（光学工程专业论文）掺钕双钨酸钇钠晶体调q激光特性研究.pdf

些奎盔兰堡圭耋堡鎏兰 。 一 摘要 钨酸盐晶体是一个研究较早的激光晶体系列，其中掺n d 的c a w 0 4 晶 体是最早实现激光运转的激光晶体之一。最近，掺钕的双钨酸盐晶体作为 新的多波长激光晶体引起了人们的关注，n d 3 + ：n a y ( w 0 4 ) 2 ( n d ：n y w ) 晶体 即是其中之一。 n a y ( w 0 4 ) 2 ( n y w ) 为四方晶系单轴晶体，与c a w 0 4 晶体一样圃属自 钨矿结构，晶体中的稀土离子可以容易地被其它激活离子取代，从而可以 进行高浓度的搀杂。由于双钨酸钠盐晶体中稀土离子和n a 离子相互位置 并不固定，所以晶体具有无序结构，搀杂的稀土离子的吸收和发射谱线都 较宽，n d ：n y w 晶体在8 0 0 n m 左右吸收线半高宽为13 7 n m ，在1 0 6 0 2 0 n m 处的荧光发射谱半高宽为1 4 2 n m ，这均比其它的搀杂结构有序晶体的半高 宽要大的多，较宽的吸收和荧光发射谱有利于对泵浦光的吸收和锁模运转 的实现。n d ：n y w 晶体有较宽的吸收带，因而适合于脉冲氙灯泵浦，晶体 最大的两个吸收峰位于5 9 5 n m 附近和8 0 5 n m 附近，可以分别选用染料激光 和半导体激光器( l d ) 泵浦。但是，关于n d ：n y w 晶体的激光性能的报道 较少，相对于其他成熟的掺钕激光晶体，对于该晶体的激光性能特别是调 q 运转时的输出特性的研究还非常欠缺。 本论文采用脉冲氙灯、可调谐染料激光器、光纤耦合输出的半导体激 光器等多种泵浦手段，对掺钕新晶体n d 3 十：n a y ( w 0 4 ) 2 ( n d ：n y w ) 的激光特 性进行了全面系统的实验和理论研究，重点探讨了分别采用c r 4 + y a g 及 g a a s 作为饱和吸收体的被动调qn d ：n y w 激光器的脉冲输出特性，并运 用速率方程对调q 激光器的运转特性进行了理论分析。使得对该晶体激光 性能的研究形成了一个相对完整的体系，便于对其性能做出全面、客观的 评价。论文的主要研究工作包括： i 首次利用波长可调谐染料激光器，针对n d ：n y w 晶体的短波长吸收 带( 5 9 5 n m ) 进行泵浦，获得了1 0 6 j z m 激光输出，并研究了其输出特性。 ( 第二章) i i 首次实现了氙灯泵浦n d ：n y w 晶体c r 4 + ：y a g 被动调q 的1 0 6um i i i 生耋奎堂堡圭兰堡篁苎 ：。：一 ! ! ! = ! e e = = ! ! ! e = ! 日e ! ! = ! ! = ! _ = ! = ! j 自l = e = ! ! j j = = ! ! = = _ = = 2 5 = j 5 5 。2 。一 激光运转，测量了不同c r 4 + ：y a g 小信号透过率及不同输出镜透过率在不同 泵浦能量下激光单脉冲的输出能量、脉冲宽度、重复率并对该激光器的调 q 机理进行了详细的讨论，通过速率方程数值求解，对实验结果进行了理 论模拟。( 第三章) i i i 对l d 端面泵浦n d ：n y w 激光器的输入输出特性进行了系统的研 究。从空间相关的速率方程出发，对该激光器最佳泵浦位置的确定给出了 恰当的描述；同时，用非稳腔法测量了n d ：n y w 晶体的等效热透镜焦距， 并与理论计算结果进行了比较。( 第四章) i v 首次对l d 端面泵浦n d ：n y w 晶体声光调q 激光特性进行了理论 和实验研究。( 第五章) v 首次实现了l d 泵浦n d ：n y w 晶体c r 4 + ：y a g 被动调q 的1 0 6 pj l 】 激光运转，对不同c r ”：y a g 小信号透过率下的单脉冲能量、脉冲宽度和重 复率进行了测量，在泵浦功率4 6 5 w 时，获得了脉宽为4 9 n s 的脉冲输出， 相应的单脉冲能量和重复率分别为2 7 1 j 和5 9 k h z 。同时，考虑泵浦速率 的影响，利用速率方程，对该激光器的调q 机理进行了理论分析，通过数 值求解，对实验结果进行了理论模拟。( 第六章) v i 首次对l d 泵浦g a a s 被动调qn d ：n y w 激光器进行了理论和实 验研究，测量了不同输出镜透过率下输出脉冲的单脉冲能量、脉冲宽度及 重复率，在泵浦功率4 w 时，获得了脉冲宽度5 2 n s 、重复率9 0 k h z 的脉冲 输出，利用综合考虑各种吸收过程的速率方程组对g a a s 被动调q 输出特 性进行了数值模拟，理论计算和实验结果相符合。( 第七章) v i i 采用三镜折叠腔结构，利用i i 型相位匹配的优质k t p 晶体作为 倍频元件，分别采用g a a s 和c r 4 + ：y a g 作为饱和吸收体，首次实现了l d 泵浦n d ：n y w 晶体内腔倍频被动调qo 5 3 m 激光输出；在理论分析中， 将二次谐设转换视为谐振腔的一种非线性损耗，利用耦台速率方程组分别 对g a a s 和c r ”：y a g 两种被动调q 方式的脉冲输出性能进行了理论模拟。 ( 第八章) v i i i 从实验和理论上对上一章中观察到的输出绿光调制脉冲特性进行 了研究。