（光学专业论文）830nm红外激光扫描曝光系统的研制.pdf

摘要 摘要 本文主要介绍了针对校际科研合作项目研制用于c t p 印刷版材性能 评价的红外激光扫描曝光系统所做的一些工作。 课题研制了一套由电脑控制的全固态红外激光扫描曝光系统，由全固 态8 3 0 n m 激光器和控制系统两部分组成。激光器为8 3 0 n m 全固态钛宝石激 光器，配有必要的导光聚焦装置包括反射镜和聚焦透镜；控制系统由电脑、 驱动装置及三维移动平台组成。控制系统由电脑程序通过控制三维移动平 台的运动实现c t p 版材定位移动，以及由电脑程序精确控制曝光时间或者 曝光所用激光脉冲个数，可以精确到利用一个激光脉冲来实现曝光。 该系统的研制基于全固态钛宝石激光器的研究，主要进行了以下的理 论和实验研究工作： 1 高功率l d 侧泵准连续内腔倍频n d ：y a g 激光器的研制。通过内腔倍频 激光器的基本理论和谐振腔设计，实现激光器高转换效率、高光束质量和 高稳定性运转。激光器电源电流2 9 5 a 、重复频率9 4 k 时，5 3 2 n m 绿光的 最大输出功率为3 9 8 w ，1 0 6 4 n m 到5 3 2 n m 的倍频效率为5 3 1 。 2 准连续全固态钛宝石激光器的研制。将准连续全固态内腔倍频n d ：y a g 激光器作为泵浦源，泵浦t i ：s a p p h i r e 激光器，通过单棱镜分光，并调节输 出镜角度得到8 3 0 n m 激光输出。激光器电源电流1 3 0 a 、重复频率3 9 k 时， 输出激光的横截面光斑光强分布与高斯函数的匹配度均大于9 7 ，并且 8 3 0 n m 最大输出功率为4 3 5 m w 。 3 扫描曝光控制系统的研究。通过控制调q 的状态来实现激光的出光和 关光，电光延时比通过控制激光器电源开关时产生的电光延时更加短暂更 加有规律，最终实现了精确控制扫描曝光时间的目的，具体实施时可以实 现单脉冲曝光和设定脉冲个数进行曝光。将曝光版材固定于三维移动平台， 实现了二维图像的扫描曝光。 关键词全固态；钛宝石激光器；近高斯分布；圆光斑；曝光时间控制 a b s t r a e 下 懋寡曼崮i i l l i l l i l l ! 曼曼皇意麓曼 a b s t r a c t t h ej o bd i s c u s s e di n t h i st h e s i sh a sb e e nd o n ef o rt h ec o o p e r a t i v ei t e m s r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t f o ra s u i to f i n f r a r e dl a s e rs c a na n d e x p o s a ts y s t e m 似纺t i ：s a p p h i r e w eh a v es u c c e s s f u l l yd e v d o p e das u i to fi n f r a r e dl a s e rs c a na n de x p o s a l s y s t e m , w h i c hc o n t a i n sas e to fl a s e ra n di t sc o n t r o ls e s t e r m 。t h i sl a s e ri s a l l s o l i dt i ：s a p p h i r el a s e rs y s t e m ，a n dn e c e s s a r yo p t i c a la c c e s s o r y , i n c l u d i n g m i r r o r sm a dl e n s t h ec o n t r o ls e s t e mc o m a i n sc o m p u t e r , d r i v e r sa n d t h r e e - d i m e n s i o n a lm o t i o np l a t f o r m 。t h ec t pp r i n t i n gp l a t ei ss e n t t ot h e a p p o i n t e dp o s i t i o nb yc o m p u t e rp r o g r a mt oe x p o s a l t h ee x p o s a lt i m eo rt h e n u m b e ro fp u l s ec o u l db ea c c u r a t e l yc o n t r o l l e db yc o m p u t e rp r o g r a m w h a t s m o r ew ec a l lr e a l i z es i g l ep u l s ee x p o s a l t h i si t e mi sb a s e do nt h er e s e a r c ho fa l l - s o l i dt i ：s a p p h i r el a s e rs y s t e ma n d t h em a i nw o r ki nt h 。