（物理电子学专业论文）ld泵浦473nm蓝光激光器.pdf

摘要 l d 泵浦的全固态激光器是激光技术领域的一个重要分支，与传统激光器相比在重 量、体积、电一光转换效率、使用寿命和稳定性方面更具优越性。目前，l d 泵浦全固 态激光器已实现了连续、调q 脉冲和锁模脉冲等激光运转模式，广泛应用于材料加工、 医疗、光学仪器和基础研究等领域。 目前有多种产生蓝光激光的方法，但比较普遍的是采用对n d “：y a g ( 9 4 6 n m ) 离 子的准三能级激光的倍频以实现4 7 3r t f f l 蓝光激光输出，本论文着重对此类激光器的设 计、制作、性能进行了研究。 本论文首先在已有的理论基础上建立了准三能级系统激光运转的更完整的模型，分 析了n d 3 ：y a g 在准三能级运转情况下的阈值同泵浦光斑半径与激光光斑半径的关系 表达式；确定了n d b ：y a g 的最佳长度；分析了在不同激光参数的情况下激光的反转 粒子数同泵浦光乃至激光等因素的关系；讨论了泵浦光与激光之间的匹配对激光的输出 的影响；讨论了激光斜效率与各个参数之间的关系；并总结了在理论上如何实现激光的 最佳运转。 论文分析了n d “：y a g 晶体的能级结构及其荧光谱线，计算出在9 4 6 n m 波长处的 吸收截面和受激发射截面，并分析了n d 3 ：y a g 晶体能够在室温下以准三能级运转的 原因，从而阐明它是目前最适合间接产生蓝光的激光材料。并对倍频理论进行了分析； 对多种倍频晶体进行了比较，最后选择出l b o 作为主要倍频晶体。 最后，在理论的指导之下，我们对实验的整体方案进行了分析设计，对l d 泵浦源 及其耦合系统、腔体结构、光学器件的膜系制备等诸多问题进行了分析解决。并通过实 验验证了我们的整个指导思想的正确性。 关键词：n d “：y a g 晶体l b o 晶体腔内倍频4 7 3 n m 蓝光激光器 a b s t r a c t l a s e rd i o d ep u m p e ds o l i d s t a t el a s e r ( d p s s ui sa l li m p o r t a n tb r a n c hi nl a s e rf i e l d c o n t i n u o u sw a v ea n dp u l s eo p e r a t i o n ， q - s w i t c h i n ga n dm o d e - l o c k i n go p e r a t i o nh a v eb e e n a c h i e v e df o rd p s s lw h i c hh a v em a n ya p p l i c a t i o ni nt h ef i e l do fm e d i c i n e ，p r o c e s sa n ds o o n t h e r ea r cm a n yw a y st og e n e r a t eb l u el a s e r c u r r e n t l y ，t h eg e n e r a lw a yt og e n e r a t eb l u e l a s e ri su s i n g9 4 6 n mp u m p e dn d ”：y a g q u a s i t h r e e - l e v e ll a s e rs y s t e m t h i st h e s i sw i l l f o c u s o n t h e d e s i g n ，f a b r i c a t i o n ，c h a r a c t e r i z i n g o f 4 7 3 n m w a v e l e n g t h d p s s l l a s e r w eh a v es e tu pam o r es i m u l a t i o nm o d e lf o rt h eq u a s i t h r e e l e v e ld p s s lb a s e do n p r e v i o u sr e s e a r c hr e s u l t s ，a n a l y z e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nl a s i n gt h r e s h o l da n dp u m p i n g r a d i u s ，a n df o u n do u tt h eo p t i m u ml e n g t ho ft h el a s e rc r y s t a l t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n i n v e r s i o np a r t i c l ep o p u l a t i o n , t h ep u m pl i g h ta n dl a s e ro u t p u th a sa l s oa n a l y z e d w eh a v e d i s c u s