（光学工程专业论文）ld侧面泵浦nd：yag高重复频率激光技术的研究.pdf

一 独创性声明 m u 1 1 1 1 l l l l l l 1 1 1 1 l 1 1 1 l l i y 1 7 8 9 0 8 2 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j 量塞王、业太堂或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j 廛王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：日期： i 摘要 摘要 电光调q 高重复频率激光器具有更窄的脉宽和更高的峰值功率，这使得它 与声光调q 高重复频率激光器相比占有很大优势。在工业高速加工、高速摄影 以及高速三维数据采集等方面，电光调q 高重复频率激光器具有极好的应用前 景。然而，可用的电光晶体中，d k d p 晶体插入损耗比较大；l n b 晶体在高重 复频率时存在压电环效应；b b o 晶体调q 半波电压比较高，增加了制作q 驱 动源的难度；目前有关l g s 晶体高重复频率应用的报道很少；而k t p 晶体电 导率较高使其电光性能变差；l 玎p 晶体具有大电光系数、高损伤阈值以及高重 复频率时不存在压电效应，适合作为高重复频率、高峰值功率电光q 开关。因 此，研究i 盯p 电光调q 高重复频率激光器具有重要的意义。本论文内容包括以 下几个方面： ( 1 ) 本论文简洁叙述了本课题的研究背景及意义；综述了各种调q 高重复 频率激光器技术的研究现状以及技术特点；提出了r t p 电光调q 在高 重复频率激光的应用前景。 ( 2 ) 从速率方程理论出发，分析l d 侧面连续泵浦n d ：y a g 电光调q 形成 高重复频率激光的过程；推导了调q 激光器的输出特性以及重复频率 激光器的峰值功率与最大连续功率之比、平均功率与最大连续输出功 率之比、脉宽与归一化重复频率的关系。 ( 3 ) 从单轴晶体折射率椭球出发，推导了单轴晶体纵向电光效应的半波电 压值；主要分析了几种电光晶体的优缺点以及应用；最后确定r t p 作 为l d 侧面泵浦n d ：y a g 的高重复频率激光器中的电光调q 晶体。 ( 4 ) 计算了本课题中r t p 电光调q 晶体的半波电压值；设计了制作r t p 电光q 开关的实验。同时，采用双轴晶体的折射率椭球理论，分析并 比较三种影向双i 汀p 电光q 开关消光比的主要因素，其中两块r t p 晶体的通光方向( x 轴) 不重合引起额外的相位差对q 丌关消光比影 响最大，其次是两块晶体； t q j h 电场方向( z 轴正方向) 是否正交，而 激光光束与电光开关的通光方向有一定的夹角影响最小。这为设计q 开关和实验调试提供了理论依据。 北京i , t k 大学硕十学位论文 ( 5 ) 实验初步研究了i 玎p 电光调q 高重复频率激光器的输出特性；初步实 现了l d 侧面连续泵浦n d ：y a g 高重复频率激光器调q 运行；最后提 出实验的难点以及需要改进的地方。 关键词电光调q ；高重复频率；r t p 晶体 a b s t r a c t a b s t r a c t e l e c t r o - o p t i cq s w i t c h e dh i g hr e p e t i t i o nr a t el a s e ri s c h a r a c t e r i z e db yb e t t e r p e r f o r m a n c ew i t han a r r o w e rp u l s ew i d t ha n dh i g h e rp e a kp o w e rt h a na c o u s t o o p t i c q s w i t c h e dh i g hr e p e t i t i o nr a t el a s e r t h e r e f o r e , t h ee l e c t r o - o p t i cq s w i t c h e dh i g l l r e p e t i t i o nr a t el a s e ri se x t r e m e l ya t t r a c t i v ef o ra p p l i c a t i o n ss u c ha sh i g hp r o c e s s i n g r a t e s ，h i g hs p e e dp h o t o g r a p h ya n dh i g h3 dd a t ac o l l e c t i o nr a t e s h o w e v e r , a m o n gt h e e x i s t i n gu s e f u le l e c t r o - o p t