（光学工程专业论文）ld泵浦绿光小功率全固态连续激光器及其驱动源的研究.pdf

摘要 随着半导体激光技术和固体激光材料的飞速发展，采用半导体激光器作为泵浦源的 全固态激光器为固体激光技术带来了一次革命性的突破，自上个世纪未以束半导体泵 浦固体激光器( d i o d ep u m p e ds o li d - s t a t el a s e r ，d p s s l ) f 在成为激光研究领域中 的一个重要课题。半导体泵浦固体激光器以其结构紧凑、整体性强、转换效率高、光 束质量好、输出稳定、使用寿命长等一系列优点，在科研、国防、航空航天、生物医 药、光谱分析、工业生产、信息科学和娱乐文化等领域同益得到广泛深入的应用。 论文依据对d p s s l 模型的理论分析，结合激光晶体与倍频晶体特性设计了可根据 d p s s l 工作条件调整的单管半导体端泵浦系统和平凹直腔与腔内倍频的稳定高效连续 单管端泵浦d p s s l 结构。论文还研究设计了最大驱动电流可达7 a ，电流输出峰峰纹波 仅为0 1 5 的d p s s l 高稳定恒流驱动源，可以满足功率单管半导体激光器和新型单 管串联集成半导体激光模块驱动要求，驱动源具有开机关机电流缓变保护、限流保护 等自保护功能，而且在驱动源中还研究设计了外控模拟调制和t t l 方波调制接口，可 以接受0 5 v 模拟信号对激光器输出功率的模拟调制，和外控t t l 方波调制频率达 2 0 k h z 。并采用这种高稳定恒流驱动源驱动功率单管半导体激光器作为泵浦源，研制出 了单管l d 端泵浦腔内倍频5 3 2 n m 绿光激光器，在1 6 7 的高光一光转换效率下得到了 输出功率稳定性达2 5 7 的3 5 0 m w 连续激光输出。 关键词：d p s s l 恒流驱动端泵耦合倍频 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fl a s e rm a t e r i a la n dd i o d el a s e rt e c h n o l o g y , t h ed i o d ep u m p e d s o l i d s t a t el a s e r ( d p s s l ) i sb e c o m i n go n eo fs i g n i f i c a n ti t e mi nt h el a s e rr e s e a r c h i n gf i e l d d p s s lh a sal o to f a d v a n c e dc h a r a c t e r i s t i cs u c ha sc o m p a c t i n gs t r u c t u r e 、s t a b i l i z a t i o n 、h i g h e f f i c i e n c y 、h i g hb e a mf a c t o r 、l o n gl i f e t i m ee t c s ot h ed p s s l i sa p p l i e dt om o r ef i e l d ss u c h a ss c i e n c er e s e a r c h i n g 、w a ri n d u s t r y 、n a v i g a t ea n ds p a c e f l i g h t 、n a t i o n a ld e f e n s e 、b i o l o g ya n d m e d i c i n e 、s p e c t r u ma n a l y s i s 、i n f o r m a t i o na n dc o m m u n i c a t i o n 、c i r c u m s t a n c ep r o t e c t i n ga n d a m u s e m e n te t e b a s e do ft h e o r ym o d e lo fd p s s la n dc h a r a c t e r i s t i co fl a s e rc r y s t a l ，o c t a v ec r y s t a l st o d e s i g n st h eh i g he f f i c i e n c ya n da d j u s t a b l ec o u p l i n gf o c u ss y s t e mo f p u m pl i g h ta n dt h eh i g h e f f i c i e n c ys t a b i l i t yf l a t c o n c a v ea n df r e q u e n c y d o u b l i n gr e s o n a n c es t r u c t u r ef o rt h es i n g l e l a s e rd i o d ee n d p u m p e ds o l i ds t a t el a s e r a n dt h em a xc u r r e n to fd r i