（测试计量技术及仪器专业论文）ld泵浦双频ndyag激光技术的研究.pdf

独创性中明震，r 川i ：i f j 亡n 道德传统相r j ：掩的严扮、产j 哉邵- t i l i 叫：小人所 交的1 rf - 7 = 沦乏1 i ! = 我个人“峙| j f | j 忻甘i i 进行的究i ：“：肢取得的成5 抟j s 我所知i 一| l i ：f l i l j h ，占对本爻所沦迷的测 j j i “l z 敛i 1 ；| f水沦之歧r 4 1 欠资料符i j - 4 ：论之一i t l ：也禽j 他人i l ：j i l l ：究成_ ：j 哉1 二的f e _ 贞献均l “沦戈t f ，f 1 二j ，| j 】确的峡之处i l i 本人乐扒、纠亭炎黄f t沦殳f ：斤麓只：至：! 鉴幽j f 专j i 巧保护知识产权中明 i 人允食r 斛。贫p | 1l ：人： i 父1 求抄嘲j u v 杖旧说定邺：叭究乍f校攻；鬟j f l j q j小人1 求i i i ：发、# ，无论i m tj 览成朱1 r 段埘i 取褂的所f r6 j 是歧 电川j 叶( 沦殳十似地术经，学校许i成艇的妇f u 扩：仪腻时良刖1 人z 所仃i i 炎的f j 芰泉叫嚣“啦f 征f j ，然乃i f l i 良j _ l l ll ：人，决0 ：转移或扩敞。j 之丰父的f t t 妓术f j 杖侏纠1 二人所提炎论殳i ，1 0 脲什或砭仆，允曲：沦史被代阔或借问：4 、托i i j 以公布小论炙的食澍j 或_ i 分内容j c 他r 卡2 复：列 * 矗i 水沦艾( 加密。；乏化沦艾解密之| = j i 后，以小d 样适川)论立 怍矗裕“、io 锣i 办丝舰量伽， i ：3j j2 r摘要l d 泵浦双频n d ：y a g 激光技术的研究学科名称：测试计量技术及仪器作者姓名：刘芸导师姓名：焦明星教授答辩日期：2 0 0 5 年3 月摘要签名：签名：到芝礁们兰双频激光器在绝对距离干涉测量中占有极其重要的地位，因为这种测量方法测量的是距离而不是位移，所以不需要精密的导轨，但要求双频激光光源的频差尽可能犬，以获得较小的合成波长，进而提高测量精度。因此，研究双频激光技术具有十分重要的意义。本论文对l d 泵浦双频n d ：y a g 激光技术进行了理论分析和实验研究，探索了一种新型可调谐双频激光的方法。主要包括以下五方面内容：第一，分析了l d泵浦固体激光器的基本理论，通过四能级固体激光系统速率方程，对l d 泵浦固体激光器的工作特性进行了理论分析和研究。第二，介绍了l d 泵浦n d ：y a g 激光器的组成及设计原理，建立了相应的实验系统，并研究了该系统的输出特性。第三，研制j - l d 用电流源，工作电流在o 3 a 范围内连续可调，5 小时内时间稳定性优于0 1 ，己成功应用于l d 泵浦n d ：y a g 激光器系统中。第四，分析了腔内双折射效应分裂激光纵模的理论，并在l d 泵浦n d ：y a g 激光器谐振腔内分别放置一片和两片 4 波片，进行了n d ：y a g 激光纵模分裂和可调谐双频激光振荡输出的实验研究。当在腔中垂直光线插入一片 4 波片时，得到激光纵模分裂量为纵模间隔的一半；当在腔中垂直光线放置另一片 4 波片时，通过它们快轴( 或本研究得到国家自然科学基金( 项目批准号：6 0 2 7 8 0 3 4 ) 和陕西省自然科学研究计划项目基金( 项目批准号：2 0 0 1 x 2 1 ) 的资助。西安理工大学硕士学位论文慢轴) 之间的夹角在o 9 0 。变化，得到激光纵模分裂量在一个纵模间隔范围内调喈，实现了可调谐的双频激光振荡输出。第五，在分析双折射滤光片选模理论的基础上，提出了一种新型的l d 泵浦腔内倍频n d ：y a g k t p 双频绿光激光器的研究方案，井进行了可行性分析和初步的实验研究，实现了双腔同时输出5 3 2 n m 绿光。关键词：双频激光器，n d ：y a 6 晶体，l d 泵浦，双折射效应， 4 波片! ! ! ! ：! ! !s u b j e c t ：i n v e s t i g a t i o no fl d p u m p e dd u a l 一厅e q u e n c yn d ：y a gl a s e rt e c h n i q u es p e c i a l i t y ：m e a s u r e m e n t ，m e t r o l o g ya n di n s t r u m e n t a t i o na u t h o r ：l i uy u ns i g n a t u r e ：i b ! 