（凝聚态物理专业论文）nd：luvo4、nd：gdvo4晶体微片ld端面泵浦激光性质研究.pdf

山东大学硕+ 学位论文 摘要 激光二极管泵浦的固体激光器( l a s e r - d i o d ep 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 ) 现已成为固体激光器的发展主流，是迄今唯一不需维护的激光系统，具 有转换效率高、输出的光束质量好、性能稳定可靠、体积小、结构紧凑等特点， 在医学、科研、军事、工业和娱乐装饰等领域获得了广泛的应用。 d p s s l 的发展与相应新晶体的探索密切相关。目前最实用的激光晶体n d ：y a g 存在着一些性能缺陷，如n d ：y a g 具有窄的泵浦吸收带宽和较低的泵浦吸收截面 等特点，这些特点限制了它在d p s s l 领域，特别是l d 泵浦微片激光器中的应用。 掺钕钒酸盐晶体是顺应d p s s l 发展而开发的新型激光晶体材料。l u v 0 4 和g d v 0 4 两种典型激光晶体，它们不仅具有宽的吸收带和高的吸收截面，而且具有目前发 现的钒酸盐中最高的热导率，尽管其热导率的大小大致与n d ：y a g 相比拟，但它 们的增益截面比n d ：y a g 高得多，尤其是它们能均匀的掺入较高浓度的钕离子， 使l d 泵浦微片激光性能有更大提高，因而引起人们的特别关注。目前，这两种新 晶体的l d 泵浦微片激光性能已有一些报道，但对不同钕离子浓度，不同厚度微片 等条件下系统的研究l d 泵浦的激光性能尚未见报道。 本论文主要对n d ：l u v 0 4 和n d ：g d v 0 4 两种激光晶体在中小泵浦功率l d 端面 下的多种激光性能进行了系统的测试和理论分析。实验使用了不同钕离子浓度， 不同厚度微片样品6 0 余块，实验结果表明该类晶体具有广阔的应用前景。 本论文主要研究内容包括： 1 简要介绍了d p s s l 主要特性、优势、应用及发展现状；对d p s s l 制作中 目前比较常用的固体激光材料的特点进行了分析对比，并指出了掺钕钒酸盐系列 的激光晶体，特别是l u v 0 4 和g d v 0 4 两种新型晶体，具有优良的l d 泵浦微片激 光性能。 2 从增益介质中饱和光强的微分方程出发，导出了对l d 泵浦微片激光器的 基频输出功率、阈值泵浦功率和斜效率的理论表达式；采用高、低功率两种l d 分 别对多种n d ：g d v 0 4 和n d ：l u v 0 4 微片样品的基频输出进行了系统测试，确定了微 片的最佳基频输出所对应的钕浓度、厚度以及透过率；研究了l d 温度变化和微片 热效应对晶体基频输出功率的影响在2 w 泵浦功率条件下，n d ：g d v 0 4 和 山东大学硕十学何论文 n d ：l u v 0 4 微片分别获得了高达1 0 5 w 和1 0 9 w 的基频输出功率，斜效率分别高 达5 6 和5 9 ，实验结果表明，该类晶体是l d 泵浦微片激光器领域优良的晶体 材料。 3 从纵向泵浦激光器腔内增益与损耗的基本方程出发，对微片激光的腔内二 次谐波的产生与腔参数的关系进行了理论研究，得n t 腔内倍频光功率与基 频光功率只的关系。在2 2 1 w 泵浦时，分别得到了n d ：l u v 0 4 和n d ：g d v 0 4 微片 最高为1 2 6 i m w 和1 1 6 2 m w 的倍频光输出。系统研究了不同泵浦方式和腔长对倍 频输出以及样品厚度和掺杂浓度对倍频输出的影响，结果表明n d ：l u v 0 4 和 n d ：g d v 0 4 晶体是高效的绿光微片激光材料。 4 研究了g a a s 晶体被动调q 的机理及其被动调q 兼输出耦合的速率方程， 从实验上研究了不同掺杂浓度和不同样品厚度n d ：l u v 0 4 和n d ：g d v 0 4 晶体的调q 输出特性；并得到了脉冲宽度、重复频率、脉冲峰值功率和平均输出功率随泵浦 功率的变化关系。实验中利用g a a s 晶体做被动调q 元件，在2 2 1 w 泵浦功率下， 得到n d ：l u v 0 4 和n d ：g d v 0 4 晶体的最短脉宽分别为1 2 i n s 和1 6 i n s 证实了 n d ：l u v 0 4 和n d ：g d v 0 4 可用作调q 微片激光材料。 关键词：掺钕钒酸镥，掺钕钒酸钆， 端面泵浦，微片激光器，倍频，被 动调q h a v eb e e nw i d e l ya p p l i e di nm 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 h m i l i t a r y , i n d u s t r y a n ds o f o ri t sa d v a n t a g e si nh i g hc o n v e r s a t i o ne t t i c i e n e y , e x c e l l e n ts t a b i l i t y , h i g h e l e d i b i l i t y , h i 曲q u a l i t yb e a m ，s m a l