（光学工程专业论文）激光二极管侧面泵浦钕离子激光器设计.pdf

摘要 激光二极管侧面泉浦钕离了激光器设计 摘要 半导体激光二极管泵浦固体激光器( d p s s l ) 是当今固体激光技术领域研究的热 点，其中侧面泵浦方式可以实现高能量、高峰值功率的激光输出，具有较高的实用价 值。本论文主要研究了此类激光器优化设计的问题，通过编写计算机模拟程序获得了 选取不同增益材料和改变泵浦结构参数时增益介质内部的泵浦光功率吸收分布情况， 进而借助此数值模拟结果完成了激光器原理实验装置的设计工作。在此基础上，还完 成了激光二极管侧面泵浦钕离子激光器机械结构设计部分的工作，并成功实现了该激 光器在室温以及有温控措施下的1 0 6 1 上m 的激光输出，同时对荧光波形、自由运转以 及调q 运转下的激光波形、输出激光能量和输出发散角等特性参量进行了测定，实 验研究与理论分析基本一致，并且在三向泵浦自由运转时获得了1 6 1 8 的光一光转换 效率。本论文课题完成了研制一台半导体激光二极管侧面泵浦钕离子激光器原理实验 装置的完整过程资料调研、装置设计、制造以及调试，为进一步改进原理实验装 置，并最终制成实用化的器件打下了坚实的基础。 关键词：d p s s l 侧面泵浦运转特性 硕士论文 a b s t r a c t d i o d e - p u m p e ds o l i d - s t a t el a s e r ( d p s s l ) i s ah o tr e s e a r c hs p o ti nt h es o l i d - s t a t el a s e r f i e l d , i nw h i c hs i d e - p u m p e do p e r a t i o nh a sah i g hp r a c t i c a lv a l u ed u et ot h eo u t p u to fl a s e r b e a mw i t hl l i g he n e r g ya n dh i g hp e a i 【p o w e r t h i st h e s i sm a i n l yf o c u s e do nt h eo p t i m a l d e s i g no ft h i sk i n do fl a s e r b yw r i t i n gt h ec o m p u t e rs i m u l a t i o np r o g r a m ，t h ed i s t r i b u t i o n s o fp u m p i n go p t i c a lp o w e ra b s o r b e db yt h eg a i nm e d i u mh a v eb e e nc a l c u l a t e du n d e rt h e d i f f e r e n tc i r c u m s t a n c e sl i k ea d o p t i n gd i f f e r e n tg a i nm a t e r i a l so rc h a n g i n gt h ep a r a m e t e r so f p u m p i n gg e o m e t r y t h e n , t h ed e s i g no ft h ee x p e r i m e n t a ld e v i c ew a sc o m p l e t e dw i t ht h e h e l po ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e 刚t s ，b a s e do nw h i c ht h em e c h a n i c a ls t r u c t u r eo ft h e l a s e rd i o d es i d e - p u m p e dn e o d y m i u m - i o n l a s e rw a sa l s od e v i s e d t h i sl a s e rs u c c e s s f u l l y g e n e r a t e dt h e1 0 6 p r o l a s e rb e a mw i t hr o o mt e m p e r a t u r ea n du n d e rt h em e a s u r eo f e m p l o y i n gt e m p e r a t u r ec o n t r o lu n i t t h ef l u o r e s c e n tw a v e f o r m ，t h ec h a r a c t e r i s t i c sl i k e l a s e rw a v e f o r m s ，o u t p u tl a s e re n e r g ya n dd i v e r g e n ta n g l e su n d e rt h ec o n d i t i o no fb o t hf r e e a n dq - s