（光学专业论文）ld泵浦nd：kgdwo42激光特性研究.pdf

山东师范大学硕士学位论文 l d 泵浦n d ：k g d ( w 0 4 ) 2 激光特性研究 中文摘要 窄脉宽、高峰值功率的脉冲激光在光通信、医学、超精细加工、非线性频率变换等领 域具有广泛的应用，采用半导体激光( l a s e rd i o d e ，l d ) 泵浦的全固态激光器具有转换效率 高、工作寿命长、结构简单、性能稳定等诸多优点，所以在l d 泵浦的固体激光器中通过 调q 或锁模的方法实现短脉冲激光输出已经成为激光界的研究热点之一。以人工晶体为 基础材料的全固态激光器向高功率、多波长、宽调谐、长寿命、高稳定性快速发展。激光 晶体在很大程度上决定了激光器的效率及各方面的性能，发展适合于l d 泵浦的激光晶体 是激光材料主流方向之一。 本论文以掺钕钨酸钆钾( n d 3 + ：k g d ( w 0 4 ) 2 ，n d ：k g w ) 为激光增益介质，对其在l d 端 面泵浦下的中小功率主被动调q 、调q 锁模、双调q 及声光( a o ) 调q 绿光激光特性进行 了理论分析和实验研究，结果表明该晶体在研制高效率小型激光器方面具有广阔的应用前 景。 论文的主要内容可归结为以下几个方面： 1 概述了l d 泵浦全固态脉冲激光器的发展历史和现状；详细介绍了n d ：k g w 的特性；总 结本论文研究的主要内容。 2 l d 泵浦n d ：k g w 主被动调q 激光特性研究。从声光、被动调q 理论出发，对l d 泵浦 n d ：k g w 主被动调q 激光器进行了详尽的理论和实验研究，得到了窄脉宽、高峰值功率 的脉冲激光输出。 3 l d 泵浦n d ：k g w 调q 锁模激光特性研究。以c r 4 + ：y a g 晶体为调q 锁模元件，利用v 型腔，在不同输出镜透过率下，首次实现了l d 泵浦n d ：k g w c r 4 + ：y a g 被动调q 锁模激 光器的运转，得到了调制深度为8 5 的调q 锁模脉冲输出并就调q 锁模脉冲输出进行了 相应的理论分析。 4 l d 泵浦n d ：k g w 双调q 激光特性研究。从声光、被动和双调q 理论出发，首次对l d 泵浦n d ：k g w 双调q 激光器进行了理论和实验研究。实验证实双调q 激光器得到的脉冲 与同样腔条件下单纯的声光调q 激光器和被动调q 激光器得到的脉冲相比，脉宽明显变 山东师范大学硕士学位论文 窄且波形更加对称。在泵浦功率为3 w 时，得到了脉宽3 7 7 n s 的双调q 脉冲输出。 5 l d 泵浦n d ：k g w 倍频激光特性研究。采用简单的平凹腔结构以及k t p 倍频晶体，实 现了腔内倍频连续绿光输出。在此基础上通过在腔内放入声光调q 元件，首次实现了l d 泵浦n d ：k g w k t p 腔内倍频、声光调q5 3 2 n m 绿激光输出，对不同声光调制频率、不同 泵浦功率下的脉冲宽度、单脉冲能量和峰值功率进行了测量，在泵浦功率2 9 w , 声光调 制频率1 0 k h z 时，获得了脉宽3 4 6 n s 的脉冲输出，相应的单脉冲能量和脉冲峰值功率分 别为2 2 8 脚和6 7 1 w 。 关键词：全固态激光器，n d ：k g w ，声光调q ，c r 4 + ：y a g ，调q 锁模，双调q 分类号：0 4 3 7 山东师范大学硕士学位论文 c h a r a c t e r i z a t i o no fd i o d e p u m p e dn d ：k g d ( w 0 4 ) 2l a s e r s a b s 仃a c t p u l s e dl a s e r sh a v eb e e nu s e dw i d e l yi nv a r i o u sf i e l d s ，s u c ha so p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ， m e d i c a l ，m a t e r i a l sp r o c e s s i n ga n dn o n l i n e a ro p t i c s d i o d e - p u m p e ds o l i d s t a t el a s e r sh a v e v a r i o u sa d v a n t a g e ss u c ha sh i g hc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y , l o n gl i f e t i m e ，c o m p a c t n e s sa n dh i g h s t a b i l i t y c o n s e q u e n t l y , d e v e l o p i n gt e c h n i q u e s f o r q s w i t c h i n g o r m o d e 1 0 c k i n g i n d i o d e - p u m p e dl a s e r sh a sb e e nb u r g e o n i n ga