s e dt h ee f f e c to fm a t c h i n go ft h ep u m p i n gb e a ma n dt h el a s e rm o d e ，t h e r e l a t i o n s h i p o fs l o p ee f f i c i e n c yw i t hs t r u c t u r a lp a r a m e t e r s f i n a l l y ，w eg i v et h eo p t i m i z e do p e r a t i o n c o n d i t i o no ft h ed e s i g n e dd p s s l w eh a v ea n a l y z e dt h ee n e r g yl e v e la n df l o r e n c es p e c t r u m0 fn d 3 + ：y a gc r y s t a l ， c a l c u l a t e dt h es t i m u l a t e dc r o s ss e c t i o na n dt h ea b s o r p t i o nc r o s ss e c t i o n ，d i s c u s s e dt h e p o s s i b i l i t yo f9 4 6 n ml a s e ro p e r a t i o na tr o o mt e m p e r a t u r ea n dp o i n t e do u tt h a ti ti st h em o s t s u i t a b l el a s e rc r y s t a lf o rb l u el a s e rg e n e r a t i o n f i n a l l y ，l b oh a sb e e ns e l e c t e da st h ec r y s t a l f o rf r e q u e n c yd o u b l i n gb yt h e o r e t i c a la n a l y s i so f 打e q u e n c yc o n v e r s i o na n dc o m p a r i s o no f l a s e rc r y s t a l s i nt h ee n d ，w eh a v ed e s i g n e dt h ew h o l ee x p e r i m e n t a ls c h e m ea c c o r d i n gt ot h ea b o v e c o n s i d e r a t i o n s l dp u m p i n gs o u r c e s ，b e a mc o u p l i n g ，o p t i c a lc o a t i n g ，l a s e rc a v i t y a d j u s t i n ge t c a l lh a v e b e e n d o n ef o rv e r i f y i n gt h ed e s i g n e dl a s e rs t r u c t u r e k e yw o r d ：n d s + ：y a gc r y s t a l l b o c r y s t a l t h e r m a ls t a b l ec a v i t y i n t r ac a v i t yd o u b l i n gf r e q u e n c y4 7 3 n mb l u el a s e r 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文， l d 泵浦4 7 3 n m 蓝光激光器是 本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。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作品成果。 对本文的研究做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 全意识到本声职的法律结果由本人承担。 作者签名： i 巍过q g 年。王月趣同 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理i 大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 4 五始l &q 置年。月丑日 指导导师签名：卫玉呜么野月必同 指导导师签名： ! 兹孔考么翌绛月必同 第一章绪论 自从1 9 6 0 年梅曼成功地研制出世界上第一台红宝石激光器以来，激光理论和激光 技术犹如雨后春笋，以惊人的速度发展起来。其中，固体激光器以其独有的效率高、 体积小、寿命长、运转稳定、维护方便等优点成为激光技术中最有发展前途的研究领 域之一。