v e ri su pt 0 7 aa n dt h e p e a k p e a l r i p p l eo f c u r r e n ti sb l o w 士o 1 6 t h ep r o t e c tc i r c u i ti sd e s i g n e df o rl o n gl i f e t i m e o f l a s e rd i o d es u c ha so na n do f f d e l a yo f d r i v e r 、m a xc u r r e n tl i m i t e d 、r c v e t 鸵c u r r e n tl i m i t e d a n dm a xo p e r a t i n gt e m p e r a t u r el i m i to fl a s e rd i o d e i na d d i t i o n , t h ei n p u tc i r c u i to fa n a l o g a n dr r l m o d u l a t i n gs i g n a li sd e s i g n e di nt h i sd r i v e rf o rr e c e i v i n gt h ee x t e r i o rm o d u l a t i n g s i g n a l t h ee x t e r i o rm o d u l a t i n ga n a l o gs i g n a lc o u l db et h eo 5 vv o l t a g es i g n a la n dt h e f r e q u e n c yo fe x t e r i o rt t lm o d u l a t i n gs i g n a l c a nb e u pt o2 0 k h z t ou s et h ed r i v e rt h e o u t p u tp o w e ro f t h e1 6 ，7 h i 曲o p t i c s o p t i c st r a n s i t i o ne f f i c i e n c y5 3 2 n mg r e e nl i g h tl a s e ri s 3 5 0 m w t h ep o w e rs t a b i l i t yo f t h i sl a s e ri su pt o 士2 5 7 k e yw o r d s ：d p s s ls t a b i l i t yc o n s t a n tc u r r e n td r i v e re n d p u m pc o u p l i n gf o c u s f r e q u e n c y d o u b l i n g 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，( l d 泵浦绿光小功率全固态连续激 光器及其驱动源的研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究i 柞所取得 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 发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：2 丝! 皇堕年l 月生日作者签名：! 竖! ：堕年l 月驾日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解。长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：! 塾! 堡：! 笪年三月2 细 指导导师签 年一月一日 第一章绪论 随着半导体激光技术和固体激光材料的飞速发展，采用半导体激光器( d i o d e l a s e r ，l d ) 作为泵浦源的全固态激光器为固体激光技术带来了一次革命性的突破，自 上个世纪末以来半导体泵浦固体激光器( 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 ) 正在成为激光研究领域中的一个重要课题。d p s s l 以其结构紧凑、整体性强、密封性好、 工作稳定、转换效率高、光束质量好、输出稳定、使用寿命长等一系列优点在科学研 究、工业生产、信息科学、航空航天、国防科研、环境保护和娱乐文化等领域r 益得 到广泛深入的应用。而随着近年来非线性光学材料和激光变频技术的发展，使得d p s s l 的输出光谱范围进一步展宽，可以覆盖从紫外到红外的广阔波段。特别是激光倍频技 术( 二次谐波产生技术，s h g ) 为提供可见光波段高质量激光光源提供了发展的基础， 使得激光技术在医学、生物研究、光谱分析等领的应用也越来越广泛。 1 1 国内外研究与发展现状 半导体泵浦固体激光器是利用半导体激光器代替传统的闪光灯泵浦源泵浦固体激 光增益介质的激光器，而d p s s l 的发展是跟随半导体激光器和固体激光材料的发展而 发展的。 