（光学专业论文）ld泵浦nd：gdvo4全固态蓝绿激光器的研究.pdf

摘要 本文依据激光速率方程以及激光器件热效应的分析，对于激光二极管( l d ) 泵浦的全 固态蓝绿激光器做了比较全面系统的研究，主要内容如下： 1 、通过对于掺n d 3 + 离子激光晶体能级结构的分析，得出了四能级激光速率方程，以 及激光二极管端面泵浦全固态激光器的阈值泵浦功率和斜率效率的表达式，并讨论了影 响四能级激光器阈值泵浦功率和斜率效率的各种因素。 2 、通过对于非线性光学耦合波方程的讨论，研究了二次谐波的产生机理和倍频转换 效率。同时，从光量子角度出发，研究了非线性光学中的相位匹配条件。 3 、通过对全固态激光器件工作特性的分析，建立了符合实际特点的单端泵浦方形激 光晶体热模型，并得到激光器件温度场及其热形变场的数值计算通解表达式。结合 n d ：g d v 0 4 晶体的特性，分析了影响n d ：g d v 0 4 晶体温度场分布的各种因素，并通过实验 更直观地分析了激光晶体的热透镜效应，为有效解决全固态n d ：g d v 0 4 激光器中的热问 题提供了理论依据。 4 、研制出l d 单端泵浦n d ：g d v o d k t p 连续绿光激光器，在1 9 7 w 的注入功率下获 得了3 6 8 w 的连续绿光激光输出，考虑到准直聚焦筒1 0 的耦合损耗，实现光- 光转换率 2 1 。其输出功率和热稳定性方面在国内l d 泵浦全固态连续绿光激光器研究领域中处 于领先水平。 5 ，根据光腔衰荡光谱技术，建立了全固态蓝光激光器腔镜高反射率的精密测量系统。 采用直型和折叠型衰荡光腔，检测了固体激光器高反腔镜在9 4 6 n m 的反射率。实验测得 平凹镜的反射率为9 9 7 9 4 3 ，相对误差精确到l 旷；平面反射镜的反射率为9 9 7 9 9 7 ， 相对误差精确到l 旷将检测过的高反镜用作l d 泵浦n d ：y a g b i b o 蓝光激光器实验的 腔镜，在3 w 泵浦功率下得到2 2 0 m w 的4 7 3 n m 蓝光输出；转换效率达到7 3 ，为实现 小型激光器产业化打下基础。 6 、对l d 泵浦n d ：g d v 0 4 准三能级激光器进行研究，得到准三能级9 1 2 r i m 红外激光， 为进一步研制l d 泵浦n d ：g d v 0 4 蓝光激光器提供理论和实验依据 关键词：l d 泵浦；全固态：n d ：g d v 0 4 ；蓝绿激光器；热效应 a b s t r a c t b a s e do nr a t ee q u a t i o na n dt h e r m a le f f e c ta n a l y s i so fl a s e rd e v i c e s ，w eh a v eag e n e r a l i n v e s t i g a t i o no l ld p s s l t h ed i s s e r t a t i o ni so u t l i n e da sf o l l o w i n g ： 1 i nt h i sp a p e r , t h r o u g hl e v e ls t r u c t u r ea r i a l y s i so fn d i o n sd o p e dl a s e rc r y s t a l , t h e f o u r - l e v e lr a t ee q u a t i o ni so b t a i n e d b a s e do nt h er a t ee q u a t i o n , t h eg e n e r a le x p r e s s i o n so f t h r e s h o l dp u m pp o w e ra n ds l o pe f f i c i e n c yo fe n d - p u m p e dd p s s la r ed e d u c e d t h ef a c t o r s w h i c hw o u l di n f l u e n c e t h r e s h o l dp u m pp o w e ra n ds l o pe f f i c i e n c yo f d p s s l ，a r ed i s c u s s e d 2 t 1 1 r o u # t h ei n v e s t i g a t i o no fn o n l i n e a rc o u p l e dw a v ee q u a t i o n s , s e c o n dh a r m o n i c g e n e r a t i o n ( s h g ) a n dt h es h ge f f i c i e n c yb ys e c o n d - o r d e rn o n l i n e a re f f e c to fn o n l i n e a r c r y s t a la l er e s e a r c h e d a d d i t i o n a l l y , b a s e do