（物理电子学专业论文）LD泵浦Ndlt3gtYVOlt4gt1342nm固体激光器研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 本文给出了所设计的l a s e rd i o d e ( l d ) 端面泵浦掺钕钒酸钇( n d 3 + ：y v 0 4 ) t - _ - - - - 。 1 3 4 2 n m 固体激光器的结构参数，并对与激光器有密切关系的一系列问题进行了研究， 包括： ( 1 ) 激光器增益介质n d 3 + ：y v 0 4 晶体的基本物理、光学性质，比较了其相对 n d 3 + ：y a g 晶体更适合于l d 泵浦的优势，并详细讨论了n d 3 + ：y v 0 4 晶体在工作中 的热效应问题，同时对激光器工作时的晶体等效热焦距进行了估算； ( 2 ) l d 端面泵浦固体激光器谐振腔的优化设计，包括腔型、腔长、输出镜透过 率等； ( 3 ) 基于激光器高斯光束光斑尺寸的1 e 定义，提出了一种简便易行的估测高斯 r 光束基本参数的实用方法n 怯际测量了我们正在研究的l d 泵浦n d 3 + ：y v 0 41 3 4 2 n m ” 、 固体激光器的输出光束特性，并与理论计算值进行了比较；7 7 、， ( 4 ) 对端面泵浦固体激光器的泵浦系统设计进行了深入的研究n 龄别探讨了带 ” 尾纤输出的l d 直接泵浦、带尾纤输出的l d 通过双透镜整形聚焦泵浦以及不带尾纤 的l d 单管采用柱面镜整形泵浦等三种方案，并通过实验验证和比较了不同的方案、 、 不同泵浦光斑尺寸对激光器输出功率的影响；y ￥ ( 5 ) 实际观察了l d 泵浦n d ”：y v 0 41 3 4 2 n m 固体激光器输出光谱曲线并从多 纵模和模式竞争的角度对其进行了分析。 通过理论分析和实验验证，为下一步激光器的优化提供了参考依据。 关键词t磊 l d 泵浦固体激光器百 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h es t r u c t u r ep a r a m e t e r sh a v eb e e ng i v e no u tf o rt h el a s e rd i o d e ( l d ) p u m p e d n d 3 + ：y v 0 4l a s e r sa t1 3 4 2 n m a n dw e v ea l s os t u d i e das e r i e so f i s s u ea b o u tt h e l a s e ri n c l u d i n g ： ( 1 ) t h e b a s i c p h y s i c sa n do p t i c sc h a r a c t e r so f t h ec r y s t a ln d 3 + ：y v 0 4 ，c o m p a r e i tw i t h n d 3 + ：y a g a n dg i v ei t sa d v a n t a g e st ob ep u m p e db yl d s i tw a sd i s c u s s e dt h et h e r m a l e f f e c t so nw o r ki nd e t a i l a n dt h ee s t i m a t i o no ft h ef o c a ll e n g t ho ft h et h e r m a ll e n sh a v e b e e n g i v e n ( 2 ) i t w a sd i s c u s s e dt h a tt h er e s o n a t o ro p t i m i z a t i o no ft h el d e n d p u m p e ds o l i d s t a t e l a s e r , i n c l u d i n gt h ec a v i t ym o d e la n dl e n g t h ，t h ea n t i r e f l e c t i o np r o b a b i l i t yo fo u t p u tm i r r o r a n ds oo n ( 3 ) b a s e d o n t h ed e f i n i t i o no ft h eb a s i cp a r a m e t e r sa n dc h a r a c t e r so f t h eg a u s sb e a m ， as i m p l ea n d p r a c t i c a lm e t h o d w a s g i v e no u tt oe s t i m a t ea n dm e a s l l r ei t sb a s i cp a r a m e t e r s a tt h em e a n i n g t i m e ，w em e a s l l r e dt h eb a s i cp a r a m e t e r so f t h eo u t p u