（凝聚态物理专业论文）nd：luvo4晶体性能及ld端面泵浦微片激光器的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 激光二极管泵浦固态激光器( d i o d - p m n p e ds o l i d s t a t el a s e r s ，d p s s l s ) 由于 具有泵浦效率高，光束质量好，输出稳定且全固化，结构简单等优点，在医学、 军事、科研、工业等在许多领域被应用。新型激光材料是全固态激光器研究开发 的重要组成部分。目前，钒酸盐系列晶体是得到应用的常见激光晶体，如n d ：y v 0 4 和n d ：g d v 0 4 有着优良的荧光和激光性质，在中小功率泵浦功率下，效率高于传 统工作物质n d ：y a g 晶体。 n d ：l u v 0 4 是一种新型的激光晶体，用l u ”取代基质晶体当中的y 抖或g d 3 + ， 降低了晶体生长的难度，使吸收带更宽，受激发射截面更大，因此也适合作为激 光二极管泵浦的增益介质1 9 9 6 年，日本和俄罗斯科学家合作生长出了l u v 0 4 单晶( m 1 8 3 8 删m 3 ) 。2 0 0 2 年法国人c m a u n i e r 等人用焰熔法生长了n d ：l u v 0 4 ， 并系统研究了其作为激光晶体的性能，实现了n d ：l u v 0 4 在1 0 6 5 r i m 处的激光输 出。使用传统的c z o c h r a s k i 技术，我们课题组生长了质量、尺寸可以和n d ：y v 0 4 晶体相媲美的优质晶体( 1 6 2 0 x 2 1m m 3 ) 。并报道了n d ：l u v 0 4 晶体采用大功率 二极管激光器在1 0 6 5 n m 处的连续和脉冲激光性能。在2 5 w 的泵浦功率下获得 1 2 5 5 w 的1 0 6 5 r i m 连续输出，在1 8 w 的泵浦功率下获得5 4 2 w 的1 0 6 5 r i m 调q 输出，两种工作方式的光一光转换效率分别达到5 0 2 和3 0 1 。 本论文对n d ：l u v 0 4 激光晶体在小功率微片激光器中的性能进行系统的研 究，同时与n d ：g d v 0 4 晶体作了对比实验，然后利用g a a s 晶体进行调q 实验， 以期开发出d p s s l 的新器件。主要内容包括： 1 简要介绍了d p s s l 的主要性质、优点、应用及发展现状；对d p s s l 中 比较常见的几种固体激光材料进行综述；并简单介绍了几种常见的掺钕激光晶 体。 2 简单介绍了n d ：l u v 0 4 晶体的生长过程和生长方法，以及n d ：l u v 0 4 和 n d ：g d v 0 4 晶体的结构与基本性质，并作比较。两种晶体是同晶型晶体，结构及 许多性质都非常相似。区别在于n d ：l u v 0 4 晶体比n d ：g d v 0 4 晶体有更大的发射 截面和吸收截面，缺点在于热导率略低，但仍高于n d ：y v 0 4 晶体，所以n d ：l u v 0 4 山东大学硕士学位论文 应该是一种性能优良的激光晶体。 对n d ：l l l v 0 4 晶体在室温下的吸收光谱和近红外荧光谱进行测试，并与 n d ：g d v 0 4 晶体的吸收光谱和近红外荧光谱相比较，发现吸收峰和发射峰的位置 以及相对强弱都非常相似。 3 采用化学腐蚀法和同步辐射白光形貌术，对n d ：l u v 0 4 晶体的缺陷进行 了系统的观察和研究，并通过测试晶体的摇摆曲线作了进一步验证。结合晶体生 长探讨了缺陷的形成机制，为生长高质量晶体提供了依据。n d ：l u v 0 4 晶体的主 要缺陷有小角晶界、包裹物、色心、开裂和位错等。小角晶界是该晶体的主要缺 陷，这种缺陷来源于籽晶、晶体生长和晶体加工。考虑避免或减少缺陷对于晶体 器件的使用有着重要意义。通过对缺陷形成机制的分析，我们可以通过相应的解 决措施来有效减少缺陷的形成。 4 研究了n d ：l u v 0 4 晶体在不同配置下的室温拉曼光谱，探讨了拉曼散射 与结构的对应关系。并与n d ：y v 0 4 和n d ：g d v 0 4 晶体的拉曼谱进行比较，进一 步确定了三种钒酸盐晶体的结构相似性。 5 从四能级速率方程出发，理论研究了l d 端面泵浦固体激光器的输出特 性，推导出了基频光输出功率、阀值泵浦功率和斜效率的表达式，研究了最佳激 光晶体长度和输出镜透过率，讨论了最佳匹配模式。 6 从实验上研究了l d 端面泵浦n d ：l u v 0 4 晶体和n d ：g d v 0 4 晶体小功率 时1 0 6 5 r i m 的连续、脉冲激光输出。分别考察了n d 3 + 浓度为0 5 和1 ，厚度 为l m m 和1 5 m m ，透过率为1 ，2 ，3 的n d ：l u v 0 4 晶体的连续1 0 6 5 r i m 激光的输出特性。发现在小于2 w 的泵浦功率下，掺杂浓度高( 1 ) 、厚度较大 ( 1 5 r a m ) 的晶体、透过率( t - 1 ) 低的晶体具有较高的输出功率。在2 w 泵浦功 率下，n d ：l u v 0 4 晶体基横模的最大激光输出可达到9 2 3 m w ，相应的光一光转 换效率为4 5 8 ，斜效率为5 2 。