（光学工程专业论文）二极管侧面泵浦的nd：yag薄片激光器.pdf

摘要 二极管泵浦的薄片激光器相比于传统的全固态激光器有两个明显的优势，一 是薄片激光器增益介质的热流平行于激光腔腔轴，近一维的热流分布导致腔内的 热透镜效应大大减弱，热应力诱导双折射可忽略；二是薄片激光器增益介质冷却 表面大，增益介质薄片的热耗散功率大大提高。使得薄片激光器在获得高功率激 光输出的同时保持高效率和高光束质量，成为近二十年来全固态激光器的重要进 展之一。 薄片激光器有端面泵浦与侧面泵浦两种方式，端面泵浦方式采用光纤耦合输 出、或聚焦于石英棒输出的泵浦光，产生均匀分布的光束包络，从端面泵浦薄片 增益介质，未被吸收的泵浦光经多次反射后，可实现9 0 以上的泵浦吸收。侧面 泵浦方式是直接将泵浦光从薄片增益介质的几个侧面传输入。比较两种泵浦方 式，侧面泵浦不仅光学系统结构简化、泵浦光无需光纤耦合，有利于激光器整体 效率的提高，而且可通过增大介质薄片的面积，增加通光口径，避免由于口径限 制而引起过大的热负荷，进而降低晶体单位面积内的热耗散功率密度，进一步发 挥薄片激光器的潜力。 本文通过二极管侧面泵浦薄片激光器晶体内光分布的数值模型计算了晶体 内光斑实现均匀分布情况下的n d ：y a g 晶体尺寸，然后将n d ：y a g 晶体与非掺杂的 y a g 晶体热键合，再将热键合晶体镀膜，铟焊于铜热沉上，最后将激光器组装。 为了实现高的功率及好的光束质量的激光输出，我们还设计了不同的实验，对各 种参数进行优化，同时还进行了相关的理论研究。获得了光光转换效率为3 3 5 ， 峰值功率为2 3 0 w ，光束参数乘积为21 6m m * m r a d 的激光输出。 关键词：薄片激光器，侧面泵浦，泵浦均匀性，大光斑，热耗散功率密度 a b s t r a c t a b s t r a c t c o m p a r i n gw i t ht r a d i t i o n a la l l s o l i dl a s e r ，t h i n d i s kl a s e rh a st w os i g n i f i c a n t a d v a n t a g e s o n ea d v a n t a g ei st h ed i r e c t i o no fc o o l i n gf l o wi st h es a m ew i t hc a v i t y r e s o n a n to s c i l l a t i o no fl i g h t ，m a k i n gc o o l i n gf l o ws i m i l a rt oo n e d i m e n s i o n a lh e a t d i s t r i b u t i o n ，w h i c he f f e c t i v e l yr e d u c e st h et h e r m a ll e n se f f e c t ；t h eo t h e ri st h el a r g e c o o l i n ga r e ao fg a i nm e d i u mf o rd i s c l a s e r , m a k i n gt h eh e a td i s s i p a t i o np o w e rd e n s i t y o ft h em a t e r i a lb e i n gp u m p e dp e ra r e av e r ys m a l l t h e s et w oa d v a n t a g e sm a k et h e s i d e - p u m p e dt h i n d i s kl a s e rh a v ev e r yh i g hp o w e ra n dg o o db e a mq u a l i t y d i s kl a s e rh a st w ok i n do fp u m ps t y l e ，s i d e - p u m p i n ga n de n d - p u m p i n g t h e e n d p u m pm o d eu s ef i b e r - c o u p l e db e a m ，g e n e r a t i n gh o m o g e n e o u s b e a md i s t r i b u t i o n a f t e rm u l t i p l er e f l e c t i o n s ，a b o u t9 0 p u m p i n gl i g h tc a nb ea b s o r b e d t h es i d e p u m p m o d ei sm a k i n gt h ep u m p e dl i g h ti n t ot h ec r y s t a ld i r e c t l y c o m p a r e dt oe n d p u m p m o d e ，t h es i d e - p u m pm o d en o to n l yh a sv e r ys i m p l es t r u c t u r e ，n oc o u p l e df i b e ra n d l l i g he f f i c i e n c y , b u ta l s oc a nr e d u c et h eh e a td i s s i p a t i o np o w e rd e n s i t yo f t h em a t e r i a l p e ra r e ab ye n l a r g i n gt h ea r e ao fg a i nm e d i u m ，w h i c hh i g h l i g h tt h ed e v e l o p m e n t p o t e n t i a lo f d i s c - l a s e r b y n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h el i g h td i s t r i b u t i o ni nc r y s t a l ，w ea c h i e v et h e c r y s t a ls i z eu n d e rt h es i t u a t i o no fu n i f c i r n ld i s t r i b u t i o no fl i g h t t h e na f t e rb o n d i n g ， f i l mc o a t i n go ft h eb o n d e dc r y s t a l ，a n ds o l d e r i n go nt h ec o p p e rh e a ts i n k ，w ef m a l l y r e a l i z et h es i d e - p u m p e dt h i nd i s k - l a s e r b e s i d e s ，w ed e s i g n e dd i f f e r e n te x p e r i m e n t s ， f o ro p t i m i z i n gt h ev a r i o u sp a r a m e t e r s ，a n da tt h es a m et i m e ，r e l a t e dt h e o r e t i c a l r e s e a r c hi sd o n e f i n a l l y , w ea c h i e v e dt h el a s e ro u t p u tw i t h3 3 5 o f o p t - o p t e f f e c t ， 2 3 0 wo f p e a kp o w e ra n d2 1 6m m * m r a do f t h eb e a mp a r a m e t e rp r o d u c t k e yw o r d s ：t h i n d i s kl a s e r , s i d e p u m p e d ，l a r g es p o t ，h e a td i s s i p a t i o np o w e r d e n s i t y i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业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 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：蓥i 重羔日期型丛2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：京j i 电芍导师签名：日期： 第1 市绪论 第1 章绪论 1 1 全固态激光器( d p l ) 概述 自1 9 6 0 年休斯研究实验室的科学家t h m a i m a n 发明世界上第一台激光 器以来，激光技术的发展日新月异，逐步渗透到科研、娱乐、医疗、工业和国防 等众多领域并产生巨大影响。以激光高技术为核心的相关产业己成为信息时代的 重要驱动力量，并带动了整个高技术产业链的发展n 1 。激光高技术在国民经济建 设、国防安全和科研领域发挥着不可替代的关键作用，是一项具有战略性，全局 性和带动性的战略高技术。全固态激光器( d p l ) 集半导体激光器( l d ) 和固体激光 器的优势于一体，具有体积小、重量轻、效率高、光束质量好、可靠性高、寿命 长、运转灵便( 连续重复率长短脉冲) 等一系列优点，已成为激光发展中最具 前景的方向之一。且它可通过变频获得宽波段输出( 红外、可见、紫外甚至深紫 外激光) 、便于模块化和电激励等应用优势，已经广泛应用于科研、医疗、工业 加工、军事等领域，成为未来最优竞争力的激光器之一比屿1 。 1 2 全固态激光器( d p l ) 研究背景和现状 1 9 6 0 年，即第一台激光器诞生的同一年，r n e w m a n 就首次提出激光二极管 ( l d ) 泵浦固体激光器的思想哺1 。