（通信与信息系统专业论文）微片激光器的理论和实验研究.pdf

杭州电子科技人学硕十学位论文 摘要 激光二极管( l d ) 抽运的微片激光器具有体积小、重量轻、高效率、高可靠性、 光束质量好和寿命长等优点。微片激光器由于腔长短易实现单纵模输出的特性，在空间 光通信、激光雷达、非线性光学和生物医学等众多领域有着巨大的应用价值。l d 抽运 的双频微片激光器，由于其具有结构简单、频差大、可调谐和输出双波长稳定等优点， 在r o f 系统和激光精密测量系统中有着很好的应用前景。 本论文主要对普通单纵模微片激光器的空间特性、时间特性以及双频微片激光器的 时间特性和光谱特性进行了理论和实验研究，具体包括以下方面： ( 1 ) 在考虑增益( 损耗) 引导和二次引导( 包括曲面输出镜和热效应) 下，通过引 入复数折射率，计算出了微片激光器的横模。分析得出了增益引导和二次引导在不同抽 运参数条件下对近场横模光斑尺寸变化的影响。 ( 2 ) 完善了c r 4 + ：y a g 被动调q 微片激光器的理论模型。通过数值计算和实验对照， 得出了c r 4 + 被动调q 微片激光器获得稳定可控脉冲输出时，连续抽运速率、脉冲抽运 速率和抽运脉冲宽度之间的关系；输出单脉冲的脉宽、峰值功率随整体抽运速率变化的 关系；在实验中获得了稳定的、重复频率在1 h z 4 k h z 可调的调q 脉冲激光输出。 ( 3 ) 研究了预抽运条件下增益开关微片激光器的理论模型。通过数值计算和实验对 照，得到保证在每个抽运脉冲内输出单个激光脉冲情况下，获得高峰值功率窄脉冲的方 法；在实验中获得了脉冲峰值功率为6 w ，脉宽为2 4 n s ，重复频率在1 h z 1 0 k h z 范围 可调的稳定脉冲输出。 ( 4 ) 建立了单纵模双波长输出理论，并将其应用到l d 抽运的n d ：w w 0 4 微片激光器。 通过实验获得了稳定的双波长激光输出，激光输出中心波长分别为1 0 6 4 1 8 n m 和 1 0 6 4 5 0 n m ，波长间隔为0 3 2 n m ，对应的频差为8 5 g h z 。最后对该双频微片激光器用来 光生毫米波进行了可行性分析，得出该双频微片激光器可以用来光生毫米波的结论。 关键词：微片激光器，横模，被动调q ，增益开关，重复频率可控，单纵模双波长 杭州电f 科技人学硕十学位论文 a b s t r a ct l a s e rd i o d e ( l d ) p u m p e dm i e r o c h i pl a s e r sh a v em a n y a d v a n t a g e ss u c ha sc o m p a c t n e s s ， l i g h tw e i g h t , h i g he f f i c i e n c y , r e l i a b i l i t y , g o o db e a mq u a l i t ya n dl o n gl i f e t i m e , e t c s i n c e l d - p u m p e dm i c r o c h i pl a s e r se a s i l yr e a l i z es i n g l e - l o n g i t u d i n a l - m o d el a s e ro u t p u t ，t h e ya r eo f g r e a ti n t e r e s t i n gi nt h ef i e l do fs p a c eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，l a s e rr a d a r , n o n l i n e a ro p t i c s a n db i o m e d i c i n e ，e t c d u a l f r e q u e n c ym i c r o c h i pl a s e r sc o m b i n i n gt h ec o m m o n a d v a n t a g e so f m i c r o c h i pl a s e rw i t hl a r g ef i e q u e n c y - d i f f e r e n c e , t u n a b l ea n dd u a l - w a v e l e n g t hs t a b i l i t y , i s v e r yu s e f u li nt h ef i e l do fr o fs y s t e ma n dl a s e rp r e c i s i o nm e a s u r e m e n ts y s t e m t h i st h e s i s m a i n l ys t u d i e s t h es p a t i a lc h a r a c t e r i s t i c s ，t e m p o r a l c h a r a c t e r i s t i c so f s i n g l e - - l o n g i t u d i n a l - - m o d em i c r o c h i pl a s e r ；a sw e l la st h et e m p o r a lc h a r a c t e r i s t i c sa n ds p e c t r a l p r o p e r t i e so fd u a l f r e q u e n c ym i c r o c h i pl a s e r , t h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n a t l l y t h em a i n c o n t e n t sa l ea sf o l l o w s ： ( 1 ) c o n s i d e r i n gt h eg a i n ( 1 0 s s ) g u i d i n ga n dq u a d r a t i ci n d e x - g u i d i n g ( i n c l u d i n gt h e r m a l g u i d i n ga n dc o n c a v em i r r o rg u i d i n g ) ，i n t r o d u c t i n gt h ec o m p l e xr e f r a c t i v ei n d e x ，o n ea c h i e v e s t h es e l f - r e p r o d u c em o d e so fm i c r o c h i pl a s e r t h ei n f l u e n c e so ft h ed i f f e r e n tp u m p i n g p a r a m e t e r st ot h eo u t p u tt r a n s v e r s e m o d ep r o f i l ei nt h en e a r - f i e l da r ed i s c u s s e d ( 2 ) t h et h e o r e t i c a lm o d e lo fc d + ：y a gc r y s t a lp a s s i v e l yq s w i t c h e dm i c r o c h i pl a s e ri s i m p r o v e d b yc o m p a r i n gn u m e r i c a lc a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，o n ec o n c l u d e st h e r e l a t i o n s h i pa m o n gt h ec o n t i n u o u sp u m p i n gr a t e ，p u l s ep u m p i n gr a t ea n dt h ew i d t ho fp u m p p u l s e ，a n dt h er e l a t i o n s h i po fs i n g l e - p u l s ew i d t h ，p e a kp o w e rv s t h eo v e r a l lp u m p i n gr a t e ， w i t hs t a b l ea n dc o n t r o l l a b l el a s e rp u l s et r a i no u t p u t b yu s i n gp r e - p u m p i n gt e c h n i q u e ，t h e h i 曲l ys t a b l eq s w i t c h e dl a s e rp u l s e sw i t hr e p e t i t i o nr a t ef r o m1h zt o4 k h zi sa c q u i r e d ， e x p e r i m e n t a l l y ( 3 ) t h ep r e - p u m p i n gt h e o r e t i c a lm o d e lo fg a i n s w i t c h i n gm i e r o e h i pl a s e ri se s t a b l i s h e d b yc o m p a r i n gn u m e r i c a lc a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，o n ef i n d s t h ew a yf o r i n c r e a s i n gt h ep e a kp o w e ro fp u l s eu n d e rs i n g l ep u l s eo u t p u tc o n d i t i o n s t a b l ep u l s ep e a k p o w e ro f6 w ，d u r a t i o no f2 4 n sa n dr e p e t i t i o nr a t eo f1h z - 