（光学专业论文）主动锁模腔内倍频nd：yag绿光激光器的研究.pdf

摘要 连续n d ：y a g 绿光激光器和锁模n d ：y a g 绿光激光器广泛应用于生产，科研，通讯， 医疗，军事，娱乐等不同领域。本文全面阐述了n d ：y a g 绿光激光系统的理论。包括n d ： y a g 激光晶体的特性；光泵浦系统的工作原理及熟效应；光学谐振腔的热稳定性；光学二 次谐波产生的半经典理论；腔内倍频理论：倍频晶体k t p 的特性；激光主动锁模理论；锁 模脉冲的二次谐波产生理论等。在详细的理论分析的基础上，我们研制了一台连续氟弧光灯 泵浦的主动锁摸腔内倍频n d ：y a g 激光器采用全腔水冷却的方式有效降低了灯泵浦激光 系统热效应对激光工作状态的不利影响采用平行平面镜腔在热稳定腔分析的基础上，计 算得出了平平腔的稳定区，合理地选择了激光晶体和倍频晶体在腔内的位置。在锁模激光倍 频的实验中，考虑了锁模和二次谐波产生的相互制约因素指出锁模脉冲光谱展宽带来的群 速度失配可能是抑制谐波转换效率提高的主要因素。最终，我们得到连续波倍频绿光功率 4 8 w ，电一光转换效率o 2 ，锁模后倍频绿光平均功率6 w 。 本文提出了进一步提高倍频效率的可行性方案；在腔内增加反射镜改单程倍频为双程倍 频；在腔内增加偏撮片实现偏振匹配；采用非稳腔以减少相位失配等 关键词：n d ：y a g ；灯泵浦；热效应；二次谐波产生；k t p ；腔内倍频；主动锁模 t h e n 岫o u sn d ：y a gg r e e nl i g h tl a s e ra n dt h em o d e - l o c k i n gn d ：y a gg r e e nl i g h tl a s e r a r ec o m m o m l yu s e di nt h ef i c l do ft h ep r o d u c e ，r e s e a r c h ，c o m m u n i c a t i o n ，m e d i c a lt r e a t m e n t ， m i l i t a r ya f f a i r sa n de n t e r t a i n m e n t t h i sd i s s e r t a t i o ns y s t e m a t i cp r e s e n t e dt h et h e o r yo ft h en d ： y a gg r e e nl i g h tl a s e r , w h i c hi n c l u d e dt h ec h a r a c t e r i s t i co fn d ：y a gc r y s t a l ；t h ep r i n c i p l eo f o p t i c a lp u m ps y s t e ma n dt h e r m a le f f a c t s ；t h e r m a ls t a b 1 l t yo fo p t i c a lr e s o n a t o r ；t h eq u a s i - c l a s s i c a l t h e o r yo fs e c o n dh a r m o n i cg e n e r a t i o n ( s h g ) ；t h et h e o r yo fi n t r a - c a v i t yd o u b l ef r e q u e n c y ；t h e c h a r a c t e r i s t i co ft h eb i a x i a ln o n l i n e a rc r y s t a lk t p ；t h ep r i n c i p l eo fa c t i v em o d e l o c k i n gl a s e r ； t h e t h e o r y o f t h e s h g o f m o d e - l o c k i n g p u l s e i n t h i sd i s s e r t a t i o n ，w ed e v e l o p e da na c t i v em o d e - l o c k i n gi n t r a - c a v i t yd o u b l i n gn d ：y a g g r e e nl i g h tl a s e rp u m p e db yt h ec o n t i n u o n sk r y p t o nl a m p b yt h em c a l l so fa l lc o n d e n s e rc a v i t y w a t e rc o o l i n g ，w ee f f i c i e n t l yr e d u c c dt h ew o r s e n i n go ft h eq u a l i t yo fl a s e rw h i c hc a m ef r o mt h e t h e r m a le f f