i cc r y s t a l s ，d k d pc r y s t a lh a sh i g hi n s e r t i o nl o s s l i t h i u m n i o b a t e ( l n b ) c r y s t a le x i s t sp i e z o e l e c t r i cr i n ge f f e c ta tt h eh i g hr e p e t i t i o n b b o c r y s t a ln e e d sh i g h e rh a l f - w a v ev o l t a g es oa st oi n c r e a s et h ed i f f i c u l t yo fp r o d u c i n g h i g hv o l t a g ed r i v e l a n g a s i t e ( l g s ) c r y s t a lr e p o r t e di sr a r e l yu s e d k t pc r y s t a lo w n s h i g he l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yw h i c hl i m i t st h ea p p l y i n gr a n g eo fi t se l e c t r o o p t i c r t p c r y s t a li ss u i t a b l ef o rh i g hr e p e t i t i o nr a t e ，h i 。g hp e a kp o w e re l e c t r o o p t i cq s w i t c h b e c a u s eo fi t sl a r g el i n e a re l e c t r o o p t i cc o e f f i c i e n t s ，h i 曲d a m a g et h r e s h o l da n dt h e i n e x i s t e n c eo fp i e z o e l e c t r i cr i n ge f f e c ta tt h eh i g hr e p e t i t i o n t h e r e f o r e ，i te x h i b i t s v e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et os t u d yt h ee l e c t r o - - o p t i cq s w i t c h e dh i g hr e p e t i t i o nr a t e l a s e r t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w i n g ： ( 1 ) t h i st h e s i s d e s c r i b e st h er e s e a r c h b a c k g r o u n d o ft h i si s s u ea n di t s s i g n i f i c a n c e a n dr e v i e w st h e d e v e l o p m e n t o f h i g hr e p e t i t i o n r a t e q s w i t c h e dt e c h n o l o g i e sa n dt e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s r t pe l e c t r o - o p t i c q s w i t c ha p p l i e di nt h eh i g hr e p e t i t i o nr a t el a s e ri sp r o p o s e d ( 2 ) b a s e do nt h er a t ee q u a t i o n s ，t h ed e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r o - o p t i c q s w i t c h e dh i l g hr e p e t i t i o nr a t el ds i d e p u m p e dl a s e rp u l s ei sa n a l y z e d a n dt h eo u t p u tp r o p e r t i e so fq s w i t c h e d1a s e ra r eo b t a i n e d t h er a t i oo f q s w i t c h e dp e a kp