（凝聚态物理专业论文）高效动力稳定全固态激光器及谐振腔.pdf

ab s t r a c t ab s t r a c t l d - p u m p e d s o l i d - s t a t e l a s e r， i t h a s a l o t o f a d v a n t a g e s , s u c h a s h i g h e ff i c i e n c y , l o n g e r l i f e t i m e , c o m p a c t n e s s , s t a b i l i z e a n d r e l i a b l e , h a s b e e n w e l l d e v e l o p e d i n t h e s o l i d - s t a t e l a s e r fi e l d s o n o w . e ff i c i e n t a n d d y n a m i c - s t a b l e f u l l s o l i d - s t a t e l a s e r i s a v e ry i m p o r t a n t b r a n c h i n t h i s fi e l d . t h e d i s s e r t a t i o n d e s c r i b e s s o m e w o r k o n t h e e ff i c i e n t a n d d y n a m i c - s t a b l e f u l l s o l i d - s t a t e l a s e r a n d i t s r e s o n a t o r . f o l l o w s a r e t h e m a i n p o i n t s : 1 . u n d e r t h e c o n d i t i o n o f d i o d e - e n d - p u m p e d , t h e d i s t r i b u t i o n o f t e m p e r a t u r e i n t h e l a s e r m e d i a a n d t h e r m a l l e n s e ff e c t i s a n a l y z e d a n d t h e t h e r m a l l e n s p o w e r i s m e a s u r e d i n e x p e r i m e n t . u s i n g t h e p r o p a g a t i o n - c i r c l e 一t r a n s f o r m - c i r c l e g r a p h i c a n a l y t i c me t h o 氏 由 e r e s o n a t o r w h i c h h a s a t h e r m a l l e n s i s a n a l y z e d a n d t h e f o r m u l a , f o r t h e r m a l l e n s m e a s u r e d , i s g i v e d . 2 . u s i n g t h e p r o p a g a t i o n - c i r c l e 一t r a n s f o r m - c i r c l e g r a p h i c a n a l y t i c me t h o d , t h e p a r a l l e l p l a n a r r e s o n a t o r i s a n a l y z e d i n d e t a i l s , a n d i n t e r n a l f a c t o r s ( t h e rm a l l e n s , c a v i t y l e n g t h s , e n a b l e d a p e r t u r e e t c ) r e s t r i c t i n g t h e o u t p u t o f t h e l d e n d - p u m p e d n d : y v 0 4 s o l i d - s t a t e l a s e r w i t h fl a t - fl a t c a v i ty i s s t u d i e d . a r e a s o n a b l e e x p l a i n a t i o n i s g i v e n a n d a w a y o f i m p r o v i n g t h e o n 印 u t i s p o i n t e d o u t . 