八十年代初，金属有机汽相沉积( m e t a l o r g a n i cc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n 或m o c v d ) 技术的使用及应变量子阱激光器的出现把激光二极管( 1 a s e rd i o d e 或l d ) 及其阵列( l a s e rd i o d ea r r a y 或l d a ) 的发展带进了一个崭新的时代，以此为基础的l d 泵浦全固体激光器( d i o d ep u m p e ds o l i d - s t a t el a s e r 或d p s s l ) 技术也因此得到了极 大的发展，而其中蓝色激光器更是在军事、通讯、信息业、彩色打印、高密度光存储、 激光显示及生物化学方面有着及其重要的应用价值。因此，近年来对二极管泵浦的全 固态蓝色激光器研究越来越多。 1 1 全固态激光器的发展概述及d p s s l 特点 通常把以固体材料作为工作物质的激光器称为固体激光器。例如，红宝石激光器、 掺钕离子( n d “) 的钇铝石榴石( n 矿：y a g ) 激光器、掺钕离予的玻璃激光器和掺钛离子 ( ，n “) 的蓝宝石激光器( 简称钛宝石激光器) 等。作为2 0 世纪重大科技成就之一的激光是 以1 9 6 0 年世界上第一台红宝石激光器的发明为标志的。早期的固体激光器采用闪光灯 作为泵浦源，由于闪光灯的发射光谱宽，固体激光介质的吸收带很窄，因而光光转 换效率很低，仅为1 5 。这一主要因素在一段时间内制约了固体激光器的发展与应用。 1 9 6 2 年，第一只同质结砷化嫁半导体激光器问世i l i ，一年后美国人纽曼首次提出了用 半导体材料的二极管作为固体激光器的泵浦源的构想 2 1 。但在早期，由于l d 制作技术 不完善，l d 工作稳定性差，转换效率低，寿命比闪光灯还短，而且需要采用液氮来冷 却，其优越性未得到体现p - 4 1 。因此l d 作为固体激光器的泵浦源显得很不成熟，在近 二十年的时间内未能引起人们的重视，d p s s l 技术研究上停滞不前。进入八十年代后， 随着分子束外延( m o l e c u l a rb e 棚e x p i t a x y 或m b e ) 和m o c v d 等现代“非平衡生长技 术”被引入到1 1 1 v 族宽带半导体材料的生长中，以及量子阱、应变量子阱结构的采用， l d 的各项性能指标得到很大改善，使l d 作为全固体激光器的泵浦源成为可能。进入 9 0 年代，由于l d 的发展及外延生长技术的提高，l d 的发射波长己经覆盖0 m 2 0 m ，适于l d 泵浦的激光增益介质也从最先单一的掺n p 介质，扩展到掺有三价稀土 离子y b “，e ，t m “，h o “和过渡会属离子q 斗等的多种激光晶体，各种类型的全固 体激光器应运而生：l d 泵浦单块腔( m o i l o l t h i c ) 、腔内信频、腔内和频、被动主动调q 、 锁模等。可以说，l d 的发展带动了新型固体激光材料和l d 泵浦技术的发展，使得激 光二极管泵浦固体激光器( d i o d el a s e rp u m p c ds o l i d s t a t el a s e r ，简称d p s s l ) 的研究上 了一个新台阶，并迅速渗透到激光技术的各个领域。 与传统的闪光灯泵浦固体激光器相比，l d 泵浦全固体激光器的优点在于兼备了 l d 和固体激光器两者的优点，并且互相弥补了对方的某些缺点，使激光器的各项性能 指标及在实现产业化方面都取得了极大的进步。概括起来有以下几点： 1 、总体转换效率有很大提高，可达1 5 以上，这比传统灯泵浦固体激光器的总效 率提高了5 - 1 0 倍。其主要原因是可以将l d 的发射波长准确调整到固体激光晶体的吸 收峰上，从而使泵浦光能更多地用来增加反转粒子数。 2 、频率稳定性更高。其原因是l d 输出功率稳定性很高，降低了泵浦功率的波动 对线宽的影响；同时，激光晶体可以不吸收无用辐射，热效应也大大减小，因此激光 器的噪声特性可以得到很大改善。目前l d 泵浦全固体激光器的频率稳定性和线宽已 可以和气体激光器相媲美。单频输出的漂移小于1 0 k h z ，输出功率波动小于1 。 3 、光束质量高。激光晶体热负载的减小可以提高光束质量。目前一台千瓦级灯泵 的固体激光器其光束发散角是衍射极限的4 0 6 0 倍。而同等功率的l d 泵浦固体激光器 的光束发散角仅为衍射极限的二倍。在纵向泵浦时，可以产生近于衍射极限的激光输 出。 4 、可靠性高，寿命长。l d 泵浦的全固体激光器，寿命可长达l o 1 0 5 小时，两 灯泵固体激光器的寿命通常只有4 0 0 多小时。 5 、体积小，重量轻，可实现小型化；电源驱动方便，更适于实现全固体化。 另外，l d 泵浦全固体激光器的优点，从一定程度上弥补了l d 的不足，如： 1 、线宽窄。固体激光器线宽通常为0 0 0 0 1 0 0 1 r i m ，而l d 的线宽通常为0 0 2 n m 2 m u 。 2 、峰值功率高。固体激光增益介质有较长的亚稳态能级寿命和相对宽的发射谱， 易于实现粒子数反转、光增益大，而且通过调q 或锁模等方式可以获得更高的峰值功 率。 