e c t so fl a m pp u m ps y s t e m o nt h eb a s i so fa n a l y s i so ft h e r m a ls t a b i l i t yr e s o n a t o r ，w e w o r k e do u tt h es t a b l ea r e ao ft h ep i a n o - p i a n oc a v i t yw h i c hh e l p e dd e c i d i n gt h eo p t i m u mp o s i t i o n s o ft h el a s e rc r y s t a la n dt h ed o u b l i n gc r y s t a l i nt h ee x p e r i m e n to fm o d e - l o c k i n gl a s e rs h g ，w e c o n s i d e r e dt h a tt h em o d e - l o o k i n ga n dt h es h gr e s t r i c t e de a c ho t h e ra n di n d i c a t e dt h a t t h eg r o u p v e l o c i t y m i s m a t c h ( g y m ) f r o m t h es p e c t r u m w i d e n i n g o f m o d e - l o o k i n g p u l s e w a s t h e m a i n r e a s o n w h i c ht o o kr e s p o n s i b i l i t yf o rt h er e s t r a i n to fs h gc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y w ef i n a l l ya c h i e v et h e 4 8 wo u t p u tp o w e ro fc o n t i n u o u s g r e e nt i g h t a t2 2 0 0 wi n p u te l e c t r i c a lp o w e r , w h o s e e l e c t r i c a l - t o - o p t i c a lc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yw a sa b o u to 2 ，a n d6 wo u l p u tp o w e ro fm o d e - l o c k i n g g l l ol i g h ta tt h es 阳t 艟m a x i m u mi n p u tp o w e r t h i sd i s s e r t a t i o na l s od i s c u s s e dt h ep r i 蛐i l i 哆o fr a s i n gs h gt h ec o n v e r s i o ne f f i c i e n t ： u s i n gt w o - p a s ss h gi n s t e a do fo n e - p a s ss h gb ya d d i n gr e f l e c t i n gm i r r o rt oc a v i t y ；r e a l i z i n g p o l a r i z e dm a t d d n gb ya d d i n gp o l a r o i ds b tt oc a v i t y ；u s i n gi n s t a b l er e s o n a t o rt ol o w e rp h a s e m i s m a t c h k e yw o r d s = n d ：y a g ，l a m pp u m p e d ，t h e r m a le f f e c t s ，s h qi n t t a - c a v i t yd o u b l ef l e q u e n c y a c t i v em o d e - l o o k i n g 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 读学位期问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：蒸聋叠指导教师签名：2 童塑2 要一 乃柚f 年彳月尸日弘炜月9 日 7 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 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：够许孕 2 0 0 f 年彳月9 曰 第一章绪论 1 1 n d ：y a g 简介 掺钕钇铝石榴石洲：y a e n c o d y m j 啪一d o p e d y t t r i u ma l u m i n u mg a m c o 是迄今使用最为广泛的固体激光工作物质。