i st h e s i sa r es h o w na sb e l o w ： i s t u d yo nh i 曲p o w e rq c w , i n t r a 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 l a s e rp u m p e db yl d d i s c u s so nt h eb a s i cp r i n c i p l e so ft h ed e s i g no fo s c i l l a t e c a v i t y a c h i e v et h eo p e r a t i o nw i t hh i 盐c o n v e r s i o ne f f i c i e n c yh i 咎l i g h tq u a l i t y a n dh i g hs t a b i l i t y w h e nt h ec u r r e n ti s2 9 5 a ，a n df r e q u e n c yi s9 4 k , t h em a x o u p u ti s3 9 。8 w a n dt h ee f f i c i e n c yc h a n g i n gf r o m10 6 4 t 0 5 3 2i s5 3 重 i i 。s t u d yo nq c wt i ：s a p p h i r ei n f r a r e dl a s e rs y s t e m a p p l y i n ga l l s o l i d - s t a t e , q c w ，i n t r a c a v i t yf r e q u e n c y - d o u b l e dn d ：y a gl a s e ra st h ep u m p s o u r c e , a n das i n g l ep r i s mw ea c h i e v e d8 3 0s i nl a s e ro u t p u t w h e nt h ep o w e r c u r r e n ti s1 3 0 a , f r e q u e n c y3 9 k , i t ss h a p ei sf a c u l a r , a n dt h em a t c h i n go f i t s i n t e n s i t yd i s t r i b u t i o n 晰t ht h eg a u s sf u n c t i o ni sh i g h e rt h a n0 9 7 w eg e tt h em a x o u t p u to f 8 3 0 , 4 3 5 m w , w h e nt h ep o w e rc u r r e n ti s1 4 。0 a ，a n df f e q u e n c y i s3 9 k 。 i i i s t u d yo nt h ec o n t r o lu n i tt oa c h i e v et h ea i mo fa c c u r a t e l yc o n t r o lt i m e o fe x p o s u r e w ea c h i e v et h ea i mo fo n o f fo fl a s e rb e a mb yc o n t r o lo ft h e q - s w i t c h ，t h ep r e c i s i o no ft h i sm e t h o di sm o r ep r e c i s et h a nt h ec o n t r o lo fl a s e r p o w e r a n da tl a s t ，w er e a l i z e dt h es e to fn u m b e ro fp u l s ef o re x p o s u r e a n d w h a t sm o r e , w er e a l i z e dt h ee x p l o s a lo ft w ot h r e e - d i m e n s i o n a li m a g e sb y c o n t r o lt h em o t i o np l a t f o r mt h o u g hc o m p u t e rp r o g r a m 。 k e y v 铲o r d sa l l s o l i d - s t a t e ；t i ：s a p p h i r el a s e r ；a p p r o x i m a t ec i r c u l a rg a u s s d i s t r i b u t i o n ；t i m ec o n t r o lo fe x p o s u r e * i l 孓 独创性声明 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，也不包含为获得北京工业大 学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。 