3 、光束质量好。端面泵浦的固体激光器很容易做到基模衍射极限的光束。 4 ，l d 输出波长具有不确定性，随温度升高而增长，漂移量为o 2 - 0 3 n m ，而 固体激光器具有确定的输出波长。 5 、可以制成多种新波长器件和特种器件。l d 泵浦固体激光器通过采用不同的激 光晶体以及频率变换技术，可以得到多种新的振荡波长，波长覆盖比l d 宽，而且可 以利用多个l d 泵浦，获得比单个l d 大许多的输出功率：同时l d 泵浦固体激光器还 可以获得如：双波长、可调谐等器件。而l d 的频率不易调节，限制了它的应用范围。 所有这些优点都表明，l d 泵浦的全固体激光器不仅能够完成传统激光器的各种功能， 而且在光束质量，稳定性，可靠性等方面实现了较大程度的改善。可以说，在今后 段时间内，许多传统的激光器的市场必将被l d 泵浦的全固体激光器所代替。 2 1 2 全固态蓝光激光器概述 1 2 1 全固态蓝光激光器的应用及其发展前景 全固化蓝色激光器具有波长短、体积小、结构紧凑、效率高、运转可靠等一系列 优点，在民用领域、军事领域、光纤通信、探测器、数据存储、光学阅读、激光高速 印刷等领域有广泛应用【5 | o 蓝色激光的最主要优点是波长短、光束发散角小，利用存储 介质对短波长激光更加敏感的特点，采用新的编码技术，则可以提高存储密度近1 个 量级。 全固体蓝激光器最令人鼓舞的应用是用作数字视频领域中c d r o m ，c d 及d v d 等的光源。蓝光取代红光是一种必然( 现行d v d 机都是使用红色激光器) 。因为蓝光容 量大，能存储2 0 多g b 的数据f 红光只能记录4 7 g b ) ，能把高质量、高清晰的图像轻 而易举地放进去。据东芝公司多媒体实验室的a k i t o1 w a m o t o 宣称，预计于2 0 0 5 年推 出以蓝色激光为光源的只读数字视盘归v d r o m ，在适当改善光学系统数值孔径和数 字处理电路的性能后，其容量能够达到目前以6 3 5 n m 红光l d 为光源的c d r o m 的7 倍以上。 高亮度的蓝色激光器和发展相对成熟的红绿激光器一起，可以作为彩色显示的全 固体标准三原色光源。这种新型激光光源光束质量高、效率高( 与荧光光源相比) ，而且 更加忠实于自然光，能够消除荧光光源产生的绿影和白炽光源产生的黄影，实现三原 色的平衡。 蓝色激光光源是探测海洋的有力武器，可用于探测海洋渔业资源。 蓝色激光可用于捕获和阻尼铯原子的热振动，实现激光致冷。此外，全固态蓝色 激光光源还有望在激光印刷术、激光医学、生化技术、材料科学和光通信等许多领域 得到广泛的应用。由于全固态蓝光激光器具有的诸多优点，使得它具有非常好的发展 前景。同时，蓝光半导体激光器作为新型光显示、光存储、光照明、光探侧器件，可 促进上千万美元的相关设备、系统的新产业形成，产业市场前景诱人。近几年，世界 各国政府有关机构、相关企业以及风险投资公司纷纷加大了对蓝光激光器的研发投入 和支持。美国政府、通用、飞利浦、a g i l e n t 等国际公司都已经启动了大规模的商业开 发计划。我国也有好几家科研院所( 如清华大学、大津大学、中科院物理所、长春光机 所等) 也已投入积极开发研制全固态蓝光激光器的工作中，并已取得了一定的成绩。 1 2 2 蓝光的获得方法 获得蓝光的方法可以总结为以下几种1 6 】：( 1 ) 半导体材料直接发射蓝光：( 2 ) 由激 光二极管输出激光的倍频；( 3 ) 蓝色波导激光器；( 4 ) 以上转换材料为增益介质的蓝 光激光器：( 5 ) 倍频、和频、光参量振荡等非线性光学手段产生蓝光。下面我们就上 面的几种方法进行讨论和比较。 n ) 直接发射蓝光的半导体激光器 由于结构简单、使用方便、电光转换效率高，能够直接发射蓝光的l d 一直受到 人们的关注。早在1 9 9 0 年，人们便开始了对半导体材料z n s e 的研究，1 9 9 6 年日本索 尼公司采用单量子阱激活层分别限制双异质结结构在常温下实现了5 1 5n m 的蓝光发 射，输出功率l m w ，连续工作了1 0 0 h 。然而在生长过程中p n 结内形成的缺陷在高阈 值电流、高结温环境下迅速扩散，使其寿命难以大幅度提高，距离商品化的1 0 0 0 0h 的目标相距甚远。推进半导体蓝光二极管商品化进程最有贡献的是日本的日亚( n i c h i a ) 化学工业公司，该公司在1 9 9 7 年采用m o c 、技术，利用g a n 材料在1 5 失配的石 英基底上生长出了i n g a n 多量子阱结构的4 0 8 6nm 蓝光l d 。该蓝光l d 的寿命达到 了1 0 0 0h 。目前，日本的日亚公司和美国的相干公司均推出了输出功率为5 m w 的产 品封装蓝光l d 。虽然，该产品的价格还高得惊人，但距离广泛推广己经为时不远了。 ( 2 ) 对激光二极管输出光直接倍频。 采用这种方法可以实现比较高的光一光转化效率。但它对l d 要求很严格，不仅需 要较高的输出功率，而且必须要单管、单频运转。因此，采用电学边带压缩或光学反 馈压缩等技术，通过外腔办法，改善l d 的光束质量，压缩其发射线宽，并将l d 输出 锁定在非线性晶体无源谐振腔的共振频率上就成为这项技术的关键。