n d ：y a g 激光器最早由贝尔电话实验 室的g e u s i c i l l 等人在1 9 6 4 年开发成功。n d ：y a g 晶体由于其基质材料y a g 的高 硬度，光学质量好，热导率高，激活离子n d 3 + 与y a g 的组合具有近乎理想的四 能级结构，从而产生高增益，低阈值的激光作用，特别适合于连续和高重复率激 光系统的运用。经过4 0 多年的发展，材料科学与光学技术的结合已开发出适于 产生受激辐射放大的固体材料有上百种之多，以y a g 为基质的工作物质也不下 几十种，然而n d ：y a g 激光器在科研，工业，医疗，国防等不同领域依然占据 着不可替代的地位。 n d ：y a g 在室温下的荧光跃迁有2 0 多种，它们都集中在近红外波段。其中最 常见的是4 f 3 2 - + 4 i l l ，2 的1 0 6 4 乒m 波长和4 f 3 ，2 4 1 1 3 ，2 的1 3 3 z m 波长。在低温下， n d ：y a g 有另条重要跃迁4 f 搬，1 9 ，2 的0 9 4 6 衅m 波长。其中1 0 6 4 2 m 波长和 1 3 3 z m 都工作在四能级系统模式，并且前者具有最大的受激发射截面，是 n d ：y a g 激光器典型的共振输出波长。n d ：y a g 激光器是一种理想的红外辐射源， 在科学研究中，倍频技术与n d ：y a g 振荡源相结合已成为获得绿色，红色和蓝色 可见光相干辐射的有效手段 1 2n d ：y a g 激光器倍频获得绿光 二次谐波产生，也叫光学倍频效应，是最早发现的一种非线性光学现象。1 9 6 1 年，美国密支安大学的蛐c 【2 】等人将一束液长为0 6 9 4 m m 的红宝石激光聚焦 到石英晶体上，并使用棱镜对透射光进行了光谱分离，发现其中包含了波长为 0 3 4 7 胂的紫外辐射，虽然这时的谐波转换效率只有1 0 - 8 ，但这一经典实验开 创了光波频率转换的新技术，也开创了非线性光学这一新的学科领域。从此，人 们相继获得了c 0 2 ，a r + ，染料等激光的二次谐波输出。1 9 8 0 年代之前，实用的 倍频晶体主要有k e l p ，l i n b 0 3 ，l i l 0 3 ，b n n 等，由于这些晶体有效非线性系数的 限制，这时的倍频效率一直是很低的。1 9 6 5 年，s m i t h 3 等人对n d ：y a g 激光 器最早的二次谐波产生实验采用l i f 0 3 作为倍频晶体。实验只获得了5 0 0 m w 的绿光功率。1 9 6 8 年，据g b 惦i 等人的报道，他们采用b n n 晶体，腔内倍频 产生了1 1 w 的连续绿光，效率为1 0 0 。1 9 7 6 年，美国杜邦公司率先研制成功 非线性晶体一一钛氧磷酸钾( k t p ) 。k t p 晶体具有非线性系数大( 是k d p 晶体 的2 1 5 倍) ，破坏阈值高，不潮解，折射率温度系数低和易于实现最佳相位匹配 的优点，很快成为理想的y a g 激光倍频晶体。在上世纪九十年代以前，天津大 学的姚建铨【5 l 等人采用准连续泵浦方式，通过n d ：y a g 的内腔倍频，获得了3 4 w 的多模绿光输出，这是当时k t p 倍频领域研究的世界领先水平。p e k e r k i n s f 6 l 在1 9 8 7 年获得2 0 瓦的准连续输出。1 9 9 6 天津大学的胡国绛等1 7 利用四镜折叠腔 和调q 技术获得了3 2 瓦的准连续的绿光输出。1 9 9 4t e t s u ok 0 j i l n a 【8 荆用三镜折 叠腔获得2 4 瓦的连续绿光输出。 k t p , b b o ，l b o 等优质的非线性晶体的出现，加上各种提高转换效率的腔型 设计，使输出连续瓦级绿光的激光器已经商品化。以下领域中，这类激光器正发 挥着使用价值： 1 在医疗，通讯，存储，信息高速公路及广告，娱乐业中的应用。 2 在激光测距，制导，光电对抗，潜卫通讯等军事领域的应用。 3 用绿光激光器泵浦钛宝石，产生飞秒激光，研究超快现象。 4 用于光参量振荡器的泵浦源，进行非线性光学研究。 锁模( m o d e - - l o c k i n g ) 是继调q 技术以后又一种可以压缩激光脉冲宽度， 提高峰值功率的腔调制技术。1 9 6 4 年，h a 增m c 1 9 谰腔内声光调制器在h c n e 激光器上首次实现了激光的主动锁模运转，脉冲宽度为n s 量级。随后，各种不 同的工作物质，红宝石，钕玻璃，染料，准分子和半导体都实现了锁模。锁模的 方式也发展出主动锁模，自锁模，被动锁模，联合锁模等多种类型。n d ：y a g 中 的n d 3 + 拥有足以支持锁模的带宽，最早的n d ：y a g 激光锁模是由d i d o m e n i c o 1 0 等人在1 9 6 6 年实现的。