出光束经聚焦系统后的泵浦光斑半径约为0 3 3 m m 。激 光晶体n d ：g d v 0 4 的掺杂浓度为o 5 2a 1 ，尺寸为4 4 2 5 m m 3 ，两通光面镀 1 3 4 m 增透膜。晶体侧面用铟箔包裹置于紫铜块内，并用半导体致冷器冷却控温 在2 09 c 。 o d t l c s 图2 1 激光器实验装置图 声光调q 器件的作用长度为2 0 m m ，两通光面镀1 0 6 p m 增透膜，对1 3 4 m 透过牢为9 6 5 ，调制重复率l 4 0 k h z 可调，中心频率为7 0 m h z ，驱动电功率 为2 3 w ，电脉冲上升时间为8 n s ，下降时间为1 4 n s 。声光器件靠近输出镜放置以 减少渡越时间。输出的脉冲激光能量用l p e 1 b 型功率计( 中科院物理所) 进行 测量，激光脉冲波形使用美国j u d s o nt e c h n o l o g i e s 公司牛产的锗探测器( 响应波 长范围8 0 0 一1 8 0 0 n m ) 及美国t e k t m n i x 公司牛产的t d s 3 0 3 2 b 型示波器进行测量。 1 8 山东大学硕士学位论文 2 2 静态激光性能 将图2 1 中的声光调q 器件移去，对于透过率分别为7 、1 1 和1 5 的输出 镜，图2 2 绘出了激光输出能量随输入泵浦能量的变化关系。由图2 2 可以看出对 不同透过率的输出镜，激光能量随泵浦能量基本上都是线性增加的。在整个泵浦 功率范围内，利用透过率为7 的输出镜所得到的1 3 4 “m 激光输出功率和斜率效 率均高于其他两个输出镜，而且阈值泵浦功率最低，为1 3 8 5 w 。对于一定的谐振 腔，输出耦合透过率有一个值使得输出功率达到最大。这个值由下式给出【5 1 ： 乙= 嚣万一l 扛 ( 1 ) 式中，7 知是输出耦合透过牢；勘为增益系数；，为增益介质长度；为谐振腔损 耗。对于本实验7 的透过率较为接近这一最佳透过率，使得输出曲线效率较高。 由于阈值泵浦功率匕和输出镜的反射率r 有如下关系【6 】： 驴时争l n ( ( 2 ) 其中为当r = 1 时的激光器阈值泵浦功率，拶为谐振腔的腔内往返损耗。从公 式( 1 ) 中可以看出输出镜反射率越大，输入泵浦功率闽值越低，所以透过率为7 的输出镜的阙值泵浦功率最低。当泵浦功率为4 7 6 w 时获得最大连续激光输出 功率为0 8 l l w ，对应的光一光转换效率为1 7 ，斜率效率为2 4 。当继续增加泵 浦功率，由于激光晶体中严重的热透镜效应使谐振腔进入非稳定区，激光的输出 功率趋向饱和。当输出镜透过率为1 1 和1 5 时，获得的最大激光输出功率、相 应的光一光转换效率、斜率效率分别为o 7 0 3 w 、1 4 8 、2 2 和o 6 0 6 w 、1 2 7 、 2 0 5 。 山东大学硕士学位论文 图2 2 小同透过率下1 3 4 “m 激光输出功率与泉浦功率的关系 2 3 声光调q 激光- 眭能 声光调q 的1 3 4 mn d ：g d v 0 4 激光器的实验装置如图2 1 。根据静态实验的 结果，我们选用透过率为7 的平面镜作为输出镜，在不同的调q 重复率( 5 k h z 、 l o k h z 、2 0 k h z 、3 0 k h z 、4 0 k h z ) 下，研究了其激光输出性能。图2 3 给出了不 同重复率下输出功率和泵浦功率的变化关系。由图2 1 3 可以看出，对应同样的泵 浦功率，在较高的重复率时，平均输出功率也较高，斜率效率也较高。在重复率 为4 0 k h z 泵浦功率为4 7 6 w 时，获得最大平均输出功率0 3 8 7 w ，转换效率为 8 2 ，斜效率为1 5 9 。图2 4 为在不同的调q 重复率下，脉冲宽度随泵浦功率 的变化关系曲线图。从图2 4 可以看出，在重复率一定时，脉宽随泵浦功率的增 加而减小；在同样的泵浦功率下，脉宽随重复率的增大而增大。在重复率为5 k h z ， 泵浦功率为4 7 6 w 时，得到最短脉宽为1 7 0 1 1 s ，图2 5 为该脉冲的示波器记录的 波形。实验中激光为单模输出，激光器连续运转5 分钟，激光输出功率和调q 波 形保持稳定。 山东大学硕士学位论文 n d d e n tp u m pp o w e r ( w ) 图2 3 不同重复率下，平均输出功率与泵浦功率的关系 i n d d e mp u m pp o w e r ( w ) 图2 4 不同重复率下，脉冲宽度与象浦功率的关系 2 l ；e一-；o口ln暑。