（光学专业论文）ld侧面泵浦红、绿双波长全固态激光器的研究.pdf

摘要 近年来，干涉彩虹全息、精细激光光谱、差分吸收激光雷达( d 认l ) 、激光医学、 激光显示等越来越多的领域都表现出了对双波长激光器的需求，全固态双波长激光器由 于它具有结构紧凑、体积小、功率高、而且覆盖的波段也尤为重要等优点，使得全固态 双波长激光器在某些应用领域中比传统的双波长激光器更有优势，因此，全固态双波长 激光器近年来已经成为国际上一个热门的研究课题。 6 6 0 n m 红光与5 3 2 n m 绿光激光是可见光激光中的两种重要波段，它们在医疗、显 示以及科研领域中的应用有许多交叉的地方，因此开展全固态6 6 0 n m 红光与5 3 2 n m 绿 光双波长输出激光器的研究具有非常重要的意义。目前常见的双波长激光器绝大多数大 多数为基频光和其倍频光同时输出，或者是两个基频光的同时振荡输出，其波段也主要 集中在1 3 1 9 n m 、6 6 0 n m ，抑或是9 4 6 n m 、1 0 6 4 r i m 的同时输出等，而6 6 0 n m 、5 3 2 n m 两 种波长同时输出的激光器研究还几乎是一个空白的区域。 本文围绕6 6 0 n m 红光与5 3 2 n m 绿光双波长全固态n d ：y a g 激光器开展了理论分析 和实验研究，设计出了实现红绿双出激光器的实验方案。实验中采用单根了n d ：y a g 棒 获得了1 0 6 4 n m 和1 3 1 9 n m 波段的基频光，然后通过倍频技术对基频光倍频，来实现 6 6 0 n m 与5 3 2 n m 红绿两种波激光的分别输出、同时输出。实验得到了得到了预期的红 光、绿光输出，在声光q 开关调制情况下单路红光、绿光的输出功率分别大于l1 0 0 m w 、 4 5 0 0 m w ；同时输出时，红光和绿光的功率分别约为1 0 2 0 m w 和4 3 0 0 m w ，实验中得到 了较好的红光和绿光模式。 关键词：全固态激光器，双波长，倍频技术，声光q 开关 a b s t r a c t n o w a d a y s ，w i t ht h ei n c r e a s i n gd e m a n df o rd u a l - w a v e l e n g t hl a s e ri nm a n yi n d u s t r i e s ， s u c ha si n t e r f e r e n c er a i n b o wh o l o g r a p h y , f i n el a s e rs p e c t r u m ，d i f f e r e n t i a la b s o r p t i o nr a d a r ( d i a l ) ，l a s e rm e d i c i n e ，l a s e rd i s p l a y , d u a l w a v e l e n g t hd i o d e - p u m p e dl a s e r h a st a k e nm o r e a d v a n t a g eo v e rt r a d i t i o n a ld u a l w a v e l e n g t hl a s e r s a n di th a sb e c o m eah o tr e s e a r c hs u b j e c t i nr e c e n ty e a r s a st w oi m p o r t a n tw a v e l e n g t h si nv i s i b l ew a v e b a n d ，w i t ht h e i rb r o a da p p l i c a t i o ni nc r o s s a r e ao fm e d i c a lt r e a t m e n t ，d i s p l a y , r e s e a r c h ，i ti sv e r yn e c e s s a r yt oc o n d u c tr e d & g r e e n d u a l w a v e l e n g t hd p lr e s e a r c h m o s to ft h er e p o r t e dd u m w a v e l e n g t ha l l 。s o l i d s t a t e l a s e r e m i tr a d i a t i o na t1319 n ma n d6 6 0 h m ，w h i c ha r ef u n d a m e n t a lf r e q u e n c yr a ya n d i t sf r e q u e n c y d o u b l i n go u t p u t t i n ga tt h es a m et i m e ，o ra t9 4 6 n m a n d l0 6 4 n m ，w h i c ha r et w of u n d a m e n t a l f r e q u e n c yo s c i l l a t i o nr a yo