（光学专业论文）nd：yvo_4小型固体激光器.pdf

学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，水论文不包含其他个人已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：隧u 期： 学位论文使用授权声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留 学位论文并向国家丰管部门或其指定机构送交沦文的电子版和纸质版。有权将 学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权 将学位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇 编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者龇际魂 日期：坦! 点! ； 名：矽 懈塑堑箩桫 中文摘要 中文摘要 激光二极管泵浦的固态激光器被称作：全固态激光器。由于其具有高效、稳 定性好、结构简单等特点，被j “泛应用丁：军枣、医学和科研一l 一。在本论文t 1 1 我 们着重讨论了激光二极管泵浦的n d ：y v 0 4 连续激光器和以c r ：y a g 为可饱和吸 收体的被动调q 激光器，对a 切和4 5 。切割的n d ：y v 0 4 晶体的激光特性进行了 详细的比较。 主要内容如下 i 概述了l d 泵浦固体激光器的发展历史和现状，包括l d 泵浦技术和l d 泵浦激光器的特点。比较详细的介绍了常见的n d 和c r 离子激光材料，特别是 给出了几种广泛使用的n d 离子晶体的参数。 2 我们通过实验比较了a 切割和4 5 0 切割n d ：y v 0 4 品体的连续激光器，发现 4 5 0 切割的晶体作为增益介质在激光器连续运转的时候，具有某些a 切晶体的特 性。4 5 。切割的晶体和a 切割晶体的激光器都具有较低的泵浦阕值，大约都在2 0 m w 。a 切晶体对应的连续激光器的斜率效率约为4 2 ，4 5 0 切割的约为3 5 。 而且，4 5 。切割晶体激光器出射的激光是线偏振的。 3 在本论文中，我们还比较了两种晶体的使用c r ：y a g 被动调q 的激光器 的特性，发现此时4 5 0 切割的晶体却表现出c 切晶体的一些特点。实验证明，相 对于a 切晶体来说， 4 5 0 离轴切割n d ：y v 0 4 比a 切晶体更适合被动调q 运转， 能够很方便的获得高峰值功率、窄脉宽的激光输出。在被动调q 运转状态下，a 切与4 5 。切割晶体激光对应的斜率效率分别为l i 3 与8 5 。对于4 5 。切割的晶 体，在1 3 4 0m w 的l d 泵浦功率下，我们可以获得峰值功率为1 5k w 、重复频 率为1 1 1k h z 、脉宽为3 9 1 1 s 的脉冲。另外，我们还发现4 5 0 切割n d ：y v 0 4 被动 调0 激光器处于单纵模运转状态。 4 通过对实验进行分析，我们认为4 5 。切割的晶体表现出同时具有a 切和c 切晶体的部分特性是因为晶体内部兀和口偏振的受激辐射相互竞争的结果。在所 知的范围内，本论文笫一次对a 切和4 5 。切割的晶体进行了详尽的比较；结合文 川 中文摘要 献，可以证实4 5 0 切割的晶体是一种介- j 二a 切和c 切之间的晶体i 进而，提示我 们可以通过改变n d ：y v 0 4 晶体的切割角度来控制被动调q 激光器的输出参数。 本论文的结构如下：第一章巾，我们主要介绍了d p s l ( d i o d el a s e rp u m p e d s o l i d s t a t el a s e r ) 背景知识以及一些n d 和c r 离子品体。第二章中，主要描述了 两种晶体的连续运转激光器。第三章中，着重比较了两种晶体在被动调q 运转 状态下的特性差异。第四章对全文做了总结。 