（光学专业论文）高效紫外倍频激光器的研制.pdf

摘要 由于紫外激光波长短，能量集中，分辨率高，因此紫外激光 器成为近年来激光领域研究的热点之一。本论文围绕高功率大能 量紫外激光器进行了理论和实验研究，弗取得了一些结论，从而 为激光雷击器提供了光源。本文主要讨论了灯泵浦固体激光器的 输入输出特性及影响阈值的主要因素：结合理论，优化腔结构，探 讨了获得最佳脉冲1 0 6 4 n m 激光的方式。根据相位匹配原理，结合 k t p 的光学特性，采用电光调q 腔外倍频的方案获得了高峰值功 率，窄脉冲，高转换效率的5 3 2 n m 绿光输出。然后利用l b o 、b b 0 的非线性性质，在获得较高绿光功率的基础上，进行了三倍频、 四倍频实验研究。 关键词：紫外激光器三倍频四倍频电光调q 1 h el l l n a v i o l e tl a 驼r l 嬲b e c o r n eac c r 慨lo ff o c u si nt l l ef i e l do f l a s e rr e c e i l ty e a r sd u et oi t sm a n ya d v a n t a 星r e ss u c ha ss h o r tw a v e l e n g t l l 。 c e n 柏i i z e de n e 唱y ，h i 曲r e s o l 砸o n 趾ds oo n 丁h j sp a p e rr e v o l v e dt h eh g h p o w e rb i ge n e r g yu l 臼a v i o l 毗i a s e rt oc a r 叫o nt 屺m e o r y 卸dt h ee m ) e r i m e n t 址s t u d y 锄do b t a i n e ds o m ec o n c l u s j a n s ，t h u sp r o v i d e dt h ep h o t o s o u r c ef o ri 踮e rl i 窖h t l l i n g s t r i k c t h e p a p e r m 8 i nd i s c u s 踮d 也el 锄pd u m ps o l i d ，s 诅t e1 a s e r i n p u t - o u l p u tc h m _ a 肚e r i s t i ca n d 也em a i ni n n u e n c ef 酞泣o r so ft b s h o l d c o m b i i l ew i t hm em e o r e t i c a l 锄a l y s i sa n d 也er e q u e s to ff l m d 锄e n t a l w a v e ，t l l ec a v i t yi so p t i m i z e dt oa c h i e v e 廿l eh i g h e s to u t p u tp o 、v e ro f 1 0 6 4 i n b a s e do nt h ep d n c 西ko fp l m s e 哪a t c ha n dt h eo 口t i c sc h a r a c t e r s o fk t p ，h i 啦o u t p u tp e a kp o w e r n a r r o wp u l s e - 谢d t hg r e e nl 够e rw i m h i g hs i n g l ep 硒s 舶q u e n c yd o u b l i n ge m c i e n c y ( i 妇d t 0 - g 他c n ) i s o b t a i n e db ye l e c t r o o 西cq s 谢t c m n g c o m b i 血n g 也en o n l i n e a f s p c c i a 矗t i e so f l b oa n db b o ，b a s e do nt h eg o o do u t p u t 卿e nl a s t h c e x p e r i m e i i t a ls t u d yo ft h g ( t h i r d - h a n n o n i c g e i l e 瑚【t i o n ) 瓤l df h g ( f o u 确- h a 册o n i c - g e n 酬o r 心 k e yw o r d s ： u i t r 叠_ v i o i e tl a s e 玮t h gf h g e l e c t m - o p t i cq - s w i t c h i g 长春理工大学硕士( 或博士) 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士( 或博士) 学位论文，论文题 目是本人在指导教师的指导下，独立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，本论文不包含任何其他个人 或集体已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：墩型年乏月丝日 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：3 j l ! l 遨型年三月丛日 指删币魏旌型吐月当 第一章绪论 1 1 固体激光器的发展 一般把以固体材料作为增益介质的激光器称为固体激光器，如红宝 石激光器、n d j + ：y a g 激光器、钕玻璃激光器、蓝宝石激光器等。