tb e a m o f t h el a s e ra n d c o m p a r e d i tw i t ht h et h e o r yc a l c u l a t i o nv a l u e ( 4 ) t h ep u m p i n gs y s t e m so f t h ee n d p u m p e ds o l i d s t a t el a s e r sw e r eg o n ed e e p l yi n t o r e s e a r c h i n g t h ep u m p i n g o u t l i n ew a sd i s c u s s e d t h e ya r et h ed i r e c t l yp u m p i n gs e tb yt h e p i g t a i lf i b e r , t h ep u m p i n g s e tw i t ht h ec o l l i m a t o ra n dt h el a s e rd i o d ep u m p i n g s y s t e mw i t h c y l i n d e rl e n sg r o u p a n ds e v e r a le x p e r i m e n t sw e r ed o n e t oc o m p a r et h ei n f l u e n c e so ft h e s e s y s t e m s ( 5 ) so b s e r v e da n de x p l a i n e dt h a tt h ep h e n o m e n o no fm u l t i l o n g i t u d i n a lm o d ea n d m o d e sc o m p e t i t i o ni nt h eo u t p u tb e a mo ft h el dp u m p e dn d 3 + ：y v 0 4l a s e r s i n r e a l i t y w i t ht h e s e t h e o r ya n a l y s i sa n de x p e r i m e n tv a l i d a t i o n s ，t h er e f e r e n c e f o u n d a t i o nf o rt h e u l t e r i o ro p t i m i z a t i o no f t h el a s e rw a sg i v e n k e y w o r d s ln d 3 + ：y v 0 4 l d p u m p e d s o l i d - s t a t el a s e r1 3 4 2 u m l i 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 1 1 激光二极管泵浦固体激光器的发展 自1 9 6 0 年第一台红宝石激光器问世以来【l l ，固体激光器的研究工作就一直非常活 跃。进入2 0 世纪8 0 年代，半导体激光二极管( l d ：l a s e r d i o d e ) 研究工作的巨大进 展，极大地推动着固体激光器件、技术及其应用的发展。在此基础上出现的激光二极 管( l d ) 泵浦的固体激光器( d p s s l ，d i o d ep u m p e ds o l i d - s t a t el a s e r ) 兼具激光二 极管和固体激光器的双重优点【2 1 ，其性能和可靠性都比以闪光灯作泵浦源的固体激光 器高得多，同时更具有体积小、重量轻、寿命长、效率高、高重复率等优点，并可制 成组件化和集成化的产品，在军事、医疗、通讯、加工和科学研究中具有广泛的应用。 半导体二极管泵浦固体激光器1 3 】( s e m i c o n d u c t o rd i o d e p u m p e ds o l i d - s t a t el a s e r ) 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。早在6 0 年代，用g a a s 二极管8 0 8 u m 的辐射泵浦n d ：c a w 0 4 已得到1 0 6 u1 1 1 的荧光输出1 4 j 。g a a s 激光二 极管发明之后不久，第一台激光二极管泵浦固体激光器( d p s s l ) 运行出光【5 】。这台 d p s s l 是用c a f 2 ：u ”在2 6 1 3 um 波长运转的，装置被放在液氮中。当时，虽然已 认识到l d 代替闪光灯作泵浦源有效率高，寿命长和结构紧凑的优点，但l d 在功率 和可靠性方面均达不到泵浦光源的要求，所以研究得很少。6 0 年代，r o s s 在1 7 0 k 低 温环境中，用g a a s 的l d ( 8 6 7 n m ) 泵浦n d ：y a g 成功【6 j ，并对d p s s l 的优点作了 中肯的评述。7 0 年代，r o s e n k r a n t z 用g a a s 的l d 端面泵浦n d ：y a g 成功【7 】。