lv o l u m ea n dc o m p a c ts t r u c t u r e a tp f 龇n d ：y a g , t h em o s tp r a c t i c a ll a s e rc r y s t a lh a sg o ts o l n l ed e f e c t s , s u c h 越 i l l l a l t o , , vi na b s o r p t i o i n d w i d t ha n dl o we m i s s i o nc r o s s - s e c t i o ne 缸a l lo fw h i c hh a v e l 屯- s t r i e t e di tf r o mt h en p p l i c a t i o no fl dp u m p e dm i c r o e h i pl a s e r s n e yh a v en o to n l y h i 曲a b s o r p t i o nb a n d w i d t ha n dh i g ha b s o r p t i o nc r o s s - s e c t i o n ，b u ta l s ot h eh i g h e s t t h e r m a lc o n d u c t i v i t yi na l lt h ec r y s t a l so f o r t h o v a n a d a t e se v e rf o u n d d e s p i t eo f al i t t l e l e s st h a nn d ：y a gi nt h e r m a lc o n d u c t i v i t y , t i i e yh a v em u c hh i 【g i l 盯t h a nn d ：y a gi n m i s s i o nc r o s s - s e c t i o n , e s p e c i a l l yt h e y 啪b ew e l l - p r o p o r t i o n e dd o p e dw i t hh i g l l n e o d y m i u mi o n sa n dg r e a t l yi n c r e a s e dt h ep r o p e r t i e so fl i ) p u m p e dm i e r o e h i pi l l s e l s s y s t e mi n v e s t i g a t i o n s0 1 1l dp i l m p c dl a s e rp r o p e r t i e sa td i f f e r e n tc o n d i t i o n so fn d c o n e e n l z a t i o n s , l e n g t ho f s a m p l e sh a v en o tb e e na p l , e a r e dy e t 1 1 1 i sd i s s e r t a t i o nh n sm a d es y s t e m a t i cr e s e a r c h e s 柚dc o l 陀l n s i o n s 伽m a n yl a s e r p r o p e r t 硫o fn d ：i l a l v 0 4a n dn d ：g d v 0 4 m o r et h a n6 0s t a p l e so fm i e r o e h i p sw i t h d i f f e r e n tn di o n sa n dl e n g t hh a v eb e e ns t u d i e d t h ee x p e r i m e n t sp r o v e dt h a tt h ek i n d s o f t h i sc r y s t a l sh a v eav a s ta p p l i c a t i o nf i e l d t h em a i nc o n t e n t sa 托a sf o l l o w s ： 1 n 砖m a i np r o p e r t i e s , a d v a n t a g e s , a p p l i c a i t i o ma i l dd e v e l o p m e n t so fd p s s l w e l ei n t r o d u c e db r i e f l y s e v e r a lt y p i c a ls o l i d - s t a t el a s e rm a t e r i a l sf o rd p s s lw 饿 s u m m a r i z e d af e wn d - d o p e dl a s e rc r y s t a l so fs e r i e so fo r t h o v m m d a t e sw 啪m a i n l y m e n t i o n e dt oh a v