1 9 6 0 年问世的第一台激光器就是红宝石激光器。4 0 多年来，固体激光器件 及技术发展十分迅速，能实现激光连续运转的固体工作物质多达数百 种，激光谱线达数千条，从紫外一直到近红外。 固体激光器的主要优点有c ， ( 1 ) 运行方式多样，能在连续、脉冲、调q 及锁模下运行，可获得 高平均功率、高单脉冲能量、高重复率和高峰值功率。 ( 2 ) 导光系统简单，光学零件容易加工，激光可通过光纤耦合传输， 实现柔性加工。 ( 3 ) 波长比c o 。气体激光器短，金属材料加工吸收效率高。 ( 4 ) 结构紧凑、价格便宜。 因此，固体激光器在工业材料加工、激光测距、激光光谱学、激光 医疗、激光化学及国防军事等方而获得了广泛应用，已成功应用于激光 打孔、焊接、切割、微调、划片、打标、热处理、手术、医学诊断、激 光雷达、全息摄影、激光存储、激光环境监控、遥感、水下探测、激光 光谱分析、目标指示、制导和惯性约束聚变等，在激光应用中占有十分 重要的地位，市场极其广阔。据统计，2 0 0 3 年灯泵浦固体激光器共销 售1 3 ，5 2 8 台，总额为5 8 亿美元：而二极管泵浦固体激光器共销售 1 2 ，1 1 1 台，总额为1 8 亿美元。 1 2 紫外激光器的市场背景和国内外研究现状 1 2 1 紫外激光器研究的市场背景 近几年来，世界上激光技术较为先进的国家，如美国、英国、日 本、法国、德国，掀起了研制紫外激光器的热潮，这主要得益于其广阔 的应用前景和潜在的巨大产业化市场价值。紫外激光由于波长短，能量 更集中，分辨率更高，使紫外激光器成为一种崭新的激光器发展方向， 它能够在许多其它激光器无能为力的场合大显身手，具体有： ( 1 ) 第三代高密度光盘( 1 0 0 g b 的d v d 或c d ) 光学数据存储 在高密度光盘中有重要的应用，用2 6 6 n m 的紫外激光作为d v d 光盘 制作的光源。与目前常用作光源的3 5 1 n m 和4 1 3 n m 波长的激光相比， 2 6 6 n m 紫外激光器的优点是波长短、衍射效应小、分辨率高、光点面积 小。若利用存储介质对短波长激光敏感的特点，采用新的编码技术及用 光记录代替热记录，则可加速实现太比特存储。在新一代高清晰度电视 ( h d t v ) 系统中，控制用的光源是2 6 6 n m 的紫外激光。 ( 2 ) 先进制造业 主要应用于快速定型和微机械加工。采用紫外激光器来快速处理光 聚合物材料，并使来自c a d 和c a m 系统的三维模型快速成型。紫外激光 器用来对材料进行高精确度的切割、刻画和打孑l 等，使制造的产品质量 标准更高。 ( 3 ) 相干激光检测 在相干激光检测中，为了确定被检测物体的宏观形状的质量和与 标准件的偏差。用紫外激光器作为光源，并结合相干术、全息术和剪应 力记录术等，以精确的显示其偏差程度。 ( 4 ) 生物学上 与传统的氢灯或氖灯紫外光源相比，紫外激光具有方向性好、亮度 商、单色性好、相干性好等优点。这大大提高了紫外激光仪器的时间分 辨率、波长分辨率和灵敏度。根据蛋白质和核酸的光学特性，用紫外光 谱仪测定物质中蛋白质的浓度及蛋白质的纯度，检测d n a 和r n a 两者的 分离纯度：对d n a 进行定量分析分析d n a 中 一t 碱基含量，测定d n a 的 熔解温度t ，以便测量核酸中g c 的百分含量，这作为核酸的特征之一， 以成为生物分类的一项重要依据：测定动物血清白蛋白及n n a 的紫外吸 收光谱：测定植物中酶的活力，对豆类球蛋白、醇溶蛋白的定量分析， 豆类种子声一胡萝h 素的测定；维生素d 的测定” 。此外，紫外激 光( 2 6 6 n m 的) 拉曼光谱还是研究分子结构、静态性、激发态表面和运动 过程的有利工具。 ( 5 ) 在微加工中的应用”1 紫外激光加工材料过程称为“光蚀”效应，高能量光子可以直接 破坏材料的化学键，这是个“冷”处理过程，热影响区域微乎其微；相 比之下，可见光和红外激光器利用聚焦到加工部位的热量来熔化材料， 热量经过传导会影响到周围的材料，产生热影响区域。另外紫外激光较 短的波长能够加工更小的部件。不仅如此，由于大多数材料都能够有效 地吸收紫外光，从而紫外激光器有更高的灵活性和更广的应用场合。 ( 6 ) 在医学中的应用“3 紫外激光束直接破坏分子间的连接，使其成为很小的易挥发的碎 2 片，带走能量，避免因吸收激光造成组织的热损伤。高能量密度的紫外 激光器适用于打断有机材料的化学键，准确切割各种生物组织，在眼科 角膜手术中，对角膜进行整形，以实现正的或负的曲率校正，治疗白内 障，在觑管整形、神经外科等方面也有广泛的应用。 ( 7 ) 在科学研究中 紫外激光器在科研领域具有广泛的应用。例如，用紫外激光器来测 量用作光电阴极的金属材料( 如镁( m g ) 5 1 ) 的稳定性、量子转换效率和 电子的能量分布随照射光强度和偏振性变化的情况，同时还可用来优化 材料的放簧方位，以便获得高等转换效率。 另外，紫外激光器在高分辨光谱学、大气探测、医学诊断和空间光 通讯领域也有着广泛的应用。 1 2 2 紫外激光的获得方法 早期的科学家们把实现紫外激光的重点放在了气体激光器上，其中 较为成功的是x e c l 准分子激光器和h e n e 激光器。而氢离子激光器把 此类激光器的性能发挥到了极限。然而这些激光器都存在着诸如：体积 庞大、效率低、寿命短和稳定性差等缺点，这将严重影响其应用领域的 推广。 灯泵固体激光器经过非线性倍频后得到紫外激光。用这类器件代替 分子激光器的好处是光斑小，重复频率高达几千赫兹，用计算机控制的 扫描系统，可以使激光束扫除复杂的图样。灯泵浦固体激光系统的缺点 是效率低，要经常换灯、维修、清洁和对准。此外，还有倍频问题，即 紫外光流密度较大时，非线性晶体表面容易遭到破坏，使倍频光输出很 不稳定。 进入八十年代，由于量子阱半导体激光器的出现，使激光二极管的 闷值电流减小，连续或准连续的功率有了明显的提高，因而l d 泵浦固 体激光器的研究工作也有了很大进展。伴随着固体激光技术、非线性光 学频率交换及激光调谐技术的飞速发展，科学家们开始在固体激光领域 内探寻实现紫外激光输出的有效方法。到目前为止半导体激光器输出波 长最短为日本的n i c h i a 公司正在推出3 9 5 舳的激光二极管。没有紫外 波段的l d 出现。实现紫外激光输出的典型方法有直接倍频l d 输出的方 法和l d 泵浦、非线性光学频率转换的方法得到紫外激光。 1 2 3 紫外激光器的应用与国内外现状 2 6 6 n m 紫外激光器由于具有窄的谱线宽度( 其谱线宽度小于o 2 p m ， 不到k r f 准分子激光器的l l0 ) 、大的相干长度( 其相干长度为1k m ， 而k r f 准分子激光器的相干长度为2 5 0 啪、单纵模运行、小的光斑面积 等”1 优点，因而作为深紫外微光刻的光源被广泛应用。另外，还被用作 数据写入的光源，促进了高密度光存储技术的发展“1 。此外，2 6 6 姗 紫外激光的拉曼光谱还是研究分子结构、静态性、激发态表面和运动过 程的有利工具。在国家安全方面，用2 6 6 n m 的激光与计算机连接来检测 人手与某物体相互接触后留下的痕迹。由于2 6 6 吣紫外激光器具有如此 相当重要的应用，国际上许多国家都竞相开展对这种激光器的研究与产 品开发。 2 0 0 1 年，日本的m i t s u b i s h ie 1 e c t r i c 公司、大板大学和 k o g a k u g i k e n 公司的共同研制出l d 泵浦n 矿：y a g c l b o 四倍频2 6 6 n m 紫外脉冲激光器，其重复频率为l0 k h z 、平均功率为2 3 w 。”。这是目前 为止所见报到中功率最大的2 6 6 n m 紫外脉冲激光器。图1 1 是近几年来 “脉冲紫外激光器”平均功率的每年最高值。美国相干公司己经产品化 的连续的2 6 6 m 紫外激光器已达到2 0 0 m w 。而美国光谱一物理公司己 经产品化的连续的2 6 6 m 紫外激光器己达到4 0 0 m w 。1 ，这是到目前为止 所有产品化中功率最大的2 6 6 n m 紫外连续激光器。然而，到目前为止， 2 6 6 n m 连续紫外激光器的报道中，输出功率最大的是文献 1 1 报到的日 本索尼公司k u b o t a 光电实验室研究中心的s h i g e ok u b o t a 等人用1 8 w 的l d 泵浦n d 3 + ：y a g ，采用“z ”型腔，通过腔内倍频k t p 晶体，获得 2 8 w 的5 3 2 n m 的连续绿光输出，再在腔外用b b o 晶体倍频，得到了1 5 w 的2 6 6 n m 连续紫外输出。 图1 1 固体激光器四次谐波紫外功率的最近历史 f i g 1 1 wh i s t o r yo fp o w e rf o u r t h - h a m o n i cg e n e r a t i o n o fs 0 1i d s t a t el a s e r s 国内，在2 6 6 衄四倍频紫外激光器的研究方面，起步很晚。具我们 所掌握的资料，最早的报到是1 9 9 9 年，文献 2 4 2 5 有l d 泵浦n d 3 ：y v 0 4 ， 分别将二倍频晶体k t p 放置在腔内和腔外，然后用b b 0 晶体进行四倍频， 分别得到2 6 6 n m 的紫外激光，但均无功率报道。2 0 0 0 年，文献 2 6 报 到了用l d 泵浦n d = i + ：y l f ，腔内放置二倍频晶体，得到脉冲宽度为 4 譬己t置a曩最ec蒋 3 0 4 0 n s 、重复频率为1 k h z ，输出平均功率为6 0 w 的5 3 2 n m 绿光激光1 1 6 l 。 腔外采用6 咖的b b o 晶体进行四倍频，得到平均功率为7 8 0 m w 的2 6 3 咖 的紫外激光。