u t p u t t i n ga tt h es a m et i m e h o w e v e ri th a sn e a r l yb e e na b l a n ka r e a o fd u a l w a v e l e n g t hl a s e ro f5 3 2 n ma n d6 6 0 n m t h i sd i s s e r t a t i o nh a sm a d et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho n6 6 0 n ma n d5 3 2 n m d u a l w a v e n g t ha l l s o l i d s t a t en d ：y a gl a s e ra n da l le x p e r i m e n t a lp l a nc a r r y i n go u tt h i s s i m u l t a n e o u sd u a l w a v e l e n g t ho u t p u th a sb e e nd e s i g n e d i nt h ee x p e r i m e n t ，b yu s i n gas i n g l e n d ：y a gr o d ，w eg o tt w of u n d a m e n t a lf r e q u e n c yl a s e ra t10 6 4 n ma n d13 19 n m t h e nt h r o u g h f r e q u e n c yd o u b l i n gt e c h n o l o g y , 6 6 0 h ma n d5 3 2 n mo u t p u t sa r eo b t a i n e de i t h e rs i m u l t a n e o u s l y o rs e p a r a t e l y t h ee x p e c t e dr e da n dg r e e nl a s e ro u t p u t sa r ea c h i e v e dt h r o u g ht h i se x p e r i m e n t i ns e p a r a t eo u t p u ts e c t i o n ，b yu s i n ga na c o u s t o - o p t i cq s w i t c h ，11o o m wr e dl a s e ra n d 4 5 0 0 m wg r e e nl a s e ra r eo b t a i n e d a n di ns i m u l t a n e o u so u t p u ts e c t i o n ，t h ep o w e ro f r e dl a s e r a n dg r e e no n eh a v er e a c h e d10 2 0 m wa n d4 3 0 0 m w ，b o t hs e c t i o nh a v es a t i s f a c t o r yl a s e r p a t t e r n k e yw o r d s ：a l l - s o l i d - s t a t el a s e r ，d u a l - w a v e l e n g t h ，f r e q u e n c yd o u b l i n g ，a c o u s t o o p t i c q s w i t c h 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许 论文被查阅和借阅。本人授权西北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、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所等机构将本学位论 文收录到中国学位论文全文数据库或其它相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：狸握，l 一指导教师签名 渺夕年多月召e t 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本 论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北大 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己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 彩挥 m 7 年6 只g e t 西北大学硕士学位论文 1 1 全固态激光器简述 第一章绪论 1 1 1 固体激光器 固体激光器是指以固体材料为激光工作物质的激光器，从1 9 6 0 年t h 梅曼发明的 第一台固体激光器同时也是世界上第一台激光器一红宝石激光器以来，固体激光器一直 是激光器家族中最重要的成员之一。