ee x ce l l e n tl a s e re l u i r a e t e r i s t i e s , e s p e c i a l l yf o rt w on e wc r y s t a l so f l u v o a n dc _ , d v o l dp u m p e dm i e r o e h i pl a s e r s 2 b a s e d 册t h ed i f f e r e n t i a lo fs a t u r a t e di n t e n s i t yi ng a i nm e d i a , t h eo u t p u t c h a r a c t e r i s t i c so fd p s s lw e 他t h e o l - t i e a l l y 锄叫y 矾t h oa n a l y t i c a le x p r e s s i o n so ft h e o u t p u tp o w e r , f l u e s h o i dp u m pp o w e ra n ds l o p ee f f i c i e n c yw e d e r i v e dr e s p e c t i v e l y a v a s tm o u n tn d ：g d v 0 4a n dn d ：l u v 0 4 c r y s t a l sw e 犯t e s t e di nh i g ha n dl o wp m l 瓶l p o w e rt of i n do u tt h eo u t p u ta n di t se l u m g ea f f e c t e db yt h ed i f f e r e n te o n e e n t r a t i o m , l e n g t h , a n dt r a n s m i s s i o n t h ed e p e n d e n c eo fo u t p u tp o w e r0 1 1 1t h el d sc h a n g ea n d m 山东大学硕士学付论文 b i l l | 1_ t h e r m a le f f e c tw e 他i n v e s l i g a t e d a tt h ep u m pp o w e ro f2 w , 1 0 5 wa n d1 0 9 wo u t p u t p o w e rw e l t o b t a i n e d f o rn d ：g d v 0 4a n dn d ：l u v 0 4c r y s t a l s , w i t ht h eo p t i c a l c o n v e r s a t i o nc f t i e i 锄e ya 撑5 6 a n d5 9 t h ee x p e r i m e n t sp r o v e dt h a tt h i sk i n do f m i e r o e h i pl a s e r sc r y s t a l s 鼬e x c e l l e n tc r y s t a lm a t e r i a l s 3 b a s e do nt h eb a s i ce q u a t i o no ni n t r n c a v i t yg a i nn n dl o s so fl de n d - p u m p e d l a s e r , t h ed e p e n d e n c eo fi n t r a c a v i t ys e c o n dh a r m o n i cg e n e r a t i o n ( s h g ) o u t p u t so n c a v i t yp a r a m e t e r s mt h e o r e t i c a ls t u d i e d a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e l l li n t r a e a v i t y s h ( 3p s 啪a n do u t l e tc h a r a e t e f i s t i e s 鸺o b t a i n e d t h eb e s ts h l 3p o w t ，ro fb o t h n d ：g d v 0 4a n dn d ：l u v 0 4 c r y s t a l sw e r et e s t e de x p e r i m e n t a l l y t h eh i g l i e s ts h go u t p u t p o w e ro f t h e mw e i e1 2 6 1 m wa n d1 1 6 2 r o wr e s p e c t i v e l ya t1 0 6 pmw e r eo b t a i n e da t t h ei n c i d e n tp u m pp o w e ro f 2 2 1 w d e p e n d e n