w i t c ho p e r a t i o n sw e r et e s t e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c hb a s i c a l l ym a t c h e s 、i t l lt h e t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，a n dt h eo p t i c a l o p t i c a le f f i c i e n c yo f16 18 w a sa l s oo b t a i n e du n d e r t h ef r e eo p e r a t i o n aw h o l ep r o c e s so fd e s i g n i n gad i o d e - s i d e p u m p e dn e o d y m i u m i o n s a m p l el a s e rh a sb e e nc o m p l e t e d ：b i b l i o g r a p h yr e f e r e n c e ，a p p a r a t u sd e s i g n , m a n u f a c t u r e a n da d j u s t m e n t , w h i c hh a sl a i das o l i df o u n d a t i o nf o rf l l r t h e ri m p r o v e m e n to ft h e e x p e r i m e n t a la p p a r a t u sa n de v e n t u a l l yp r o d u c eam a r k e t a b l ed e v i c e k e yw o r d ：d p s s ls i d e - p u m p e do p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：年月 日 硕j ：论文激光二极管侧面泵浦钕离子激光器设计 1 绪论 1 1 研究背景及现状 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 r ，简称d p s s l 或 d p l ) 采用半导体激光二极管( l a s e rd i o d e ，简称l d ) 替代闪光灯作为泵浦源泵浦 固体激光介质，大幅度地提高了固体激光器系统的激光输出效率、工作寿命和便携性， 有效改善了激光光束质量，使固体激光器重新获得了广阔的发展前景和应用空间，在 材料加工、科学研究、医疗、军事和通讯等众多领域已得到了广泛的应用。d p s s l 以其显著的优势引起了人们极大的关注，目前以及未来都将是激光领域的一个研究热 点。 1 1 1 激光二极管发展概况 激光二极管最早出现在1 9 6 2 年，并被认为是会引起工业革命的突破性发明。然 而，由于当时的l d 阈值电流大、输出功率低且只能在低温下工作等因素的限制，其 达到实用化所花费的时间远比人们所期望的要长。 七十年代末，通过采用双异质结结构及液相外延材料生长技术( l i q u i dp h a s e e x p i t a x y ，简称l p e ) ，激光二极管性能取得一定进展，但输出功率也仅局限于数十 毫瓦的水平且不能稳定工作。根本原因是l p e 技术对外延层生长厚度控制精度差， 生长的激活层厚度为0 1 o 5 p m 数量级，介质传输损耗大，这不仅限制了激光器的阈 值降低和激光效率提高，同时制约了长腔激光器的研制，l p e 生长的激光器典型腔长 为2 5 0 1 a m 。对于高功率激光器，激光器热阻是制约激光性能的关键问题。虽然双异质 结结构设计及液相外延技术的发展，使激光二极管能在室温下连续工作，但输出功率 及其它性能还是只能满足光纤通信的一些应用要求。 直至f j g k 十年代，超晶格和量子阱技术及器件结构日益成熟，使大功率二极管激光 器得到迅速发展。随着两项先进的半导体材料生长技术的突破和日益成熟，二极管激 光技术才取得实质性的进展。这两项技术即分子束外延( m o l e c u l a rb e a me x p i t a x y ， 简称m b e ) 和金属有机化学汽相沉积( m e t a lo r g a n i cc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ，简 称m o c v d ) 技术。其意义在于可以把外延层的生长控制在原子层的精度，从而实现 均匀的材料生长及量子阱( q u a n t u m w e l l ，简称q w ) 激活层。m o c v d 和m b e 技 术使研制大发光孔径的宽区二极管激光器成为可能，同时可以把激活层的厚度控制在 几十埃，即量子阱结构。量子阱中的电子和空穴在垂直于层面方向的运动受到限制， 载流子在该方向的动能被量子化成分立能级，这种结构大大降低了激光阈值。 l 绪论 硕士论文 随着半导体激光器应用的日益开拓，对其功率的要求也越来越高。