1 9 8 9 年，l c o h t k e y 和m i cc h u n 用k n 晶体倍频8 4 2 n 1 1 1 的l d ，获得了2 4 m w 的连续蓝色激光 输出。w 3 k o z l o v s k y 和w l e n g t h 用电学反馈技术钳制8 5 6 n m l d ，在1 4 0 r o w 的注入 功率下得到了4 1 r o w 的4 2 8 n m 的连续蓝光输出【7 1 。j a t r ai1 采用实时闭环反馈，有 效地控制了光束质量，抑制了噪声，改善了激光的工作稳定性，得到了输出功率4 0 m w 的4 3 0 n m 连续蓝色激光输出( 如图1 1 ) 【8 】。德国的d w o l l ，b b e i e r 等人将这种方法 产生的蓝光推向了瓦级水平，用4 w 的9 3 0 n ml d ，采用外腔办法，l b o 晶体倍频获得 了l w 输出的4 6 5 1 l r n 蓝光输出。 4 3 0 n n 输出 图1 1j a t r i a l 用来直接倍频近红外l d ，实现蓝色激光输出的实验装置 4 ( 3 ) 蓝光波导激光器。 这种激光器由于在波导中传播的激光功率密度高、与泵浦光耦合充分、阈值低、 转换效率高、位相匹配范围宽而倍受关注。1 9 9 4 年，g u p t a 用l i t 0 3 波导对8 4 0 r i m 的 l d 倍频而得到2 6 # w 的功率输出，转换效率为2 9 ，位相匹配宽度为0 3 n m l 9 1 。我国 南京大学的陆亚林等人用l i n b 0 3 波导倍频8 1 0 r i m 的o a a i a s 激光，在入射功率为 2 5 0 m w 时，获得了0 3 m w 的4 0 5 n m 激光输出，光学转换效率0 1 4 i 枷。日本的t o h r u d o u m u k i 等人用s i 0 2 t a 2 0 5 k t p 薄膜波导对钛宝石激光进行倍频，波导长度4 1 m m ， 得到了1 3 m w 的4 1 3 n m 激光输出i “】，如图1 2 q 包层 厚2 1 1 5 n m 的t a z 0 5 芯层 图1 ，2 t d o u m u k i 用于倍频钛宝石激光的波导图 ( 4 ) 以上转换材料为增益介质的蓝光激光器 转换材料对光子二次吸收后，向下跃迁产生频率很高的激光辐射。1 9 8 9 年美国l o s a l a m o s 国家重点实验室的d i n hcn g u y e n 等人用6 4 8 7 r i m 的红光与7 2 0 7 n m 的红外光 同时泵浦1 m “；y l f 激光器，实现了4 5 0 2 r i m 的蓝色激光输出【l e l ，但光束质量不太好。 该实验装置是通过液氮冷却，在低温7 5 k 的条件下运行的。泵浦源采用的是染料激光 器，因此整个设备的运转相当复杂。能够通过上转换机制产生蓝光发射的激光材料还 有1 m “：z b l a n ，比较出色的工作是美国s d l 公司的s s a n d e r s 等人于1 9 9 5 年报道 的采用两个1 1 0 0 1 1 4 0 n m 的激光二极管做泵浦源，得到了高达1 0 6 m w 的4 8 0 n m 蓝光 1 1 3 1 ，光光转换效率3 0 ，所用光纤掺杂为1 0 0 0 p p m ，长度和芯径分别为2 0 s m m 和助l l r l 。 ( 5 ) 利用倍频、和频、可调谐激光倍频等非线性光学手段产生蓝光 通过和频方法得到蓝光。这通常是对l d 的8 0 9 r i m 的激光和1 0 6 4n m 激光进行 和频得到4 5 9 n m 蓝光。和频激光器分行波型和驻波型两种，驻波形法不足之处是对 8 0 9 n m 的l d 的要求很高。这类和频激光器在技术上必须满足三个基本条件：a 、两入 射光波长，在光谱和空间上与谐振腔相匹配。b 、阻抗匹配，即耦合反射镜m 1 的透射 率必须与腔内往返一次的所有损耗相匹配。c 、两入射光的频率必须锁定。 e n k e a n 和r w s t a n l e y 在1 9 9 3 年采用如图1 3 所示的折叠腔结构，利用1 0 0 r o w 的单管l d 得到了2 0 m w 的4 5 9 n m 蓝色激光输出，单管l d 蓝光的转换效率高达6 8 ， 在改变和频晶体的匹配角度时，实现1 2 r i m 的调谐宽度，但是这种技术对起注入作用的 l d 要求较高1 1 。 5 4 5 9 n r a 输出 龄唧；斗自丹? 区硎厢一因 图1 4 内腔倍频获得的4 7 3 n m 监激光器 6 第二章准三能级激光系统的理论研究 大量的理论和实验表明：泵浦光能量的空间分布以及激光的空间分布对于激光的运 转有很大的影响。发挥激光的最佳运转性能很大程度上取决于泵浦光与激光的空间分 布。n 矿：y a g 在泵浦光的抽运作用下，n 矿离子由基态跃迁到各个吸收能带后就很快 地无辐射跃迁到亚稳态4 f 3 ，2 能级上，然后再由乜，2 能级向下能级自发辐射产生荧光。 