nt h ep h o t o n st h e o r y , p h a s e m a t c h i n gc o n d i t i o n a n dt h ep h a s e - m a t c h i n gw i d t ha r ea n a l y z e d 3 t h r o u g hc h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i so fl a s e rd e v i c ei nd p s s l , t h e r m a la n a l y s i sm o d e l so f t h er e c t a n g l el a s e rc r y s t a lb yd i o d el a s e rs i n g l ee n d - p u m p e dl a s e rd e v i c e sa l ei n t r o d u c e d c o n n e c t e dw i t hp r o p e r t i e so fn d ：g d v 0 4c r y s t a lt h ef a c t o r s , w h i c hw o u l di n f l u e n c e t e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o no fl a s e rd e v i c e , a r ed i s c u s s e d t h o u 【g h t h ee x p e r i m e n t ，t h e t h e r m a l e f f e c to fl a s e rd e v i c eh a sb e e no b s e r v e da n da n a l y z e dd i r e c t 耻a n dt h er e s e a r c hw i l l s u p p l yat h e o r e t i c a li n s t r u c t i o nf o re f f e c t i v e l ys o l v i n gt h e r m a ll e n se f f e c to f n d ：g d v o , c r y s t a l a n di m p r o v el a s e rp e r f o r m a n c e 4 l dp u m p e dn d ：g d v o d k t p 哪g r e e nl a s e rw a si n v e n t e d a t1 9 7 we n dp u m pp o w e r , 3 6 8 wo fc o n t i n u o u so u t p u tg r e e nl a s e rw a so b t a i n e d c o n s i d e r i n go ft h el o s so fc o u p l i n g s y s t e m , t h eo p t i c a l - o p t i c a lc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo f t h i sa l l - s o l i d - s t a t el a s e rw a s 2 1 5 a c c o r d i n gt oc a v e , r i n g - d o w ns p c c t m c t 盯t e c h n i q u e ，t h ep r e c i s em e a s u r e m e n t s y s t e mf o rt h eh i g hr e f l e c t i v i t yo f a l l - s o l i d - s t a t eb l u el a s e rm i r r o r sh a sb e e nb u i l t t h em e t h o d c a na c c u r a t e l yd e t e r m i n et h er e f l e c t i v i t yo fam i r r o ra tt h ew a v e l e n g t ho f9 4 6 n m , u s i n g c o m b i n a t i o no fl i n e a ra n df o l d e dc a v i t i e s t h ee x p e r i m e n t sr e s u l t ss h o wt h a tt h er e f l e c t i v i t yo f t h ec o n c a v ec a v i t ym i r r o r si st ob e9 9 7 9 4 3 r e l a t i v ee r r o ra c h i e v e st o1 0 ；a n dt h ef l a tm i r r o r t oh e9 9 7 9 9 7 , r e l