n d ：g d v 0 4 晶体在2 w 的泵浦功率下可得到 8 6 0 m w 的t e m 0 0 基横模1 0 6 5 r i m 连续激光输出，光光转换效率为4 3 ，最大 激光斜效率达到5 7 。比较晶体样品，发现两种晶体在2 w 泵浦功率下的输出特 性非常相似。在低功率泵浦微片激光输出方面，虽然n d ：l u v 0 4 晶体的输出低 于n d ：g d v 0 4 晶体，但输出稳定的高质量基频模，并且从曲线的趋势看，在更大 的功率下，n d ：l u v 0 4 晶体的输出斜效率有提高的趋势。 当脉冲重复频率为1 0 0k h z 和抽运功率为2 w 时，n d ：l u v 0 4 晶体的g a a s 山东大学硕士学位论文 被动调q 可以获得的最大平均输出功率为0 4 2 6w ，光一光转换效率为2 1 3 ， 最短的激光脉冲为1 8 0 n s ，单脉冲能量为4 3 刖，峰值功率为2 3 2w 。n d ：o d v 0 4 晶体可获得的最大平均输出功率为0 2 4 8w ，光一光转换效率为1 2 4 ，最短的 激光脉冲为2 6 0 n s ，单脉冲能量为2 1 4 ，峰值功率为9 1 1w a 通过比较可知， n d ：l u v 0 4 晶体的g a a s 被动调q 激光输出性能要优于n d ：g d v 0 4 晶体，所以 n d ：l u v 0 4 晶体更适合作为g a a s 被动调q 脉冲激光器的激光介质。 关键词：钒酸镥晶体，端面泵浦，微片激光器，连续激光性能，调q 输出 v 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t d i o d e - p u m p e ds o l i d - s t a t el a s e r ( d p s s l ) h a v eb e e nw i d e l ya p p l i e d i nm a n yf i e l d ss u c ha sm e d i c a lt r e a m e n t ，m i l i t a r y ，i n d u s t r y ，s c i e n t i f i c r e s e a c h e sa n ds oo n ，d u et ot h ea d v a n t a g eo fh i g he f f i c i e n y ，g o o db e a m q u a l i t y ，h i g hs t a b i l i t y ，s i m p l es t r u c t u r e ，a n dc o m p a c t n e s s t h e e x p l o r a t i o no fn e wl a s e rm a t e r i a li so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r to ft h e r e s e a c h e sa n dd e v e l o p m e n to fa l ls o l i d - s t a t el a s e r s o r t h o v a n a d a t e s ，o n e o ft h em o s te x c e l l e n tl a s e rm e t e r i a l sa p p l i e dn o w ，s u c ha sn d ：y v 0 4a n d n d ：g d v 0 4w h i c hh a v ep a r t i c u l a rl u m i n e s c e n c ep r o p e r t i e sg i v er i s et o m u c hb e t t e rl a s e re f f i c i e n c i e sw h e nt h e ya r ep u m p e db yd i o d el a s e r st h a n d o e sn d ：y a g n d ：l u v 0 4 ，an e wl a s e rc r y s t s a l ，t h es u b s t i t u t i o no fl u t e t i u mi o n s ( l u 3 + ) f o ry t t r i u m ( y 3 + ) o rg a d o l i n i u m ( g d 3 + ) a sc o n s t i t u t i v ei o n si nt h e h o s tm a t e r i a l sh a sa l r e a d yp r o v e dt ob eb e n e f i c i a l n d d o p e dl u t e t i u m v a n a d a t es i n g l ec r y s t a l sg r o w nb yc z o c h r a l s k im e t h o d ，c o m p a r e dw i