1 0 k h zi so b t a i n e d ，e x p e r i m e n t a l l y ( 4 ) t h et h e o r yo fs i n g l e - l o n g i t u d i n a l - m o d ed u a l w a v e l e n g t ho u t p u to fm i c r o c h i pl a s e ri s e s t a b l i s h e d ，b ya p p l y i n gt h et h e o r yt ol d p u m p e dn d ：y v 0 4m i c r o c h i pl a s e r , o n eg e t ss t a b l e d u a l w a v e l e n g t hl a s e rt r a i no u t p u tw i t ht h ec e n t e rw a v e l e n g t hi n10 6 4 。18 n ma n d10 6 4 5 0 r m a ， r e s p e c t i v e l y t h es p a c eo ft w ow a v e l e n g t h si s0 3 2 n m ，c o r r e s p o n dt o8 5 g h z f i n a l l y ，t h e f e a s i b i l i t yo ft h ed u a l f r e q u e n c ym i c r o c h i pl a s e ru s e dt op h o t o n i cg e n e r a t i o no fm i l l i m e t e r l i 杭州电子科技人学硕+ 学传论文 w a v ei sa n a l y s e d ，a n do n eo b t a i n st h a tt h ed u a l f r e q u e n c ym i c r o c h i pl a s e rc a nu s e dt o p h o t o n i cg e n e r a t i o no f m i l l i m e t e rw a v e k e yw o r d s ：m i c r o c h i pl a s e r , t r a n s v e r s e - m o d e ，p a s s i v e l yq s w i t c h i n g ，g a i n s w i t c h i n g ， c o n t r o l l a b l er e p e t i t i o nr a t e ，s i n g l e - l o n g i t u d i n a l - m o d ed u a l w a v e l e n g t h i i i 杭州电f 科技人学硕十学侍论文 第1 章绪论 1 1l d 抽运固体激光器概述 自1 9 6 0 年第一台红宝石固体激光器面世以来，激光科学和激光技术便迅速、蓬勃 地发展起来。目前已出现了气体激光器、染料激光器、原子激光器、离子激光器、半导 体激光器、x 射线激光器、光纤激光器和固体激光器等激光器。其中激光二极管抽运的 固体激光器( d i o d ep u m p e ds o l i ds t a t el a s e r ，d p s s l ) 以其效率高、运行稳定、结构紧凑、 寿命长、光束质量高等优点成为激光技术中最具发展潜力的激光器之一，目前已被广泛 用于激光加工、激光雷达、光通信、生物医疗、精密测量、非线性光学和种子激光等众 多领域。 d p s s l 是用激光二极管( l a s e rd o i d e ，l d ) 作为抽运源去抽运固体激光增益介质的 激光器，它的发展与l d 的发展密切相关。1 9 6 2 年，美国研制出世界上第一台同质结 砷化镓( g a a s ) 半导体激光器。1 9 6 3 年美国的r n e w m a n 首次用g a a s 激光器抽运 n d ：c a w 0 4 得到了1 0 6 4 n m 的受激荧光输出【l 】。随后，m i t 林肯实验室的研究人员用l d 抽运u ”：c a f 2 晶体实现了2 6 1 3 n m 准连续激光输出【2 】o1 9 6 8 年r o s s 等人报道了世界上 第一台l d 抽运的n d ：y a g 激光裂3 1 。1 9 7 2 年，d a n i e l m e y e r 等报道了能在室温下工作 的l d 抽运全固态n d ：y a g 激光器【4 1 。由于二极管激光器的性能限制，此时的l d 抽运 固体激光器的输出功率最大只有几十毫瓦，性能无法与灯泵固体激光器相比，导致 d p s s l 发展相当缓慢。直到2 0 世纪8 0 年代，金属有机物化学气相淀积( m o c v d ) 技术 的应用及量子阱激光器的出现，使激光二极管技术取得了革命性突破，而以此为基础的 激光二极管抽运固体激光器技术也因此得到了快速发展。 