c eo f s h go u t l m tp o w e r0 1 1p u m pl n a n n c l r a n dc a v i t y as e r i e so fs y s t e m a t i ci n v e s t i g a t i o n so nl 伽g t l in n de , o n c e n t r n t i o no fl a s e r c r y s t a l sw c r cm a d et of i n do u tt h ei n f l u e n c eo nt h es h go u t t 嚏l tp o w c l oi tw a sp r o v e d t h a tn d ：g d v 0 4a n dn d ：l u v 0 4 t , v e l t eh i 曲c f f i e i e n e yg r e e n m i c r o e h i pl a s e rc r y s t a l s t h eq - s w i t c h e d o u t p u to f n d ：g d v 0 4 n n dn d ：l u v 0 4w i t hd i f f e r e n t 删i o n s a n dl e n g t hv e i 屯t e s t e de x p e r i m e n t a l l y 锄do b t a i n e d 吐蛇佗i 缸蝴n s h i p sb e t w e e nt h e f w h m w i d t h , r e p e t i t i o n , p u l s ep e a kp o w e l r , a v e r a g eo u t p u tp o w c i a n di n c i d e n tp u m p p o w e r t h es h o r t e s tp u l s ew i d t ho f1 2 1 ma n d1 6 i n sw e l r co b t a i n e df o rn d ：l u v 0 4a n d n d ：g d v 0 4 麟 p e e t i v d y 砒t h e p u m p p o w e r o f 2 2 l w i t w 罄l m r o v e d t h a t n d ：l u v 0 4 锄d n d ：g d v 0 4 c a nb ea p p l i e df o rq - s w i t c h e dl a s e r s k e yw o r d s ：n d ：l u v o hn d ：g d v 0 4 , e n dp u m p , m i c a 眦h i ph s e s h g q - s w i t c h e d 第一章绪论 第一章绪论 1 9 6 0 年问世第一台激光器是固体红宝石激光器。4 0 多年来，固体激光器件及 技术获得迅速发展。目前，能产生激光的工作物质达数百种，激光输出的能量和 功率都获得了迅速的增长【l 】传统灯泵浦的固体激光器存在效率低和热效应剧烈等 缺点，从而难以保证获得高效率和很好的稳定性。到二十世纪八十年代中期，激 光二极管的出现，使得固体激光器在高效率、紧凑、稳定、长寿命及全固态方面 得到很大的改善，日益成为激光学科的重要发展方向之一。 1 1 激光二极管泵浦固体激光器 固体激光器主要采用光泵浦，其中最有效的泵浦源是半导体激光器。在过去 的2 0 年中，很多实验使用的n d ：y a g 、钕玻璃和其他钕激光器的泵浦源，大都是 闪光灯；近年来，随着量子阱技术的发展，激光二极管、小型激光二极管阵列或 者发光二极管泵浦的固体激光器数量大大增多。激光二极管( l a s e r d i o d e ，以下简称 l d ) 泵浦固体激光器( d p s s l ) 是用激光二极管代替闪光灯去泵浦固体激光增益介 质的激光器，这种激光技术是尚今后固体激光器发展的方向。 l d 泵浦与灯泵浦固体激光器相比具有很多的优点 2 1 ，表现在：( 1 ) 总体效 率明显提高。由于l d 发射的激光谱线较窄，几乎是单一谱线，因此与发射以单谱 线与连续谱叠加的闪光灯，氙光灯相比，有效光谱比例大大增加，无用的连续谱致 使激光材料产生有害的热效应被明显抑制。此外，l d 发射的高斯型光束和振荡光 可以形成很好的模式匹配，使激光二极管输出的能量可以被有效的耦合到激光晶 体内，提高了泵浦转换效率，同时降低了激光介质的热负荷。( 2 ) 全固化、结构 紧凑、体积小、重量轻。l d 泵浦与灯泵浦固体激光器相比，输出功率和功率稳定 性明显提高。激光棒热致双折射效应可以使激光输出强度在空间和时问上变化增 大，并使波长产生无规则的漂移，当使用l d 作泵浦源时，激光棒的热效应将大大 降低，其稳定性也将得到很大提高，同时l d 本身也具有很好的稳定性。此外， l d 作泵浦源使泵浦系统和冷却系统大大简化。如果采用掺杂浓度相对高的激光晶 体，激光器本身的体积还可以大大减小( 3 ) l d 寿命长、光束质量好。固体激 光器的寿命主要取决于泵浦源的寿命，l d 寿命达十万小时，而灯泵浦仅有数百小 山东大学硕十学位论文 时。