1 9 6 3 年，他用g a - a s 二极管在8 8 0 n m 附近的辐 射来泵浦n d ：c a w 0 4 晶体，得到了1 0 6 u m 的荧光输出，从而宣告了第一台激光二 极管泵浦固体激光器的诞生。由于当时l d 在功率和可靠性方面均达不到泵浦光 源的要求，最初的工作只是集中在侧面泵浦方式上。 1 9 7 3 年r o s e n k r a n t z 首次报道了脉冲工作的l d 端面泵浦n d ：y a g 激光器之 后，端面泵浦方式才受到广泛关注并迅速发展口1 。由于端面泵浦方式中泵浦光与 激光模共线，两者可以很好的耦合，泵浦能量利用率高，所以阈值泵浦功率低、 斜效率高。但是端面泵浦不能容纳更大功率的泵浦光，因为大功率的激光二极管 列阵的的发光孔径随功率成正比例增大，将其光束汇聚到端面泵浦所要求的小光 斑面积是非常困难的，可喜的是近年来人们用光纤耦合的方法比较好地解决了这 一问题。早期的g a a s 激光二级管采用同质结构，阈值电流很高而输出功率和效 率很低，且必须在液氮下工作，波长范围也受限制，这一时期的全固态激光器主 要限于试验研究。7 0 年代中期，出现了几种新的固体增益材料，如n d p 3 0 1 4 ( n p p ) 、 l i n d p 4 0 1 2 ( l n p ) 等，这些新激光材料掺杂浓度高且较少引起激光上能级的浓度淬 灭，可以在小的模体积内使增益介质吸收更多的泵浦光能量，从而有效地降低阈 北京t 、i k 人学t 学硕t j 学化论文 值。 进入8 0 年代，半导体激光器及其阵列研究工作的巨大进展极大地推动了固 体激光器件、技术及应用的发展。8 由于晶体生长技术、分子束外延( m b e ) 、有 机金属化合物气相外延( m o c v d ) 的日益成熟和量子阱结构的出现，l d 的阈值电 流己明显降低，连续或准连续的输出功率和转换效率也有所提高，a l a r s s o n 阳1 等人将l d 的总效率提高到5 0 以上，冷却要求的降低减少了激光器的机械噪声， l d 泵浦固体激光器的线宽达到了当时仪器的测量极限3 k h z 阳1 ，输出功率成倍增 长，使用寿命显著延长，现在已达到十力小时。l d 的发展，全面带动了新型固 体激光材料和l d 泵浦技术的发展，l d 泵浦固体激光器的工作也随之上了一个新 台阶 进入9 0 年代以来，激光二极管技术继续迅速发展，全固念激光器的工作也 随着激光二极管的发展迈上一个新的台阶，取得了突飞猛进的发展，并达到了实 用水平，美国a m o c ol a s e r 、s p e c t r a - - p h y s i c s 、s d l 公司等在该领域异常活跃 的几十个公司分别推出各种型号的连续和脉冲小型d p l 激光器。传统灯泵浦固体 激光器赖以占有世界激光器市场主导地位的所有各种振荡方式，使用激光二极管 作为泵浦源都可以成功的加以实现，全固态激光器成为重要的发展方向之一。尤 为引人注目的是以高功率全固态激光器及其应用研究的新进展。1 9 9 2 年麦道公 司为钕玻璃板条激光器制造了一个大泵浦源，阵列组件包含6 5 0 0 个激光条，输 出峰值功率为3 5 0 k w 。同年，美国劳仑兹一利弗莫尔国家实验室成功研制出千瓦 级高功率二极管泵浦n d ：y a g 激光器。1 9 9 7 年r a n d a l lj s t p i e r r e 实现了l d 阵列泵浦n d ：y a gm o p a 的千瓦级输出口0 。，倍频后输出绿光5 j p u l s e 。1 9 9 9 年日 本东芝公司实现了半导体泵浦n d ：y a g 连续3 3 k w 峰值1 3 2 k w 的激光输出n l l 。 近年来二极管泵浦固体激光器的发展更是异常活跃，2 0 0 0 年2 月在瑞士举 行的美国光学学会先进固体激光器( a s s l ) 上报道了用高亮度二极管泵浦n d ： y a g 相位共轭激光器获得9 0 0 w 输出的衍射极限光束的一篇论文n 别。2 0 0 2 年东芝 公司报道了输出功率1 1 3 k w 的半导体泵浦的全固态激光器，电光转换效率达2 2 n3 j 。国内二极管泵浦固体激光器的研究也十分活跃，上海光机所、中科院物理 所、清华大学、天津大学、四川大学、山东大学、长春光机所、华中科技大学等 单位先后开展了二极管泵浦固体激光器的研究，均取得了一系列成果。 目前，国外千瓦级的二极管泵浦固体激光器已进入工业和国防等领域的实用 阶段，相比之下，在国内，受资金及激光二极管技术的限制，二极管泵浦固体激 光器的研究工作起步较晚，尤其是侧面泵浦的固体激光器很多仍处于实验室阶 段，输出功率小、稳定性差，难以在激光加工系统中应用。实现半导体泵浦的全 固态激光器( d p l ) 的实际应用是我们未来研究的方向。 第1 章绪论 1 3 激光二极管泵浦薄片激光器综述 1 3 1 引言 半导体泵浦固体激光器的典型问题是其热沉积的不一致，进而导致热透镜效 应的出现。