t h n d ：y v 0 4a n dn d ：g d v 0 4c r y s t a l ，n d ：l u v 0 4o f f e r sm a n ya d v a n t a g e s s u c ha sab r o a d e ra b s o r p t i o nb a n d w i d t h ，al a r g e rs t i m u l a t e de m i s s i o n c r o s ss e c t i o n s oi ti sm o r es u i t a b l ef o ru s ea st h eg a i n m e d i u mo f , ad i o d e l a s e r - p u m p e ds o l i d - s t a t el a s e r n d ：l u v 0 4b e l o n gt op o i n tg r o u p4 m m m ( d 4 h ) a n ds p a c eg r o u p d z - 1 4 l a m d i tw a sg r o w nb yt h ec o o p e r a t eo fj a p a n e s ea n dm u s c o v i t e s c i e n t i s t si n19 9 6 c m a u n i e rg r e wn d ：l u v 0 4b yu s i n gt h ef l u x t e c h n i q u ei n2 0 0 2 ，a n dp e r f o r mt h e l a s e ro u t o u ta t10 6 5 n m o u rt e a m g r e wh i g hq u a l i t yn d ：l u v 0 4c r y s t a lb yc z o c h r a l s k im e t h o d ，a n dr e p o r t o nc wa n da c t i v e l y q s w i t c h e d l a s e r p e r f o r m a n c e a c h i e v e du n d e r h i g h - p o w e rd i o d ep u m p i n g 1 2 5 5 wo fc wo u t p u tp o w e rw a so b t a i n e d w i t h2 5 wo fp u m pp o w e r ，g i v i n ga no p t i c a lc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo f5 0 2 i na c t i v e l yq - s w i t c h e do p e r a t i o n ，t h ea v e r a g eo u t p u tp o w e rr e a c h e d v i 山东大学硕士学位论文 5 4 2 ww i t h18 wo fp u m pp o w e ru n d e rc r y s t a l ，g i v i n ga no p t i c a l c o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo f3 0 1 t t h i sd i s s e r t a t i o nh a sm a d es y s t e m a t i cr e s e a c h e so nt h e l a s e r p r o p e r t i e so fn d ：l u v 0 4l a s e rc r y s t a l s i nl o w p o w e rd p s s l ，a n d m a d ec o m p a r i s i o nw i t hn d ：o d v 0 4c r y s t a l s t h e ng a a sc r y s t a l sh a v e b e e n u s e di nq - s w i t c h e dl a s e r e x p e r i e n c e s ，i no r d e rt od e v e l o pn e w d p s s ld e v i c e s t h em a i nc o n t e n t sa ；ea sf o l l o w s ： 1 t h em 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 t i o n sa n dd e v e l o p m e n t s o fd p s s lw e r ei n t r o d u c e d b r i e f l y s e v e r a lt y p i c a l s o l i d s t a t e dl a s e r m a t e r i a l sw e r es u m m a r i z e d s o m ei m p o r t a n