o w e ra n da v e r a g ep o w e rt ot h em a x i m u mc wo u t p u ta n d p u l s ew i d t ha saf u n c t i o no fn o r m a l i z e dr e p e t i t i o nr a t ea r ed e d u c e d ( 3 ) f r o mt h er e f r a c t i v ei n d e xe l l i p s o i do fu n i a x i a lc r y s t a l ，t h eh a l f - w a v e v o l t a g ef o rl o n g i t u d i n a le l e c t r i c - o p t i ce f f e c ti sd e d u c e d t h ea d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e sa sw e l la st h ea p p l i c a t i o n so fe l e c t r o - o p t i cc r y s t a l sa r e m a i n l ya n a l y z e d f i n a l l y , r t pc r y s t a l i s p r o p o s e d a s e l e c t r o o p t i c q s w i t c h e dc r y s t a li nt h i st h e s i s i i i 北京丁业大学硕士学位论文 曼曼皇曼曼量! 曼曼鼍曼舅曼曼舅曼舅曼烹尝皇曼曼皇舅蔓曼曼曼皇曼烹舅舅曼曼曼舅曼曼曼皇鼍鼍篡笪曼i i i ii i 鼍 ( 4 ) t h eh a l f - w a v ev o l t a g eo ft h e 础r pc r y s t a li sc a l c u l a t e d n ee x p e r i m e n to f p r o d u c i n gi 汀pe l e c t r o o p t i cq s w i t c hi sd e s i g n e d m e a n w h i l e t h r e em a i n f a c t o r sw h i c ha f f e c tt h ee x t i n c t i o nr a t i oo ft h ed u a li 玎pq s w i t c hc r y s t a l a r ea n a l y z e db yt h er e f r a c t i v i t ye l l i p s o i do fb i a x i a lc r y s t a l t h ef i r s tf a c t o r t h ea n g l e sb e t w e e nt h ex - a x e so fd o u b l ec r y s t a l s ，h a st h e g r e a t e s ti m p a c to n t h ee x t i n c t i o nr a t i o t h en e x ti st h ed i r e c t i o n so ft h ea p p l i e de l e c t r i cf i e l d s o nza x e so fd o u b l ec r y s t a l s t h el a s ti st h ea n g l e sb e t w e e nt h ei n c i d e n t l i g h tp a s s i n gt h r o u g hc r y s t a l sa n dt h ec r y s t a lxa x e s i tw i l lb ea p p l i e dt o e f f i c i e n t l yd e s i g na n da d j u s tt h eq s w i t c h ( 5 ) t h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c so ft h ee l e c t r o o p t i cq s w i t c h e dh i g hr e p e t i t i o n r a t el a s e ra r ep r e l i m i n a r ys t u d i e d t h er u no ft h el dc ws i d e p u m p e d n d ：y a gh i g h r e p e t i t i o n r a t el a s e ri s r e a l i z e d f i