关键词：n d ：y v 0 4 ，a 切割，离轴切割，c r 4 + ：y a g ，q 开关 i v 英文摘要( a b s t r a c t ) a b s t r a c t l a s e r - 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 ( d p s l ) a r en a m e da l l s o l i d s t a t el a s e r s d u et ot h e i r a d v a n t a g e o n sp r o p e r t i e s s u c ha s h i g he f f i c i e n c y , h i g hs t a b i l i t y , c o m p a c t n e s s ，a n de t c ，t h o s el a s e r sh a v eb e e nw i d e l yu s e df o rm a n ya p p l i c a t i o n si n m i l i t a r y , m e d i c i n ea n ds c i e n t i f i cf i e l d s t h i sd i s s e r t a t i o ni sc o n c e m e do nl a s e rd i o d e ( l d ) e n d p u m p e dc o n t i n u o u sw a v e ( c w ) a n dq s w i s h e dn d ：y v 0 4l a s e rw i t h c r 4 + ：y a ga st h ei n t r a c a v i t ys a t u r a b l ea b s o r b e f t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s 1 ab r i e fi n t r o d u c t i o nt od p s l t h ed e v e l o p m e n ta n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f d p s lw e r es u m m a r i z e d a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fn da n dc ri o n sl a s e rm a t e r i a l s w e r ed e s c r i b e di nd e t a i l ；e s p e c i a l l y ，s o m ek e yp a r a m e t e r so fs e v e r a lc o m m o n l yu s e d n di o nc r y s t a l sw e r ea l s ol i s t e d 2 t h el a s e rp r o p e r t yc o m p a r i s o no fo f f - a x i a l l y c u ta n da - c u tn d ：y v 0 4l a s e r si n t h ec wo p e r a t i o nd o m a i n w ee x p e r i m e n t a l l yf o u n dt h eo f f - a x i a l l y - c u tc r y s t a ls h a r e d s o m e p r o p e r t i e s o ft h ea - c u to n e o u r e x p e r i m e n t s d e m o n s t r a t e dt h a tb o t h 4 5 0 - o f f - a x i a l l y c u ta n d 口一c u tc r y s t a l sc o u l db eo p e r a t e dw i t ht h e l o wp u m p i n g t h r e s h o l d s ( 2 0m w ) f o rt h ec wl a s e r s t h es l o p ee f f i c i e n c yo ft h ea - c u tn d ：y v 0 4l a s e r w a sa b o u t4 2 ，w h i l et h a to ft h eo f f - a x i a l l y c u tn d ：y v 0 4l a s e rw a sa b o u t3 5 f u r t h e r m o r e ，t h el i g h te m i t t e df r o mt h eo f f - a