此外，l d 泵浦的激光晶体热效应较低，可产生接近衍射极限激光输出。 1 2 激光二极管泵浦固体激光器的发展及历史现状 l d 泵浦的固态激光器早在= 十世纪6 0 年代就有所提及。1 9 6 0 年。r n e w m a n 首先提出了全固态激光器的思想。1 9 6 2 年，第一支g a a s 二极管激光器( l e d ) 问世。1 9 6 4 年，美国m i t 林肯实验室的k e y e s 和q u i s t 首先展示了第一台l d 泵 浦固态激光器。1 9 6 8 年，麦道宇航公司的r o s s 制造了第一台l d 泵浦的n d ：y a g 激光器。但是由于早期l d 本身的缺陷，使全固态激光器未能走向实用随着l d 输出功率的不断提高，二十世纪7 0 年代初，开始了端面泵浦固体激光器的研究。 1 9 7 3 年，r o s e n k r a n t z 首次报道了脉冲工作的l d 端面泵浦n d ：y a g 激光器。1 9 7 5 年c h i n n 等人用l d 侧面泵浦五磷酸钕( n p p ) 成功。受早期l d 使用寿命短的限 制，d p s s l 的发展比较缓慢。二十世纪8 0 年代，随着l d 阈值电流减小，连续或 准连续的功率有了明显提高，波长范围不断扩展，使用寿命也显著延长，成本和 价格下降，使得l d 泵浦固体激光器的工作也上了一个台阶。其高功率输出，腔内 倍频，巨脉冲输出，调q 输出都得到长足进步。二十世纪9 0 年代以后，大功率 l d 的发展以及d p s s l 整体设计上的优化，使大功率d p s s l 的发展突飞猛进，并 实现了商品化。 目前，d p s s l 的研究己成为激光学科发展的重要方向之一，随着大功率的l d 价格的不断下降以及l d 输出功率的不断提高，l d 泵浦固体激光器逐渐成为激光 器发展的主流。 1 3 激光= 极管泵浦的固体激光材料 激光晶体是固体激光器的一种重要的工作物质，它是通过分立的发光中心吸 收光泵浦能量并将其转化成为激光输出的发光材料。与激光玻璃相比，它具有较 低的振荡阈值，较容易实现连续运转等特点。目前l d 泵浦的激光晶体材料中大部 分是稀土激光晶体，即以稀土为激活离子、敏化离子或基质中含稀土成分的激光 晶体。在稀土激光晶体中，由于稀土离子的最外层电子为5 s 2 和5 p z 满壳层结构， 形成很好的电屏蔽作用，使稀土离子4 f 电子的发射基本上保持离子的特征，周围 晶体场的作用较小，发光起源于稀土离子能级间的跃迁，容易辨认。 以稀土离子为激活离子的激光晶体是目前研究的热点，至1 9 8 1 年，3 3 6 种获 2 第一章绪论 得激光输出的晶体中，有3 2 4 种是稀土激光晶体。至1 9 9 1 年，实际使用的5 4 种 激光晶体中，有4 5 种是稀土激光晶体。1 9 9 3 年，国际激光晶体材料市场上作为商 品出售的1 4 种激光晶体中，有1 1 种是稀土激光晶体1 3 1 。 性能优良的固体激光材料应该具有如下几个特点： ( 1 ) 优良的光学均匀性。材料内光学不均匀性会使通过其中的激光波面发 生变形，产生光程差，增大损耗，从而使激光器振荡阈值升高，激光转换效率下 降。要求激光材料内尽量避免杂质颗粒、包裹物、气泡、生长条纹和应力缺陷， 折射率不均匀性尽量小。 ( 2 ) 良好的光谱性能。要求材料在泵浦辐射区有较强的吸收，而在激光辐 射区的吸收尽量弱；要有较强的荧光辐射、高的量子效率、合适的荧光寿命和受 激发射截面等。对于连续激光器，荧光线宽越窄，受激发射截面越大，荧光寿命 越长，光泵浦阈值越低，激光材料转换率越高。对于脉冲和锁模超短脉冲激光器， 则要求材料有较宽的荧光线宽和较长的荧光寿命。 ( 3 ) 合适的激活离子浓度。工作物质中激活离子浓度高时对泵浦能量的吸 收增加，有利于获得很高的反转粒子数密度，提高激光器的效率；但激活离子浓 度过高，会造成晶格扭曲，使晶体质量变坏，虽吸收能量的增加，热效应随之加 强，使激光器效率下降，甚至出现“浓度猝灭”现象。所以，工作物质的激活离 子浓度有一定最佳值，基质不同，最佳激活离子浓度也不相同 ( 4 ) 优良的物理化学和机械性能。即要求材料热膨胀系数小，比热高，热导 率大，光损伤阈值高，机械性能好，化学稳定性好，易于加工等。固体激光器总 体效率一般较低，其光泵浦辐射的大部分能量将转化为热能，尤其在高重复和连 续工作的器件中耗散功率很大，从而使工作物质温度升高，产生一系列的热效应， 使激光性能变坏所以优良的物理化学和机械性能对于高功率激光泵浦下的工作 物质非常重要。 1 4 几种重要的掺钕激光晶体 三价稀土离子的4 f - 4 f 和4 f - 5 d 能级覆盖了从紫外卜o 1 8l lm ) 到红外( - 5 i im ) 的波长。其中应用最广泛的是n d 3 + ，它是最早用于激光器中的三价稀土离子，目 前它仍然是该族中最重要的元素除n d 3 + 以外，其它稀土离子如h o ，1 m 如、e ，、 y b 抖等也是重要的激活离子，它们的辐射波长与n d 3 + 不同。 