to r t h o v a n a d a t ec r y s t a l sw a s a l s oi n t r o d u c e d 2 t h es t r u c t u r ea n dg e n e r a lp r o p e r t i e so fb o t hn d ：l u v 0 4a n d n d ：o d v 0 4c r y s t a l sw e r ei n t r o d u c e db r i e f l y ac o m p a r i s i o nw a sa l s om a d e b e t w e e nt w ok i n d so fc r y s t a l s m a n yp r o p e r t i e so fn d ：l u v 0 4c r y s t a l ，a s w e l la si t ss t r u c t u r e ，a r es m i l a rt ot h o s eo fn d ：g d v 0 4c r y s t a l t h e d i f f e r e n c ea r et h a ta b s o r p t i o nb a n d w i d t ha n ds t i m u l a t e de m i s s i o nc r o s s s e c t i o no fn d ：l u v 0 4c r y s t a la r eb r o a d e ra n dl a r g e rt h a nt h o s eo f n d ：g d v 0 4c r y s t a l ，t h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fn d ：l u v 0 4c r y s t a li sl o w e r t h a nt h a to fn d ：g d v 0 4c r y s t a la n dh i g h e rt h a nt h a to fn d ：y v 0 4c r y s t a l s oi tc a np r o v e dt h a tn d ：l u v 0 4c r y s t a li sa ne x c e l l e n tl a s e rm e t e r i a l t h ef l u o r e s c e n c ea n dp o l a r i z e da b s o r p t i o ns p e c t r ao fn d ：l u v 0 4 c r y s t a la tr o o mt e m p e r a t u r ew e r er e s p e c t i v e l y c o m p a r e w i t ht h o s eo f n d ：g d v 0 4c r y s t a l ，b o t ho ft h e mh a v es i m i l a ra n i s o t r o p i ca b s o r p t i o n ， a b s o r p t i o na n de m i s s i o np e a kw a v e l e n g t h sa n d r e l a t i v ei n t e n s i t y 3 u s i n gs y n c h r o t r o nr a d i a t i o nx r a yt o p o g r a p h y a n dc h e m i c a l 。 e t c h i n gm e t h o d ，t h eg r o w t hd e f e c t si nn d ：l u v 0 4c r y s t a lw a si n v e s t i g a t e d t h er e s u l t so ft h eo b s e r v a t i o n sa n dd i s c u s s i o no fg r o w t hd e f e c t sa n d rf b m a t i o n sm e c h a n i s m si nn d ：l u v o c r y s t a lw a s d i s c u s s e d 。i nt h e d i s s e r t a t i o n t h em a i nd e f e c t sw e r ed i s l o c a t i o n s ，s u b g r a i nb o u n d a r i e s ， s t e pf a c e t i n g ，i n c l u s i o n s ，c o l o rc e n t e r s ，a n d s c a t t e r i n g s u b 。