x i a l l y - c u tl a s e rw a sl i n e a r l yp o l a r i z e d + 3 t h el a s e rp r o p e r t yc o m p a r i s o no fo f f - a x i a l l y c u ta n d 口一c u tn d ：y v 0 4l a s e r s i n t h ep a s s i v eq s w i t c h e dd o m a i n a sc o m p a r e dt o 口- c u tn d ：y v 0 4l a s e r s ，o u r e x p e r i m e n t sc o n f i r m e d t h a t4 5 。- o f f - a x i a l l y c u tn d ：y v 0 de x h i b i t e db e t t e rp e r f o r m a n c e f o rp a s s i v eq - s w i t c h i n go v e ra - c u to n e s ，w h i c hc o n s e q u e n t l ye n a b l e dl a s e ro u t p u t so f h i g h e rp e a kp o w e r sa n dn a r r o w e rp u l s ew i d t h s f o rt h ep a s s i v e l yq s w i t c h e dl a s e r ， s l o p ee f f i c i e n c i e so ft h ea c u t a n do f f - a x i a l l y - c u tl a s e r sw e r e11 3 a n d8 5 r e s p e c t i v e l y f o rt h e4 5 。一o f f - a x i a l l y c u tc r y s t a l ，w eo b t a i n e dap e a kp o w e r o f1 5k w 英文摘要( a b s t r a c t ) w i t ha3 9 一n sp u l s ew i d t ha n d11 1 一k h zr e p e t i t i o nr a t eu n d e rt h el dp u m pp o w e ro f 1 3 4 0m w w ea l s of i m n dt h a tt h e4 5 。一o f f - a x i a l l y c u tn d ：y v 0 4p a s s i v e l yq s w i t c h e d l a s e rw a se a s yt oo p e r a t ei nt h es i n g l el o n g i t u d i n a lm o d e 4 s u m m a r yt ot h ep r e v i o u sw o r k b ya n a l y z i n gt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，w e b e l i e v et h a tt h e4 5 0o f f - a x i a l l y - c u tn d ：y v 0 4e x h i b i t e dp a r t so fp r o p e r t i e sb o t ht h e a - c u ta n dc - c u tc r y s t a l sb e c a u s eo ft h ec o m p e t i t i o nb e t w e e n p o l a r i z a t i o na n da p o l a r i z a t i o ns i m u l a t e de m i s s i o n s a sf a ra sw ek n o w ，t h e4 5 0 - o f f - a x i a l l y c u ta n da - c u t n d ：y v 0 4w e r ec o m p a r e dt h o r o u g h l yf i r s tt i m ei nt h i sd i s s e r t a t i