n a l l y , e x p e r i m e n t a l d i f f i c u l t i e sa n dt h en e e d sf o ri m p r o v e m e n ta r e p r o p o s e d k e yw o r d se l e c t r o o p t i cq s w i t c h ，h i g hr e p e t i t i o nr a t e ，r t pc r y s t a l i v 、11 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录v 第1 章绪论一1 1 1 高重复频率激光技术的研究背景以及意义一1 1 2 目前主要的高重复频率激光技术1 1 2 1 声光调q 技术一1 1 2 2 电光调q 技术2 1 2 3 可饱和吸收调q 技术4 1 3r t p 电光调q 高重复频率激光技术的研究现状5 1 3 。l 国外研究现状5 1 3 2 国内研究现状6 1 4 本章小结7 1 5 本论文的研究内容7 第2 章l d 侧泵n d ：y a g 高重频激光技术基本理论9 2 1 调q 的基本原理9 2 2 高重复频率激光器输出特性的分析9 2 2 1 调q 激光器速率方程9 2 2 2 调q 脉冲的输出特性1 1 2 3 本章小结18 第3 章电光晶体材料的分析一1 9 3 1 调q 晶体的电光效应19 3 2 各类电光晶体材料的特性分析2 2 3 2 1 磷酸二氢钾k d p 2 2 3 2 。2 偏硼酸钡b b o 2 3 3 2 3 铌酸锂l n 2 3 3 2 4 硅酸镓镧l g s 2 3 3 2 5 磷酸氧钛钾k t p 2 3 v 北京t 业大学硕士学位论文 3 2 6 磷酸氧钛铷r t p ，2 4 3 2 7 晶体材料的比较分析2 4 3 3 本章小结2 4 第4 章r t p 电光q 开关的设计与分析2 5 4 1r t p 晶体电光q 开关的设计。2 5 4 1 1r t p 电光晶体的半波电压2 5 4 1 2r t p 电光q 开关的设计实验2 7 4 2r t p 晶体电光q 开关的分析2 7 4 2 1 离轴光线对消光比的影响3 2 4 2 2 通光方向对位相差的影响3 4 4 2 3 两块晶体；, i - j j h 电场方向的夹角对消光比的影响3 4 4 3 本章小结3 7 第5 章l d 侧泵n d ：y a gr t p 电光调q 激光器一3 9 5 1 实验装置及分析一3 9 5 1 1 原实验装置及分析3 9 5 1 2 改进后的实验装置及分析4 2 5 2 实验结果与分析一4 4 5 3 本章小结4 6 第6 章总结4 7 6 1 工作总结一4 7 6 2 有待进一步研究的问题。4 7 参考文献4 9 攻读硕士学位期间所发表的论文。5 3 致谢5 5 一 v l 第一章绪论 第1 章绪论 1 1 高重复频率激光技术的研究背景以及意义 随着调q 激光技术的r 趋成熟以及应用领域的不断扩展，人们在调q 激光脉 冲的单脉冲能量、峰值功率、脉宽、重复频率以及稳定性上都做了深入的研究。 同时，激光二极管( l d ) 抽运的固体激光器( d p s s l ) 具有转换效率高、光束质量 好、结构紧凑、使用和维护方便等优点。因此，高重复频率全固态激光技术在工 业高速加工、军事高速摄影以及工程上三维数据采集等领域具有极好的应用前景 j 。与被动调q 对比，主动调q 具有重复率稳定、单脉冲能量大、峰值功率高的 特点：与声光调q 对比，电光调q 具有电光调q 具有峰值功率高、脉冲宽度窄的 优点【n j 。因此，高重复频率电光调q 全固态激光技术受到人们极大的关注。 1 2 目前主要的高重复频率激光技术 调q 是实现纳秒激光脉冲常用的方式，而目前主要有以下三种高重复频率激 光技术。 1 2 1 声光调q 技术 声光调q 就是利用激光通过声光介质中的超声场时产生衍射，使光束偏离出 谐振腔，造成谐振腔的损耗增大，q 值下降，激光振荡不能形成，激活介质借助 光泵浦积累粒子数的反转。在某一个时刻，如果去掉超声场，则由于激活介质有 很高的储能，所以，产生强的振荡脉冲，即声光调q 脉冲。如果用一定频率的脉 冲调制器调制射频发生器，使声光介质中有相同重复频率的射频超声场时，就能 获得重复频率工作的声光q 开关，激光器将以重复频率状态输出激光臣脉冲【3 4 1 。 其实验结构图如图1 1 所示。 声光调q 技术的特点：可实现高重复频率，稳定性好；但脉宽相对电光调q 较宽，几十纳秒甚至百纳秒以上。 2 0 0 3 年，声光调q 的n d ：y v 0 4 激光器已经有重频高达5 0 0 k h z 的报道，在3 0 w 泉浦光注入下，得到了1 6 w 的平均功率输出，相应脉宽低于3 0 n s 5 1 ；2 0 0 4 年，日 本物理化学研究所等单位报道了l d ( 8 7 9 n m ) 端泵n d ：g d v 0 4 晶体声光调q ，在 北京工、| p 大学硕十学位论文 激宠柬 射频乜源舒辙 广一j 氦r 釜飞 一圈! 