自9 0 年代以来，随着l d 的飞速发展，l d 抽运固体激光器也取得了突飞猛进的进 展，各种构型、各种工作方式、各种激光增益介质的d p s s l 逐步走向实用化，并取代 了许多传统激光器，成为当前激光器发展的主流。近年来，随着新型高效激光基质材料 的不断出现及l d 技术的不断提高，激光二极管抽运固体激光器的研究上了一个新台 阶，其工作波长已可覆盖从紫外到中红外，并朝输出功率更高、光束质量更高、进一步 小型化发展。 1 2l d 抽运微片激光器的发展概况 微片激光器的概念最初是由美国林肯国家实验室的j j z a y h o w s k i 和m o o r a d i a n 在 1 9 8 9 年提出的【研。微片激光器是指谐振腔长度在毫米量级的微小型固体激光器。典型的 微片激光器是直接在增益介质两端镀膜，从而形成一体化的微型谐振腔。由于微片激光 增益介质的厚度大都在l m m 以下，这就使得纵模间隔很有可能超过增益带宽，从而比 杭州电+ f 科技大学硕+ 学位论文 较容易获得高质量单频激光输出。不仅如此，微片激光器还有着光束发散角小( o 1 0 量 级) ，容易实现基模激光输出，且光斑为圆形等优点，所以它也是空间光通信可选光源 之一。近年来，基于微片激光器体型小、结构简单紧凑、易实现高质量光束等优点， l d 抽运的微片激光器已被广泛用于军事、通信、医疗和科研等领域【6 1 。 微片激光器可以在连续或脉冲状况下运行，其脉冲输出模式主要采用被动调q 机 制和增益开关机制来实现。将微片激光器与一些小型非线性器件紧密结合在一起，可以 形成非常紧凑的参量放大、参量振荡、谐波产生等光学系统，该光学系统可实现1 9 0 n m 到5 9 m 波段的激光输出。目前，对于连续输出l d 抽运微片激光器的研究主要集中在 频率调谐特性和获得高功率连续激光输出上；对于脉冲输出的微片激光器的研究则主要 集中在如何获得脉宽更窄、峰值功率更高和输出脉冲频率可控的脉冲输出上。 1 2 1 连续微片激光器的发展概况 1 9 8 9 年美国的研究人员首次研制出输出波长为1 0 6 4 n m 和1 3 1 9 n m 的n d ：y a g 微片 激光器。该微片激光器的腔长为7 3 0 1 , t m ，通光截面为l m m x l m m ，阈值功率小于l m w 。 实验中，当抽运功率比阈值大几倍时，该微片激光器实现了单纵模单横模激光输出【5 1 。 1 9 9 0 年，英国的研究人员报道了l d 抽运的半外腔结构n d ：y a g 微片激光器，其 输出波长为1 3 1 , t m 。n d ：y a g 晶体的尺寸为q ) 3 m m x 0 7 m m ，晶体的一个端面为谐振腔输 入镜，输出耦合镜由p z t 控制，最大连续输出功率为1 0 m w 。通过p z t 调节输出耦合 镜的位置，得到了可调谐的激光输出，其调谐范围超过了5 8 g h z 7 】。1 9 9 1 年，日本的 研究人员报道了用n d ：y v 0 4 晶体作为增益介质的微片激光器，其实验装置如图1 1 所 示。该激光器通过在晶体两端面镀膜直接构成谐振腔，输出波长为1 0 6 4 n m 。在实验中， 该微片激光器实现了1 0 3 m w 的单模连续输出，倾斜效率为3 2 4 。通过温控装置改变 激光晶体的温度，该激光器还可以实现激光频率的可调谐输出，其中频移达到1 0 7 g h z ， 且无跳模现象峭j 。 图1 1n d ：y v 0 4 微片激光器示意图 1 9 9 2 年，美国宝丽来公司和a t & t 贝尔实验室报道了l d 抽运n d ：y c e a g 单频微 片激光器的研究成果【9 1 。该微片激光器的输出波长为1 0 6 4 n m ，最大连续输出功率为 4 5 m w 。通过控制激光晶体的温度还可实现激光频率的可调谐输出，其频率调谐度为 1 8 0 g h z ，稳定度高于1 0 m h z 。在1 9 9 4 年，该小组通过采用更高n d 掺杂浓度的n d ：y a g 2 杭州电f 科技人学硕十学位论文 晶体作为激光增益介质，在1 w 的l d 抽运下，获得了1 2 0 m w 的最大连续输出功率。 该微片激光器采用的是平行平面腔，腔长为4 5 0 9 m ，输出波长为1 3 9 m 1 0 j 。 2 0 0 4 年，h i r o s h ih a r a 等研制出一种输出频率可调的双腔式结构n d ：y a g 微片激光 器。该微片激光器所用n d ：y a g 晶体的掺杂浓度为1 ，尺寸为m 3 m m x l 5 m m ，抽运源 为最大输出功率1 w 的l d 。在实验中通过p z t 改变晶体与输出镜间的距离，实现了 9 3 8 9 4 6 n m 的可调节连续输出l l 。 随着制造工艺的提高，新型高效激光基质材料不断出现，微片激光器的光- 光转换 效率有了很大提高。2 0 0 6 年，d o n g 等人【1 2 】采用l m m 厚的y b ：y a g 陶瓷片作为激光增 益介质，在连续l d 抽运下，获得了斜率效率超过6 5 的连续激光输出。2 0 0 7 年，日 本的t a i r a 等人研制出一种高功率全陶瓷y b ：y a g 微片激光器，该微片激光器可以输出 准连续激光和连续激光，其中输出连续激光时，最大功率可以达4 1 4 w l l 引。