关于论文使用授权的说明 叶 本人完全了解北京工业大学有关保留、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：蚴翩签名：茹至吼丝盟列尹 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 国内外钛宝石激光器研究进展概述 钛宝石作为实用词，“可调谐激光器”几乎与钛宝石激光器是同义词。 掺钛蓝宝石( t i ：a 1 2 0 3 ) 晶体是8 0 年代初期发展起来的新型可调谐激光晶 体，加拿大c a r l e t o n 大学的b e c a c h t e r 和j a k o n i n g s t e i n 对t i ”：a 1 2 0 3 荧 光光谱的测定结果表明，t i 3 + ：舢2 0 3 的能级结构与d e m c c t u n b e r 的理论模 型一致【，并用“四能级系统”模型描述钛宝石作为激光介质的动力学行 为，为钛宝石激光器的研制奠定理论基础。 钛宝石激光器具有结构简单、调谐范围宽( 6 6 0 1 2 0 0 m n ) 、转换效率高、 运转方便以及可用多种不同波长光源泵浦等许多突出优点，在激光光谱、 激光化学、激光遥感、激光雷达、非线性光学、大气光学等方面有着广泛 的应用前景。钛宝石激光器是迄今为止输出光谱在红外和近红外波段调谐 范围最宽的固体激光器之一，若辅之以非线性光学频率变换技术，还可大 大扩展其输出光谱范围，使其特点更突出，性能更优越【2 】。随着钛宝石晶 体生长技术的不断完善，钛宝石激光器的发展具备了必要条件。第一台钛 宝石激光器于1 9 8 2 年问世，1 9 8 6 年实现了室温下运转。目前，钛宝石激光 器己实现连续、准连续、脉冲、锁模运转，对其研究领域现己涉及到钛宝 石激光器研究的各个方面。 1 1 1 脉冲可调谐钛宝石激光器 第一台钛宝石激光器是由染料激光泵浦的脉冲钛宝石激光器，当时在 液氮温度下单脉冲能量仅为l m j 。1 9 8 6 年，p e m o u l t o n 以倍频q 开关 n d ：y a g 激光作泵浦源，得到了9 m j 、重复频率1 0 h z 的激光输出，很快， 能量提高到8 0 m j 。此后1 1 s 级的钛宝石激光技术就有些止步不前了，直到 1 9 9 0 年，g a r i n e s 等人用倍频q 开关n d ：y a g 激光作泵浦源，采用非稳 腔技术和镀制特殊膜片( 如高斯膜等) ，将单脉冲输出能量提高到4 3 0 m j ，脉 宽1 0 n s ，重复频率1 0 h z ，能量转换效率为4 3 ，峰值功率达4 3 m w ，该指 标到到目前为止，为同类激光器的最高技术指标p j 。1 9 9 3 年e e s t a b l e 等人 用倍频n d ：y a g 激光双向泵浦，得到的钛宝石激光输出能量达1 5 0 m j ，能 量转换效率为5 0 。1 9 9 6 年，s w a d a 等人采用电控调谐方式，声光调谐滤 光片作为调谐元件，得到2 0 n s ，6 m j 的可调谐激光输出，调谐宽度为1 2 n m ， 北京下业大学理学硕l ：学位论文 插入一块棱镜后，调谐宽度扩大到1 0 0 n m 。 国内安徽光机所于1 9 8 7 年首次实现脉冲钛宝石激光器运转，采用倍频 n d ：y a g 激光泵浦，获得了6 7 7 n m 9 8 4 n m 、单脉冲能量5 m j 的输出。电子 部十一所采用双向泵浦方式，输出达到1 5 7 m j ，能量转换效率约为5 0 。 1 9 9 4 年，物理所张裕飞等人获得了6 8 0 n m - 9 1 3 n m ，2 3 m j 、线宽小于0 0 1 n m 的窄线宽输出。1 9 9 5 年，吴路生等人采用双向泵浦方式，用三块z f 3 棱镜 加一5 m m 厚的f b ，得到8 8 m j ，0 0 0 3 n m 窄线宽输出，效率达3 8 5 。2 0 0 2 年，北京理工大学刘宏发等人用闪光灯泵浦，色散棱镜谐振腔调q 运转获 得了激光脉宽3 l n s 、能量2 7 0 m j 的结果。 1 1 2 连续可调谐钛宝石激光器 最早的连续钛宝石激光器室温下运转是在1 9 8 6 年，其输出功率仅几个 毫瓦。1 9 8 9 年，a j a l f i e y 等人用2 0 w 全线时激光泵浦，输出功率达到 5 8 w 。其后，i lb a s s 等人用两台a r + 激光器同时泵浦( 泵浦光总功率为 5 4 w ) ，室温下获得了1 5 w 的钛宝石激光输出，在2 5 0 0 c 时，激光输出功 率达1 7 w 。 除了提高输出功率外，扩大调谐范围、压缩线宽、稳频以及提高光束 质量也是钛宝石激光器的重要研究方向。由于采用激光会聚纵向泵浦很容 易实现单横模运转，1 9 8 8 年p a s c h u l z 在四镜环形腔中插入光学单向器和 标准具，实现了单频行波运转，频率稳定性为2 m h z ，线宽7 5 m h z 。