在室温下，n d “：y a g 晶体在近红外区域主要有三条明显的荧光谱线，中心波长分别 为0 9 4 印m 、1 0 6 4 “m 和1 3 1 即m 。其中1 0 6 4 z m 和1 3 1 即m 属于四能级系统，是最 常见的激光发射谱线，而o 9 4 6 u m 谱线属于4 f 3 ，2 - - - a 之间的跃迁，属于准三能级系统。 准三能级系统的概念源于激光运转特性类似于三能级系统( 下能级存在粒子) 。在三能级 系统中，下能级的再吸收是显而易见的，泵浦光与激光的空间分布对激光的运转特性 显得尤为重要。准三能级系统，在忽略掉再吸收项n 0 1 的情况下，便可应用到园能级系 统中。因为三能级激光阈值较四能级系统高很多，在室温下运转通常被认为是不可能 的。其实不然，原因是n d “离子受基址晶格场的影响，产生斯塔克能级分裂，4 f 3 ，2 分 裂成两个距离靠得很近的子能级( r 2 = 1 1 5 0 2 c m ， rl = 1 1 4 1 4c n l 1 ) ，这两个子能级粒子 数分布服从波耳兹曼分布函数，r 2 和r1 分别占4 f 3 ，2 上粒子总数的4 0 和6 0 。同样， 作为基态的4 i 蛇能级由斯塔克效应分裂成5 个子能级( z 1 7 - 5 ) 。图2 1 为n 矿：y a g 的 能级。 弧稳态 r 1 r 2 1 1 5 1 2 1 1 4 2 7 中心波长对应能级跃迁 曲9 4 6 u m 4 f 3 n _ 4 1 9 f 2 “0 8 4 u m4 e ，2 4 ，1 1 ，2 “3 2 0 u m 4 e 2 4 ，1 3 2 i z 玉- _ 。8 4 8 i - 3 1 1 主三三三掰 图2 1 n d “：y a g 晶体的能级结构简图 7 2 1 准三能级激光系统的速率方程与反转粒子数空间分布 在建立准三能级激光运转理论之前，首先建立以下基本的假设：即在连续l d 泵 浦及激光稳态输出的情况下，激光的上、下能级的粒子数分布由热运动b o l t m a l l 玻尔 兹曼分布函数描述，且泵浦及激光均是t e m o o 圆高斯光束，即在有效激光介质中泵浦 光及激光均无发散。 由图2 1 可知，激光的上能级结构中有r l 、r 2 两条能级，9 4 6 n m 谱线是r l 能级向 z 5 能级的跃迁。即实际的激光跃迁在能级的斯塔克分量之间发生，所以常温下任一能 级上的粒子数服从波尔兹曼分布。设能r ，级上的粒子数占上能级粒子数总数的比例为 f 2 ，则激光的上能级粒子数为n 2 = n u * f 2 0 为4 f 3 r 2 能级的粒子数) ，同样集居在z 5 能级 的粒子数占下能级粒子数总数的比例为f 1 ，则激光的下能级粒子数为n 1 = n ，f 2 ( n 。为 4 i 蚍能级的总粒子数) ，则激光的上下能级的粒子数的速率方程可以写成如下形式：1 1 7 l 掣。f 2 r r e ( r , z ) 一兰二二巡一j 生! ! i 垒l 二塑_ = 二垒剑m 九( r ，2 ) 。0 ( 2 1 ) 掣。一f 。r r p ( r , z ) 一塑趔一f l c l s y n 2 ( r , z ) - n , ( r , z ) m 九( ，z ) 。o ( 2 2 ) d t fn 则粒子数密度为o t u v ( r ，z ) 一 ：r ，z ) 一n 。( r ，z ) 】 ( 2 3 ) 其微分方程为 _ _ d n ( r , z ) ( + a ) r r p ( r , z ) 一些咝幽兰一盟丝丝刿中九( ) ( 2 4 ) a tfn 在稳态时：d a n _ ( r , z ) ：0 ( 2 5 ) 方程中 f 一是激光上能级的寿命 盯一是激光的发射截面 中一是腔内光子数， 稳态时西t 知驴。c h v 。 n 一为介质的折射率 z 一轴向坐标 r 一半径方向的坐标 om ? 一? ，该项是没有泵浦时，系统处于平衡态时的反转粒子数 r 为泵浦速率，即增益介质在单位时间内由被抽运到激光上能级的总粒子数。 r 一叩，只h h v 。 ( 2 6 ) h 是普朗克常数，是泵浦光频率，是量子效率，表示一个泵浦光子平均激发的粒子 数，只。为被激光介质吸收的泵浦光功率： p 出一p p 1 一e x p ( 一a l ) 】 ( 2 7 ) p p 是进入模体积的泵浦功率，a 是增益介质对泵浦光的吸收系数，l 是增益介质长度。 0 ( ，z ) 和九( ，z ) 分别为泵浦光子和激光光子的归一化空间分布函数，则满足归一化条 件： 册( r # 砂“ j m ( r ，z v 矿- 1 r o b ( 2 9 ) 义假伎泵涌光柙殿光为圆两册光束，所以在 徼光明增益糸数较小，胫内于员耗个计的情 况下有： 1 s l 咖) - 嘉c x p ( 等e x p ( 2 1 0 ) 批) 刍c x p 审 ( 2 1 1 ) 。和q 分别是泵浦光和激光的光束半径。 腔内光子数满足 1 9 1 ： 警。酽) a c n 中讹缈一詈 ( 2 1 2 ) 式中，_ - 百宇若是谐振腔的冷腔光子寿命； l 为腔内双程损耗，t 为输出镜的透 过率。 在室温下，在热平衡时，n ：对自发辐射没有贡献，即 ? ?( 2 1 3 ) 9 当。一?