固体激光器最早采用的泵浦源为闪光灯，但是由于 闪光灯的发射光谱宽，而固体激光工作物质的吸收带很窄，所以不但导致了很低的电光 转换效率还造成了较大的热效应，因此固体激光器的转换效率低而且光束质量较差，因 此在l d 泵浦技术成熟之前固体激光器的发展受到了极大地制约。 1 1 2 全固态激光器 全固态激光器是指用半导体激光器( l d ) 代替传统的闪光灯泵浦的固体激光增益介 质激光器，也称为激光二极管泵浦的固体激光器( l d p s s l 或d p l ) 1 1 。 1 9 6 2 年g a a s 二极管问世以后，美国人r n e w m a n 2 】于1 9 6 3 年利用g a a s 二极管在 8 0 8 n m 附近的辐射泵浦n d ：c a w 0 4 得到了1 0 6 p x n 的受激荧光输出，这一工作拉开了全 固态激光器的研究和制作的帷幕。1 9 6 4 年，l d 泵浦f a f 2 ：u 3 + 激光工作物质的固体激光 器( d p s l ) 在美国林肯实验室诞生【3 1 ，这是世界上第一台全固态激光器。1 9 6 8 年，麦道 航空公司研制出了第一台用g a a s 二极管泵浦的n d ：y a g 激光器【4 】。但是由于早期的 l d 其工作稳定性差，转换效率低，其使用寿命比闪光灯还要短，而且需要在低温下才 能实现波长匹配，因此l d 作为固体激光器的泵浦源很不成熟。 上世纪七十年代全固态激光器基本没有大的突破，l d 泵浦源本身的低功率和低转 换效率，仍然是极大的妨碍了全固态激光器研究的进展的主要原因。而且当时的l d 光 束质量不佳，其发散角大、波长单调，还需要低温工作环境，因此早期的全固态激光器 的性能无法与灯泵的固体激光器或者其他激励方式的激光器相比。 进入上世纪八十年代后，晶体生长技术分子束外延( m b e ) 、金属有机化学气相沉淀 ( m o c v d ) 和化学束( c b e ) 等技术的日益成熟以及量子阱( q w ) 和应变量子阱( s l q w ) 新 结构的出现，极大的提高了l d 的各项性能指标，同时也促进了高效率、高功率、使用 寿命长的l d 及其阵列的发展，为半导体泵浦全固体激光器的长足发展奠定了基础。 大功率l d 的发展、l d 泵浦固体激光器整体设计上的优化，使得高效、大功率 第一章绪论 l d 泵浦固体激光器在上世纪九十年代有了很大的进展，因此全固态激光器其研究的研 究重点也已转向实用化和商品化方向发展。国外的s p e c t r a p h y s i e s 、s d l 、c o h e r e n t 等 公司分别都分别推出了各种型号的连续和脉冲工作的d p s l 激光器。另外，各所著名大 学，如国外的麻省理工学院，英国的s o u t h a m p t o n 大学；国内的天津大学、清华大学、 上海光机所、中科院物理所、西北大学、山东大学等单位也在全固态激光器方面也进行 了许多研究，并取得了许多成果。 1 1 3 全固态激光器的优点 全固态激光器的优点主要体现在以下几个方面【5 】： 1 能量转换效率高。 全固态激光器的最大的优点之一体现在其具有高的能量转换效率。这是灯泵浦固 体激光器所无法比拟的，其根本原因是：激光工作物质的吸收峰很窄，而l d 的发射光 谱也非常窄( 2 n m 3 n m ) ，根据实际需要可以选择能产生相应激励波长的l d ，其发射光 谱落在激光工作物质的吸收峰附近，这样可以使泵浦波长可以和工作物质的吸收峰波长 完全重合，这样泵浦光可以很好的被工作物质吸收，使得全固态激光器的光一光转换效 率大大高于灯泵的普通固体激光器。灯泵固体激光器则达不到全固态激光器的高转换 率，这是因为灯泵的辐射谱线宽，而激光工作物质的吸收峰非常窄，只有吸收峰附近的 泵浦光得到了利用，而其余的相当一大部分的泵浦能量主要以热能的形式损耗掉了，这 使得灯泵的光一光转换效率非常低，而且造成了大功率下的热效应显著。 2 寿命长、稳定性好 经过八十年代和九十年代l d 技术的发展与成熟，l d 的寿命和可靠性都优于闪光 灯，这直接提高了全固态激光器的工作寿命。在连续工作时l d 的寿命是1 万小时与1 0 万小时之间，脉冲工作时间大于1 0 1 1 次，而闪光灯在连续工作时的寿命大约是4 0 0 h ， 其脉冲工作时间大约为1 0 8 次。在全固态激光器中，能够达到其驱动电源的电流起伏小 于o 1 ，l d 加温控系统后温度起伏小于o 1 ，泵浦光的能量起伏小于0 5 ，所以全 固态激光器具有更高的频率稳定性和更窄的线宽。 3 热效应小、输出光束质量高、功率大、频率稳定性好 由于激光二极管泵浦激光器泵浦光和工作物质吸收带之间良好的光谱匹配，系统 中的泵浦光的利用率得到了提高，由于泵浦光热损耗而造成的激光器的发热能得到有效 的降低，从而降低了热透镜效应和热光畸变，利于改善光束质量。此外在纵向泵浦时， 西北大学硕士学位论文 还可以产生近衍射极限、近于理想t e m o o 模强度分布的输出。再通过调q 技术可以获 得高脉冲峰值功率；通过锁模技术，还可以得到飞秒级别的脉冲输出，获得极高的峰值 功率输出；利用固体激光器的倍频和混频等技术，还可以得到从红外、可见光，到紫外 甚至深紫外波段的较大功率的激光输出。 