2 0 世纪8 0 年 代起开展了激光器阵列的研究。到了8 0 年代中期，半导体激光器又在提高功率方面 不断取得巨大的突破，并正在迅速占领过去由气体和固体激光器所占据的一些市场。 提高半导体激光器输出功率的结构有宽条形和阵列型。前者把普通激光器的有源区宽 度从几个岬增加到1 0 0 p r o 以上。阵列激光器包括一维线阵列激光器和二维面阵列 激光器。一维阵列是把几个到近千个单元激光二极管用m o c v d 生长在同一衬底上， 构成单片线列集成，目前的工艺技术限定为l c m 宽的阵列条，连续( c w ) 输出功率 室温下达1 0 0 w ，准连续( q c w ) 输出功率达2 0 0 w 。二维阵列是若干个单片集成化 成列阵条纵向叠加，堆砌成面阵。准连续输出峰值功率可达到几十乃至几百千瓦i l 硎。 大功率半导体激光器应用形式有作为激光泵浦光源和直接作为系统光源两种。半 导体激光器体积小、重量轻、直接电注入使其有高的量子效率。但这种光的光束质量 较差，横模特性也不理想，只能在对光束质量要求不高的环境下直接应用。固体激光 器输出的光束质量虽然高，但传统的泵浦源闪光灯又有体积大、寿命短、效率低的缺 点。结合二者的优点，产生了半导体激光器泵浦固体激光器( d p s s l ) 技术1 ) j 。 1 1 2 激光二极管泵浦固体技术概况 激光二极管泵浦固体激光器的研究也可追溯到上个世纪六十年代。当第一台红宝 石激光器在1 9 6 0 年诞生之后，紧接着在1 9 6 3 年，即g a a s 二极管激光器问世后的次 年，n e w m a n 便首次提出了用二极管激光器8 8 0 r i m 的相干辐射针对n d ”的吸收带泵 浦实现高功率、结构紧凑的全固态激光器【4 】。随后在1 9 6 4 年，k e y e s 和q u i s t 用g a a s 激光二极管泵浦c a f 2 ：u 3 + 获得了2 6 1 3 1 x m 的激光输出【5 1 ，这是我们能查到的最早有关 二极管泵浦固体激光技术的文献资料。在1 9 6 8 年，r o s s 报道了首台由g a a s 泵浦的 n d ：y a g 激光器1 6 ：1 9 7 2 年，d a n i e l m e y e n 首次在室温下用二极管激光器泵浦了 n d ：y a g 晶体。1 9 7 4 年，c o n a n t 和r e n o 又报道了激光二极管侧面泵浦设型7 。1 9 8 0 年，r i c e 用整列c j r a i a s 激光进行了泵浦n d 3 + ：y a g 的激光实验嗍。在1 9 8 2 年，k u b d e r 和n o d a 首次用g a a i a s 量子阱泵浦l n p 得到了波长为1 3 p r o ，功率为1 4 m w 的单 纵模激光束1 9 1 。 但由于早期半导体激光器只能在液氮温度下输出很小的功率，无法实现有效的泵 浦，d p s s l 一直进展缓慢。直到八十年代中后期，随着高功率二极管激光技术的突 破，d p s s l 才逐步发展成为实用化技术，并相继出现了多种工作波长( 如1 0 6 4 1 a n 、 1 3 1 0 p r o 和0 9 4 6 1 9 n 等) 的d p s s l 。1 9 8 5 年报道了第一支可见光g a a s 双异质结半 导体激光器在室温下连续工作，促使人们寻找新的固体增益材料，扩展吸收和发射波 长，从而为半导体激光器的其他应用提供可能性。1 9 8 7 年，k a l l e 及其同事用l d 列 2 硕士论文激光- 二极管侧面泵浦钕离子激光器设计 阵泵浦整体腔n d ：y a g 实现了非平面环形光路激光器【l 。t r u t a 及其同事用多 b j j n 磁场 对n d ：y a g 非平面环形腔实现了纵模调制，获得了1 3 1 9 p m 和1 3 3 p m 的单纵模输出 【l l 】。1 9 8 8 年，k o z l o v s k y 等人用m g o ：l i n b 0 3 实现了腔外谐振倍频i l 殂，这为外腔频率 锁定提供了可能性。期间，r i s k 及其同事更是用腔内k t p ，让1 0 6 1 , t m 的激光与泵浦 光在其中混频，得到蓝色的相干辐射。 进入九十年代以后，d p s s l 的发展更为迅速。1 9 9 3 年，c l e o 会上报导了创记 录的阵列二极管激光泵浦连续输出l l ( w 的n d ：y a g 板条激光器。由于大功率l d 的 发展以及激光器整体设计的优化，d p s s l 有了长足的进步。以紫外激光为例：1 9 9 5 年，o k a 和其同事用b b o 晶体得到了1 5 w 的紫外激光输出1 1 3 1 。随后，1 9 9 6 年， y a p 等得到重复率为1 0 h z ，平均功率为5 w ，2 2 6 n m 的紫外输出【1 4 1 。1 9 9 8 年，y a p 等又报道了重复率为1 0 0 h z ，平均功率为1 0 6 w 的紫外输出l l5 。2 0 0 0 年，k o j i m a 及 其同事更是得到了重复率为1 0 k h z ，平均功率为2 0 5 w 的2 6 6 n m 的紫外激光输出1 1 6 1 。 