山东大学硕十学位论文 i i i _ _ _ _ 曼_ 量曼_ _ _ 量皇_ 曹_ 量曼曼皇量曼舅舅_ _ _ 一 表1 1 介绍了几种常用的n d 掺杂的激光晶体及其几种重要激光性能参数： 表1 1 几种常用掺n d 激光晶体的性能参数 荧光寿命 热导率 1 0 6 4 r i m 附近吸收峰 0 8 0 8 峰值 分凝 激光晶体 f 【ps 】( i k )发射的截面线宽 吸收系数系数 【1 0 ”2 l( r i m ) 【c m 4 】 n d ：y a g2 3 01 32 8l _ 3 so 2 1 n d ：w 0 4 9 5盯5 11 0 7 - 3，3 7 0 6 3 f n 矿：1 2 2 a t )石5 2o1 0 0 1 0 n d ：g d v 0 4 1 0 0口1 1 47 6 8 e 5 7 o 7 3 n q d 3 + ：1 5 6 a t )石1 0 1 0 1 6 n d ：l u v 0 4 9 5c r 6 21 4 6 6 9 0 9 l f n d ”：o $ 7 1 a t )万7 9 n d ：y p1 8 0l l 2 4 扣52 8o 8 n d ”：o 7 7 a 彤) ( 1 0 7 9 p 神 n d ：y l f4 8 0 6 盯i 2 7 0 ，f 1 8 石i 5 n d ：s 、0 p2 3 01 75 o81 0 7 l n d ：s f a p 1 9 02 o5 41 6 n d ：g s g g2 8 l6 03 10 6 5 n d ：c a 5 ( p 0 4 ) f 2 4 0o r l 751 60 5 2 胞0 n d ：k g w 1 1 03 83 3 1 3 5 ( 6 8 n d ：c a w 0 4 1 8 0 4 02 6 8 0 5 4 n d l s b1 1 8i 33 ( 1 ) n d ：y a g ：是目前最成熟的固体激光材料，作为基准，其他激光材料的 评价一般都与n d ：y a g 进行比较。n d ：y a g 属立方结构，其绝大多数光学性质为各 向同性；它具有荧光线窄，增益高，阈值低、机械强度高、导热性好、光学质量 良好等优点。它目前仍是最好的高平均功率d p s s l 激光晶体，也是目前文献报道 最多、发展最成熟的一类d p s s l 器件。 ( 2 ) n d ：y v 0 4 ：与n d ：y a g 相比，n d ：y v 0 4 具有许多独特的优点，在l d 泵 浦的众多激光晶体中，它是n d ：y a g 的有力竞争者，目前也已商业化。n d ：y v 0 4 是 锆英石型结构，属四方晶系是单轴晶系。其7 t 偏振( e c ) 和口偏振饵上c ) 的光谱 特性具有明显差异，其最强吸收和最强辐射都发生在7 偏振取向。 n d ：y v 0 4 可以允许比n d ：y a g 掺入更多的n d 离子而不发生浓度猝灭效应， 在8 0 8 r i m 附近的吸收系数能够达到n d ：y a g 的3 1 5 倍，从而使得所需激光晶体的 长度大大缩短，这有利于d p s s l 向小型化发展。利用n d ：y v 0 4 高吸收特点制成的 微片激光器，很容易获得高功率单频激光器输 4 1 。 4 第一帝绪论 n d ：y v 0 4 还具有非常宽的吸收带宽，这意味着在泵浦过程中不需要严格控 制l d 的发射波长，从而可以大大降低了对l d 控温的要求。n d ：y v 0 4 晶体在t 0 6 i im 和1 3 4 “m 波长处都具有较大的受激发射截面。n d ：y v 0 4 主要缺点是热导率 低，具有较为完善的解理面，机械性能也不如n d ：y a g 好，这些缺点限制了它在 高功率下的应用，但在中小功率d p s s l 中，n d ：y v 0 4 仍显示出比n d ：y a g 具有更 优越的特性。 ( 3 ) n d ：g d v 0 4 ：g d v 0 4 是一种与y v 0 4 同结构的基质晶体材料，n d ：g d v 0 4 晶体是由俄罗斯和德国科学家1 9 9 2 年发明的l d 泵浦用激光晶体材料。大量实验 研究表明n d ：g d v 0 4 也是一种高效l d 泵浦激光材料 5 - 8 1 。 1 9 9 5 年，俄罗斯和日本科学家合作生长出大块n d ：g d v 0 4 单晶，此后该晶体 较详细的研究广泛展开。多年来，山东大学晶体材料所对n d ：g d v 0 4 和n d ：y v 0 4 的晶体生长和测试做了大量的工作，获得了很多突破性进展。n d ：g d v 0 4 具有与 n d ：y v 0 4 相似的激光性能，在8 0 8 r i m 波长附近吸收峰半宽略高于n d ：y a g ；吸收 截面约为n d ：y v 0 4 的2 倍，是n d ：y a g 的7 倍多。n d ：g d v 0 4 在1 0 6 l l m 的发射 截面比n d ：y a g 要大，在1 3 4pm 的发射截面也高于n d ：y a g ，特别是其沿( 1 1 0 ) 方向的热导率远高于n d ：y v 0 4 ，与n d ：y a g 热导率相当。它可以实现高浓度掺杂 而不出现发光浓度淬灭，大的分凝系数使生长光学质量均匀的晶体相对容易。