镬模n d ：y a g 激光器的脉冲宽度可以窄至几十皮秒的量 级，峰值功率达到兆瓦量级，以这样的高峰值功率基频光进行二次谐波产生实验， 倍频效率将显著提高。高峰值功率的皮秒绿光在激光探测，激光医疗，非线性光 谱学等领域有广泛的应用。 1 3 灯泵浦n d ：y a g 激光器 钨卤白炽灯，水银灯和惰性气体放电灯泵浦是对n d ：y a g 较早使用的抽运方 式。连续氪弧光灯和氤灯能够发射线状近红外光谱，特别是，n d ：y a g 对氪的两 条最强发射谱线( 7 6 0 r i m 和8 1 1 r i m ) 有很强的吸收，所以对于连续工作的n d ：y a g 激光器曾普遍采用氪弧光灯作为泵浦源。近2 0 年来，随着半导体激光器的逐渐 成熟，l d 逐渐成为固体激光器最有效的泵浦方式，激光二极管已在所有小功率 固体激光器的泵清中取得垄断地位，但是在1 0 w 以上的大功率系统中，连续弧 光灯和闪光灯依然是首选的泵涌光源。 灯泵浦的优势主要是： 1 l d 到目前为止依然存在价格昂贵，调试复杂的不足，相比之下，灯泵浦方式 价格更低廉，技术更成熟。 2 连续弧光灯和闪光灯的侧面泵浦方式能够支持更大尺寸的激光晶体，有利于 获得更大功率的激光输出。在激光打标，激光焊接，激光切割等需要大功率运转 而对光束质量要求不高的场合，灯泵浦是首选的抽运方式。 3 在某些特定的场合，灯泵浦方式可以提供更理想的激光模式。例如对于锁模 倍频的情况，由于灯泵浦支持更大的晶体尺寸，可以选择更长的谐振腔长，这有 利于锁模和减小光束发散角，从而使倍频效率更高。 在工业界，旨在提高灯泵浦系统转换效率，改善模式质量的研究依然活跃： 特殊材料的聚光腔设计，新型的冷却循环和结构设计，以及激光棒的高品质加工； 与灯泵浦方式有关的激光系统热效应，光学混沌等现象依然吸引着学术研究的兴 趣。 连续氪弧光灯泵浦方式带来的热效应是一个无法回避的问题。其中激光棒的 折射率不均匀性导致的热透镜效应最为突出。首先，它使得谐振腔的稳定性成为 与泵浦功率有关的动态量，其次，热焦点在空间的运动使得倍频晶体在腔内的最 佳位置也变得不确定。对予高功率灯泵浦的固体激光器，人们引入了动态熟稳定 腔的概念【1 1 】，即将激光介质等效为一个焦距随泵浦功率变化的热透镜，使得输出 激光参数在一定的泵浦水平内保持不变或变化甚小即“极值”意义下的稳定。 1 4 本文的主要内容 我们开展了连续氪灯泵浦主动锁模腔内倍频n d ：y a g 绿光激光器的研制工 3 作。本文全面阐述了这台激光器设计，调试，优化的理论依据和实验结果。本文 第二章介绍自由运转的n d ：y a g 激光器的基本结构，对n d ：y a g 激光晶体和氪 弧光灯之间的光谱匹配做了定性说明；详细分析了激光晶体的热效应及其对谐振 腔稳定性的影响，介绍了我们采用的冷却方式和谐振腔的选择方案。第三章以二 次谐波产生的半经典理论和a y a 由【1 2 】的单程腔内倍频理论为基础，介绍对连续 运转n d ：y a g 激光器的倍频实验。第四章分析了锁模激光器的工作特性，主动振 幅调制锁模的原理；锁模n d ：y a g 激光器二次谐波产生的相关分析方法及锁模倍 频的实验结果。第五章是总结和展望 断i a m p f i g 1 1n d ：y a g 激光系统结构 4 第二章自由运转的n d ：y a g 激光器的 基本结构 在室温下，连续氪弧光灯泵浦豹n d ：y a g 激光器在自由运转状况时可输出波 长1 0 6 4 n m 或1 3 3 v m ( 较难实现) 的连续红外辐射。它由工作物质掺钕钇铝石 榴石晶体；泵浦系统；光学谐振腔以及冷却系统四部分组成。 第一节掺钕钇铝石榴石晶体 2 1 1 n d ：y a g 的晶体结构和物理化学性质 以钇铝石榴石晶体( y a g ) 为基质材料，掺入适量的三价稀土离子n d 3 + , 便 构成了淡紫色的掺钕钇铝石榴石晶体( n d ：y a g ) 。一般掺杂浓度用晶格上n d 原 子百分比表示时约为1 ，即在i 0 0 个钇离子中有一个被钕离子所取代。其化学 组成分为y 3 一o 0 3 n d o 0 3 a i s 0 1 2 ，按上述含钕量，钕离子密度n t o 产1 3 8 6 x 1 0 2 0 c m 。 n d ：y a g 通常采用提拉法生长，生长速度缓慢，一般为o 5 1 毫米小时。 n d ：y a g 晶体的物理化学性质基本上取决于y a g 单晶，它是一种硬度很大 的晶体，光学各相同性，室温下对波长1 微米的红外光折射率n = 1 8 2 。y a g 晶 体还具有优良的热物理性能，这对连续工作和高重复率工作的激光系统是非常有 利的。 2 1 2 能级结构和光谱特性【”】 n d ：y a g 晶体中的激活例离子n d 3 + ，其外层的电子组态为4 ，3 5 s 2 5 p 6 ，其中 4 ，壳层未填满，其他都是满壳层。未满壳层的三个电子可以处于不同的运动状 态，结果形成一系列的能级，其中2 l 渤+ g 7 f 2 + 4 g 蚍，4 g 5 肘2 g 犯，4 + 4 s 3 a ， 饥，2 - i 2 h g a 以及4 f 拓能态相对于基态是为激发态。