热透镜效应不仅不利于激光器谐振腔的设计而且会使激光光束质量下 降，同时限制着功率输出。要消除由于废热而引起的后果，必须减少热量和热流 密度，减小热流的传导路程和对激光场的影响。几年来，关于这方面的研究有很 多设计模型，比较理想的模型是薄片激光器，薄片激光器从原理上有效地克服了 固体激光器固有的热效应问题n 引。 薄片激光器是一类有潜力的高功率激光源，其主要优点是允许非常高的泵浦 功率密度但在晶体内不会有太高的温升。在纵向泵浦的平顶泵浦光束作用下这种 结构可以产生垂直于圆盘表面、几乎均匀的轴向一维热流，因而可以减小热透镜 效应。能有效去除增益介质的热沉积，在获得高功率激光输出同时，保持高效率 和高光束质量n 7 1 本节综述了薄片激光器的最新进展情况，分析了目前薄片激光器的发展特点 和趋势以及存在的问题，最后我们设计了一种新型二极管激光侧面泵浦复合晶体 薄片激光器结构，该结构能够进一步有效解决热效应等问题 1 3 2 薄片激光器研究背景和现状 端面泵浦薄片激光器 1 9 9 4 年德国航空航天研究院技术物理所的研究人员提出了薄片激光器的概 念，是全固态激光器历史上的一个里程碑n5 1 ，其结构特点是：激光介质具有大的 口径厚度比 ( 1 0 5 0 ) ：1 ；采用面抽运、面冷却；通过精密光学系统设计使光纤 耦合输出的抽运光在晶体薄片( 1 0 0 - - - 4 0 0 m ) 中多次( 8 - - - , 3 2 次) 通过，增加对其 吸收( 达到9 0 以上) 。这种结构的热梯度分布方向与激光束传播方向相同，避免 了热透镜效应引起的不利影响，而且，薄的晶体明显降低了y b ：y a g 的重吸收损 耗，从而提高了转换效率。因此，薄片激光十分适合高亮、高平均功率发展的需 要。其不足之处在于：光学设计非常复杂，元器件多，不利于系统的稳定性；高 功率抽运时要求在很小的面积( 约几十平方毫米) 内将千瓦级的热带走，其散热 系统设计十分困难。端面抽运的结构如图1 - 1 3 北京t 、i k 人学t 学彻i 学化论史 图1 - 1 端面泵浦示意图 f i g 1 - 1e n d - p u m p e dt h i nd i s kl a s e r 激澎蕹 该结构将薄片增益介质采用某种方式焊接在微通道冷却的热沉上，这个过程 应设法避免薄片介质在焊接过程中引入的应力。薄片增益介质的后端面作为腔镜 镀抽运光和激光的高反膜，前端面镀二者的增透膜，输出镜一般采用球面镜。抽 运光以一定的角度入射在增益介质上，两处通过增益介质后，出射的剩余抽运光 再次被反射回增益介质，如此反复，抽运光多次通过薄片介质最后达到很高的吸 收值，整个过程要求抽运尽量均匀化，如图卜2 所示 图卜2 斯图加特端面泵浦结构 f i g 1 - 2s c h e m a t i co ft h ep u m ps e t - u pf o rat h i nd i s kl a s e r 德国t r u m p f l a s e r 公司采用多通耦合单个y b ：y a g 薄片获得5 3k w 的 激光连续输出，光光转换效率达到6 5 ，是目前在单个薄片上获得的最高的输出 功率n 引。将多个薄片置于同一谐振腔进行定标放大是获得高功率激光输出的有效 4 船1 章绪论 途径，t r u m p fl a s e r 公司采用4 个v b ：y a g 薄片获得超过9k w 的激光输出， m 2 因子小于2 4 ，r o f i n s i n a r 公司也采用4 个y b ：y a g 薄片获得4k w 的激 光输出o 。如图卜3 所示 图卜3 多薄片定标放大结构 f i g1 - 3 m u l t l p i es l i c e l n g a m p l i f i e rs t r u g t l ” 国内中国工程物理研究院于2 0 0 7 年报道了采用4 通耦舍获得1 5 k w 的薄 片激光输出u ”。 侧面泵浦薄片激光器 由于端面抽运的薄片激光器工作面积小，而且工作物质单位面积内的光吸收 有限、散热能力有限，使得端面泵浦的薄片激光器实现很高的输出功率非常困难。 侧面泵浦的薄片激光器能提供一条长的吸收路径，可以使得晶体对泵浦光吸收的 面积很大进而可以大大降低晶体单位面积内的热耗散功率密度，同时热透镜效应 也非常小，可以实现很高的激光输出功率。因此国内外多家单位都对侧面泵浦 的薄片激光器结构展开了研究。 2 0 0 2 年美国波音公司的j o h nv e t r o v e r 等人提出了输出功率可阻达到i o o k w 的高平均功率主动镜放大器( c a m i l ) 的概念设计。”2 “。圈卜4 a 所示采用圆形薄 片y b ：g l a s s 玻璃四周与未掺杂六边形玻璃薄片熔铸的结构图1 4 b 所示，组台 薄片激光介质从侧面泵浦的方法。2 0 0 4 年采用极管侧面泵浦熔铸的y b ：g l a s s 玻璃薄片，获得了1 k w 高光束质量的激光输出3 。 m * 】、r ，li v m i h 卜4 侧而泵浦的c a m l l 模块 f i g1 4e d g e p u m p e d c a m z l d i s k 韬。 