这 些优点使n d ：g d v 0 4 成为l d 泵浦激光器和高功率激光器的理想工作物质，近年来 引起了人们极大的研究兴趣睁”1 ( 4 ) n d ：l u v o ：n d ：l u v 0 4 是法国科学家首先利用自发成核生长获得的， 2 0 0 2 年，c m a u n i c r 报道了这种优异的新型激光晶体材料”4 1 ，它的晶体结构与y v 0 4 和g d v 0 4 相同，具有与n d ：g d v 0 4 相似的激光性能。同年，采用连续砸：蓝宝石激 光器泵浦n d ：l u v 0 4 晶体，得到的最大输出功率为8 0 m 眦泵浦阈值为3 0 mw ，斜 效率高达6 0 - 6 6 。山大晶体所不但生长了质量和尺寸均可以和n d ：y v 0 4 晶体相 媲美的优质n d ：l u v 0 4 晶体( 1 6 x 2 0 2 1 m m 3 ) ，而且报道了该晶体采用大功率二 极管激光器在1 0 6 5 r i m 处的连续和脉冲激光性能f 1 5 】n d ：l u v 0 4 在( 1 0 0 ) 和( o o i ) 方向的热导率均高于n d ：y v 0 4 ，而比n d ：g d v 0 4 的热导率低【1 “。n d ：l u v 0 4 最突出 的优点就是有较大的吸收系数。 ( 5 ) n d ：y a p ( n d ：y a l 0 3 ) ：n d ：y a p 属斜方晶系，具有各项异性的光谱特 征，输出偏振激光；荧光带宽比n d ：y a g 稍宽；在1 3 4um 处的受激发射截面 s 山东大学硕十学付论文 是n d ：y a g 的2 4 倍：是一种具有潜在优势的激光晶体。但是作为n d + 的基质， 物理和化学性能不如y a g 好。该晶体在生长方面的困难使得难以得到高质量的晶 体，此外由于热透镜效应，限制了推广和应用。 ( 6 ) 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，分别在! 0 5 3 p m 和1 0 4 7 i l m 。对于偏振光，1 0 4 7 1 1 m 跃迁的增 益系数是1 0 5 3 | im 跃迁的l l 倍；而对于。偏振光，1 0 5 3 1 1m 跃迁的增益系数是 1 0 4 7 pm 跃迁的2 倍。其偏振1 0 4 7 “i l l 跃迁的增益截面1 5 倍于o 偏振1 0 5 3 i m 跃迁，因而1 0 4 7i im 具有较高增益，也可通过腔内偏光镜选择两种波长之一。 偏振光的输出，相对于n d ：y a g 降低了热致双折射的影响。另外，n d ：y l f 的荧光 线宽是n d ：y a g 的3 倍，有助于产生超短脉冲；n d ：y l f 的荧光寿命是n d ：y a g 的 2 倍，能有效地储能，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2 倍。但n d ：y l f 的热导率只是n d ：y a g 的一半，机械性能也不如n d ：y a g 好，不 能在高平均功率下运转。 ( 7 ) n d ：s v a p 和n d ：s f a p ( n d ：s r s ( v 0 4 ) 3 f 和n d ：s r s ( p 0 4 ) 3 f ) ：它们是n d 掺杂磷石灰结构激光晶体中的优秀者，属六方晶系，单轴晶体，具有偏振光谱各 项异性特征；在1 0 6 处的受激发射截面和荧光寿命都很高，泵浦阈值较低，对连 续运转和调q 运转都很合适，激光性能优越：在1 3 2 pm 处，它们的增益系数比 表1 1 中的其他晶体都高，是1 3 2pm d p s s l 的理想激光晶体。它们的最大缺点 是热导率低，容易出现多畴，易开裂。机械性能差。但由于易生长、成本低，非 常适用于低阈值、小功率、高功率的d p s s l 器件。 ( 8 ) n d ：g s g g ：k a m i n s k i i 等首次报道了n d ：g s g g 。采用提拉法生长出 光学均匀性好的无核心g s g g 。其特殊优越性在于：激光效率高，n d ，c r ：g s g g 是 同等条件下n d ：y a g 的激光效率的2 4 倍；n d ，c r ：g s g g 晶体具有比y a g 高的抗 辐射性能和高的损伤阈值。但其热导率是n d ：y a g 的6 0 ，高的温度梯度产生的 热透镜效应是n d ：y a g 的4 5 倍；另一个问题是s t 2 0 3 昂贵，使其在市场上尚不能 和n d ：y a g 竞争。 另外，n d ：c a s ( p 0 4 ) f 、n d ：k g w 、n d ：c a w 0 4 和n d ：l s b 等晶体都显示了良 好的激光性能。并实现了l d 泵浦的激光运转【”2 0 。 从表1 1 可以看出钒酸盐系列激光晶体( n d ：y v 0 4 、n d ：g d v 0 4 以及 n d ：l u v 0 4 ) 与各类激光晶体比较具有突出的性能优势它们在8 0 8 n m 附近的吸收 6 第一帝绪论 截面很大，吸收峰带宽很宽，泵浦效率很大，而且在1 0 6 um 波长附近的发射截 面也明显优于其它的各种晶体。