a t i v ea b o ra c h i e v e st ol 旷a st h cc a v k ym i r r o ro fal dp u m p e d n d ：y a g b i b ol a s e r , 2 2 0 m wo fc o n t i n u o u so u t p u ta t4 7 3 n mw a so b t a i n e d , a t3 we n dp u m p p o w e r , t h eo p t i c a l - o p t i c a lc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo f t h i sa l l - s o l i d s t a t el a s e rw a s 7 3 6 l dp u m p e dn d ：g d v 0 4q u a s i - t h r e e l e v e ll a s e rw a ss t u d i e d ，a n dt h ei n f r a r e dl a s e rw a s r e c e i v e da t9 1 2 a m w h i c hw o u l ds u p p l yat h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a li n s t r u c t i o nf o rl d p u m p e dn d ：g d v 0 4b l u el a s e r k e yw a r d s ：l dp u m p e d ；a l l s o l i d s t a t e ；n d ：g d v 0 4 ；b l u ea n dg r e e nl a s e r ；t h e r m a l e f r e d 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权单位属于西北大学。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。学校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，本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文 章一律注明作者单位为西北大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：室! l 蓝指导教师签名： 0 0 7 年多月z 日 伊0 1 年月日 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已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 学位论文作者签名：云t 1 幕 砷年占月二日 第一章绪论 激光是二十世纪的重大发明之一，在它发明后的十几年里相继研制出氦氖气体激光 器、钕玻璃激光器、氩离子激光器、二氧化碳激光器、化学激光器、n d ：y a g 激光器、 染料激光器、准分子激光器、自由电子激光器等。目前激光科学已发展成现代科学技术 研究的一个重要分支，成为二十一世纪的前沿学科，而且它直接促进了非线性光学、量 子光学、信息光学、激光生物学、激光化学、激光光谱学等相关科学的发展。激光以其 高亮度、良好的方向性、相干性以及单色性而广泛应用到工业、科研、医学、生物、教 育、娱乐、通讯等诸多领域。 1 1 固体激光器及d p s s l 的特点 1 9 6 0 年问世的第一台激光器是固体红宝石激光器。4 0 多年来，固体激光器由于具 有体积小、储能高、激发方案简单和可靠性能高等特点，获得了迅速发展，特别是激光 二极管( l d ) 及其阵列( l d a ) 泵浦的固体激光器具有更为广泛的应用前景。与传统的灯泵 浦源相比，l d 泵浦易于用温度调谐来改变发射波长，使其与激活离子的吸收峰值相吻 合，模匹配有效和泵浦功率密度高，因而激光二极管泵浦的固体激光器( d p s s l ) 已成为 今后的主要发展方向 激光二极管泵浦固体激光器( d p s s l ) 的主要特点有： ( 1 ) 能量转换效率高 采用l d l d a 作为泵浦源最主要的优点是能量转换效率高，这是灯泵浦固体激光器 所无法比拟的。其效率高的根本原因是半导体二极管激光器发射波长可以和工作物质的 吸收波长完全重合。以掺钕( n d l 激光器为例，由于泵浦灯很宽的辐射光谱与钕离子吸 收带匹配不好，通常灯泵浦的n d ：y a g 激光器总效率低于3 ，并且大功率下热效应明 显，光束质量和稳定性差。而l d l d a 的发射谱线要窄( 仅约3 n m ) ，还可以通过温度 调谐来改变其发射波长，使其峰值发射波长与激活粒子的吸收带理想地匹配，因而泵浦 效率比灯泵浦高。 ( 2 ) 寿命长，系统稳定可靠 在连续工作时，激光二极管阵列的寿命是1 0 0 0 0 h ，大约发射1 0 9 次脉冲。闪光灯在 连续工作时的寿命大约是5 0 0 h ，大约发射l o o 次。