上个世纪6 0 年代，半导体激光器开始起步。在这一时期l d 只能在低温条件下运转， 且输出功率很低。1 9 6 3 年r n e w m a n 试验发现了半导体激光器发射波长和钕离子的泵浦 吸收带的光谱重叠可以得到高效激光输出，提出了用半导体激光器相干辐射针对n 矿 的吸收带泵浦来得到高效、结构紧凑的全固态激光器，当年r n e w m a n 用g a a s 半导体 激光器二极管8 8 0 n m 的辐射泵浦n d ：c a w o 得到1 0 6 4 n m 的荧光输出。1 9 6 4 年美国m i t 林肯实验室k e y e s 和q u i s t 成功的实现了第一台半导体激光二极管泵浦固体激光器， 这台d p s s l 是用半导体激光器泵浦u “：c a f ：在2 6 1 3 m m 波长运转的，整台装置被放在液 氮中。1 。上世纪6 0 年代末期，r o s s 在1 7 0 k 低温环境中用g a a s 的l d ( 8 6 7 n m ) 泵浦n d ：y a g 成功获得了激光输出，并对d p s s l 的优点作出了中肯的评述。在上世纪6 0 年代，虽 然人们已认识到l d 代替闪光灯作泵浦源具有效率高、结构紧凑的优点，但l d 在输出 功率、可靠性和使用条件等方面均还达不到作为固体激光器泵浦光源的要求，所以研 究报告很少。 上个世纪7 0 年代，c o n a n t 和r e n d 进行了l d 横向泵浦实验”1 ，实验仍然在低温下 进行。j a c k s o n 和r i c e 用短脉冲泵浦得到准连续输出情况”1 。f a r m e r 和k i a n g 比较全 面地研究了发光二极管( l e d ) 横向泵浦的情况”1 。r o s e n k r a n t z 报道了在室温下用l e d 泵浦n d ：y a g 实现激光输出。同一时期也有关于端面泵浦( 纵向泵浦) 的报导”1 ，在 低泵浦功率情况下，端面泵浦比侧面泵浦( 横向泵浦) 吸收长度大，斜率效率较高。 在试验研究的同时关于d p s s l 模型的理论研究也丌始起步，c h e s l e r 和s i n g h 在均匀分 布假设下用理论模型计算了l d 泵浦的阂值功率”1 。 上世纪7 0 年代中期，出现了几种新的固体激光材料新激光材料的掺杂高于n d ：y a g 而且不会引起激光上能级寿命的浓度淬灭，同时提高浓度可以在小模体积内使激光器 增益介质吸收更多的泵浦能量。第一个这样的材料是n d p 。o ( n p p ) “，但它的吸收峰在 5 8 0 n m 附近，并不在l d 的发射波长范围，故激光效率只达到7 3 。另一种激光材料 是l i n d p 。0 ：( l n p ) ，采用l d 泵浦时泵浦闽值功率为1 2 m w ，在波长1 0 5 m m 和1 3 2 m m 运 行时得到了2 m w 的输出功率“。其它还有采用l d 侧面泵浦光纤实现波导光纤激光器研 究的报道“”。可见在上个世纪7 0 年代，虽然在半导体激光二极管方面没有重大突破， 但d p s s l 的研究在n d ：y a g 以及新的激光器材料和波导激光方面取得了明显的进展。 上世纪8 0 年代，随着量子阱( o w ) 的出现，l d 的阈值电流减小连续或准连续功率 有了明显的提高，使d p s s l 的研究工作也上了一个台阶。k u b o d e r 和n o d a 首次用g a a l a s 量子阱泵浦l n p 得到了波长1 3 m m 功率1 4 m w 的单纵模激光输出“。1 9 8 4 年，l a i d i g 等采用分子束外延( m b e ) 晶体生长新工艺生长出应变层量子阱( s l _ q w ) ，从此l d 的功 率和效率有了极大的提高，强烈推进了d p s s l 的研究工作。上世纪8 0 年代初a 1l e w 及 其同事和s m i t h 及其同事还分别完成了室温l d 横向泵浦n d ：y a g 的实验”。1 9 8 5 年国 内清华大学周炳琨等用l d 泵浦n d ：y a g 整体腔得到了稳定度比闪光灯泵浦高一个量级 的激光输出“”。s i p e s 也报道了l d 泵浦固体激光器可以得到明显高于闪光灯泵浦的转 换效率“。1 9 8 7 年h a n s o n 用长脉冲的l d 横向泵浦n d ：y a g 得到了波长1 0 6 4 n m ，峰值 2 1 w 的激光输出”。同年r i c e 和k r e b s 用板条n d ：y a g 在l d 泵浦下得到波长1 0 6 4 n m ， 单脉冲能量1 7 0 m j 的长脉冲激光输出器电一光转换效率达到6 d a j 。另外r e e d 及其同事 用n d ：y a g 板条在脉冲l d 列阵泵浦下得到平均功率5 8 5 m w ，峰值功率7 0k w 的巨脉冲输 出啪1 。实验表明，晶体材料对泵浦源的吸收系数和吸收带宽以及激光上能级寿命的提 高可以有效的提高激光输出效率，因此这一时期研究人员也对类似n d ：y a g 的其他掺钕 固体激光材料进行了实验得到了相应的结果。f a n 等用上能级寿命比n d ：y a g 长两倍的 n d ：y l f 代替n d ：y a g 进行实验。