（光学专业论文）nd：luvo4晶体特性及其全固态激光器研究.pdf

山东大学博士学位论文 摘要 随着激光技术的不断发展，激光器在军事、工业、医疗、科研以及我们的日 常生活中发挥着越来越重要的作用。l d 泵浦的全固态激光器由于其结构简单紧 凑、效率高、光束质量好、稳定性好，成为目前激光器件的研究热点激光晶体 是全固态激光器的重要组成部分，它的物理和光谱性质决定了激光器的输出特 性。近几年来，在一些新研究的激光晶体中，n d ：l u v 0 4 激光晶体由于具有优良 的激光特性而受到人们的重视。首先，n d ：l u v 0 4 晶体具有大的吸收截面和吸收 带宽，适中的激光上能级寿命，可以应用到低阈值的微片激光器中。而且， n d ：l u v 0 4 晶体在1 0 6 p m 的发射截面高于其它钒酸盐晶体，拥有比n d ：y v 0 4 晶 体更高的热导率，可以在大功率泵浦中获得稳定、高效的激光输出。另外， n d ：l u v 0 4 激光器的输出具有很好的偏振特性，在频率转换中能得到较高的转换 效率。n d ：l u v o a 晶体是在2 0 0 2 年被首次报道。目前对它的激光研究开展的还不 多，只有少量的连续和声光q 特性研究。本论文对提拉法生长的n d ：l u v 0 4 晶体 的结构、热学、光谱、全固态激光器输出特性进行了较系统的理论和实验研究。 主要研究内容概括如下： ( 1 ) 介绍了l d 泵浦的全固态激光器的发展历史及l d 泵浦的全固态激光器 的优点，并对几种常用激光晶体的物理和光学特性作了比较分析。对 n d ：l u v 0 4 晶体的研究现状进行了全面的概括和总结，并就n d ：l u v 0 4 晶体今后可能应用于全固态激光器的几个热点领域进行了展望。 ( 2 ) 对拉曼散射理论及n d ：l u v 0 4 晶体结构的研究。从经典和量子理论两个 方面研究了拉曼散射谱线的频移和强度。通过商群理论对n d ：l u v 0 4 晶 体对称性分类进行了计算，结果为：f = 5 4 9 + 7 蜀g + 2 垦g + 1 0 e s 最多可以观察到3 4 支拉曼活性光学模。通过选取x ( z z ) x 。x ( r r ) x ， z ( x r ) z ，v ( x z ) r 的几何配置，利用共焦显微拉曼光谱仪获得了4 l g ， 彳l 季坩i g 、如、乓模并对获得的谱线进行了指认。除了a l g 中的v 2 模 由于和v 4 模重叠而有所加宽外，其余的谱线都很细锐，细锐的拉曼谱 线证明了n d 离子的掺入并没有使晶体微观结构产生大的位错和形变。 山东大学博士学位论文 而且x ( z z ) x 配置中，彳i g 对称类的v i 模( v - o 对称伸缩振动) 对应 的拉曼峰9 0 3 c m 1 强度最大，是实现拉曼激光器的首选谱线，可以沿着 a 轴通光实现自拉曼输出。 ( 3 ) 对n d ：l i i v 0 4 晶体热学特性( 热导率、热膨胀系数、比热) 的研究。通 过用激光闪烁法测量n d ：l u v 0 4 晶体的热扩散系数，利用公式 k = q p c ，计算了n d ：l u v 0 4 晶体的热导率。热导率随着温度的升高而 降低。而且c 向热导率大于a 向热导率。在3 3 0 k 时，a 轴热导率为 7 9 w ，m k ，c 轴热导率为9 7 w i n k ，高于n d ：w 0 4 晶体。测量的比热 为0 4 5 j g k ，比热大，在晶体内部引起的温度梯度小，所能承受的抗损 伤阙值高。而且n d ：l u v 0 4 晶体具有适中的热膨胀系数，因而n d ：l u v 0 4 晶体拥有优良的热学性能，适合中高功率激光泵浦。 ( 4 ) 对n d ：l u v 0 4 晶体光谱特性的研究，包括偏振吸收谱、荧光谱、透过谱。 利用光谱仪测量了n d ：l u v 0 4 晶体的偏振吸收谱。利用j o 理论并使用 o r i s n 软件对n d ：l u v 0 4 晶体吸收和发射的光谱参数进行了计算，结果 表明：n d ：l u v 0 4 晶体对兀偏振光的吸收明显强于a 偏振。计算了4 e ， 态的能级寿命以及由此态向低能态跃迁的荧光分支比、受激辐射几率、 谱线强度、振子强度、积分发射截面。得出4 e 。的能级寿命为1 2 9 胪。 1 0 6 t t m 的荧光分支比最大，为5 0 2 2 ，有最强的激光振荡强度和积分 发射截面，是最容易实现振荡的一条谱线。0 9 x r a 的谱线具有较大的荧 光分支比和基态颠塔克分裂值，也是很有应用价值的一条谱线。而且， n d ：l u v 0 4 晶体在近红外波段有较高的透过率。 ( 5 ) 从四能级的速率方程出发，推导了激光器稳态条件下，连续运转激光的 输入输出特性，讨论了l d 端面泵浦固态激光器的阈值和斜效率。对连 续运转的a - c u t 轴和c - c u t 轴1 0 6 t t m 和1 3 4 t i m 的n d ：l u v 0 4 激光器进行 了实验研究，讨论了输出镜对激光输出特性的影响以及激发态吸收对 1 3 4 p r o 激光输出的影响。当t = 1 0 ，泵浦功率为1 9 w 时，a c u t 轴的 n d ：l u v 0 4 激光器最大输出功率为7 6 7 w ，光- 光转换效率和斜效率分别 为4 0 3 和5 0 5 ；对于1 3 4 t t m ，当t _ = 4 ，泵浦功率为1 6 1 8 w 时， 山东大学博士学位论文 c - c u t 轴的n d ：l u v 0 4 激光器得到了2 0 1 5 w 的输出，其光光转换效率和 斜效率分别为1 2 5 和1 4 2 。