口a粤m) 山东大学硕士学位论文 图2 6 不同重复率下，单脉冲能晕与泵浦功率的关系 图2 7 不同重复率下，峰值功率和泉浦功率的关系 2 4 本章小结 就我们所知，国内我们首次对声光调q 1 3 4 “mn d ：g d v 0 4 激光器进行实验研 究。声光器件对1 3 4 “m 的透过率仅为9 6 5 ，a 向生长的n d ：g d v 0 4 晶体的通光 山东大学硕士学位论文 方向为2 5 m m ，尽箭这为1 3 4 l l m 激光的腔内振荡带来损耗，但对静态激光仍旧获 得了1 7 的光一光转换效率和2 4 的斜率效率。在声光器件重复率为5 k h z 时， 泵浦功率为4 7 6 w 时，得到的脉冲宽度为1 7 0 n s 。实验研究表明，对准连续的 1 3 4 u mn d ：g d v 0 4 激光器，声光器件的重复率是影响脉冲宽度、单脉冲能量和峰 值功率的最重要因素，重复率低容易得到短的脉冲宽度和高的峰值功率，这与理 论分析相吻合，另外，脉冲宽度也将随与输入功率的增大而减小。由于输出镜透 过率种类的限制，我们用透过率等于7 的输出镜研究了声光调q 准连续运转， 得到的这些规律对于声光调q 准连续运转1 3 4 mn d ：g d v 0 4 激光器的应用具有 一定指导意义。 参考文献 【l 】 vk u s h a w a i i a ，y c h e n ，“d i o d ee n d - p u m p c dh i g h e 瓶c i e n c yn d ：y a g1 a 辩r ， a p p l p h y sb ，、，0 1 5 9 ，p p 6 5 9 ，1 9 9 4 【2 】r b u m h 锄，a k h a y s ，“h i 曲一p o w e rd i o d e a r r a y - p u m p c d 悯u e n c y - d o u b l e dc w n d ：y a gl a s e r ，o p t l c t t ，、，0 1 1 4 ，p p 2 7 ，1 9 8 9 f 3 】 f h a n s o n ，d h a d d o c i ( ，“l a 辩rd i o d es i d ep u m p i n go fn e o d y m i u mi a rm d s ”， a p p l o p t ，、，0 1 2 7 ，p p 8 0 ，1 9 8 8 【4 】r s c h e p s ，“e 衔c i e n ti a rd i o d e - p u m p e dn dl a 硌”，a p p l o p t ，、白1 2 8 ，p p 8 9 ， 1 9 8 9 【5 】【美】w 克希耐尔，固体激光工程，第五版， 北京：科学出版社，p p 9 2 - 9 3 19 9 9 f 6 】杜晨林，秦连杰，孟宪林等，“l d 抽运高功率连续波1 3 4 肛mn d ：g d v 0 4 激光 器研究”，中国激光，v b l3 0 ，p p 6 8 l ，2 0 0 3 【7 】刘敬海，徐荣甫，激光器件与技术，【m 】北京理工大学出版社，p p 1 6 l ，1 9 9 5 山东大学硕士学位论文 i 3 4 印1 的吸收系数分别为5 7 9 c m 。1 ( 1a t c o ：l m ax 2 ) ，6 2 7 c m 。1 ( 1a t c o ：l m a x 3 ) ，3 _ 3 2 c m 1 ( o 5 a t c o ：l m ax 2 ) 和6 2 7 c m 1 ( 0 5 a t c o ：l m ax 3 ) 。可以看出，吸 收系数几乎与c 0 2 + 的浓度呈线性关系。 3 - 2 实验装置 图3 2 为实验装置图。平一凹腔的长度为3 5 m m 。泵浦源为商品化的光纤耦 合激光二极管阵列( o p c d 0 3 0 一8 0 9 一f c h s ) ，在输出中心8 0 8 n m 处的最大输出功率 为3 0 w 。会聚系统的数值孔径n a = o 2 5 ，光束在激光介质上的会聚点直径约为 8 0 0 n m 。后镜m 1 是曲率半径为2 5 0 m m 的平凹透镜，入射平面镀8 0 8 n m 增透膜， 凹面镀8 0 8 n m 高透膜和1 3 4 岬高反膜。m 2 为双平透镜，用作输出耦合镜。