“，发现泵浦阈值功率可以低于i m w 斜效率高达3 8 。 k o z l o v s k y 及其同事用n d 玻璃作了同样的实验“1 ，尽管非均匀加宽降低了受激发射截 面，但增加了吸收带宽，在单条l d 端面泵浦下得到了斜效率4 2 的激光输出。这一时 期还出现了另一种新材料是n d ：m g o ：l i n b o 。它现有n r 离子的受激发射性还有受主材料 的非线性光学性质，可兼作增益介质和倍频材料汹1 。为了得到不同的输出波长，a l l e n 及其同事用l d 端面泵浦h o ：y a g 得到波长为2m l l l 的激光发射，但是h o ：y a g 材料要用e r ” 和t m ”离子敏化，而且要在7 7 k 低温下才能运行1 。而f a n 和b y e r 用理论模型和实验 证明了室温下用l d 泵浦n d ：y a g 可以实现1 f 。，2 - 4 i 。，：跃迁得到输出9 4 6 n m 激光束。， 2 w p r i s k 和w l e n t h 采用l i l 0 。倍频9 4 6 n m 基波得到了4 7 3 n m 蓝光激光输出。1 。同一 时期研究者们还采用其他不同掺杂成分的不同激光材料得到了一些其它波长的激光输 出。在上世纪8 0 年代，d p s s l 经历了快速发展时期，但是在d p s s l 的发展过程中也暴 露出发射波长调制较困难和泵浦结构复杂的缺点。波长的温度调制直接影响了l d 封装 工艺和致冷方式，而泵浦结构的复杂性和多样性在大功率条件下也增加了设计的困难。 进入上世纪9 0 年代后，随着大功率l d 的发展和d p s s l 整体设计上的优化，大功 率的d p s s l 研究也有了长足的发展。1 9 9 2 年c l e o 会议上，美国报道了1 c l n 阵列连续波 功率1 2 1 w 输出和4 5 效率的l d 。1 9 9 3 年美国的利弗莫尔国家实验室利用阵列微通道 强迫水冷方法得到l d 平均输出功率超过1 0 0 0 w 。而准连续状态工作的半导体激光器， 峰值功率为5 0 w 、1 2 0 w 、1 5 0 0 w 和3 k w 的l d 己商品化：6 0 w 集成化带光纤耦合输出的 l d ( o p c 等公司) 和峰值功率3 5 0 k w 的l d ( 麦道公司) 模块也已商品化。这种高功率 l d 为半导体泵浦固体激光器提高输出功率提供了必要的前提，使半导体泵浦固体激光 器的研究迈上了新的台阶，取得了突飞猛进的进展和成就。随着l d 商品化的飞速发展， d p s s l 的商品化也取得了突飞猛进的发展，已经成为激光学科的重要发展方向之一，并 强烈的冲击世界激光器市场。1 9 9 9 年只本东芝公司实现了半导体泵浦n d ：y a g 连续 3 3 w ，峰值1 3 2 k w 的激光输出。现今美国c e o 等公司已经可以提供商品化的大于4 5 0 w 的半导体泵浦固体激光产品”。随着l d 和d p s s l 的飞速发展，另一不可勿视的成绩是 对d p s s l 理论研究的发展，d p s s l 的物理量如斜效率，线宽，稳定度，脉宽，单频等性 能达到的指标均在理论上超过闪光灯泵浦的固体激光器，为了实现这些指标，对d p s s l 模型、热载荷模型、倍频理论和各种新的锁模机制等展丌更细致的理论研究和计算取 得了喜人的成果。这些工作给固体激光工程提供了更可靠的设计依据推动了d p s s l 的发展。 进入2 1 世纪后，半导体激光器仍然向着大功率、高稳定性、长寿命和商品化的方 向发展，随之而来也带来的d p s s l 的蓬勃发展啪川。随着d p s s l 的发展其使用范围也在 不断的扩展，同时也对d p s s l 的研究提出了新的挑战。随着d p s s l 集成化和小型化的 发展对于d p s s l 的体积和寿命以及稳定性提出了更高的要求，为此各个l d 生产商纷纷 发展了高功率、小发射面积的单管l d 。现在如美国n 1 i g h t 、日本s o n y 等几家公司已 经在市场上推出了最大功率达到5 w 发射截面为2 0 0 m m x1 m m 的发射中心波长为8 0 8 n m 的单管半导体激光器商品，国内外d p s s l 生产商也纷纷推出了相应的采用单管l d 泵浦 的固体激光产品。由于高功率单管l d 作为泵浦源的特殊性，对于这种采用单管l d 泵 浦的固体激光器的研究也提出了新的挑战。 1 2d p s s l 的结构概述 l d 泵浦固体激光器的基本组成部分为：l d ，耦合透镜、激光晶体、谐振腔。当前 广泛应用的绿光激光器的基本结构还包括倍频晶体( k t p ) 。图1 1 所示为典型的l d 泵 浦n d ：y v 0 k t p 晶体，平凹直腔，腔内倍频的固体激光器。 图1 1d p s s l 结构图 图中l d 受到恒流源的驱动发出8 0 8 n m 的近红外光，经过聚焦境，进入谐振腔。谐 振腔是由激光晶体n d ：y v o , 左端面和输出镜构成。进入激光晶体后的近红外光被充分吸 收，并发出1 0 6 4 n m 的光，再进过倍频晶体k t p 倍频，从而得到我们所需要的5 3 2 n m 绿 光。 