o n i tw a sc o n f i r m e d t h e4 5 0 - o f f - a x i a l l y c u tn d ：y v 0 4w a sak i n do f c r y s t a lb e t w e e na c u ta n dc c u to n ef o r p a s s i v e l yq - s w i t c h e dl a s e r ；f u r t h e r m o r e ，i ti m p l i e dw e c o u l dc o n t r o ll a s e rp a r a m e t e r s b yv a r y i n gt h ec u t t i n gd i r e c t i o no f t h el a s e rc r y s t a l t h et h e s i si so r g a n i z e da sf o l l o w s i nc h a p t e r1 ，w ei n t r o d u c et h eb a c k g r o u n do n d p s la n ds o m ec r y s t a l sd o p e dw i t hn do rc ri o n s c h a p t e r2d e s c r i b e st h ea - c u ta n d o f f - a x i a l l y - c u tn d ：y v 0 4c wl a s e r s c h a p t e r3m a i n l yp r e s e n t st h ec h a r a c t e r i s t i c d i f f e r e n c eb e t w e e na c u ta n do f f - a x i a l l y - c u tn d ：y v 0 4l a s e r si np a s s i v eq s w i t c h e d o p e r a t i o n ab r i e f s u m m a r yo f t h ew h o l ew o r k i sg i v e ni nc h a p t e r4 k e yw o r d ：n d ：y v 0 4 ，a c u t ，o f f - a x i a l l y c u t ，c r 4 + ：y a g ，q s w i t c h e d i i 第一章l 泵淌全嘲态激光器嗣l 激光晶体概况 第一章l d 泵浦全固态激光器和激光晶体概况 自爱因斯坦1 9 1 7 年提出受激辐射概念后，1 9 6 0 年5 月1 5 日j j u # l 休斯实验 室的梅曼( t h m a i m a n ) 制成了世界上第台红宝石激光器，获得了波长为 6 9 4 3 n m 的激光 1 。从此，激光技术得到了迅猛的发展。目前研究的热点一方 面是小型化全固态激光器，另一方面则是大功率超强超快激光器。在全固体激光 器中，使用激光二极管作为泵浦源的激光器，由于具有极佳的稳定性、较高的转 换效率、使用方便，| ；= f 益受到人们的重视，j l 逐渐成为主流研究方向之一。 1 1 激光二极管( l d ) 和l d 泵浦全固态激光器 一、激光二极管( i j a s e rd i o d e ，简称l d ) 1 9 5 9 年前苏联的巴索夫院士提出可以用载流子注入的方法在g a a s 材料中实 现受激辐射。1 9 6 2 至1 9 6 3 年，国际上r n 。t l a l l 、m i n a t h a n 和t m q u i s t 等人帽继独研制成功g a a s 激光器，这是半导体激光器的第一块里程碑。七卜年 代利用液相外延技术制成的异质结l d 能在常温下：j j 作，这是第二里程碑，但足 此时激光二极管的输出功率和效率仍然比较低 2 。【二f 代后期，由于分予柬 外延( m b e ) 和金属有机化合物汽相外延( m o c v d ) 技术，以及量_ 了阱结构使半导体 激光器有了飞跃式的突破。量子阱激光器的提出和实现则可誉为半导体激光器发 展的第三里程碑。现在一般提及半导体激光器已经是特指量子阱激光器了 3 4 。 激光二极管除了其他激光器共有的特点外，还有以下优点： 1 、体积小、重量轻，光功率密度高； 2 、效率高，调制简单，工作寿命长； 3 、可集成，机械强度高； 4 、光潜范围宽，可与常川探测器川匹配； 5 、成本低，可批量生产。 