2 0 0 8 年，s n a k a m u r a 等人用y b 掺杂浓度为9 8 的y b ：y a g 陶瓷作为增益介质，在泵浦功率为 1 3 8 w 时，获得了6 8 w 的连续输出，斜率效率达到了7 2 。而且该激光器可实现 1 0 2 0 1 1 0 8 3 6 n m 的连续可调输出1 1 4 1 。 我国对微片激光器的研究是从1 9 9 2 年开始的。1 9 9 3 年，中科院上海光机所成功研 制出国内第一台l d 抽运的n d ：y a g 微片激光器，该微片激光器可以在室温下实现连续 单纵模单横模激光输出【b 】。1 9 9 7 年，厦门大学的黄元庆用输出波长为8 0 9 n m 的l d 端 面抽运n d ：w 0 4 微片激光器【阚。在抽运功率为4 0 0 r o w 时，获得了15 2 m w 的1 0 6 4 n m 激光输出，总的光光转换效率为3 8 。 近几年，我国在l d 抽运的y b ：y a g 微片激光器方面也取得了很大成功【1 7 - 1 9 2 0 0 8 年，蔡虹等用9 7 0 n m 的l d 抽运y b ：y a g y a g 复合陶瓷薄片激光器，在连续运转情况 下，获得了1 0 5 w 的最大输出功率【l 引。 输出 图1 2c t h ：y a g 微片激光器实验装置不葸图 对于2 9 i n 波段的l d 抽运微片激光器，我国也取得了一些成果【2 0 2 。2 0 0 9 年北京 理工大学研制出了l d 抽运的单纵模c r ，t m ，h o ：y a g 微片激光裂2 0 1 ，其实验装置如图 1 2 所示。该激光器在室温下实现了2 p m 的单纵模输出，最大输出功率为3 1 m w 。2 0 1 0 年，张军杰的课题小组采用7 9 2 n ml d 抽运单掺铥锗酸盐玻璃微片，获得了3 4 6 m w 的 最大输出功率，输出中心波长为1 9 9 5 p m ，斜率效率为2 5 6 i 。 杭州电子科技大学硕十学位论文 1 2 2 短脉冲微片激光器的发展概况 短脉冲是指脉宽在纳秒量级的激光脉冲。重复频率可调控并稳定的激光短脉冲在通 信、医疗、军事、科研等领域有着广泛的用途。由于微片激光器的腔长大多在毫米量级， 这会导致光子在腔内的寿命缩短，从而利于短脉冲的产生。为了进一步压缩脉冲的宽度， 需要在l d 抽运的微片激光器中应用调q 技术或增益开关技术。 1 2 2 1 调q 技术 调q 技术是指通过调节谐振腔的q 值以获得激光巨脉冲的技术。其原理可以描述 为：在抽运开始时，使谐振腔处于高损耗低q 值状态，这时激光振荡的阈值很高，粒 子密度反转数即使积累到很高水平也不会产生振荡；当粒子密度反转数达到其最大值 时，突然减小腔内的损耗，使得腔内的光增益远远超过阈值，于是激光器将极其迅速地 建立起激光振荡。这时谐振腔内光子快速的提取存储在亚稳态的能量，使自己雪崩式的 增长，这样激光器便会输出一个峰值功率高、宽度窄的巨脉冲。 调q 技术分为主动调q 和被动调q 。主动调q 是需要外部控制的一种调q 方式， 其主要有声光调q 、电光调q 和转镜调q 三种形式。与主动调q 相比，被动调q 则要 简单得多，它是在谐振腔内放一饱和吸收体，通过其饱和吸收效应来控制谐振腔的损耗， 达到调q 的目的。它在整个调q 过程是不需要外部控制，所以被动调q 激光器的结构 都很简单，而且还容易实现小型化。 对于调q 微片激光器，目前主要用c ，：y a g 晶体或具有可饱和吸收特性的半导体 材料作为可饱和吸收体来进行被动调q 的。 ( 1 ) 半导体材料被动调q 微片激光器的发展概况 图1 3 被动调qn d ：y v 0 4 微片激光器实验装置 1 9 9 7 年南洋理工大学的g u g q 等人首次用一块g a a s 晶片同时作为n d ：y v 0 4 微片 激光器的可饱和吸收体和输出耦合镜进行被动调q 。在实验中所用n d ：y v 0 4 晶体的n d 掺杂浓度为l a t ，厚度为l m m ，晶体的一端镀1 0 6 4 n m 高反膜及8 0 9 n m 高透膜作为谐 振腔的输入镜，另一端镀1 0 6 4 n m 高透膜。在实验中获得了脉冲能量为3 1 d ，脉宽为9 n s 的调q 脉冲【2 2 1 。同年，b b r a u n 等报道了用半导体作为可饱和吸收体的被动调q n d ：y v 0 4 微片激光器，实验装置如图1 3 所示。抽运源为输出波长为8 0 8 n m ，最大输出 功率为2 w 的激光二极管阵列，n d ：y v 0 4 晶体掺杂原子数分数为3 ，厚度为2 0 0 p r o 。 杭州电子科技人学硕+ 学位论文 在实验中获得了脉冲宽度为5 6 p s ，脉冲能量6 2 n j ，峰值功率1 1 k w ，重复频率8 5 k h z 的单频调q 脉冲输出【2 3 1 。 1 9 9 8 年瑞士的r f l u c k 等冽首次采用半导体饱和吸收镜( s e s a m ) 作为e r y b ：g l a s s 微片激光器的q 开关，得到了波长为1 5 3 5 n m ，脉冲宽度为1 2 n s 的调q 脉冲输出。其 实验装置如图1 4 所示，从图中可以看出，该微片激光器的结构非常紧凑。 