现在对d p s s l 激光器的研究主要集中在半导体激光器( l d ) ，光学耦合( 光纤、光学 元器件、接头等) ，激光晶体，倍频晶体，激光谐振腔及激光光束质量，激光电源，温 控制冷系统等方面。 1 3 论文研究的主要内容及技术指标 根据国内外研究与发展现状的分析和论文的选题要求，论文的主要研究内容和关键 参数如下： ( 1 ) 根据单管8 0 8 n m 半导体激光器的电气特性和对d p s s l 驱动源直接调制的要求， 研究设计最大可以驱动2 w ，电流可达7a 的高稳定恒流l d 驱动电路( 电流输出峰峰纹 波控制在0 2 ) ，安全保护电路以及相应的模拟调制和t t l 调制接口电路。 ( 2 ) 采用高精度集成温度传感器设计温度测量电路及温度控制电路。 ( 3 ) 分析d p s s l 温度特性和理论模型，设计稳定高效的平凹直腔和腔内倍频方式的 d p s s l 谐振腔结构。 ( 4 ) 设计实现在高稳定恒流驱动和控温系统下5 3 2 n m ，3 5 0 m w 激光器的结构特点及其 输出特性。 4 2 1 速率方程理论 第二章d p s s l 理论研究 速率方程理论描述了电磁场与组成介质的原子之间相互作用的规律，在辐射场和介 质两个方面都作了某些近似和简化。一方面我们把介质看作是由一群相对静止，彼此 不相关的粒子组成；另一方面我们又把辐射场看作是由大量完全等同的光子组成，对于 不同的模场，我们认为它只与该模场内的平均光子数有关。在这样的近似下，建立一 组表征辐射场与粒子之间相互作用随时间变化的微分方程，用以描述这种相互作用各 种特性。 2 1 1 速率方程 n d ：y l f 、n d ：y a g 和n d ：y v o 等许多激光增益介质，其辐射机理是典型的四能级 过程。在纵向泵浦情况下，大多数激光器能够输出基模( t e m 0 0 ) 振荡，因此，可以只考 虑基模状态下的情况。对理想的四能级系统，稳定工作时，其速率方程可写为：”2 1 d a n ( ：x , y , 一z ) ：r ( x ，y ，z ) 一a n ( x , y , z ) 一三( x , y , z ) c r s ( 工，y ，z ) ( 2 1 ) a t1 tn d s ( i x , y 一, z ) = 三仃( 圳，z 碜( w ，z ) d v 一差s ( 2 2 ) 式中厶化月z j 为反转粒子数密度，斤阮月矽为泵浦速率密度，s 亿月为腔内光 子数密度，s 为腔内光子总数，f ，为增益介质上能级的荧光寿命，t 3 r 为受激发射截面， j 为腔内的往返损耗( 包括输出、散射以及吸收等损耗) ，为谐振腔长度，i 7 为增益介 质的折射率，c 为真空中的光速。 在( 2 2 ) 式中，忽略了自发辐射引起的光子数增加的速率。因为，在激光器稳定运 行时，自发辐射速率远小于受激辐射速率。定义归一化的泵浦速率密度函数，。( z ，y ，z ) 为：圳 r ( x ，y ，z ) = r 名( 工，y ，z ) f f f y ，( x , y ，z ) d v = 1 ( 2 3 ) 其中a c t i v e 表示对增益介质积分；厅为泵浦速率，r = j h r ( x , y ，z ) d v 即增益介质 在单位时间内因吸收泵浦光的能量而被抽运到激光上能级的总粒子数，它等于增益介 质吸收的功率除以泵浦光子能量，即： r = 气办 ( 2 4 ) 式中，r p 为量子效率，表示吸收个泵浦光子平均激发的受激粒子数。设增益介质沿 泵浦光传播方向按指数吸收，则： = 吼只 仉= 1 一e x p ( 一口。，) ( 2 5 ) 其中：p 。为入射到增益介质表面的泵浦功率，玩为增益介质对泵浦光的吸收效率( 理想 情况下n ：1 ：q 。为增益介质对泵浦光的吸收系数，l 为增益介质的长度。定义归一 化的腔内光子数密度s 。( x ，y ，z ) ： s ( x ，y ，z ) = s s o ( x ，乃z ) ( 训，z ) d v = 1 ( 2 6 ) c a v i t y 其中c a v i t y 表示对整个谐振腔积分，将式( 2 3 ) ，( 2 6 ) 代入( 2 1 ) ，( 2 2 ) 式可得到腔 内基模振荡光所满足的稳态方程为： i i i 卜r p ( x c , 啪y , z ) s o 舢( x , 出y , z ) d2 南 汜， 2 1 2 端面泵浦时泵浦光与振荡光的场分布函数 在稳念激光腔内振荡光场分布一般为厄米一高斯分布m 1 。在基模状态下，光场分和 函数为下面的高斯分句： 如y ，z ) = 而2 e x p 一2 ( x z + y 2 懒w 2 = ) ( 2 8 ) 其中 心( z ) ：w o ( 2 9 ) 式中：心( z ) 为z 处振荡光的光斑半径；w o 为介质内振荡光的束腰半径。般情况下， 嵋( ：) * 嘞；五为振荡光波长。 半导体激光器( l d ) 泵浦光经光纤耦合、准直及聚焦系统输出后，其光场分布可近似 用高斯分布表示： 厶( 工，j ，z ) = 2 石嵋( z ) 【卜e x p ( - a 1 ) 】e 即( 一z 等一叫 汜 6 式中，。