另外由于半导体激光器输出功率的高 稳定性，使得l d 泵浦的固体激光器的不稳定度通常可以保持在百分之一以下。 ( 3 ) 热效应小，输出光束噪声特性好、频率稳定，质量高 由于d p s s l 发射波长与钕离子吸收带之间的良好光谱匹配，使得耗散于激光介质 中的热量很小，利于激光器散热，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，激光二极管辐射的方向性，使得有可能设计出泵浦辐射与低阶模之间存在良 好光谱交叠的谐振腔，进而产生高亮度的激光输出。另外由于不存在液体或气体工作物 质的流动起伏噪声和泵浦灯的等离子体波动噪声，使得d p s s l 的辐射噪声特性优于灯 泵浦。 ( 4 ) 可实现激光系统的紧凑性、多功能性 d p s s l 具有结构简单、体积小等特点，输出光束的方向好、发散角小，使得有可能 设计出新型固体激光器，如端面泵浦系统、微芯片激光器和光纤激光器等，而且很多非 常有用的材料如n d ：y v 0 4 、y b ：y a g 和t m ：y a g 等，只在l d 泵浦作用下才能显示出优 势。另外准连续激光二极管除了具有闪光灯和连续弧光灯的低重复率和连续运转特性 外，还允许固体激光器在几百赫兹到几千赫兹的重复率范围内产生脉冲运转。 1 2l d 泵浦全固态蓝绿光激光器研究进展 1 2 1l d 泵浦全固态绿光激光器研究及发展现状 上世纪9 0 年代初，全固态连续绿光输出最高水平在几百毫瓦，如d c g e r s t e n b e r g e r 等人在1 9 9 1 年在激光二极管泵浦的连续单频n d ：y a g 激光器上有效的进行了二次谐波 转换，获得了2 0 0 m w 单频绿光输出，其基频光到倍频光之间的转换效率达到6 5 【l 】。 1 9 9 5 年美国l i g h t w a v e 公司用l d 泵浦n d ：y a g 、l ，t p 腔内倍频获得了2 w 连续绿光输 出。1 9 9 6 年美国s p e c t r a - p h y s i c s 公司推出了性能优良的m i l l e n n i a v 型号的5 w 绿光激 光器，利用两台分别输出2 0 w 的l d 双向泵浦n d ：y v 0 4 晶体，并用温度调谐实现l b o 的倍频。d i r kg o l l a 等人侧面泵浦连续n d ：y a g 激光器的研究，在1 0 6 4 r i m 多模运转连 续输出能量高于3 2 0 w ，同时进行了倍频研究【2 】。随后美国c o h e r e n t 和l i g h t w a v e 公司， 分别推出了他们的5 w 和7 w 全国态绿光激光器产品。美国s p e c t r a - p h y s i c s 公司又在上 世纪的c l e o 9 7 会议上向人们展示了利用4 台分别输出2 0 w 的l d 泵浦的1 0 w m i l l e n n i ax 型全固态绿光激光器。近几年，l d 泵浦全固态连续绿光又得到了长足的发 展，l o u i sm c d o n a g h 等人在2 0 0 7 年通过腔内倍频得到了6 2 w 连续绿光输出，是目前 5 3 2 n m 连续绿光激光器输出的最高报道1 3 】。 在国内，上个世纪八十年代末期相继开展了这方面的研究工作，而且近些年一直十 分活跃，目前固体激光器件的研究已被列入国家8 6 3 高技术研究发展计划，并成为国家 自然科学基金委员会光学与光电子学学科的热点研究领域和资助项目。中科院物理所h 、 长春光机所5 一、山东大学 7 1 、清华大学【8 】、天津大学1 9 1 、山西大掣“、西安光机所【l i 】、 上海光机所“2 1 、西北大学【1 3 1 町等许多研究单位先后开展了这方面的研究，并取得了显著 的成绩。其中长春新产业光电技术有限公司开发了半导体激光器泵浦的中、低功率m g l 系列和p g l 系列全固态绿光激光器，现已形成产品的研究、开发、生产和销售为一体 的产业化基地，其产品还远销美国、加拿大、德国，日本、韩国、台湾等许多国家和地 区，在国际市场上也占有了一定的份额。山西大学光电研究所从事小型绿光激光器和全 固化单频n d ：y a g 激光器的研究与开发，研发的小型绿光激光器，技术指标达到国内先 进水平，产品已销往欧美市场；全固化单频n d ：y a g 激光器红外输出可达5 0 0 m w ，绿 光输出达2 0 0 m w 。 ， 随着半导体工业的迅速发展，目前国际上单条连续输出功率为2 0 w 的二极管阵列 已商品化，为采用二极管抽运的方式来获得高平均功率的脉冲绿光输出，奠定了良好的 基础。二极管抽运的高平均功率倍频固体激光器由于具有寿命长、可靠性高、耗能小等 优势，而成为国内外竞相开展二极管抽运绿光固体激光器研究的热点。 1 9 9 4 年f h a n s o n 等人用激光二极管阵列侧面泵浦5 0 m m 长的n d ：y a g 激光棒，l b o 晶体作为腔内倍频晶体，在重复频率为2k i - l z 时产生平均功率达到几瓦的绿光输出l l ” 1 9 9 6 年b j l eg a r f e c 等人利用声光调q 技术半导体侧面泵浦n d ：y a g 晶体，k t p 腔内 倍频获得了1 0 0 w 的脉冲绿光输出【1 6 】。