业s u p e r v i s o r ：p r o f j i a om i n g x i n gs i g n a t u r e ：纽丑蝴d a t e ：m a r c h2 0 0 5a b s t r a c td u a l f r e q u e n c yl a s e rp l a y sa ne x t r e m e l yi m p o r t a n tr o l ei ni n t e r f e r o m e t r i cm e a s u r e m e n to fa b s o l u t e - d i s t a n c e b e c a u s et h em e a s u r e m e n ta p p r o a c hm e a s u r e st h ed i s t a n c er a t h e rt h a nt h ed i s p l a c e m e n t ，i td o e s n tn e e dp r e c i s eg u i d er a i l ，b u ti tr e q u i r e sad u a l f r e q u e n c yl a s e rs o u r c ew i t hi t sf r e q u e n c y d i f f e r e n c ea sl a r g ea sp o s s i b l et oo b t a i ns m a l l e rs y n t h e t i cw a v e l e n g t h ，s oa st oi m p r o v em e a s u r e m e n ta c c u r a c y - a sar e s u l t ，i n v e s t i g a t i n gt h ed u a l - f r e q u e n c yl a s e rt e c h n i q u ei so fg r e a ts i g n i f i c a n c e i no r d e rt of i n dan e wa p p r o a c ht oa c q u i r et u n a b l ed u a l f r e q u e n c yl a s e ro u t p u t ，al a s e r d i o d e ( l d ) e n d p u m p e dd u a l - f r e q u e n c yn d ：y a gl a s e rt e c h n i q u ei sa n a l y z e dt h e o r e t i c a l l ya n di n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l yi nt h e t h e s i sf i v ec o n t e n t sa t em a i n l yi n c l u d e da sf o l l o w s f i r s t ，t h ef u n d a m e n t a lt h e o r yo fl d - 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 sa n a l y z e d b ym e a n so ft b er a t ee q u a t i o no ff o u r 。e n e r g y l e v e ld p s s l ，t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n di n v e s t i g a t i o no fd p s s l sw o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c sa r ec o n d u c t e d s e c o n d ，t h em a k e u pa n dt h ed e s i g np r i n c i p l eo fl d p u m p e dn d ：y a g1 a s e ra r ei n t r o d u c e d t h ec o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t a ls y s t e mi se s t a b l i s h e da n di t so u t p u tc h a r a c t e r i s t i c sa r ei n v e s t i g a t e d t h i r d ，ac u r r e n ts u p p l yf o rl di sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d ，w h i c hc o n t i n u o u s l ya d j u s t a b l eo u t p u tc u r r e n tf r o mz e r ot ot h r e ea m p e r e ss u p p o r t e d b y t h e p r o j e c to f n a t i o n a l n a t u r a l s c i e n c ef o u n d a t i o n 。