此外，半导体激光器还具有耐辐射，可靠性高，传递信息速度快等优点。 第一章l d 泵“b 全态激光器乖| 激光晶体概况 自八十年代l d 初首次用于激光音响之后，伴随着光储存技术和光通讯技术 的迅猛发展。，目前l d 研究方向是高速率、窄线宽、可。调谐、低闽值、大功率、 短波长、表面发射、阵列化和微型化；由单量子阱，到应变量子阱，多量子阱结 构的发展 5 。日本厂商长期保持l d 倒m 0 与生产技术上的优势，低功率l 1 1 生，n 厂家几乎全在日本，主要生产用于视盘系统的产舳；美国厂商的主导产品则是大 功率的l d ，主要应用于电信系统 6 。此外，l d 在光谱分析、光信息处理、激光 微细加工、激光报警器、激光打r l j t 、激光条形码扫捕器、泵浦固体激光器等产 业技术方面，以及医疗和生命科学研究方面也有广泛的应用 7 。 二、l d 泵浦全固态激光器 1 9 6 4 年美国m i t 林肯实验室首次实现了激光二极管( l d ) 泵浦固体激光器输 出 8 。1 9 6 8 年，麦道公司实现了l d 泵浦n d ：y a g 激光器 9 。但是山于早期的 l d 性能不佳，加之固体激光器由于受到低效率和热效应的影响，导致激光二极 管泵浦的全固态激光器( d i o d el a s e rp u m p e ds o l i d s t a t el a s e r ，简称d p s l 或d p s s l ) 的发展陷入了低谷 1 0 。 直到八十年代中后期，l d 的性能迅速提高及其列阵( l d a ：l a s e rd i o d e a r r a y ) 研究工作的巨大进展，全新的激光二极管泵浦的全同态激光器得以出现， 使得固体激光器得以复兴。这种激光器的特点是：效率高、热效应小、器件结构 紧凑，能获得高功率、以及能获得较高光束质量的输出。特别是大功率d p s l 在 军事、科研、工业等诸多领域有重要的用途 1 1 。 虽然d p s l 差不多每个月就会有一种新的结构出现，但是泵浦方式归根究底 可以分为两大类：侧面泵浦系统和端i l i 泵浦系统。 侧面泵浦：侧面泵浦的原理近似于闪光灯，二极管列阼与棒状或板状激活材 料同向安装，并且在垂直激光谐振模的传播方向上泵浦激活材料，能够比较有效 率的产生衍射限性能。在平均功率达到几百瓦的大激光器中，通常采用侧面泵浦。 端面泵浦：在端面泵浦结构中，泵浦辐射是准直的，且纵向聚焦到与谐振腔 模共线的激光材料中。如果选择合适的聚焦光器件，就能够调节二极管的泵浦辐 i 1 9 7 7 年，在美国芝加哥和圣塔痒尼卡( s a n t a m o n i e a ) 之间首次开通r 商用的光纤通信系统，许多人 惊奇地看到：一对只有头发丝粗细的玻璃丝( 直行08 5 微米) 竟然能同时开递8 0 0 0 路f 乜话( 传输速率达 4 5 兆比，秒) 。 2 第一章1 d 泵油全i i i i l 态激光器和激光晶体概况 射，使之与谐振腔t e m o o 模的光束直径相匹配。端面泵浦结构能够最大的利用激 光二极管输出的能量，通常能够在腔内没有光阑的条件下自然的输出基态模。 d p s l 系统相较于l d 的特点在j 二： 1 、扩展激光波长。可以采取多种腔内或腔外变频技术，利用激光晶体的 非线性现象，可以获得远比l d 广的多的波长覆盖范围。 2 、光束质量好，发散角小，高亮度，高相干性。 3 、线宽窄，容易实现单频运转。 4 、峰值功率高。由于激光晶体的上能级寿命长，能量储存能力强，可以 利用调0 技术，获得很高的峰值功率。 l d 泵浦的全固态激光器经过有效的封装设计，完全能够抵抗环境温度的变 化以及振动冲击，解决了实用工程化的难点 1 2 。如今，在中小功率范围内，d p s l 已经逐步取代了闪光灯泵浦的固体激光器、可见和紫外a r + 激光器、h e c d 激光 器：在大功率范围内，k w 级的 d p s l 正在拓展应用领域，向大 功率的灯泵固体激光器和c 0 。激 光器提出挑战，在工业和军事 上的前景诱人 1 1 ，1 3 。中国工 程院院士许租彦研究员在全面 深入的分析了d p s l 的发展历程 后，认为：自2 0 世纪6 0 年代 以来，d p s l 产业的发展经历r 概念研究( 1 9 6 5 1 9 9 0 年) 、 实用化突破( 1 9 9 0 2 0 0 0 年) 等 阶段后，目前正处在产业化前 期( 2 0 0 0 2 0 1 0 年) ，预计在 2 0 1 0 年前后进入产业化时期 1 4 ，1 5 ，1 6 。