首先给出分别从连续和被动调qn d ：n y w k t p 激光器观察到的绿 光调制输出，然后基于j o h n s 矩阵和多纵模速率方程组对观察到的调制波 形进行了初步的解释。( 第九章) ， 山东大学博士学位论文 论文的主要创新点在于：在前人研究工作的基础上，采用多种泵浦手 段，充实了新型晶体n d ：n y w 激光性能的研究体系，论文中的大部分工作， 特别是n d ：n y w 激光器的基频和倍频调q 运转均为作者首次、独立完成。 对观察到的实验结果均给出了相应的理论分析，所得到的结论对于正确评 价n d ：n y w 晶体的激光性能有着重要的指导意义。 关键词：n d ：n y w 晶体 g a a s 调q 运转c r 4 + ：y a g k t p 内腔倍频 v 作者：傅兢 2 0 0 3 年4 月1 0 日 坐童查耋堡圭兰堡篁塞 a b s t r a c t t u n g s t a t ec r y s t a l i sa f a m i l y w h i c hh a sb e e n g r o w n a n dd e m o n s t r a t e da s p r o m i s i n gl a s e rh o s t sf o r a l o n gt i m e n d d o p e dc a w 0 4c r y s t a l i so n eo ft h ef i r s t c r y s t a lr e a l i z e dl a s e ro p e r a t i o n r e c e n t l y ，a sn e wl a s e rh o s tc r y s t a l s ，d o u b l et u n g s t a t e cr y s t a l sh a v ea t t r a c t e dm a n yr e s e a r c h e r s o n eo ft h e m ，n d ”d o p e dn a y ( w 0 4 ) 2c r y s t a l w a sp a i dp a r t i c u l a ra t t e n t i o n n a y ( w 0 4 ) 2i s au n i a x i a lc r y s t a lw i t hat e t r a g o n a ls y m m e t r ya n db e l o n g st o t h e s c h e e l i t e - t y p ef a m i l yw i t has p a c eg r o u po fc 4 h 6 i nn e o d y m i u md o p e dn y w ，n d 3 + i o n s s u b s t i t u t e y ”i o n s n d ”d o p e d n y wc r y s t a lh a sd i s o r d e rs t r u c t u r eb e c a u s eo f s t a t i s t i c a ld i s t r i b u t i o n o fd i f f e r e n tv a l e n c vc a t i o n sn a +a n dy 3 i ns i m i l a r cr y s t a l l o g r a p h i c p o s i t i o n s ，w h i c hp r o v i d e st h ef o r m a t i o no fo n e t y p e o fn d 3 + q u a s i - c e n t e r w i t h i n h o m o g e n e o u s l y b r o a d e n e d s p e c t r a la b s o r p t i o n l i n e sa n d i u m i n e s c e n c e s p e c t r aw h i c hi s a no b v i o u sp o s i t i v ef a c t o rf o rt h e a b s o r p t i o n o ft h e p u m p i n g1 i g h ta n dm o d e l o c k i n gr u n n i n g a c c o r d i n gt o o u rm e a s u r e m e n t ，t h is c r y s t a l f e a t u r e saw i d e a b s o r p t i o nb a n d w i d t ho f 137 n mn e a r8 05 n ma n daw i d ee m i s s i o n b a n d w i d t ho f1 4 2 n mn e a r10 6 0 2 n m t h e s eb a n d w i d t h sa r em u c hb r o a d e rt h a nt h o s eo f o t h e rf r e q u e n t l yu s e dn d ”d