陌黼 一t j 夕 由r 驶璃介质的热导率低，比绝大多数晶体介质的热导率低：个数量级，不 适用于连续和重复频率高的运转。 2 0 0 3 年h 本冈崎分子科学研究所激光研究中心td a s c a li i 等人提出边缘象 沛复合薄片结构激光器”1 ，采用方形薄片y b ：y a g 晶体四周与术掺杂圆y a g 晶体 薄片复合的结构，泵浦光从薄h 的边缘进入晶体。获得连续9 0 w 激光输出，光束 质量m u = 5 实验装置如图卜5 所示”孙1 研究人员将复合薄片品体焊接在热沉上 时，晶体出现了弯曲现象，这是山于热沉和陶瓷a g 的热膨胀系数不一致所致。 当对晶体进行泵浦时，品体内温度升高，会加剧晶体弯曲程度。当泵浦功率增大 时，晶体出现严重变形，如图卜6 所示，影响了输出功率的增大和光束质量的提 高。2 0 0 7 年1 月他们采用二极管侧泵浦全陶瓷复台薄片晶体y a g ，获得r4 1 4 w 的连续续激光输m ”7 。 幽1 5 侧面泵浦示意图 f i 9 15s c h e m a t i c d i a g r 珊o f s i d e - p u m p e d t h i nd i s k l a s e r 絮融梦： 蠖鬻 竿；t ，赢 骱t，雌“叫，艚 z 耐锱铲 泉二 复捧 剐 蚍喀戤簦 燃 第1 章绪* 0 o啪 6 0 0撕伯 入鼍磷事( w ) 图16 ( 8 ) 热致晶体弯曲的曲率半径泵浦输入功率的关系 佃) 复合薄片中心 g o ：y g 的弯曲程度( c ) 复合薄片热变形示意图 r 1 - 5 ( 曲s p h e c c a lr a d i 世o f c v n r a t u r e o f d a e d a c m a l i 蛐d c 懈m i “盯时a f u n c t i o no f i n p u t p u m p p o w e r s u r f a c e t o p o l o g y o f t h e b o a & d c o t e , ( 0 l l l u 8 i r a f i o no f t h e t h e n n a l d e f o r m a t i o n o f t h e m i e t o c h i p 国内也对侧面泵浦结构的薄片激光器进行了研究，2 0 0 4 年清华大学巩马理等 提出了边缘泵浦复合薄片结构激光器汹1 ，结构如图卜7 所示，将掺杂y b ：y a g 晶 体薄片与非掺杂的y a g 晶体薄片平面复合( 键合) 。晶体被切割成正六边形结构 泵浦光从薄片的边缘进入晶体。此两类方法采用晶体介质，热导率增加，介质薄 片的面积可增大通光口径可较大，避免了由于口径限制而引起过大的热负荷， 激光器的功率可定标放大；同时泵浦光无需光纤耦合，泵浦光结构简化，泵浦 均匀性增强。但掺杂y b ：y a g 晶体薄片内的泵浦光与振荡激光只部分匹配，激光 器的效率不高，边缘泵浦比端面泵清的效率低。 f i g l _ a 图1 n g u 。7 l a r 品饕薄片s l i c e 结构c o n s t r u c l i o nr g l p 1 】”p c d 叫 ：； ：； ：； 北女t n # t 学侦l * 2 0 0 7 年8 月西安电子科技大学张申金等人采用5 个l d 陴列相吒成7 2 。， 从增益介质的侧面对称泵浦中1 5 jt l _ 5 帆的圆片n d ：y a g ，n d ：y a g 的掺杂浓度 为10a t ，实验装置如幽i 一8 所示，当泵浦功率为1 1 0 w 时获得2 0 w 的激光输 出“由于他们所采用的增益介质很厚，热效应比较明显，上表面温度较高，当 输入功率较火时输出功率开始下降。 图i 一9 二极管侧面泵浦圆薄片激光器 f i g l - 9 l ds i d e - p u m p 。d t h i n d i s k i 拈盯 从以上国内外的研究现状中可以看出，薄片结构激光介质是固体激光器减小 第1 审绪论 热效应、提高光束质量的有效途径；减小薄片晶体激光介质的热负荷、提高泵浦 的均匀性、提高泵浦光耦合效率，设计合适的腔型等是薄片激光器在保持高光束 质量的前提下提高输出功率的发展趋势。 我们采用二极管激光侧面泵浦复合薄片晶体激光介质的新型结构，采用圆形 薄片n d ：y a g 晶体与未掺杂七边形y a g 晶体薄片进行曲面热键合，工作物质为掺 杂浓度为0 6 a t 的复合薄片状n d ：y a g 晶体，n d ：y a g 晶体尺寸为由2 1xl m m ，未掺 杂晶体尺寸为外接圆直径为6 0 m m 的等边七边形。键合晶体后表面镀有1 0 6 4 n m 高 反膜，然后通过金属镀膜铟焊于铜热沉上。七个二极管阵列均匀分布于键合薄 片晶体周围进行均匀泵浦。 1 4 本论文的选题背景，内容及意义 高平均功率、高光束质量固体激光器，与其它类型的激光器相比，有十分突 出的优点：效率高、结构紧凑、长期可靠。这些突出的特性使高平均功率高光束 质量固体激光器在工业激光加工、科研及军事应用等领域有非常重要的应用前 景，是国际上激光技术重要的研究和发展方向。