3 . t h e d y n a m i c s t a b i l i ty o f s e v e r a l k i n d o f re s o n a t o r , w h i c h c a n b e u s e d b y e ff i c i e n t a n d d y n a m i c - s t a b l e f u l l s o l i d - s t a t e l a s e r , h a v e b e e n a n a l y z e d , a n d p r o b l e m s i n t h o s e r e s o n a t o r h a v e b e e n p o i n t e d o u t . t h e b e s t d e s i g n f o r e ff i c i e n c y a n d d y n a m i c - s t a b i l i ty h a s b e e n p u t f o r w a r d . a b e t t e r m e n t v - r e s o n a t o r i s a n a l y z e d u s i n g t h e t r a n s f o r m - c i r c l e g r a p h i c m e t h o d . 4 . p o i n t e d o u t t h a t t h e c o n d i t i o n o f o u t p u t w i t h t h e re s o n a t o r w i t h a c o n v e x m i r r o r a n d a fl a t m i r r o r u s i n g t h e p r o p a g a t i o n - c i r c l e 一t r a n s f o r m - c i r c l e g r a p h i c a n a l y t i c me t h o d , a n d i t c a n b e u s e d h i g h p o w e r l a s e r , f o r a e ff i c i e n t a n d d y n a m i c - s t a b l e re s o n a t o r , t h a t t h e re s o n a t o r w i t h a s h o rt r a d i u s c o n v e x m i r r o r a n d a n a t mi r r o r . 5 . b i r e f r i n g e n c e o f t h e n d : y v 0 4 c ry s t a l i s a n a l y z e d . a m e t h o d i s p o in t e d o u t n ab s 翻 妞 c t _一粇 el l m l n at i n g the e 月 免 c t ofb i r e 示 n g e n c e fo r o u t p ut阳d model ofl . 姆 r. a 刀 d a is poi n t ed0 utfor g e tt 1 n g a e ffic i e n t and d y n 肚 ni c 一 5 “ lb le加 1 1 so l id-s t at e l k 即 w o rds: l d 一 。d . p um ped ， sol id-s 七 吐 e . l aser， th e n 刀 a l e ffect ， e ffici e n t and d y n amic 一 s t a b l e o p t i c a l 1 1 1 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了 解南开大学关于收集、保存、 使用学位论文的规定， 同意如下各项内容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本; 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、 数字化或其它手段保存论文; 学校有权提供目 录检索以 及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务; 学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电 子版; 在不以赢利为目 的的前 提下，学校可以 适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 认 丁 二 z u 刁年犷 月了 “ 日 经指导教师同意， 本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名:学位论文作者签名: 解密时间:年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 内 部 5 年 ( 最长5 年， 可少于n 年) 秘密1 0 年 ( 最长1 0 年，可少于 1 0 年) 机密2 0 年 ( 最长2 0 年， 可少于2 0 年) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。 