san e we x p l o r a t i o nt og e tc o m p a c tp u l s e dl a s e r s a l l s o l i d - s t a t el a s e r s ，u s i n gs y n t h e t i cc r y s t a l sa sb a s i cm a t e r i a l s ，h a sr a p i dd e v e l o p m e n to f l l i g hp o w e r ，m u l t i - w a v e l e n g t h ，w i d et u n i n g ，l o n gl i f ea n dh i g hs t a b i l i t y l a s e rc r y s t a l sa r et h e c o r eo ft h el a s e r sa n dd e t e r m i n et h ee f f i c i e n c yo fl a s e r sa n dv a r i o u sa s p e c t so f p e r f o r m a n c e e x p l o r a t i o nf o rl d p u m p e dl a s e rc r y s t a l si so n eo ft h em a i nr e s e a r c hf i e l d so fl a s e rm a t e r i a l s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w ed i s c u s s e dt h e t e c h n o l o g i e so fa c o u s t i c o p t i c a l ( a o ) q s w i t c h e d ， p a s s i v e l yq - s w i t c h e d ，p a s s i v e l yq s w i t c h e da n dm o d e - l o c k e d ，d o u b l eq s w i t c h e da n da o q - s w i t c h e dg r e e nl a s e rp r o p e r t i e si nd i o d e - p u m p e dn d ：k g wm i c r o c h i pl a s e r s t h ee x p e r i m e n t p r o v e dt h a tt h i sc r y s t a lh a sav a s ta p p l i c a t i o nf i e l d t h em a i nc o n t e n t sc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 t h eh i s t o r y ，d e v e l o p m e n ta n dp r e s e n tc o n d i t i o n so fd i o d ep u m p e da l l s o l i d s t a t el a s e r sa r e r e v i e w e d l a s e rc h a r a c t e r i z a t i o n so fn d ：k g wa r ei n t r o d u c e d t h em a j o rr e s e a r c h e sw eh a v e m a d ea r es u m m a r i z e d 2 c h a r a c t e r i z a t i o no fl d - p u m p e dn d ：k g wa c t i v eq - s w i t c h i n ga n dp a s s i v eq - s w i t c h i n gl a s e r b a s i n go nt h et h e o r yo fa oq - s w i t c h i n g ，p a s s i v eq s w i t c h i n g ，t h ep r o p e r t i e so fl dd i o d e p u m p e d10 6 4 n ml a s e rw i t hs h o r tp u l s ed u r a t i o na r ea n a l y z e d ，l a s e rp u l s ew i t hs h o r tp u l s e d u r a t i o na n dh i 曲p e a kp o w e ri so b t a i n e d 3 c h a r a c t e r i z a t i o no fl d - p u m p e dn d ：k g wp a s s i v e l yq s w i t c h e da n dm o d e 1 0 c k e dl a s e r a d i o d e - p u m p e