对于1 3 4 t u n 的激光器，a - c u t 轴的 n d ：l u v 0 4 激光器输出效率低于c - c u t 轴的n d ：l u v 0 4 激光器。 ( 6 ) 考虑饱和吸收体的激发态吸收，对被动调q 的速率方程进行了研究， 得到了速率方程的解，并模拟了脉宽、重复频率、峰值功率、单脉冲能 量随c r + ：y a g 初始透过率和输出镜透过率的变化关系。首次对 n d ：l u v 0 4 晶体被动调q 激光特性进行了研究，分析了q 参数的影响因 素得到的最高光光转换效率为1 0 7 ，斜效率为1 7 6 ( t e = 8 5 ，t = 4 0 ) i 最窄脉宽为1 2 n s ( 1 铲7 0 ，t - ；4 0 ) ；最高重复频 率为1 5 6 k h z ( 1 庐8 5 t = l o ) ；最大单脉冲能量为3 3 9 ，最大峰值 功率为2 8 3 k w ( t o = 7 0 ，t - - 4 0 ) 。并和n d ：y v 0 4 晶体的调q 输出特 性进行比较，发现n d ：l u v 0 4 晶体比n d ：y v 0 4 晶体拥有更窄的脉宽和 更低的重复频率，因而n d ：l u v 0 4 激光器能得到更高的单脉冲能量和峰 值功率。 ( 7 ) 首次开展了n d ：l u v 0 4 晶体锁模激光器的研究。利用折叠腔理论，考虑 泵浦光在n d ：l u v 0 4 晶体内引起的热透镜效应，对锁模激光器的谐振腔 进行了优化设计。实验中，采用v 型腔并使用不同输出镜透过率和不 同初始透过率的饱和吸收体，实现了锁模激光器的稳定运转。在激光晶 体上的光斑半径为2 0 0 p a n ，饱和吸收体上的光斑半径为3 4 1 t m ，光斑压 缩比为6 ，锁模调制深度达到了4 0 0 0 - 5 0 。并讨论了c r 4 * ：y a g 初始透 过率对锁模调制深度的影响 ( 8 ) 从耦合波方程出发，对光学参量振荡原理进行了研究。通过非线性晶体 k t p 的折射率方程，采用类相位匹配，得出当0 = 9 0 0 ，巾：0 0 ，1 0 6 p r o 泵浦时，可以得到1 5 7 1 a n 波长人眼安全激光输出。使用内腔式单谐振 o p o ，声光调q 方式，k t p 为i i 类非临界相位匹配，首次对n d ：l u v 0 4 晶体1 5 7 1 a n 光参量振荡激光器进行了实验研究。获得1 5 7 p m 最短脉 宽为4 n s ，实现了对泵浦光有效的脉宽压缩，压缩比为6 ，最大的单脉 冲能量和峰值功率分别为2 4 、4 8 k w 。讨论了声光开关频率对激光 器泵浦阈值的影响，对1 5 7 p m 激光出现的次级脉冲进行了分析，并提 1 1 1 山东大学博士学位论文 i v 出了减小次级脉冲的方法。使用k t p 晶体的临界相位匹配，声光调q 方式，实现了n d ：l u v 0 4 晶体的脉冲绿光输出，单脉冲能量和峰值功率 分别达到了6 6 和2 6 k w 。 关键词：全固态激光器；n d ：l u v 0 4 晶体；拉曼谱；吸收谱 山东大学博士学位论文 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 rt e c h n i q u e , l a s e r s 勰w i d e l yu s e di nf i e l d so f m i l i t a r y , i n d u s t r y , m e d i c a lt r e a t m e n t , s c i e n t i f i cr e s e a r c ha n do u rd a i l yl i f e d i o d e p u m p e ds o l i ds t a t el a s e r s ( d f s s l ) h a v eb e c o m et h ec e n t r a lf o c u so f t h e f i e l do f l a s e r s d u et ot h e i rm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sc o m p a c t n e s s ，h i g he f f i c i e n c y , g o o dq u a l i t yo f l i o a tb e a m ，h i 曲s t a b i l i t ya n de r e l a s e rc r y s t a li sa ni m p o r t a n tp a r to fl a s e rs y s t e m a n di t sp h y s i c a la n ds p e c t r a lp r o p e r t i e sm a k eas i g n i f i c a n tr o l eo nc h a r a c t e r i s t i c so f l a s e ro u t p u t n o w , n d ：l u v 0 4c r y s t a la t t r a c t so n ra t t e n t i o na m o n gn e wc r y s t a l s f i r s t l y , n d ：l u v 0 4c r y s t a lc a nb eu s e di nl o wt h r e s h o l dm i c m c m pl a s e rs y s t e md u e t oi t sl a