蕊i 肜u一名 图l - 1 声光调q 激光器不意图 f i g 1 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f a oq s w i t c h e dl a s e r 重复频率为4 0 k h z 时，获得最短脉宽7n s 【引。国内杜晨林等利用端面泵n d ：y v 0 4 晶体声光调q ，分别在7 0 k h z 和1 0 k h z 的重复频率下，获得了6 4 5 w 的平均输出功 率和0 2 1 3 m j 的单脉冲能量【7 】，如图1 3 所示；中国科学院长春光学精密机械与物 理研究所石朝辉等人双端面泵浦两块n d ：y v 0 4 激光晶体，在注入总功率5 0 w ，最 高重频1 0 0 k h z 的条件下，获得平均输出功率为1 8 2 1 w 的1 0 6 4 n m 激光输出【8 j ； 2 0 0 7 年4 月，哈尔滨工业大学李旭东、于俊华等利用双l d 双端泵浦n d ：g d v 0 4 晶 棒，实现了声光调o 高重复频率窄脉宽1 0 6 3 n m 激光输出。在泵浦功率为4 3 w 条件 下，当重复频率为1 0 k h z 时，获得脉冲宽度1 0 2 n s ，单脉冲能量0 9 5 m j ，峰值功 率9 3 1 k w 的激光输出；当重复频率为1 0 0 k h z 时，获得脉冲宽度2 8 1 n s ，单脉冲能 量0 1 m j ，峰值功率3 6 k w 的激光输出一j 。 图1 2 卢光调q 激光器实验装置图 f i g 1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f a oq - s w i t c h e dl a s e r 1 2 2 电光调q 技术 电光调q 是利用某些晶体的电光效应作为q 开关的元件。电光凋q 激光器实验 第一章绪论 结构图如图1 3 所示。激光器晶棒发出的激光通过偏振片后成为沿x 方向振动的线 偏振光。当令其往返通过加有半波电压的电光晶体时，返回的沿y 方向振动的偏 振光被偏振片反射出腔外。此时，腔的q 值很低，由于外界激励能源的作用，可 使介质上能级的粒子数迅速增加。当上能级的粒子数积累到足够数量( 远远超过 下能级的粒子数) 的某个时刻，突然除去电光晶体上所加的电压，则输出的激光 经偏振片后能自由地往返于谐振腔之间，不改变偏振光的振动方向，损耗小，因 此腔的q 值很高，从而输出一个激光巨脉冲。控制电光晶体上每秒的电压开关次 数，就可重复地产生巨脉冲【1 0 1 1 1 。 输出镜 n d ：y 蚯 偏振片 电光晶体全反镜 图1 3 电光调o 激光器示意图 f i g 1 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fe oq - s w i t c h e dn d ：y a gl a s e r 电光调q 技术的特点：脉宽可以实现1 0 n s 以下，但传统的k d p 和l n 等电光晶 体，由于受其本身的电导率值、压电环效应等因素的制约，难以实现高重复频率。 而随着r t p 、b b o 以及l g s 电光晶体的出现，电光开关的重复频率得到极大的提 升，实现了几赫兹到百千赫兹范围【l 羽。 下面分别叙述b b o 、l g s 以及其它电光开光应用于高重复频率激光技术的研 究现状，r t p 电光调q 实现高重复频率激光技术将在本章第三节重点叙述。 1 9 9 5 年，g d g o o d n o 等人首次报道了b b o 电光晶体作为电光q 开光在脉冲 重复频率达至l j 6 k h z 时候，存在压电环效应【1 3 】。2 0 0 3 年，k e m i n gd u 等人利用b b o 电光调q ，采用部分端面抽运混合腔n d ：y v 0 4 板条激光器中，成功地实现了重复 频率1 0 - 5 0 k i - i z 可调，最窄脉宽6 4 5 n s 的激光脉冲输出【l4 1 。2 0 0 6 年，d e t l e fn i c k e l 等人研究出一种新的电光调q 开关应用于薄片y b ：k y w 超短脉冲再生放大高重复 频率系统中。该电光调o 开光由b b o 和一个偏振片组成。激光通过多次经过b b o 晶体，有可能保证晶体的热耗散功率在2 0 0 w 以下。实验获得脉冲能量在9 9 j 、脉 宽2 8 0 f s 、重复频率2 0 0 k h z 的脉冲激光【l5 1 。国内，福品科技开发的双b b o 电光开 关，最高重复频率达至l j 5 0 k h z ，是目前较成熟的产品。 l g s 晶体是山东大学生长的一种新型电光调晶体。