除文中己经注明引用的内容外， 本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、 已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体， 均己在文中以明确方式标明。 本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学 位 论 文 作 者 签 名 :4丁 二 2 0 刁 年 s月 多 沙 日 第一章固体激光器及谐振腔的发展概况 第一章固体激光器及谐振腔的发展概况 自1 9 5 8 年肖 洛 ( a . s c h a w l o w )和汤斯 ( c . t o w n e s )发表首篇描述光频下 产生激光的条件的论文1 , 1 9 6 0年 5月 1 5日加州休斯实验室的梅曼 任h . m a i m a n ) 制 成了 世 界 上 第 一台 红 宝 石 激 光 器 2 1 ， 输出 激光 波 长 为6 9 4 .3 n m o 激光科学与技术便迅速发展起来。激光因具有高亮度、高相干性、高单色性、 高方向性、光脉冲宽度可以极窄等卓越的特性，很快被应有到科研、国防、医 学、生产、生活等各个领域中。第一台红宝石激光器 1 9 6 0年问世，1 9 6 1年即 用于治疗视网膜脱落，1 9 6 3年激光光刀用于肿瘤切除3 1 第一节l d 泵浦的固体激光器的发展历程 固体激光器具有体积小、储能高、激发方案简单和可靠性高等优点，发展 极为迅速。高功率固体激光器在激光加工、激光国防应用、激光医疗、激光受 控核聚变、科学研究、卫星激光通讯、材料微细加工、医学科学、大气监测、 跟踪侦查和图像信息处理等方面有广泛应用。传统的高功率固体激光器使用闪 光灯作为泵浦源。闪光灯产生宽带辐射，然而固体激光器的激光介质的吸收带 相当窄，因而从闪光灯到激光器的转换效率很低，电光转换效率只有1 - 5 %，热 效应影响严重。这些因素制约着固体激光器的发展，使固体激光器在7 0 年代以 来发展减慢。 二极管激光器泵浦的全固态激光器 ( d p s s l )是从2 0世纪 6 0年代发展起 来的。1 9 6 2 年第一只g a a s 激光二极管的问 世为d p s s l 提供了必要的基础u。 1 9 6 3 年， 美国 人n e w m a n 5 1 首次提出了 用半导体激光器做为固体 激光 器的 抽运源 的 构 想。 1 9 6 4 年， 美国m i t 林 肯 实 验室 的k e y e s 和q n i s t 6 1 采 用了 工 作 在 温 度为 4 k 时的。 a a s 二 极管 抽 运u 3 + :c a f 2 晶 体， 实 现了2 . 1 6 1 u n 的 红外激 光 准 连续输出。 1 9 6 8 年， 麦道宇航公司的r o s s 等人7 1 第一次做出了用g a a s l d ( 8 6 7 m n )泵浦 的n d : y a g为增益介质的d p s s l ，工作温度为 1 7 0 k o 在 半 导 体 激 光 器 实 现了 室 温 下 的 连 续 工 作以 后， 1 9 7 1 年， o s t e r m e y e r s 】 报 道 了室温工作的l d抽运n d : y a g ， 获得1 . 4 m w的1 0 6 4 mm 激光输出。1 9 7 2 年， 第一章固体激光器及谐振腔的发展概况 d a n i e l m e y e r 1 9 1 在室 温下 用半导 体 激光器 抽运n d : y a g ; 1 9 7 4 年c o n a n t 】 等 人 提 出用半导体激光器列阵 ( l d a ) 抽运n d : y a g ， 制成了 横向 泵浦的装置， 但实验仍 在低温下 进行; j a c k s o n 和rice11用短脉冲泵 浦得到准连续输出: 纵向 泵 浦也同时 展开了 研究。 r o s e n k r a n t z i z 1 在1 9 7 2 年首次 报导了 脉冲 方式工作的 二极管 端面 泵 浦实验，并认识到这种结构具有模式匹配好、吸收长度增加使得斜效率增大。 1 9 7 2 年， b a rn e s 首先开始了二极管泵浦固体激光器的理论研究工作，并推导出 l e d侧面泵浦条件下， 激光器闽 值和斜效率的 近似计 算公式 1 3 1 。 在当 时，由 于 l d本身的输出功率和转换效率都没有大的突破，使 d p s s l的进一步发展受到 严重的阻碍。 另一方面l d的光束发散角大， 单色性差， 波长也单调， 且难以在 室温下运转。因此d p s s l 性能与输出功率无法与灯泵或其他激励方式泵浦的激 光器相比 。 这期间， 人们把目 光转向 寻找y a g以 外的 新 型激光介质材料 14 , 1 5 ,1 6 1 其目的在于提高激活离子的掺杂浓度来吸收有限的l d抽运光能量。 进入二十世纪8 0 年代后，半导体激光器吸收了半导体物理研究的新成果， 采用了 量子阱 ( q w) 和应变量子阱 ( s l - q w) 等新技术和分子束外延( m b e ) 和金属有机物化学气相淀积( m o c v d ) 等晶 体生长技术新工艺，生长出 优质量子 阱及应变量子阱材料。新结构的激光二极管的闽值电流明显降低，连续或准连 续l d的输出功率和转换效率有了很大的提高， 同时使用寿命显著增长， 生产成 本和销售价格也不断下降。