fc h i n a( p e r m s s i o nn o 6 0 2 7 8 0 3 4 ) a n dt h ep r o j e c to fn a t u r a ls c i e n c er e s e a r c ho fs h a a n x ip r o v i c e ( p e r m i s s i o nn o 2 0 0 1 x 2 1 ) 西安理工大学硕士学位论文c a nb ea c h i e v e d c o r r e s p o n d i n gt ot h es t a b i l i t yo ft i m ei sb e t t e r0 1 w i t h i nf i v eh o u r s i ti ss u c c e s s f u l l ya p p l i e dt ot h el d p u m p e dn d ：y a gl a s e rs y s t e m f o u r t h ，t h el a s e rl o n g i t u d i n a lm o d es p l i t t i n gt h e o r yb a s e do ni n t r a c a v i t yb i r e f r i n g e n e ee f f e c ti sa n a l y z e d o n eq u a r t e r - w a v ep l a t ea n dt w oq u a r t e r _ w a v ep l a t e sb e i n gi n s e r t e di nl d p u m p e dn d ：y a gl a s e rr e s o n a n tc a v i t y , r e s p e c t i v e l y , t h en d ：y a gl a s e rl o n g i t u d i n a lm o d es p l i r i n ga n dt h eo s c i l l a t i n go u t p u to ft h et u n a b l ed u a l - f r e q u e n c yl a s e ra r ei n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l y w h e naq u a r t e r - w a v ep l a t ei si n s e r t e di nt h ec a v i t y ，w i t ht h ee n ds u r f a c eo ft h eq u a r t e r - w a v ep l a t en o r m a lt ot h el a s e rb e a m ，t h el a s e rm a g n i t u d eo ft h el o n g i t u d i n a lm o d es p l i t t i n gi sj u s te q u a lt oo n eh a l fo ft h el o n g i t u d i n a lm o d ei n t e r v a l ；w h e nt h eo t h e rs a l t l eq u a r t e r - w a v ep l a t ei sp l a c e di nt h ec a v i t yi nt h es a m em a n n e ra sb e f o r e ，t h es p l i t t i n gm a g n i t u d ei st u n a b l eo v e raw h o l er a n g eo fo d el o n g i t u d i n a lm o d ei n t e r v e lb ym e a n so ft h ea n g l eb e t w e e nt h ef a s t ( o rt h es l o w ) a x e so fb o t hq u a r t e r - w a v ep l a t e sc h a n g e di nar a n g eo f0 9 0d e g r e e s ，a n dt h eo s c i l l a t i n go u t p u to ft u n a b l ed u a l - f r e q u e n c yl a s e ri sr e a l i z e d f i f t h ，o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h et h e o r yo fs e l e c t i n gs i n g l el o n g i t u d i n a lm o d eb yb i r e f r i n g e n tf i l t e r , an o v e ls c h e m eo fl d - p u m p e di n t m c a v i t yf r e q u e n c y - d o u b l e dn d ：y a g k t pd u a l f r e q u e n c yg r e e nl a s e ri sp r o p o s e d f e a s i b l ea n a l y s e sa n dp r e l i m i n a r ye x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n sa r ec a r r i e do u t ，a n dt h es i m u l t a n e o u so h t p u t