目前国内外研究l g s 晶体 高重复频率调q 的并不多。2 0 0 2 年，尹鑫等人首先进行了l g s 晶体电光调q 的研 究，提出了能消除晶体旋光性的电光调q 开关设计方案。晶体电光开关在j ：作频 率为5 0 k h z 时，没有观察到明显的压电环效应【l 引。2 0 0 4 年至2 0 1 0 年，上海光机所 先后报道l g s 电光调q 1 1 7 以引，l d 端面连续抽运的商重复率电光调qn d ：y v 0 4 激光 器l g s 电光调q 实现了最高3 0 k h z 的高重复率电光调q 运转；在5k h z 重复率运转 北京_ 丁业大学硕士学位论文 时，获得了单脉冲能量0 4m j ，脉宽6 3 n s 的脉冲序列输出；当重复率达3 0k h z 时， 得到的单脉冲能量为0 2 m j ，脉宽9 i n s ，最大平均功率6 2 w ，斜率效率为3 2 7 ， 如图1 4 所示。 图1 _ 4 高重复率电光调qn d ：y v 0 4 激光器装置图 f i g 1 - 4s c h e m a t i cd i a g r a mo fh i g hr e p e t i t i o nr a t ee l e c t r o o p t i c q s w i t c h e dn d ：y v 0 4l a s e r 掺适量稀土元素的压电陶瓷也可作为电光q 开光。1 9 9 8 年，g a r yy w a n g 等 人采用掺l a 的p z t 陶瓷材料制成的电光调q 丌关，获得最高重复频率为1 0 k h z ， 脉宽1 4 n s ，激光单脉冲能量1l l x j 【1 9 】。2 0 0 5 年，y i n g y i n k e v i n z o u 等人利用l d 抽 运n d ：y v 0 4 ，采用p m n z t 光学陶瓷制作的电光调q 开关，实现了重复频率2 0 0 k h z 的激光脉冲输出。该q 丌关的优点在于工作电压低至4 8 v ，随着电压升高，输出 脉冲宽度在1 0 n s 。1 0 0 n s 范围变化【2 0 1 ，如图1 ，5 所示。 銎e 暂p o l a r i z e r l 5 0 t l p l 甜璺l i o 删u p l e l p u 帅l a s e r r o d 麓卜 一l i 一一t 汹 i 门畸 图1 - 5 咒4 电乐的p l m n t 电光开光 f i g 1 5e oq s w i t c ho p e r a t e da tv k 4 还有采用复合腔电光凋q 微片激光器【2 m 2 j 以及电光偏转器作为调q 丌光【2 3 】等 技术可实现重复频率m h z 以上激光脉冲输出，但前者稳定性不够以及平均功率较 低，后者类似声光调q ，脉宽较宽。 1 2 3 可饱和吸收调q 技术 可饱和吸收体调q 技术分为染料调q 、l i f 可饱和吸收晶体调q 、新型晶体 材料调q ( 以c r + ：y a g 为代表) 。这类q 丌关是利用饱和吸收体存在非线性吸 收特性，在强激光作用下吸收饱和而对激光呈现透明的特性而制成的。在调q 初始阶段，激光腔内自发辐射很弱，可饱和吸收体内儿乎所有的吸收粒子都处于 第一章绪论 低能级，可饱和吸收体处于“不透明态”。光的透过率很低，腔处于低q 值状念， 不能形成激光振荡。随着光泵的继续作用，腔内荧光逐渐变强，可饱和吸收体通 过对特定频率的激光的吸收而导致了粒子数在两能级上的受激跃迁。反转粒子数 逐渐积累，可饱和吸收体对通过的光束开始变得逐渐“透明”。腔内q 值猛增， 产生激光振荡输出调q 激光脉冲，反转粒子数降低到初始阶段水平，可饱和吸 收体恢复“不透明”吸收特性，将光腔关闭，重复以上的过程。 可饱和吸收调o 技术特点：重复频率稳定性差，脉冲能量小，峰值功率低。 下面主要介绍c r 4 + ：y a g 作为饱和吸收体调q 技术的研究现状。 19 9 2 年i j m i l l e r t 2 4 】和h e i l e r s 2 5 1 等人提出了将c r 4 + ：y a g 用于n d ：y a g 激 光器的被动o 开关。1 9 9 4 年3 月，柏林工业大学的h j e i c h l e r 等人把c r 4 + ：y a g 用作n d ：y a l o 激光器的被动o 开关，获得了重复频率为2 7 k h z 、脉宽为1 4 0 n s 、 单模功率为1 3 w 的激光输出【2 引。1 9 9 6 年，y s h i m o n y 等人又用首次对灯泵c w n d ：y a g 激光器实现了调o 运转，获得了脉宽在8 0 - - 3 0 0 n s ( f w h m ) 、重复频 率在2 k h z 和2 9 k h z 之间的调o 脉冲序列【2 7 】。