在低 泵浦功率情况下，端面泵浦比侧面泵浦( 即横向泵浦) 吸收长度大，斜率效率高。8 0 年代，由于量子阱的出现，使l d 的阈值电流减小，连续或准连续的功率有了明显提 高，因而d p s s l 的工作也上了一个台阶。k u b o d e r 和n o d a i s 首次用g a a i a s 量子阱泵 浦l n p ( l i n d p 4 0 1 2 ) ，得到波长1 3 i - lm ，功率1 4 m w 的单纵模激光束。周炳琨及其 同事 9 1 于1 9 8 5 年用l d 泵浦n d ：y a g 整体腔( 腔镜直接镀在y a g 两端面) ，得到了 稳定度比闪光灯泵浦高一个量级的激光束，其装置不需要水冷，结构紧凑。同年， s i p e s t o l 的报告表明l d 泵浦固体激光器的总效率可达到8 ，明显超过闪光灯泵浦。 华中科技大学硕士学位论文 之后还有一些采用k t p 等非线性元件对l d 泵浦的固体激光器进行倍频的研究，使 d p s s l 的应用面大大地拓展。1 9 8 4 年，l a i d i g 及其同事【3 】，用分子束外延( m b e ) 做 出应变层量子阱( s l q w ：s t r a i n e d l a y e rq u a n t u mw e l l ) ，从此l d 的功率和效率有极 大的提高，强烈地刺激了d p s s l 的工作。进入9 0 年代后，由于大功率l d 的发展和 d p s s l 整体设计上的优势，大功率的d p s s l 有了大踏步的推进。l d 单片列阵可以连 续运行在7 6 w 的功率水平上。这种大功率输出的泵浦光源己封装得十分紧凑，运行 可靠，且价格降到了人们可以接受的水平上。外延( e p i t a x i a l ) 生长工艺已可以让l d 的发射波长从6 3 0 r i m 扩展到1 1i s m 。对d p s s l 最大的推动力来自它广泛的应用前景， 它可应用于激光雷达、医学、光纤通信、空间武器、可控热核反应等诸多领域。而纵 向泵浦方式具有阚值低、效率高、横模选择能力强等优点，目前绝大多数中小功率 d p s s l 器件都采用这一泵浦结构。 1 2 掺钕钒酸钇晶体1 3 i lm 波段激光器的研究进展 掺钕钒酸钇晶体( n d 3 + ：y v 0 4 ) 是当前现有的二极管泵浦的固体激光器( d p s s l ) 中效率最高的晶体之一。与n d 3 + ：y a g 和nd _ 3 + ：正相比，n d 3 + ：y v 0 4 对二极管 激光器的泵浦波长和温度控制的要求更低，受激发射截面大 1 l t 5 】，在泵浦波长上吸收 系数高，吸收带宽宽，斜率效率高，激光阈值低，线偏振激发，能单模输出。此外， n d 3 + ：y v o 。晶体的一个吸收峰正好位于二极管激光器的中心波长，因此，n d 3 + ：y v 0 4 很适合用于高功率、高稳定性、高性价比的二极管泵浦固体激光器。在集成设计和单 纵模输出方面，n d 3 + ：y v 0 4 比其它的普通晶体表现出它特有的优点。二极管激光器 泵浦n d 3 + ：y v 0 4 集成激光器及其倍频绿、红或蓝光激光器将成为加工、材料处理、 光谱学、微片光刻、光学成像、医疗诊断、激光打印和其他更广泛应用的理想激光工 具。但是，与n d 3 + ：y a g 相比，n d 3 + ：y v 0 4 的热效应现象更为严重，影响了激光效 率、腔的稳定性和输出光束质量等。而且，掺杂浓度越高，热效应现象越明显。如果 能在激光器的设计中很好地克服晶体热效应的影响，则以n d 3 + ：w 0 4 晶体为增益介 质的l d 泵浦全固态激光器将具有很好的发展前景。 过去对n d 3 + ：w 0 4 晶体的研究主要集中在1 0 6 肛m 波段，对于1 3 um 这条谱 华中科技大学硕士学位论文 线研究相对较少，国际上对1 3um 的研究主要有【1 6 】： 一1 9 7 6 年t u k e r 1 7 1 利用氩离子激光研究了其在1 3um 的激光特性，并得到激光 输出，斜率效率7 ： 一1 9 9 3 年，h p l a e s s m a n n 等1 1 8 】研究了l d 泵浦声光调q1 3 4 2 n m 激光输出，斜率 效率2 2 ，用钛宝石激光泵浦斜率效率达到4 0 ； 一1 9 9 4 年，b o w k e t t 掣1 明用4 0 0 m w 的l d 泵浦获得3 5 9 m w l 3 4 2 n m 激光输出， 斜率效率2 2 ，用钛宝石激光泵浦斜率效率达到4 0 ，在泵浦功率为8 0 0 m w 时，得 到9 1 m w 输出，斜率效率达4 6 ，光光转换效率为1 1 4 ； 一1 9 9 7 年c o n r o y 等2 0 悃l d 泵浦微片腔n d ：y v 0 4 得到1 0 5 m w 单频基频光输 出： 一1 9 9 8 年8 月，a a g n e s i l 2 1 】等利用l d 泵浦，得到2 w 基频光输出。 