随着高效率、高功率的激光二极管及其列阵的发展， 打破了固体激光器的停滞状态，使固体激光器的发展又充满了生机。 目 前， d p s s l 主要向以下三个方向发展: ( 1 )高功率 d p s s l可有效地将其能量转化为高质量光束。在实 验室，将二极管激光器 的波长与固体激光器的泵浦波段相匹配， 可将泵浦效率提高到8 0 %, l d a泵浦的 n d : y a g激光器在1 0 6 4 n m连续输出 达3 . 3 k w , 5 3 2 n m连续输出达5 1 3 w， 基模 运转可达2 0 0 w 以上。现在d p l的输出功率已 经达到 1 0 0 千瓦，将有可能成为 激光核聚变的驱动器能源。d p l具有的高效、稳定、长寿命、体积小等优点， 正在被越来越广泛地用于科学研究、激光加工、精密测量、军事武器等各种领 域。 ( 2 )大功率三基色 经过倍频、 混频和参量振荡 等技术， d p s s l 在红 ( 如 波长为6 7 0 n tn , 6 6 0 n m ) , 绿( 如波长为5 3 2 n m ) 、 蓝( 如波长为4 7 3 n m ,4 5 7 n m ) 等三基色波段均己 获得功率瓦 第一章固体激光器及谐振腔的发展概况 级以上激光输出。可广泛用于显示、科研、医疗等领域，激光彩色大屏幕显示 即为热点之一。 ( 3 )紫外与深紫外波段 d p s s l 经过三倍频、四 倍频后已经获得功率数瓦的紫外激光。 d p s s l向 紫 外、深紫外波段发展将为微电子、微机械的光刻、激光清洗、激光加工和激光 三维成型等提供关键的激光源。例如第三代光盘高密度写入须使用深紫外 d p s s l 才可以达到l 0 0 g b的超大容量， 实现下一代高清晰电视记录和宽带信息 网络传输记录的目 标。 总之， d p s s l的工作随着激光二极管的飞速发展迈上了一个新的台阶，取 得了突飞猛进的发展，d p s s l已成为激光学科的重要发展方向之一，并强烈地 冲击激光器市场。 人们预测如果大功率激光二极管价格下降 1 - 2个数量级，全 固态d p s s l 将成为主流激光器，灯泵浦的固体激光器，染料激光器和气体激光 器将逐渐被激光二极管泵浦的固体激光器所替代。 第二节 l d 泵浦的固体激光器特点 二极管泵浦固 体 激光器 ( d i o d e - p u m p e d s o l i d - s t a t e l a s e r , d p s s l ) 较之传统灯 泵浦的固体激光器，以及l d本身，有着许多独特优点。 1 . d p s s l与传统灯泵浦固体激光器相比，主要优点为: ( 1 ) 总体效率高。 d p s s l的电光转换效率可高达 1 5 %以上，远高于传统灯 泵浦固体激光器的1 - 3 %的效率。 ( 2 ) 高的频率和功率稳定性。 l d作泵浦源大大降低了对激光介质冷却的要 求。同时，l d本身稳定性很高，因此单频输出的 d p s s l频率抖动可做到小于 l o k h z 。比灯泵浦提高了一个数量级，输出功率波动小于 1 %0 ( 3 ) 寿命长。固 体激光器的寿命取决于其泵浦源的寿命。目 前l d的寿命可 达到数万小时，而闪光灯寿命仅为数百小时。 ( 4 ) 小型化。 外形尺寸可缩小4 / 1 0 以 上， 体积小， 重量轻， 供能简便， 可全 固化2 6 1 ( 5 ) 光束质量好。 激光晶体热负载减小， 提高了光束质量。 d p s s l 可获得独 特的激光特性，在纵向泵浦时，可产生近于衍射极限，近于理想基模强度分布 的输出。 第一章固体激光器及谐振腔的发展概况 ( 6 ) d p s s l 可以有多种腔结构形式， 既可采用横向 泵浦， 也可采用纵向 泵浦。 增 益介质可以 是棒状、 板条状等多 种形式网。 2 . d p s s l 与l d本身比 较， 优点表现在: ( 1 ) 辐射线宽窄，易实现单频运转。 激光器线宽极限由 s c h a w l o w - t o w n e s关系式给出: a v = b y / ( 2 =,2 p ) 其中 ，t c = l / ( 8 - c ) 为腔寿 命， p 为 输出 功 率 二极管激光器由 于腔较短以 及镜片的反 射率 较低， 导致腔寿命礼 很小，而 相比 之 下 固 体 激 光 器 的 腔 寿 命t c 可 以 达 到 激 光 二 极 管 的1 0 3 倍， 因 此 二 极 管 激 光 器的线宽是很宽的，通常为 0 . 0 2 - 2 n m，而固体激光器的线宽通常可达 0 . 0 0 1 - 0 . 0 1 n mo ( 2 ) 峰值功率高。 由 于激光介质具有长的上能级寿命， 贮能机制是l d的1 0 0 倍，因而可得到高脉冲峰值功率输出。 ( 3 ) 稳定性高。 输出波长不受温度影响。 l d输出 峰 值波长会随温度升高而 增长，一般为 0 . 3 - 0 .4 n m / c o d p s s l由于工作物质为固 体激光介质， 输出波长 具有高的温度稳定性。 ( 4 ) 发散角小。 半导体激光器由 于p 一结的 结构， 垂 直于结的 方向 的发散角 宽度约为4 0 0 ，平行于结方向的发散角约为1 0 0 ，是一椭圆 度很大的发散光。