4 结构紧凑、体积小 全固态激光器具有结构简单、体积小等特点，可以设计出结构紧凑的激光，通过 适当的技术，全固态激光器可以达到耐高温、耐寒、防冲击、全固化的要求，可以满足 航天、造船、工业生产场所的需求。 1 2 全固态双波长激光器的研究进展和状况 自从激光器问世以来，激光一直受到了极大的关注，它导致了光学领域的巨大革命， 也为整个科技领域的进步和发展起到了极大的助推作用。在激光问世的将近半个世纪中 激光器被广泛的应用于科学研究、工业制造、医疗、通信的领域，激光器本身也在这些 领域中也得到了极大的发展。其发展不仅体现在激光工作物质的极大丰富，还表现在激 光器的输出的光谱的极大丰富。 近年来，单一波长输出的激光器在某些领域中其功能略显单一，如在干涉彩虹全息、 精细激光光谱、差分吸收激光雷达( d l 地) 、激光医学、激光显示等诸多领域中都表现 出的对双波长输出的激光器的需求，所以同时输出两个波长或者多个波长的激光器越来 越得到人们的重视。气体激光器利用其能级较多、非均匀加宽等原因，能够比较容易的 获得两种波长及两种波长以上的激光输出，但是全固态双波长激光器由于它具结构紧 凑、体积小、功率高、且其覆盖的波段也尤为重要，这些优点比气体激光器在某些应用 领域中更有优势，因此近年来，全固态双波长激光器已经成为国际上一个较为热门的研 究课题。 早在上世纪九十年代，对双波长固体激光器的研究就得到了人们的极大关注，1 9 9 0 年h y s h e n 在所发表的文章【6 】中提出了实现双( 多) 波长同时振荡的阈值平衡条件，并 且对几种掺n d 离子激光晶体在灯泵浦下产生连续和准连续双波长振荡的可能性进行了 比较。同年g e o r g e a h e n d e r s o n 9 】提出了一种y 型腔结构的n d ：y a g 双波长激光器来实 现调q 运转双波长激光器双波长脉冲最佳的时间和空间重叠，并提出了理想四能级系 统的双波长速率方程模型。到了1 9 9 2 年，h ys h e n 通过n d ：y a l 0 3 晶体获得了1 3 4 1 4 n m 和1 0 7 9 5 n m 双波长输出，并利用两块l i l 0 3 晶体对分别对1 3 4 1 4 n m 和1 0 7 9 5 n m 进行 3 第一章绪论 倍频得到了6 7 0 7 n m 和4 13 7 n m 的激光输出【1 0 】，其后他对灯泵n d ：y a p 双波长激光器进 行了实验研究，对应1 3 4 1 n m 和1 0 7 9 n m 得到脉冲能量分别为3 7 1 j 和1 3 9 j ，转换效率 为1 2 9 和0 4 8 1 1 1 1 。1 9 9 4 林文雄等报道了1 0 6 4 n m 和1 3 1 8 n m 的n d ：y a g 双波长激 光器，最大输出总能量为1 4 5 5 j ，对应于能量转换效率分别为o 3 1 和0 4 5 。不过在 初期对双波长激光器的研究，都是以灯泵的固体激光器为研究基础的，其输出功率和转 换效率都非常的低。 进入本世纪，对双波长激光器的研究进入全固态阶段，由l d 泵浦取代灯泵大大提 升了双波长激光器的输出功率和转换效率，对双波长( 或多波长) 激光器的研究工作也 由此取得了更多的进展。2 0 0 0 年，y f c h e n 1 3 】提出了采用l d 泵浦实现连续双波长运转 的同阈值振荡条件，并采用l d 端面泵浦n d ：y v 0 4 晶体三镜腔结构在最大输入功率 1 2 4 w 时得到1 1 w 的1 0 6 4 n m 和2 4 w 的1 3 4 2 n m 的连续双波长输出。2 0 0 3 ，w e n x i o n g l i n t l 4 】针对增益介质n d ：y a l 0 3 受激发射的偏振特性提出了采用两镜腔结构来实现双波 长脉冲较佳的时间和空间重叠。2 0 0 4 年h x l i 等 i5 】报道了利用l d 泵浦n d ：y v 0 4 晶体 声光调q 产生1 0 6 4 n m 和1 3 4 2 n m 双波长输出。2 0 0 6 年，r u iz h o u 等【16 】报道了l d 端面 泵浦n d ：y v 0 4 晶体，在最大输入功率2 4 w 时得到总的输出功率为4 3 9 m w 的1 3 8 6 n m 和1 3 4 2 n m 的连续双波长输出；l z h a n g 1 7 】报道了l d 泵浦n d ：y a g 晶体1 0 6 4 n m 和9 4 6 n l r l 双波长脉冲激光输出，在注入泵浦功率1 4 2 w 时获得总的平均功率1 6 w 的双波长 输出，转换效率为1 1 3 ；l uy , z h a n gbg l ie b 等【1 8 】通过l d 端面泵浦n d ：y a g 晶体 10 6 4 n m 和9 4 6n n l 双波长连续激光输出。2 0 0 8 年，z h u ，h y 等【l9 】报道了l d 侧面泵浦 n d ：y a g 晶体，在泵浦功率4 8 0 w ，重复频率5 k h z 时，得到总的平均输出功率4 3 w 的 1 3 1 8 8 n m 和1 3 3 8 2 n m 的双波长输出。 