国内主要有： 一1 9 9 7 年，山东大学晶体材料研究所王长青等f 2 2 】用1 w 的l d 泵浦，在晶体吸收 泵浦功率5 1 5 m w 时，得到基频光1 5 7 m w ，光光转换效率3 0 5 ，斜率效率3 1 5 ， 利用k t p 腔内倍频【2 3 】得到3 6 m w 红光输出： 一1 9 9 9 年，中科院的张恒利等人1 2 4 】报道利用光纤耦合输出大功率l d 模块端面泵 浦n d 3 + ：y v 0 4 晶体，得到1 3 4 2 n m 稳定基横模输出，最大连续输出功率2 2 7 w ，斜 率效率达到4 5 ，光光转换效率为3 4 4 ，同时利用k t p 晶体进行了腔内倍频研究， 得到7 0 m w 的红光输出：此外，他们用l d 泵浦连续波输出超过2 w ，利用k t p l 2 5 l 和l b o 2 6 】晶体腔倍频，分别获得超过2 7 0 m w 和5 0 0 m w 的6 7 1 r i m 红光输出。 一2 0 0 0 年，张恒利等人【2 7 1 用激光二极管泵浦，最大获得3 w 激光输出，斜率效率 4 3 7 。 一2 0 0 1 年，郑权等人口8 1 首次用临界相位匹配方式l b o 胶内倍频实现了高效率 6 7 1 r i m 红激光输出，当注入泵浦功率为8 0 0 m w 时，用i i 类临界相位匹配l b o 倍频， 得到基模红激光输出5 2 m w ，光光转换效率6 5 ；i 类临界相位匹配l b o 倍频，红 激光基模输出9 7 m w ，光光转换效率1 2 1 。 华中科技大学硕士学位论文 1 3 研究任务的提出 1 3um 区域激光由于正好处于硅光纤的传输窗1 ：3 内1 2 蚰9 】，非常适合于光纤通讯 中的应用，可用于制造光通讯中的光发送机、放大器等，同时，作为中红外参量激光 器的泵浦源将更为有效，此外，经过倍频2 明的红色激光取代氪离子激光也将有相当的 市场，还可用于光电子、激光微加工、激光医疗、光数据存储、光传感定位等诸多领 域，因此l d 泵浦的n d ”：y v 0 4 晶体1 3 4 2 n m 激光器的用途十分广泛。国内过去对1 3 l lm 波段的研究主要是以倍频制造红光激光器为目的，追求的是输出功率高，以获得 高功率的红光输出。而我们的课题来源于国家8 6 3 课题：喇曼光纤激光器及放大器关 键技术的研究，本激光器作为喇曼光纤激光器及放大器的泵浦源，输出的激光需要耦 合到光纤中，因此在要求有较大输出功率的同时还要求有较好的光束质量，较小的光 斑尺寸和发散角。 1 4 研究工作的主要内容 ( 1 ) 根据激光谐振腔理论推导出激光器工作情况下计及晶体热效应情况下的谐振 腔a b c d 传输矩阵，由谐振腔稳定性条件推出激光器谐振腔设计时应满足的腔长条 件；并给出激光谐振腔优化设计的基本理论。 ( 2 ) 分析激光器工作时的晶体热效应 l d 端面纵向泵浦结构所引起的非均匀温度场及相应的热聚焦作用会对激光器的 运转带来严重影响，并成为其提高输出功率的最终限制因素之一。随着泵浦功率的提 高和大功率端面泵浦固体激光器的出现，晶体的热效应几乎影响到激光器性能的各个 方面，诸如：谐振腔的稳定性、腔模尺寸、模间耦合效率、输出光束质量等，本文通 过求解晶体内温度梯度分布推得光束通过晶体产生的光程差( o p d ，o p t i c sp a t h d i f f e r e n c e ) ，进而得到晶体等效热焦距的计算公式，并对实际激光器在稳定工作泵浦 功率下的热焦距进行了估算。 ( 3 ) 根据高斯光束的基本性质和特征参数，提出了一种在激光器运行时，计及晶 体热效应时的简便易行的进行高斯光束基本参数( 光斑尺寸、发散角等) 的测量和估 华中科技大学硕士学位论文 算的方法，并对激光器输出光束的基本参数进行了实际的测量和估算，分析了采用这 种方法产生的误差的主要因素。 ( 4 ) 激光器泵浦系统的分析与设计 本文分别对激光器的带尾纤输出l d 双透镜聚焦泵浦系统、带尾纤输出l d 直接 泵浦系统和柱面镜整形泵浦等三种泵浦系统进行了分析和设计，给出了柱面镜整形系 统的计算方法，同时对l d 端面泵浦n d 3 + ：y v 0 41 3 4 2 n m 固体激光器在不同谐振腔长、 不同泵浦系统、不同输出透过率情况下的输出功率特性曲线进行了比较和分析。 通过本文研究，给出了实际l d 端面泵浦n d 3 + ：y v 0 41 3 4 2 n m 固体激光器的工作 特性，分析了其输出光束的基本性质，对激光器增益介质的热效应进行了分析和估算， 并对激光器的进一步优化提出了具体的意见和建议，实验结果为激光器的进一步优化 提供了重要的参考。 华中科技大学硕士学位论文 2 n d 3 + ：y v 0 晶体 掺钕钒酸钇( n d 3 + ：y v 0 4 ) 晶体最早是由m i t 林肯实验室的j r o c o n n o r 于1 9 6 6 年发明的【3 ”，其作为激光材料的潜力从那时起就已经被认可。但是，该晶体在生长中 存在散射中心和吸收色心等缺陷【3 2 1 ，事实证明，它不可能作为闪光灯泵浦所需尺寸的 高质量晶体，这是阻碍其继续发展的主要障碍。此外，n d ”：y v 0 4 晶体的导热性和 机械性能比n d 3 + ：y a g 晶体差，也是限制其发展的一个因素。