然而高平均功率固体激光器存在 热效应的问题，这一问题主要是由增益介质的泵浦所致，即使采用高效率的二极 管激光泵浦，仍然有一半的泵浦能量转变成热沉积在固体激光器的增益介质中。 对激光介质表面的冷却导致热梯度，热梯度在激光介质中产生热应力，热应力产 生热透镜效应、热致双折射和热应力损伤，造成激光波前畸变，使激光器光束质 量下降。这是影响和限制大功率固体激光器进一步应用的主要因素。薄片结构激 光介质是固体激光器减小热效应、提高光束质量的有效途径；减小薄片晶体激光 介质的热负荷、提高泵浦的均匀性、提高泵浦光耦合效率，是薄片激光器在保持 高光束质量的前提下提高输出功率的发展趋势。二极管端面泵浦的薄片激光器虽 然能有效减小热透镜效应，但由于单位体积内的热耗散功率密度很大，使得它不 能满足更大功率的需求。 我们提出了二极管激光侧面泵浦复合薄片晶体激光器的新型结构，采用圆形 薄片n d ：y a g 晶体圆周与未掺杂多边形y a g 晶体薄片复合的结构，泵浦光从薄片 的侧面进入晶体。使掺杂n d ：y a g 晶体薄片内泵浦光与振荡激光匹配，提高激光 器的效率；通过增大薄片激光介质的面积，增大通光口径，使单位体积内的热耗 散功率密度大大减小，可以满足更高的泵浦功率。而且通过设计晶体的尺寸可以 实现晶体内光分布的均匀性。最后还可以通过多个晶体实现定标放大，为获得高 效率、高功率、高光束质量、可定标放大的激光光源提供了新的方法。 本论文的主要研究内容： 本课题来源于国家自然科学基金项目“高功率高亮度可定标放大新型固体激 光器关键技术研究”。 9 北京t 、i p 大学t 学彤i 十学伊论史 本文的研究内容包括以下几个部分： l 、建立二极管侧面泵浦时晶体内光吸收的数值模型，分析侧面泵浦情况下， 实现光在晶体内均匀分布的可行性条件，然后设计出我们的薄片： 作物质所对应 的掺杂浓度及所对应的晶体尺寸。 2 、理论上分析了铟焊过程中晶体后面所镀的金属膜及金属膜对晶体后面所 镀的高反膜的影响，工艺上研究了镀金属膜所需要的工艺参数及设备要求，然后 将晶体与铜热沉进行铟焊连接，最终将激光器设计、组装。 3 、测量二极管在不同电流及不同水冷时的光谱分布，确定与n d ：y a g 晶体光 的吸收相匹配的最佳电流及最佳水冷温度，确保泵浦光与n d ：y a g 晶体的吸收相 匹配，实现最佳的输出。 4 、设计实验测量二极管泵浦时晶体内光的吸收情况，确保晶体内光分布的 均匀性，同时验证理论模拟结果对实验指导的正确性，进一步完善理论模型。 5 、测量二极管泵浦情况下，晶体内由于热透镜效应引起的晶体变形，从而 导致的热焦距，为腔型的设计提供依据。 6 、测量不同输入电流、不同频率与脉宽、不同水冷温度、不同透过率及不 同腔长下的激光输出功率及光束质量，理论分析不同结果产生的原因，通过设置 不同的参数，实现最大的输出功率及好的光束质量。 1 0 第2 幸薄片品体泵浦的均匀性 第2 章薄片晶体泵浦的均匀性 2 1 、薄片晶体掺杂物质的选择 2 1 1 、y b ：y a 6 激光性能的分析 y b 3 + 作为最简单的激活离子，不存在激发态吸收和上转换，由于泵浦能级靠 近激光上能级，可极大降低掺杂材料中的热负荷，因而可以获得很高的光转换效 率瞄。y b ：y a g 晶体中y b 3 + 能级图如图2 - 1 所示。 y b 3 + 电子构型为4 f 。仅有两个电子态：基态2 f 讹激发态2 f 。伽强的晶场作用导致 了y b 3 + 离子的斯塔克能级分裂，基态和激发态分别分裂为四个和三个能级，形成 准三能级的激光运行机制，激光过程发生在激发态2 f 耽最低的子能级1 0 3 2 7 c m - 1 和 基态2 f 耽的第三个子能级，激光上能级荧光寿命长，约0 9 7 m s ，有利于储能，激 光下能级能量较大，为6 1 2 c m - 1 ，激光波长为1 0 3 0 n m 。激光过程发生在激发态2 f 彰。 中最低的子能级1 0 3 2 7 c m 叫和基态2 f ，他的第三个子能级。图2 2 为y b ：y a g 晶体的吸 收光谱图，由图可见，y b 3 + 离子的主吸收峰有两个，分别为9 4 1 n m 和9 7 0 n m ，在9 4 1 n m 处，吸收带比较宽，约1 8 n m ，对泵浦l d 控温精度要求较低，以此作为激光二极管 泵浦源的泵浦带，由此可见y b ：y a g 晶体有较宽的吸收线宽。另外，由于它的吸收 峰和发射峰比较靠近，因此可以有较高的量子效率。 图2 1y b 3 + 能级图 f i g 2 1y b 3 + e n e r g yl e v e ld i a g r a m 北京t 、l k 夫学t 学硕十学何论丈 图2 2y b ：y a g 吸收光谱图 f i g 2 - 2y b ：y a ga b s o r p t i o ns p e c t r a 2 1 2 、n d ：y n 激光性能的分析 图2 3 为n d ：y a g 晶体中n d 3 + 能级图。图2 4 为n d ：y a g 晶体的吸收光谱图。 常态下钕离子都处于4 i 。，。