g r a i n v 厂u 山东大学硕士学位论文 b o u n d a r i e si st h em o s ti m p o r t a n te x t e n d e dd e f e c t si nc r y s t a l s i tm a y b e d e r i v e sf r o ms e e d ，c r y s t a lg r o w t ha n dc r y s t a lp r o c e s s i n g ( c u t t i n ga n d p o l i s h i n g ) i t i se s s e n t i a l p r e r e q u i s i t e s t oc o n t r o lt h ed i s l o c a t i o n g e n e r a t i o nf o rt h ea p p l i c a t i o no fc r y s t a l sf o rt e c h n i c a ld e v i c e s i no r d e r t o a v o i do rd e c r e a s et h e s ed e f e c t s ，w et a k es o m ec o r r e s p o n d i n gs t e p s a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so ft h ed e f e c t sf o r m a t i o nm e c h a n i s m 4 t od e t e r m i n et h es t r u c t u r eo fn d ：l u v 0 4c r y s t a l ，t h er a m a n s p e c t r aw i t hd i f f e r e n tc o n f i g u r a t i o n sw a ss t u d i e d t h es i m i l a ro ft h r e e o r t h o v a n a d a t e ss t u c t u r eb yc o m p a r i n gw i t hr a m a ns p e c t r ao fn d ：y v 0 4 a n dn d ：g d v 0 4c r y s t a l sw a sa n a l y z e d 5 b a s e do ns p a c e - d e p e n d e n tr a t ee q u a t i o na n a l y s i s ，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 r et h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d ，t h ea n a l y t i c a l e x p r e s s i o n s o ft h eo u t p u tp o w e r ，t h r e s h o l dp u m pp o w e ra n ds l o p e e f f i c i e n c yw e r ed e r i v e dr e s p e c t i v e l y t h eo p t i m u ml a s e rc r y s t a ll e n g t h a n do u t p u tc o u p l e rw e r ea l s oa n a l y z e db a s e do nt h ee x p r e s s i o n s ，a n d d i s c u s s e d t h ec r i t e r i af o rt h em o d es i z eo fm i c r o c h i p 6 w er e p o r to nc wa n dp a s s i v eg a a sq - s w i t c h e dl a s e r p e r f o r m a n c e a c h i e v e dw i t hn d ：l u v 0 4a n dn d ：g d v 0 4c r y s t a lu n d e rl o w - p o w e rd i o d e p u m p i n g t h em e a s u r e do u t p u tp o w e ro fn d ：l u v 0 4v s t h eh u m p i n g p o w e ru n d e rd i f f e r e n tn d ”c o n c e n t r a t i o n s ，d i f f e r e n tl e n g t ha n dd i f f e r e n t o u t p u tc o u p l e rr e s p e c t i v e l yw a si n v e s t i g a t e d ，a n dc o m p a r e dw i t ht h o s eo f n d ：g d v 0 4c r y s t a l s t h ee x p e r i m e n t ss h o et h a tt h eh i g h e s to u t p u tp o w e r o