因此，n d 3 + ：y v 0 4 晶 体早期主要应用于小功率器件，一般设计成高掺杂( 1 5 2 5 ) 、短长度的晶体薄片 ( 约0 5 1 5 m m ) 3 3 3 5 。但是，几毫米长的n d 3 + ：y v 0 4 能够获得高的增益，对二极 管泵浦辐射也有很强的吸收，它是当前现有的二极管泵浦的固体激光器效率最高的晶 体之一。随着技术的发展，消除了晶体大尺寸的限制，并进一步改进晶体的生长过程， 可以获得光学质量很好的晶体。近年来通过有效的制冷，n d 3 + ：y v 0 4 晶体已被经常 用在大功率全固态激光器中f 3 “0 1 。二极管激光器泵浦n d 3 + ：y v 0 4 集成激光器及其倍 频绿、红或蓝光激光器将成为加工、材料处理、光谱学、微片光刻! 光学成像、医疗 诊断、激光打印和其他更广泛应用的理想激光工具。 2 1n d “：y v 0 晶体的基本物理性质 钒酸钇晶体为锆英石( z r s i 0 4 ) 型结构h ”，属四方晶系，是正单轴晶体。它是自 然双折射晶体3 2 1 ，激光输出沿着特殊的n 方向呈线性偏振。偏振输出有一个特点，即 避免了多余的热致双折射。 n d 3 + ：y v 0 4 晶体的基本物理参数为： 热膨胀系数a 轴为4 4 3 1 0 ，c 轴为1 1 3 7 x1 0 ： 平行于c 轴的热导系数为o 0 5 2 3 w t r e k ，垂直于c 轴的热导系数为o 0 5 1 0w c m k ； 热光系数( t h e r m a l o p t i c a l c o e f f i c i e n t ) d n o d t = 8 5 1 0 - 6 k ，d r d t = 2 9 1 0 。6 i ； 主要的激发波长为9 1 4 r i m 、1 0 6 4 r i m 和1 3 4 2 n m ： 吸收系数为3 1 4 e r a ( 8 0 8 r i m 波段) ： 泵浦量子效率为5 2 。 由上述参数可以看出，n d 3 + ：y v 0 4 晶体的热导系数很低，这会导致其在工作时 6 华中科技大学硕士学位论文 热的积累严重，热效应影响严重，除此之外它各方面的特性都很适合作为激光增益介 质。 2 2 n d “：y v 0 晶体发射能级及荧光谱线分析 图2 1 n d ”ly v o 晶体能级 三价钕离子在n d 3 + ：y v 0 4 晶体中作为激活粒子，y v 0 4 作基质，其能级图【4 2 1 如 图2 1 所示。处于基态4 1 9 1 2 的钕离子吸收光泵发射的相应波长的光子能量后跃迁到 4 f 5 小2 h 9 ，2 和4 f t r 2 、4 $ 3 2 能级( 吸收带的中心波长是8 0 9 n m 和6 0 0 h m ) ，然后几乎全 部通过无辐射跃迁迅速降落到4 f 3 ，2 能级。4 f 3 ，2 是亚稳态能级。处于4 f 3 尼能级的n d ” 离子可以向多个终端能级跃迁并产生辐射，其中几率最大的是4 f 3 t 2 至4 i l l ，2 的跃迁( 波 长为1 0 6 4 r t m ) ，其次是4 f 3 ，2 至4 1 1 3 2 的跃迁( 波长1 3 4 2 n m ) ，4 f 3 ，2 至4 i 蚍的跃迁几率最 小( 波长9 1 4 r i m ) 。4 f 3 , , 2 4 1 1 3 ，2 跃迁虽然也属于四能级系统，但跃迁几率小，只有在抑 制1 0 6 4 n m 激光的情况下，才能产生1 3 4 2 m n 的激光。4 f 3 ，2 4 i 蚍跃迁属三能级系统， 室温下难以产生激光。 n d 3 + ：y v o a 晶体有两种光谱特性特别适合于激光二极管泵浦。这两个突出特点 是：受激发射截面大，比n d 3 + ：y a g 大五倍；对8 0 8 r i m 波长存在很强的宽吸收带。 作为单轴晶体的n d 3 + ：y v 0 4 ，泵浦吸收与偏振有关。若泵浦光的偏振方向与激光辐 射方向相同，对泵浦光的吸收就是最强的。在n 方向上，n d 3 + ：w 0 4 的吸收系数大 约是n d 3 + ：y a g 的四倍，在8 0 8 r i m 附近其峰值吸收截面为2 9 1 0 。1 9 e m 2 ；而n d ”： y a g 为4 1 1 0 五o e m 2 ，前者比后者大几倍1 4 3 l 。在n d 3 + ：y a g 中，4 f 5 ，2 泵浦带子能级 较多；而在n d 3 + ：y v 0 4 中，斯塔克分裂较少，多次跃迁较多，因此在8 0 8 n m 左右的 7 4 2 0 8 6 4 2 0 j 2 x)，_宁击 华中科技大学硕士学位论文 泵浦波长处，n d 3 + ：y v 0 4 的吸收谱比n d 3 + ：y a g 的宽，而且没那么尖。图2 2 示出 了这两种材料在8 0 8 n m 附近的吸收分布【3 2 j 。从图中可以看出，由于n d 3 + ：y v 0 4 的泵 浦带宽较宽，所以其激光性能更能适应二极管的温度变化。如果将这种带宽限制在这 样的波段，即其中至少7 5 的泵浦辐射被5 m m 厚的晶体吸收，则对于n d 3 + ：y v 0 4 和n d 3 + ：y a g ，分别可得1 5 7 n m 和2 5 n m 的波长。