此外，它们的分凝系数也比其他晶体要大，这意 味它们可以掺杂更高浓度的n d 3 + 离子而不会发生浓度猝灭。n d ：y v 0 4 的热导率和 机械性能虽有点弱，但在中小功率d p s s l 中具有更优越的特性。n d ：g d v o , , 不论 在吸收截面、吸收峰带宽、荧光寿命以及分凝系数方面都比n d ：y v 0 4 高得多，尤 其是热导率是n d ：y v 0 4 的两倍，从而在高功率泵浦固体激光器领域具有更好的应 用前景。n d ：l u v 0 4 激光晶体在晶格常数、密度、比热、热膨胀系数等方面都和 n d ：y v 0 4 及n d ：g d v 0 4 相差不多。在三种晶体中比较突出的是n d ：l u v 0 4 晶体，该 晶体在1 0 6 4 n m 附近具有最高的受激发射截面，而且其在8 0 8 n m 附近的吸收截面 也是三者中最大的。此外n d ：l u v 0 4 具有和n d ：g d v 0 4 接近的比热，这有可能使得 其也具有较高的破坏阈值【2 l 】 三种钒酸盐晶体之所以具有优异的激光性能皆源于它们在能级结构和化学 稳定性方面的独特结构和性质。由于y ，+ ，l u ”，g d ”的4 f 壳层电子在三价稀土 离子中分别处于满壳层和半满壳层的状态，受到5 s 和5 p 外层电子的良好屏蔽作用， 所以4 f 电子受晶场干扰很小，能级劈裂小，使得基质晶体对红外，可见及近紫外 光区波段基本没有吸收，而且对上能级4 f 3 ，：也没有激发态吸收和共振弛豫振荡。 从数值上来看，在所有4 f 壳层对应的三价稀土离子中，只有在2 0 0 n m 波长以上。 无吸收的封闭壳层电子结构的s 一、y 3 + ，l a 3 + 和l u ，+ 才适合做基质成分，g d ”壳 层是半满的，在2 7 5 n m 波长以上无吸收，也可作为基质成分，而其他4 f 壳层对应 的三价稀土离子在可见光区存在着丰富的能级，对红外及可见光区有着较大的吸 收，严重影响激光晶体的泵浦效率并对晶体造成热负担。从化学稳定性方面考虑， 在4 f 壳层对应的三价稀土离子中，只有y ”，l u w ，g d _ - _ - - 种有唯一的化合价，这 样形成的基质晶体不但结构单一完整而且激光性能很稳定。而其他离子具有多种 化合价态，形成的基质晶体具有多种结构，性能不稳定，晶体质量差。 d p s s l 的发展与相应新晶体的探索密切相关。目前d p s s l 的进展已发现现有 最实用的激光晶体n d ：y a g 的性能不足，特别是n d ：y a g 的窄泵浦吸收带宽、较 低的泵浦吸收截面限制了它在d p s s l 中特别是l d 泵浦微片激光器中的应用。掺 钕钒酸盐晶体是顺应d p s s l 发展而开发的新型激光晶体材料。l u v 0 4 和g d v 0 4 两种新型激光晶体不仅有宽吸收带和高吸收截面，而且其热导率在目前发现的钒 酸盐中最高，大致可与n d ：y a g 相比拟，同时它们还有比n d ：y a g 高得多的增益 7 山东大学硕十学竹论文 截面，能均匀的掺入较高浓度的钕离子，因而引起人们的特别关注。 1 5 激光二极管泵浦微片激光器 自从2 0 世纪8 0 年代末，美国麻省理工学院( m i t ) z a y h o w s k i 教授制作了第一 台半导体激光器抽运微晶片固体激光器以来，微片激光器由于体积小、重量轻、 转换效率高、寿命长等优点随即成为激光应用器件中倍受关注的研究领域，固体 激光器的微型化开始进入了实质性的阶段。它的运转方式有脉冲、连续及单频运 转，输出激光脉冲宽度从长脉冲，几个纳秒到皮秒量级，在高密度光存储、高密 度光学测量、光谱研究、激光雷达、空间光通讯、激光测距、海底通讯、化学成 份分析、医用仪器等方面已显示出潜在的应用前景。近年来，微型固体激光器逐 渐向多功能综合型和微片型发展，l d 抽运的自调q 的c r ：n d ：y a g ，c r ：y b ：y a g 激光器【捌和n d ：y c o b ，y b ：g d c o b 自倍频激光器以及c r ：y a g 、n d ：y a g 采用 “液相外延”的方法形成的微片激光器1 2 4 都是非常典型的例子。 目前，微片激光器的构成主要是两部分：一个是激光二极管构成的泵浦激光 源，另一个是由晶体微片构成的谐振腔。微片激光器按谐振腔的不同又可以分为 两种类型瞄l ：第一种称之为传统腔型，它由一个镀有对出射激光的全反膜的薄晶 体微片和一个球面输出镜组成，因此这种也被成为平凹腔型微片激光器。其腔模 半径由输出镜曲率和腔的光学长度共同决定，这样易形成稳定的输出模，并有高 的光光转换效率。第二种是在晶体微片的两个平面镀膜以构成谐振腔。两平面上 分别镀有对特定波长起适当作用的多色薄膜，薄膜中的任一单色薄膜对特定波长 起适当作用；此薄膜可以由镀一种材料或两种材料以上的几层甚至几十层薄膜组 成，一般情况是在泵浦端镀有对发射激光波长的全反膜和对泵浦光的增透膜，另 一端镀有对发射激光的部分透射膜，构成激光的输出端。其优点是结构紧凑、全 固化，体积小，但它对晶片质量要求较高，且不易进行输出模控制。微片激光器 设计合理，能耗低、寿命长、安全可靠性好，能实现大批量生