r g e a b s o r p t i o nc r o s s - 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s t a t el a s e r sw c r c i n t r o d u c e da n dp h y s i c a la n do p t i c a lc h a r a t c r i s t i c so fs e v e r a ll a s e r c r y s t a l sw e r ea l s od i s c u s s e d t h ew o r ko f n d ：l u v 0 4c r y s t a la tp r e s e n t w a ss u m m a r i z e da n dt h ee x p e c t i o a so f n d ：l u v 0 4c r y s t a lw a sg i v e na t t h es 锄mt i m e r a m a ns h i f ta n di n t e n s i t yw g r es t u d i e df r o mc l a s s i c a la n dq u a n t u m t h e o r y a n dw ec a l c u l a t et h es y m m e t r ys p e c i e so f n d ：l u v 0 4c r y s t a lb y g r o u pt h e o r y t h er a m a n - a c t i v eo p t i c a lp h o n o nm o d e so fz e r ow a v e v e c t o rw e r e ：r - - s a j + 7 旦，+ 2 + i o e s i nt h e o r y , n om o l et h a n3 4 v 山东大学博士学位论文 v i ( 3 ) ( 4 ) r a m a np e a k sc a l lb em e a s u r e d r a l t l a ns p e c t r aw e r em e a s u r e dw i t h s c a t t e r i n gg e o m e t r yx ( z z ) x ，x ( r r ) x ，z ( x r ) z ，a n dy ( x z ) r ，w h i c h c o r r e s p o n d st os y m m e t r ys p e c i e sm o d e so f 彳lg a i g + b i g ，b 2 $ ，a n d 毛， r e s p e c t i v e l y t h e r a m a ns p e c t r aw e r em e a s u r e db ym i c r o r a m a n s p e c t r o p h o t o m e t e ra n dr a m a ns p e c w ap e a k sw e r ea s s i g n e do n eb y o n e r a i m a ns p e c t r ap e a k sw e r en a r r o we x c e p ti nv 2 ，w h i c hi m p l i e st h a tv 0 4 a n dl u n d o sg r o u p sw e r eu n d i s t o r t e d a n di n t e n s i t yo f9 0 3 c m i n m o d ea t gw i t hs c a t t e r i n gg e o m e 仃y x ( z z ) - 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o p tc o n v e r s i o ne f f i c i e n c ya n ds o l p ee f f i c i e n c yw e r e1 0 7 e n d 1 7 ，6 ( t o = 8 5 t _ = 4 0 ) ，r e s p e c t i v e l y t h en a r r o w e s tp u l s ew i d t hw a s 1 2 n s ( t c 尸7 0 ，t = 4 0 ) ，t h eh i g e s tp u l s er e p e t i t i o nw a s1 5 6 k h z ( t o = 8 5 1 k l o ) ，t h em a x i m u mp u l s ee n e r g ya n dp e a kp o w e rw e r e 3 3 9 a n d2 8 3 k w ( t o = 7 0 ，t = 4 0 ) ，r e s p e c t i v e l y c o m p a r i s o nw a s a l s od o n eb e t w e e np a s s i v e l yq s w i t c h e dc h a r a c t e r i s t i c so fn d ：l u v 0 4 v n 山东大学博士学位论文 a n dn d ：y v 0 4l a s e r n a r r o w e rp u l s ew i d t ha n dl o w e rr e p e t i t i o nr a t ec a l l