图1 4 被动调qe r y b ：g l a s s 微片激光器实验装置图和脉冲波形 1 9 9 9 年gj s p u h l e r 等采用s e s a m 对y b ：y a g 微片激光器进行被动调q ，获得了 单脉冲能量为1 1 ，脉宽为5 3 0p s ，峰值功率为2 1k w 的调q 脉冲输出【2 5 1 。 o o u l 蠊r l g 一 p 叭t i c s 鞘 墨 鬣潮w 一 簟 ，r 图1 5y b ：y a g 激光器实验装置图 2 0 0 2 年d y s h e n 等研制出g a a s 晶片调q 的y b ：y a g 微片激光器，实验装置如图 1 5 所示。在实验装置中g a a s 晶片不但作为y b ：y a g 微片激光器的q 开关，而且还是 该激光器的输出耦合镜。因此该激光器相比其他类型的激光器，其结构更加紧凑、简单。 在实验中，该激光器在1 2 2w 的抽运功率下，获得了脉宽1 5 5 n s ，单脉冲能量为7 5 6 0 a ， 重复频率为7 3 k h z 的稳定脉冲输出【2 6 1 。 2 0 0 4 年中科院的z h a n gq i u l i n 等人报道了用g a a s 作为饱和吸收体进行调q 的 y b ：y a g 微片激光器【2 7 1 。在抽运功率为1 3 5 w 时，激光器的平均输出功率为4 0 9 m w ， 脉冲宽度为5 6 n s ，单个脉冲能量为4 5 4 。2 0 0 8 年，长春光机所的p e n gj i y i n g 等报道 了复合半导体材料( i n o 2 a g a o 7 5 a s g a a s ) 调q 的n d ：y v 0 4 微片激光器。激光器结构如图 1 6 所示，抽运源为中心波长8 0 8 n m 的激光二极管，激光增益介质n d ：y v 0 4 的掺杂浓 度为3 0 a t ，晶体厚度为3 5 0 p m 。晶体一端镀1 0 6 4 n m 高反膜( r 9 9 8 ) 及8 0 8 n m 高透 杭州电二f 科技人学硕十学位论文 膜( t 9 8 ) 作为谐振腔的输入镜，另一端镀1 0 6 4 n m 高透膜( t 9 8 ) ，输出耦合镜则是 通过在复合半导体材料外表面镀膜形成，所以复合半导体材料既是q 开关又是输出耦 合镜。在实验中，他们获得了脉冲宽度为1 1 n s ，重复频率高达4 6 m h z 的调q 激光脉 冲【2 8 】。 n d ：y v 0 4 _ 誓 i l r c o m p o s s e m 汜_ o n d u c t o r a b s o r b e r 图1 6 被动调qn d ：y v 0 4 微片激光器结构图 ( 2 ) c r 4 + ：y a g 被动调q 微片激光器的发展概况 与具有可饱和吸收特性的半导体材料相比，c r 4 + ：y a g 晶体由于具有高的损伤阈值、 热导性能好，吸收截面大，饱和光强小，光化性质稳定，无退化现象，使用方便，寿命 长，易实现高峰值输出功率和高脉冲重复频率等优点，在被动调q 微片激光器中得到 广泛应用【2 9 1 。由于c r 4 + ：y a g 晶体在0 9 1 x m - - 1 2 岬波段具有宽的吸收带和良好的可饱 和吸收特性，因此特别适合作为n d 和y b 激光器的被动调q 开关。 由于可饱和吸收c r 4 + 离子能被高浓度掺杂到y a g 晶体中，所以很薄的c r 4 + ：y a g 晶片就可以具有很高的饱和吸收特性，非常适合作为微片激光器的q 开关。把c r 4 + 和 n a 3 + 或c r 4 + 和y b 3 + 同时掺入晶体，还可以实现自调q 。所以把这种类型晶体同时作为增 益介质和q 开关的调q 激光器将更加集成化、小型化，结构将更加紧凑。 经过这些年的发展，l d 抽运的c r 4 + ：y a g 被动调q 微片激光器已经实现了高峰值 功率、高重复频率的短脉冲激光输出，被广泛用于激光雷达、光通信及非线性光学等领 域。 1 9 9 3 年z h o u 等【3 0 ，3 1 】首次报道了c r n d ：y a g 微片自调q 激光器。获得了脉宽3 5 n s ， 峰值功率2 k w 的1 0 6 4 n m 激光输出。 图1 7n d ：y v o a c r 4 + ：y a g 被动调q 微片激光器示意图 6 杭州电子科技人学硕十学何论文 1 9 9 7 年c h e nyf 等人报道了n d ：y v 0 4 c r 4 + ：y a g 微片激光器，实验装置如图1 7 所示。从图中我们可以看出，c r 4 + ：y a g 晶体既是q 开关又是激光器的输出耦合镜。实 验所用抽运源为最大输出功率1 8 w 的激光二极管，在连续抽运方式下，获得脉冲宽度 5 - 3 0 n s ，重复频率7 5 9 0 k h z 的脉冲输出。并在1 6 w 抽运功率下，获得了4 3 0 w 的 最高脉冲峰值功犁强j 。 1 9 9 8 年j j z a y h o w s k i 报道了用c r 4 + ：y a g 晶体作为可饱和吸收体的n d ：y a g 微片 激光器f 3 3 洲。