是泵浦光在增益介质内z 处的光斑半径，可表示为 w p ( z ) = 。+ p i z z ，i ( 2 11 ) 其中为泵浦光在增益介质内的束腰半径；乃为泵浦光的焦点位置：0 为泵浦光 的发散角。 2 2 二次谐波理论 二次谐波理论( s i - t g ) 即激光倍频技术，是最早发现的非线性光学效应，是将激光 向短波方向转换的主要技术之一。要研究温度对倍频产生的影响从而研究提高d p s s l 倍频效率和输出稳定性控温措施，必须对激光倍频原理进行分析。 倍频谐波产生在频率关系上与和频效应中。，= u ，= u ，u ，= 2 u 的情形相当，即两 个基频光互为共轭，只需选择其中一个波动方程进行求解。同时由动量守恒还存在如 下关系凡( 2 ) = 1 2 凡( 甜) ，忽略晶体损耗，由非线性波耦合方程可以写出基频光电 场氏和倍频光电场历。沿传输方向z 轴上的波耦合方程为： 譬= 一警e ：易一肚 ( 2 1 2 ) ( 陀 册。一 警= ，磐e ：既p “” ( 2 1 3 ) 出 c n “ 式中以，为非线性系数，4 膏为倍频转换相位匹配条件参数。 在倍频转换效率较低时，由于相应的基频光消耗很少可以近似取为常数，即d e , 。d z m o ，则对( 2 1 3 ) 积分可得： e 七) _ ( o ) 0 + 羞e l ( e - i a l = _ ) ( 2 1 4 ) 由输入基频光波中无易。项。可得边界条件易。( z = o ) = 0 ，设晶体长度为，可得 晶体输出端倍频光功率为： p 2 = l 2 k p 月2 一篆警 式中a 为基频光束面积：由下式给出： k = 2 叩。3 c c ，。2 “蜥2 式中= 五刁磊= 3 7 7 n 。( q ) 为波阻抗，同时由式( 2 。1 5 ) 为： ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ，( 2 ，1 6 ) 可得倍频转化效率 玎：生= l 2 k p - s i n 2 ( a k l 2 ) ( 2 1 7 ) 。 巴a ( a k l l 2 ) 2 由式( 2 1 7 ) 可知，倍频转化效率7 取决于倍频晶体长度、基波功率密度以及相位适 配程度。当基波功率密度一定时，倍频效率口随4 魁周期变化，且当a k l = 0 时最大， 由晶体长度不能取为零，所以4 肛0 是保证获得高效率倍频的关键因素，称之为相位 匹配条件。相位匹配条件在非线性光学中至关重要，它决定着光波之间能量的交换方 式和输出效率。 上述结论是在倍频转换效率较低时的结果，当倍频转换效率较高时可以在满足相位 匹配条件4k = 0 下对波耦合方程进彳亍精确求解得到倍频光和基频光在晶体中的强度 为： k = i 。( 0 ) t a n h 2 tc o d z 等l 汜 以加“旷乞吐刚2 鲁等i c z 由上述分析可知，相位匹配条件是影响倍频转化效率的关键因素。倍频相位匹配条 件a k ：0 ，即是要求2 k 。= 也。相位匹配条件保证了倍频转换过程中的动量守恒关系， 从而使能量转移由基频光向倍频光单向不断地进行。由波矢与相速度的关系可知保证 相位匹配条件即是要求基频光和倍频光具有相同的相速度，即要求：口“= ”。，在此 条件下产生的倍频光波得到同步叠加、干涉增强。具体从光学参数讲即是要求： cc u 矿瓦= i a p 2 r a = - - ( 2 2 0 ) 由式( 2 2 0 ) 可知相位匹配条件就是要求通过倍频晶体的特性，在保证传输方向和温 度条件下实现n 。= n ：。的关系。常用的相位匹配技术有角度相位匹配( 临界相位匹配) 和温度相位匹配( 非临界相位匹配) 两种。 角度匹配方法是使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，达到相位匹配的要求。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，因此论文研究的倍频d p s s l 主要采用角度匹配 实现倍频输出。 8 第三章泵浦源l d 原理与驱动 用激光二极管作为泵浦源是激光泵浦技术中的一次革命。其中的原因就在于d p s s l 集二极管激光器和固体激光器的优点于一身，并且弥补了各自的不足，使得l d 泵浦的 全固态激光器极大地优于传统灯泵固体激光器和二极管激光器本身。l d 泵浦固体激光 器的主要特点： ( 1 ) 转换效率高：由于半导体激光的发射波长与固体激光工作物质的吸收峰相吻合， 加之泵浦光模式可以很好地与激光振荡模式相匹配，从而光光转换效率很高，实验数 据显示己达5 0 以上，整机效率也可以与二氧化碳激光器相当，比灯泵固体激光器高出 一个量级，因而二极管泵浦激光器可省去笨重的水冷系统，体积小、重量轻，结构紧 凑。 ( 2 ) 性能可靠、寿命长：激光二极管的寿命大大长于闪光灯。激光二极管的泵浦能 量稳定性好，比闪光灯泵浦优一个数量级，性能可靠，可制成全固化器件。运行寿命 长，成为至今为止唯一无需维护的激光器，尤其适用于大规模生产线。 ( 3 ) 输出光束质量好：由于二极管泵浦激光的高转换效率，减少了激光工作物质的 热透镜效应，大大改善了激光器的输出光束质量，激光光束质量己接近理论极限m 2 = l 。 激光二极管阵列的功率虽然已可以达到很大，但本身输出光束发散角大，且发射波长 有限，而用二极管泵浦激光则可以大大改善其光束质量，并且可扩展发射波长。这就 是用二极管泵浦激光器，而不是直接将激光二极管应用于工业上的原因。 由于具有效率高、热效应小、性能可靠、寿命长、结构紧凑及能获得高光束质量输 出等优点，l d 泵浦的固体激光器取代闪光灯泵浦的固体激光器己成为一种必然的趋 势，可见，d p s s l 技术的研究具有很大的产业前景。 3 1 激光二极管的基本原理 激光二极管是以直接带隙半导体材料构成的p n 结或p i n 结为工作物质的一种小型 激光器。激光二极管的工作物质有几十种，目前已经制成激光二极管的半导体材料有 砷化镓( g a a s ) 砷化铟( i n a s ) 锑化铟( i n s b ) 氮化镓( g a n ) 等。半导体激光器的激 励方式主要有三种：电注入式，光泵式和高能电子束激励式。绝大多数激光二极管的 激励方式是电注入式，即给p n 结加j 下向电压，以使其在结平面区域产生受激发射。 激光二极管同其他激光器一样，要产生相干辐射光源必须满足三个基本的条件“： ( 1 ) 通过给同质结或异质结加j 下向偏压有源区注入必要的载流子，将电子从能量较 9 低的价带激发到能量较高的导带中去，实现高能态导带底的电子数比处于低能态价带 顶的空穴大很多，形成粒子数反转状态，当处于反转状态的大量电子与空穴复合时。 便产生受激发射作用。 ( 2 ) 激光二极管的谐振腔是由半导体晶体的自然解理面作为反射镜形成的，通常在 不出光的那一端镀上高反多层介质膜，而出光面镀上减反膜。对f - p 腔激光二极管， 可以利用晶体与p n 结平面相垂直的自然解理面构成f - p 腔，这样受激辐射在光学谐振 腔内得到多次反馈而形成激光振荡，获得相干受激辐射。 ( 3 ) 必须对激光二极管提供足够强的电流注入，以弥补谐振腔引起的光损耗及从腔 面的激光输出等引起的损耗，不断增加腔内的光场，提供足够大的增益，即为了形成 稳定振荡要求必须满足一定的电流阈值条件。当激光器达到闽值，具有特定波长的光 就能在腔内谐振并被放大，最后形成激光而连续输出。 由此可见在激光二极管中，电子和空穴的偶极子跃迁是基本的光发射和光放大过 程。半导体激光器发展到现在，其形式结构多种多样，但其形式结构只有几种是最基 本的，如双异质结激光器、条形激光器、量子阱激光器、分布反馈激光器以及垂直腔 面发射激光器等。 3 2 端面泵浦耦合系统 根据激光二极管及其阵列输出光功率的大小及输出光束特点，通常有纵向泵浦( 端 面泵浦) 和横向泵浦( 侧面泵浦) 两种基本方式。端面( 纵向) 泵浦( e n d p u m p i n g ) 是中小功率l d 泵浦固体激光器常用的一种泵浦方式，具有结构紧凑、整体效率高、空 间模式好的特点。主要由l d 泵浦源、耦合光学系统和固体激光器三部分组成。唧( 见图 3 1 ) 。单个l d 或二级管列阵输出的空i 日j 相干光束，沿着光学谐振腔的轴向泵浦，光束 聚焦在激活介质的一个小体积内。谐振腔的参数保证泵浦光束和谐振腔膜的激发空f b j 能很好的重叠在一起，达到模式匹配。重叠程度直接影响光泵浦的效率和输出光束的 质量。同时端面泵浦在入射方向的穿透深度很大，增益介质对泵浦光吸收充分，泵 浦闽值功率低，斜效率高。因此，端面泵浦在大功率、高光束质量、结构紧凑、转换 效率高的全固念激光器中得到广泛的应用。 羯合l nnn i 、“ 光学 = ：- i z 系统 _ 一一 k 一沿蝠体- u 图3 1 端面泵浦结构 最简单的l d 耦合方式是将l d 与激光晶体贴近的直接泵浦但很多情况下还是用透 镜等装黄进行耦合。图3 2 表示的是按照成像原理，使用多个球面透镜或非球面透镜 做成的聚焦系统，利用这种透镜组将l d 的发散光束转变成会聚光束，并聚焦在激光晶 体内部。由于l d 在快轴方向的大发散，耦合透镜组需要设计成大数值孔径，所以制造 成本高，装配和调试工程复杂，但该方法在技术上是比较成熟的。 聚焦系统 图3 2 直接耦合结构 图3 3 给出了另一种l d 耦合装置，该图是个微片激光器的示意图，使用了一个 柱透镜进行近距离耦合。 ， n 7 彩 nn 功 j 矗 x nn 一谐振腔_ 图3 3 梓透镜耦合结构 为了提高端面泵浦的功率，可以增大l d 的发光面积或者增加l d 的数量而组成一维 或者二维的半导体激光器列阵( l a s e rd i o d ea r r a y ，l d a ) 。图3 4 是利用多个l d 进行 泵浦激光棒。 一谐稚_ 图3 4 多l d 耦合结构 3 3 泵浦源半导体激光器驱动源 半导体激光器是电流注入式光功率元件，需要在直流大电流功率驱动的条件下工 作。要设计稳定高效盼恒流驱动源必须首先分析半导体激光器的电气特性，并根据其 电气特性对驱动源设计提出具体的要求。本论文研究中作为固体激光器泵浦源的半导 体激光器采用输出中心波长8 0 8 n m 的高功率单管l d 和由单管串联集成的新型大功率光 纤耦合输出模块，其外形如图3 5 、3 6 所示。 