在这期间美国的l l n l 实验室研制出千瓦级高功率二极管泵浦n d ：y a g 激光器，这 是具有里程碑意义的事件。 经过近十年的发展，中小功率的d p s s l 技术已比较成熟，并得到广泛应用。 3 1 0 m w 的d p s s l 已基本取代了h e - n e 激光器，1 0 0 - - 5 0 0 m w 的也逐步代替染料激 光器用于光动力学疗法，治疗较深部的肿瘤。近年高功率d p s s l 在激光加工领域发 展势头强劲，尤其是平均功率1 - 2 w 的紫外( 3 5 5 n m ) d p s s l ，在激光精密加工中 的应用越来越广泛。以往，准分子激光器曾经是此类应用中主要和首选的激光源，但 准分子激光器存在体积庞大，操作和维护费用高，有毒气体更换和处理过程麻烦，脉 冲特性不好，光束质量差，能量损失多等缺点，在某些应用领域中正被d p s s l 所取 代。紫外d p s s l 激光器的低操作成本和高可靠性等优点毫无疑问将促进紫外微 j n i 应用市场的飞跃和产品多样化的发展。高功率d p s s l 在军事和航天上的应用增长迅 速，从1 9 9 9 年到2 0 0 0 年该市场增长了2 0 0 。在基础研究方面，l 1 0 w 的d p s s l 应用也越来越广，正逐渐取代以往科研大量采用的氩离子激光器1 1 7 j 。 在许多激光的应用领域中，不仅要求激光器有高平均功率输出，而且要求有较好 的光束质量。良好的光束质量和高平均功率是激光器研究者们长期追求的目标，也是 激光器发展的一个重要方向。激光二极管泵浦固体激光器较传统的灯泵浦固体激光 器，可获得高平均功率输出，同时保持较好的光束质量。正因如此，二极管泵浦固体 激光器成为当今高功率激光技术研究最活跃的领域之一。 2 0 0 1 年，l l n l 实验室研制出了当今世界上最高功率输出的二维阵列二极管激 光器l l 引，其近期目标是实现1 0 0 k w 、重复频率2 0 0 h z 的激光输出。随着l d 制造成 本急剧下降，用l d 代替闪光灯的d p s s l 已成为固体激光器发展的趋势。d p s s l 使 固体激光器的优点充分发挥，开辟了固体激光器更为广阔的应用途径【1 9 1 。 1 绪论硕士论文 1 1 3 激光二极管泵浦固体激光器发展趋势 当前国际上d p s s l 的发展有五大趋势t ( 1 ) 结构紧凑、小型化的低功率d p s s l 实现产业化；( 2 ) 高功率d p s s l 关键单元技术研究的新突破【2 0 j ；( 3 ) 可调谐d p s s l 和非线性频率变换技术迅速发展1 2 1 - 2 2 ；( 4 ) 高可靠性集成化驱动电源和高效率泵浦 耦合系统等相关单元技术的新进展；( 5 ) 泵浦动力学模型、热载荷模型和腔内倍频 等理论研究的新成果。 在高功率二极管线阵和高功率面阵二维堆叠技术解决以后，当前阻碍高功率 d p s s l 向前发展的主要问题是高功率l d 的价格。如果高功率l d 的价格降到每瓦小 于l 美元以后，高功率d p s s l 在工业和军事等领域的大规模应用才能成为可能。 d p s s l 克服了l d 发散角大、光束质量差的缺点，同时具有高效率、结构紧凑、 稳定可靠、长寿命和全固化等优点，其广泛的应用前景已得到人们的共识。在激光雷 达方面，由于d p s s l 的波长比c 0 2 激光波长短一个量级，激光频宽窄1 2 个量级， 因此，d p s s l 可提供比c 0 2 激光高2 3 个量级的速度测量精度，速度误差减d , n 0 1 m m s 。在激光通讯中，由于d p s s l 的光束发散度比l d 小三个量级，因此有利于 远距离通讯，d p s s l 绿光器件已用于机载海空通讯实验和空间卫星间的通讯实验， 是将来空间站通讯用激光器的首选。 针对不同应用需求及不同激光介质泵浦的需要，人们已研制出从可见光到近红外 波段的l d ，从而使d p s s l 具有多样化的输出波长。最近十年来，人们利用多种固体 激光增益材料获得1 5 p r o ，2 p m 和3 p m 等几种人眼安全的波长，这些波长的激光在 光通讯、激光雷达、医学和生物学等方面获得广泛的应用。在超短脉冲方面，利用锁 模技术已获得飞秒级d p s s l 激光，其中利用半导体可饱和吸收镜成为d p s s l 获得超 短脉冲的一条重要途径。 高功率二极管泵浦光纤激光器发展迅速，双包层光纤结构的出现，大幅度提高了 光纤激光输出功率。目前，单根单模光纤输出达到了2 7 0 w 1 2 3 1 ，多根多模光纤输出超 过千瓦，在激光加工方面呈现广阔的应用前景。近年来，多束光纤激光相干合成技术 的研究取得较大进展 2 4 - 2 6 ，一旦相干合成技术得以突破，将实现数十千瓦乃至更高功 率的高亮度激光。 1 2 论文主要工作 在上述研究背景下，我们认为激光二极管泵浦固体激光器有广阔的发展前景和应 用空间。作为传统灯泵浦固体激光器的替代产品，激光二极管泵浦激光器效率高、可 4 硕l ：论文激光二极管侧面泉浦钕离子激光器设计 小型化和可集成化的特点吸引了我们。