同年，文献 2 7 报到了用l d 泵浦n r ：y v 0 4 ，并采用声光 调q ，得到了脉冲宽度为3 2 n s 、重复频率为1 2 5 k h z 、峰值功率为3 k w 、 单脉冲能量为0 1 m j 、输出平均功率为1 2 2 w 的1 0 6 4 n m 的红外激光。 腔外先用k t p 晶体进行二倍频，得到了脉宽为2 5 n s 、平均功率为5 7 0 m w 的绿光。然后采用4 4 7 m m 3 的b b 0 晶体进行四倍频，得到平均功率 为6 3 m w ，脉冲宽度为2 0 n s 、峰值功率为2 5 2 w 的2 6 6 n m 紫外激光。这是 目前国内所见报到中功率最高的。但由于采用声光调q ，使得激光器的 设计特别复杂而系统的体积很大、坚固性差而且成本高。这必将会限制 该激光器的应用范围的扩大，不利于该激光器的产业化。 对于3 5 5 n m 的紫外光，通常采取腔外或外腔和频的方式获得。1 9 9 7 年，c l e o 会议报道了8 8 w 的重复频率为6 k h z3 5 5 n m 的输出：国内在全 固态紫外激光器的研究方面还刚刚起步，中科院物理所用全固态准连续 绿光激光器对b b o 晶体倍频，得到3 3 5 m w 的紫外光，在国际上首次利用 n s 激光器对k a b 0 晶体进行了四倍频研究，并获得有效紫外光输出m ，。 利用l d 泵浦n 矿：y v 吼；晶体，腔内声光调q 产生1 0 6 4 n m 准连续波输出， 腔外用k t p 晶体倍频产生5 3 2 n m 的激光输出，用不同的b b 0 晶体进行三 倍频、四倍频，最高平均功率为3 1 0 m w 的3 5 5 n m 紫外输出，三倍频的转 换效率为1 4 1 ，稳定度优于1 “。用b b 0 晶体对基波四倍频，得到平 均功率高达1 9 6 m w 的2 6 6 n m 紫外激光，四倍频转换效率达l o 1 1 。 这是国内腔外频率转换获得3 5 5 n m ，2 6 6 n m 激光的最佳结果。 1 3 本论文的主要工作 1 论述了负单轴晶体的倍频理论，总结了适用于紫步 倍频的非线性 光学晶体的特性，提出了倍频晶体选择的理论依据，并根据该依 据通过比较，最后选定b b o 晶体为目前最适宜用于产业化的紫外 倍频晶体。 2 详细推导了平面二次谐波的倍频转换效率公式。 3 选用k t p 晶体，调试出高效腔外倍频绿光激光器。 4 设计出一台k t p l 8 0 n 矿：y g3 5 5 n m 紫外激光器和一台 k t p 阴o n d ：l + ：y a g2 6 6 n m 紫外激光器。 第二章灯泵浦固体激光器理论 和电光调q 实验研究 2 1 基频光的输出特性分析 灯泵浦的固体激光器常采用平一平凹腔结构。设激光晶体的长为 i ，折射率为n ，泵浦光与振荡光在腔内共轴( z 轴) ，取激光晶体的泵 浦光入射端为z = o ，晶体内任意一点的泵浦光强和振荡光强均可分为两 部分嘲。 ，( r 弘z ) = p ( z ) ，( ，伊，= ) ( 2 1 ) 其中，( 三) 表示z 处的光功率，( r ，仍z ) 是归一化高斯光束的分布函数 ，( r 彬) = 磊孬e x p 【- 亳】 厂( r ，弘：) = i e x p 卜】 石w i z w f 引 ( 2 2 ) 其中w 2 ( 2 ) 为z 处的光斑半径。 在均匀加宽的激光放大介质中，谱线中心处的饱和光强满足如下关系： 警= 箍吨 出 l + 口 。 ( 2 3 ) 其中为增益介质对振荡光的吸收系数，岛为小信号增益，s 为饱 和参数( 饱和光强的i 。倒数) ： s = 竽( 2 4 ) 地 其中，盯为激光增益介质的受激发射截面，f 为激光上能级的自发 辐射寿命，h 为普朗克常数，c 为真空光速。五为振荡光波长。 在低增益激光振荡器中，两列传播方向相反的光束强度近似相等， 同时消耗增益，对增益饱和有近似相同的贡献，因而式( 2 3 ) 中的观 6 应当用2 瓯代替，则( 2 3 ) 式可写为： 譬：搀鲁一q l 出1 + 2 融 小信号增益g 。= 甜0 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 其中0 为小信号反转粒子数密度，它应与泵浦光束的空间分别相同， 满足如下关系： 毗( 即) = 毗( 吣) e 印( 一蔷) ( 2 7 ) 其中，0 ( o ，z ) 为泵浦光束中心处的小信号反转粒子数密度，为 泵光半径。在阈值以下，泵浦能量的吸收速率等于自发辐射引起的能量 发射速率，因而泵浦功率在z 方向上的变化率为： 掣：一警龇( 出 2 五。f 一 。 ( 2 8 ) 对于纵向泵浦方式泵浦功率在激光增益介质中传播发现指数衰 减： p ( z ) = 岛p 一。 ( 2 9 ) 其中，最为激光晶体输入端( 即z = o 处) 的泵浦功率，口，为激光介 质对泵浦光的吸收系数。将( 2 9 ) 式两端对z 求导，得到： 警= 啤昂州鸣z ) ( 2 1 0 ) 由( 2 1 8 ) 式和( 2 1 1 0 ) 式解得： “( 蚴= 鬻e 卅即) ( 2 将式( 2 1 1 1 ) 代入( 2 1 。