实 验使用了1 3 4 岬透过率分别为2 、5 5 和7 的三个输出镜。激光介质为n d 3 + 离子掺杂浓度为o 5 2a 1 的c 切向n d ：g d v 0 4 晶体，其尺寸为3 3 5 m m 3 。为消 除泵浦光所产生的热量，激光介质以铟箔包覆并放置于由热一电制冷器制冷的铜 块中。用作调q 器件的可饱和吸收体c o ：l m a 晶体的c 0 2 + 离子的掺杂浓度为o 5a t ，其尺寸为3 3 o 5 m m 3 ，初始透过率为t o = 9 0 ，并端面镀1 3 4 岬增透膜。 该晶体放置于靠近输出镜处以使其能有效地调制输出光。 m 1 7 一 门1 l 一 n d g d 恤 。 c ol 0 0 t i c s 图3 2 动态工作时的试验装置示意图 山东大学硕士学位论文 实验中输出功率的测量使用了l p 一3 b 激光功率计( 中国科学院研制) ，输出脉 宽使用了t e k t r o n i xc o r p ( u s a ) 牛产的t d s 3 0 5 2 5 0 0 删z 示波器进行实时记录。 另外，为了抑制4 毋口一4 乃f 詹能级问的跃迁振荡，输出镜具有1 0 6 岬光大于9 0 的有效透过率。 3 3n d ：g d v 0 4 晶体静态激光性能 在图3 2 中撤去c o ：l m a 晶体就可以对其静态运转情形进行研究。 图3 ：3 静态输出能量随泵浦能量的变化曲线 图3 3 给出了输出功率随泵浦光功率的变化关系。普遍规律都是输出功率随泵 浦功率的增大而增大，但在泵浦功率达到定大数值后输出会出现饱和现象。输 出镜透过率为2 时，激光器最易起振，泵浦闽值为o 7 4 w 。这是因为低的输出 透过率更易在腔内积聚能量。然而它的输出功率却是很低的。对于输出镜透过率 为7 和5 5 的情形，二者具有相似的输出特性，但在相同的泵浦功率下，前者 却具有振荡阈值低和输出功率高的优势，图3 4 单独给出其输出功率与泵浦功率 关系曲线及其线性拟合，斜率效率可达3 5 8 。 山东大学硕士学位论文 静态 o2681 01 2 i n c i d e | tp a w 町f w ) 图3 4 静态7 三7 时输出功牢与泵浦功率的关系曲线及线性拟合 3 4 以c o ：l m a 作为q 开关n d ：g d v 0 4 晶体动态激光性能 z h a n g 等人在文献 3 中对n d ：g d v 0 4 晶体的吸收与荧光特性进行了深刻的 研究。n d ：g d v 0 4 晶体具有很强的偏振性吸收和荧光特性。 对c 切向的n d ：g d v 0 4 晶体，它的有效受激发射截面为。上【1 2 1 。事实上，n d ：g d v 0 4 晶体的。上是小于o 的。但激光介质的大的受激发射截面在良好的被动q 调制运转 中并非优势。 体现理想q 调制的判据是：可饱和吸收体应在激光介质的增益饱和前首先达到 饱和( 第二阈值条件) 【13 1 。我们可利用如下公式去分析优良的被动q 调制1 4 1 ： ，n h 去 垒，j ，_ 盯4 s l 一 其中：而是饱和吸收体的初始透过率，爿朋s 是振荡光在增益介质和可饱和吸收体 中的有效面积之比，r 是输出镜的反射率，三是非饱和时腔内往返耗散光学损耗， 口西是饱和吸收体的基态吸收截面，口是增益介质的受激发射截面，y 是反转因| 了、 拍 = 3 ” ：2 ” ：宝 一兰l避舌与f30 山东大学硕士学位论文 将会出现饱和情形。 图3 6 给出的是输出脉冲宽度和脉冲重复率随泵浦功率的变化关系。当泵浦功 率为9 8 7 w 时，我们得到了最小的输出脉冲宽度为3 2 施，脉冲峰值功率为7 6 w 。输 出脉冲重复率随泵浦功率增加缓慢增大，具有一定的线性特征。正如c h e n 【幢l 对c 切向n d ：y v 0 4 讨论一样，而输出脉冲宽度地变化情形却与其略有不同。在最小脉 宽时的重复率则为4 6 k h z 。 图3 6 脉冲宽度和重复率与泵浦功率的关系曲线 图3 7 输出峰值功率与泵浦功率的关系曲线 山东大学硕士学位论文 、5 5 和7 的三个输出镜进行。实验得到了静态运转时的最佳输出透过率为7 。动态研究采用的输出镜透过率为5 5 ，并对1 3 4 岬初始透过率为9 0 、8 5 和7 0 的三个c o ：l m a 晶体片分别进行实验。结果表明只有r f 9 0 的c o ：l m a 晶 体片实现了被动q 调制，并对此情形下的输出特性进行了研究。 参考文献 【l 】s f