图1 3 给出的是 光电子晶体与全固态激光器的 重大应用概况 1 5 。 光电于岛件与 童窗枣嵌兜嚣 光电干产业 基础光谢 粼；健【 r 宽渊诣光棵 辩研设缶卜三妇一悔把嚣 摔量抖、中缸井傲竞棵 序疗设蕾f 鞋兜瞎疗 光学壮断 r 蛰翘代光盘 倍息产业i 三喳光存储 掌兜显乖 先进审髓垃f 懦电于、僚机挂 汽毫石穗 r 青洋辑刺 i 品歼3 ! j 兜暑迭 受问通讯 r 光电斟执 升镊取代1 种导 l 擅每 酬 搜燃料商鼾广 摄光臂变艟电站 图1 3 光电子晶体与全固态激光器的 重大应用概况 厮 牡咻蜘雠 第一章l 1 ) 泵浦全1 州态激光器和激光晶体概况 1 2 激光晶体 一、激光晶体 激光晶体是由晶体基质和激活离子组成。激光晶体的激光性能与晶体基质、 激活离子的特性关系极大。目前已知的激光晶体，人致可以分为氟化物晶体、含 氧酸盐晶体和氧化物晶体三大类。激活离子可分为过渡金属离子、稀土离子及锕 系离子。目前己知的约3 2 0 种激光晶体中，约2 9 0 种是掺入稀土作为激活离子的。 由于很多稀土离子具有丰富的能级和他们的4 f 电子的跃迁，使稀土元素离子成为 激光晶体不可缺少的激活离子。在稀土元素中已实现激光输出的有c e 、p r 、n d 、 s m 、e u 、t b 、d y 、h o 、e r 、t m 、y b 共1 1 个三价离了和s m 、d y 、t m 三个二价 离子【1 7 。1 8 】。 尽管激光晶体很多，但重要的只有数十种，而实用的更少。典型的、优良的 激光晶体有如下几种 1 9 】： ( 1 ) 稀土石榴石体系( y a g ) y a g 是目前国内外研究、丌发和应川最活跃的体系，其中掺钕钇铝石榴石晶 体( n d ：y a g ) 性能最好、用途最广、产量最大。它用作生产重复频率高的脉冲激 光器。近年来，人们开发了效率更高的掺钕和铬的钆钪镓石榴石。 ( 2 ) 掺n d 的铝酸钇体系n d ：y a l 0 ，( n d ：y a p ) y a p 属正交晶系，具有各向异性，故可利用品体的不同取向而得到不同的激 光特性。另外y a p 晶体的长生速度比y a 6 快。输出功率不易饱和。其缺点是在高 温下存在相不稳定性，热膨胀系数各向异性，致使品体在生跃过程中易出现开裂、 色心和散射颗粒等缺陷。 ( 3 ) 氟化锂钇( y l i f ) 激光材料 y l f 是一种优良的激光基质，其中很多稀土激光离子都实现了激光输出。它 的优点是受光辐照后，不产生色心而变色，基质吸收的截止波长移向短波。n d ： y l f 晶体荧光寿命长，发射截面积大，是适合激光二极管泵浦的激光晶体。 常见的三价稀土离子如e r 、t m 、p r 、h o 等易产生上转换发光现象，不同的稀 土离子一般具有不同的上转换发光方式，同一离子在不同的泵浦方式下也具有不 同的发光机制 2 0 。 二、n d 3 + 离子晶体特性 _ _ _ - _ - - - _ _ _ _ - _ _ _ _ - - _ - _ - _ _ _ _ h _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ ，_ - ， _ _ _ - _ _ - - - ，_ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ 一 第章l d 泵浦全1 刮态激光器和激光晶体概况 八十年代半导体激光器( l d ) 取得了重大进展，成为固体激光器的一种新型泵 浦源。可用二极管泵浦的激光晶体多种多样，除了传统的激光基质y a g 、y l f 外， 还有高增益的y v 0 等。我国的y v 0 4 、n d ：y v 0 。晶体均已享誉国际市场，据估计其 产品目前占国际市场的1 3 。 n 矿是最早用于激光器中的三价稀土离子，目前它仍是浚族中最重要的元素： 其在4 ，次壳层有三个电子。现在至少有1 0 0 种不同的掺有该离子的基质材料可 以获得激光。这些基质材料在中心为0 9 口m 、1 0 6 1n l 、1 3 5 m 的三种光波， 分别对应的是1 玛：叶4 岛：，4 7 。，4 死：的跃迁。 以n d 离子为掺杂成分的几种化合物晶体倍受人们关注，例如，n d ：y a g 、 n d ：g d v 0 4 、n d ：y v 0 4 。