b eo b t a i n e di nn d ：l u v 0 4l a s e r , t h e r e f o r eh i g h e rp u l s ee n e r g ya n dp e a k p o w e r c a l lb eg a i n e d ( 7 ) a p a s s i v e l ym o d e - l o c k e dn d ：l u v 0 4l a s e rw a sp e r f o r m e df o rt h ef i r s t t i m e u s i n gd i f f e r e n to u t p u tc o u p l e r sa n ds a t u r a b l ea b s o r b e r , w e r e a l i z e dt h es t a b l eo p e r a t i o no fn d ：l u v 0 4m o d e l o c k e dl a s e rb yu s i n g v - s h a p e d f o l d e dc a v i t yw h e nt h e r m a ll e n se f f e c tw a sc o n s i d e r e d t h e s p o ts i z eo nn d ：l u v o ac r y s t a lw a s2 0 0 p r ow h i l e3 4 哪o nt h e c r 4 + ：y a gc r y s t a l g i v i n gt h ec o m p r e s s i o nr a t i oo f6 t h em o d u l a t i o n d e p t h o fm o d e - l o c k i n g p u l s e t r a i nr e a c h e d4 0 - 5 0 ，a n da l s o d i s c u s s e dt h ei n f l u e n c eo fs m a l l s i g n a lt r a n s m i s s i o no fs a t u r a b l e a b s o r b e ro nm o d u l a t i o nd e p t h ( 8 ) t h ep r i n c i p l eo f o p ow a ss t u d i e db ym e a n so f c o u p l e dw a v ee q u a t i o n s m e a n w h i l et h er e s e a r c h e so nk t pc r y s t a lw e r ed o n ea n dw h e nt h ek t p w a sc u t 、 ，i t l la n g l e0 = 9 0 。a n d 巾= 0 。1 5 7 t a ms i g n a lw a v ec a nb e o b t a i n e da tp u m pw a v eo f1 0 6 p m w er e p o r t e da l li n t r a c a v i t yo p t i c a l p a r a m e t r i co s c i l l a t o ra t1 5 7 p r ob a s e d o nn o n - c r i t i c a l l yn o n l i n e a rc r y s t a l k t pd r i v e nb ya n e n d - p u m p e da c o n s t o - - o p t i c a l l yq - s w i t c h e d n d ：l u v 0 4l a s e r t h en a l t o w e s tp u l s ew i d t ho fl t 5 7 p mw a s4 n s ，w h i c h w a ss i xt i m e ss h o r t e rt h a nt h a to f1 , 0 6 p r o ，i n d i c a t i n ga l le f f i c i e n ts h o r t e r m e c h a n i s mt o o kp l a c ei no u ri o p os y s t e m s t h ep u l s ee n e r g ya n dp e a k p o w e ro f2 4 u ，4 8 k ww e r eo b t a i n e dr e s p e c t i v e l y 、i t hp u l s er e p e t i t i o n f r e q u e n c yo f5 k h z t h er e a s o nw h yt h es a t e l l i t ep u l s ee m e r g e dw a s g i v e na n dw ea l s og a v e am e t h o dt or e d u c ei t i na d d i t i o n , t h e n d ：l u v o d k t pp u l s e dg r e e nl a s e rw a sp e r f o r m e df o rt h ef i r s tt i m e t h e m a x i m u mp u l s ee n e r g ya n dp e a l ( p o w e rw e l - p6 6 a n d2 6 k w r e s p e c t i v e l y k e y w o r d s ：a l ls o l i d - s t a t el a s e r , n d ：l u v 0 4c r y s t a l ，r a l n a ns p e c t r a , a b s o r p t i o ns p e c t r a v i l l 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，均己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：立! j因盔 e l 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：趋l 凰为导师签名：盔垒丝日期；乏聋：! ：型 f 节 山东大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 半导体泵浦全固态激光器的发展 半导体泵浦的全固态激光器( d p s s l ) 是利用激光二极管代替传统的闪光灯 泵浦固体激光增益介质的激光器。1 9 6 0 年，梅到l 】发明了第一台红宝石固体激光 器，开创了激光器研究的先河。到今天，激光器的研究和应用已经经历了四十多 年，无论是对科学研究、医学领域、军事科学、还是我们的日常生活都产生了深 刻而巨大的影响 使用l d 作为泵源可以追溯到激光器的发展初期。1 9 6 2 年第一个c r a a $ 激光 二极管1 2 发明不久，用它来泵浦固体增益介质c a f 2 ：u 3 + 在2 6 1 3 t u n 实现了激光输 出1 3 1 。之后，由于n d ：y a g 中n d 3 + 离子的一个吸收峰在8 0 0 n m 附近，正好处于 g a a s ，g a a i a s 、g a a s p 的发射峰，人们的研究兴趣转向了由二极管泵浦的 n d ：y a g 激光器1 9 6 8 年，m r o s s 将g a a sl d 冷却到1 7 0 k ，实现了第一台l d 泵浦的n d ：y a g 激光器【4 1 。1 9 7 1 年，eo s t e r m e y e r 5 】报道了用g a a s pl d 泵浦 n d ：y a g 实现7 室温下l d 泵浦全固态激光器的运转。在七十年代，由于l d 的 输出功率较低，稳定性差，而且难以在室湿下与激光增益介质的吸收蜂匹配，与 传统的闪光灯泵浦相比，用l d 作为泵浦源的优势还没有体现出来。l d 泵浦的 全固态激光器没有太大的发展 到了八十年代。由于采用了金属有机物化学气相淀积( m o c v d ) 、化学束 ( c b e ) 和分子束外延技术( m b e ) ，而且采用了量子阱( q w ) 和应变量子阱 ( s l - q w ) 新结构材料，l d 激光器得以迅猛发展。目前，l d 的输出功率可以 达到k w 以上，输出波长从可见光到中红外：g a n 的发射波长在4 0 0 r i m ，a 1 g a i n , 舢g a i l l p 在6 7 0 6 9 0 n m ，g a a i a s 在7 9 7 - 8 1 0 n m ，i n g a a s 在9 4 0 - 9 9 0 n m ，覆盖了掺 杂稀土离子如n d 弘、t m 3 + ，h 0 3 + 、e r 3 + 和过渡离子c r 3 + 等激光增益介质的吸收峰 而且价格也实现了大幅下降，促进了l d 在激光器件研究中的应用 6 - 9 1 1 9 8 8 年， r e e d 等人在l d 泵浦的固态激光器中实现了1 0 6 ) a - a 峰值功率7 0 k w 的输出【l o l 。 目前，l d 泵浦的全固态激光器连续输出也可达千瓦以上【l l l 。 d p s s l 与传统闪光灯泵浦的固体激光器比较：( 1 ) 效率高d p l 的电光转 山东大学博士学位论文 换效率可达1 5 ，灯泵的电光转换效率为l 左右。并且，l d 的输出波长能很 好的与激光晶体的吸收峰匹配，减少了热损耗。( 2 ) 稳定性好。传统灯泵中存在 的冷却水湍流使激光器的稳定性受到影响。而对于d p s s l ，热效应小，对冷却 要求低，减小了机械噪声、频率稳定、线宽更窄、光束质量好，较容易实现t e m 0 0 模输出。( 3 ) 结构紧凑、体积小、重量轻，便于小型化、使用方便。d p s s l 是 l d 通过光纤耦合，把能量注入到腔内，可以使激光器的体积缩小2 0 倍之多。( 4 ) 可靠性提高，使用寿命长。l d 的寿命可达几万小时，闪光灯寿命大约在l 千小 时左右。 与l d 相比，l d 泵浦的全固态激光器有( 1 ) 更高的光束质量，可以实现 t e m 模运转，光束质量因子接近l 。( 2 ) 更窄的激光辐射线宽，单色性比l d 提高六个数量级。( 3 ) 更高的功率，可以通过调q 和锁模技术，实现比l d 高很 多倍的峰值功率。( 4 ) 更宽的波谱范围，通过倍频、参量振荡等变频技术，实现 从紫外到中红外的激光输出。 目前，用l d 泵浦全固态激光器已成为激光器件研究中的主流。 1 2 几种常见的激光晶体的基本性质 激光晶体是固体激光器的重要组成部分，选择合适的激光晶体才能实现高性 能、高质量的激光运转。目前激光晶体主要分两大类，一类是以稀土离子为激活 离子的( n d 3 + 、一+ 、h o ”、t m 3 + 、p r 3 + 、g d ”、e u 3 + 、y b ”、s m 2 + 、d y e