美国 宇航局l a n g l e y 中心采用种子注入法，将线宽压窄至0 0 0 1 n m 。 国内对连续钛宝石激光器也有一定研究。1 9 9 4 年，中国科学技术大学 的孙晓泉等人采用z 型腔，用a ，激光泵浦连续钛宝石激光器，在泵浦功 率为1 0 5 w 时获得1 5 5 m w 的输出，1 9 9 5 年，山西大学的王军民等人采用 四镜环形腔，得到了1 8 3 m w ，频率稳定性优于6 1 0 k h z 的稳频输出。长春 光机所的邵中兴等人用a ，激光泵浦连续钛宝石激光器获得0 5 w 的单频输 出，线宽小于2 0 m h z ，调谐范围7 4 0 n m 9 3 0 n m 。 1 1 3 准连续可调谐钛宝石激光器 1 9 8 6 ，e a l b e r s 等人对激光斩波后泵浦钛宝石激光器，获得了l o m w 的 准连续钛宝石激光输出。此后，人们又分别用准连续倍频n d ：y a g 激光， 铜蒸汽激光作为泵浦源，获得了几百m w 、1 - 6k h z 的输出。在国外更多的 是采用铜蒸汽激光作为泵浦源，前苏联的s g b a r t o s c h e v i e h 等人1 9 9 2 年获 得功率为2 6 w 、线宽2 p m 的准连续钛宝石激光【4 】，日本的k t a k e h i s a 到 第1 币绪论 3 0 2 w 的输出功率( 5 k h z ) 。 国内有关准连续钛宝石激光器的研究则主要是采用准连续泵浦 n d ：y a g 激光( 5 3 2 n m ) 作为泵浦源，并达到了更高的技术指标。1 9 9 4 年，天 津大学李世忱教授领导的课题组输出功率达到7 7 1 w 。1 9 9 9 年，王立新等 人以声光调q 内腔倍频n d ：y a g 激光泵浦钛宝石激光器，在泵浦光平均功 率为7 w 时，获得实现7 2 0 n m 8 2 0 n m 波长 1 1 4 锁模可调谐钛宝石激光器 近年来，钛宝石激光器研究中发展最快、最具吸引力的课题是超短脉 冲技术。由于钛宝石晶体的荧光光谱很宽，如果纵模全部锁定，无须采用 另外的脉宽压缩技术，理论上可以产生3f s 以下的超短脉冲输出，这是以 往任何其它激光器无法比拟的。目前采用的锁模技术有很多种，如主动锁 模、被动锁模、同步泵浦锁模、种子注入、辅助腔锁模、自锁模等等。 最先实现的是主动锁模，脉宽为几百飞秒。1 9 9 1 年，p f c u r l e y 主持的 科研小组获得了1 5 0 f s 、6 0 0 m w 的声光调制主动锁模，调谐范围为 7 8 0 8 6 0 n m 。 1 9 9 6 年，a s u l l i b a m 等人采用啁啾脉冲放大技术，用n d ：y a g 和n d ：g l a s s 多次泵浦钛宝石放大得到8 0 0 n m 、1 2 0 f s 、1 1 j 、1 2 t w 的超短脉冲输出。 被动锁模是利用染料作为可饱和吸收体实现锁模，获得的脉宽为p s 级， 经棱镜光栅压缩后可压窄至5 0f s 。 碰撞脉冲锁模( c p m ) 是另一种被动锁模方法，可产生数p s 的脉宽，插 入棱镜对其进行色散控制时，得到4 7 fs 的锁模脉冲。 同步泵浦锁模是一种传统技术，可获得的锁模平均脉宽为几十f s ，种 子注入法锁模可获得超短脉冲的大能量输出，有文献报道【3 8 】，采用锁模染 料激光器作种子注入钛宝石晶体，并经钛宝石放大器三级放大后，能量达 6 0 m j 脉冲，脉宽1 2 5 f s ( 相当于0 5 ”) ，且光束质量好。后来又有用种子注 入法获得5 0 t w 激光输出的报道。 自锁模是获得超短脉冲简单实用的方法，也是目前人们最感兴趣的方 法和研究成果最多的领域之一。1 9 9 1 年，d e s p e n c e 首次报道了该方法， 当时脉宽为6 0f s 。此后几年内该技术得到飞速发展，脉宽可减d , n2 0f s 以下，1 9 9 3 年初，m t a s a k i 等人通过补偿三阶色散获得了1 0 9 f s 的脉冲， 谱宽f w h m 为6 1 8 n m ，5 w 泵浦下输出平均功率为5 0 0 m w 。 国内对钛宝石激光器锁模的研究主要集中在自锁模领域。天津大学的 戴建明等人得到过几十f s 的输出；中山大学的魏致义得到2 6 f s 的超短脉冲； 西安光机所的王水才等人【4 5 】得到4 8f s 的自锁模输出，平均功率7 0 m w ； 3 北京t , _ l k 大学理学硕i ：学位论文 上海光机所的张影华等人【4 6 得到5 3f s ，2 0 0 r o w 的自锁模输出，徐冰等人 1 9 9 6 年得到小于2 06 的自锁模脉冲。2 0 0 5 年，令维军等人结合特殊的谐 振腔设计和半导体可饱和吸收镜，建成了一台低阈值的自启动掺钛宝石激 光器分别用3 和1 2 的输出耦合镜，获得了阈值低至3 9 0 m w 和6 0 0 r o w 的稳定锁模脉冲输出采用1 2 输出耦合镜，在1 2 w 抽运时，输出平均功 率为1 1 4 m w ，对应的典型脉宽为1 7 f s ，谱宽为4 7 r i m 。 