7 ) 式，得到o ( ，：) ，再将其代入( 2 6 ) 式， 得到小信号增益系数： g o ( 郴) = 毪警啭即静 ( 2 1 2 ) 把( 2 1 2 ) 代入( 2 5 ) 得到： 。2 ，2 警：学窨乎，l 眩 将( 2 1 - 1 ) 式代入( 2 1 1 3 ) 式，两边对光束截面积分，得到： 2 ，2 警：c 鞴车孑刮 眩 万以 其中，w c 为腔模束腰半径，且假定w ，和w 。在增益介质内不变化，将 ( 2 1 4 ) 式两边对z 积分，然后乘以2 ，得到振荡激光在腔内往返一周 韵功率增益： 州鬻彘。皿 汜 丌醒 设输出镜透过率为t ，腔内其它损耗( 腔镜镀膜不完善引起的损耗、 衍射损耗和散射损耗等) 为磊，则振荡激光在腔内往返一次的功率损耗 为( t + 磊) p c 。在稳态运行时，忽略自发辐射，往返一次的功率增益a 只 应等于往返一次的功率损( t + 瓯) p c 。 错筹毒川一n 只 ( 2 1 6 ) 8 只= 簪翥蔫踽叫 忆m p 。t 即为激光器的输出功率p 。： = 等c 慕蔫叫 弦 “ 4 s ，r c ( w 2 + e ) ( r + 磊+ 2 叹f ) 1 在上式中，令，0 等于零，解出只，可得到激光器的阙值泵浦功率： 只：! ! ! ! 蔓垡2 竖鱼! 丝尘 ( 2 1 9 ) r = 一 、j ， ” 4 积。( 1 一p “) 激光器的斜效率为： 仇= 簟 2 0 ) 另外，对( 2 1 8 ) 式积分，令其为零，可以求出最佳输出镜透过 率。为简单起见，令 爿：堕 占：! 堕芈塑 2 2 1 万自c ( 杉+ 谚) 则激光器的输出功率p 雌。，可表示为： 利珥赢一】 ( 2 2 2 ) 对上式求导，并令其为零，可得到最佳输出耦合t 0 州 = 口( 吼十2 哎，) 一( + 2 ，) ( 2 2 3 ) 由上式可见，最佳耦合输出与晶体特性、泵浦参数、腔型、损耗等 都有关系。根据这些关系再结合腔长、透过率对输出的影响，我们对灯 泵浦n 矿：y a g 激光器有了比较透彻的了解，这为我们下一步的工作打下 了良好的基础。 9 2 2 灯泵浦电光调0 固体激光器 2 。2 1 调q 基本原理“” 调q 技术的出现和发展，是激光发展史上的一个重要突破，它是将 激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中发射，从而使光源的峰值功率可提高 几个数量级的一种技术。调q 技术自1 9 6 2 年出现以来，发展极为迅速。 现在，欲要获得峰值功率在兆瓦级( 1 0 ) 以上，脉宽为纳秒级( 1 0 。s ) 的 激光脉冲已并不困难。这种强的相干辐射光与物质相互作用，会产生一 系列具有重大意义的新现象和新技术，如非线性光学的出现：同时也推 动了诸如激光测距、激光雷达、高速全息照相等应用技术的发展。 由于脉冲激光器的输出是由若干无规则的尖峰脉冲构成，而每一个 尖峰脉冲都在阈值附近发生，而且脉宽又非常短( 共有微秒量级) ，激光 器输出的能量分散在这样一串脉冲中，因而不可能有很高的峰值功率。 这是因为通常的激光器谐振腔的损耗是不变的，一旦光泵浦使反转粒子 数达到或略超过阙值时，激光器便开始振荡，于是激光上能级的粒子数 因受激辐射而减少，致使上能级不能积累很大的反转粒子数，只能被限 制在阈值反转数附近。这是普通激光器峰值功率不能提高的原因。 既然激光上能级最大粒子反转数受到激光器阈值的限制，那么， 要使上能级积累大量的粒子，可以设法通过改变激光器的阈值来实现， 具体的说，就是当激光器开始泵浦初期，设法将激光器的振荡阈值调得 很高，抑制激光振荡的产生，这样激光上能级的反转粒子数可以积累很 多。当反转粒子束积累到最大时，再突然把阈值调到很低，此时，积累 在上能级的大量粒子便雪崩式的跃迁到低能级，于是在极短的时间内将 能量释放出来，就可获得峰值功率极高的巨脉冲激光输出了。 由此可见，改变激光器的阂值是提高激光上能级粒子数积累的有效 方法，那么改变什么参数可以改变阈值呢? 我们从“激光原理”得知， 激光器振荡的阈值条件可表示为： 吣砉 。， 而铲旦 。2 ，r v 所以峨砉等 ( 2 2 5 ) 式中，g 是模式数目，am 是自发辐射几率，k 是光子在腔内的寿命， l o q 值称为品质因数，它定义为： 譬2 燃 ( 2 2 6 ) 式中为激光的中心频率。用w 表示腔内存储的能量，占表示光 在腔内传播单次能量的损耗率，那么光在一个单程中的能量损耗为占w 。 设l 为谐振腔腔长，n 为介质折射率五为光速，则光在腔内走一单程所 需的时间为n l c 。由此，光在腔内每秒钟损耗的能量为去三。这样， q 值可表示为： 嘞磁2 等 ( 2 2 7 ) 式中，凡为真空中激光中心波长，由( 2 2 5 ) 式和( 2 2 6 ) 式可见， 当a 和l 谐振腔的损耗成反比，即损耗大，q 值就低，阈值高，不易起 振；当损耗小，q 值就高，则阈值低，易于起振。由此可见，要改变激 光器的闽值，可以通过突变谐振腔的q 值( 或损耗艿) 来实现，这是最有 效而简便的方法。 