随着研究的不断深入，人们还利用双波长激光器输出的两种波长，再经过非线性频 率变换技术得到了更多的波长。2 0 0 3 ，jl i a o 2 0 】利用l d 泵浦n d ：y v 0 4 晶体声光调q 两 镜腔结构产生1 0 6 4 n m 和1 3 4 2 n m 双波长输出，并在腔外使用一块非周期光学超晶格 a p p l t 实现了红、绿、蓝三色激光输出，平均输出功率分别为1 3 5 m w 、3 m w 和1 5 m w 以及利用l d 泵浦n d ：y v 0 4 晶体三镜腔结构产生1 0 6 4 n m 和1 3 4 2 n m 连续双波长输 出；j l h e 在腔外使用一块非周期光学超晶格a p p l t 实现了红、黄、绿交通信号光激光 输出，输出功率分别为1 8 m w 、0 7 9 m w 和0 6 4 m w 口。 1 3 红绿双出全固态双波长激光器 4 西北大学硕士学位论文 1 3l 全固态红光激光 6 6 0 r i m 红光激光器在激光医疗、激光显示等方面有着巨大的应用前景，还可以作为 调谐激光器的泵浦源 2 2 - 2 3 】。 i在医学上的应用 在医疗上，红光治疗是光动力疗 法的重要手段1 7 “- 2 ”。光动力学治疗 ( p d t ) 是利用光敏剂的光动力反应选 择性破坏靶组织的全新治疗技术。红 光对组织的穿透能力强，可以达到组 织深处。通过6 6 0 m n 红光照射血叶 琳醋硫酸盐( 光敏剂) ，会产生一系 列光动力学作用，产生单态氧等氧化 力极强的细胞毒性物质而系死癌细胞。 2 激光显示 图i i 全固态红光激光器 因而6 6 0 1 l m 红光是治疗早期癌症的理想光源 激光全彩显示近年来一直是显示领域的研究热点，由于激光的单色性好，因此用 激光显示，图像更为逼真、清晰。红光作为三基色之一，必不可少。在三基色中，产生 绿光的技术较为成熟，已经可以获得高功率、高质量的绿光输出。红光和蓝光目前仍是 研究的重点，获得大功率、高质量的红光和蓝光是激光显示中的关键。 3 6 6 0 r i m 红光又可以作为泵浦源，用于泵浦c r ：u s a f 、c r ：l i c a f 、c r ：l i g a f 等可调 谐晶体。 1 3 2 获得红光激光的几种方法 用半导体激光器直接获得红光激光输出、氮氖以及氪离子气体激光器、自倍频技术 实现红光输出，以及全固态激光器( 1 3 9 i n 波段) 倍频后获得红光输出都是获得红光激 光的方法。 利用半导体产生红光输出最常见的是a i g a l n p 红光l d ，波长在6 7 0 r n n 附近。半 导体获得的红光输出已经广泛的用于条码扫描、激光打印和塑料光纤通信等领域口6 1 。但 是半导体红光激光发散角大、光束质量差、线宽宽、输出波长及功率随温度漂移，所以 目前难以在彩色显示、单模运转、超短脉冲等领域取代固体红光激光器俐l 。 h e - n e 激光器输出波长为6 3 2g r i m ，输出功率为毫瓦量级，输出方式为连续输出。 第一章绪论 h e n e 输出光束质量高，所以被广泛用于准直、定位、全息照相、精密计量等方面。但 是h e n e 激光输出功率小它的应用受到了限制。 氪离子气体激光器相对固体激光器来说，其效率较低、设备复杂而且昂贵，因此全 固态红光激光器有望用来取代昂贵的氪离子气体激光器。 自倍频激光技术是利用激光非线性复合功能晶体( 即自倍频晶体) 的非线性光学效 应，将工作物质的激活离子的受激发射转变成二次谐波，它兼具激光晶体的受发射功能， 与非线性光学晶体的非线性光学性质，能够实现自激活、自倍频、自锁模等多功能，但 是自倍频晶体价格昂贵，而且还处于实验研究阶段，距技术投入实际应用还有一定的距 离。 相比而言，全固态红光激光器由于其转化效率高、输出功率高等特点，因此得到了 人们的极大关注。其原理是通过全固态激光器，如n d ：a y g 、n d ：y v 0 4 、n d ：y l f 激光 器等，产生1 3 岬波段的基频光，再利用倍频技术，就可以得到6 7 0 n m 附近的红光输 出。目前常见的全固态红光激光器是掺n d + 3 离子全固态红光激光器：包含了n d ：y v 0 4 激光器( 6 7 1 n m ) 、n d ：y a g 激光器( 6 6 0 n m ) 、n d ：y a p 激光器( 6 7 0 n t o ) 、n d ：g d v 0 4 ( 6 7 1 n m ) 等激光器。 用于产生红光的倍频晶体材料有：k t p ( 包括抗灰迹k t p ) 、l b o 以及超晶格材料 p p l n 、p p l t 、p p k t p 等。其中k t p 晶体具有高的非线性系数、允许的相位失配角大、 走离角小、机械性能稳定不潮解，热导率高等特点，一直以来广泛应用倍频掺钕激光以 获得绿光和红光的输出。l b o 也是常见的用于获得红光倍频晶体，它透光波段，紫外 透光性好，有良好的物理化学性质，破坏阈值很高，但是略微潮解。l b o 常被用于大 功率泵浦激光系统中。 常见的全固态红光激光器其腔型简单，最常见的有直腔v 型腔等，可根据不同的 需要进行设计。