由 于 光束质量、模式差，难以满足激光应用的要求。而固体激光器的发散角非常小， 端面泵浦的d p l很容易做到基横模输出的光束，更便于激光器的应用。 ( 5 ) 扩展激光波长。 可以 制成多种新波长器件和特种器件. d p l 通过采用不 同的激光介质以及非线性光学频率变换技术，可以得到多种新的振荡波长，从 紫外光可见光中红外都可以建立高效、小型、单色或连续可调谐相干 辐射光源， 波长覆盖范围比l d宽， 而且可以靠多个l d泵浦使输出功率比单个 l d大:同时d p l 可以 有如双波长，可调谐等特种器件。 而l d频率不宜调谐， 限制了应用范围。 总之， d p l比 灯泵浦固体激光器效率更高，频率更稳定，谱线宽度更窄， 寿命更长， 结构简单， 使用方便， 和被直接使用的l d相比， 可得到质量更高的 光束，更大的峰值功率，更窄的谱线，以及可制成多中心波长器件等。所有这 4 第一章固体激光器及谐振腔的发展概况 些优点，使其在激光雷达、激光制导、测距、光电 对抗、水下通信、精密加工、 集成电路修复、激光医学、激光武器、光盘存储等各个应用方面成为首选激光 器，具有广泛的应用领域。 3 . 端面泵浦和侧面泵浦的比较 端面泵浦可以 得到较高的泵浦效率， 抽运光能有效地进入激活介质的t e m 0 0 模体积内，从而实现了 抽运光与腔内振荡光之间的模式匹配，使得激光易获得 稳定的 基横模运转， 从而获得接近衍射极限的 激光 输出 2 8 1 典型的端面泵浦激光 器的 效 率比 侧面泵浦激光器高出1 倍以 上2 9 ,3 0 ,3 1 1 。 但是端面泵浦小区 域泵浦热效 应严重，激活区利用率很低，不利于提高输出功率。而侧泵可充分利用介质激 活区，热效应较小，许多的激光器产品使用的就是侧泵，但是侧泵由于其泵浦 方式的特点，注定其无法实现较好的模式匹配.因此如果能够对端面泵浦的激 光器实现有效的散热，从而提高输出功率，那么对研制基横模运转的大功率激 光器将很有帮助。 第三节 适用于l d泵浦的固体激光晶体材料 在固体中，能产生受激辐射作用的金属离子主要有二类:( 1 ) 稀土金属离 子， 大 多 数 钥系 金 属 离 子( 如n d 子 十 、 s m 2 十 、 时十 等) 和 钢 系金 属离 子( 如护 十 ) ( 2 ) 过 度金属离 子( 如c 卢 十 、 份十 ) 。 这些掺杂到固 体( 晶体和玻璃) 基质中的 金属离子的主要特点是具有比较宽的有效吸收光谱带，比较高的荧光效率、比 较长的荧光寿命和比较窄的荧光谱线，因此容易产生粒子数反转和受激辐射。 下面介绍几种适宜使用激光二极管 ( l d)抽运的激光晶体。 1 . 3 . 1 以稀土离子为激活离子的激光增益介质 1 . n d 掺杂的增益介质 a ) n d : y a g :最成熟的固体激光材料，目 前对各种其它材料的评价都是与 n d : y a g进行比 较的。 第一， 激活离子n d : y a g的吸收峰与g a a s 二极管辐射标 准光谱重合，非常适于l d泵浦;第二，立方结构，给出窄的荧光线宽，导致高 增益、低闽值;第三，机械强度高，导热性好且具有良好的光学质量。因此目 前仍是最好的高效、 高平均功率的激光晶体， l d泵浦的n d : y a g激光器是最常 见的，发展最迅速的d p l器件。 第一章固体激光器及谐振腔的发展概况 表 1 . 1给出了几种常用晶体的主要激光特性参数。 表1 . 1 几种常用晶体的主要激光特性参数 c rys t a l 呀1 m )a ( 1 0 - c m )l p ( mn ) x .r a d ( n m )a vn m)p o l a ri z a t i o n nd : y ag ( a t 1 %) 2 3 0 9 4 6 mn : 1 . 3 4 1 0 6 4 n m: 4 . 8 1 3 1 9 n m: 1 . 5 8 0 7 . 5 9 4 6 1 0 6 4 1 3 1 9 0 . 6 n d : y v 0 4 ( a t 1 / u ) 9 8 9 4 6 n m: 1 . 7 1 0 6 4 n m: 2 5 1 3 4 2 n m: 6 8 0 8 . 7 9 4 6 1 0 6 4 1 3 4 2 0 . 8/ / c nd : yl f 5 2 0 1 . 8 ( x ) 1 . 2 ( 的 7 9 8 闭1 0 4 7 ( x ) 8 0 6 ( 的1 0 5 3 ( x ) 1 . 4 / / c n d : g l a s s 3 0 03 . 1 8 0 ) . 1 0 6 22 6 nd : y ap 1 7 0 3 . 7 ( x ) 1 . 7 山) 8 0 2 1 0 7 9 . 5 ( x ) 1 0 6 4 . 1 ( n ) 1 . 0 ( a ) 9 9 % ( b ) 4 0 % b ) n d : y v 0 4 :与n d : y a g具有几乎相同的光谱特性，同时又因具有独到 八浮j侧索攀哪 图1 - 1 n d : y v o 晶体的吸收谱 特点而成为l d泵浦的n d : y a g有力竞争者。在8 0 8 n m附近具有较高的吸 收系数 ( 如图1 - 1 所示) ，为n d : y a g的3 . 