调q 技术就是通过某种方法使腔的q 值随时间按一定程序变化的 技术。在泵浦开始时使腔处于低q 值状态，即提高振荡阐值使振荡不能 形成，上能级的反转粒子数就可以大量积累，能量可以储存的时间决定 于激光上能级的寿命，当积累到最大值( 饱和值) 时，突然使腔的损耗减 小，q 值突增，激光振荡迅速建立起来，在极短的时间内上能级的反转 粒子数被消耗，转变为腔内的光能量，从腔的输出端以单一脉冲形式释 放出来，于是就获得峰值功率很高的巨脉冲。 综上所述，谐振腔的q 值与损耗占成反比，如果按照一定的规律改 变谐振腔的占值，就可以使q 值发生相应的变化。谐振腔的损耗一般包 括有：反射损耗、衍射损耗、吸收损耗等。那么，我们用不同的方法控 制不同类型的损耗变化，就可以形成不同的调q 技术。如，控制反射损 耗的变化有机械转镜调q 、电光调q 技术，控制衍射损耗的变化有声光 调q 技术，控制吸收损耗的变化则有染料调q 技术等。其中机械转镜调 q 虽然是最早发展起来的调q 技术，但目前已经很少使用，因此下面我 们主要讨论后面三种调q 技术和实施方法。 2 2 2 调q 方式 灯泵浦的调q 激光器在光学检测、原子分子物理、光谱学、非线 性光学、激光医疗、激光雷达和光电对抗等领域具有重要应用，其调q 方式分为主动调q 和被动调q 两种，下面就这两种方式加以简要介绍。 一、被动调q ：也是饱和吸收调q ，源于腔内产生的损耗取决于激 光光强，主要有染料调q ，色心调q 和c r “：y a g 饱和吸收调q 。染料调 q 利用染料的饱和吸收效应控制谐振腔的q 值。这种开关的主要优点是 装置简单，使用起来方便，并且可以使输出谱线变窄。但缺点是输出不 稳定，而且染料易于变质，需经常更换。 c r ”：y a g 饱和吸收调q 利用c r ”：y a g 在0 9 1 2 “m 范围内的可饱 和吸收性做这一波长范围内激光器的调q 开关。和其它被动调q 相比具 有在1 0 6 4 i i 】附近吸收截面大、热机械性能好、离子浓度相对大和低 饱和荧光等特性。与主动调q 器件相比较，它不需要任何光电驱动装置， 结构紧凑便于操作并且在泵光功率提高时，重复频率提高而且脉宽变 窄。这样的特点非常适合于光通讯和光电对抗等应用领域，已经成为人 们研究的热点嗍。但从文献和其它方面的报道来看，c r ”：y a g 被动调q 激光器目前大都处于实验研究阶段，真正做成器件，走向商品化和实用 化的不多，其原因主要是由于c r ”：y a g 调q 开关具有不稳定性，输出脉 冲在重复频率和脉冲宽度等方面均存在相当严重的抖动现象。o ” 二、主动调q i 蚓：谐振腔内损耗的变化由外部驱动源控制，而与 腔内激光光强无关。常用方法有声光调q 、电光调q 等。 1 声光调q声光q 开关器件由声光介质、电一声换能器、吸声 材料和驱动电源组成。把声光q 开关器件插入谐振腔内，当声光电源产 生的高频振荡信号加在声光调q 器件的换能器上时，在声光介质中，使 折射率发生变化，形成等效的“相位光栅”，当光束通过声光介质时， 便产生布拉格衍射。衍射光相对于o 级光有2 口角的偏离，这一角度完 全可以使光波偏离出腔外，使谐振腔处于高损耗低q 值状态，不能产生 振荡，或者说q 开关将激光“关断”。当高频信号的作用突然停止，则 声光介质中的超声场消失，于是谐振腔又突变为高q 值状态，相当于q 开关“打开”。q 值交替变化一次，就使激光器输出一个调q 脉冲。简 单来讲，该技术就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 配合而获得卜6 0 k h z 高重复频率的巨脉冲，且稳定性好。但其开关能力 较差，输出脉宽较宽，般在几十纳秒到数百纳秒。 2 、电光调q 利用某些晶体的普克尔效应调节q 值。它的主要特 点是开关时间很短( 约1 0 4 秒) ，用这种开关做成的调q 激光器可以获得 脉宽窄、峰值功率高、输出稳定的巨脉冲。但这种方式的重复频率很低， 一般低于1 k k h z ，而且需要高压控制，这些使它的使用范围大为缩小。 由于本论文研制的激光器是为激光雷击器提供大能量高功率的紫外激 光，因此采用电光调q 更适合实际需要。 电光调q 过程是y a g 晶体在氙灯的光泵下发射自然光，通过偏振棱 镜后，变成沿x 方向的线偏振光，若调制晶体上未加电压，光沿轴线方 向( 光轴) 通过晶体，其偏振状态不发生变化，经全反射镜反射后，再次 ( 无变化的) 通过调制晶体和偏振棱镜。 如果在调制晶体上施加五4 电压，由于纵向电光效应，当沿x 方 向的线偏振光通过晶体后，两分量之间便产生万2 的相位差，则从晶 体出射后合成为相当于圆偏振光；经全反射镜反射回来，再次通过调制 晶体，又会产生万2 的相位差，往返一次总共累积产生石相位差，合 成后得到沿y 方向振动的线偏振光，相当于偏振面相对于入射光旋转了 9 0 。，显然，这种偏振光不能再通过偏振棱镜，此时，电光q 开关处于 “关闭”状态。因此，如果在氤灯刚开始点燃时事先在调制晶体上加 上五4 电压，使谐振腔处于“关闭”的低q 值状态，阻断激光振荡的形 成。