o p e d c r y s t a l n d ：n y wc r y s t a lh a sb r o a da b s o r p t i o nb a n d w h i c hm a k ei ts u i t a b l ef o r b e i n gp u m p e db y x e n o nf l a s h l a m p ；t h e m o s t s t r o n g a b s o r p t i o np e a k sa r el o c a t e dn e a r5 9 5 n ma n d8 0 8 n m ，s ow ec a nu s ed y el a s e ra n dl a s e r d i o d ea sp u m p s o u r c e s ，r e s p e c t i v e l y c o m p a r e dt oo t h e rm a t u r en d d o p e dl a s e rc r y s t a l s f e wl a s e rp r o p e r t i e sh a v eb e e ns t u d i e do nt h en d ：n y w c r y s t a le s p e c i a l l yt h ep r o p e r t i e s o f q s w i t c h i n go p e r a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t saf u l la n ds y s t e m a t i ce x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a ls t u d y o nt h el a s e r c h a r a c t e r i s t i c so fn d ：n y w c r y s t a l w i t ht h e e m p h a s i sb e i n g o nt h e p e r f o r m a n c eo ft h ep a s s i v e l yq s w i t c h i n go p e r a t i o nb yu s i n gc r 4 + ：y a ga n dg a a sa s s a t u r a b l ea b s o r b e r ，r e s p e c t i v e l y t h ep u m ps o u r c e si n c l u d et h ex e n o nf l a s h l a m p ，t h e p u l s eq s w i t c h e dd y el a s e r ，a n dt h ef i b e r c o u p l e dl a s e rd i o d e t h em a i np u r p o s eo fo u r r e s e a r c hi st of o r maw h o l es y s t e mo ft h el a s e rc h a r a c t e r i s t i c so fn d ：n y w c r y s t a l ，t h i s s y s t e mc o u l dh e l pu st og i v es y n t h e t i c a la sw e l la so b j e c t i v ee v a l u a t i o na b o u tt h el a s e r v i p r o p e r t i e so ft h i s n e wc r y s t a l t h em a i nc o n t e n to ft h i sd i s s e r t a t i o ni s a sf o l l o w s ： ( i ) u s i n gt h ep u l s e q - s w i t c h e dd y e l a s e ra s p u m ps o u r c e ，w e h a ”e f i r s l y r e a l i z e dt h el a s e ro p e r a t i o na t 1 0 6umw i t hn d ：n y wc r y s t a l ，p u m p e da t5 9 5 n m i nt h e s h o r t - w a v e l e n g t ha b s o r p t i o nb a n d t h eo u t p u tl a s e rp e r f o r m a n c e w a sp r e s e n t e d ( i i ) b yu s i n g x e n o nf l a s h l a m p a s p u m p s o u r c ea n dc r “：y a ga s p a s s i v e q - s w i t c h e r w e h a v e p e r f o r m e d t h e q - s w i t c h e d l