在采用1 w 的l d 抽运时，获得了脉宽2 1 8 p s ，重复频率8 1 5 k h z ，单脉 冲能量1 4 叫，峰值功率3 0 k w 的脉冲激光。随后他又报道了中高功率被动调qn d ：y a g 微片激光器，激光器结构如图1 8 所示。在实验中，用输出功率为1 0 w 的激光二极管 阵列进行抽运时，获得了脉冲宽度3 8 0 p s ，脉冲能量2 5 0 “j ，峰值功率5 6 0 k w 的脉冲输 出【3 5 1 。 一一， i u lc i 咖_ o i 岫嚏c i 咖 图1 8 高功率被动调q 微片激光器示意图 2 0 0 0 年，浙江大学的陈军等报道了l d 抽运的c r , n d ：y a g 自调q 微片激光器。 在实验中他们采用了连续和脉冲两种形式来抽运激光器，在连续抽运状态下，获得重复 频率为1 0 k h z ，脉冲宽度为4 0 n s 的调q 脉冲激光输出。在脉冲抽运状态下，获得包含 多个子脉冲的脉冲序激光输出【3 6 1 。在c l e 0 2 0 0 0 的会议上，m a i l l a r d 等人报道了输出脉 冲能量高达3 5 0 m j 的c r 4 + ：y a g 被动调q 微片激光器【3 7 1 。 图1 9 被动调qn d ：y a g 微片激光器示意图 2 0 0 3 年r f e l d m a n 等报道了n d ：y a g 与c r 4 + ：y a g 紧密胶合在一起的微片激光器。 该激光器平均输出功率高于2 w ，输出脉冲短于5 6 n s ，重复频率可以在2 7 3 7 k h z 可调。 实验装置如图1 9 所示3 8 1 。 2 0 0 6 年a a g n e s i 等人采用c ：y a g 晶体对n d ：g d v 0 4 微片激光器进行被动调q 。 杭州电子科技人学硕十学位论文 在实验中获得了单脉冲能量为0 5 m j ，脉宽为4 2 0 p s ，峰值功率达1 2 m w 的脉冲激光输 出【3 9 】。 2 0 0 8 年h s a k a i 等报道了输出脉冲能量0 9 7 m j ，脉冲宽度4 6 0 p s ，峰值功率高达 2 1 m w 的n d ：y a g c r 4 + ：y a g 微片激光器【删。 州旧臼h 如，0 f a c i n gs 3 , a m 图1 1 0 被动调qn d ：g d o 6 3 y o 3 7 v 0 4 微片激光器示意图 2 01 1 年，山东大学的z h u a n gs h i d o n g 等人对c r 4 + ：y a g 被动调q 的n d ：g d o 6 3 y o 3 7 v 0 4 微片激光器进行了实验研究。实验装置如图1 1 0 所示，抽运源为光纤耦合输出的激光 二极管，输出激光中心波长为8 0 8 n m ，增益介质为n d 掺杂浓度o 5 a t 的 n d ：g d o 6 3 y o 3 7 v 0 4 晶体，晶体尺寸为3 x 3 x 0 8 m m 3 ，晶体的抽运端镀8 0 8 n m 增透膜及 1 0 6 4 n m 高反膜作为谐振腔的输入镜，另一端镀1 0 6 4 n m 增透膜及8 0 8 n m 高反膜， c r 4 + ：y a g 晶体的内端面镀1 0 6 4 n m 增透膜，外端面镀1 0 6 4 高反膜( r - 8 5 ) 作为谐振 腔的输出镜。在实验中获得脉冲宽度为1 1 7 n s ，脉冲能量为3 9 5 ，峰值功率为3 3 8 k w 的稳定脉冲输出1 4 。 与掺n d 3 + 的激光增益介质相比，掺y b ”的激光增益介质具有小的发射截面、长的 荧光寿命和更好的热性能，是非常适合高功率激光器的优良激光增益介质。目前，采用 掺y b 3 + 激光材料作为增益介质的被动调q 微片激光器已经实现了高转换效率、亚纳秒、 高峰值功率的脉冲激光输出【4 2 j 。 2 0 0 0 年a a l a g a t s k y 等首次报道了c r 4 + ：y a g 被动调qy b ：k g w 激光器的实验研 究。在实验中获得了脉冲宽度8 5 1 3 0 n s ，重复频率3 - 2 0 k i - i z 变化，单脉冲能量为3 5 心 的1 0 2 6a m 调q 激光输出【4 3 。 2 0 0 1 年董俊等用连续钛宝石激光器作为抽运源，首次在室温下实现了c r , y b ：y a g 自调q 激光的输出。在实验中获得了平均功率为3 5 m w 、脉宽为4 0 0 n s 的1 0 3 0 n m 自调 q 激光【体蜘。2 0 0 3 年清华大学的吴海生等报道了用c r 4 + ：y a g 作为饱和吸收体进行调q 的y b ：y a g 微片激光器。在实验中获得了脉冲能量1 7 一，脉冲宽度1 5 n s ，峰值功率 o 1l k w ，重复频率2 2 k h z 的1 0 4 9 n m 脉冲激光输出【4 。 2 0 0 5 年j d o n g 等报道了采用l d 抽运c r , y b ：y a g 晶体的自调q 激光器。在实验 中获得脉冲宽度4 4 0 p s ，脉冲能量2 3 5 ，峰值功率高达5 3 k w 的脉冲输出【4 8 ，4 9 1 。