能级上，而4 1 1 3 2 和4 i ：能级上的钕离子数接近于零，故 当4 i 。，。为基态，而4 i 。，：和4 i ：为激光下能级时，n d ：y a g 为四能级系统，而以4 i 。，。 为下能级时，n d ：y a g 为三能级系统。处于基态的钕离子吸收确定波长的泵浦光 的光子能量跃迁到4 f r z 4 s 。和4 f s 2 4 h 9 ：能级( 吸收带中心波长分别为7 5 0 n m 和8 1 0 n m 吸收带宽为2 n m ，然后几乎全部通过无辐射跃迁迅速跃迁到4 f 。，。能级，该能级是 寿命0 2 3 m s 的亚稳态能级。处于4 f 。，。能级的钕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 。，：到4 i 。的跃迁( 波长为1 0 6 4 n m ) ，其次是4 f 耽 到4 i 。，。的跃迁( 波长是9 4 6 n m ) ，4 f 。，。到4 i 。3 2 的跃迁几率很小( 波长1 3 1 9 n m ) 。因此 4 f 。，。到4 i ：的跃迁产生的1 0 6 4 n m 的激光最强，其受激发射截面为2 8 1 0 c m ， 分支比为1 3 5 。而4 f 3 z 到4 1 1 3 2 跃迁产生的1 3 1 9 n m 谱线发射截面为8 7 1 0 c m 2 ， 分支比为2 左右2 嗡1 。在目前的应用中，一般用l d 泵浦n d ：y a g 晶体产生1 0 6 4 n m 的激光振荡。 m f 1 2 兽秘 三l 联 擘 l 2 稿 图2 3n d ：y a g 能级图 f i g 2 3n d ：y a ge n e r g yl e v e ld i a g r a m 1 2 第2 市薄m 日i 体采浦的均匀件 8 0 固n m 1 戳垮n m li i i i1 1 ， 1l jl 珏li彭il lll hi 。l秘：。弘l kl hl i l l 。n 瑁疆ll 一 l。玑e ll l l 譬 。b l 哩敷l ，噍、_ _ - 一r - i - - 锚氛 图2 4n d ：y a g 吸收光谱图 f i g 2 - 4n d ：y a ga b s o r p t i o ns p e c t r a n d ：y a g 晶体虽然没有y b ：y a g 晶体量子效率高，但其泵浦功率密度阈值很低， 并对温度变化不敏感，比较适用于小功率的固体激光器。y b ：y a g 晶体具有转换 效率高、吸收带宽宽等优点，但是泵浦功率密度阈值高，更适用于大功率固体激 光器的输出。由于泵浦功率有限，我们使用s d ：y a g 作为工作物质。 2 2 、侧面泵浦薄片激光器结构和数值模型 2 2 1 、侧面泵浦薄片激光器结构 对于侧面泵浦，实现均匀泵浦的二极管阵列排布方式有两种，分别是快轴 平行于薄片晶体表面和快轴垂直于薄片晶体表面。二极管阵列快轴平行于薄片晶 体表面结构比较复杂，在实际应用中有一定的难度。我们采用二极管阵列的快轴 垂直于薄片晶体表面的排布方式，二极管对称的排列在复合晶体增益介质的周 围，从侧面对增益介质进行泵浦，而且，激光增益介质薄片铟焊在一个带有射流 冷却的铜热沉上，二极管经过微柱透镜快轴准直，泵浦结构如图2 5 所示： 多釜飞编 瞪i 一一、x ：i j j 飞j 掣一瓷懈 、j | _ 、?，? 一| 、j，夕 ，。 、埔a r r a y 图2 - 5 ：侧面泵浦薄片激光器示意图 f i g 2 - 5s i d e - p u m p e dt h i nd i s kl a s e rc o n s t r u c t i o n 北京t q k 人学t 学硕i 学化论史 。y ，。 弋百十 上一，j 又i 、 图2 - 6 ：单个二极管泵浦晶体示意图 f i g 2 - 6s i n g l ed i o d ep u m p e dc r y s t a lc o n s t r u c t i o n 要精确计算泵浦光在激光薄片介质中的分布，有很多复杂因素，计算的工作 量大，为了简化问题的研究，我们作出如下假设： ( 1 ) 由于薄片的厚度很小，可将薄片轴向方向上的泵浦光吸收看成是均匀 的，因此，只需计算薄片轴向方向上的某一截面内的泵浦光分布情况，就可知道 整个薄片内泵浦光的分布情况。 ( 2 ) 沿薄片晶体周围均匀分布的二极管阵列产生的泵浦光是一致的，都为 近高斯分布，并且吸收系数口为一定值。 “五乃力咆e x “。2 南+ 南 ( 2 _ 1 ) 式中，i 。表示光束中心沿薄片轴向方向单位长度上的光强；q 乜) 和哆分 别是厄米一高斯光束在z 处( 光束沿z 轴传播) 沿x 轴和y 轴的半宽度。由于慢轴 方向上光束的远场分布近似为高斯分布，则泵浦光的光强可表示为 ，( y ，z ) ：争e x p 一了2 y 2 】 i 。为。处泵浦光强，是光斑在( y ，z ) 处的直径，表示为 如十 浯3 ) 考虑到薄片对泵浦光的吸收，泵浦光在薄片内的光强可表示为 坳，z ) _ 粤e x p 一篓一调 口为薄片的吸收系数，l 为泵浦光在薄片内的吸收距离。