待激光上能级反转的粒子数积累到最大值时，突然撤去晶体上的 五4 电压，使激光器瞬间处于高q 值状态，产生雪崩式的激光振荡，就 可输出一个巨脉冲。 1 激光主电源2 时标信号发生器3 控制电路4 延时电路5 晶体电源 6 触发器7 泡克耳斯盒8 偏振器9 激光器1 0 全反镜1 1 输出镜 图2 1 所示的为调q 工作程序的示意图。其过程是；先开主电源 对电容c 充电，并接于氙灯电极，但不导通故不点燃；丌动晶体电源 给k d p 晶体加电压，使腔处于关闭状态；由单结晶体管振荡器产生 一脉冲时标信号输入到控制电路，再由控制电路将该信号分别送往激光 主电源，使其停止对电容充电，同时输送到触发器，使氙灯点燃，给工 作物质以能量，使反转粒子数大量积累。但此时由于k d + p 晶体上加有 v ，电压，所以谐振腔损耗最大，不能形成激光振荡。当粒子反转到最 7 4 大时，通过延时电路的信号加到闸流管的栅极上( 使之导通) ，将k d p 晶体上的电压瞬时退掉，使谐振腔q 值突增，形成激光振荡，输出巨脉 冲。可通过实验，精确调节延时电路，直到输出激光最强为止。 欲使带偏振器的电光调q 器件得到理想的开关效果的关键之一是， 必须严格保持格兰棱镜的起偏方向与调制晶体的x 轴( 或y 轴) 方向一 致，以保证起偏方向与调制晶体的应主轴x 、y 成4 5 。角。简便的调 试方法是，在调制晶体加电压的状态下( 关门) ，转动格兰棱镜和晶体 的相对方位，直到激光不能振荡为止。 2 2 3 灯泵浦电光调q 固体激光嚣 一、实验装置 电光晶体氙灯探头 圈2 2 灯泵浦电光调 国”：y a g 固体激光器 二、基本参数 n d “：y a g 激光器采取平一凹腔结构，其中凹透镜曲率半径为r = 1 5 m ， 谐振腔腔长3 8 0 啪。n d ”：y a g 晶体通光面为妒5 舳，其有效长度为1 0 0 皿 增益介质激活离子n d “掺杂浓度为1 2 。输出镜对1 0 6 4 m 透过率t = 8 0 。 激光电源为脉冲式，其脉冲频率为每秒1 次，5 次和1 0 次。经实验调制， 晶体高压为4 2 0 0 v 。利用水循环冷却。 三、实验过程 ( 1 ) 首先调整好n 矿：y a g l 0 6 4 咖激光器，使之处于最佳运转状态， 在全反射镜和激光棒之间放入调9 盒，应用纵向电光效应进行调鼠调 口盒内放有k d 下晶体和偏振片，在调口盒的通光方向放有对1 0 6 um 激光起增透作用的膜片。然后分别调整激光器的工作电压、腔长，用功 率计测量不同腔长时的输出功率，所得数据如下图。 图2 3 不同腔长时输入输出关系 ( 2 ) 利用晶体管高压调口电路控制高重复频率开关。此电路提供 电脉冲的电压为o 5 k v ，电脉冲前沿为5 n s 左右，加压时间为1 0 us 左 右。激光器开始运转后，调q 晶体施加4 4 6 k v 电压时，激光器处于 关门状态，此时功率计计数为0 ，退掉电压后，激光器输出调p 窄脉冲激 光( 开门) 。 誊 v 褂 督 丑 瀑 工作电压( v ) 图2 4 输入输出关系 四、数据分析 1 由第一步实验结论可看出在同一调q 重复频率下，在不同腔长时， 泵光功率与输出功率的关系，腔长对输出有一定的影响。而且因为谐振 腔腔长越长，脉宽越宽，所以我们采用3 8 0 m 腔长。 2 实验中发现，n d 3 + ：y a g 激光器的热效应十分明显。由于工作物质 的温度不均匀，出现热应力双折射现象，产生双焦距热透镜效应，从而影 响激光器的输出特性。因此，对这类激光器一定要采取有效的冷却措施。 五、小结 本章主要进行了灯泵浦n 矿：y a g 激光器的理论研究，并在此基础上 对电光调qn d 3 + ：y a g 激光器做了一些实验工作，进行了相应的改进，为 以后的工作( 腔外倍频、三倍频、四倍频、) 打下了良好的基础。 1 6 第三章倍频基本理论及腔外倍频绿光激光器 自从激光问世以来，对于其非线性光学频率变换技术的研究一直是 激光技术领域的热点。因为它可以在不使用新的激光工作物质的条件下 扩展激光波段，开拓新的应用领域。目前，用于频率变换的非线性晶体 的研究已经取得重大进展。通过频率转换器件可以得到各种频率的高功 率激光，波长范围可从红外到紫外。除以脉冲方式工作外，己可获得高 功率的全固态连续可调谐激光器。随着新技术的发展和信息产业领域的 扩展，又对非线性晶体的应用提出更多更高的要求。近年来，特别是以 k t p 、b b o 、 l b o 、c l b o 等为代表的新型优质非线性光学晶体的发明和 使用这些晶体的非线性光学频率变换技术的广泛应用，使这一门分支成 为激光、光电子技术及非线性光学领域内最活跃，最成熟的分支之一。 绿光激光器在微加工，医疗，光谱和空间通讯中具有重要应用，因此吸 引了众人的关注。一般采取腔内倍频的方式获得准连续绿光，但这种方 式稳定性不佳，本文采取腔外倍频的方案获得了高峰值功率，窄脉冲， 高转换效率的5 3 2 n m 输出。以下首先来研究倍频基本理论。 3 1 倍频基本理论 自从本世纪六十年代激光出现以后，这种强光足以体现物质对光场 的非线性响应。此种与光强有关的光学效应，通常称为非线性光学效应。 