dp a s s i v e l yq s w i t c h e da n dm o d e l o c k e dn d ：k g w c r 4 + ：y a gl a s e rw i t hd i f f e r e n t o u t p u tc o u p l e si sf i r s t l yr e a l i z e di nav t y p ef o l d e dc a v i t y a b o u t8 5 m o d u l a t i o nd e p t hf o rt h e m o d e - l o c k e dp u l s e sh a sb e e no b t a i n e d a na n a l y s i so ft h et e m p o r a ls h a p eo fa s i n g l eq s w i t c h e d e n v e l o p ew i t hm o d e l o c k e dp u l s et r a i n si sp r e s e n t e d i i i 山东师范大学硕士学位论文 4 c h a r a c t e r i z a t i o no fl d - p u m p e dn d ：k g wd o u b l eq - s w i t c h e dl a s e r d i o d e - p u m p e da o q - s w i t c h e d ，p a s s i v e l yq s w i t c h e da n dd o u b l eq s w i t c h e dn d ：k g wl a s e r s w e r er e a l i z e d ， r e s p e c t i v e l y t h e i rp u l s ec h a r a c t e r i s t i c sw e r er e s e a r c h e d e x p e r i m e n t sp r o v e d o u b l eq - s w i t c h i n g l a s e rc a l lg e n e r a t eas y m m e t r i ca n ds h o r t e rp u l s ew h e nc o m p a r e dw i t hp u r e l ya oa n dp a s s i v e q s w i t c h i n g t h ed o u b l eq - s w i t c h e dl a s e rp u l s ew i d t ho f3 7 7n sh a sb e e na c h i e v e da tt h e i n c i d e n tp u m p p o w e r o f3 w 5 c h a r a c t e r i z a t i o no fl d p u m p e dn d ：k g wf r e q u e n c yd o u b l i n gl a s e r i n t r a c a v i t yf r e q u e n c y d o u b l i n gc wl a s e rw a sr e s e a r c h e db yu s i n gas i m p l ep i a n o - c o n c a v ec a v i t ya n dk t ea n d d i o d e - p u m p e dn d ：k g wa oq - s w i s h e dg r e e nl a s e rw a sr e a l i z e df o rt h ef i r s tt i m e ，t oo u r k n o w l e d g eb yu s i n g a om o d u l a t o r p u l s ew i d t h s ，p u l s ee n e r g i e sa n dp e a kp o w e r sa r em e a s u r e d a td i f f e r e n tr e p e t i t i o nr a t e sa n dp u m p p o w e r s p u l s ew i d t ho f3 0 6 r l s ，p u l s ee n e r g yo f2 2 即j ， p e a kp o w e ro f 6 7 1wa r eo b t a i n e da tt h ei n c i d e n tp u m pp o w e ro f2 9 wa n dt h er e p e t i t i o nr a t eo f 】0 k h z k e yw o r d s ：a 1 1 s o l i d s t a t el a s e r , n d ：k g w , a oq s w i t c h i n g ，c r + ：y a g ，q s w i t c h i n ga n d m o d e - l o c k i n g ，d o u b l eq s w i t c h i n g c l cn u m b e r ：0 4 37 i v 独创声明 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，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( 注：如没有其他需要特别声 明的，本栏可空) 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者繇动敏 导师签字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堂撞有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权堂 也可以将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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 办) 敏 导师签字： 签字日期：2 0 0 夕年乒月2 d 日 签字日期：2 0 02 0 日 山东师范大学硕士学位论文 第一章导论 上世纪九十年代以来，半导体激光器( l a s e rd i o d e ，l d ) 技术迅速成熟。固体激光器的新 型理想泵浦源半导体激光器的发射波长可与激光增益介质的主要吸收峰之一实现完全的 重合，因此泵浦效率远高于过去使用的传统泵浦源。半导体激光器泵浦的固体激光器 ( d i o d e p u m p e ds o l i d s t a t el a s e r s ) 因其具有的一系列独特优点如：体积小、效率高、寿 命长、稳定可靠，正在取代各类传统的液体激光器、气体激光器、以及闪光灯泵浦的固体 激光器。d p s s l 技术的发展将大大拓宽激光应用领域，对工业生产和社会生活产生深刻 的影响。随着d p s s l s 输出功率不断提高，新型非线性晶体和激光晶体不断被研究和开发， 频率变换技术不断成熟，l d 泵浦的固体激光器正以它独特的优势在激光领域中独领风骚， 成为激光领域研究的热点。 2 1 全固态脉冲激光器的发展概况 d p s s l 集固体激光器和二极管激光器的优点于一身，它将l d 体积小、转换效率高 的优点和固体激光器寿命长、光束质量高的优势结合起来，成为一种结构紧凑、寿命长、 效率高、光束质量好的新型激光器件。具有高重复频率、高峰值功率、窄脉宽和高转换效 率等许多优点的半导体激光器泵浦的全固态调q 脉冲激光器，近年来已成为激光领域研 究的热点，在激光测距、激光雷达、激光医疗及光电对抗等领域的应用中显现了极大的优 越性。 在激光测距、激光雷达、激光医疗、激光加工等方面，高峰值功率，窄脉冲宽度的激 光器显示了其巨大的优越性。脉冲激光器峰值功率高、持续时间短，在激光发明之后就立 刻引起了人们的关注。因此，获得更高峰值功率、更短脉宽的激光脉冲至今仍是激光技术 发展的主要方向之一。 利用能量的贮存和快速释放可获得激光巨脉冲输出。为了得到高的峰值功率以及窄的 单个脉冲，采用调q 技术，它就是通过某种方法使谐振腔的损耗因子6 ( 或q 值) 按照 一定的程序变化的技术。在泵浦激励刚开始时，先使光腔具有高损耗因子6 h ，此时由于 腔阈值很高，不能产生振荡，于是亚稳态上的粒子数便可以积累到较高水平。当反转粒子 数积累到最大时，突然把腔的损耗因子降低到6 ，q 值突增腔，阈值降到很低，此时反转 山东师范大学硕士学位论文 集居数大大超过阈值反转粒子数，积累在上能级的粒子便雪崩式的跃迁到低能级，于是在 极短时间内，将能量释放出来，从而形成一个很强的激光脉冲输出。采用调q 技术能获 得峰值功率高于兆瓦，脉宽为几十毫微秒的激光巨脉冲。 谐振腔的损耗一般包括反射损耗、衍射损耗、吸收损耗等。我们用不同的方法控制不 同类型的损耗变化，可已形成不同类型的调q 技术。控制反射损耗的变化有转镜和声光 调q 技术、控制衍射损耗变化的有声光调q 技术，控制吸收损耗变化的有可饱和染料和 c r 4 + ：y a g 调q 等，控制输出损耗变化的有透射式调q 技术。 按调节方式还可以分为主动调q 技术( 声光、电光、转镜调q ) 和被动调q 技术( 染 料、氟化锂、g a a s 、c r 4 + ：y a g 调q ，自调q ) 。近几年基于声光调q 和被动调q 的基础 上，又出现了双调q 【2 羽。 2 2n d ：k g l w 晶体的特性 探索适用于l d 抽运的激光晶体是l d 抽运固体激光器的主要研究工作之一。激光晶体 是激光器的核心部分，在很大程度上决定了激光器的效率及各方面的性能。 适合l d 泵浦的激光晶体已有几百种之多。按掺杂的离子类型来分，可分为掺杂过渡金 属离子( t i ”、c ，等) 的晶体和掺杂稀土离子( n d 3 + 、h 0 3 + 、y ”、t m ”、e ，) 的晶体 两大类。掺杂稀土离子的激光晶体是目前应用最多的一类晶体，也是研究的热点。