我们觉得有必要对该类激光器各方面的性能进 行深入的理论及实验研究，为新型激光二极管泵浦固体激光器的设计提供有价值的参 考。在课题进行期间作者主要开展了以下几方面的研究工作： ( 1 ) 在v c + + m f c 平台下，设计了模拟程序，此程序可用于对在不同性能参数的激 光介质以及不同的谐振腔结构条件下的泵浦光功率吸收分布情况进行计算机模拟 ( 2 ) 建立了谐振腔的数学物理模型，借助模拟程序对掺钕激光晶体内部泵浦光功率 的分布情况进行了仿真，得到了数值模拟结果 ( 3 ) 进行激光器机械结构设计，完成了该实验激光器的制图、加工，组装以及调试 工作 ( 4 ) 在不同的运转条件下，对激光二极管侧面泵浦n d ：y a g 激光器的各种输出特性 参量进行了测定 ( 5 ) 结合理论和数值模拟的结果，对实验结果进行分析比较，提出了优化设计方案 2 激光二极管泵浦固体激光技术 硕士论文 2 激光二极管泵浦固体激光技术 本章将介绍激光二极管泵浦固体激光技术背景的五个主要方面。 2 1 泵浦源 我们采用半导体二极管激光器作为实验激光器的泵浦光源。激光二极管是实用中 最重要的一类激光器。它体积小，寿命长，并可采用简单的注入电流的方式来泵浦。 其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可与之单片集成。并且还可用高达g h z 的 频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。由于这些优点，半导体二极管激 光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及激光雷达等方面已经获得了 广泛应用。 2 1 1 激光二极管的工作原理 半导体激光器和其它类型的激光器从基本原理来说没有根本的区别，即都是基于 受激光发射。要使激光器得发光，要满足两个条件，即粒子数反转条件与阈值条件。 前者是必要条件，它意味着处于高能态的粒子( 如半导体导带中的电子) 数多于低能 态的粒子数，达到这一条件，有源工作物质就具有增益。在半导体激光器中，粒子数 反转是通过在器件接触面向半导体中注入电子来填充导带中的低能级而实现的1 2 7 ；后 者是充分条件，它要求粒子数必须反转到一定程度，即达到由于粒子数反转所产生的 增益能克服有源增益的内部损耗和输出损耗( 激光器的输出对有源介质来说，也是一 种损耗) ，此后增益介质就具有净增益。 2 1 2 激光二极管泵浦的主要优势 激光二极管泵浦方式在固体激光技术领域有着非常明显的优势，主要体现在以下 几个方面： ( 1 ) 显著提高了激光器系统的输出效率，这是因为与闪光灯的发射带相比，在波长 为8 0 9 r i m 时，激光二极管的发射带与钕离子的吸收带存在极佳的光谱匹配，从而大 大提高了泵浦光能量转化为输出激光的比例，产生很高的泵浦效率。 ( 2 ) 激光二极管泵浦固体激光器的系统寿命和可靠性，都优于闪光灯泵浦。在连续 工作时，激光二极管阵列的寿命是1 0 4 小时，大约发射1 0 9 次脉冲。而闪光灯在连续 工作时的寿命大约是5 0 0 小时，大约发射1 0 8 次【2 引。 6 硕l 论文激光二极管侧面泵浦钕离子激光器设计 ( 3 ) 激光二极管泵浦激光器的发射波长和钕吸收带之间的光谱匹配减少了激光材料 积聚的热量，从而降低了热透镜效应，进而改善了光束质型刀j 。 ( 4 ) 激光二极管泵浦还能实现激光系统紧凑性和多功能性，使得有可能设计出新型 固体激光器。泵浦源输出光束在形状和向激光介质传播上的灵活性，为发明新型泵浦 结构和设计构造提供了很好的机会。很多非常有用的材料如n d ：y v 0 4 、y b ：y a g 和 t m ：y a g 等，只有在激光二极管的泵浦作用下才能显现出优势。 2 2 增益介质 d p s s l 的增益材料的种类非常繁多，以下将介绍各种常用的被用作增益介质的 激光晶体的特性，特别是一些掺钕激光晶体的光学性能。 2 2 1 激活离子 固体激光增益材料分类因划分角度不同而不同，下面就以发光中心的激活离子种 类将增益材料分为以下三类【2 0 】： ( 1 ) 稀土离子 三价稀土离子如钕n d 3 + 、镨p ，、钐s m 3 + 、铕e u 3 + 、镝d y 3 + 、钬h 0 3 + 、铒e ，、 镱y b ”等离子的未满层的电子是内层电子，受到外层电子的屏蔽作用。在不同基质 中，这类离子的能级结构与自由状态下的离子大体相似，多属四能级系统。 其中，n d 3 + 是最早用于激光器中的三价稀土离子，现在至少已经在1 0 0 种不同的 掺有这种离子的基质材料中获得了受激发射，从钕离子激光器中获得的功率要高于其 它任何四能级材料。它的主要基质材料是y a g 和玻璃，这些基质材料在中心为0 9 1 u n 、 1 0 6 l a r a 和1 3 5 p r o 的三种跃迁中，可获得若干频率不同的受激发射。 二价稀土离子，如钐s m 2 + 、铒e p 、镝d 尹、铥t m 2 + 等也有激光作用，但是， 这类离子不太稳定，特别是在高温辐照下易产生色心，不如三价稀土离子应用广泛。 ( 2 ) 过渡族金属离子 如铬c 一、钛t i 3 + 、镍n i 3 + 、钴c 0 3 + 等离子中未满壳层的电子处于最外层，直接 受到外场影响，其能级结构与在自由状态下的离子有显著区别。在过渡金属离子中， 以c r 3 十和t i 3 + 应用为多。 ( 3 ) 钶系离子 钶系离子多为人工放射性元素，不易制备，仅铀u 3 + 曾用于c a f 2 激光器中【5 1 。 “ 2 2 2 基质材料 ( 1 ) 稀土石榴石体系( y a g ) 3 0 1 7 2 激光二极管泵浦固体激光技术 硕士论文 y 3 a 1 5 0 1 2 ( y a g ) 是目前国内外研究、开发和应用最活跃的体系，其中掺钕钇铝 石榴石晶体( n d ：y a g ) 性能最好，用途最广，产量最大。n d ：y a g 晶体为立方结构， 荧光谱线窄，能使激光器在高增益和低阈值下工作。优点是y a g 基质很硬，光学质 量高，而且机械强度高，导热性好，激光波长范围内晶体透过率高，是目前广泛应用 于闪光灯泵浦和l d 泵浦的成熟的激光材料。当用于半导体激光二极管泵浦时，即可 用作小型化、低功率器件，也可作高功率输出；即适合连续输出，也适合脉冲工作； 即可输出多纵模、宽谱线，也适用于单纵模，窄线宽，因此仍是目前最好的高效率， 高平均功率晶体。 ( 2 ) 掺钕铝酸钇( 心) 体系 y a p 属正交晶系，具有各向异性，故可利用晶体的不同取向而得到不同的激光 特性。另外y a p 晶体的长生速度比y a g 快，输出功率不易饱和。其缺点是在高温 下存在相不稳定性，热膨胀系数各向异性，致使晶体在生长过程中易出现开裂、色心 和散射颗粒等缺陷。 ( 3 ) 氟化锂钇( y 】l f ) 激光材料 y l f 是一种优良的激光基质，其中很多稀土激光离子都实现了激光输出。它的 优点是受光辐照后，不产生色心而变色，基质吸收的截止波长移向短波。参见表1 ， 掺钕氟化锂钇是单轴晶体，由于上能级荧光寿命是5 2 0 p s ，可在半导体激光二极管功 率较低情况下泵浦，适合产生大能量调q 脉冲，它的荧光线宽是y a g 的两倍，有利 于产生窄脉冲，在低输出能量情况，效率较高，但导热率只有y a g 的一半，机械强 度不够，另外它的吸收带宽太窄，只有7 r m a ，当激光二极管结温变化导致输出波长漂 移时，会造成泵浦效率急剧下降，不适于大功率半导体泵浦。 ( 4 ) 掺钕钒酸钇( y v 0 4 ) 体系 n d ：y v 0 4 是单轴晶体，与y a g 有相同的光谱特性，y v 0 4 基质对钕离子有敏化 作用，提高了它的吸收能力，在1 0 6 4 n m 处有较大的受激发射截面，是y a g 的两倍， 在8 0 8 r i m 处吸收带是2 4 n m ，是y a g 的4 倍多，且吸收峰也高，非常适合半导体激 光二极管泵浦。但缺点是导热性差，上能级寿命短，晶体生长困难，难以长出大尺寸 晶体，这些缺点限制了它在高功率下的应用。 表1 掺钕晶体的光学特性 吸收 吸收带宽输出波长 掺杂 激光荧光 受激截面盯 仃丫 波长 基质寿命 离子( 1 0 - 1 9 c m 2 )( 1 0 - z 3 c m 2 s )出k ( r i m )乞( 姗) 晶体 f ( u s ) 勺( 咖) n d 3 +y a g2 3 04 09 28 0 7 55 5 9 4 6 ，1 0 6 4 , 1 3 2 0 y l f5 2 03 71 9 28 1 0 7 o 1 0 7 0 、心1 7 02 o3 48 0 8 1 0 7 9 ，1 3 4 l 8 硕上论文 激光_ 二极管侧面采浦钕离了激光器设计 g g g2 4 02 o4 88 0 68 o1 0 6 1 y v 0 4 9 81 0 o9 88 0 82 4 o 1 0 6 4 ，1 3 4 0 l n a2 6 00 41 02 2 o g l a s s3 0 03 19 18 0 l1 4 01 0 6 2 n d ：y a g 和n d ：y v 0 4 是掺钕增益介质中最有代表性的激光晶体。n d ：y a g 增益 高、热特性和机械特性良好，它已成为当前在科研、工业、医学和军事应用中最重要 的固体激光器晶体材料。d p s s l 一般都将n d ：y a g 作为工作物质，而另一种掺钕工 作物质n d ：w 0 4 则有更佳的应用前景。它的受激发射截面大，对8 0 9 n m 波长存在着 很强的宽吸收带，见表1 。n d ：y v 0 4 晶体是一种优良的增益材料，和n d ：y a g 晶体相 比，n d ：y 、，0 4 晶体在1 0 6 4n m 处的发射截面约为n d ：y a g 晶体的2 5 倍，达到1 0 x 1 0 d 9 c m 2 ，在8 0 8 n m 处的吸收系数( 尢偏振吸收) 是n d ：y a g 的3 5 倍，其吸收带宽为2 4 n m ， 是n d ：y a g 的4 倍。对波长为8 0 8 n m 的泵浦光而言，由于n d ：y v 0 4 晶体的吸收带宽 宽，这使得以n d ：y v 0 4 晶体为增益材料的固体激光器对温度变化不敏感，可以在较 大的温差范围内工作，这使得此类激光器的使用场所变得极为广泛。