1 9 9 8 年是全固态脉冲绿光激光器发展历史的里程 碑，获得了多项成果：s u s u m uk o n n o 等人报道了腔内倍频侧面泵浦n d ：y a g 激光器平 均绿光输出能量为2 0 w ，光光转换效率为1 4 2 ，电光转换效率为5 3 07 1 ，不久又将 绿光输出功率提高到6 8 w i i s ；k a z u y o k ut 秭等人激光二极管泵浦z 形板条n d ：y a g m o p a ( m a s t e r o s c i l l a t o r p o w e r a m p l i f i e r ) 系统，使用l b o 为腔内倍频晶体，在重复频率 为1 7 0 h z 时获得平均功率为1 0 5 w 绿光输出【1 9 】；e r i cc h o n e a 等人研制出二极管泵浦 n d ：y a g ，腔内倍频k t i o p 0 4 获得1 4 0 w 的5 3 2 n m 绿光输出口哪；j i mj c h a n g 等人研制 出二极管泵浦n d ：y a g 激光器，得到4 5 1 w 连续i 0 6 4 r i m 激光，通过l b o 腔内倍频获 得1 8 2 w 脉冲绿光输出【2 l l ，不久该小组又报道获得了3 1 5 w 的脉冲绿光，成为有史以来 报道的最高绿光输出功率【2 2 1 。2 0 0 0 年s u s u m uk o n n o 等人又报道了乖j 用l d 侧面泵浦 n d ：y a g 晶体，采用声光调q 技术，l b o 腔内倍频获得了平均输出功率为1 3 8 w 的脉冲 绿光输出f 2 3 】同年，y h k a n o 等人获得连续运转1 0 0 小时输出功率为1 0 0 w 的绿光激光 器1 7 4 1 。2 0 0 3 年p 。i c m u k h o p a d h y a y 等人采用c r 4 + ：y a g 被动锁模在n d ：y v o d k r p 激光器 上获得了脉宽为6 5 n s ，重复频率为4 0 0 m h z ，单脉冲中心峰值功率超过2 k w 的绿光脉冲 输出口”。j o n g h o o ny i 等人于2 0 0 4 年利用二极管泵浦n d ：y a g 激光棒，获得1 0 0 w 绿光 输出【2 6 】。 在国内，中国工程物理研究院流体物理研究所调qn d ：y v 0 4 激光器中q 开关工作 是通过一块腔内k t p 晶体实现的，该晶体同时作倍频晶体，实现i i 类相位匹配。在泵 浦功率8 0 0 m w 时，得到l1 5 m w 的绿光输出，光一光转换效率为1 4 4 。调q 工作频 率为1 0 0 h z 时，获得脉宽为5 4 5 n s ，峰值功率为7 4 w 的脉冲绿光 2 7 1 。华北光电技术研 究所获得了平均功率6 8 w 的声光调q 腔内倍频绿光输出f 2 即。长春光学精密机械与物理 研究所用l d 泵浦的n d ：y a g k t p c r ：y a g 结构被动调q 绿光激光器，当注入泵浦功率 为7 5 0 m w 时，获得了平均功率3 8 m w ，脉冲宽度1 4 7 n s ，重复频率2 0 4 k h z ，峰值功率 1 2 6 6w 的调q 绿光激光输出【2 9 3 0 1 * 深圳大学杜晨林等在声光调qb b o 腔内倍频 n d ：y v 0 4 激光器上，调节重复频率为3 0k l t z ，获得了平均功率为4 8 0 m w ，最高单脉冲 能量为1 6 时，输出峰值功率为2 2 2 w 绿光脉冲f 3 1 2 1 。2 0 0 3 年，天津大学激光与光电子 研究所采用美国c e o 公司的1 6 0 0 w 半导体抽运组件侧面泵浦n d ：y a g 晶体，k t p 腔内 倍频，在抽运电流为1 8 4 a 声光重复率为2 0 7 k h z 时，获得了平均功率达1 0 4 w 脉冲宽 度小于1 3 0 n s 的绿光输出【3 3 i ；随后又报道获得了1 1 0 w 绿光输出刚。2 0 0 6 年，中科院物 理研究所薄勇等人报道了二极管泵浦n d ：y a g 激光棒，获得平均功率1 2 0 w 绿光输出， 重复率为1 0 k h z ，光光转化率为1 5 2 【3 “。 1 2 2l d 泵浦n d ：g d v 0 4 全固态绿光激光器研究及发展现状 n d ：g d v 0 4 晶体作为近几年出现的一种新型激光晶体，因其众多的优异特性而成为 l d 泵浦高功率激光器较理想的工作物质，获得众多国内外研究激光的科学家的青睐。 2 0 0 4 年n i e o h i ep a v e l 等人端面泵浦n d ：g d v 0 4 m g o ：l i n b 0 3 ，获得1 3 8 w 连续绿光激光 输出惭1 ，2 0 0 5 年该小组利用n d ：g d v o d l b o 激光器获得5 1 w 连续绿光激光输 3 7 1 。在 国内，关于n d ：g d v 0 4 绿光激光器的研究也十分活跃。