a s e r o p e r a t i o n a t 1 0 6 p m w i t h n d ：n y w c r y s t a l m e a n w h i l e ，t h e p u l s e w i d t h ，t h es i n g l ep u l s ee n e r g y a n dt h e r e l o i e t i t i o n r a t eu n d e rd i f f e r e n ts m a l l s i g n a l t r a n s m i s s i o no fc r 4 + ：y a ga n dd i f f e r e n t r e f l e c t i v i t y o f o u t p u t r e f l e c t o ra r em e a s u r e d ，a n dt h e n u m e r i c a ls o l u t i o n so ft h e c o u p l i n gw a v er a t ee q u a t i o n sa g r e ew i t h t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ( i i i ) p r e s e n t e d af u l la n d s y s t e m a t i cs t u d y o nt h el a s e r p r o p e r t i e s o fal d e n d p u m p e d n d ：n y wl a s e r b a s e d o nt h e s p a t i a l r e l e v a n c e r a t e e q u a t i o n s ，a a p p r o p r i a t ed e s c r i p t i o no ft h eo p t i m i z e dp u m pp o s i t i o n o ft h i sl a s e rw a sc a r r i e do u t m e a n w h i l e ，u s i n g t h eu n s t a b l e - r e s o n a t o rm e t h o d ，t h e t h e r m a lf o c a l l e n g t h w a s m e a s u r e da n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ei na g r e e m e n tw i t ht h et h e o r e t i c a lp r e d i c t i o n ( i v ) t h ee x p e r i m e n t a la n dn u m e r i c a ls t u d i e so fl de n d - p u m p e da c o u s t o o p t i c s q s w i t c h e dn d ：n y wl a s e rw a sf ir s t l yp r e s e n t e db yu s i n gr a t e - e q u a t i o nm o d e l ( v ) w eh a v e f i r s t l yp r e s e n t e dt h e p e r f o r m a n c e o fa nl a s e r - d i o d e p u m p e d n d ：n y wl a s e rp a s s i v e l yq s w i t c h e dw i t hc r 4 + ：y a gs a t u r a b l ea b s o r b e r f o rd i f f e r e n t s m a l l s i g n a l t r a n s m i s s i o n so fc r “：y a g ，t h e p u l s ee n e r g y ，t h ep u l s e w i d t ha n d r e p e t i t i o n r a t eo f 1 0 6 p m l a s e rh a v eb e e nm e a s u r e d p u l s e so fd u r a t i o no f4 9 n sa n d e n e r g y o f2 7 1 u jw e r eo b t a i n e dw i t h r e p e t i t i o n r a t eo f5 9 k h z m e a n w h i l e ，t h e c o u p l i n g w a v er a t e e q u a t i o n s f o r p a s s i v e l yq s w i t c h e d l a s e ra r e g i v e n a n dt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ei nf a i ra g