目前， 比较常用的激光晶体有：n d 3 + ：y a g 、n d ”：y l f 、n d ”：g d v 0 4 、n d ”：y v 0 4 、n d ”：k g d ( w 0 4 ) 2 局吁 号乎。 掺钕钨酸钾钆激光晶体【6 ，分子式为n d 3 + ：k g d ( w 0 4 ) 2 ( n d ：k g w ) 。早在1 9 7 2 年，俄 国著名的激光晶体学家卡明斯基( k a m i n s k i i ) 就为研究该晶体结构和物化性能、光谱和激 光性能发表了许多文章和专著【8 1 。该晶体属于c 2 c 空间群的单斜晶系，其晶格参数分别 为：糊8 1 0 n m ，b = 1 0 4 3 r i m ，c = 0 7 6 n m 。 表l 中列出了n d ：k g w 与几种常见的掺杂n d ”固体激光材料的性能参数的比较。 2 山东师范大学硕士学位论文 n d ：k g wn d ：y a g n d ：y v 0 4n d ：g d v 0 4 掺杂浓度( )3 81 1 50 2 30 2 3 泵浦带宽( r i m ) 1 22 51 5 74 荧光寿命( u s ) 1 1 92 3 09 81 0 0 发射截面( c m 2 ) 1 3 583 0 63 2 7 吸收系数( c m - 1 ) 3 32 82 57 6 荧光线宽( r i m ) 2 7 30 60 80 5 热导率( w c m k ) k a = 0 0 2 6 ；1 - = 0 0 3 8 ；k 。= 0 0 3 4 k = 0 1 2 9o 0 5o 1 1 7 表1n d ：k g w 与几种常见的掺杂n d 3 + 固体激光材料的性能参数的比较 夸 在8 0 8 r i m 附近的吸收线的半宽度为1 2 n m 比n d ：y a g 和n d ：g d v 0 4 大的 多( 处在l d 发射的主波长范围内，并能容纳l d 发射波长随温度的漂移，有利于 二极管的抽运) 夺 荧光线宽2 7 3 n m 比n d ：y a g ，n d ：y v 0 4 ，n d ：g d v 0 4 都大 专掺杂浓度高而不会引起浓度淬灭( 可达8 ) 夺泵浦阈值低( 2 0 0 m w 左右) 专激光转换效率高( 斜率效率可达7 5 ，光光转换效率达5 l ) 夺能产生自激励拉曼散射( 能产生0 9 4 u r n 的反斯托克斯散射，1 1 8 u r n 的一 级斯托克斯和1 3 2 u r n 的二级斯托克斯散射，经倍频成为可见光波段的多波长光源) 夺热导率低，热效应较严重 n d ：k g w 具有的较高受激发射截面，泵浦阈值低，输出能量( 功率) 高，转换效率高 的特点，使它在中小功率，特别是在低功率泵浦条件下，成为研制高效率小型激光器的好 材料。随着晶体质量的提高，使用尺寸晶体的大量涌现，高效的小型激光器将在激光医学， 遥感，通信等高技术领域获得应用。 2 3 本论文的主要工作 本论文以n d ：k g w 为激光增益介质，对其在l d 端面泵浦下的中小功率主被动调q 、 调q 锁模、双调q 及声光( a o ) 调q 绿光激光特性进行了理论分析和实验研究，主要内容 如下： 1 概述了l d 泵浦全固态脉冲激光器的发展历史和现状；详细介绍了n d ：k g w 的特性； 总结本论文研究的主要内容。 2 l d 泵浦n d ：k g w 主被动调q 激光特性研究。从声光、被动调q 理论出发，对l d 3 山东师范大学硕士学位论文 泵浦n d ：k g w 主被动调q 激光器进行了详尽的理论和实验研究，得到了窄脉宽、高峰值 功率的脉冲激光输出。 3 l d 泵浦n d ：k g w 调q 锁模激光特性研究。以c r 4 + ：y a g 晶体为调q 锁模元件，利 用v 型腔，在不同输出镜透过率下，首次实现了l d 泵浦n d ：k g w c r 4 + ：y a g 被动调q 锁 模激光器的运转，得到了调制深度为8 5 的调q 锁模脉冲输出并就调q 锁模脉冲输出进 行了相应的理论分析。 4 l d 泵浦n d ：k g w 双调q 激光特性研究。从声光、被动和双调q 理论出发，首次 对l d 泵浦n d ：k g w 双调q 激光器进行了理论和实验研究。实验证实双调q 激光器得到 的脉冲与同样腔条件下单纯的声光调q 激光器和被动调q 激光器得到的脉冲相比，脉宽 明显变窄且波形更加对称。在泵浦功率为3 w 时，得到了脉宽3 7 7 n s 的双调q 脉冲输出。 5 l d 泵浦n d ：k g w 倍频激光特性研究。采用简单的平凹腔结构以及k t p 倍频晶体， 实现了腔内倍频连续绿光输出。在此基础上通过在腔内放入声光调q 元件，首次实现了l d 泵浦n d ：k g w k t p 腔内倍频、声光调q5 3 2 n m 绿激光输出，对不同声光调制频率、不同 泵浦功率下的脉冲宽度、单脉冲能量和峰值功率进行了测量，在泵浦功率2 9 w , 声光调 制频率1 0 k h z 时，获得了脉宽3 4 6 n s 的脉冲输出，相应的单脉冲能量和脉冲峰值功率分 别为2 2 8 脚和6 7 1 w 。 4 山东师范大学硕士学位论文 第二章l d 泵浦n d ：k g w 调q 激光特性研究 调q 激光脉冲非常强的相干光与物质相互作用，会产生一系列具有重大意义的新现 象和新技术，直接推动了非线性光学的发展，并且它非常短的脉冲宽度推动了脉冲激光测 距、数据存储、激光雷达、高速全息照相等技术的发展。