fn d ：l u v 0 4i s9 2 3 m wa t1 0 6 5 n mw a so b t a i n e da tt h ep u m pp o w e ro f 2 ww i t ha no p t i c a lc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo f5 2 i np a s s i v eq - s w i t c h e do p e r a t i o n ，t h ea v e r a g eo u t p u tp o w e ro f n d ：l u v 0 4r e a c h e d0 4 2 6 wa tap u l s er e p e t i t i o nf r e q u e n c y ( p r f ) o f1 0 0 k h zw i t h2wo fp u m pp o w e ri n c i d e n tu p o nt h en d ：l u v 0 4c r y s t a l ，g i v i n g a no p t i c a lc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo f2 1 3 t h ep u l s ee n e r g ya n dp e a k p o w e rr e a c h e d 4 3 a n d2 3 2 w , t h ep u l s ed u r a t i o nw a s 18 0 n s t h e a v e r a g eo u t p u tp o w e ro fn d ：g d v 0 4r e a c h e do 2 4 8 wa tap u l s er e p e t i t i o n v i i i 山东大学硕士学位论文 f r e q u e n c y ( p r f ) o f1 0 0k h zw i t h2w o fp u m pp o w e ri n c i d e n tu p o nt h e n d ：l u v 0 4c r y s t a l 。g i v i n ga no p t i c a lc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo f l2 4 t h e p u l s ee n e r g ya n dp e a kp o w e rr e a c h e d2 14 1 t ja n d9 1w , t h ep u l s ed u r a t i o n w a s 2 6 0 n s k e y w o r d s ：n d - d o p e dl u t e t i u mv a n a d a t e ，e n d - p u m p ，m i c r o c h i p ， c wl a s e r ，p a s s i v eq s w i t c h e d i x 7 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：。蛹日 期：趟：兰! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印，缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：弋刍j 芒p 师签名： 、一一一一 日期：生! i 山东大学磺士学位论文 第一章综述 1 1 激光二极管泵浦固体激光器 激光器的种类众多，按产生激光器的工作物质的不同可分为气体 激光器、固态激光器，液体激光器、半导体激光器、化学激光器和自 由电子激光器等其中固态激光器由于具有体积小、能量高、激发 方案简单和可靠性能高等优点，受到广泛深入的研究 2 0 世纪6 0 年代初世界上第一台红宝石激光器问世以来，固体激光 器便迅速发展起来，并在许多领域得到了广泛的应用。但是从2 0 世纪 7 0 年代至8 0 年代由于气体和液体激光器的发展，传统的闪光灯泵浦固 体激光器由于存在效率低和热效应严重等缺点，其研究、发展和应用 受到极大的限制8 0 年代中期，随着激光二极管性能的迅速提高，高 效率、稳定、结构紧凑、长寿命和全固态的激光二极管( l a s e rd i o d e ， 简写为l d ) 泵浦固体激光器( d i o d e - p u m ps o l i d - s t a t el a s e r ，d p s s l ) 的出现和发展，促进了整个固体激光器的研究，全面带动了新型固体 激光材料和l d 泵浦技术的发展，并迅速渗透到激光技术的各个领域， 在d p s s l 的连续运转、脉冲运转、单频运转以及频率变换等各个方面 都取得了重大进展，并达到了实用化水平l d 泵浦的固态激光器，又 称为全固态激光器( a t ls o l i d - s t a t el a s e r ) ，由于把半导体和固体激 光器相结合，这种激光器兼具两者的优点，有比l d 更好的方向性和单 色性，又具有泵浦效率高( 光光转换效率可高达6 0 ) 、输出稳定和全 固化的优点，激光器的各部分均为紧凑牢固可模块化的固体组成，形 成全固态激光器，是对传统的气体放电光源泵浦固体激光器的一场革 命与传统的闪光灯泵浦的固态激光器相比，d p s s l 具有高效率、紧凑、 稳定、长寿命和腔型多样化等优点，在军事、工业、医学和科研上有 着广泛的应用前景9 0 年代，随着大功率的l d 列阵和光纤输出耦合半 导体激光器系统的出现和发展，d p s s l 的输出功率和效率得到了相当大 的提高，从而更加拓宽了其应用领域范围，呈现了广泛的应用前景 目前d p s s l 研究已成为激光器领域内的一个非常活跃的方向”。 