2 0 0 0 年，山东大学刘均海等人利 用n d ：g d v 0 4 腔内倍频k t p 获得3 6 w 连续绿光输出【3 8 i ，2 0 0 1 年该小组又研制出 n d ：g d v 0 4 k t p 调q 激光器，实现3 0 5 w 脉冲绿光，重复率4 0 k h z ，光光转化率为 1 8 4 p 9 1 ；同年，山东大学刘杰等人研制出的n d ：g d v 0 4 k t p 调q 激光器，实现3 7 5 w 脉冲绿光，重复率5 0 k h z ，光光转化率为2 0 1 4 0 。2 0 0 4 年，山东大学侯学元等人研制了 l d 泵浦n d ：g d v 0 4 腔内倍频k t p 连续绿光激光器【4 ”，最大输出功率为1 8 w 。 1 2 3l d 泵浦全固态蓝光激光器研究及发展现状 2 0 世纪9 0 年代后期，大功率半导体激光列阵制作工艺的成熟和商品化促进了大功 率全固体蓝激光器的研究进展。近期，德国的z e l l e rp 和p e u s e rp 报道了采用2 1 w 的 8 0 8 n m l d a 泵浦的n d ：y a g 和折叠腔结构获得1 5 w 的4 7 3 n m 蓝光激光输出的实验结果 【4 2 】，而德国c z e r a n o w s k y 等人用z 型谐振腔，l b o 晶体腔内倍频也得到了4 7 3 n m 连续 4 工作的最大输出功率为1 5 w 的实验结果。该实验同时用b b o 晶体腔内倍频得到的最大 输出功率为2 1 w ，用新型b i b o 倍频晶体得到的最大输出功率为2 8 w 的功率 4 3 1 。 相对于国外，2 0 0 4 年以前，我国在蓝光的研发比较缓慢，功率也在中低功率( 小于 1 w ) 。2 0 0 4 年王军营、郑权等报道了光纤耦合激光二极管端面泵浦n d ：y a g 晶体，i 类 临界相位匹配l b o 腔内倍频的4 7 3 n m 全固态蓝光激光器。采用国产普通n d ：y a g 晶体 棒作为工作物质，将热效应因素考虑在内，设计出对热效应不敏感的短三镜折叠腔，通 过改善致冷条件，在1 4 w 的泵浦功率下获得了1 i w t e m o o 模连续4 7 3 n m 蓝光输出，光 光转换效率达7 9 4 4 1 中科院物理所李平雪在实验中将这一功率推向了1 3 w 蚓。 高兰兰进一步把4 7 3 n m 的输出功率提高到了1 3 8 训“。此后，国内蓝光激光的研究水平 在国际上处于领先地位，蓝光输出功率不断提高h 7 “】。2 0 0 6 年，长春光机所贾福强1 4 7 3 、 薛庆华 4 8 1 等采用l d 泵浦n d ：g d v 0 4 ，n d ：y v 0 4 ，l b o 晶体腔内倍频，先后获得 5 3 w 4 5 6 n m 和4 6 w 4 5 7 n m 的深蓝色激光输出，是目前国际上报道的功率最高的倍频蓝 光；中科院物理所y c h e n 等【4 9 】采用z 型折叠腔，两端泵浦两个n d ：y a g 激光晶体， 中问倍频两端输出的方法也获得了3 。8 w 的蓝光激光输出；同年，另外一个研究小组也 在将三倍频4 4 0 a m 蓝光激光的输出功率提高到7 6 谢捌。 1 3 本课题的主要工作 本课题主要完成了两个方面的研究工作，第一部分对l d 泵漓n d ：g d v 0 4 全固态蓝 光、绿光激光器进行了较系统的、全面的理论研究；第二部分针对l d 泵浦n d ：g d v 0 4 开展了蓝光、绿光激光器的实验研究。综观全文，作者在理论分析与进行大量实验研究 的基础上，取得了以下几方面的成果： l 、依据激光速率方程以及激光器件热效应的分析，对于l d 泵涌的全固态蓝光、绿 光激光器傲了较为全面系统的研究，通过对全固态激光器件工作特性的分析，建立了符 合实际特点的单端泵浦方形激光晶体热模型。结合n d ：g d v 0 4 晶体的特性，分析了影响 n d ：g d v 0 4 晶体温度场分布的各种因素，并通过实验更直观地分析了激光晶体的热透镜 效应，为有效地解决全固态n d ：g d v 0 4 激光器中的热问题提供了理论和实验依据 2 、l d 泵浦的全固态激光器是新一代激光器件。本课题构建了l d 端面泵浦的三镜 v 型折叠腔。根据v 型谐振腔图解分析的腔型设计方法利用m a t h e m a t i c s 软件进行热 稳腔计算，设计了高稳定的热不敏激光腔结构，使激光器在很大范围内能稳定地工作 这对优化激光器件的设计和参数选择，以及全面掌握全固态激光器的输出特性和规律具 有一定的指导意义。 3 、研制了l d 泵浦n d ：g d v o d k t p 全固态绿光激光器系统，在泵浦激光功率为1 9 7 w 时，获得连续波绿光输出3 6 8 w ，考虑到准直聚焦筒1 0 的耦合损耗，实现光一光效率 达2 1 ，其输出功率和热稳定性方面在国内l d 泵浦全固态连续绿光激光器研究领域中 处于领先水平，为大功率绿光激光器在国内实现产业化打下了基础。 基于l d 泵浦n d ：g d v o d k t p 全固态绿光激光器，设计l d 泵浦全固态2 6 6 n m 紫外 光激光实验系统，通过b b o 腔外倍频，获得2 6 6 n m 紫外光输出。 