调q 激光器已经成为许多应用 领域不可取代的重要技术。 2 1l d 泵浦n d ：k g w 声光调q 激光特性研究 2 1 1 声光调q 理论 主动调q 是利用某些物理原理主动地控制谐振腔内光的损耗以达到q 值突变的目的。 声光q 开关结构如图2 1 所示，它由驱动电源、电声换能器、声光介质和吸声材料 四部分组成。超声波入射到一块通常为熔融石英的透明光学材料上，当超声波通过透明光 学材料时，由于光弹效应将超声波的调制应变场耦合到光学折射率上的缘故，该材料就相 当于光学相位光栅。所得的光栅常数等于声光的波长入，所得的振幅正比于声振幅。如果 一束光入射到此光栅上，部分光强就会衍射偏离出光束，而射向一个或多个离散方向。选 择合适的参量，就可以使衍射光束偏离出谐振腔，从而产生足以使谐振腔q 值突变的能 量损耗。通常利用压电换能器将电能转化成超声波能，并射入声光开关的熔融石英体，这 时激光器处于低q 值状态，不能产生振荡。切断换能器的驱动电压后，激光器回到高q 值状态，声光介质在无超声波通过的情况下回到高透射率的状态，激光器就发射出调q 脉冲1 1 ，2 1 。 图2 - 1 声光q 开关结构图 根据光波和声波波长入、及光波与声波光束相互作用的距离i ，可以观察到拉曼一 5 山东师范大学硕士学位论文 耐斯散射和布拉格散射两种不同的衍射效应。当超声波的频率升高、相互作用的路径延长 时，较高级的衍射就会消失，只有零级和第一级的两束光是主要的，就产生布拉格衍射。 衍射光相对于0 级光有2e 角的偏离。当相互作用的路径很短，或者超声波频率很低时， 就出现拉曼一耐斯衍射。 产生布拉格衍射时，入射光i j 的一部分偏离到布拉格角i d 的方向。偏角0 b 由布拉格 公式决定： 2 五s i n 岛= 乞肛= 名 布拉格衍射效率为： 他c i i ( 。) - s 砰c 椰= s 砰 云( 鲁) 删】 ( 2 ) 上式中，m = n 6 p 2 p v s 3 ，为声光品质因素，l 为声光作用距离，h 为声柱宽度，p 为超 声功率。可以看出，在一定提高超声功率下，l h 的比值越大，衍射效率越高。所以l 可根据实际情况尽可能取大一些，声柱宽度h 应尽量小些，一般取与激光束的直径相等或 稍大一些。 描述l d 泵浦n d ：k g w 声光调q 激光器的速率方程为【3 】： f 掣姗= f 仁 2 础撇力剥咖) 刊) + ：nn ( r , t ) ) 2 ，r r d r ( 2 1 2 ) 了d n ( r , t ) = 兄( 力一毗讹力一掣 ( 2 1 3 ) 当考虑腔内光强的空间高斯分布及声光光短时间时，谐振腔轴上光子数密度随时间变化的 微分方程为： 掣= f 等酬州，等唧c 等， 一驰) 等e x p ( _ 等) 乩( 生w 0 2e x 阶孑2 r 2 ， 亿， 出x p ( 一2 哟r - 要2 2 ) r d r + f 寿岫 其中仪，- ，f ) 、纯( ，f ) 和九( ，f ) 分别为腔内平均、增益介质处以及声光处的光子数密度， n ( r ，f ) 是激活介质中的反转粒子数密度，啊、n 2 分别为激光晶体和声光晶体的折射率，、 6 山东师范大学硕士学位论文 d 分别为激光晶体和声光晶体的长度，是腔内光子往返时间，t 是谐振腔的长度，f 为 激活介质的受激辐射寿命，q 为自发辐射立体角，是激活介质的受激发射截面，l 为 腔内损耗，吃为泵浦速率，兄为泵浦光功率，口是激活介质的吸收系数。 求解方程可得单脉冲能量e 和峰值功率p 为： e = ( 字m 去f ) 破 ( 2 1 5 ) 尸= 串m 去们力 ( 2 ) 2 2 2l d 泵浦n d ：k g w 晶体声光调q 激光特性实验研究 l d 泵浦的声光调q 激光器具有效率高、体积小、重复率高等优点，是获得高重复率 纳秒、亚纳秒脉冲的理想光源，在激光遥感、激光测距、光电对抗、水下通信、光电存储、 激光加工等领域有广泛的应用1 4 , 5 】。 本节对l d 泵浦n d ：k g w 晶体声光调q 激光特性进行了实验研究，不同声光重复频 率( 5 k h z ，1 0k h z ，2 0k h z ，3 0k h z ，4 0k n z ) 下，研究了其激光输出特性。在重复率为5k h z ， 泵浦功率为2 9w 时，得到最短脉宽为3 0 5a s 。 一、实验装置 一： 艮一石 困q 姐 j i腻u 。叠 l d 图2 - 2l d 泵浦n d ：k g w 晶体声光调q1 0 6 4 r i m 激光器实验装置示意图 实验采用平凹腔结构如图2 2 所示，以获得较小发散角的输出光束。泵浦源采用f a p - - s y s t e m t m 型光纤耦合输出半导体激光器，室温下中心波长为8 0 8 n m ，光纤输出孔径d = 0 4 m m ，最大输出功率为3 0 w 。激光工作物质采用尺寸为4 m m x 4 m m x 4 m m ，掺杂浓度 为3 的n d ：k g w 晶体。平凹镜m l 作输入镜，平面镀8 0 8 n m 高透膜，凹面镀8 0 8 n m 高 透膜、1 0 6 4 n m 高反膜。