系统处于稳态时有丝。0 ，华。0 ，由公式( 2 1 ) ( 2 2 ) 可求出 df出 n ：，n 1 ，令，- ，2 + ，l 便得准三能级系统的反转粒子数的空间分布方程 a n ( r , z ) - 篙 从这个方程中我们可以得出以下结论：反转粒子数的空间分布是激光与泵浦光功率密 度空间分布的函数，同时也可以看出再吸收对反转粒子数的影响。 2 2 激光阈值与最佳长度 由公式2 9 还可以得到激光的增益系数为： 力一n 加篙 仁均 在阈值以上时，激光的增益系数包括两项，第一部分为饱和增益项；第二部分为由于 低能级粒子数的再吸收引起的饱和损耗项。在第一部分里可以看出，饱和增益的空间 分布取决于泵浦速率的空间分布和激光场的空间分布。在第二项中，饱和损耗项的空 间分布仅仅取决于激光场的空间分布。因此，从上面这仲关系中可以看出存在再吸收 引起的激光光场的空间分布行为与忽略掉再吸收的情况是大不相同的。 由激光原理，当激光单向通过激光介质时： d i _ ( r , z ) 。c ( r ，：) i ( f ，z )( 2 1 6 ) 习惯上把上公式写成非饱和增益形式： 垡! 盟。垡堑型尘! 尘 f 2 1 7 ) d z 1 + ，( ，z ) t x 、 式中i s 为饱和光强，将此式与( 2 1 7 ) 式比较，可得小信号增益系数g or ，z ) 为： i ( r ，z ) 一( c h v 2 n ) d p d ) o ( r ，z ) ( 2 1 8 ) 如果腔内内损耗较小，则往返双程增益与双程损耗之间关系可以写成： p 一绺d z 。p l 忉 ( 2 1 9 ) 式中p 。( z ) 为z 点处单程激光的光强。 1 0 p 。( z ) 一劢f ，( ，z ) r d r u 在公式中，p l ( 无z 参数) 代表激光的平均功率，这意味着低损耗、低增益情况下 的激光光强沿z 轴近似为一个常数。由( 2 1 5 ) - ( 2 1 9 ) 式，( 2 1 9 ) 式可以写成： 1o 妒【叫w ，z ) r d r 日p l ( l + t ) ( 2 2 0 ) 00 a矗，!i；i!；i!i；il!；!一c鲁，砌也=置。c+z，c22t， x 1 2 r 2( 2 2 3 )x _ 。了。t z z j j ； 口。忑2 n 。o ( 2 2 4 ) + r ) 、 ，。j ( 2 2 5 ) a h v 。断犯+ 丁) 、 s 缨 ( 2 2 6 ) 彪删j z 、 。 e x p ( ) 一b 五a = _ 2j _ e x p ( - a2 x ) ，寸而嵩石一钉 ( 2 2 7 ) 1 + b 1 n ( 1 + 务) f 一- ? 丢i _ ( 2 2 8 ) 扭1 + 咝f se x 尘p ( - a 塑。x ) 出 - 瓦一姆i 三1 + 西昙至si 甄n ( 1 + f s ) 一半将代入c 2 2 s ，可得阈值时泵浦光的功率 5 1 + 扣e x p ( - a 2 工) - 坐堕蔓4 0 m 坠o f 竺塑 ( 2 2 9 ) 础p ( - a z 。) ( 掣+ 6 + 2 溉) 一2 n 。盯。o 口 根据以上理论分析，我们对l d 纵向泵浦的9 4 6 n mn d ：y a g 激光器阂值与晶体长 度的关系作了计算机数值计算。图形如下： e r y 艟a il 棚g 咖( r a m ； ：l； ： 图2 2 阈值随晶体长度的变化曲线 ( a ) n o = 1 ，3 0 0 k ( b ) n o = 1 ，2 5 0 k ( c ) n o - - 1 1 ，3 0 0 k ( d ) n o = 1 1 ，2 5 0 k 从上图我们还可以看出，阈值最低点对应晶体的最佳长度。除此以外，还有以下 几点规律： ( 1 ) 输出镜的透过率越高，产生激光的阈值也越高； ( 2 ) 对于某一固定的透过率，当晶体的长度在3 - 6 r a m 范围内时，激光的阂值变化不 是非常明显，但是当晶体的长度在3m m 以内时，阈值随晶体长度变化非常剧烈； ( 3 ) 最佳长度随温度的降低而增大，随掺杂浓度n o 的上升而减小； ( 4 ) 阈值随掺杂浓度的上升而减小，随温度的降低而减小。 1 3 2 3 准三能级系统的斜效率 解方程2 2 7 得 1 + 导l n 0 + f s ) ，jfjiexp磊-(a群2+1)x) 由方程可以以求出归一化的内部斜效率公式： 嬲 1 + b - - h n 0 + f s ) fs d f 。 e x p ( - 石) 一_ b a2 】e x p ( 一知：工) fe f2 f 可忐矿 ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) 婴表示吸收的泵浦光子被转化成激光光子的效率，如果型羔：1 则表示每吸收一个 df?d? 一c 泵浦光光子就受激发射一个激光光子，如果兰兰t1 就表示一些激发态的光子自发跃迁 d 到了基态或者时泵浦光和激光的模式交叠度不好。由式2 3 2 可知，内部斜效率是f ，b ， a ，s 的函数，只能数值求解。