5 倍，可以 选择长度较短的n d : y v 0 4 晶体 ( l m m长)比使用n d : y a g晶体能组成一个体积更小的激光器，是可利用 具有高吸收系数的激光介质短程吸收泵浦光，驻波腔中直接获得单纵模输出， 且它有一个宽的和随温度变化不大的吸收带宽，表示泵浦效率更高，且不需要 严格地选择何种二极管激光作为泵浦源和控制二极管激光泵浦波长。 第一章固 体激光器及谐振腔的发展概况 n d : y v 伍 晶体的能级结构 ( 如图 1 一 所示) 。泵浦光把粒子从基态激发到 4 f s n 能 级， 但粒子 在此能级的 寿命非常短( s - 1 0 1 1 s ) ， 可通过无辐射跃 迁很快 地弛豫 到 亚稳态4 肠 能级 上. 该能级的 寿 命相 对较长( t _ 1 0 人 ) 。 四 条主 要的 发射谱线是: 4 f 3 n - - 4 1 1 5 2 , 4 f 3 2 -4 1 1 m, 4 f 3 n -4 1 1 1/2 , 4 f 3 n -4 1 y n ，对应的波 长分别是: 1 8 3 9 m n , 1 3 4 2 m n , 1 0 6 4 m n和 9 1 4 m n o 晶 体在1 . 0 6 f 1m和1 . 3 4 p m波长处具有较 大的受激发射截面 ( 如图 1 一 所示) 。在 1 .0 6 1 1 m处， 沿a 轴 切割n d : y v o ; 晶 体受 激 发射截面。( 2 0 1 2 .4 x 1 0 1 9 c m 2 ) 比n d :y a g ( 4 . 6 x 1 09 c m ) 的 大， 虽然n d :y v 0 4 晶 体 荧光寿命只有n d : y a g的4 2 %， 但“轴切割 n d : y v 0 4 晶体的二乘积比 n d : y a g 晶体 高， 所以 泵浦闻 值较 低; 在1 .3 4 e 1m处，晶 体的受激发射截面远高于n d : y a g晶体; o t 乘积 是 n d : y a g晶体的2 . 7倍，对 于1 .3 4 1 1m的二极管 泵浦的激光 器， n d : y v 0 4 晶体是一种非常有效的激光晶体。 j r 、 -r -1 3 42 t ， -1 06 4 n m . . - . 9 1 4- . . 一 了1 .仙拍筑扣拍口 勺乍性气气伙 图1 - 2 n o+ 的能级结构图 另外， n d : y v 认是单轴晶体， 万 偏振光 ( e / / c ) 输出， 可减少热致双折射的 影制响。晶体的主要缺点是热导率较低，机械性能也不如 n d : y a g好，在高平 均功率下受到很大限制。 c ) n d : y l f :也是很好的激光材料。 n d : y l f 是单轴晶体，有两个主要的激 光 跃 迁( 气。 一 、 1 12 ) 1 .0 5 3 e u n 和1 .0 4 7 11 m 。 对 于， 偏 振 光( e / / c ) , 1 .0 4 7 f u n 跃 迁的 增 益系数是1 .0 5 3 g m跃迁的1 1 倍， 而对于o 光 ( e 上 c ) , 1 .0 5 3 1 1m跃迁是 1 .0 4 7 im的2 倍， 并 且ir 偏振1 .0 4 7 g m的 增益截面1 . 5 倍于v 偏振1 .0 5 3 1 m跃迁， 1 .0 4 7 p m具有较高 增 益 3 2 。 也 可以 通过 采 用一 个腔内 偏光镜从 每次 跃 迁中 选 择两 第一章固体激光器及谐振腔的发展概况 4，乙0 (j)侧以彼娜 ， 阅】 侧目”偏1 洲翔1 到 冲月 月匕 波长( n m ) 图1 - 3 n d : y v o 晶体的荧光发射谱 种波长之一的偏振光输出，相比于n d : y a g降低了热致双折射的影响。另外， 其中的n d 3 + 的 荧光线宽是y a g中的 三倍， 有 助于产生超 短脉冲。 n d 3 十 荧光寿命 是 在y a g中 的2 倍， 能 有 效 储 能 3 3 ， 可 产 生 大 功 率q开 关 脉冲， 脉 冲 能 量 是 n d :y a g激光器的两倍。 但y l f晶体的热导率只是、 a g的一半， 机械性能也不 如y a g好，不能在高平均功率下运转。 d ) n d : g l a s s : 在8 0 0 n m处具有较宽的吸收光谱，是l d泵浦的理想候选者， 荧光线宽较宽，可产生较短的d p l 锁模脉冲:荧光寿命长，存储能量多，适于 高功率脉冲运转，还具有光学质量好、损耗小、廉价、能制成各种形状的大尺 寸的基质等优点，主要缺点是热导率低，受激发射截面小。 e ) n d : y a p ( n d : y a 1 0 3 ) : n d : y a p与n d : y a g晶体的 全面性能十分接近， 具备作为高效高功率激光工作介质的优异条件，是一种有潜在优势的晶体。第 一、y a p属于斜方晶系，光在其中的增益是各向异性的，高增益取向 适于作连 续器件，低增益取向可作高贮能脉冲激光器件的q开关使用，该材料的 最大增 益发 射波长为1 . 0 7 9 1 tm和1 .3 4 1 n m , 激光输出 偏振光且沿c 轴取向 输出 光最强， 这样可克服热梯度引起的双折射; 同时， 使得y a p 的倍频效率也比n d : y a g大。 