1 9 9 5 年，山西大学的王军民等人采用四镜环形腔，得到了1 8 3 m w ，频 率稳定性优于6 1 0 k h z 的稳频输出。长春光机所的邵中兴等人用激光泵 浦连续钛宝石激光器获得0 5 w 的单频输出，线宽小于2 0 m h z ，调谐范围 7 4 0 n m 9 3 0 n m 。 1 1 5 全固态可调谐钛宝石激光器 随着半导体技术的迅猛发展，以激光二极管泵浦的固体激光器为泵浦 源的准连续全固态钛宝石激光器以其宽调谐、高功率、高光束质量、高效 率、体积小、重量轻低等特点成为迄今为止最优异的可调谐激光器。 全固态钛宝石激光器一般用半导体阵列泵浦n d ：y a g 或n d ：y l f 产生 1 0 6 4 n m 激光，倍频后泵浦钛宝石激光器。国际上首次报道全固态钛宝石激 光器的是1 9 9 0 年，g t m a k e r 等人，他们用1 w 的激光二极管泵浦调频锁 模和调q 的n d ：y l f 激光器倍频后作泵浦源，输出单脉冲能量1 3 l aj ，脉 宽4 0 0 n s ，峰值功率3 w ，在7 4 6 8 3 8 n m 内可调，不久，又将峰值功率提高 至3 0 w ，调谐范围扩展到7 0 5 r i m 9 5 5 n m 5 1 。1 9 9 1 年，t r s t e e l e 等人报道了 一台调谐范围宽6 9 6 - 1 0 0 n m ，输出能量高( 7 9 6 n m 处7 2 0 1 1j ) 、脉宽窄( i n s ) 的用激光二级光泵浦的倍频电光q 开关n d ：y a g 作泵浦源的全固态钛宝石 激光器【6 】。 2 0 0 3 年，西安光机所的程光华等人用半导体激光器抽运的调qy l f 倍 频激光器抽运掺钛蓝宝石激光器，用l b o 晶体在腔内产生二次谐波，在平 均功率为3 6 w ，波长为5 2 7 n m 的抽运光下得到4 1 0 m w ，4 1 7 n m 的蓝光。 2 0 0 5 年，国内天津大学的邹雷，丁欣等人以激光二极管阵列( l d a ) 抽 运n d ：y a g 内腔倍频激光器作为抽运源，选择7 5 0 8 5 0n n l 宽带膜片组， 钛宝石输出镜的透过率分别为t - 5 、1 0 和1 5 当5 3 2n m 的抽运光为 2 7w 时，得到了6w 输出功率及2 2 2 的转换效率。 2 0 0 5 年，石朝辉等人以激光二极管抽运n d ：y a g 晶体的倍频激光器 为抽运源，实现了高平均功率准连续运转的全固态宽调谐掺钛蓝宝石( 髓： s a p p h i r e ) 激光器。自由运转时，在抽运光功率为1 6w ，透过率为3 0 时， 获得了最高6 4 4w 的掺钛蓝宝石激光输出，相应光光转换效率大于4 0 。 第1 章绪论 采用石英布氏棱镜对作腔内色散元件，通过调节输出镜获得了调谐范围 7 4 0 8 8 0 n m ，线宽约la m 的宽波段输出。在抽运光功率为1 1 5w 时，最高 输出功率为2 8 7w ，相应的光光转换效率为2 5 。 2 0 0 6 年6 月，哈尔滨工业大学杨旭东等人利用n d ：y a g 的倍频输出 5 3 2 n m 作为泵浦光源，对采用平平腔型的掺钛蓝宝石激光器进行纵向泵 浦，在输出镜透过率为4 5 ，最大泵浦能量为4 7 0 m j 的条件下，获得了调 谐范围为7 6 1 8 4 3 n m ，最大单脉冲能量为9 5 m j ，线宽为l n m ，获得最大斜 率效率为1 8 3 ，最大绝对效率为3 2 1 的激光输出。 1 2 课题背景及意义 本课题为与北京印刷学院的合作研发项目，项目总体是研制一套激光 扫描曝光系统，即一套8 3 0 纳米红外激光扫描曝光系统。 c t p 乃英文“c o m p u t e r t op r i n t 的缩写形式，即计算机直接制版技术， 将计算机系统中的数字页面通过独立于印刷机的成像设备( e p 直接制版机) 直接成像到印版，实现了印前操作的完全数字化，是印前技术的一次飞跃。 c t p 系统减少了传统印刷中的照排出胶片、拼版和晒版等工序，因此和传 统印刷技术相比具有速度快、效率高、分辨力高、印刷质量好、制版灵活 和节约成本等优点。c t p 技术在国外推广和发展非常迅速，在国内也正蓬 勃发展，是印刷行业的必然趋势。 制版设备和成像版材是c t p 技术的两个不可或缺的基本要素。而制版 设备中扫描所用的激光器是其核心部分，它对印刷的速度和质量起决定性 作用。在成像版材的研制开发过程中也需要相应波长的激光器对材料进行 感光处理，所以，激光器技术的发展直接影响c q p 技术的发展。目前，在 c t p 技术中使用的光源主要有红外激光( n d ：y a g l 0 6 4 n m 和l d8 3 0 n m ) 、红 光l d ( 6 3 5 n m ) 、倍频n dy a g 绿激光- 器( 5 3 2 n m ) 和紫激光器( 4 0 0 - 4 1 0 n m ) 等。 其中，l d8 3 0 n m 激光器输出光束质量差，不适合用作版材研发，理想的 热敏版材研发用8 3 0 n m 激光器，输出激光为高斯分布圆光斑。 全固态8 3 0 r i m 红外激光器可以很好的解决上述问题，这主要是由其输 出特性决定的。