4 、根据光腔衰荡技术，建立了全固态蓝光激光器腔镜高反射率的精密测量系统。 采用直型和折叠型衰荡光腔，检测了固体激光器高反腔镜在9 4 6 n m 的反射率。实验测得 平凹镜的反射率为9 9 7 9 4 3 ，相对误差精确到1 0 巧；平面反射镜的反射率为9 9 7 9 9 7 ， 相对误差精确到l 矿。将检测过的高反镜用作l d 泵浦n d ：y a g b i b o 蓝光激光器实验 的腔镜，在3 w 泵浦功率下得到2 2 0 r o w4 7 3 n m 蓝光输出，转换效率达到7 3 ，为实现 小型激光器产业化打下基础。 5 、对l d 泵浦n d ：g d v 0 4 准三能级激光器进行研究，得到准三能级9 1 2 r i m 红外激 光，为进一步研制l d 泵浦n d ：g d v 0 4 蓝光激光器提供理论和实验依据。 第二章激光速率方程 2 1 四能级速率方程理论 一r l i 磐 l 器i 攒； - 弼 s i r 乞 图1n d ：g d v 0 4 晶体四能级结构图 本实验中是用激光工作介质n d ：g d v 0 4 的四能级结构，如图l 所示，通过速率方程 理论可以对泵浦光与激光介质的相互作用作近似描述。泵浦光把基态的粒子泵浦到激发 态，使掺杂粒子在增益介质中产生受激辐射跃迁和非辐射跃迁。速率方程主要对受激发 射过程进行近似计算。四能级系统工作在稳态时，其速率方程可写为i s 3 】： a a n ( 面x , y 一, z , t ) = 一箜坠罗笙盟+ 工r 似弘力一三工a j ，厶f ) 艺墨( ，) 似乃力( 2 1 ) v ，j - i 掣= 吾盯j i j 甜( “硝坶( 慨似只：) d r 一筹 其中，o ，y , z , t ) ；y ，z , t ) - 虬( x ，y ，2 ，f ) 为反转粒子数密度。 毛为参加激光作用的上能级粒子数占整个上能级粒子数的比值； r 是整个谐振腔内的泵浦速率； r p ( x , y , z ) 是归一化泵浦速率空间分布函数： s ( t ) 是t 时刻谐振腔内的总光子数； s o ( x , y , z ) 是归一化光子数分布函数； o 是相对受激辐射截面： c 是真空中的光速； n 是介质的折射率； 6 i 是第i 个模的往返总损耗，它包括输出损耗t 及腔内的散射、衍射、吸收等腔损 耗6 。； l 为谐振腔的长度。 在( 2 2 ) 式中我们忽略了自发辐射引起的光子数增加的影响，这是因为当激光器稳定 工作时，自发辐射速率远小于受激辐射速率。但是，在建立激光振荡的起始时刻，自发 辐射起着启动受激辐射的作用。 当激光器工作在稳定状态时，考虑到r p ( x , y , z ) 和s o t y ，z ) 的归一化条件，得到腔内有 i 个振荡模所满足的稳态方程： 嵯恭肌焉 g 3 ， 2 2 阈值泵浦功率 当激光器工作在阈值时，腔内光子数近似有墨( f ) = 0 ，因此由( 2 3 ) 式中令s ( f ) = 0 ， 即可认为在阙值条件下， 肌( 毛乃力( 薯弘：) d y = 2 l o 型 z l r j ( 。) ( 2 4 ) 其中艮岫为第i 个模的阈值泵浦速率。由于泵浦光和振荡光具有一定的空间重叠， 令： = j 肌o ，y ，2 ) ( x ，y ，z ) d r ( 2 5 ) h i ) 称为第i 个模的重叠积分。它表征了泵浦光与第i 个模的振荡光的空间重叠程度。 由( 2 4 ) 、( 2 5 ) 得： 去堕2 li l ( 2 6 ) 对于r l ( 蚺，下式成立。 墨【州= r ；p p m , h v p ( 2 7 ) 其中： 气= 最 0 ( 2 8 ) 其中：为入射到增益介质表面的泵浦功率；t 1 ，是量子效率：t l 。为增益介质对泵 浦光的吸收效率。 假设量子效率靠z1 ，由( 2 6 ) 、( 2 7 ) 、( 2 8 ) 可以得到阈值泵浦功率为： ，= 鲁i 1 塑2 l 。i 1 ( 2 9 ) 上式即为第i 个模的闽值泵浦功率。因此，重叠积分k 堤很重要的参量，它直接 与泵浦阈值相关，p i o h ) c c j i ( 1 i ，而重叠积分k 1 ) 与泵浦光和振荡光的光斑尺寸有关系。 由上式可以看出，阈值泵浦功率与增益介质a i t 成反比，与腔损耗o i 成正比，也与泵 浦光和振荡光的光斑大小尺寸有关系。o 一是介质的固有特性，所以为了降低阙值功率， 可以采取选用吖乘积比较大的激光介质，降低腔内往返损耗t 3 i 和压缩泵浦光和振荡光的 光斑尺寸等方法。 2 3 输出功率及斜率效率 激光器输出功率的表达式为： 气= i v o 墨。g 。- ；， ( 2 1 0 ) 其中t 为输出透过率，s i 为腔内光子数，可由速率方程求得。 定义斜率效率为： 仉2 最k m a 最 ( 2 1 1 ) 其中为入射到增益介质上的泵浦功率。由上面两式知，只要能够求得腔内光子 数s i ，即可求得输出功率和斜率效率 1 。，式( 2 3 ) 为r 和s 的隐函数，可以通过数值 求解p o r 和7 1 s p i i i 的关系。初步计算表明。