第二、 n d 3 十 在y a p 中的分凝系数是在y a g中的4 倍， n d : y a p 的生长速度可以 比n d : y a g快3 4 ,3 5 。 第三、 y a p 的 荧光带宽稍宽于y a g ， 有可能得到 更短脉 冲 的 模态。 第四、 在1 . 3 4 p m波段， y a p 的受激发射截面为y a g的2 . 4 倍，因 此， 该波段y a p 的激光效率比y a g大得多，适于海底传输激光通讯的应用。 但是， 目 前该晶体生长困难，难以得到高质量晶体，限制了推广使用。 第一章固体激光器及谐振腔的发展概况 f ) 掺钦的其它增益材料:其它掺钱的增益材料如 n d : b e l ( n d : l a 2 b 2 0 5 ) , n d :l n a ( n d :l a , _x n d . m g a l n 0 i g ) 以 及其它石榴石型基质晶 体如g s g g , g a g g , g g g , y s a g等等都显示出良 好的激光性能，尤其是在石榴石型基质晶体中双 掺n d 3 + 和c r a + , 激发 态的c r 3 + 向n d 3 + 的有效能量转移而成为高效率晶 体。 由 于掺n d 激光晶体吸收带相对都比较窄， 因此要求窄线宽的二极管阵列作 为抽运光源。 2 . 掺 c r ; + 离 子的 激光晶 体 这类晶体可作为 调谐激光晶体，如c r : l i c a a i f 6 ( c r : l i c a f ) , c r : l i s r a i f 6 ( c r : l i s a f ) ， 吸收带宽，即可用l d泵浦也可用闪光灯泵浦。 3 ， 掺 t m 3 + 离子的激光晶 体 如t m 3 + :y v 0 4 ， 晶 体 具有很宽和很强的 吸收带， 用l d抽运是有利的，由 于 它 是 双 折 射晶 体 ， 有 益 于 激 光 器 起 偏 和q开 关 工 作。 对t m 3 + : y a g ， 由 于 其 吸收带窄， 发射截 面比t m 3 + :y v 0 4 小， 因此， 作为l d抽运的 激光晶 体其特点 不突出。 4 . 掺 e r a + 离 子的 激光晶 体 这 类晶 体 有e r a 十 : b a y 2 f 8 , e r :y l f , e r : g s g g , e r : y a g等。 e 尸 十 : b a y 2 f 8 的 吸收带宽比 较宽， 而且在x ,y ,z 方向具有相同的吸收， 是一种l d抽运的激光波 长3 lm 激光器最 有希 望的工作 物质。 5 . 掺h o 3 + 离 子的 激光晶 体 这类晶 体的典 型 代表为h o 十 :y a g 。 单掺的h o : y a g , l d对其抽运效率较 低， 为 提高 抽运效 率， 常采用掺杂敏化， 如采用t m 3 十 、 yb3 十 敏化， 这样的 掺钦 激光晶体能发射 2 p m激光。 6 . 掺 y b 十 离子的激光晶 体 对于 l d抽运， y b : y a g是一种比 n d : y a g性能更好的增益介质， 它的吸 收带比 n d : y a g宽 得多， 减少了对二极管激光器输出波长控制的要求，而且上 能级寿命为 1 . 1 6 m s ，比 n d : y a g寿命长得多。 1 . 3 . 2 以过渡金属离子为激活离子的激光晶体 以 过 渡金属 离 子 为 激活 离 子的 激光晶 体主要 有 紫翠宝 石( c r : b e a 1 2 0 4 ) 3 71 , 掺钦宝石( m a1 z 0 3 ) ， 镁橄榄石( c r :mg 2 s i o 4 ) , c r :l i s a f ( c r : l i s r a i f 6 ) , c r uc a f 第一章固体激光器及谐振腔的发展概况 ( c r :l i c a a i f 6 ) ， 掺钻氟化镁 ( c o : m g f 6 ) 等， 它们的 激光 波长可调谐， 调谐范 围从红光到近红外波段。 波长可调谐固体激光的应用范围很广，如机载和星载的大气监视用光雷达 系统，医疗用和基础科学研究用激光系统等，当采用激光二极管泵浦，将产生 直接的或间接的促进作用。因此，波长可调谐也是d p l 的 一个重要发展方向。 掺钦蓝宝石的增益带宽很宽，受激发射截面大，导热性好，机械强度高， 并 在0 .6 - 1 . 1 p m宽范围调谐， 是很 好的调谐基质。 将l d泵 浦的 激光器倍 频， 再泵 浦连续波钦宝石激光器，成为全固态可调谐光源的一个重要研究领域。 利弗 莫尔实 验室相继发现一组室温工作、 高效率 掺c r 3 的 氟化物晶 体激光材 料，性能比较优异的是 c r : l i s a f 。现在己成为继钦宝石之后又一性能优异的固 体激光材料。 c r :l i s a f 的上能级寿命为6 7 p s ， 约是钦宝 石的2 0 倍， 受 激发射截 面5 x 1 0 -2 0 c m 2 , o -a 乘积比 钦宝石要好一些， 另外， c r : l i s a f 的吸收谱 和发射谱 ( 7 8 0 - - 1 0 2 0 m n )非常宽，在可见波段的吸收带要比 钦宝石宽一些，可用激光二 极管直接泵浦，虽然 c r us a f的工作波长已被掺钦蓝宝石激光器覆盖，然而 c r us a f晶体可在寿命和发射截面之间实现较好的权衡， 适合于用作激光的调 q输出和激光放大。 