首先，d p l 与l d 相比具有更好的光束质量，可以获得基 模或近基模输出，不需要复杂的光学整形技术就可以直接用于新型c t p 印 刷版材的研制开发及性能评价。而l d 不通过复杂的光束整形系统很难做 到这一点；其次，d p l 的输出功率高，能提供更大的曝光能量，可以很好 的满足大幅面、高质量、快速制版的需要。而l d 的输出功率受到一定限 制，因此对相应成像版材的感光度提出了更高要求。其次，d p l 输出激光 波长对温度不敏感，波长稳定，而l d 的激光波长随温度漂移严重，可以 北京tq k 大学理学硕i ：学俯论文 达到2 n m 。c 。 本课题就针对这一问题，研制了一套c t p 版材性能评价用钛宝石全固 态红外激光扫描曝光系统。并且随着c t p 技术的发展，d p l 将在新型c t p 系统以及新型版材的研制开发中发挥重要作用。 1 3 本章小结 本章主要介绍了钛宝石激光器的国内外研究进展情况，进一步分析了 本课题的研究背景，从而明确了本课题的研究目的。到目前为止，全固态、 可调谐、超短脉冲是钛宝石激光器研究的几个重点方面。结合c t p 版材研 发对高光束质量、高功率8 3 0 r i m 激光器的需求，确定本课题研究目的为研 制一套c t p 版材评价用8 3 0 n m 激光扫描曝光系统，其中包括激光器和扫描 曝光控制两部分。 第2 章钛宝石晶体的物化r 丰质及光i 特忭 第2 章钛宝石晶体的物化性质及光谱特性 掺钛蓝宝石晶体是国际公认的最佳宽带可调谐激光晶体，它具有增益 带宽、高饱和通量、大的峰值增益截面、高量子效率、高热导率、高激光 破坏阈值及热稳定性等特点，又是超短脉冲和高功率可调谐激光系统优良 的振荡及放大介质。本章将着重介绍掺钛蓝宝石物理化学性质及光谱特性。 2 1 掺钛蓝宝石晶体的结构和能级 2 1 1 钛宝石晶体的结构 掺钛蓝宝石是掺了三价钛离子的氧化铝晶体，呈红色，属六角晶系， 空间群为r 3 c d 6 3 d o 它的物化性质与红宝石相似，稳定性好，热导率约为 n d ：y a g 的三倍，熔点高( 2 0 5 0o c ) ，硬度大( 9 级) ，折射率为1 7 6 。在晶体 结构中，t i 3 + 在a m 20 3 晶体中置换具有三角对称的c 位上的灿2 3 + ，位于 一个正八面体的中心，如图2 1 所示。，n 3 + 受到周围六个0 2 形成的立方场 的作用，由于六个0 2 形成的八面体存在三角畸变，因而还出现三角场，于 是可认为晶格场由立方场和三角场组成，其中立方场远大于三角场。t i 3 + 的电子组态为1s 22 s 2 2p 63 d 1 ，它仅有一个未配对的3 d 电子，除3 d 电子外 是完满壳层( 原子实) ，这样，3 d 轨道唯一价电子的行为决定了t i ”的吸收和 发射光谱特性【7 】。 图2 1 钛宝石晶体的结构 f i g 2 - 1c r y s t a ls t r u c t u r eo ft i ：s a p p h i r e 北京1 = 业人学理学硕十学位论文 耦合 图2 - 2 钛宝石晶体的能级分裂情况 f i g 2 - 2t h ee n e r g yl e v e ls p l i tc i r c u m s t a n c eo f t h et i ：s a p p h i r e 2 1 2 钛宝石晶体的能级 对于t i ”最外层未配对的一个3 d 电子，其角量子数1 = 2 ，自旋量子数 s = 1 2 ，2 1 + 1 = 5 ，表明该d 电子轨道有五种取向，能级五重简并。 受立方场作用，t i 3 + 能级首先分裂成三重简并的基态能级t 2 仑和二重简 并的激发态能级2e 。处在激发态的t i 3 + 当其位置相对于周围六个0 2 的位 置发生移动时，其系统总能量会降低o a h n t e l l e re f f e c t ) ，这种位置移动使得 二重简并的激发态能级2 e 分裂成e l 忍和e 3 忽两个能级。而且，当t i 3 + 处于 新的平衡位置时，它对周围晶格的反冲动会激发振动( 或称为声子) ，这也是 钛宝石激光称为振动激光的原因【引。三重简并的基态能级由于三角场的作 用及轨道一自旋相互作用分裂成2el 忽。le l 忍和e 3 尼三个能级。能级分裂情 况如图3 - 2 所示。 t i 3 + 电子能级与周围蓝宝石晶格的振动能级之间的耦合是钛宝石晶体 产生激光运转的关键。由于电子一声子的耦合作用异常强烈，使得基态和 激发态能级分布范围很宽( 如图2 3 所示) ，因而t i 3 + 的吸收跃迁谱带及荧 光跃迁谱带都较宽。分布较宽的基态能级是钛宝石激光器可调谐运转的关 键。被泵浦到激发态各振动能级上的粒子，通过快速弛豫过程( 亚p s 量级) 跃迁到激发态的最低能级，此最低能级室温下的寿命为3 2l is 【9 】。由于此最 低激发态能级的存储作用，造成了与基态各振动能级间的集居数反转，形 成激光跃迁，受激辐射截面为3 , - , 4 x 1 0 - 1 9 c m 2 。在激光上能级之上无能级存 在，因而不存在激发态吸收，有益于激光运转。 - 8 第2 章钛宅石晶体的物化件质及光谱特t 牛 ) 泵谲筐缢 图2 3 掺钛蓝宝石晶体的能级分布范围 位移 图2 4 掺钛蓝宝石晶体的吸收与发射光子示意图 f i g 2 _ 41 1 ：s a p p h i r ea b s o r b sa n de m i t st h ep h o t o n s 图2 - 4 是钛宝石晶体的吸收与发射光子示意图。横坐标表示t i 3 + 的位置 移动，图中的抛物线为t 2 。和2 e 能态的绝热势曲线。当t i 3 + 吸收或发射一 个光子时，3 d 电子轨道会重新组合，这个过程远比t i ”核的移动速度要快。 a 和c 区域的高斯型表示t i 3 + 分别在t 及e 态的最低振动态的分布。b 和 d 处的高斯曲线表示电子跃迁到对应能量处的几率。b 到c 或者d 到a 的 过程是释放声子实现。 有 谐端缓调骜讫可的动与关震 、l， 北京t 业大学理学硕1 ：学位论文 2 2 掺钛蓝宝石晶体的吸收光谱和荧光光谱 2 2 1 钛宝石晶体的吸收光谱 一：主吸收 图2 5 为钛宝石晶体( t i 2 0 3 在触2 0 3 中掺杂浓度为0 1 w t ) 的蓝绿吸 收光谱( 主吸收光谱) 。表示光的电矢量与晶体c 轴平行，0 表示光的电 矢量与c 轴垂直。由图2 1 可见，钛宝石的主吸收带较宽，约2 0 0 n m 存在 两个吸收峰，由图2 - 2 能级可看出，这是由于从基态t 2 。到上能级e 协e 3 彪 的跃迁。吸收峰位置在2 0 5 0 0 c m 、1 8 0 0 0 c m _ 1 附近，对应的波长分别为 4 8 8 n m 、5 5 6 n m ，其中2 0 5 0 0 e m _ 1 吸收最强烈。所以，用蓝绿波长的光如氩 离子激光、铜蒸气激光、n d ：y a g 倍频激光以及某些染料激光来泵浦钛宝 石比较合适【1 0 1 。从图2 1 还可以看到，晶体对偏振光的吸收较大。为了 使钛宝石晶体最有效的吸收泵浦光，应当使泵浦光的波矢k 垂直于c 轴， 让电矢量e 平行于c 轴，让电矢量e 平行于c 轴( 兀偏振泵浦) 。 w a v e l e n g t h r i m 图2 5 掺钛蓝宝石晶体的蓝绿吸收光谱 f i g 2 5t h eb l u e - g r e e na b s o r p t i o n s p e c t r u mo f1 1 ：s a p p h i r e 二：红外吸收及紫外吸收 图2 6 为钛宝石晶体的红外吸收光谱，这个吸收带在激光输出波段， 因而对激光运转非常不利，必须尽量抑制。其成因主要有两点：一是t i 3 + 一t i 4 + 离子对引起的，这可通过晶体生长得到控制，二是晶体本身固有的， 它的存在无法消除，只能尽量减小。 第2 章钛宝石晶体的物化件质及光谱特性 图2 6 掺钛蓝宝石晶体的红外吸收光谱 f i g 2 - 6i n f r a r e da b s o r p t i o ns p e c t r u mo ft h et i ：s a p p h i r e 钛宝石晶体在紫外有较强的吸收，这种吸收是由于如下的电荷转移： t i ：3 + + 0 2 。一西2 + + o - 钛宝石晶体中的缺陷也是紫外吸收的一个因素【1 1 1 。紫外吸收峰分别在 2 5 0 r 1 i n 和3 1 5 r m ：l 附近。分别用不同波长的紫外光激发，可以产生很强的荧 光带，峰值在4 2 5 n m 和5 7 5 n m 附近。强而宽的4 2 5 n m 荧光带，荧光寿命 约为3 5l as 。 三：钛宝石晶体的品质因数 在选择晶体时，对晶体的质量优异，主要考虑两个参数，一是晶体的 吸收系数，另一个是品质因数( f i g u r eo f m e r i t ，简称f o m 值) ，品质因数 定义为： f 。m = 纛籍蒜爨黼赫= a 2 2 - - = 一= - - 二二- ，- 。 晶体对激光峰值波长的吸收系数， 一 对掺钛蓝宝石而言，通常使用氩离子激光器作为测试用光源，其波长 九p = 4 9 0a m ，而激光峰值波长入r = 8 0 0 n m ，因此有： f o m = a 4 9 0 2 2 2 a 8 0 0 如果采用其他波长的泵浦光，如入p = 5 3 2 n m ，可由关系式a 4 9 0 a 5 3 2 = 1 2 8 进行换算。 前面已经全面介绍了掺钛蓝宝石激光晶体的晶体结构、物化性能与能 级结构和光谱特性，以及它的品质因数，表2 2 1 将综合给出掺钛蓝宝石激 光晶体的主要性能参数，右边还给出了n d ：y a g 激光晶体的数据，以便对 照比较。对比看出，两种激光晶体主要性能非常接近，除一为可调谐，一 是不可调谐外，主要差别在于荧光寿命和导热率【1 2 】。其导热率优于 一一u、o矗州u谰啊啊口u们_hq 北京工业人学理学硕一i ：学位论文 n d ：y a g ，其它性能稍低于n d ：y a g ，是当今性能最优良的可调谐激光晶体， 有可调谐y a g 之美称【13 1 。其主要缺点是荧光寿命短，室温时仅3 2l as ， 如温度上升到3 5 0 k 时，将会下降到2us 。如低温制冷工作，即使5 0 k 时， 也达不到4i ls 。