so ft h eg r e e nl a s e ra t5 3 2 - n mw a v e l e n g t hi nt h et w oc a v i t i e sc a nb ea c h i e v e dk e y w o r d s ：d u a l - f r e q u e n c yl a s e r n d ：y a gc r y s t a l ，l dp u m p i n g ，b i r e f r i n g e n c ee f f e c t ，q u a r t e r - w a v ep l a t e第一章绪论1 绪论自1 9 6 0 年，美国人梅曼( t h e o d o r eh m a i m a n ) 研制成世界上第一台红宝石固体激光器以来，激光科学技术以其强大的生命力谱写了一部典型的创造发明史。激光这种新型光源独特的辐射机理( 受激发射) ，决定了激光的高亮度、单色性和方向性( 高度时间、空间相干性) ，这些都是普通光源所无法比拟的。随后，具有不同学科和技术背景的一批发明家接二连三发明了各种不同类型的激光器。例如半导体( g a a s ，i n p 等) 激光器，固体( n d ：y a g 等) 激光器，气体原子( h e n e等) 激光器，气体离子( a r + 等) 激光器，气体c o 。分子激光器，气体准分子( x e c l ，k r f 等) 激光器，金属蒸汽( c u 等) 激光器，可调谐染料及钛宝石激光器，激光二极管泵浦( 全固化) 激光器，超短脉冲激光器，自由电子激光器，极紫外及x 射线激光器等等。激光的应用已经遍及科技、经济、军事和社会发展的许多领域，激光的未来发展充满着巨大的机遇、挑战和创新空间。1 1 双频激光器在干涉测量中的应用简介双频激光器是指在一个激光谐振腔中同时产生两个不同频率的激光，它被广泛应用于激光干涉仪、位移、角度、准直等多种精密测量系统中。对于位移测量，单频干涉仪和双频干涉仪都是强大的工具，但是它们必须具有长度至少等于被测距离的高精度导轨，而且在测量过程中光线不能被中断，这样的导轨不仅笨重、价格昂贵、生产加工难度大，而且在有些场合根本不可能架设导轨，这些条件都限制了它们的应用。为了克服上述的缺点，绝对距离干涉测量即无导轨测量技术在二十世纪7 0 年代便应运而生。因为这种方法测量的是距离而不是位移，所以测量过程中不需要精密的导轨，但是需要一系列由长波长西安理工大学硕士学位论文和短波长组成的合成波长链，长合成波长用于粗测，而短合成波长用于精测，由于合成波长与双频激光的频差成反比，因此就需要频差从几g h z 到几十g l i z 、甚至上百g h z 的大频差和超大频差双频激光光源。绝对距离二r 二涉测量的理论基础来自小数重合法，其主要思想是合成波长链的形成和逐级精化“1 ，即利用若干单波长形成长度逐级增加的多级合成波长，并以上一级测量结果作为本级的初测值( 用以确定干涉条纹的整数级次) ，从而逐级逼近被测长度的真值。如此可以解决以往测量中大量程与高准确度之间无法兼顾的问题，并且克服了双频激光干涉仪需要铺设导轨而带来的种种困难，具有广阔的应用前景。根据干涉计量的基本原理可知：l ：! 丝! 丝( 1 - i )2式中，l 为被测长度：n 和e 分别为被测长度内所包含的整数级次和小数级次； 。为合成波长。对于频差为v 的双频激光，合成波长 ：表示为 ，= 素( 1 - 2 )式中，c 为真空中光速。在绝对距离干涉测量中，干涉仪只能测量小数级次，而整数级次可根据粗测值通过计算得到。只要上一级测量的不确定度小于下一级合成波长的四分之一，即可沿合成波长链向下逐级精化。因此，研究大频差和超大频差双频激光器对绝对距离干涉测量是十分重要的。1 2 双频激光技术研究现状及发展趋势1 2 1 双频激光技术研究现状目前，常用的双频激光器有0 6 3 2 8u1 1 1z e e m a n 效应h e n e 激光器0 6 3 2 8um 双纵模h e n e 激光器以及0 6 3 2 8 l lm 声光效应h e n e 激光器第一章绪论但是由于它们的频差比较小( 均小于1 0 8 0 m h z ) ，其应用范围受到很大限制。近年来，尽管国内外相继开发出了一系列基于腔内双折射效应的新型双频h e n e 激光器，但其最大频差不超过1 g h z ，根本原因是n e原子荧光线宽比较小( 约1 5 0 0 m h z ) 。而在绝对距离干涉测量等领域中，为了形成几十m m 到几m l n 长的合成波长( 以兼顾测量精度和对被测距离的初估这两方面的要求) ，需要频差为几g h z 到几十g h z 的大频差、超大频差双频激光器作光源，因此拓宽双折射双频激光器的频差范围很有必要。扩大频差范围的有效途径是更换激光增益介质，可用固体激光代替气体激光，因为一些激光晶体的荧光线宽比气体的荧光线宽大得多，如掺钕钇铝石榴石( n d ：y a g ) 晶体在室温下的荧光线宽约为1 5 0 1 8 0 g h z ，这就给发展大频差和超大频差双频激光器提供了可能。国外在大频差双频激光研究领域取得了显著成绩。法国r e n n e s 大学b r e t e n a k e rf 研究组采用两束相距约l m m 的正交线偏振钛宝石激光纵向抽运n d ：y a g 晶体，激光晶体两侧各有一只四分之一波片以消除空间烧孔效应，通过改变两波片快轴( 或慢轴) 之间的夹角，并辅以熔融石英f - p 标准具角度调谐，实现了频差为o 2 6 g h z 的双频激光振荡输出1 4 1 。