n d 3 + ：y v 0 4 晶体较宽的吸收带 宽，除了有较高的泵浦效率外，在二极管的规格上也提供了更大的选择空间。 图2 2 n d ”ly v 0 4 和n d ”ly a g 激光嚣的输出功率 同= 极管泵浦温度、波- t e ：l 间的函数关系 但是，n d 3 + ：y v 0 4 也确实存在一些缺点，主要是受激态的时间比n d 3 + ：y a g 短。 正如式( 2 1 ) 所示，对于连续工作，达到闽值所需的泵浦输入功率取决于ar 之积。 因此，n d 3 + ：y v 0 4 的大截面一定程度上被较短的荧光寿命t 补偿。另一方面，与n d 3 + ： y a g 相比，n d 3 + ：y v 0 4 的热效应现象更为严重，其热导率只有n d 3 + ：y a g 的一半， 且略低于n d 3 + ：y l f ，这影响了激光效率、腔的稳定性和输出光束质量等。而且，掺 杂浓度越高，热效应现象越明显。 n d ”：y v 0 4 晶体具有较宽的吸收带宽，较大的受激发射截面，n 矿离子除了 1 0 6 4 n m 的受激辐射跃迁外，还可产生1 3i j m 波段的弱辐射( 例如：n d “：y v 0 4 为 i 目v hu-o山_，a一，o 华中科技大学硕士学位论文 1 3 4 2 n m ，n d ”：y a g 为1 3 2 0 n m ) 。n d ”：y v 0 4 晶体在1 3 4 2 n m 处具有较大的受激辐射 截面，可达n d 3 + ：y a g 晶体的1 8 倍，故n d 3 + ：y v 0 4 晶体在1 3 4 2 n m 的连续输出效 率要大大超过n d 3 + ：y a g 晶体，使n d 3 + ：y v 0 4 晶体在该波长上更容易保持一个较强 的单线激发。n d 3 + 离子在y v 0 4 中比在y a g 中掺杂的浓度高，其在1 3 4 2 n m 处的发射 截面仍然较大( 约为6 1 0 1 9 c m 2 ) ，与1 0 6 4 n m 的分支比( 为0 2 4 ) 高于y a g ( 为0 1 8 ) ， 并且偏振发射，特别适于用l d 泵浦。图2 3 是晶体8 0 0 1 6 0 0 n m 的归一化荧光谱线， 分别对应泵浦光为n 偏振和。偏振的情况。可以看出，n d a + ：y v 0 4 晶体是对偏振敏 感的，泵浦光为n 偏振时比。偏振时增益高。 _ 人l。j li 、 t- 儿 ii ( a ) o 镇振情况 6 0 t 】 ( b )德擐情况 圈2 3 从8 0 0 n m 到1 6 0 0 a m n d “ly v 0 4 的归一化荧光谱线 9 华中科技大学硕士学位论文 激光二极管端面泵浦固体激光器的阈值为】 。：塑! ! 堕2 ：笠2 1 ：鱼 ( 2 ，1 ) 砌2 石矿 “ 其中，h 为普朗克常量，c 为光速， p 为泵浦光波长，w o ，w p 分别为腔模和泵浦光斑 束腰，6 为腔的损耗( 输出镜的透过率t ) ，o 为净增益截面，t 为晶体上能级寿命， n 。为量子效率。忽略腔模和上能级寿命的差别，则1 3 4 2 n m 谱线和1 0 6 4 n m 谱线的阈 值之比为 量丝：! ! ：塑鱼( 2 2 ) 只0 6c 1 3 4 西0 6 计算中取ol0 6 ，oi 3 4 = o 2 4 ，61 3 4 61 0 6 = 1 8 ，则可估算出其阈值之比为约4 3 2 。 我们采用的是山东中晶光电子公司生产的n d 3 + ：y v 0 4 晶体基片，尺寸为3 x 3 x 5 m m ，掺杂浓度1 ，a 向切割，其后端面镀有1 3 4 2 n m 全反和8 0 8 n m 增透膜( 在实 验室的光学加工中心加工) ，前端面镀有1 3 4 2 n m 增透膜。晶体的基本参数为：热导率 k = 5 2 3 1 0 3 w m m 1 k 1 ，热光系数d n d t = 3 1 0 - 6 k ，热膨胀系数ot = 4 4 3 x 1 0 。 ， 折射率n = 2 1 8 3 ，热负荷比= o 2 4 ，吸收系数a = 3 1 4 c m 。 2 3 结论 本章主要介绍了n d 3 + ：y v 0 4 晶体的物理和光学性质，并从能级的角度分析了它 作为激光增益介质的基本原理，比较了它比n d 3 + ：y a g 晶体更适合于l d 泵浦的优势。 n d 3 + ：y v 0 4 晶体分别在9 1 4 r i m 、1 0 6 4 n m 和1 3 4 2 n m 有激发波段，其中1 0 6 4 n m 是它 的最高发射波段，文中从理论上给出了1 3 4 2 n m 波段相对1 0 6 4 n m 波段的出光阈值， 同时给出了我们所用晶体的一些基本参数。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 3 晶体热效应 自上世纪9 0 年代以来，随着大功率半导体激光器( l d ) 的发展，l d 泵浦的全固 化激光器已逐渐成为当今激光领域的重要发展方向。它具有体积小，效率高等特点。 当泵浦光用光纤进行耦合时，还可实现泵浦源与激光器的有效分离，因而有着广泛的 应用前景【4 5 1 。