但同时n d ：y v 0 4 晶体吸收系数大，上能级寿命短和晶体生长困难的缺点也限制了它的大规模应用。 2 3 泵浦结构 d p s s l 有多种泵浦结构，从泵浦方向上分，其中主要有端面泵浦和侧面泵浦两种 常见方式。 2 3 1 端面泵浦 端面泵浦是指激光二极管发射的泵浦光从工作物质的端面入射进工作物质的泵 浦方式，其典型结构如图2 1 所示。端面泵浦条件下，只要工作物质足够长，泵浦光 能量就能全部被吸收，而且泵浦光束能与激光振荡模式相匹配，空间交叠程度高，有 利于获得单模激光输出。因此，采用二极管端面泵浦的固体激光器，能量利用率高， 输出光束质量好。 g a a i a s g a a sl d 概河岛斯泉浦光隶单纵f ； ：龋模输m 渐变 i * 率透镜 n d ：y a g 1 0 6 4 r i m 、 图2 1 二极管端面泵浦典型结构示意图 但是，由于工作物质端面面积有限，从端面不可能输入很大的泵浦功率：而且把 具有较大发光孔径的大功率激光二极管泵浦光会聚成光斑半径为w p 碰t 论立 撒光一极管侧面泉浦蚀高于撒光嚣设计 刻便形成了激光辐射，大大早于激光二极管泵浦单向泵浦时产生激光时刻的7 5 p s 因此和单向泵浦相比，二向泵浦确实有比较大的优势。 t i m e s l t i m e ( 岫l 凹49 弛豫振荡渡形圈 一般固体激光器所输出的并不是一个平滑的光脉冲，而是一群宽度只有l i s 量级 的短脉冲序列，即所谓的“尖峰”序列。激励越强，则短脉冲之问的时问间隔越小。 产生弛豫振荡的主要原因是：当激光器的工作物质被泵浦，上能级的粒子反转数 超过阈值条件时，即产生激光振荡，腔内光子数密度增加，并发射激光。随着激光的 发射。上能级粒子数大量被消耗，导致粒子反转数降低，当低于阐值时，激光振荡就 停止。这时t 由于光泵的继续抽运，上能级粒子反转数重新积累当超过阈值时，又 产生第二个脉冲，如此不断重复上述过程，直到泵浦停止才结束。可见，每个尖峰脉 冲都是在闽值附近产生的因此脉冲的峰值功率水平较低。同时结合图4 6 ，从这个 作用过程可以看出，增大泵浦能量也无助于峰值功率的提高，而只会使小尖峰的个数 增加1 3 3 i 。 从图49 ( b ) 中的尖峰结构中可以看出每个小尖峰的宽度几乎差不多，而且整个弛 豫振荡的波形近似于阻尼振荡的波形，随着时问的推进，整个弛豫振荡的波动幅度逐 渐减小井趋于稳定。 ( 3 ) 输出激光发散角 在三向泵浦时同样也使用c c d 摄像机记录了激光光斑的大小。按照4 31 节叙述 的方法，我们计算得到光束发散角为18 1 0 。3 r a d ，略大于单向泵浦的发散角，但也在 正常范围之内。 ( 4 ) 输出激光波长 我们使用光纤光谱仪测得了d p s s l 的输出激光波长，如图41 0 所示。 4 实验及结果分析 硕士论文 6 0 07 0 08 9 0 01 0 0 0 1 l o ot 2 0 01 3 0 0 s p e c t r u m ( n m ) 1 0 5 41 0 5 61 0 5 81 0 6 01 0 6 21 0 6 41 0 6 61 0 6 81 0 7 01 0 7 2 s p e c b l j m ( n m i 图4 1 0 输出激光谱线图 图4 1 0 ( a ) 显示的是整个光谱范围的分布情况，图4 1 0 ( b ) 为局部( 1 0 5 5 1 0 7 0 n m ) 的光谱分布。从图4 1 0 ( b ) 中可以看出，输出激光的波长在1 0 6 4 5 r i m 左右，这符合预 期的输出结果。 4 3 2 2 调q 运转输出特性 由于脉冲激光器的输出是由若干无规则的尖峰脉冲构成，每一个尖峰脉冲都在阈 值附近发生，而且脉冲又非常短，激光器输出的能量分散在这样的一串脉冲中，因此 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微超过阈值时，激光器便开始振荡，于是上能级的粒子数因 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粒 子数附近。这是d p s s l 峰值功率不能提高的原因。 所以我们考虑采用通过调q 技术来改变激光器的阈值。具体地说，就是当激光 器看是泵浦的初期，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便可积累得很多。当反转粒子数积累到最大时，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地跃迁到低能级，于是在极短的 时间内就将能量释放出来，这就获得了峰值功率极高的巨脉冲激光输出。 在激光二极管三向泵浦时，我们在谐振腔内部插入c r ：y a g 晶体作为调q 开关， 以此来观察d p s s l 在q 调制运转下的输出特性。 5 3 2 1 0 参一c3co署一一m孑- 6 5 4 3 2 1 o 扫isc3ui等焉一。叱 碗+ 论文 擞光一极管制呵采浦蚀离f 激光嚣设计 t i m e ( p s 。 0e 旦 窑 呈宝 ”吾善 。z 要量 。