这种双频激光器的显著优点是获得可调谐超大频差正交线偏振双频激光，缺点是激光腔内元件多，结构复杂，频差调谐过程繁琐，而且采用钛宝石激光器作为抽运源，大大增加了激光系统的成本，限制了这种双频激光器的应用范围。2 0 0 0 年，美国1 1 1 i o i s t 大学的h s ua 等人报道了采用具有啁瞅光栅和双调制器的分布反馈( d f b ) 式双纵模双频半导体激光器，实现激光器双频运转，获得了频差分别为6 3 g h z和1 7 5 g h z 的双纵模双频激光。这种双频激光器研究方案的显著特点是可获得几十g h z ，乃至上百g h z 的超大频差双频激光，而且频差可调谐( 但不能连续调谐) ，通过增大光栅的啁啾量及改变光栅的耦合系数，还可进一步扩大频差调谐范围。但是，由于空间烧孔效应增加了模竞争和耦合腔反馈，所以随着激光器偏置电流的增大，会引起两个纵模西安理工大学硕士学位论文输出功率的波动。在国内，清华大学最早开展了大频差双频激光器的研究工作。研究方案是在激光二极管( l d ) 泵浦n d ：y a g 激光器谐振腔内，插入一只集纵模选择和纵模分裂于一体的多功能光学元件一晶体石英双折射卜p 标准具，获得了频差约为2 g h z 的1 0 6 4 n m 正交线偏振双纵模激光同时振荡输出“1 。该方案的突出优点是结构简单，频差大。其缺点是对石英晶体双折射f - p 标准具的设计、加工和调整要求比较高，并且频差不能连续调谐。近两年来，他们又开展了利用应力双折射效应来获得大频差双频激光输出的研究工作”1 ，这种双频激光器是在驻波腔单纵模n d ：y a g 激光腔内发生应力双折射( 在激光晶体上施加外部作用力) ，使激光纵模产生分裂，获得1 0 6 4 n m 正交线偏振双频激光输出，频差大小随外部所加压力的改变而变化。当在n d ：y a g 晶体上所加压强为0 4 m p a 时，获得约3 4 g h z 的巨大频差。应力双折射双频n d ：y a g 激光器的优点是频差大，可连续调谐。缺点主要表现为：一频差稳定性不够高，这主要受外部加载装置稳定性的限制；二不能获得大功率双频激光输出，因为该方案没有考虑纵模选择问题，故只能在l d 泵浦功率不很大的情况下，才能保证激光器单纵模运转，进而使之分裂以获得双频激光振荡输出。1 2 2 双频激光技术发展趋势在双频激光技术研究现状的基础上，考虑双频激光器在光波干涉测量等技术领域中的应用特点，概括其发展趋势主要表现在以下几个方面：( 1 ) 探索获得大频差( 几6 h z ) 和超大频差( 几十g h z 甚至上百g h z ) 双频激光的新方法。与c o ：激光器、h e n e 激光器等气体激光器相比，固体激光器和半导体激光器具有很宽的增益带宽，将成为大频差和超大频差双频激光器的主要研究对象，特别是l d 泵浦n d ：y a g 激光第一章绪论器将倍受青睐，这不仅仅是因为1 0 6 4 n m 激光处于大气透过窗口之内，更主要是n d ：y a g 晶体具有光学各向同性的特性。另外，对于频差一定的1 0 6 4 n m 双频n d ：y a g 激光器，应用激光倍频技术( 如腔内k t p 倍频) ，不仅将获得双频5 3 2 n m 绿光输出，而且频差也将增大一倍，这也是扩大频差的另一种有效方法。因此，l d 泵浦双频n d ：y a g 激光器将成为今后双频激光技术研究的热点。( 2 ) 提高双频激光的频差稳定性。大频差、超大频差双频激光器可以产生合成波长为几十m m 到几m m 甚至更小的合成波，在绝对距离干涉测量中，合成波长被作为长度的基准，要求频差稳定性达到1 0 1 0 。6 量级。目前，双频激光的频差稳定性只能达到1 0 1 量级上，因此，提高频差稳定性成为双频激光技术研究的难点。( 3 ) 不断探索频差调谐的新方法。在获得大频差、超大频差双频激光输出的同时，也要求频差可以调谐，并且调谐方法简单、范围大、准确度和灵敏度高，因此，频差调谐技术已成为双频激光研究的特色方向。1 3 课题目的、意义及主要研究内容1 3 1 课题目的及意义近年来，l d 泵浦双频n d ：y a g 激光器成为发展大频差、超大频差双频激光器的主要研究对象。因为n d ：y a g 晶体在室温下的荧光线宽约为1 5 0 1 8 0 g h z ，而且具有各向同性的特性，因此满足激光纵模分裂的基本要求。另外，l d 泵浦n d ：y a g 激光器容易实现基横模输出，并且阈值低，斜效率高，输出功率稳定，为发展大频差、超大频差双频激光器提供了条件。本课题的目的是探索一种可调谐双频激光的新方案，即在l d 泵浦n d ：y a g 激光器谐振腔内平行放置两片 4 波片，通过改变两波片快轴西安理工大学硕士学位论文( 或慢轴) 之间的夹角，得到可调谐双频激光输出，这对促进绝对距离干涉测量技术的发展具有重要意义。1 3 2 课题主要研究内容本课题主要是在l d 泵浦n d ：y a g 激光器谐振腔内，平行放置两片 4 波片，通过改变它们快轴( 或慢轴) 之间的夹角，研究纵模分裂的变化规律，实现双频可调谐1 0 6 4 n m 激光输出：并且提出一种新型的l d 泵浦腔内倍频n d ：y a g k t p 双频绿光激光器的研究方案。