山东大学硕士学位论文 1 2 激光二极管泵浦的固体激光材料 为了提高激光= 极管泵浦的固体激光器的效率，除了泵浦用激光 二极管是主要的因素外，寻求适合l d 泵浦的激光工作物质是设计性能 优良的全固态激光器另一个非常关键的因素，对激光器的性能起着决 定性的作用，寻求性能优良的激光材料已成为全固态激光器的研究和 探索热点为此人们对激光工作物质进行了广泛深入的研究和探索 激光器的固体工作物质是把激活离子掺入到基质中形成的。工作 物质的物理化学性能主要取决于基质材料，基质材料一般不构成激发 能级，但能为激活离子提供合适的晶体场，使其产生激光发射固态 基质材料大致可分为晶体、玻璃和陶瓷这些材料必须具有良好的光 学、机械和热特性，才能经受激光器工作过程中光和热的考验。决定 基质材料的参量有硬度、热学性能和化学稳定性等。工作物质的光谱 特性则主要是由激活离子的能级结构决定，已有的激活离子大致分为 四类：三价稀土激活离子、二价稀土激活离子、过渡族金属激活离子 和锕系激活离子其中应用最广泛的是n d ”，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。然后是t m 3 + 和e ，+ 等离子由于基质材料和激活离子的相互作用，激活离子的光谱特性 也会有所变化，基质的物理化学性能也会因掺入激活离子而有一定的 差异 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，即要求激光材料内尽量避免有杂质颗粒、 包裹物、气泡、生长条纹和应力等缺陷，并使折射率不均匀性尽量小。 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，激光转换率下降。 2 良好的光谱性能，即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，则光泵浦阈值越低，激光转换效 率越高。然而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 2 山东大学硕士学位论文 3 合适的掺杂浓度，通常把掺入激活离子称为掺杂。工作物质中 掺杂浓度高时对泵浦能量的吸收增加，有利于获得高的反转粒子数密 度，提高激光器的效率但掺杂浓度过高，会造成晶格扭曲，使晶体 质量变坏，随吸收能量的增加，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，工作物质的掺杂浓度有一最佳值， 基质不同最佳掺杂浓度也不相同 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 工等团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 微片激光器是固体激光器小型化的一个重要发展方向微片激光 器主要是两部分：一个由半导体激光二极管构成的泵浦激光源，另一 个为两端镀有对特定波长起适当作用的多色薄膜的固体激光工作物 质，在微片激光器中作为一个独立的激光功能器件微片激光器的谐 振腔由固体激光工作物质两端的薄膜组成；薄膜中的任一种单色薄膜对 特定波长起适当作用，此薄膜可以是镀一种材料的单层薄膜、可以是 镀两种材料的双层薄膜、可以是镀两种材料以上的几层甚至几十层薄 膜组成；采用腔内倍频的平平腔结构。其优点是全固体化，因此体积 小、重量轻、转换效率高，使用可靠和工作寿命长微片激光器设计 完善合理，结构紧凑简单、体积小、携带方便，能耗低、寿命长、安 全可靠性好，能实现大批量生产且制作成本低 1 3 几种掺钕离子激光晶体 激光晶体是固态激光器的一种重要的工作物质，通过分立的发光 中心吸收光泵浦能量并将其转化为激光输出的发光材料与激光玻璃 相比，它具有较低的振荡阅值，较容易实现连续运转 钕离子是激光材料最常见的掺杂离子，n d 3 + 其外层电子组态为 3 山东大学硕士学位论文 4 厂3 5 j 2 5 矿，其中4 ，壳层未填满，而5 j 和5 p 壳层均已填满，4 厂壳层上 的三个电子可以处于不同的运动状态，形成一系列能级，如图1 - 1 。常 温下，n d 3 + 处于4 1 9 ，2 能级，即基态( e o ) ，4 f 5 ，2 为吸收能级e 3 ，4 f 3 ，2 为 亚稳态能级e 2 。4 1 1 3 2 和4 i t u 2 为激光下能级e l 。通常n d 可以从亚稳态 4 f 3 2 能级实现四个能级跃迁：4 f 3 2 啼4 1 1 5 ，2 ，4 f 3 2 哼4 1 1 3 ，2 ，4 f 3 2 寸4 i l l ，2 ， 4 f 3 ，2 斗4 1 9 2 。