以n d ：y a g 红光激光器为例，其常见的腔型如图： ( a ) 图1 2 常见n d ：y a g 红光激光器腔型( a ) 直腔( b ) v 型腔 6 西北大学硕士学位论文 3 3 全固态绿光激光 绿色激光( 5 3 2 n m ) 在许多领域都有着广泛的应用，如 1全固态绿光激光是重要的泵浦源。 飞秒激光在信息技术、超快现象、生命科学 领域具有非常重要的应用价值，而绿光激光是重 要的泵浦源。如1 9 9 4 年，由kl a m b 实现的掺 钛蓝宝石飞秒激光器的全固化运转，其泵浦源就 是由半导体激光器泵浦n d ：y l f 产生的5 2 35 a m 连续倍频绿光光作泵浦源。1 9 9 6 年s p e g t r a 图1 3 绿光激光在医疗中的应用 p h y s i c s 用5 w 的5 3 0 a m 绿光激光泵浦自锁模t i ：a 1 2 0 3 飞秒激光器，产生了5 0 f s 光脉冲。 西北大学的白晋涛等人利用绿光激光器泵浦t i ：a 1 2 0 3 激光器，再使用b b o 晶体进行倍 频后，获得了7 3 r o w ，波长4 0 2 r i m 飞秒蓝光激光口8 】。绿光激光嚣还可作为可调谐辙光 器的泵浦源1 2 9 - 3 2 】在医学、物理学、化学、生物学等领域都有着重要的应用。 2 全固态绿光激光也是医疗上重要的医疗手段。 人眼对绿光最为敏感，5 3 2 n m 波长全固态绿光脉冲激光可用于眼科疾病的治疗。 同时绿光波段位于氧合血红蛋白吸收峰附近，可用于治疗血管性疾病和鲜红斑痣【”训。 如，西北大学光子所研发生产的百瓦级全固态绿光激光器，其输出的绿光具有功率大、 光斑小的特点，可以用来对病变组织的切除，有创伤小、止血快、患者恢复较快等优点。 3在工业加工上，绿光激光由于其功率高、聚焦光斑小、作用时间短、热影响区小、 工件在加工过程中不会产生大的形变等优点，而且可以对一些硬度高、脆性的材料进行 加工，因此在精密加工中显示出它独特的优越性。全固态的绿光激光器研制出满足汽车 或船舶工业应用的高功率全固态激光嚣焊接装备，能稳定、可靠的在工程环境下长期稳 定运行，焊接金属板材，如焊接的普通低碳钢板、双面镀锌板和不锈钢板等板材。 4紫外、深紫外激光器在军事，印刷，医学，工业上都有着广泛的用途。而通过对绿 光激光的倍频获取紫外、深紫外激光是目前获取紫外激光的最有效、最广泛的方法1 3 5 - 3 s 】。 5激光演示是城市景观的重要组成部分，而绿光激光演示中占据了重要的地位。全固 态绿光激光器演示具有亮度高、色彩艳丽、大气损耗低等特点，己被广泛的应用于制作 激光射灯、表演特殊的激光光束效果、激光动画以及三维图文。另外，绿光是三基色之 一，对高质量的绿色激光的研发也是激光显示研究中需要重点研究的部分。 第一章绪论 圈1 城市绿光激光景观宴拍 此外，绿光在光存储、信息处理、准直，检测、干涉测量、光散射、全息、流氏细 胞仪、无损检测、军事等许多领域中也得到了广泛的应用。 1 34 绿光激光的产生方法 产生绿光激光的方法很多，如利用气体激光器、半导体激光器、利用上转换效应直 接输出绿光，或者利用倍频技术获得绿光输出。 i气体激光器获得绿光激光 最早的获得绿光激光的方法是氢离子气体激光器和铜蒸汽激光器直接获得绿光激 光输出。气体激光器获得绿光激光输出，虽然其功率高可达百瓦量级，但是其体积庞大、 设备复杂、需要外界设各多、效率低，而且工作物质有毒因此限制了其在更大范围内的 应用。 2利用上转换泵浦发射绿光激光 在固体基质材料中掺入稀土离子，通过外界泵浦光的激励，由稀土离子的能级跃迁 辐射而产生绿光激光，此种方法是利用上转换效应一即激发光波长小于泵浦光波长。 3 半导体激光器直接获得绿光输出 半导体激光器是以直接带隙半导体材料形成的p n 结或在p i n 结为工作物质端面直 接镀膜形成谐振腔的一种小型化激光器。如1 9 9 6 年，索尼公司研制生产的z n s e 半导体 激光器连续绿光激光器【3 ”工作寿命超过1 0 0h 、输出功率为1m w 输出波长为5 1 5n m 。 常见的半导体激光器材料有砷化稼( g a a s ) 、砷化锢( i n a s ) 、锑化锢( i 衄b ) 等。但是，半导 体绿光激光器由于材料制备和器件工艺方面的困难，其研究进展一直比较缓慢。 4 利用倍频技术获得绿光输出 西北大学硕士学位论文 利用泵浦激光晶体产生1l am 波长附近的振荡，再结合倍频技术就可以获得高功率 绿光输出。如，第一台全固态小型绿光器件就是用l d 泵浦n d ：y a g 获得基频光再用铌 酸钡钠为倍频晶体倍频得到绿光输出的。早期的全固态绿光激光器在结构上较为复杂， 但输出的激光具有良好的光束质量。随着倍频材料和倍频技术的发展。特别是在1 9 7 6 年，杜邦公司的r m a s s e 和j c g r e n i e r 1 发明了非线性系数大、损伤闽值高的k t p 晶体之后，通过非线性频率变换技术获得输出功率高，光束质量好、稳定度高的绿光激 光成为了获得绿光激光的有效手段。 1 3 5 红绿双出激光器的意义 从上述的红光( 6 6 0 n m ) 、绿光( 5 3 2 n m ) 激光的用途和其特点中我们认识到红光激 光和绿光激光在医疗、激光显示以及科研中有许多相似和交叉的地方，如：在医疗上红 光和绿光都是重要的治疗手段、二者都是激光显示技术中的核心技术，而且在科研上红 光激光和绿光激光都是重要的泵浦源。