具体包括以下几方面的研究内容：( 1 ) l d 泵浦固体激光器基本理论研究。通过四能级固体激光系统速率方稗，对l d 泵浦固体激光器工作特性进行理论分析和研究。( 2 ) l d 端面泵浦n d ：y a g 激光器的设计与实验研究。主要包括激光器的组成、设计原理、实验系统建立与装调方法以及激光器输出特性的分析等。( 3 ) 用腔内双折射效应分裂激光纵模的理论与实验研究。以激光原理和晶体光学理论为基础，建立激光纵模分裂量( 频率差) 的理论表达式：分别在l d 泵浦n d ：y a g 激光器谐振腔内放置一片和两片 4波片，开展n d ：y a g 激光纵模分裂和可调谐双频激光振荡输出的实验研究。( 4 ) 提出一种新型l d 泵浦腔内倍频n d ：y a g k t p 双频绿光激光器的研究方案，并进行可行性分析和初步的实验研究，实现双腔同时输出5 3 2 n m 绿光。第二章l d 泵浦固体激光器理论分析2l d 泵浦固体激光器理论分析进入2 0 世纪8 0 年代，激光器二极管( l a s e rd i o d e l d ) 及其列阵( l a s e rd i o d ea r r a y l d a ) 研究工作的巨大进展极大地推动着固体激光器件、技术及应用的发展。在此基础上出现的二极管泵浦固体激光器( 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 ) 以其效率高、热效应小、器件结构紧凑、能获得高功率和高光束质量输出等诸多优点而倍受关注，发展极其迅速，成为光电子行业增长最快的领域之一。特别是大功率的d p s s l 在军事、医疗、科研等诸多领域有重要的用途，近年来成为国际上竞相研究开发的热点。2 1d p s b l 的优点u ，与传统的闪光灯泵浦固体激光器相比，d p s s l 具有一系列的优点。首先，d p s s l 效率高，这是它最主要的优点。以掺钕( n d ”) 激光器为例，由于泵浦灯很宽的辐射光谱与钕离子吸收带匹配的不好，导致灯泵浦n d ：y a g 激光器的总效率低于3 ，并且大功率下热效应明显，光束质量和稳定性都很差。而l d l d a 的发射谱线比较窄( 仅约1 5 n m ) ，并且可以通过温度调谐来改变其发射波长，使其峰值发射波长与激活粒子的吸收带理想地匹配，所以，其泵浦效率比灯泵浦高许多。一般来说，l d l d a 的电光转换效率约为3 0 5 0 ，至n d ：y a g 上的光光转换效率约为4 0 ，这样，l d l d a 泵浦n d ：y a g 激光器的总体效率在1 0 以上。其次，d p s s ，的噪声特性好、频率稳定。由于不存在液体或气体工作物质的流动起伏噪声和泵浦灯的等离子体波动噪声，使得d p s s l 的辐射噪声特性比灯泵浦优于一阶以上。另外，d p s s l 具有热光畸变小、光束质量好、稳定性好、寿命长( 达西安理工大学硕士学位论文1 0 0 0 0 2 0 0 0 0 小时) 、结构简单、体积小等特点，也是其它类型激光器所不能比拟的。2 2 四能级激光系统的速率方程理论2 2 1 四能级系统人们常常把构成物质的大量粒子( 原子、分子或离子等) 的集合总称为量子系统或简称为粒子系统。目前常用的激光工作物质，按照与产生激光有关的能级构成，可分为二能级系统、三能级系统和四能级系统。光放大就是由这些能够实现粒子数反转的激光介质来完成的。四能级系统激光工作物质的能级，由两个抽运能级和两个激光能级组成。图2 1 示出了一个四能级系统激光工作物质的能级简图。图中符号w 表示辐射跃迁几率，a 表示自发跃迁几率，s 表示无辐射跃迁几率，u 表示热跃迁几率。其中系统的抽运上能级e 4 是一个宽度较宽的吸收带，激光上能级e 。是一个亚稳态，能级e 。是基态，系统的激光下能级是亚稳态和基态之间的另一个低能级e 2 ，这个低能级e 。上的粒子数很少，只要吸收带转运到e 。的粒子数稍有增。加，两个激光能级b 和e ：之间就很容易实现粒子数反转。正是这个原因，在固体和气体激光工作物质中，四能级系统e 用得最多，例如n d ：y a g 晶体就是四能级系统激光工作物质。图2l 明能级系统原理图2 2 2 四能级固体激光系统速率方程理论根据光与物质问的相互作用原理，可以将能级系统中各能级粒子数或腔内光子数密度随时间的变化用微分方程表达出来，这些微分方第= 章l d 泵浦固体激光器理论分析程称为速率方程。速率方程理论是分析激光器工作特性的一种最基本的理论，也是激光器工程设计的主要理论依据，阈值功率和斜效率都可以从它的稳态解求得。具体如下：在l d 泵浦激光器中，泵浦光与振荡光为空间分布函数。设泵浦速率密度为r ( x ，y ，z ) ，反转粒子数密度为n ( x ，y ，z ) 和腔内光子数密度为s ( x ，y ，z ) ，对于单模输出的理想四能级系统速率方程可写为“1d a n ( x _ , 一r , z ) ：r ( x ，y ，z ) 一a n ( x , y , z )d tr ，c c r a n ( x ，y ，z ) 5 ( j ，y ，z )( 2 1 )百d s = 昙盯肿( 础，z ) 则，耶) d 矿一争( 2 _ 2 )式中，s 为腔内光子总数；t ，为激活介质上能级的荧光寿命；o 为受激辐射截面；6 为腔内往返损耗，包括输出，散射与吸收等损耗；i 。