输出镜m 2 是对波长1 0 6 4 n m 透过率t = 3 5 的平面镜，腔长为7 4 m m 。 采用q s g s u - 1 0 q 型声光调q 开关，工作波长为1 0 6 p m ；调制频率l k h z 5 0 k h z 连续可 调，衍射损耗为7 5 ，驱动系统超声频率为4 0 m h z ，功率为6 w 。功率测量用 7 山东师范大学硕士学位论文 3 0 a s h v l ( m a d ei ni s r a e v ) 型功率计。调q 激光脉冲信号进行接收和显示采用n e w f o u c s16 2 3 型快速光电二极管和t e k t r o n i xt d s 510 4 ( u s a ) 型lg h z 数字式示波器。 二、实验结果及分析 图2 3 ，图2 - 4 ，图2 5 ，图2 - 6 分别给出了不同声光重复频率下声光调q 激光器在平均 输出功率、脉宽和峰值功率等方面的特性。 选取输出透过率t = 3 5 的输出镜，在不同的声光调q 重复频率( 5 k h z ，1 0k h z ，2 0k h z ， 3 0k h z ，4 0k n z ) 下，研究了声光调q 激光输出性能。图2 3 给出了不同声光重复频率下输 出功率与泵浦功率的变化关系。从图中可以看出，在同样的泵浦功率下，当重复频率较高 时，获得的平均输出功率较高，斜率效率也较高。在重复频率为4 0k h z ，泵浦功率为2 9w 时，获得最大平均输出功率6 6 6m w , 转换效率为2 3 ，斜效率为2 6 9 。 图2 - 3 平均输出功率与注入泵浦功率之间的关系 图2 4 为在不同的调q 重复率下，脉冲宽度随泵浦功率的变化关系曲线图。从图2 _ 4 看出，在重复率一定时，脉宽随泵浦功率的增加而减小；在同样的泵浦功率下，脉宽随重 复率的增大而增大。在重复率为5k h z ，泵浦功率为2 9w 时，得到最短脉宽为3 0 5n s 。 8 jjpf5ci芎9暮一舀2互， 山东师范大学硕士学位论文 宙 8 专 勺 ； 譬 盂 图2 _ 4 脉冲宽度与泵浦功率之间的关系 图2 5 为t e k t r o n i xt d s 5 1 0 4 示波器记录的激光脉冲波形。实验中激光器连续运转3 0 m i n ，激光输出功率和脉冲波形保持稳定。 。l 。i 。i l 。 i i i i 。瓣：| ：| ：叠： ：一! 一! 一一! 一一! 。一： 一 三三l 0 三蔓 _ - 0 - 叠 “”。 r 各譬? 编麓“御 图2 5 声光重复频率为5 k h z 时，实验得到的调q 脉冲 利用公式e = p 。j f 和p p c a k = e ，t p 是脉冲宽度，可计算出单脉冲能量e 和峰值功率p p c a l 【。 图2 - 6 为输出透过率t = 3 5 时，不同a o 重复频率下，脉冲峰值功率与泵浦功率的关系。 从图2 - 6 中可以看出，在同样的重复频率下，峰值功率随泵浦功率的增加而增大；在一定 的泵浦功率下，重复频率越低，单脉冲能量越高，脉宽也变窄，因此峰值功率就会更高。 实验中，在重复率为5k h z 时，获得最大单脉冲能量6 3 2 和最大峰值功率2 6 2k w 。 9 山东师范大学硕士学位论文 图2 6 峰值功率与注入泵浦功率之间的关系 这种现象我们可以用声光调q 的理论来解释：当重复率小于激光晶体的自发跃迁辐 射几率os 时，反转粒子数密度有可能达到饱和后才开始q 突变，这时初始反转粒子数密 度将有较大的数值。若重复率大于自发跃迁辐射几率os ，则反转粒子数密度尚未达到饱 和值便因进入高q 状态而迅速衰减，这时初始反转粒子数将比较小。当重复频率较高时， 因脉冲之间没有足够的时间使激光上能级的反转粒子数达到最大值，因此输出激光的脉冲 峰值功率必然下降，而且由于增益减小，使脉冲宽度与脉冲形成时间都会增加。 2 2l d 泵浦n d ：k g w 晶体c r 4 + ：y a g 被动调q 激光特性研究 2 2 1c r 4 + ：y a g 被动调q 理论 被动调q 是利用被动调q 组件强烈的非线性效应来实现q 值突变的目的。 c r 4 + ：y a g 饱和吸收体是1 9 8 8 年出现的一种新型光学晶体。与染料及色心晶体相比， c r 4 + ：y a g 作为新型被动q 开关具有优良的性能。它可以作为1 3 5 1 5 5 1 a m 波长范围内的 可调谐激光晶体，同时它还是0 9 - - 1 2 9 m 范围的可饱和吸收体，可作为掺n d ”激活介质 的饱和吸收型被动q 开关。为了得到c r 4 + ：y a g ，可通过添加一些m 矿+ 和c a ：+ 等电荷补偿 杂质，使y a g 中少量铬离子的化合价从正常的c r 3 + 变为c r 4 + 。c r 4 + ：y a g 晶体具有热导 性能好，吸收截面大( 1 0 1 8 c m 2 量级) ，掺杂浓度高，饱和光强小，损伤阂值高，物化性 能稳定，无退化现象，使用方便等优点，有几种宽的吸收带，它们的中心分别在4 1 0 n m 、 4 8 0 n m 、6 4 0 n m 、1 0 5 0 n m 。