所以这就使得开展一台激光器可以实现输出红、 绿激光两种波长的工作具有了重要的意义。 首先，研究“红绿双波长激光器”可以实现“一台激光器、多种功能”。如：同一台 激光器可以用于光动力疗法( 红光激光) 同时也可以用于眼科疾病治疗或者充当激光手 术刀( 绿光激光) ；在激光演示或者显示方面可以分别获得红光或者绿光、抑或二者同 时输出；还可以用作充当多种激光器的泵浦源。 再者，近年来国内的双波长激光器主要为：通过基频光与其倍频光的同时输出，或 者通过两个基频光的振荡输出，实现“双波长”激光器。而且近年来双波长激光器的报道， 其波段主要集中在1 3 1 9 n m 与其倍频光6 6 0 n m 的同时输出、9 4 6 n m 与1 0 6 4 n m 的同时输 出等，而未见到对同一台激光器输出红光( 6 6 0 n m ) 和绿光( 5 3 2 n m ) 两种波长的报道。 因此，开展红绿双出的激光器研究可以为拓宽双波长激光器的输出光范围做一些贡献。 此外，绿双出激光器不但实现了红绿两种激光器二者的集成，还大大的减少了分别 研制或者购置红光和绿光激光器的费用。 9 第二章l d 泵浦全固态双波长n d ：y a g 激光器理论分析 第二章l d 泵浦全固态双波长n d ：y a g 激光器理论分析 2 1 四能级系统和速率方程理论 通过激光工作物质中粒子数反转产生激光的物理过程一般可以归结为两种，即三能 级系统和四能级系统。例如，第一台红宝石激光器其激光工作物质的辐射机理就是三能 级过程。而l d 泵浦的掺n d 3 + 离子激光晶体，如n d ：y l f 、n d ：y a g 、n d ：y v 0 4 、n d ：g d v 0 4 等许多激光工作物质，其辐射机理则是典型的四能级过程【1 。】。 速率方程是从爱因斯坦的唯象理论出发，简单的认为在光场的感应作用下，原子发 生受激辐射跃迁并引起个原子能级上的原子数密度变化，与此同时，激励光场的光子总 数或光子数密度亦发生相应的变化。据此得到了介质中原子各工作能级上的粒子数密度 及介质中的光场的光子总数随时间的变化率方程，简称速率方程【8 】。通过求解速率方程 组可以建立光波场与物质间相互作用的解析解，对于分析激光系统中的激励泵浦、粒子 数反转、增益及其饱和、激光器的功率特；l 生及一些重要的动力学过程都具有重要的实际 意义。 2 1 1 四能级系统 在本文中，实验采用的激光器工作物质是n d ：y a g ，属于四能级系统。与三能级系 统相比，四能级系统具有较低的阈值、较高的效率，容易获得激光振荡【9 】。 e 3 e 2 e l e 0 基能级 图2 1四能级激光系统能级结构和跃迁方式 图2 1 中各符号的定义分别为：e o 为基态能级，e l 为激光下能级，e 2 为激光上能级， e 3 为泵浦吸收带。r 0 3 、r 3 0 分别为单位时间内基态e o 上的粒子被泵浦抽运到泵浦带上 的几率和单位时间内从泵浦吸收带上的粒子辐射跃迁的几率，w 1 2 、w 2 1 分别为激光的 受激吸收和受激发射速率，s 3 2 为泵浦带到激光上能级的无辐射跃迁几率，a 2 l 为激光能 l o 西北大学硕士学位论文 级间的自发辐射跃迁几率，s 2 l 、s l o 为无辐射跃迁几率。 四能级系统的运转机理是：在外界泵浦光的激励作用下，基态能级e o 上的工作粒 子被抽运到泵浦吸收带e 3 ，粒子在e 3 能级上荧光寿命非常短，粒子迅速通过无辐射跃 迁由泵普吸收带驰豫到激光上能级e 2 ；而粒子在激光上能级e 2 上具有较长的荧光寿命， 所以抽运到e 2 能级的粒子数随着泵浦强度的增加和泵浦时间的推移越来越多的被积累 下来，从而与e 1 能级之间形成了粒子数反转分布，在自发辐射的诱导下，e 2 能级上的 激活粒子通过受激辐射跃迁到激光下能级e 】，产生光的光子态与信号光相同。e 1 上的 粒子荧光寿命寿命非常短，所以迅速驰豫到基态能级，然后再通过泵浦被抽运到泵浦吸 收带上，由此循环形持续的激光运转。一个合格的四能级系统，其e ，能级与基态能级 凰之间的弛豫时间z i o 必须明显的短于荧光寿命，即乃o s 3 1 ，a 3 1 、w ” a 2 1 8 2 l 。其中w 。的物理意义与四能级中的轧3 类同，a 3 l + s 3 1 的物理意义与四能级中 的r 3 0 类同，分别为单位时间内基态e o 上的粒子被泵浦抽运到泵浦带上的几率和泵浦吸 收带上的粒子辐射跃迁的几率。 1 3 第二章l d 泵浦全固态日被长n d ：y a g 激光器理论分析 l s e r 图2 2 三能级激光系统能级结构和跃迁方式 假设介质中各能级中的粒子总粒子数密度为n ，相应的各能级上的粒子数密度分别 为n ，、蛳n 3 、介质谱线的加宽线型为g ( v ) ，单模光场的总光子数为中，忽略介质 内光子数的非激活损耗及其他一些次要的跃迁过程，可得三能级系统的速率方程组8 1 ： 等= 叫一晶+ 跗码 鲁= 一h z 暖，+ _ 彤：一( 一：+ 是- ) 凡+ 月，最： ”l + ”2 + 鸭= 月 ( 2 1 3 ) 盟：i l 融一垒_ d t “缸 利用四能援系统中的一些结果，可以得到： 鲁2 一一妻 等= 一一打詈+ 昙 n l 十”2 + 3 = j “ ( 2 1 4 ) 堕：“神，一垒 i d t h 警却一z - n ) w p ( 咖- ( 1 + 嘲血一( 曲一争鲁 2 13 准三能级系统1 2 1 准三能级系统介于三能级系统和四能级系统之间，准三能级的下能级是基态能级的 一个s t a r k 子能级，由于其能量较低，在室温条件下由于热运动，它上面也会存在一定 的粒子数，因而具有与三能级、四能级系统不同的独特性质。 