三价n d 离子的这些晶体一般比较强的吸收谱带在8 0 8n m 附近，相应的较强的发射谱带在红外1 0 6 4n m 的附近，且有较高的转化效率。而 激光二极管( l d ) 的发射谱带恰位于8 0 8n m 附近，这样晶体能被有效的泵浦， 从而生产出结构简单的、使用方便、运于亍稳定，有较高转化效率的全固态激光器 【2 l ，2 2 ，2 3 ，2 4 。 l 、n d ：y a g 是现今使用最为广泛的晶体，其优良好的光学质量、热导率高； 物理、化学性能稳定；从最低温度到熔点，y a g 的结构都很稳定；强度 和硬度略低于红宝石，足以保证正常生产中不会出现断裂。 2 5 ，2 6 2 、n d ：o r ：g s g gl e b e d e v 研究所和汉堡大学的研究人员首先生长的，在双 掺石榴石的晶体g s g g 中。由于利用了c r ”离子作为“敏化剂”来实现能 量的传递几乎可以获得1 0 0 的泵浦光到辐射激光的转换效率。 3 、n d ：y l f ( n d - l i y f 。)该晶体的1 0 5 3n m 波长的激光跃迁，与掺n d 的磷 酸盐和氟磷酸盐玻璃的峰值增益很匹配，适合作为使用该类玻璃的放大 器链的主振荡器；而且荧光寿命较艮，能量储存能力较强 2 7 。 4 、n d ：1 | v 0 4 掺钕的钒酸钇特别适合l d 二极管泵浦，两个突出的特点是： 受激发射截面大，是n d ：y a g 的五倍：对8 0 9n m 波长的光有很强的宽吸 收带。另外，该晶体有很强的偏振吸收特性，月偏振吸收大约是。偏 振吸收的3 7 倍。 5 、n d ：g d v o 。这种晶体是俄罗斯和德国的科学家首先生长的，其与n d ： y v 0 4 的晶体结构相同，也具有很高的增益，同时具有与n d ：y a g 相当的 第一章泵浦全态激光器和激光晶体概况 热导率( 是n d ：y v 0 4 的两倍) ，非常适合应用在大功率的激光器中。山于 可以有比较高的掺杂浓度，晶体生长的质量也比较好，所以成为近年来 研究较为热门的晶体 2 8 ，2 9 ，3 0 1 。 广泛掺杂于晶体和玻璃的三价n d 离子是人们最为熟悉的稀土离子，它所构造 的各异的晶体和玻璃一直以来都是全世界科学工作者研究的重要内容；虽然经过 了几十年的研究，人们已经对其有了较为全面的了解，但是随着泵浦技术的发展 和其他工艺技术方面的进步，钕离子增益介质仍不断展现全新的面貌，各种混晶 也不断出现【3 1 , 3 2 ，在推动激光技术不断进步的同时，也促进了自己的发展，并 为其他掺杂离子提供了研究的方法和准则。 几种主要的n d 离子晶体的参数如表1 1 所示。 n d ：y a gn d ：c r ：g s g gn d ：y t f n d ：y y o ，n d ：g d v o 化学式n d ：y a l 加1 。l i y lo t n d i n n d 原了再分比 1 0l01 0 1 o1 0 a t 椭 熔点1 9 7 08 1 9约1 7 0 0 密度g c m 4 5 66 4 43 9 93 0 l5 4 7 热导率 0 0 5 2 3 ( c ) 0 1 40 0 6 0 0 6 30 1 1 7 w c m k ( 3 0 0 k ) 00 5 t o ( z c ) 83 1 0 1 c ) 1 1 3 7 1 0 - 6 ( c ) 7 3 1 0 6f c ) 热膨胀系数。 7 5 1 0 o 7 4 1 0 4 1 33 x1 0 4 f 上c 1 4 4 3 1 0 6 ( 上c ) 1 5 1 0 。6 ( 上c ) 荧光寿命2 3 0 a s2 8 1 a s4 8 5 a s9 0 a s i 0 0a s 折射率 r i 。= 1 4 4 8 l n 。= 1 9 5 7 3n o = 1 9 7 2 1 8 21 9 4 2 = 1 0 6 4r n r i = 1 4 7 0 4 n 。= 2 1 6 5 2n e = 2 1 9 2 1 0 5 3 ( 0 ) 激光波眭m 1 0 6 4】0 5 4 1 0 6 41 0 6 29 1 0 4 7 ( n ) 有效发射截面1 8 9 ( “) 2 5 xi o 。9 ( ) 6 5 x 1 0 ”3 1 1 0 l 9 76 1 0 。1 9 c m 1 2 i o 1 9 f )7 x io 。