其中，4 f 3 ，2 寸4 1 1 5 ，2 的跃迁很弱，一般不能实现激光输出。 通常情况下，广泛研究的有三个跃迁；4 f 3 ，2 _ 4 1 1 3 2 ( 对应输出波长为 0 9 删) ，4 f 3 ，2 4 i l l 2 ( 对应输出波长为1 0 6 胛) ，4 f 3 2 4 1 9 ，2 ( 对应输 出波长为1 3 朋) 。由于4 f 3 ，2 专4 1 9 ，2 的跃迁为准三能级系统，在室温下 实现激光输出的条件较为苛刻，4 f 3 2 向4 1 1 3 2 和4 1 1 1 2 跃迁为四能级系 统其中n d ”在8 0 0 n m 附近的强吸收峰( 吸收泵浦光后，从基态i 。，： 能级激发到能级f 。) 能很好的与g a a sl d 发射波长相匹配。， 4 f 5 ，2 4 f t ， 4 i i ， i l ， 4 i ” 4 i 口， i ；。 1 r 图1 - 1n d ”能级分裂示意图 n d ：y 。a 1 。0 ：( n d ：y a g ) 晶体是目前研究和应用最广泛的激光晶体。 y a g 晶体属于立方晶系，空间群i a 3 d ，光学性质为各向同性它的机 械性能好，热导率高，比热较高，有较高的热破坏强度，较长的荧光 寿命( 2 3 0 膨) ，可以生长出大尺寸、高质量的单晶，并已经实现产业 化但其缺点在于其吸收峰峰宽较窄，一般情况下泵浦效率较低，高 功率下往往产生严重的热应力双折射和热透镜畸变，导致输出光束质 4 山东大学硕士学位论文 量和转换效率下降，而且其受激发射截面不大n 。1 另外该晶体除了可 以掺杂n d 离子以外，还可以掺入多种激活离子，如y b ，e r ，t m ，c r 等，实现不同波段的激光输出 n d ：c a - g d o ( b o ，) ，( n d ：6 d c o b ) ，n d ：c a 。y o ( b o 。) 。( n d ：y c o b ) 这类的氧 硼酸盐晶体可用于光学倍频、混频和光学参量放大实验 n d ：c a g d o ( b 0 3 ) ，晶体还是一种自激、自倍频激光晶体，具有非线性系 数大，损伤阙值高、对倍频光吸收小以及生长容易等优点但此类晶 体虽然具有比较好的自倍频性质，但比较大功率基频光和倍频光的输 出还未实现 钒酸盐系列晶体是广泛研究的掺n d 激光基质材料之一这类晶体 包括y v o 。、g d v o 。，l u v o 。等晶体n d ：y v o 是另一种已经产业化的晶体， 1 9 9 6 年首次生长成功，该系列晶体具有良好的物理化学性质和非线性 光学性质，对最常用的8 0 8 n ml d 泵浦光的吸收系数大，吸收谱线宽， 且具有大的受激发射截面，在中小功率连续波d p s s l 中广泛应用然 而，n d ：y v o 。晶体的热导率相对较低，使其在高功率条件下的使用受到 很大限制。出现这种情形的原因，在于n d ：y v o 。晶体的受激发射截面过 大，以及荧光受命相对较短虽然大的受激发射截面可以降低激光振 荡阙值，对于连续激光器的运转十分有利，但过大的受激发射截面使 激光介质的储能本领下降，难以获得大的单脉冲能量1 订：n d ：y v o 。晶 体的缺点还有热导率较低以及生长相对比较困难。 另外，n d ：g d v o 。晶体在最近几年也被广泛的深入研究“”3 盯：表明了 其广泛的研究应用前景该晶体于1 9 9 2 年由俄罗斯和德国科学家首次 生长成功，其各方面性质与n d ：y v o 。晶体非常相近除具有n d ：y v o 晶 体的优点外，n d ：g d v o 。晶体具有较高的热导率，其沿 方向的热导 率是n d ：y v o 晶体的两倍，这一优良的热学性质使n d ：g d v o 晶体在高 功率固体激光器方面有望得到广泛应用 1 9 9 6 年，e i 本和俄罗斯科学家合作生长出了l u v o 单晶( 巾1 8 3 8 m m 3 ) 作为一种新型晶体，n d ：l u v o 晶体是一种适合二极管泵辅的优 良晶体h ”。据报道，该晶体要比其它的钒酸盐系列晶体吸收截面和发 射截面要大”使用传统的c z o c h r a l s k i 技术，我们课题组生长了质 5 山东大学硕士学位论文 量、尺寸可以和n d ：y v 0 晶体相比的优质晶体( 1 6 2 0 x2 lm m 3 ) 并 报道了采用大功率二极管激光器在n d ：l u v 0 晶体中4 f 3 ，2 寸i ：跃迁 时的连续和主动调q 激光性能。“们 本论文详细考察了n d ：l u v 0 4 晶体在小功率下的微片激光器中的 基频以及腔内倍频输出特性，并与n d ：g d v 0 4 晶体作比较，为进一步 开发应用打下基础。 1 4 本论文的研究内容 钒酸盐晶体是一类性能优良的l d 泵浦的固体激光材料，本论文以 l d 泵浦的新型n d ：l u v 0 4 晶体为研究对象，用n d ：l u v 0 4 晶体作为参比 材料，研究了n d ：l u v 0 4 晶体在l d 端面泵浦小功率微片激光器中的基 频及调q 激光输出性能