在对它的唯像描述中，将非线性光学介质中电极化强度p 展开为外光场 占的幂级数形式，即声= 氏fz o 啻+ z 。五霄+ z ( 3 ) 豆置爵+ i 以下考虑介质的二次非线性电极化效应，如有两列频率不同的平 面波在晶体中达到位相匹配，设传播方向为z 轴， e 。( z ，t ) = e c o s ( t k 。z ) e 2 ( z ，t ) = e 2 c o s ( ( o2 tk 2 z ) 贝u 有p = ox “ e l ( z ，t ) + e 。( z ，t ) + e 。x 。 e ，( z ，t ) + e 2 ( z ，t ) 2 极化波中不仅含有基频、u ：，同时还出现倍频、和频、差频，显然 如果入射的两列波频率为u 。和2u ，其和频为3u ，即三倍频。同 样由倍频技术可将频率为l 的激光转换为频率为2u 的绿光，再通 过倍频则可获得频率为4u ，的深紫外激光。 一、相位匹配原理 相位匹配是非线性光学中一个非常重要的概念。相位匹配技术的采 用，使非线性作用的转换效率大幅度提高。以下我们以二次谐波产生过 程为例，说明相位匹配的概念【1 4 】。 光在非线性晶体中传播时的相速度取决于光波在传播方向上的折 射率，它与光波的偏振态及传播方向有关。传播方向确定后，一般说， 存在两个具有确定的特征相速和偏振方向的本征光波，且它们的偏振方 向互相垂直，如果一个光的偏振方向与这两个特征方向中的任一个平 行，则这个光波通过晶体时，它的偏振方向将保持不变，分析光波在非 线性晶体中的传播，就是求解两个特征光波的偏振方向及相应相速度 ( 或折射率) 。而采用各种方法来控制晶体，其目的都是改变折射率，使 基频光和倍频光的折射率面在垂直于光轴的平面内相切，也就是使基频 光折射率和倍频光折射率相等。在不考虑晶体对光的吸收和散射等条件 下，从基频光到倍频光的这一光量予系统遵守能量和动量守衡。 设参与互作用的三个光波的圆频率分别为：l ，彩2 和3 ( 国3 = l 十2 ) ，其波矢分别为丘，墨及霞3 ，根据动量守恒定理，完全相 位匹配时，有： 七。葺( q ) + 如( 咤) 一玛( q ) ( 3 1 ) 即：丘( q ) + 丘( 哆) = 量( 吐) ( 3 2 ) 其中：曩= 笠n j ( f = l ，2 ，3 )( 3 3 ) c 式中于是波矢霞i 的单位矢量，n ；是频率为q 的光波在介质中的折射 率将式( 3 3 ) 代入式( 3 2 ) ，则有 f = = 孚n 。i + 譬n 2 不一堕n ，亏= o ( 3 4 ) n 。 如果参与互作用的三个光波的波矢方向相同( 共线) ，即 i = 毛= i 有l 产：堕n c 堕n ，= o c 。 即 q n l + 哆n 2 一q n 3 = 0 式( 3 6 ) 即为共线条件下，三波互作用的相位匹配条件。 对于倍频，匹配条件为 ( 3 5 1 ( 3 6 ) 1 8 1 = 2 = 3 2 ( 3 7 ) n 。( u ) + m ( ) = 2n ，( 2 ) ( 3 8 ) 从原理上说，非线性晶体中三波互作用的相位匹配有两种类型设 互作用的三个光波满足。 ( i ) ：( ) 。，詈兰o ，如果频率为( ) 的光波 q 与频率为。：的光波具有相同的偏振，此时的相位匹配为i 类相位匹配； 反之，光波，与光波m ：具有正交的偏振，此时的相位匹配为i i 类相 位匹配。 本实验中采用的b b 0 、l b 0 及k t p 晶体分别属于单轴晶体和双轴晶 体，下面首先研究单轴晶体中三波互作用的相位匹配和双轴晶体中的三 波互作用的相位匹配，然后再分别讨论这几种晶体的非线性特性。 二、单轴晶体中三波互作用的相位匹配 根据西矢量的方向不同，光波分为。光及e 光在两种相位匹配情 况下，参与互作用的光波是e 光还是。光，由晶体的类型所决定。 下面我们对单轴晶体中光波倍频的相位匹配条件进行简单讨论。 表3 1单轴晶体相位匹配表 正单轴晶体负单轴晶体 嵋寸口光，伤_ p 光， q 斗。光，毡一。光， i 类 一。光q _ e 光 匹配 铲峨+ 缸旗中挚纰纸 q j o 光，q 甘p 光，q 寸p 光，吐一。光， q o 光鸭寸e 光 a i i 夺1 ? + 挚0 ) 1呼挚国1 1 类 匹 劬斗e 光，吐寸。光，q _ o 光，q 斗e 光， 配 掰3 哼。光鸭专e 光 b 铲挚+ 挚 n e _ 堕n ? + 生n ； 屿 1 9 1 、负单轴晶体中i 类相位匹配( o + o 斗e 、 一( 国，口) = 他( ，功= ( ) 姒2 纸耻州：班丽意瓮鬻氅囊而，2 ，( i z 口，l s l n + 疗f 2 出l c o s 目 相位匹配条件是) = 吃( 2 国，口) 匹配角s m 2 吼= 考摹篆装矧 2 、负卑轴晶体中n 类相位匹配( e + o 寸e 1 喁(国，印t一(国，口)=(-孑i而主謇莲)1，2 也，圆= ( ) 色( 2 国，回2 一( 2 ，印= 葡i 五万篓! 乏凳蓦爰i ： 再而2 相位匹配条件是丢h ，印+ 一。( 田) 】= 怫( 2 她臼) 3 、正单轴晶体中i 类相位匹配( e + e 寸o 、 啊( 国，印2 玛( 峨回。