a a g n e s i 等人对二极管泵浦 c r + ：y a g 被动调on d ：y a g 激光器进行研究，获得单脉冲能量约为2 0 0 9 j ，脉冲 宽度1 7 n s ，重复频率6 k h z 的红外脉冲输出【2 8 】。yec h e n 等人采用n d ：y v 0 4 微 片激光器c r 4 + ：y a g 饱和吸收体被动调q ，获得脉宽o 8 n s 、脉冲能量18 、重复 频率1 3 5 k h z 的脉冲输出，脉冲峰值功率可达2 1 k w l 2 9 】，如图1 6 所示 图1 - 6c wn d ：y v o d c r 4 + ：y a g 被动调q 激光器 f i g 1 6s c h e m a t i c sf o rp a s s i v e l yq s w i t c h e dn d ：y v o d c r 4 + ：y a gl a s e r s 1 3r t p 电光调q 高重复频率激光技术的研究现状 1 3 1 国外研究现状 2 0 0 0 年，以色列e l e b i u s h 等人首次将r t p 应用于l d 端面泵浦n d ：y v 0 4 电光 调q 激光器中，获得重复频率为7 5 k h z 、脉宽j , j 2 0 n s 、平均功率为4 6 w 的激光输 出【3 0 - 3 1 。2 0 0 5 年，e l e b i u s h 等人首次将r t p 电光丌光应用于高功率二极管泵浦 n d ：y v 0 4 激光器中，在泵浦功率为6 5 0 w 时，获得重复率为1 5 k h z 、脉宽为1 7 n s 、 平均功率为1 2 4 w 激光输出【3 2 】。2 0 0 3 年，s p e a r c e 等人首次将连续的l d 泵浦 北京工j i k 大学硕士学位论文 n d ：y v 0 4r t p 电光调q ，产生脉宽l n s 左右、重复频率5 k h z 1 0 0 k h z 的种子源，然 后再进行m o p a 装置放大，从4 w 的泵浦功率中获取l w 的平均功率输出【3 3 1 。2 0 0 6 年，s p e a r c e 等人对l d 端面泵浦n d ：y a gr t p 光调q 的拉曼激光器进行了研究， 产生了脉宽l n s 以下，重复频率5 k h z 的1 0 9 6 n m 激光f 3 钔，如图1 7 所示。2 0 0 5 年， j k l e i n b a u e r 等人将r 1 r p 电光调q 技术应用于l d 端面泵浦n d ：g d v 0 4 再生放大系 统，获得脉宽为6 8 p s 、最大重复频率为2 0 0 k h z 、单脉冲能量为6 5 的激光脉冲【3 引。 国外r t p 电光开关产品比较成熟的有两家公司：一是以色y l j r a i c o lc r y s t a l s 公司， 在重频10 0 k h z 下测试双r t pq 开光，显示无压电环效应【3 6 】。二是英i 垂i l e y s o p 公司， 能够提供重频2 0 0 k h z 的产品1 3 7 j 。 l f 图1 7n d ：y a g t l 2 光凋q 激光器主要器件示意图 f i g 1 7s c h e m a t i cd i a g r a ms h o w i n gt h em a i ne l e m e n t s o ft h eq s w i t c h e dn d ：y a gl a s e r 1 3 2 国内研究现状 国内主要是山东大学最先将r t p 电光晶体应用于电光凋q 实验中。2 0 0 7 年， j i n gw a n g 等人同时采用r t p 电光调q 和c r 4 + ：y a g 饱和吸收体被动调q ，在输出激 光重复频率为3 0 k h z 时，获得更窄脉宽、峰值功率更高的激光脉冲【3 8 1 。赵佳等人 实现了高重复率r t p 电光调qn d ：y a g1 0 6 4 n m 激光运转，泵浦能量为2 3 2 8j 时， 脉冲最窄脉宽为1 5 5n s ，重复率2 0 k h z ，单脉冲能量3 9 2 m j ，峰值功率为2 4 6 m w 3 9 1 。2 0 1 0 年，中国科学院上海光学精密机械研究所冯宇彤等人研究了重复频 率3 0 k h z 时，使用r t p 电光开关激光输出的斜率效率为3 4 9 ，脉冲宽度7 8 n s ， 图1 - 8r t p 晶体电光凋q 实验装置图 f i g 1 8e x p e r i m e n t a ls e t u po fr t pe oq s w i t c h e dl a s e r 第一章绪论 峰值功率2 8 6 k w 的脉冲输出【矧，如图1 8 所示。2 0 0 6 年，哈尔滨工业大学姜岚【4 1 1 等人也对l d 泵浦固体激光器的高重复频率的电光调q 技术进行了研究，但未见相 关实验结果以及后续报道。 