图3 5 小功率半导体激光器元件圈 图3 6 大功率半导体激光器元件图 3 3 1 泵浦源l d 对驱动源的要求 在正常使用条件下连续半导体激光器具有很长的工作寿命，一般在1 0 0 0 0 2 0 0 0 0 小时，但是不符合l d f 常使用要求的驱动源会导致l d 的性能恶化甚至失效因此驱 动源的技术指标和参数直接影响到l d 的输出功率、效率和寿命。因此大功率泵浦用l d 对驱动源提出了如下要求： ( 1 ) l d 是载流子直接注入式工作，注入电流的稳定性对l d 的输出具有直接、明显的 影响。因此，要求l d 的的驱动源为恒流源，其输出电流要求稳定度高、纹波系数小。 ( 2 ) l d 是一种结型器件，对电冲击的承受能力差，同时l d 对额定工作电流大小具有 相应的限制，电流超过额定电流过高将会使l d 单向击穿而导致器件失效。因此，l d 1 2 的驱动源要求具有电流抗冲击保护和过流保护。 ( 3 ) 要求l d 驱动源体积小、效率高且具有很好的安全性能。 3 3 2 单管l d 驱动源前级电路 l d 驱动源前级电路由基准电压源、开机关机电流缓变保护和外控模拟调制接口三 部分组成，为l d 的安全、可靠、受控工作提供高精度的前级输出信号。 ( 1 ) 基准稳压元件 整个l d 驱动源功率控制电路均采用线性稳压源供电，电源输出电压为1 2 v 。但是 由于一般设计的线性稳压源输出电压波动较大，不能满足作为l d 功率调整信号采样电 路对基准参考电压的精度要求，因此必须设计满足精度要求的基准参考电压源。采用 v i s h a y 公司生产的g s 4 3 1 b l p 可编程参考电压调整元件设计基准参考电压源，该元件的 电路符号及封装如图3 7 所示。 r e f ( r ) c a t h o d e ( c ) 一0 d e ( ) 图3 7g s 4 3 i b l p 电路符号与封装图 元件g s 4 3 1 b l p 的主要电气参数包括： 工作温度范围：一4 0 8 5 c 典型工作温度为室温2 5 。c ： 可编程电压范围：k = 2 5 3 0 v ： 参考端输出电压：比产2 4 9 5 ，精度0 5 ； 可变电流范围：五= 0 2 5 2 5 0 m a ： 动态输出电阻：0 3 q 。 ( 2 ) l d 驱动源前级电路 l d 驱动源前级原理庖路如图3 8 所示。电容c 1 、c 2 组成去耦电容( d e c o u p l i n g ) 滤除电源中的交流信号。电解电容c 3 和电阻r 3 组成r c 延时电路在电路导通瞬间， c 3 导通，三极管基极接地处于截止区；延时后， c 3 断路，三极管基极电压等于集电 极电压，工作在饱和区，起到了开机电流缓变保护的作用。 图3 9 是用m u l t i s i n l 0 仿真出的电流缓变保护电路的波形。稳压管t l 4 3 1 阴极( 2 ) 接地，阳极( 3 ) 接输入端，参考端( 1 ) 是恒定2 5 v 输出，这也使得阳极端电压稳定 在4 7 v 左右。电位器v r i 起到了外控模拟调制作用，对后端电路起电流控制作用。r 4 和c 4 构成低通滤波器，以去处交流信号的干扰。运算放大器l m 3 2 4 起到电压跟随的作 用，具有输入电阻大、输出电阻小的特性，这使得电流调整采样电压稳定。 e 图3 8l d 驱动源前级原理电路 图3 9 电流缓变保护电路波形 3 3 3 单管l d 驱动源主功率电路 l d 驱动源主功率电路主要实现驱动l d 的大电流稳定输出功能。l d 功率输出级采用 通用的输出电压6 v 输出电流可达1 5 a 的大功率小纹波丌关电源提供功率输出。 ( 1 ) 电路功率元件特性 l d 驱动源功率电路主功率放大输出元件采用i n t e r n a t i o n a lr e c t i f i e r 公司生产 的大功率场效应管i r f 5 3 0 n ，其电路符号及封装如图3 1 0 所示，其主要技术参数如表 3 - 1 所示。图3 1 1 为m o s f e t 管i r f 5 3 0 n 分别在2 5 和1 7 5 时的输出特性曲线。 4 t o 2 2 0 a b 图3 1 0m o s f e t 管i r f 5 3 0 n 电路符号与封装图 表3 - i - i o s f e t 管i r f 5 3 0 n 技术参数表 p a r a m e t c r t y p u n i t s c o n d i t i o n s d r a i n t o s o u r c eb r e a k d o w n v t s r l d s s 1 0 0 v v c s = o v v o l t a g e b r e a k d o w n c o t t a g e t e m p a v t 删a t 0 l lv cr e f e r e n c et o2 5 c ，i o = l m a c n e s c i e n t s t a t i cd r a i n t o - s o u r c e r ) 9 0m n v = 1 0 v 1 0 - - 9 0 a o