为谐振腔光学腔长；n 为增益介质的折射率：c 为真空中光速。定义归一化泵浦速率密度为“( x ，y ，z ) ，归一化腔内光子数密度为s 。( x ，y ，z ) 。设系统为稳定状态，, i j d a n ( x ，, y , z ) 一0 ，粤：0 ，得出基模稳态方程为畔学竺警矿= 丽n 6cz-。，1+ 二f ，o s s o ( x ，y ，z )。j “式中，r 为泵浦速率。它与泵浦光功率存在如下关系“”月：坠坠刍( 2 4 )矗v 。町。= 1 一e x p ( 一盯。，)( 2 5 )式中，n 。为量子效率；p 。为入射到增益介质表面的泵浦功率：q 。为激光介质的吸收效率( 激光介质吸收的光功率与入射到激光介质总光功西安j e s - 大学硕士学位论文率之比) ：n 。为增益介质对泵浦光的吸收系数；l 为增益介质的长度；h v 。为泵浦光子能量。2 3l d 泵浦固体激光器工作特性分析2 3 1 阈值泵浦功率当激光器工作在阈值时，腔内的光子数接近于零，即s = o ，所以，从( 2 - 3 ) 式可以得到肌( x , y , z ) s o ( x , y , z ) d 矿2 瓦n 面8( 2 6 )式中，为阂值泵浦速率。设= j m ( x ，r ，z p 。( x ，y ，z ) d v：三殳f ! 翌! 二垒塑：出(27)2舡玑 w 。( z ) + w o 。2 j ：= 肌( x ，l ，z ) s j ( x ，y ，z ) d v：_ 竺l ( 型堡之d z( 2 _ 8 )石2w o j 2 l 2 r d 2 w p 2 ( z ) + w 0 5 2式中，j 。、j ：分别为泵浦光与振荡光的空间重叠因子；w 。( z ) 为泵浦光在增益介质内z 处的光斑半径，通常w 。( z ) 满足下式：w 。( z ) = w 。p + oz z 。1 ，式中w 。，z 。，0 分别为泵浦光的束腰尺寸、焦点位置、发散角；w “为振荡光束腰尺寸；通常情况下，z 处振荡光的光斑半径w ；( z ) 近似等于w 。的大小。定义重叠效率因子“”仉= 斗( 2 - 9 )j2它决定了泵浦光与振荡光的空间重叠程度。定义泵浦光斑在介质长度第二章l d 泵浦固体激光器理论分析内的平均光斑半径瓦= 1 l t f w ，2 ( = 弦】m( 2 1 0 )若用一w p 代替w 。( z ) ，则j 、和j z 的表达式( 2 7 ) 式、( 2 8 ) 式分别简化为( 2 1 1 )l ，：l _ 一( 2 1 2 ) 2 忑忑面丽w 则阈值泵浦功率为匕：生旦竿( 一w e + 。2 )(2_13)raa f斗或圪=鲁鲁尝_1(2-14)re lj id 研r由上式可以看出，闽值泵浦功率与泵浦光斑大小和振荡光斑大小有关，即泵浦光与振荡光在谐振腔内的空间模式匹配程度越好，激光器的阂值泵浦功率就越低。2 3 2 斜效率l d 泵浦固体激光器的斜效率定义为仇5 i l “1 o 百u t2 1 5 式中，p 。为输出功率。当泵浦光为近阈值泵浦时，( 2 - 3 ) 式中_ c r r a s s o ( x ，y ，z ) l ，将( 2 - 3 ) 式左侧用泰勒级数展开，取一级近似第1 项，经推导可得出斜效率公式为西安理工大学硕士学位论文h v ，tw o ，2 ( 2 瓦2 + ，2 )吼叫口希i 飞i 才； _ t 仉( 2 1 6 )卅n 意i 皑一式中，h v 。为振荡光子能量。由上式可以得出，斜效率与泵浦光斑和振荡光斑的关系，即泵浦光与振荡光在谐振腔内的空间模式匹配程度越好，激光器的斜效率越高。在强泵浦下，其条件是r 足够大，w o s 相对足够小，且w p p 。则s s 。( x ，y ，z ) 上，即三叮，s s 。( x ，y ，z ) 1 ，可以得出c o t ，n。2 3 3 输出功率叩。：玑堕一t( 2 1 7 )仉叫n 菇否一l d 泵浦固体激光器的激光输出功率定义为钉咖s 羞岱( 2 - 1 8 )式中，t 为输出镜透过率。根据斜效率定义( 2 - 1 5 ) 式和( 2 - 1 6 ) 式，也可得到p o 。= 仉( 巴一巴)吨等i t 州匕一最)( 2 - 1 9 )。仉萨i 。玑叱一屹j- 1 根据上式可知，泵浦光与振荡光在谐振腔内的空间模式匹配程度的好坏，也直接影响到输出功率的大小。第二章l d 泵浦固体激光器理论分析2 4 本章小结本章简要介绍了激光二极管泵浦固体激光器的优点，从四能级固体激光器系统速率方程理论出发，给出了基横模的理想四能级系统稳态速率方程，并推导出d p s s l 的阈值泵浦功率、斜效率和输出功率的表达式。理论分析表明：l d 泵浦固体激光器的工作特性都与泵浦光和振荡光在谐振腔内的空间模式匹配程度的好坏有关，即空间模式匹配程度越好，激光器的闽值泵浦功率越低，斜效率和输出功率越高。第三章l d 泵浦n d ：y a g 激光器设计与实验研究3l d 泵浦n d ：y a g 激光器设计与实验研究l d 泵浦激光器是指利用l d 作泵浦源来激励激光晶体中的激活粒子，产生激光振荡。l d 泵浦固体激光器兼具l d 和固体激光器的双重优点。l d 体积小、重量轻、直接电注入使其有高的量子效率，可以通过调整组分和控制温度从g a 。