但是这种泵浦结构所引起的非均匀温度场及相应的热聚焦作用会对激光 器的运转带来严重影响，并成为其提高输出功率的最终限制因素之一。 随着泵浦功率的提高和大功率端面泵浦固体激光器的出现，晶体的热效应几乎影 响到激光器性能的各个方面，诸如：谐振腔的稳定性、腔模尺寸、模间耦合效率、输 出光束质量等，是高功率激光器系统进行设计时首要考虑的因素之一【4 5 1 。c h e n y f 4 6 】 等人考虑了热致衍射损耗的影响，在热平衡条件下对光纤耦合输出l d 泵浦固体激光 器进行了优化设计的研究，理论分析发现腔模与泵浦光有效泵浦尺寸的半径之比随着 泵浦功率的提高而略小于1 ，但在该理论中作者采用了非相干光近轴近似，夸大了激 光器对泵浦源的要求，同时晶体热效应对腔模尺寸的影响也没有加以考虑。近来， j a b c z y n s h i j k 4 7 1 同时考虑了热效应引起的衍射损耗和腔模尺寸的变化，分析了晶体热 效应对输出功率及耦合效率、腔内损耗的影响，但该作者提供的剩余热致位相差是基 于实验观察到的现象而人为引入的，对激光器的优化设计也没有进行系统的研究，因 此对激光器腔参量的选择不具备指导意义。 3 1晶体热效应对腔模尺寸变化和衍射损耗的影响 图3 1 给出了典型的l d 端面泵浦固体激光器腔型示意图激光晶体的后截面m - 镀振荡模的全反膜。设晶体的长度为l ，折射率为n ，输出耦合镜的曲率半径为r ，谐 振腔的光学长度为l 。 m。m， _ - _ - _ - _ _ _ - - _ _ - - - _ - - - - _ _ - - - 。- 圈3 1l d 靖面泵浦固体激光嚣谐振腔 华中科技大学硕士学位论文 在求解晶体内温度分布时，假定热负荷能量分布与泵浦光的空间分布相同，同时 忽略晶体纵向热能消耗，认为热流沿晶体径向流动。在良好的冷却条件下，晶体边缘 温度基本和环境温度相同。对光纤耦合输出的泵浦光，若以有效平均泵浦半径来代替 空间各处的泵浦光束半径，其分布形式可写为h 8 1 附叫肋翥 t ， 式中，p i 。为晶体m 1 端面处的泵浦功率，7 = 1 一e “为吸收系数为a 的晶体吸收率， 、v 2 。为泵浦光在晶体中的有效泵浦光束半径，其定义为【4 5 】 w ；= f _ 1 【w ；o ) e - 。 d z ( 3 2 ) w 2 p ( z ) y 源浦光在晶体中z 处的光束半径，满足高斯光束传播规律 w ；( ：) = w ；o 【l + ( ( z - z o ) z r ) 2 】 ( 3 3 ) w p 0 为泵浦光束腰，z o 为束腰在晶体中的位置，z r 为泵浦光瑞利长度，满足 知= 删m 2 砧聊 ( 3 4 ) 1p 为泵浦光波长，m 2 p 为描述泵浦光束质量的特征因子。 在晶体内部达到热平衡后，由式( 3 1 ) 可得相应的温度场分布【4 6 】 龇加m 力川 ，= 舄r 孑诈霪荔2 ；s ， e 为热负荷比，即晶体中吸收的泵浦能量转为热能量的比例，k 为晶体的热导率，“ 是晶体的半径尺寸。 晶体的热效应主要包括三个方面：热致折射率变化、热致形变和热致双折射。但 后者要比前两个方面弱得多，因此在考虑热效应对腔模尺寸变化和衍射损耗影响时可 忽略不计，则由温度场引起的单程光程差为【4 5 l o p d ( r ) = f a t ( ，z ) ( a n a t + 口一) a z ：塑! 塑! 竺丛翌p + 埘诈) 一，2 w ；( ，2 佛) 6 4 死k【l r i “r 2 )( r 2 坼2 ) 式( 3 6 ) 中的积分，第一项表示的是由于晶体内的温度梯度引起的折射率的变化，它 1 2 华中科技大学硕士学位论文 使晶体内的折射率变得非均匀；第二项表示的是由于晶体内不同的温度引起不同的受 热膨胀，使晶体折射率发生变化。由于晶体内部沿轴向和径向温度场的不同，导致了 折射率的不同。假设使平行光通过晶体，由于晶体内部折射率的分布不同，将会导致 通过晶体不同部位的光程不同，形成光程差( o p d ) 。这一光程差可等效为光线通过 了一透镜的作用，其作用可用焦距表示，这就是晶体的等效热焦距。 田3 2 晶体内由温度场引起的光程差分布 由式( 3 6 ) 用m a f l a b 软件拟合得到由热效应引起的沿晶体径向的光程差分布曲 线如图3 ，2 ，热效应引起的相位差横向轮廓呈抛物对数分布，则在泵浦区域内抛物 型相位差分布引起的热透镜焦距为f 4 9 1 力= 磊死2 f f 而k 。高= ( 佛最刁) ( 3 7 ) 定义d p = 二卑为泵浦功率密度，则上式可写成 k 鼻：! 丝蔓；卫 ( 3 8 ) 。 咖，订+ a r ，l 毒气，7 d p r 对q 切割的n d 3 + ：y v 0 4 晶体而言【5 0 】，晶体热导率k = 5 2 3 1 0 3 w m m 。1 k 一，热 光系数d n d t = 3 x 1 0 哆，热膨胀系数at = 4 4 3 1 0 。6 依，折射率n = 2 1 8 3 ，熟负荷比e - - - - 0 2 4 ，由此可得b = 1 0 8 x1 0 4 1 1 1 1 1 1 。、。晶体的这部分相位差可视为热效应的一阶 近似，等效为一理想的薄透镜，因此仅影响谐振腔的稳定性和腔模尺寸变化，而不会 华中科技大学硕士学位论文 给谐振腔带来额外的损耗。