在这些激发态当中，处于4 f 扔 能态的n d 3 + 离子的寿命较长，而称为亚稳态能级。对于不同波长的辐射跃迁，4 i l 她， 4 1 1 m ，4 1 9 ，2 等都可以作为终态能级。 5 l i i 一 l - 一一。 11 1 一 i l i t il _ n l - i - - ii _ 一1 1 。 一一、- _ = 目一 04 “i i , 60 11 1 hl lq f j 9 2 1n d ：w 在3 0 0 1 ( 温度时的暇收光谱 与上述各激发态对应的吸收光谱如图2 1 所示。由图可以看出，在波长大于 4 0 0 r i m 的范围内，主要有五个光谱吸收带，中心波长分别在5 2 5 n m ，5 8 5 n m ， 7 5 0 r i m ，8 1 0 r i m ，8 7 0 r i m 附近，每个带宽约3 0 n m ，其中以7 5 0 r i m ，8 1 0 r i m 为中心 的两个吸收带最为重要。 在光泵激励下，处于基态的大量n 矗3 + 离子获得相应的能量后，跃迂到上述 吸收带的各个能级，但由于在这些能级上的离子很不稳定，便很快地驰豫到亚稳 态能级4 f 3 ，2 ，4 f 轨能级上的离子平均寿命较长，约为2 0 0 微秒，使激活离子得以 积聚。在实现4 f 3 ，2 _ 4 1 9 ，2 ， 乜，2 一1 1 l ，2 ， 4 f 3 ，2 4 1 1 3 ，2能级间的跃迁时， 产生o 9 4 6 ，1 0 6 和1 3 5 微米附近的三条主要荧光谱线。到达终态能级4 1 1 1 ，2 ， 4 1 1 3 2 的离子很不稳定( 平均寿命。1 0 - 9 秒) 很快地驰豫到基态。三条主要荧光 线的分支比【1 4 1 ：4 f 3 2 + i 吮0 2 5 ，4 f 娩一i i l 屉0 6 0 ，4 嘞一i l 批0 1 4 ，其中以1 0 6 微米的荧光谱线最强。 f i 9 2 2 在3 0 0 时，n d ：y a g 在1 0 6 4 n m 区域的荧光光谱 虽然4 f 啦与4 i n a ， 4 1 1 3 2 能级可以同时实现粒子数反转，但由于这两组 6 跃迁具有相同的上能级，在激光振荡的形成过程中，会发生粒子数的竞争，而 1 0 6 微米的跃迁几率较大，f j 2 - + 4 1 1 1 ，2 能级之间的跃迁易于占优势，进而抑制了 4 f 轨1 1 3 2 能级之间的跃迁，所以n d ：y a g 激光器通常只产生1 0 6 微米波长 的振荡只有在谐振腔中插入标准具或是色散棱镜，或以特殊设计的谐振腔反射 镜作为输出镜l 捌，或以镀有高度选择性介质膜的反射镜，也可以获得其他波长 的跃迁。 卫一一“三三圣嚣 啦2 3n d ：y a g 的能级图 n d ：y a g 晶体的荧光量子效率很高，一般大于0 9 9 5 。激光跃迁的上能级的平 均寿命t 2 1 约为2 3 0 微秒，受激发射截面= 6 5 x1 0 - 1 9 c m 2 。n d ：y a g 晶体的荧 光线宽主要是热增宽，室温下大约是6 5 锄一1 。 第二节泵浦系统 2 2 1 泵漓光源 在固体激光工作物质中，粒子数的反转分布一般是由光泵抽运来实现的。从 供给光源的电能到激光振荡产生的光能，能量要经过几个环节的转换，每个环节 都有部分能量损失，因而总的抽运效率可以表示为： 叩p - ，扎叩tx 叩曲 式中：叩工为光源的辐射效率，是指光源把电能转换为整个光谱范围内辐射光能 的效率，它和光源的种类，质量有关；r 。为泵浦腔的传输效率，是指实际照射到 1 工作物质上的光能与光源辐射能的比，它和泵消腔的结构，质量有关；叩曲为工 作物质的吸收效率，是指与工作物质吸收带相对应的那一部分能量与照射能量的 比，它取决于光源的辐射特性和工作物质的吸收光谱强度；为荧光量子效率， 它表示最终转化为激光辐射的能量与工作物质吸收带获得能量之比。激光器通常 利用部分反射镜将一部分振荡能量耦合输出到腔外，成为有效输出，输出镜透过 率表示为t ，则整个激光系统的能量转换效率为： r t 柙，t 灯输入电能1 0 0 d 细i i 一 有效耦合输出 上上t 忡耗i 旧徽ii i 棒有效吸收，。ri 激光跃迁能级吸收6 0 j 峰耗il。 非激尧跃迁 j l 棒熟损耗i 能级的吸收 lj l 其它腔损耗 f i 9 2 4 灯泵浦激光系统的的能量转换过程 2 2 2 连续氮弧光灯的工作原理 弧光放电是呈现弧状自光并产生高温的气体放电现象。无论在稀薄气体，金 属蒸汽或大气中，当电源的功率较大，能提供足够大的电流( 几安到几十安) ， 使气体击穿，发出强烈辉光，产生高温( 几千到上万度) ，这种气体自持放电的 形式就是弧光放电。通常产生弧光放电的方法是使两电极接触后随即分开，因短 路而发热，使阴极表面温度陡增，产生热电子发射。热电子发射使碰撞电离及阴 极的二次电予发射急剧增加。从而使两极问的气体具有良好的导电性。弧光放电 的特征是电压不高，电流增大时两极间电压反而下降，有强烈光辉。 将惰性气体( 氙或氮等) 封装在熔融石英管中，并与电极相联，可以工作 在稳定的弧光放电状态，也可以工作在脉冲放电状态，前者叫做连续弧光灯，而 艇d ! 