增大输出功率的根本方法是增大泵浦功率， 这是显而易见的；泵浦起始阶段斜率效率吨随泵浦功率p i 的增长而迅速增长，当达到 强泵浦条件时，斜率效率增长缓慢并接近常数，此时成线性关系，要得到较高的 斜率效率必须达到一定的泵浦条件。 在近阈值条件下，其输出功率和斜率效率为【5 3 】： k 仉麓吾，老侬， p ( 吨m a ) ，嘶虹h u p 吾岳 9 式中j 21 订蚴称为重叠效率因子，它取决于泵浦光和振荡光的空间重叠程度。由( 2 1 2 ) 和( 2 1 3 ) 式，h ) 和q h 。) 正比与t s i 、p i ( 。) 和重叠效率因子矗l “2 ) 。在泵浦光模式与腔模 匹配较好的情况下，即重叠效率因子较高时，将获得较高的斜率效率。可以说，重叠效 率因子 1 ，( 2 ) 是决定斜率效率的一个很重要的因素。 在远离闽值的强泵浦下，腔内光子数密度满足s s o t ( x ，y ，= ) n i ( c c r , c ) 。即 ( c n ) o r s , 只：) l ，利用此条件将( 2 3 ) 式变为： ( 2 1 4 ) 进一步利用以与y z ) 的归一化条件，得： ，w 瓮瓦t ( 2 1 5 ) 仉瓮百t ( 2 1 6 ) 一般来说，当泵浦足够强，振荡光的光斑半径足够小，而且泵浦光的光斑半径小于 振荡光的光斑半径时，可认为基本满足强泵浦条件。g a ( 2 1 3 ) 和( 2 1 6 ) 式比较可知，在强 泵浦条件下，重叠效率因子j 2 i ( 1 归i ( 2 ) - - , 1 ，表明泵浦光和振荡光在空间高度重叠，模式完 全匹配，斜率效率达到其最大值。 值得注意的是，式( 2 1 3 ) 是在近阈值条件下得到的，斜率效率表现为一常数，不随 输入功率的变化而变化，而实际情况是斜率效率随着输入功率的增大而增大，直到接近 在强泵浦条件下的斜率效率常数。所以近阈值条件下的斜率效率公式( 2 1 3 ) 在高出阈值 以上的范围内使用的误差是比较大的。在强泵浦条件下，输出功率正比于t h 5 。和输入功 率p i ( m ) ，斜率效率仅是t 6 i 的函数，可以近似看成是常数。但是重叠效率因子j 2 - o ) j i ( 2 ) 确实反映了泵浦光和振荡光的模式匹配程度，也就是它们空间分布上的耦合重叠程度， 它是影响斜率效率的重要因素。一般在激光器大功率运转的情况下，常用( 2 1 6 ) 式来估 计激光器的斜率效率。 1 0 矗 等塑蹦些咿 丛f i 附 第三章l d 泵浦固体激光器非线性光学效应 1 9 6 1 年，f r a n k e n 和他的同事们发现，当红宝石激光束通过石英晶体时，能够产生 于2 倍于该光束频率的紫外光州，该实验标志着对物质非线性光学特性深入研究的开 始。 3 1 非线性光学效应 光与物质相互作用的过程可以看成两个分过程：光波场引起物质响应的过程和所产 生的响应作为辐射源产生辐射的过程。光场强度较弱时，仅能引起物质的线性响应，而 当光波强度可以与原子内的平均场强相比较时，就可以体现出物质对光场的非线性响 应，此时介质中的感应极化强度可表示为： p = e o ( z 1 e + 2 ：e e + 2 3 i e e e + )( 3 1 ) 式中z ( 1 ) 为一阶( 线性) 电极化率，是二阶张量，它导致折射和反射等线性光学现象： 铲为二阶电极化率，是三阶张量，它产生倍频，和频、差频、光参量振荡、光学整流， 线性电光效应和法拉第效应等非线性现象；x ( 3 为三阶电极化率，是四阶张量，是产生三 次谐波、四波混频、双光子吸收、光束自聚焦、克尔效应以及受激拉曼散射和受激布里 渊散射等非线性光学效应的直接原因。 虽然光学现象同其它物理现象一样，从根本上说都是非线性的，但由于普通光源的 电场强度与原子内部场强( 约3 x1 0 q c m ) 相比很小，极化强度公式o 1 ) 中除第一项外 均可忽略，从而表现出线性响应。而激光所产生的光波强度可以达到与原子内部场强相 比较的程度，极化强度公式中的非线性项已经不能忽略，从而可以产生能够观测到的非 线性光学效应。1 9 6 1 年，弗朗肯( f r a n k e n ) 等人把波长6 9 4 3 n m 的红宝石激光聚焦到石英 板上，观察到了波长3 4 7 2 n m 的二倍频紫外激光，非线性光学从此诞生。 3 2 三波相互作用的耦合波方程组 非线性极化引起光场之间能量的转移，使各种频率的光波不再是独立传播，而是发 生能量的相互作用，彼此耦合。设三波相互作用中各个平面单色光波场的频率分别为嘶、 1 0 2 和t 0 3 ( t o l - ( 0 2 + 哟) ，与各个频率相应的二阶非线性极化强度表达式为1 5 5 5 6 ： ，2 ( q ，：) = 2 e 0 2 2 ( 一w l ；c a 3 ，呸) ：e ( c 0 3 ，z ) e + ( c o s ，z )( 3 2 ) p 2 ( 吐b ，力= 2 c o x 甜( - w 2 ；w 3 ，一q ) ：e ( o j , ，：) e ( q ，：) ( 3 3 ) 尸 2 1 ( q ，z ) = 2 f o x 2 ( - 哆；q ，q ) ：e ( q ，力e ( 哆，z ) 用e 表示光波偏振分