1 4 本章小结 采用电光调q 实现高重复频率激光输出，与被动调q 对比，主动调q 具有 重复率稳定、单脉冲能量大、峰值功率高的特点；与声光调q 对比，电光调q 具有电光调q 具有峰值功率高、脉冲宽度窄的优点。与其它电光晶体对比，采 用i 盯p 电光调q ，可以在更高的重复频率下实现稳定的激光输出。目前，国外 r t p 电光调q 的理论研究比较成熟，也可提供r t p 电光q 开关产品。国内对 r t p 电光调q 的理论研究报道不多，且未见r t p 电光产品。因此，研究r t p 电 光q 开关以及调q 实现高重复频率具有重要的意义。 1 5 本论文的研究内容 ( 1 ) 本文叙述了本课题的研究背景及意义；并对各种调q 产生高重复频率 激光技术进行了分析和对比。 ( 2 ) 从速率方程理论出发，分析l d 侧面泵浦n d ：y a g 电光调q 形成高重复 激光脉冲的过程；推导了调q 激光器的脉宽、最佳脉冲能量、最佳输出镜反射 率以及抽取效率随初始反转粒子数与最终反转粒子数之比的关系式；分析了重复 频率激光器的峰值功率与最大连续功率之比、平均功率与最大连续输出功率之 比、脉宽与归一化重复频率的关系。 ( 3 ) 介绍了电光效应的基本原理，从单轴晶体的折射率椭球出发，推导了单 轴晶体d k d p 纵向电光效应时的半波电压；分析了主要几种单轴或者双轴电光晶 体的优缺点以及应用领域；最后分确定r 1 1 i - 作为l d 侧面泵浦n d ：y a g 的高重复频 率短脉宽激光器中的电光调q 晶体。 ( 4 ) 推导出双r t p 电光调q 晶体的半波电压计算公式并计算了实验中用到 的r t p 的半波电压值。最后从理论上分析了三种影响双r t p 电光q 开关消光比 的主要因素，即激光光束与电光开关的通光方向有一定的夹角、两块r t p 晶体 的通光方向不重合引起额外的相位差、两块晶体外加电场方向是否诈交对消光比 也有影响。 ( 5 ) 实验解决热退偏效应；测量不i j 注入电流下的热焦距；初步研究了r t p 电光调q 高重复频率激光器的输出特性；实现了l d 侧面连续泵浦n d ：y a g 高重 北京工、i k 大学硕十学位论文 复频率激光器调q 运行；最后提出实验的难点以及需要改进的地方。 第2 章l d 侧泵n d ：y a g 高重复频率激光技术基本理论 第2 章l d 侧泵n d ：y a g 高重频激光技术基本理论 本章从速率方程理论出发，分析l d 侧面泵浦n d ：y a g 电光调q 形成高重 复激光脉冲的过程以及激光平均功率、峰值功率、脉宽等与反转粒子数以及重复 频率的关系。 2 1 调q 的基本原理 当激光器泵浦初期，q 开关关闭，激光器的振荡闽值很高，抑制激光振荡的 产生，这样激光上能级的反转粒子数不断积累。当反转粒子数积累到最大时，再 突然打开q 开关，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将能量释放出来，获得峰值功率极高的巨脉冲。普通脉冲激 光器峰值功率不高，原因是激光器谐振腔的损耗通常是不变的，阈值较低，光泵 浦使反转粒子数比较容易达到或略超过阈值，激光器便开始振荡，于是激光上能 级不能积累很大的反转粒子数。而调q 也就是通过调节腔的阈值来实现能量的 积累与输出，如图2 1 所示1 4 2 。 2 2 高重复频率激光器输出特性的分析 2 2 1 调q 激光器速率方程 q 开关激光脉冲几个重要的参量，比如单脉冲能量、峰值功率、脉宽、脉冲 前沿和后沿以及脉冲形成时间等均可由速率方程求得。由于q 开关脉冲持续时 间很短短，因而在速率方程中可忽略白发辐射和光泵涌作用。 塑：2 c r n l 痧一生 ( 2 1 ) d t t rt c 塑：一炒c 加 ( 2 2 ) d t 2 一乃莎印门 ( 2 。2 ) 其中t r = 2 l c 为光在腔内往返一周需要的时间；t 。= t ， t n ( 1 j r ) + + f ( f ) 】 为腔内光子寿命；尺为输出镜反射率；为其他损耗；，为增益介质长度；，为 北京工、l k 大学硕十学位论文 乞皿 毛血 鸭 珥 n l i 丸皿 缸 图2 - 1q 开关脉冲的建立过程。图中包括喈振腔损耗、反转粒子数 和光子数密度与时间的函数关系 f i g 2 1t h eb u i l d i n gp r o c e s so ft h eq - s w i t c hp u l s e c o n t a i n i n gr e s o n a t o rl o s s ， i n v e r s i o na n dp h o t o nd e n s i t yo ft h ef u n c t i o no ft i m e 腔光学长度，仃为增益介质的受激发射截面，矽为腔内光子数密度；n 为反转粒 子数密度；y 为反转粒子数减少因子；c 为光速；1 n o 尺) 表示耦合损耗，三包含 了所有随机损耗，如散射、衍射和吸收等，f ( f ) 则代表