a 1 ，a s 得到与常用的固体激光材料泵浦带相匹配的波长。例如，对于n d ：y a g 激光工作物质，其d p s s l 激射波长为1 0 6 4 n m 时，需要泵浦波长在8 0 0 n m 8 2 0 n m 之间。但是，l d 的光束质量较差，横模特性也不理想，很难直接用于对光束质量要求高的应用。而固体激光器输出的光束质量较高，有很好的时间与空间的相干性，光谱线宽与光束发散角均比l d 小几个数量级。此外，l d 可用来泵浦含有不同激活粒子的固体激光材料，丰富了相干光源的谱线。现已从含钕( n d ) 、铥( t m ) 、钬( h o ) 、饵( e r ) 、镱( y b ) 、锂( l i ) 、铬( c r )等数种激活离子的激光材料中得到1 0 多条激光谱线，更加拓宽了固体激光器的应用领域。因此d p s s l 的性能和可靠性都比以闪光灯作泵浦源的固体激光器高得多，具有体积小、重量轻、寿命长、效率高、抗振动冲击、高重复率等优点，可以制成组件化和集成化的产品，而且由于l _ 0 6um 波长正是大气透过窗口，所以d p s s l 在军事、医疗、通讯、加工和科学研究中都具有十分广泛的应用。3 1d p s s l 结构根据作为泵浦源的l d 及其列阵功率的大小和输出光束特点，泵浦方式一般分为横向泵浦和纵向泵浦两种。横向泵浦方式，即侧面泵浦方式，光学耦合系统简单，而且l d 可以有大的发射面，适合于大功率的l d 列阵或堆泵浦，可以获得高功率的固体激光输出；纵向泵浦方式，西安理工大学硕士学位论文即端面泵浦方式，具有装置简单、耦合效率高、输出激光光束质量好、泵浦光在空间上与固体激光腔模匹配良好、阈值低、效率高、横模选择能力强等优点，实验中选用这种泵浦方式。端面泵浦方式是小功率d p s s l 常用的一种泵浦方式，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。耦合光学系统将l d 高效率耦合出来，并高效率耦合进固体激光工作物质。固体激光器的设计主要在于谐振腔腔形、固体激光材料几何尺寸和位置的选择，它们遵循一般固体激光器的设计原则。所不同的是在端面泵浦中一般采取半外腔( 或半内腔) 结构，即在固体激光晶体的后端面镀双色膜，使它对固体激光波长全反，对泵浦光高透；而输出面具有对所需的固体激光波长合适的透过率，同时能抑制未被固体激光工作物质全部吸收的泵浦光和其它的激射谱线从输出腔面逸出。3 2d p s s l 实验系统的组成l d 泵浦n d ：y a g 固体激光器实验系统主要由以下几部分组成：n d ：y a g 激光介质、l d 泵浦源、l d 用电流源、l d 用温控仪、l d 聚焦光学系统和激光谐振腔等。3 3n d ：y a g 晶体光学特性n d ：y a g 激光器是目前最常用的一种固体激光器。掺钕的钇铝石榴石( n d ：y 。h l 。0 。一n d ：y a g ) 晶体结合了许多适合产生激光作用的优点，y a g 基质很硬、光学质量好、热导率高，y a g 的立方结构也有利于窄的荧光谱线，从而产生高增益、低阈值的激光输出。图3 - in d ：y a g 吸收谱第三章l d 泵浦n d ：y a g 激光器设计与实验研究n d ：y a g 晶体的吸收谱由一些分立的吸收峰构成，如图3 1 所示，可以看出，该晶体在8 0 8 n m 附近有一强吸收峰，适合于l d 泵浦。要使激光器能高效率工作，必须使泵浦源的发射谱与n d ：y a g 吸收谱相匹配，而通过温度调节可将l d 光波波长控制在8 0 8 n m 附近，满足光谱匹配要求，从而提高泵浦效率。n d ：y a g 激光晶体特性如表3 一l 所示。表3 - 1n d ：y a g 激光晶体特性熔点( )1 9 7 0密度( g e r a 3 )4 5反射率1 8 2热膨胀系数( k )78 10 “，0 2 5 0 辐射寿命t ( us )2 5 5有效激光截面o ( 1 0 c m )28线宽( n m )o 6峰值泉浦波长( n i l )8 0 75吸收带宽 出( n m )5 5激射波长( n m )1 0 6 4 2损失系数( c i i 。)00 0 3 1 0 6 4 n m偏振无1 0 5 ，1 0 0 导热率( w m k )1 4 2 0 莫氏硬度8 5克隆普( k n o o p ) 硬度( k g m m l )1 3 2 0峰值泵浦吸收系数( 1 掺杂浓度)8( c i i i 。)西安理工大学硕士学位论文3 4l d 选用l d 具有体积小、重量轻、效率高、工作寿命长及可直接调制等许多重要特点，可广泛应用于光学指示、泵浦光源、材料加工、激光医疗、通讯、娱乐及军事等领域。选择l d 作为泵浦光源，其性能指标直接由激光晶体的光谱吸收特性所决定，同时对激光器的整体结构和冷却方式的选择也有很大影响。所以，泵浦n d ：y a g 晶体的l d 应满足以下基本要求：( 1 ) l d 的中心波长应调谐在n d ：y a g 晶体吸收峰的中心波长8 0 8r i l l 处，达到最佳光谱匹配：( 2 ) l d 的光谱线宽度应小于n d ：y a g 增益介质的吸收峰宽度，使能量集中在增益介质的吸收峰内，实现有效吸收；( 3 ) l d 的光电效率高，发热量小；