剖 。 罡妻i 塑- i 赫! ! i mo = = 一”孙铷舻 工_ 一一一4 0 托五上i f i g2 , 6 连续氟弧光灯的发射光谱 氙气，分为连续弧光灯和闪光灯两种。前者工作于稳定弧光放电状态，而后者的 工作处在一个随时间剧烈变化的过程中。一般来说，惰性气体放电灯的发射光谱 由线状光谱的连续光谱复合而成。线状辐射对应着气体原子和离子束缚能态之间 的离散跃迁：连续光谱主要包括两个部分；一是由气体离子俘获电子后转变到束 缚态时发出的复合辐射，二是在与离子碰撞中加速的电子的轫致辐射。通常，连 续辐射和线状辐射的相对含量依赖于放电的电流密度，气体的种类和气压。当放 电的电流密度增大，或所充气体原子量大，电离电位低，或气压增加，都将导致 连续谱成分的增加，谱线加宽，总辐射能量增大。氙原子的原子量比氪原予的原 子量大，每次碰撞的平均能量转移也多，同时氙原子的电离电位低，因而电离度 大，在相同的气压和放电条件下，氙灯的连续谱成分比氪灯高，辐射转换效率更 高。但就n d ：y a g 激光工作物质而言，连续氪弧光灯更适合组作为其泵浦光源， 原因是，氙红外线光谱与n d ：y a g 的泵浦带都不匹配，这些泵浦带是0 7 3 - 4 3 7 6 微米，o 7 9 - 0 8 2 微米，0 8 6 4 ) 8 9 微米，0 5 7 , - 0 6 0 微米。而n d ：y a g 对氪的两条 最强发射谱线( 7 6 0 纳米，8 1 1 纳米) 有很强的吸收。在输入功率相同时，氪弧 光灯泵浦激光器的输出功率大约是氤弧光灯的两倍i ”】。全面的比较表明，对于 n d ：y a g 激光器的低峰值功率密度泵浦，氪闪光灯的效率比氤灯高；而在高峰值 功率密度泵浦时，氟灯和氙灯的效率是相近的，此时，氙的连续光谱比氪的线状 光谱更有效 1 7 2 0 i 。 2 2 4 泵浦腔 固体激光器中，泵浦腔的作用在于将泵浦光源的辐射能量最大限度的传输到工 作物质上去，并满足一定均匀性的要求。l d 泵浦激光器中，激光二极管可以发 射模式，即方向性足够好的窄带光束，并通过端面耦合进入激光介质，而可能不 再需要泵浦腔；但对于宽带泵浦光源连续弧光灯和闪光灯等由泵浦腔提 供足够的机，是保证激光器正常工作的重要条件。 泵浦腔通常是一个空心的封闭几何形体，光源和工作物质包藏其中，其内表 面是高反射镜面或漫反射面。泵浦腔的传输性能在一定程度上影响激光嚣的总体 效率。 f i 9 2 7 单椭圆腔的横截面 常见的泵清腔结构有椭圆柱腔，圆柱腔，椭球腔和球形腔等。椭圆柱腔具有较高 的传输效率，在小型激光器中是最普遍的腔型。椭圆柱泵浦腔阻锄】的反射面 与腔的横截面的交线是一个椭圆，它有两个焦点f 。和f 2 ，根据椭圆的几何成像 原理可知：从椭圆的一个焦点发出的光线经椭圆的反射后，将汇聚到另一个焦点 上，在椭圆柱的轴线方向上，将各横截面内的焦点连接起来，便可以得到两个互 相平行的焦线只，f 1 ”和e 巧。直线管状灯和激光棒分别放在这两条焦线上，泵 灯发射的光线经椭圆反射面的一次反射后即可大部分会聚到激光棒上去。这种基 于椭圆截面上成像原理的泵浦方式称为“焦上泵浦”。由于泵灯具有一定的横截 面，焦外各点的成像将产生相差，使像弥散，聚光效率降低。为了减小相差，提 高聚光效率，椭圆柱要有较大的横向尺寸。单椭圆柱的单灯泵浦的情况，在激光 棒横截面中的光照一般是不均匀的，即不是旋转对称的，严重时会引起光学畸变。 f i 9 2 8 泵浦腔几何光路 另外，单灯泵浦受一支灯能量负载的限制，使激光输出能量不会太高。若要求激 光器有较高的能量输出与较好的均匀性，可采用多灯泵浦单根激光棒的方式。 在泵浦腔中，传输到激光棒上去的泵浦能量与光源总的辐射能量之比，称为泵 浦腔的能量传输效率，可以表示为 叩c 。t 7 f 。k ( 2 2 1 ) 式中- 是基于几何关系的传输系数，它决定于光源辐射光线直接或经泵浦腔 的反射到达激光棒上的那一部分光线数所占的比例；，7 。代表腔的光学效率，它 主要包括泵浦系统中的反射，散射，吸收等损耗的影响，可简单表示为 r 。= r ( 1 - - r r ) ( 1 一aj(1-f)(2-2-2) 式中，r 为泵浦腔的反射面在激活吸收光谱上的反射率；r r 为激光棒表面或冷却 套管玻璃表面的反射率；为光学介质( 如隔层，滤光片，冷却液等) 的吸收率； f 为腔的非反射表面( 如开孔等) 和总的内表面之比。以上是基于一次反射的表 达式。 1 o 蒜0 6 摄0 4 髯0 2 o 1 u 。2 0 。30 5 7 t ，1 f i 9 2 9 椭圆杜腔的会聚效率与正r 讲的关系 根据几何成像原理，在椭圆截面上任一点p 处的一小部分区域，将弧光灯成像在 激光棒的方，其放大率等于k ，毛。k 是像距，屯是物距。由于椭圆腔是不完 善的成像系统，在椭圆各个不同点上反射成像的放大率都不相同，而造成灯像的 畸变和弥散，根据这一放大率的差异，来决定灯辐射的光线有多少被激光棒所截 获，即可决定椭圆柱泵浦腔的效率矸。 根据几何关系可知，灯的内径d 。经椭圆上任一点p 处反射后，所成像的直径将 等于丸k i l 。