墨 ； t i m e ( 1 j s 图4 1 l 谓q 激光输出波形图c t = $ 0 6 0 ) 图4l l ( a ) 是在光电探测器接小负载时记录下的波形，图41 1 ( ”是图4l l ( a ) 在 5 5 “5 p s 的局部时域图。分析波形特点如下：图4l l ( a ) 中出现了5 个尖峰脉冲局部 时域图4 1 1 ( ”显示了单个调q 脉宽的波形。这是因为d p s s l 的泵浦光能量比较大， 在调q 激光器输出第一个激光脉冲后，剩余的光泵能量仍能继续激励，再次使得反 转粒子数增加到能再一次使染料“漂白”，则形成第二个脉冲。在此次实验条件下，激 光二极管泵浦光能量还是足够强，并且染料浓度也不高，则便能继续输出一列能量大 致相等的多脉冲。 4 3 2 3 温度控饼下的输出特性 为了比较不同温度对半导体激光二极管输出波长的影响，以及进一步考虑对 d p s s l 输出特性的影响，我们在实验中测得了d p s s l 输出激光能量和半导体激光二 极管泵浦波长与温度变化的关系曲线，如图4 1 2 所示。我们通过t e c 器件将d p s s l 系统的温度恒定在某一设定的温度值，然后得到了泵浦光波长和激光器的输出能量在 1 7 3 8 之间的变化规律。 鲴一 一 一=o)西glo 4 安验结果分析碗l ：论文 t e m p e r a t ur e ( o c 削41 2 输出能量、泵浦波长与温度变化关系图 分析图41 2 我们可以得到泵浦光波长随温度升高而基本呈线性趋势增加的规律。 有一点需要说明，受限于实验中使用的光纤光谱仪的分辨率( o3 m ) ，因此有些示 数相同的值其实还是有差异的。不管怎样，激光二极管输出波长随温度线性变化的规 律是很容易得到的。而随着温度的上升，激光器输出能量也跟着不断上升：在温度达 到2 9 。c 后，输出能量进入了一个平台期( 2 9 - 3 4 c ) ，并且在”时达到输出能量达 到峰值$ m j 。随后随着温度的上升，输出能量不断下降。可见对应8 0 8 5 r i m 左右的泵 浦光波长，激光介质的吸收效率最高，从而激光器输出能量便能达到最大。在其它温 度时，激光二极管的波长偏移出了n d ：y a g 晶体的吸收峰。n d ：y a g 的吸收带宽很窄， 只有几个n m 温度的变化将很容易使得泵浦波长移至吸收带外，进而导致输出能量 的下降，无法实现激光器虽佳运转输出。此外，输出能量在2 9 , , - 3 4 * c 时出现平台的原 因足由于此温度范围对应的泵浦光波长范围( 1 m 左右) 正好处于n d ：y a g 的吸收 峰的带宽内，因此输出能量基本维持在较高的水平而没有出现显著降低。 和未采取温控措施时的输出能量相比，在2 4 c 时的输出能量比较小而且即使 是”的最大值亦未能超过2 4 c 自由运转的输出能量。我们对此现象分析如下： ( 1 ) 由于实验条件的限制，机械结构还不够完善。在激光器工作时，风扇引起的震 动影响了固定台的稳定性。而固定台相对于输出镜任何微小的偏移都将导致激光器输 出效率的显著降低a 所以我们考虑主要是因为这个原因影响了d p s s l 的输出能量。 下一步工作就应该是重新设计温控装置的结构。在达到恒温效果的同时也不会干扰激 光器的正常运转。 ( 2 ) 虽然加入温控措施后效果不甚理想，但是实验的现象很清楚地显示d p s s l 确实 存在着一个最佳的工作温度。从图41 2 中可以推断2 4 c 并不是最佳的工作温度，因 3 6 硕j ：论文 激光- 二极管侧面泉浦钕离子激光器设计 此我们有理由相信在解决了( 1 ) 中分析的问题之后，将d p s s l 恒温在最佳的工作温 度上，它的输出能量必将会有进一步的提升。 5 总结与展望 硕士论文 5 总结与展望 在本课题进行过程中，作者独立完成了半导体激光二极管泵浦钕离子激光器的设 计工作，分别进行了激光器设计中理论和实验两部分的研究，具体工作内容总结如下： ( 1 ) 通过v c + + m f c 平台开发了可视化模拟程序，此程序可以在激光介质吸收系数 和泵浦距离都不相同的情况下，对增益介质横截面内的泵浦光吸收分布情况进行计算 机仿真 ( 2 ) 借助此模拟程序，分析了泵浦光在各向同性激光介质中的吸收分布，同时还研 究了各向异性激光介质横截面内的泵浦光吸收分布情况 ( 3 ) 设计实验用半导体激光二极管泵浦n d ：y a g 激光器机械结构图，并完成实验设 备的加工、组装和调试工作 ( 4 ) 完成调试半导体激光二极管泵浦n d ：y a g 激光器，测定了在不同运转情况下的 输出特性，并结合数值模拟结果分析了影响激光器效率的各种因素，提出了优化设计 的方案 通过完成上述工作，以及对数值模拟和实验结果的分析和讨论，我们得到了如下 关于半导体激光二极管泵浦钕离子激光器设计的结论： ( 1 ) 半导体激光二极管泵浦钕离子激光器的输出效率明显高于传统闪光灯泵浦固体 激光器，而且其可小型化和不断下降的成本优势有着非常巨大的吸引力，对d p s s l 进行深入的研究是十分有必要和有意义的 ( 2 ) 可以容易地通过改变半导体激光二极管泵浦钕离子激光器的设计方案，包括更 换不同的晶体和改变泵浦距离等，来改善泵浦光吸收分布情况，从而提高激光器系统 的整体效率 ( 3 ) 优化半导体激光二极管泵浦钕