r e e m e n tw i t ht h en u m e r i c a ls o l u t i o no fe q u a t i o n s ( v i ) w eh a v e f i r s t l yp r e s e n t e d t h e p e r f o r m a n c e o fa nl a s e r - d i o d e p u m p e d n d ：n y wl a s e rp a s s i v e l yq s w i t c h e dw i t hg a a ss a t u r a b l ea b s o r b e r f o rd i f f e r e n to u t p u t c o u p l e rr e f l e c t i v i t i e s ，t h ep u l s ee n e r g y ，t h ep u l s ew i d t ha n dr e p e t i t i o nr a t e o fi 0 6 v m l a s e rh a v eb e e nm e a s u r e d p u l s e so fd u r a t i o no f7 2 n sa n de n e r g yo fo 5 41g ja r e o b t a i n e d t h es h or t e s t p u l s e s t h a tw eo b s e r v e dw e r e5 2 n si n d u r a t i o n a l s o ，t h e c o u p l i n g w a v er a t e e q u a t i o n s f o r p a s s i v e l yq - s w i t c h e d l a s e ra r e g i v e n a n dt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ei nf a i ra g r e e m e n tw i t ht h en u m e r i c a ls o l u t i o no fe q u a t i o n s v h 些童查兰堡圭兰堡垒塞 ( v i i ) w eh a v ef ir s t l yd e m o n s t r a t e dt h e 0 5 3 m l a s e r p e r f o r m a n c e o fa l a s e r - d i o d e - p u m p e d i n t r a c a v i t y - f r e q u e n c y d o u b l i n g n d ：n y w k t pl a s e r p a s s i v e l y q - s w i t c h e dw i t hc r “：y a ga sw e l la sg a a ss a t u r a b l ea b s o r b e r r a t ee q u a t i o n sf o rt h e t w ot y p eo fs a t u r a b l e a b s o r b e rw e r eg i v e nt os i m u l a t et h e q s w i t c h e do p e r a t i o n i n w h i c ht h eh a r m o n i cc o n v e r s j o nw a sc o n s i d e r e da san o n l i n e a r1 0 s so f f u n d a m e n t a lw a v e t h en u m e r i c a ls o l u t i o n so fr a t ee q u a t i o n sw e r ei nf a i ra g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s ( v i i i ) p r e s e n t e dt h ee x p er i m e n t a la n dt h e o r e t i c a ls t u d yo ft h eg r e e nm o d u l a t e d p u l s e so b s e r v e di nl a s tc h a p t e rb yi n v e s t i g a t i n gal d e n d - p u m p e dp a s s i v e l yq - s w i t c h e d i n t r a c a v i t y - f r e q u e n c y d o u b l i n gn d ：n y w k t pl a s e rw i t hc r “：y a gs a t u r a b l ea b s o r b e r t h ep o l a r i z e de i g e n s t a t e sw e r ec a l c u l a t e db yj o h n s m a t