那么，激光棒所能收集到的泵浦光线分数应等于棒直径与灯像直 j， 径之比，即挚。但无论在椭圆上哪一点的反射，激光棒所收集到的光线不会 # e 刘稻射盯光线数多。凼而，对于彤厩翔儇且毪比稃真，俭小阴椭圆区域，始终取 孕善= 1 。显然，这一部分椭圆区域位于靠近激光棒的那一边；而形成灯像直 4 lf 矗 t 一一a 一区x 域，在靠近灯的一边，这一区域内血d l 乏 d 。很多时，虽然激光棒收 集到的光线增多，但因为激光棒外部区域的光线密度较低，当泵浦光的能量密度 不足以产生激光时，孕值的增大就毫无意义。所以过分的增大争，对提高传输 矗l 吼 效率贡献不大。 泵浦腔的反射内表面有高反射和漫反射两种类型。前者具有更高的传输效 率，而后者可以提供更加均匀的泵浦光场，降低工作物质温度不均匀性造成的光 束质量变差。 在我们设计的n d ：y a g 激光器中，采用了单椭圆柱泵浦腔，椭圆偏心率e = 0 4 4 。内反射面为镀金高反射面，可以提供较高的传输效率。根据我们的泵浦 j _ _ 。_ _ 。_ 。_ 。_ 。_ _ 。一 腔参数：椭圆半长轴口= 3 0 r a m ，半短轴b = 2 7 m m ，c - 口2 一b 2 = 1 3 r a m ， p = c a = 0 4 4 ；和泵浦灯及激光棒参数：d = 4 m m ，d l = 3 8 m m ， 争一1 0 5 ，通过式( 2 2 6 ) 到( 2 2 9 ) 四式。可以算得，7 品2 6 8 。 第三节热效应和冷却系统 2 3 1 热效应概述 在光泵浦过程中，无论是连续弧光灯还是闪光灯作为泵浦源，都只有小部分 辐射能量转化为激光输出，其余大部分能量转化为热损耗。这些热损耗产生的机 制可以归结为：( 1 ) 泵浦带与激光上能级之间的光子能差以热的方式散逸到基质 晶格中，造成量子亏损发热；下能级与基态之间的能量差转化为热能；( 2 ) 因为 激光跃迁的荧光过程的量子效率小于1 ，所以除了产生激光能量之外，其余的能 量由于激光猝灭而产生热；( 3 ) 弧光灯和闪光灯的光谱分布宽，其中只有少部分 与工作物质的泵浦带相匹配，其余光谱波段的辐射能量被工作物质吸收而产生 热。上述原因将导致激光晶体整体温度升高和不均匀的温度分布，前者带来荧光 谱线加宽，自发辐射寿命缩短，从而使得能量转换效率降低，阈值升高，严重时 产生“温度猝灭”现象；后者引起热透镜效应和热应力双折射等，以上现象都 会直接影响激光工作物质的光学性能。 为了降低热效应的不利影响，最直接可行的措施就是对激光晶体持续的冷却 以降低它的整体温度。然而冷却并不能消除晶体内温度分布不均匀造成的各种效 应，所以需要详细分析激光晶体内的温度分布特征和各种相关效应。对于我们所 采用的连续氪弧光灯，激光晶体在泵浦和冷却过程达到平衡的情况下，其空间各 点的温度分布不随时间变化。 2 3 2 激光棒内的温度分布 假设激光棒被均匀泵浦( 即内部受热均匀) ，棒周围散热情况相同，激光棒 长径比较大，从而忽略冷却介质沿棒轴方向的微小温度变化，可以认为热量主要 是沿着棒的径向传播的，在稳定情况下，可以用热传导方程 窑d r + 塑d r + 垒k o z r 求解棒内径向温度分布。式中：k 为激光棒的热导率；q 为单位时间内单位体积 产生的热量；r 为径向任意一点到棒轴的距离。方程的边界条件为r = r 0 时，由冷 却条件决定的棒表面温度为t ( r 0 ) ，r o 激光棒的半径。由此解得激光棒的径向温度 分布为【1 3 】： t ( o 。t ( r o ) + 旦4 k ( r 2 0 r 2 ) ( 2 3 2 ) 棒内温度沿径向的变化为一个抛物线型。棒中心的温度高，而且不同r 值处的等 温面均为同轴柱面。垂直棒轴的截面内的等温线是一组同心圆。棒内的温度梯度 与棒表面温度无关。q 值可以表示为： q=叩凡九右f(2-3-3) 式中：为泵浦输入功率；”为棒耗散光功率的百分数；l 为棒长。棒中心与棒 表面的温度差为 t ( o ) 一t ( r ) 跏p 缸，缸k l ( 2 3 4 ) 激光棒内耗散的大量热能，要由冷却介质带走，冷却介质与棒表面必有温差。达 1 6 到热平衡的条件是，棒内耗散的热能应等于冷却介质带走的热能，即 p - - - q p m = 2 z 盯o m t ( r o ) 一t f 】 式中h 为表面热传递系数；t f 为冷却介质温度。若以f = 2 r c r o l 表示激光棒的柱表 面的面积，则 t ( r o ) - t i ：= p df n ， 由( 2 3 4 ) 和( 2 3 6 ) 可解出棒中心的温度为 t ( o ) _ t f + p a ( 面1 + 丽1 ) “伴帕中桎r r 。 f i 9 2 1 1n d ：y a g 晶体的径向温度分布与棒半径的关系 2 3 3 激光棒中的热应力 激光棒中的热应力产生的主要原因是由于棒内径向存在不均匀的温度分布， 较热的内层材料和较冷的外层材料相互制约产生机械应力。若棒内温度梯度很 大，致使热应力值超过此种材料的机械强度极限，激光棒就会产生裂纹甚至完全 碎裂。 根据热弹性理论，具有自由端的各向同性激光棒在无其它外力的作用下，其热应 力的径向，切向和轴向分量分别为： q 一啬弦t ( ，胁专如胁】 1 7 。