通过对图形的几何 简化可以求出6 0 和l 一1 ，如图2 - 6 所示： 由于多个二极管沿薄片圆周均匀布置，因此只要计算出一个二极管泵浦光在 晶体内的分布情况，然后再把其它二极管在晶体内的光的分布情况通过角度变 换，最后再进行光强的叠加，就可得到晶体内不同位置光强分布情况嘲。 1 4 第2 章薄h 晶体泵浦的均匀性 2 22 、晶体内光分布的模拟条件 我们所使用的二极管经过快轴准直，慢轴发散角为1 0 。，当泵浦光光谱中 心位置为8 0 8 a m 时，需要的水冷温度为3 2 度，此时虽然吸收效率最高，但是水 冷温度过高，冷却效果不明显。在水冷温度降低的情况下，泵浦光中心位置就向 小于8 0 8 a m 的方向漂移，虽然冷却效果改善，但吸收效率就会下降。综合考虑选 定冷却水温为2 5 度泵浦光的光谱中心位置为8 0 6 r i m 。为了实现中间大光斑的 均匀性，掺杂浓度不易过高，我们选定掺杂浓度为0 6 a t ，此时吸收系数口经 过计算大约为02 3 c m 一1 。晶体折射率为l _ 8 2 由于二极管参数已定，穗们就需 要选择合适豹晶体尺寸与泵浦源相匹配，于是我们就模拟了在不同晶体尺寸下晶 体内光强分布情况。下面是模拟结果； r 、 图2 7 a ：半径为9 册时晶体内光分布图2 7 b ：半径为1 1 皿时晶体内光分布 酏嚣27 半c 篙1 2 n ”u ：n l i 紧d 帕i s m b 光分u d o n 布f i g - r -，曲f 2 23 、模拟结果分析 幽2 - 7 b ：半径为1 3 r a m 时晶体内光分布 p 垃2 - 7 d r = i3 n n u ，l 讪t d i s t r i b u t i o n 从以上模拟可以看出在晶体半径为9 r a r e 时，晶体内光分布非常均匀，而且 也容易得到出光闽值，但是由于从半导体发出的泵浦光应该尽量在晶体内吸收完 全，如果晶体尺寸过小就会出现激光被晶体吸收后还有部分剩余光入射到对面的 泵浦源上，经过计算可知在吸收系数为02 3 c m “的请况下，晶体半径在1 0 r a m 时 才能达到9 5 的吸收。即在掺杂0 6 a t 的情况f ，晶体半径一般大于1 0 r a m 。 当晶体半径为1 l r a m 时，可毗看出晶体中在很大的范围内光的分布是非常均 北京t q p 人学t 学帧i 学位论更 匀的，而且这时候泵浦光被吸收基本完全 当晶体半径为1 2 m m 时，可以看出光在晶体中间的分布的均匀行也很好，但 是强度稍微弱一些。 当晶体半径为1 3 m m 时，可以看出晶体内中心的光强与边缘的吸收趋于一 致，说明中心光强较弱，比较难得到出光阈值，即晶体尺寸过大。 综合考虑我们用半径为l l m m 的晶体尺寸。 2 3 本章小结 本章通过对n d ：y a g 与y b ：y a g 晶体的不同特点进行了分析，在泵浦功率比 较低的情况下，n d ：y a g 更适合做为工作物质。而且建立了泵浦光在晶体内光分 布的数值模型，通过模拟计算可知，在合适的晶体掺杂浓度与尺寸下，可以很好 的实现晶体内光分布的均匀性，我们选用晶体的掺杂浓度为0 6 a t ，晶体半径 为1 i m m 。 1 6 第3 帝薄片晶体的冷却与实现t 艺 第3 章薄片晶体的冷却与实现工艺 3 1 复合晶体镀膜理论分析 由于光也是一种电磁波，于是光的传播规律可以通过解麦克斯韦方程组来解 释，它的麦克斯韦形式为： i v 罾：一a b i鬯 j v 万：一竿+ ( 3 _ 1 ) i 国 。 i i v d = 0 【v b = 0 式中：面：电场强度矢量 日：磁场强度矢量 ，：电场密度矢量 d ：电位移矢量 b ：磁感应强度矢量 p ：电荷密度 同时电磁场对材料介质作用的关系式，即物质方程组为： 露 v 2 否= 掣警+ 掣等，是电磁扰动在介质中传播的波动方程。 ( 3 - 2 ) 北京t q k 人学t 学顺f 学何论艾 v 2 一e ：掣謦，采用类似计算可以得到： c i f 。 v 2 万= 掣等 3 ) 令：y ：毒一 心耻 v 2 面= 古警 ( 3 _ 4 ) v 2 耳= 古等 ( 3 - 5 ) 弘击= 3 x l o s 形，毛、心绷崂鸵椭纳撒和酣氯 刀= 詈= 而，一般物质的以接近1 ，因此，胛= i ，此为麦克斯韦公式。 f 孚：竺坚掣崎2 i t 州p 睥净6 ， 凰( r l o 幌胁4 + f ( 警奶) s i n 4 1 1 ( 一刁：) 2c o s 2 瓯+ ( 蟹璺一刁。) 2s i n 24 单层膜的反射率为：i p 旦一 ( 3 7 ) ( r l o 埘c o s 2 州警2 s i n 2 弘 当光以一定角度包入射时，p 分量的导纳仍= ，s 分量的导纳 c o s 谚 1 8 第3 章薄片晶体的冷却j 实现t 艺 墨墨可得到自然光合成的反射率。为光入射界面介质的导纳，编为膜 材料的导纳，仍为基体的折射率。 磊：了2 7 ，l 。d ic o s q 是波长为旯的光以角 度q 入射经过材料的折射率为n i 厚度为d i 后的相位变化) 设薄膜在光波垂直入射时的光学厚度为h ，h = 啊盔，则当h - 靠，m - 1 、2 、 3