r i xa n dt h en u m e r i c a ls o l u t i o n s o fr a t ee q u a t i o n si n d i c a t e dt h a tt h em o d u l a t i o n sa r ea t t r i b u t et ot h ef r e q u e n c yb e a to f t h et w oe i g e n s t a t e so ft h er e s o n a n t p o l a r i z e dm o d e s t h et h e o r e t i c a l p r e d i c t i o n sa r e c o m p a r e dw i t ht h eo b s e r v a t i o ni ne x p e r i m e n t t h em a i ni n n o v a t i o n so ft h isd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： b a s i n go nt h ep r e v i o u sr e s e a r c hw o r k ，w ee n r i c h e dt h er e s e a r c h s y s t e mo ft h e l a s e r p e r f o r m a n c eo ft h e n e wt y p el a s e r c r y s t a ln d ：n y w t h em a j o rw o r k si nt h i s d i s s e r t a t i o n ，e s p e c i a l l yt h ep a s s i v e l yq s w i t c h e do p e r a t i o no fb o t hf u n d a m e n t a lw a v e a n ds e c o n dh a r m o n i cw a v ef o rn d ：n y wl a s e rw e r ea c c o m p l i s h e df i r s t l ya n ds e p a r a t e l y b y t h ea u t h o r t h e o r e t i c a l a n a l y s i s w a su s e dt ot e s ta n d v e r i f y t h eo b s e r v e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，a n dt h ec o n c l u s i o n sd r a w nf r o mt h e a n a l y s i s h a v e i m p o r t a n t i n s t r u c t i o nm e a n i n gf o rt h ea c c u r a t ee v a l u a t i o no ft h el a s e rp e r f o r m a n c eo fn d ：n y w c r y s t a l 山东大学博士学位论文 k e yw o r d s ： n d ：n y wc r y s t a l q s w i t c h i n g c r 4 + ：y a g g a a sk t p i n t r a c a v i t y f r e q u e n c y - - d o u b l i n g s i g n a t u r e ： 2 0 0 3 4 10 沈伽k 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立迸行研究所取得的成果。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科研成果。对本文的研 究作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 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：岱! 红日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅；本人授权山东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，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文和汇编本学位论文。 日期： 。 。一塑堕型型耋箜塑二一 第一章引言 本论文采用脉冲氙灯、可调谐染料激光器、光纤祸合输出的半导体激 光器等多种泵浦手段，对掺钕新晶体n d 3 + ：n a y ( w 0 4 ) 2 ( n d ：n y w ) 的激光特 性进行了全面系统的实验和理论研究，重点探讨了分别采用c r ”y a g 及 g a a s 作为饱和吸收体的被动调qn d ：n y w 激光器的脉冲输出特性，并运 用速率方程对调q 激光器的运转特性进行了理论分析，对n d ：n y w 晶体的 激光性能做出了全面、客观的评价。 