比n d ：y a g 荧光寿命短两个量级，这对闪光灯泵浦储能调 q 运转不利。 表：2 2 1 掺钛蓝宝石激光晶体的主要性能参数 t a b l e 2 2 1k e yp a r a m e t e ro ft h et i ：s a p p h i r e 参数单位t i ：m 2 0 3 n d ：y a g 调谐范围n m 6 5 0 1 2 0 0l0 6 4 士0 2 峰值波长入r啪 7 9 51 0 6 4 光子能量h v 1 0 1 9 j 2 3 4 1 8 6 受激发射截面0c 1 0 1 9 c m 23 82 7 8 8 吸收光谱范围衄 4 0 0 ，v 6 5 03 0 m 母0 0 吸收截面0o lo - 2 0 c m 9 3 荧光寿命一c us 3 22 4 0 热导率( 3 0 0 k ) w c m - 1 k - 1o 3 3 0 3 5o 1 1 0 1 4 折射率n 1 7 61 8 2 熔点 2 0 5 01 9 7 0 增益o 1 c m 。1 时反转粒子数 1 0 1 7 c i l l 32 6 1 1 增益o 1 c m 1 的储能 l f 皤0o 0 6 o 0 2 1j 储能的增益系数c n l 11 6 44 7 3 重量比 o 0 3 0 1 50 7 5 掺杂浓度 c m 3 1 - 5 x1 0 1 9 1 3 8 x l o u 2 2 2 钛宝石晶体的荧光光谱 图2 7 是钛宝石晶体在温度为3 0 0 k 时的荧光光谱，荧光范围在6 6 0 一 1 2 0 0 r i m 之间，中心波长在7 9 0 n m 附近。宽广的调谐范围是使钛蓝宝石激 光器具有广泛应用前景的最大特色。与图2 1 的主吸收带相比，荧光谱存 在较大的红移，这是由于强烈的电子一声子耦合引起的。两光谱重合小， 这对激光运转是非常有利的。 第2 章钛宝石品休的物化件质及光谱特性 一、 j 圈 、- ， h o - 一 口 o _ 口 h w a v e l e n g t h ( n m ) 图2 7 掺钛蓝宝石晶体的荧光光谱 f i g 2 7t h ef l u o r e s c e n c es p e c t r u mo ft h et i ：s a p p h i r e 钛宝石晶体的荧光光谱随温度的变化关系如图2 8 所示，温度升高， 荧光谱峰值产生红移，半极大线宽加大。室温下钛宝石晶体的激光上能级 寿命为3 2p - s ，如此短的上能级寿命是钛宝石的主要缺点，它使得闪光灯 泵浦方式不易获得高效运转【1 4 】。激发态到基态跃迁的荧光寿命随着温度的 变化关系如图2 - 9 所示，高温时荧光寿命的迅速下降来源于多光子非辐射 衰变引起的荧光猝灭。 1 5 k 。3 。l 。1 一1 一。上一l。l 1 一i _ 。1 。i i_ i 。 5 0 0 7 0 08 0 0 w a v e l e n g t h ( 皿) 图2 - 8 掺钛蓝宝石晶体不同温度下的荧光光谱 f i g 2 名t h ef l u o r e s c e n c es p e c t r u mo ft h et i ：s a p p h i r ei nd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e 北京t , l k 大学理学硕i j 学位论文 图2 9 掺钛蓝宝石晶体的荧光寿命随温度变化曲线 f i g 2 - 9t h ef l u o r e s c e n c el i f e t i m eo f t h e1 3 ：s a p p h i r ec h a n g i n gc u r v ew i t ht h e t e m p e r a t u r e 2 3 本章小结 本章主要介绍了掺钛蓝宝石物理、化学和光谱特性，描述了掺钛蓝宝 石的物质构成和能级结构，温度对钛宝石荧光寿命的影响。 1 禾 一匀一。目州卜曲鲁 第3 章全嗣态准连续5 3 2 n m 激光器理论及实验研究 第3 章全固态准连续5 3 2 n m 激光器理论及实验研究 激光二极管泵浦全固态激光器与传统灯泵浦激光器相比较具有以下优 势： 1 工作时间长 d p s s l 的系统寿命和可靠性都明显优于传统的闪光灯泵浦激光器。在 连续工作时，激光二极管阵列的寿命高达上万小时，而闪光灯的寿命只有 几百个小时。 2 转换效率高 由于激光介质的吸收带宽相当窄，而传统的灯泵浦激光器的灯光源产 生的辐射带过宽，只有吸收峰附近的小部分光能才被吸收利用，转换效率 大约只有3 左右，泵浦灯发出的能量大部分转换成了热能，造成了极大的 能源浪费。而l d 的发射光谱宽度却很窄，一般只有几个纳米，用它作为 固体激光器的泵浦源，可根据实际需要选择激励波长，使其发射光谱落在 激活介质的吸收峰附近，通过对l d 工作温度的控制，把其发射波长精确 调到激活介质的吸收峰上，从而使光能更多地用来增加反转粒子数【l 5 1 。 3 光束质量好 d p s s l 的泵浦波长和激活介质的吸收光谱可以很好的匹配，减少了材 料积聚的热量，从而大大地降低了热透镜效应，进而改善了光束质量。此 外，l