c r : l i s a f晶体具有宽增益带，长荧光寿命和足够的 发 射截面结合在一起的 优势，用二极管激光器作泵浦源，实现更加紧凑的全固体化宽带可调谐激光器 是它目前发展的方向。 第四节固体激光谐振腔的研究状况 激光谐振腔作为激光器的一个重要组成部分对激光器的特性有着重要的影 响。激光的光束质量 ( 光束发散角、模结构、光束的能量和功率)主要由激光 谐振腔的性能决定。为了提高激光器性能，各种形式的激光谐振腔被详细作了 研究。随着激光器的发展，激光谐振腔的研究取得了最重大的进展，首次展示 了开放光腔除了存在纵模之外还存在横模。 这方面早期的文献包括p ro k h o r o v 提 出的激光器设想13 8 1 , d o c k e 13 9 1 和 g o u b a u 0 0 1 的激光器和 透镜波导专 利，以 及 1 9 5 8 年肖 洛 ( a . s c h a w l o w ) 和汤斯 ( c . t o w n e s ) 的描述光频下产生激光的条件 的开创性文章p l 1 9 6 1 年g a r d n e r f o x和 t i n g y e l i 对法布里一 拍罗 干 涉仪用作激光 谐振腔使 第一章固体激光器及谐振腔的发展概况 电 磁波在其中的衍射进行了理论研究4 1 ,4 2 1 。 用数值方法提供了一种求激光腔本征 模的方法。 1 9 6 1 年g b o y d 和p g o r d o n 在 他 们 的 文 章 4 3 】 中 证明 方 形 镜 共 焦 腔 中 存 在 的本征模可由长球波函数来描述。并证明了 在实际激光器运行的小的损耗和大 的镜面尺寸的情况下，这些函数成为厄米高斯函数。他们引入w表示高斯 光束光斑尺寸， 和共 焦参数b ， 并且描述了 光 斑尺寸w ( z ) 和波前曲 率半径r ( z ) 在 腔内以及腔外如何随距离而变化。他们推广他们的分析到一般的对称凹球面系 统， 导出 了 这 种 情 况 下的 光 斑尺 寸、 谐 振频 率 和 模 式 特征， 并 用t e m ,标 记 腔 内的模式。 b o y d 和h . k o g e l n i k 4 4 1 对 这 种 方 法 进 行 了 推 广， 他 们同 时 用 拉 盖 尔 高 斯函数描述圆形镜组成的谐振腔。这就是人们现在常用的两镜腔的高斯光模理 论。在上述基础上， 人们将他们的方法用到其他的腔镜形状4 s -0 7 1 ，以 及对激光 增益饱和和模式变形的影响的研究4 8 1 激光谐振腔分成稳定型和不稳定型二大类别。稳定型谐振腔是指光束在腔 内有一定尺寸限制，它的本征模是高斯光束;不稳定型谐振腔其光束尺寸不受 限制，它的本征模对应球面波。激光谐振腔的作用在于提供一定反馈量以形成 振荡，另外激光谐振腔起的作用就是进行模式限制。最佳谐振腔的设计要求在 于: ( 1 ) 基模模体积要尽量大，以充分利用激活介质， 获得最大限度的能量或功 率输出 ， ( 2 ) 基模 斑点尺寸对扰动不灵敏，以 得到稳定的能量或功率输出。 在稳定腔的研究中， j . s t e ff e n首先提出基模动态热稳腔的概念4 9 1 。 就是将 激光晶 体等效为一 个焦距为.f 的 热透镜， 距腔镜 距离分别为l i 和l 2 。 这里高斯 光束简化唯一球面波，服从几何光学规律。 不稳定腔的特点是具有大的模体积和良 好的横模选择能力，是获得高能高 功率衍射极限光束最常用的方法。因衍射损耗大，一般只能用在高增益激光介 质。 l .wc a s p e r s o n 在研究不稳定腔时， 首先 提出的是将输出 镜反射率做成高斯 型【 s o t ，其优点是可直接利用传输矩阵公式计算模结构和损耗，之后又提出线形 及抛物线形变化反射率分布，用计算机计算得出和高斯型相近似的结果。 目 前设计固 体 激光腔大都采用a b c d矩阵 方法 5 1 ,5 2 1 。 它的主要思 想是: 在 大量数值计算的基础上从众多的数据中优选出来合适的谐振腔参数。这种方法 的缺点是，计算采用的初始参数主要靠经验来确定，并且无法说明谐振腔的设 第一章固体激光器及谐振腔的发展概况 计是最优化的。 用图 解方法来描述高斯光束的传播特性的 “ c o l l i n s图” 是由c o l l i n s发展 并由 其 它 人推广的 5 3 1 o d e o c h a m p s 和l a u r e s 5 4 ,5 5 1 提出 了 传播圆 方 法: 我校张 光寅教授在此基础上提出并发展了 变换圆图解方法 5 6 1 ， 运用传播圆、 变换圆图 解方法分析设计激光谐振腔，可以直观地显示出腔内各处光模的光束参量以及 输出模式的稳定性，并且易于对激光谐振腔进行优化设计。在传播圆和变换圆 图解分析方法中，图解中的各参量与谐振腔内各处的基模光束参数有着直接而 简单的联系，因此各参量的物理意义十分直观。发展和推广这一方法是十分必 要的。 第五节 l d泵浦n d : y v o 晶体热效应的研究现状 由于 d p s s l具有诸多的优点，因此成为近年来研究