2 0 0 6 年j d o n g 等首次报道了l d 抽运的全陶瓷被动调qy b ：y a g c r ：y a g 微片激光器，实 8 杭州电f 科技人。硕十学位论文 验装置如图1 11 所示。厚度为l m m ，y b 掺杂浓度为9 8 a t 的y b ：y a g 陶瓷作为增益 介质。初始透射率为8 9 ，厚度为0 2 m m 的c r 4 + ：y a g 陶瓷作为q 开关。y b ：y a g 、 c r 4 + ：y a g 和输出耦合镜构成三明治结构微片激光器。在实验中获得脉宽3 8 0 p s ，脉冲能 量31 ，峰值功率超过8 2 k w ，重复频率达1 2 4 k h z 的脉冲输出。而且该激光器的光一 光转换效率达到了3 0 1 5 0 】。随后j d o n g 等又报道了l d 抽运y b ：y a g c r ：y a g 复合激 光陶瓷微片激光器的实验。在该实验中获得了脉宽为2 3 7 p s ，脉冲能量高达1 7 2 9 j ，峰 值功率高达0 7 2 m w 的t e m 0 0 单模激光输出1 5 。 o l 嘲i e a lc x , o l i n g 供j l p 幔o o u p l e r y b ：y a gc r ：y a g 图1 11 全陶瓷被动调qy b ：y a g c r ：y a g 微片激光器示意图 1 2 2 2 增益开关技术 在l d 抽运的微片激光器中，除了被动调q 以外，增益开关技术也可获得高峰值功 率、高重频的窄脉冲。增益开关技术的原理为：在激光器运转过程中，谐振腔的损耗保 持不变，通过调制抽运光强来实现激光腔内增益的突变，以达到压缩脉冲宽度和提高峰 值功率的目的。 n d ：y v 0 4f i l t e r 图1 1 2 增益开关型n d ：y v 0 4 微片激光器实验装置图 2 0 0 4 年浙江大学的陈军等首次报道了l d 抽运增益开关型n d ：y v 0 4 微片激光器的 研究成果。在实验中获得脉冲宽度在6 0 - - - 1 4 0 n s 连续可调、重复频率稳定的单模激光脉 冲输出，而且重复频率在i - - 1 k h z 精确可控【5 2 1 。在此基础上，他们通过调节l d 抽运 电流和抽运脉宽获得了脉宽2 0 n s 、重复频率在1 h z 4 k h z 精确可控的1 0 6 4 n m 脉冲激光 输出，实验装置如图1 1 2 所示。实验中所用激光增益介质为n d ：y v 0 4 晶体，其掺杂浓 度为la t ，尺寸为0 2 0 m m x l m m ，其谐振腔是通过在晶体两端面镀膜形成1 5 引。2 0 0 6 年陈哲敏等用光纤耦合输出l d 作为抽运光源，对n d ：y v 0 4 微片进行了增益开关实验。 通过将增益开关和直流预抽运技术相结合，在实验中获得了脉宽为1 6 n s ，重复频率在 杭州电子科技人学硕十学何论文 1 h z - 2 5 k i - i z 范围内可调的稳定激光脉冲输出【5 4 】。 1 3 双频微片激光器的研究现状 双频激光器是指能同时输出两个频率的激光的激光器。双频微片激光器大多是基于 双折射效应产生的双频输出。目前双频微片激光器由于其具有结构简单、紧凑、大频差、 可调谐和输出双波长稳定等优点，已被广泛用于光生毫米波技术 5 5 - 5 9 】和精密测量技术 6 0 , 6 1 】中。 1 9 9 6 年m h y o d o 等报道了双纵模微片激光器【6 2 1 。该微片激光器通过简单的增大抽 运功率到8 6 0 m w 来实现双纵模输出，输出波长在1 0 6 4 n m ，输出频差达1 0 1 5 6 1 g h z 。 同时，通过调节激光器的腔长来改变纵模间隔，可实现频差的可调谐。 2 0 0 3 年n d l a i 等报道了基于双折射效应的双频e r y b ：g l a s s 微片激光器【6 3 】。该激 光器通过在谐振腔中插入两个四分之一波片来实现双频输出，输出波长在1 5 5 1 m a 。通 过旋转其中一块波片，实现了最大频差为1 9 g h z 的正交偏振双频激光输出。2 0 0 5 年 m b r u n e l 等报道了l d 抽运的1 5 3 9 m 正交偏振双频微片激光器【5 5 ，5 6 舯】。该激光器通过 将0 1 9 m m 厚的增益介质e r - y b ：g l a s s 与l i t a 0 3 晶体胶合在一起，并在结合体两端面直 接镀膜来形成谐振腔。它通过腔内l i t a 0 3 晶体的热光双折射效应使激光纵模产生分裂， 从而实现正交线偏振双频激光同时输出。在抽运功率为1 6 0 m w 时，获得了总输出功率 为4 r o w 的正交线偏振双频激光输出。通过调节l i t a 0 3 晶体的温度实现了频差在 0 - - 6 0 g h z 范围内可调，斜率为1 2 g h z k 。随后他们在2 0 1 0 年又报道了l d 抽运n d ：y a g l i t a 0 3 双频微片激光器【了7 1 。在泵浦功率为o 8 w 时，获得总输出功率为1 0 m w 的双频 输出。在温度为2 4 u c 时，两波长间隔为4 0 g h z 。对于这种输出波段在1 5 1 m a