准三能级激光系统最常用运于端面泵浦的掺n d ”离子增益介质的激光系统中，例 西北大学硕士学位论文 如n d ：y a g 1 3 - 1 5 ，其9 4 0 n t o 谱线属于准三能级系统，对应4 f 3 2 - 4 1 9 2 之间的跃迁。 4 9 4 0 n t o p 8 5 2c 舶 图2 3 准三能级系统能级结构与跃迁方式 在准三能级系统中，激光下能级是基态的一个斯塔克分裂能级，分裂能级上的粒子 数布居服从玻耳兹曼分布率。下能级与基态能级的平衡粒子数由公式( 2 1 5 ) 决定： n l n 2 = e x p ( - a e & t ) ( 2 1 5 ) 式中，z x e 为两个能级间的能量差，t 为增益介质温度，k 为常数。 稳态时准三能级的反转粒子数分布满足的速率方程为1 2 】： 掣吨啪力一业半 。6 ， 一旦删( r ，z ) 妒。( ，z ) 一导 ( ，z ) 一。】2 ：o 为谐振腔内光子总数，f = 五十兀( 无、五分别为激光下能级、激光上能级上的粒子 数占整个基态能级粒子数的比例) 。 2 2 全固态多波长激光器的理论依据2 3 通常，固体激光器中由于激光谱线之间的模式竞争，增益较弱的激光谱线会被增益 较强的激光谱线抑制掉而无法振荡，因而一般只能在增益较强的谱线处实现激光振荡。 为了使多个激光谱线能够同时实现激光振荡，必须采取一些方法使这些激光谱线具 有相同的增益，也就是说，必须使这些激光器在这些谱线处有相同的阈值，这样就能够 获得多波长激光的同时输出。 对于同一个激光器来说，如果想要在n 条谱线处同时实现激光输出，那么在这n 条 1 5 1 1 q 1 m m 皿 n 一锄 弛 0 3 2 r 第二章l d 泵浦全同态双波长n d ：y a g 激光器理论分析 谱线处必须满足下面的条件： 尺f 巧e x p 2 ( g f z i ) 1 0 - 1 ( f _ 1 ，n )( 2 1 7 ) 式中，& ，厶，乇分别为激光器在第i 条谱线处的增益、腔内固有损耗以及激光棒的长度， 足和1 分别为激光器的前后两个腔镜在第f 条谱线处的反射率。 对于侧面泵浦的固体激光器来说，第f 条谱线的阈值泵浦功率可表示为 p t t h , i 一- 而h v v a ，l + a t l + 尹1 去) + 0 ) 】 ( 2 1 8 ) 刁巩厶 z似 。 其中，v 对应发射光频率，为泵浦光被晶体吸收的效率，町为晶体吸收光功率转换成 相应频率荧光的效率，反，为由激光晶体对运转光波场的吸收损耗，h a ( 1 r r ) 对应激光 枪的耦合输出损耗，6 ，表示所有非投射损耗的外部损耗( 如衍射损耗等) ，l 对应激光 工作物质的长度，y 对应于激光工作物质的体积。仃，r 分别是激光受激发射截面和对应 激光上能级粒子寿命。r ，r 分别为两镜腔对腔内运转光的反射率。 为了实现多波长激光的同时输出，必须使激光器在所有的激光谱线处的阈值等于在 具有最低增益的谱线处的阈值。对于侧面泵铺的激光器来说，有： 羔h + 瓦1i n ( 去肛而h v 2 v z + 壶i n ( 去) 】( 2 舯， 式中，右边的部分为增益最低的谱线的阈值。根据( 2 1 8 ) 可以在满足多波长激光振荡 条件时，腔镜对各条激光谱线的透过率进行计算。也可以根据不同的实际情况( 各条激 光谱线处的激光腔模直径是否相同，是否具有相同的激光上能级，是否具有相同的受激 发射截面等) ，对( 2 1 8 ) 进行简化，可以得到适合不同情况的简化最佳透过率表达式。 2 3 非线性光学二次谐波产生理论 2 3 1 非线性频率变换技术 非线性光学效应反映了光学介质与强光场之间相互作用的基本规律。1 9 6 1 年 f r a n k e n 在实验中用红宝石激光通过石英晶体，发现产生了2 倍于该光束频率的紫外光， 该实验标志着对物质的非线性光学特性领域进行深入研究的开始。 非线性光学频率变换技术是利用光学介质在强辐射场下的非线性光学效应产生新 1 6 西北大学硕士学位论文 的频率，从而扩大了高功率激光器的应用范围。它包括了谐波的产生等弹性过程( 在作 用过程中保持了光能) ，以及布里渊散射或受激拉曼散射等非弹性过程。 通常，通过二倍频、三倍频或四倍频效应就可以从给定的高功率源中产生某种谐波， 因此倍频技术是重要的、拓展激光谱线范围的重要手段；或者，通过和频与差频发生的 相关过程也能获得新的波长，这些过程能够产生覆盖紫外到远红外的几乎整个光谱区的 高功率辐射；光参量振也是重要的频率变换手段，从泵浦源它可以产生两个低频波，有 的时候还能从一个单频源中产生出覆盖整个可见光波段以及近红外区范围的波长。 2