啬陆r t ( ，胁+ 专卢( ，胁一t ( r ) 】 妒鲁雕t c r 胁_ t ( r ) 】 式中a 为热膨胀系数；e 为杨氏模量；，为泊松比。 将式( 2 - - 3 - - 2 ) 代入上式，则得 q i 石南( ，2 一右) ；r ( r 2 一寺) 仃，2i 石函( 3 r 2 一学) - r ( 3 r 2 一名) 妒悬( 2 r 2 一疗) | 2 r 陋曙) 式中，f = a r 1 1 2 1 6 k ( 1 一，) 。公式( 2 3 9 ) 中的各应力分量盯，盯。，盯：为 正时，表示材料的拉伸应力；为负时，表示材料的压应力。棒内沿半径方向各点 的应力分布与半径之间为抛物线关系。棒中心总是压应力。在棒表面，径向应力 q 为0 ，切向应力巳和轴向应力o r ：为拉伸应力。 对于n d ：y a g 晶体，其抗拉强度极限约为1 8 0 0 2 1 0 0 千克厘米2 。一般允 许材料工作于上述数值的7 5 处。 f i 9 2 1 2 激光棒中的热应力分量与捧半径的关系 2 3 4 激光棒的热透镜效应 热透镜效应是由激光棒内的热不均匀分布( 热梯度) 与热应变光弹性引起的 折射率不均匀变化形成。棒内折射率的空间分布可以表示为【1 3 】 n ( ，) - n ( 0 ) + 缸( r k + ，z ( ，) i 式中：社p ) 为棒内折射率沿径向的分布；厅( 0 ) 为棒中心的折射率；血( r l 为不 均匀的温度分布引起的折射率变化；血( r l 为热应变光弹性引起的折射率变化。 热不均匀温度分布引起棒内折射率沿径向的变化知( r l 可表示为 血( r ) r = 铲d nw 罚d r ) 一删 ( 2 3 _ 2 8 ) 式中，j d n i 为折射率温度系数，对于n d ：y a g ，黑= 7 3 1 0 6 ，度。将( 2 - - 3 口口 - - 2 ) ，( 2 3 3 ) ，( 2 3 4 ) 式代入( 2 3 9 ) 式，得到 血( r ) r ：一旦塑，： 正kd t 根据式( 2 3 2 0 ) 和( 2 3 2 1 ) ，并把血，和血。统一写成 觚( r ) 。一魄，- ：詈c 。r 2 将( 2 - - 3 - - 2 9 ) 和( 2 - - 3 - - 3 0 ) 式代入得出 n ( ，) tn ( 0 ) 一i q k d d r nr 2 1 o 堕kc ，。r 2 ( 2 3 2 9 ) 上式表示存在热效应情况下，激光棒内径向任意一点处的折射率分布。因为棒中 心处的折射率n ( o ) 为 n ( 0 ) - = - r t 0 + 鲁防( 0 ) 一如h( 等t 1 ) ( 2 3 - 3 2 ) 日d i 式中犯。为冷棒的折射率，毛为室温；r ( 0 ) 为棒中心温度。故式( 2 3 3 1 ) 可 变为 枷咄【1 - 最( 峨，什十帮】 式中，b 称为热透镜效应系数，由上式可见，激光棒由于热效应其折射率沿径 向呈抛物线分布。在也值较小，棒长较短时，激光束通过这种热不均匀介质的 情况与通过透镜的情况十分相似。所以这种效应常被称为热透镜效应。其热焦距 表示为 。面1 或 = 墨q l f 三2 堕d t + 葩汀 ( 2 3 3 4 ) 上式所表示的热焦距包含有热致双折射的影响，对沿径向偏振和切向偏振的光波 具有不同的焦距值，又称双焦距效应。 激光棒除了因温度的不均匀分布及热应变光弹性引起的热透镜效应外，还又一种 所谓端面效应也影响激光棒的热焦距。端面效应不是由于整根棒的膨胀不均匀， 而是端面附近局部区域发生的长度变化造成的。这个变化区域中心长度近似等 于棒的半径其棒端面的长度变化量为 a ( r ) = a 。l 。i t ( r ) 一r ( o ) 】 ( 2 3 3 6 ) 式中为棒端面效应区域的长度；为膨胀系数。将( 2 3 2 ) 和( 2 3 4 ) 式 的结果代入上式，有： ，r ) = - g 0 ，o 譬 由上式可见，因端面效应棒端面由平面变为抛物面。当激光棒半径较小时，抛物 面可近似为一个球面。该球面是以处抛物面的瞌率半径为半径。根据几何关系， r 的大小为： r 。2 k o r o o 端面效应形成的端面形交的等效焦距，按几何光学薄透镜公式确定 ，”一r 2 ( n 。一1 ) - k k q r o ( n 。一1 汁1 利用薄透镜组合焦距公式将( 2 - - 3 - - 3 5 ) 焦距组合，得出激光棒的综合热透镜焦距为： ，嘲k 2 i _ + d n 厅+ 掣r 鲁f 三2 鱼d t “嵋，+ 划l1 “概i ” i ( 2 3 - - 3 9 ) 和( 2 3 3 9 ) 所求出的热 ( 2 3 4 0 ) 如果将n d ：y a g 的有关参数代入上式，就会发现，热不均匀分布引起的热透镜 效应起主要作用。热透镜光弹性引起的热透镜效应约占加，而端面效应引起 的弯曲影响小余6 。式( 2 3 4 j d ) 粗略的提供了一个热焦距与激光棒尺寸 ( r o f ) ，输入功率圪，热转换系数r 以及激光材料的物理参数之间的定量关