一n d ”：n a y ( w o ) ：晶体的基本结构和性质 钨酸盐晶体一个研究较早的激光晶体系列，其中掺n d 的c a w 0 4 晶体 是最早实现激光运转的激光晶体之一【l ，2 】。n a y ( w 0 4 ) 2 ( n y w ) 为单轴 晶体，四方晶系，空间群为c 矗。与c a w 0 4 晶体一样，n y w 晶体属白钨矿 结构，即c a w 0 4 中的c a 被n a 和y ( 1 ：1 ) 置换而形成，晶体中的稀土离子 可以容易地被其它激活离子取代，从而可以进行高浓度的搀杂。2 0 0 0 年 l m a c a l i k 3 详细研究了n a y ( w 0 4 ) 2 晶体的结构，图1 为n y w 晶体的结 构图。 f i g i t h ep e r s p e c t i v ev i e wo ft h en a y ( w 0 4 ) 2 e r y s t a ls t r u c t u r e 从n a y ( w 0 4 ) 2 晶体的结构图中可以看出，n y w 晶体的单胞中包含孤 生奎奎耋堡圭兰堡丝塞 立的w o 。2 一四面体，其点位置对称性为s 4 ，四面体沿c 方向被压扁，四面 体项角上的0 2 。与w 8 + 之间为等距，但是键角不同，孤立的w 0 4 2 。四面体之 间通过阳离子n a 或y 相连接。另外，w 0 4 2 - 基团的非线性系数z ( 3 高达 1 0 - 13 e s u ，具有较强的喇曼散射特性，掺杂的n y w 晶体可以制作多波长的 r a m a n 激光器。在钕搀杂的n y w 晶体中，n d 3 + 取代y 3 + 的位置，由于n y w 晶体中y 离子和n a 离子相互位置并不固定，所以晶体具有无序结构，搀 杂的稀土离子的吸收和发射谱线都较宽，n d ：n y w 晶体在8 0 0 n m 左右吸收 线半高宽为13 7 n m ，在1 0 6 0 2 0 n m 处的荧光发射谱半高宽为1 4 2 n m ，这均 比其它的搀杂结构有序晶体的半高宽要大的多，较宽的吸收和荧光发射谱 有利于对泵浦光的吸收和锁模运转的实现。n d ：n y w 晶体在3 0 0 1 0 0 0 n m 范围内有若干个吸收峰，因而适合采用钛宝石激光、染料激光、激光二极 管及氤灯等多种泵浦方式进行泵浦。 对于激光晶体，热容是一个很重要的量，它影响激光晶体的损伤阈值。 固体的热容通常用d e b y e 模型来描述为所有原子的谐振，但是由于晶体的 结构十分复杂，很难用数学的方法来计算固体的热容。图2 给出了利用 n e t z s c h 差热扫描量热计( d s c ) 测量的n d ：n y w 晶体的热容随温度的变 化曲线 4 】。n d ：n y w 晶体在3 3 0 k 时的热容为o 5 1 3 2 j g 一k ，这表明 n d ：n y w 晶体具有较大的热容，在激光照射下，n d ：n y w 晶体将吸收较多 的能量而在晶体内部只产生较小的温度梯度，所以n d ：n y w 晶体具有较大 的损伤闽值。 1 砷p 甜曲f e k ) f i g 2 t h ed e p e n d e n c eo fs p e c i f i ch e a to fn d ：n y wc r y s t a lo nt e m p e r a t u r e 2 当耋盔兰堡圭耋堡篓塞 。 在晶体的热学性质中，热机械也是很重要的参数，当用很强的激光照 射晶体时，如果晶体沿不同方向的热膨胀相差很大，或者存在反常热膨胀， 很容易造成晶体的损坏。热机械是一个二阶张量，四方晶系的n d ：n t w 晶 体只有两个独立的量，其中沿结晶学x 轴，即a 轴，d ：沿结晶学z 轴， 也就是c 轴。图3 给出了热机械分析仪( t m a t m s 2 ) 测量的n d ：n y w 晶 体的热膨胀结果【4 。如图所示，在测量范围内晶体的热膨胀是线性的，没 有观察到反常热膨胀，说明晶体在变热过程中，只有热膨胀，没有热聚集： 在垂直于z 轴的平面内，热膨胀是各向同性的；在平行于z 轴的平面内， 热膨胀是各向异性的。n d ：n y w 晶体的热膨胀系数为= 3 5 1 0 “k ， 口= 1 7 7 t 0 1 k 一。 t e m p e r q l u 陀( i q f i g 。3 t h e r m a le x p a n s i o n o fn d ：n y w c r y s t a l a l o n g xa n dzd i r e c t i o na sa f u n c t i o no f t e m p e r a t u r e ( s c a nr a t e ：s k m i n ) 作为新型的激光晶体，关于n d ：n y w 晶体激光性能的研究报道较少。 