，因此它被广泛的应用于高功率、高重复率激光器的被动调q 暇7 8 】 和小型全固态激光器的理想被动q 开关，具有寿命长，简单实用的特点。 1 0 山东师范大学硕士学位论文 图2 7c ，：y a g 晶体能级跃迁图 从图中看出，波长为b 的光可以把c r 4 + 从基态能级i g 激发到能级1 3 ，然后粒子从能 级1 3 很快地无辐射驰豫到能级1 2 ，能级 2 1 - - 的粒子又可以以自发辐射或者受激辐射的形 式跃迁到i l ；此外，激发态吸收可以使在1 2 上的粒子被波长为h 和的光激发到更高 的能级1 4 和1 5 。受激辐射可以产生波长为h 的光子，如果波长为h 的光子不能够得到 放大，就不能够形成波长为h 的激光，激光腔内的功率较低的时候，c r 4 + ：y a g 饱和吸收 体中的大部分离子都布局在基态j g ，从1 2 到j 5 的跃迁比较微弱。c r 4 + ：y a g 晶体只作为 掺杂n d 3 + 离子的激光工作物质调q 激光器运转的可饱和吸收体，仅起调q 的作用。 我们假定饱和吸收体和增益介质轴向上光密度均匀，忽略饱和吸收体和增益介质的自 发辐射，考虑腔内聚焦和激发态吸收的影响。当用c r 4 + ：y a g 饱和吸收体作被动调q 元件 的时候，由于同时存在基态和激发态的吸收，必须考虑激发态吸收，这时被动调q 四能 级系统的速率方程可写为 百d e = 旦t r 卜砌 卜2 ”以一( h ( 去) + 三) 晓2 d n ：一弦却甩 ( 2 2 2 ) 石2 一弦印甩 l 2 2 ) 等一即忆， ( 2 2 3 ) 鲁= 即叽， ( 2 2 4 ) 以鄹+ 订甜= n 。 ( 2 2 5 ) 其中： 矽 为腔内光子数密度； 山东师范大学硕士学位论文 以 为增益介质的反转粒子数密度； 刀f 为饱和吸收体中基态粒子数密度； 刀甜为饱和吸收体中激发态粒子数密度； n o 为饱和吸收体中的粒子数密度； ， 为增益介质长度； t 为饱和吸收体的长度； 仃为增益介质的受激发射截面； 为饱和吸收体的基态发射截面； 吒 为饱和吸收体的激发态发射截面； r 为输出镜的反射率； 为未饱和时腔内往返损耗； 7为增益介质的反转衰减因子； z 为饱和吸收体衰减因子； t ，为光在谐振腔内传输的往返时间； 厂 为谐振腔的光学长度； 根据以上速率方程，文献 1 0 】在作优化被动调o 设计时，推导了被动调q 饱和吸收 体c r 4 + ：y a g 小信号透过率与输出镜最佳透过率之间的直接关系。 g o t p t2 而1 ( 2 2 6 ) 乙= 华= 一挚 晓2 ，= z 一z ：一- i (一28122 ) x d p l2z z s 唧 k ) 由以上各式可得： 2 面万丽1 ( 2 2 9 ) 由( 2 2 9 ) 式，我们可以方便快速的获得优化运转时被动调q 晶体的小信号透过率 与虽佳输出镜透过率的关系。 山东师范大学硕士学位论文 2 2 2l d 泵浦n d ：k g w 晶体c r 4 + ：y a g 被动调q 激光特性实验研究 目前l d 泵浦n d ：k g w 晶体被动调q1 0 6 4 n m 激光器已有少量报道【1 1 1 2 1 。yk a l i s k y 等人用c r 4 + ：y a g 和c r 4 + ：g g g 做饱和吸收体研究了l d 泵浦n d ：k g w 连续和被动调q 特 性。gb o u l o u 等用c r 4 + ：l u 3 a 1 5 0 】2 做饱和吸收体，当泵浦能量为2 2 w 时，得到脉宽为1 8 0 n s ， 重复频率为1 0 2 0 k h z 的调q 脉冲：激光器处于自由运转时，斜率效率达7 5 ，光光转换 效率达5 1 。本节对l d 泵浦n d ：k g w 晶体c r 4 + ：y a g 调q 激光特性进行了实验研究， 用小信号透过率分别为9 5 和9 0 的两块c r 4 + ：y a g 作为可饱和吸收体研究了被动调q 激光输出特性。 一、实验装置 图2 - 8l d 泵浦n d ：k g w 晶体被动调q 激光器实验装置示意图 l d 端面泵浦n d ：k g w 晶体c r 4 + ：y a g 调q 激光器采用如图2 8 所示的实验装置。 两块c r 4 + ：y a g 可饱和吸收体的小信号透过率分别为t o = 9 0 和9 5 ，我们将其靠近 输出镜放置。其它实验装置同声光调q 激光器( 图2 2 ) 。调q 激光脉冲信号进行接收和显 示采用n e wf o u c s1 6 2 3 型快速光电二极管和t e k t r o n i xt d s 5 1 0 4 ( u s a ) 型1g h z 数字 式示波器。 二、实验结果与讨论 调节各装置，使连续的激光输出最好，在t e m 0 0 模运转。然后，放入c r + ：y a g 饱和 吸收体进行调q 。 图2 - 9 为c r 4 + ：y a g 的初始透过率为9 0 、9 5 时平均输出功率随泵浦功率的变化曲 线。 1 3 山东师范大学硕士学位论文 图2 - 9 平均输出功率与泵浦功率之间的关系 当被动调q 激光器实现连续输出时，泵浦阈值为2 7 6m w ，泵浦闽值低，当腔内放入