将晶体的热透镜效应等效为一谐振腔后腔凹面镜，其曲率 半径为f t ，则在相应泵浦功率下，谐振腔后腔镜处的基模半径可由矩阵理论来求得 彳= 嵋脑一扣寺旁， 域是不考虑热效应时对应的腔模尺寸，喊= 等j 兰一l ，因此可认为晶体内部腔模 光束尺寸与后腔镜处的基模尺寸相等。 在考虑晶体的热致衍射损耗时，为了简化，我们选择在热效应一阶近似下对应的 相差球面为参考平面来计算晶体中心到晶体边缘的剩余相差 删= 警嚣幕：，霪鬟； 由相差的衍射理论可知引起的衍射损耗为 酬_ l 号警 ( 3 1 1 ) 另外，随着泵浦功率的提高，谐振腔将由_ 二稳定状态向非稳态过渡。在此过程中， 腔内谐振模的光束尺寸将由一有限值变得非常大。当w f 时，由晶体有限尺寸而 引入的孔径衍射损耗可以忽略，但是当w l 大到一定程度时，这种损耗的影响将越来越 明显。以。的计算比较麻烦，这种损耗对谐振腔的影响也越来越明显，精确计算孔径 损耗需要采用f o x l i 技术来计算，但这种方法太复杂，对于高斯光束可采用下式来近 似【5 2 】 以彬= 1 一f f ：e ：x ；p i ( - ：2 i r 丽2 w ) r d r = e x p ( 一2 孑竹) ( 3 1 2 ) 3 2 激光器等效热焦距的计算 我们所用的n d 3 + ：y v 0 4 晶体尺寸为3 x 3 5 m m ，a 切割。如前说述，对d 切割 的n d 3 + ：y v 0 4 晶体而言k = 5 2 3 x1 0 4 w m m 1 k ，d n d t = 3x1 0 6 k ，ot = 4 4 3x 1 0 勺k ，n = 2 1 8 3 ，e = 0 2 4 ，c t = 3 1 4 c m 。贝u 1 4 华中科技大学硕士学位论文 r = 1 一p 一“= 1 一p 。3 0 5 = 0 9 9 9 9 9 9 ( 3 1 3 ) 以激光器稳定工作的典型值p i 。= 5 5 8 w ，采用带尾纤的l d 直接在晶体端面泵浦为例， 由于光纤端面距离晶体端面很近，以光纤纤芯尺寸作为泵浦光光斑尺寸，则w 。= 3 0 0 un l ，泵浦功率密度d p = 6 2 w m m 2 ，由式( 3 8 ) 计算晶体等效热焦距有 ：卫：! ：塑! ! !：1 7 4 2 州聊 “d r 6 2 0 9 9 9 9 9 9 同理计算最大注入功率为8 w 以及采用双透镜尾纤输出的泵浦光进行泵浦时， ( 3 1 4 ) 取注入 功率为3 5 6 w 和4 8 w ，泵浦光斑半径为0 1 5 m m 时的等效热焦距列表如表3 1 。 衰3 1 不同泵浦功率密度下的晶体等效热焦距 p i ( w )d ( um )d p ( w r a m 2 ) f r ( r a m ) 5 5 8 3 0 06 21 7 4 2 83 0 08 8 8 9 1 2 1 5 3 5 6 1 5 01 5 8 2 21 0 6 7 4 8 1 5 02 1 3 3 3 7 9 1 根据上述计算结果可以看出，不同的泵浦光斑尺寸对热焦距有很大影响。光斑尺 寸越小，泵浦功率密度越高，则热焦距越短，越容易造成激光器的不稳定工作。上述 泵浦光斑半径为o 1 5 m m 时，用3 5 6 w 功率泵浦，泵浦功率密度达到了1 5 8 2 2w m m 2 而光斑半径为0 3 m m 时，用5 5 8 w 功率泵浦，注入功率密度只有6 2w m m 2 ，因此前 者产生的热焦距比后者要短，对激光器的稳定工作影响更严重。在激光介质中，泵浦 光的有效泵浦体积越小，泵浦功率密度就越高，从而使泵浦效率越大；但是，泵浦功 率密度越高，会导致晶体热效应越剧烈，从而使激光器的等效热焦距缩短，热致损耗 增大，输出减小，因此，存在最佳泵浦光斑半径，使泵浦效率较高的同时又不至于产 生过于严重的热效应。 3 3 晶体的制冷 上面的讨论是建立在晶体表面有良好的冷却，晶体边缘温度基本和环境温度相同 的条件下的。要尽可能地降低晶体热效应的影响，就必须给晶体进行良好的制冷。我 们采用半导体热能转换器( t e c ，t h e r m a le n e r g ye o n v e a e r ) 进行制冷。晶体采用紫铜 华中科技大学硕士学位论文 块包裹后在下端放置半导体热能转换器( 即半导体制冷器) 进行制冷。 半导体致冷也叫温差电致冷，是利用半导体材料的温差电效应即珀尔帖效应 来实现致冷的一门新兴技术。如果把不同极性的两种半导体材料( p 型、n 型) ，联接 成电偶对，通过直流电流时就发生能量的转移。电流由n 型元件流向p 型元件时便吸 收热量，这个端面为冷面；电流由p 型元件流向n 型元件时便放出热量，这个端面为 热面。温差电致冷具有如下优越性： ( 1 ) 体积小重量轻： ( 2 ) 精确温控：使用闭环温控电路，精度可达0 1 ； ( 3 ) 高可靠性：致冷组件为固体器件，无运动部件，因此失效率低。寿命大于 二十万小时： ( 4 ) 工作时无声：与机械制冷系统不一样，工作时不产生噪音； ( 5 ) 可使用常规电源：致冷器对电源要求不高，可使用一般直流电源、开关电 源和变压器电源。工作电压和电流可在大范围内调整，额定电压1 2 v ，实际可使用到 8 v 1 4 v ，