1 9 9 7 年，w l z h o u 5 】报道了n d ：n y w 微片晶体二极管泵浦1 0 5 9um 激 光输出；1 9 9 9 年，k a m i n s k i i 【6 】研究了n d ：n y w 晶体氙灯泵浦激光运转和 受激喇曼散射过程，由于具有较大的非线性系数z ( ”，n d ：n y w 晶体可以制 作多波长的r a m a n 激光器：2 0 0 1 年，k f u 7 】采用连续输出的t i ：s a p p h i r e 激光器作为泵浦源，研究了不同掺杂浓度的n d ：n y w 晶体1 0 6 u m 激光输 出特性。可以看出，相对于其他成熟的掺钕激光晶体，对于n d ：n y w 晶体 尘奎奎堂堡圭兰堡垒苎 的激光性能特别是调o 运转时的输出特性的研究还非常欠缺，本论文的研 究工作使得对该晶体激光性能的研究形成了一个相对完整的体系，便于对 其性能做出全面、客观的评价。表1 给出了n d ：n y w 晶体的基本参数。 t a b l e1 p a r a m e t e r so fn d ”：n a y ( w o 4 ) lc r y s t a l 【8 l 熔点1 1 9 4 7 。c热导率墨= o 0 4 w e r a + k 空间群 c 折射率 1 9 a = b = o 5 2 0 8 a m 晶胞参数密度 6 6 2 9 c m ， c = 1 1 2 8 7 n m 生长方法提拉法喇曼位移9 1 6 c m 。l = 3 5 1 0 4 足 热容紫外吸收边3 2 1 b m a = 1 7 7 1 0 5 k 热色散系数 口= 7 7 1 0 k 硬度( m o h s ) 5 二c r “：y a g 和g a a s 饱和吸收体 与主动调q 激光器相比，被动调o 激光器操作简单，高效稳定，同时 又可大大降低制造成本，已经成为产生高重复率脉冲激光的重要手段之一。 被动调q 技术往往通过在腔内插入饱和吸收体材料来实现调q 运转。有机 染料【9 曾被用作被动q 开关来实现激光器的调q 运转，然而有机染料热稳 定性差、易退化，导致输出调q 脉冲极不稳定；与染料相比，作为固体饱 和吸收体的色心晶体( 如l i f ：f 2 ) 1 0 虽然光化学和热学性质较好，但其 易褪色，因此使用寿命及存储受到一定的限制。c r 4 + ：y a g 作为新型被动o 开关具有优良的性能，其在0 9 l ，2um 波段具有饱和吸收特性，因而可 作为掺n d ”激活介质的饱和吸收型被动q 开关。e i l e r s 等人于1 9 9 2 年首先 报道了c r ”：y a g 晶体的饱和吸收特性【1 l 】，与有机染料及色心晶体相比， c r ”：y a g 具有光化学性质稳定、热导性好、饱和光强低、损伤阈值高及无 退化等优点，逐渐成为人们研究的熟点。近年来，人们已经研究了脉冲氤 灯、连续氪灯泵浦及激光二极管泵浦的掺n d 晶体c r 4 + ：y a g 被动调q 激光 4 生奎查耋堡圭耋堡墼塞 。，。一 特性 1 2 2 1 ，对c r 4 + ：y a g 调q 的自倍频晶体n d ：y a b 及g d c o b 的绿光特 性也有报道 2 2 2 3 。同时，利用c r 4 + ：y a g 作为被动调o 元件，人们成功 地实现了n d ：s - v a p ，n d ：s - f a p ，n d ：g d v 0 4 ，y b ：y a g 等新型晶体的稳定调 q 运转2 1 ，2 4 2 6 。另外，c r 4 + ：y a g 具有较大的基态吸收截面和较长的基态 恢复时间，在调q 过程中容易实现漂白，所以c r 4 + ：y a g 是掺钕激光器较 理想的被动o 开关。 近年来，半导体材料被动q 开关逐渐引起了人们的注意，g a a s 饱和 吸收体便是其中之一。g a a s 作为被动0 开关同样具有可饱和吸收特性稳定、 热导性好、光化学性质稳定、无退化现象及损伤闽值高等优点，但与 c r 4 + ：y a g 受到人们的广泛关注相比，对o a a s 被动调q 激光器的研究报道 要少的多。1 9 9 6 年k a j a v a 等人首次发现g a a s 可用作n d ：y a g 激光器的被 动q 开关 2 7 】，随后人们研究了多种激光晶体的g a a s 被动调q 输出特性， 如y b ：y a g 2 8 ，n d ：y v 0 4 1 2 9 ，n d ：g d c o b 3 0 等。g a a s 还可以同时兼做调 q 元件和谐振腔的输出镜【3 i 】，使谐振腔、的结构更加简单、紧凑，具有重 要的实用价值。g a a s1 “m 处的吸收过程较为复杂，当激光光强较小时，具 有饱和吸收特性的单光子吸收是实现g a a s 被动调q 的主要原因。随着腔 内功率密度增强到一定程度，双光子吸收将占主要地位，由此产生的大量 自由电子和空穴使得自由载流子吸收也变的越来越重要，因此，在分析 g a a s 被动调q 机理时，必须同时考虑这三种吸收过程的影响。 速率方程是分析调q 激光器运转特性的有效理论工具，在本论文的研 究工作中，我们针对不同的饱和吸收体，分别给出了描述其调q 运转机制 的速率方程，通过数值模拟，得到与实验结果相符的理论计算结果。 三本文的研究内容 本论文对掺钕新晶体n d ”：n a y ( w 0 4 ) 2 ( n d ：n y w ) 的激光特性进行了 全面系统的实验和理论研究，其目的是对n d ：n y w 晶体的激光性能做出了 全面、客观的评价。具体内容为： i 利用可调