当a 取不同数值，其他参数与以上计算取值相同时，可 以求出激光的内部斜效率如图2 3 所示 图2 3 不同a 值时激光内部斜率效率随归一化泵浦功率的曲线 从图2 3 可以看出，随着泵浦强度f 的增加，激光的内部斜效率增大，并且趋于1 ； 此外，随着f 值的增加，激光的内部斜效率不再是当a 很小时为最高，而是出现了交 叠的现象。在一定的泵浦功率情况下，存在一个最佳的a 值，使激光的内部斜效率最 1 4 高。这种现象应该归结于两种趋势的竞争： ( 1 ) 当a 趋于零时，即泵浦光光束半径远小于激光光束半径的情况下，在r = o 处反 转粒子数最大，同时在r - - o 附近又有很强的激光，受激辐射很强，转化效率自然提高； ( 2 ) 当a 趋于无穷时，即泵浦光光束半径远大于激光光束半径的情况下，激光光场 与未泵浦区( 损耗区) 重合的程度小，下能级粒子再吸收相对减小，内部斜效率也会提高。 这两种相互矛盾的因素是存在最佳a 值的真正原因。从图2 3 也可以看出a 的最佳值还 取决于泵浦光的激励强度。从图2 3 中可以看出，a = l 时的激光器有最大斜效率。因此， 我们在后面的实验中选用泵浦光与激光的光斑半径尽量接近。 则根据定义的参数，外部斜效率可表示为： 露。鲁。万d s ( 2 3 3 ) 第三章激光晶体和倍频晶体 3 1 激光晶体的特性 n d ：y a g 激光器是目前最常用的一类激光器。y a g 基质硬、光学质量好、热导 率高，y a g 的立方结构也有利于获得窄的荧光谱线，从而产生高增益、低阂值的激光 作用。在g e u s i c 等人首次成功地进行了n d ：y a g 激光发射之后的5 年，材质和泵 浦技术都取得了很大的进步，特别是伴随着半导体激光器及其阵列的飞速发展，使得 二极管泵浦源发射波长更加精确地与n d ：y a g 的吸收谱线相对应，从而使n d ：y a g 成为当前在科研、工业、医学和军事应用中最重要的激光介质。 3 1 1n d ：y a g 晶体的物理和光学特性 掺钕钇铝石榴石简称n d ：y a g ，其激活粒子为三价钕离子n d 3 + ，其基质为钇铝石 榴石晶体。在n d ：y a g 中，三价钕替换了三价钇，因此不需要补偿电荷。钇铝石榴石 的分子式为y 2 a 1 5 0 1 2 。y 3 + 、a 1 3 + 和0 1 2 按一定规律排列在晶体点阵上，当点阵上的部 分y 3 + 被n d 3 + 取代后就形成激光工作物质t q d 3 + ：y a g 。根据需要可选用不同的掺杂浓 度来改善n d ：y a g 的某些性能，例如为了获得高储能，掺杂浓度要高些( 接近1 2 a t ) ； 如果为了获得优良的光学质量，掺杂浓度一般较低( 0 5 0 8 a t ) 。n d 3 + ：y a g 的基本 物理性质参数和热学参数见下表3 1 和3 2 。 袁3 - 1n d “：y a g 的基本物理性质参数 表3 - 2n d ”：y a g 的热力学性质 n d ：y a g 是各向同性晶体，但其热致双折射高，因此在一定的条件下如偏振泵浦， 表现出各向异性的性质，使得激光器发出的基频光为偏振光，合理利用这种偏振性质 有利于激光器件的设计和分析。另外机械安装应力阻2 4 1 、制冷方式的选择也是必须认 真考虑的。n d ：y a g 的荧光寿命和吸收系数都与掺杂浓度有关，随着掺杂浓度从 1 0 a t m 增加2 s a t m 时，荧光寿命从2 3 0 “s 减小到1 6 0ps ，吸收系数从3 增加到8 。 n d ：y a g 有着较高的k n o o p 硬度、较大的热导率，其中正的热光系数使得在受热时产 生正的热透镜，可用凸面腔镜实现光路上的补偿。另外，n d ：y a g 的吸收截面不是偏 振相关的，这给横向泵浦或随机泵浦带来了方便。 n d ：y a g 的立方结构也有利于窄的荧光谱线，使得n d ：y a g 的线宽为1 3 0 g h z ， 然而在实际的器件运转时，如多纵模运转时的谱线线宽为3 0g h z ，而单纵模运转时的 谱线线宽i o o g h z 。这在设计激光器选频元件和鉴频元件时应当考虑。n d ：y a g 的吸 收带宽很窄，要求作为泵浦源的激光二极管的带宽也要窄，同时更要求在对激光二极 管进行温度调谐( 典型的调谐速率约为0 3 n m c ) 时温控精度要高，以使其发射光谱与 n d ：y a g 的吸收带宽达到好的光谱匹配。 3 1 2 光谱特性分析 泵浦带 _ ，。- - ，- 激光跃迁，。 图3 1 为n d ：y a g 激光简化能级图 o 1 1 5 0 9 “气 1 1 4 2 5 焉 4 f v 2 为亚稳能级( 激光上能级) ，4 f 1 3 ，2 都可作为激光下能级，4 1 9 n 为激光的基态。在 光泵浦状态下，n d 3 + 离子由基态跃迁到各吸收能级后，很快通过无辐射跃迁到亚稳态， 由4 f 3 ，2 向下能级自发辐射产生三条荧光谱线( 见图3 1 ) 。其中心波长和所对应的能级 1 7 一圈二三 c 9 1 4 6 2 唧 啪 裂戮 i 辩觜 洲 舢 裂貉鬈例 侣 博 ” 他 坩 b 6 4 2 o 跃迁为： - 0 9 4 6 娜n z 堙号 - 1 0 6 4 m n 飞，2 峥 i n 2 -