1o ) 泵浦波长吸收 7 9 7 6 4 8 0 8 48 0 8 3 8 0 8 2 i 带宽n m 8 0 6 40 第一章l d 泵浦全同态激光器和激光晶体概况 三、c r 离子晶体特性 铬离子作为可调谐的激光离予，其特殊的电子结构发挥了重大的作用。c r 与其他过渡金属的不同之处在于其特殊的属性：化学性质稳定、泵浦带宽、能级 分裂大和受激态吸收( e s a ) 较低。日前有很多含铬的晶体，一般情况下铬离子 的激光器有1 0 0n m 的调谐范围，中心波长随晶体基质的不同而变化。铬离子的激 光器是重要的固体可调谐激光器，而可调谐的激光晶体比较重要的应用是产生和 放大驰豫短的锁模脉冲 3 3 ，3 4 1 。 常见的含铬的晶体有：绿宝石( c r ：b e a i ：0 。) ，c r ：g s g g ，c r ：k z n f 。，铬 镁橄榄石，掺铬的氟化铝锶锂( 同族的c r ：l i c a f 、c r ：l i s g a f ) ，c r ：y a g 等等。 1 、绿宝石( o r ：b e a i ：吼)是掺铬的会绿宝石，可用提拉法从大毛坯中生 长出来，与红宝石和y a g 非常相似。晶体中的铝( a 1 ) 被铬替代，有良 好的硬度、强度、化学稳定性和高热导率( y a g 的两倍) ，可在大平均 功率下使用。 2 、c r ：g s g g 这种晶体的4 l 能级存在大的2 4 0 0c m l 斯托克斯( s t o c k s ) 频移，所以全部荧光被纳入宽带4 瓦哼4 爿：跃迁。使用c r ：g g g g 晶体的 激光器，调谐范围大约在7 0 0 9 0 0n m 之间：但是由于绿宝石和蓝宝石激 光器由于可以使用闪光灯泵浦，且调谐范同更宽，所以这种晶体逐渐有 被取代之势。 3 、c r ：k z n f ，是绿宝石之后第二种市售的可调谐固体激光器，工作波长在 7 8 5 8 6 5i q l n 之间，泵浦波长为6 5 0 7 0 0 之间，有良好的效率，但是也已 经被钛蓝宝石激光器所取代。 4 、铬镁橄榄石( c r ：m g ：s i o ) 在波| 吏为5 3 2n m 和1 0 6 4 肿的激光器泵浦 下，这种晶体实现了脉冲和连续激光运转。这种激光的独具的1 1 6 7 1 3 4 5 n m 的调谐范围，主要是由四价铬离子产生，而不是三价铬。c r “替代了 s i ”。这种晶体亦可用提拉法生长，由于荧光寿命较短( 2 5 p s ) ，所以 必须由其他激光器泵浦。 5 、掺铬的氟化铝锶锂( c r ：l i s a f ，同族晶体有c r ：l i c a f 、c r ：l i s g a f ) 这 种晶体一问世就受到了人们的关注，主要是因为它有较强的发射峰。基 笫一章l d 泵浦全川态激光器和激光晶体概况 质晶体l i s a f 为单轴晶体，有很强的n 偏振。荧光寿命较钛蓝宝石的 长些，可以用闪光灯泵浦，但是增益较其低一个数量级。物理特性，如 硬度、机械稳定性较差。泵浦中心波长约为8 5 0n r f l ，可以生产出全固态 的激光器。 掺铬的钇铝石榴石晶体( c r ：y a g ) 晶体中的铬离子也是四价的( c r 4 + ) ， 它替代了y a g 中的a 1 离子，当然必须同时掺进m 9 2 + 、c a 2 + 等二价阳离子进行 电荷补偿( 结构不变) 。掺铬的钒酸钇是一种相当重要的晶体，广泛应用与调q 激光器中。其具有良好的化学稳定性，良好的热导率，较高的损伤闽值。它所具 有的在1 0 6 4r i m 附近的很宽很强的吸收带恰好同n d 离子激光器的发射波长相匹 配；改变c r 离子的掺杂浓度，可以生长出初始透刳率不同的晶体，作为钕离予 激光器中的可饱和吸收体，产生较短的脉冲。掺铬的钒酸钇也被作为一种凋谐激 光晶体，可以产生1 3 5 0 1 5 0 0n m 的红外调谐激光，进一步可以产生1 秒脉冲。 参考文献： 1 杨国桢略谈我国光物理研究进展 物理1 9 9 9 年1 1 期2 8 卷6 4 8 - 6 5 3 2 r b c h e s h e r ，e t a 1 ，a p p l p h y s l e t t 2 3 ，2 3 5 ( 19 7 3 ) 3 陈良惠量子阱光电子器件的发展与中国光电子器件 中国工程科学 第l 卷第3j l j ；i7 5 7 8 4 王莉张以谟吴荣汉余金r p! 仁导体激光器的进展 激光与红外第 2 9 卷第5 期1 6 7 2 7 0 5 林耀望潘钟李联合张伟王学宇( g a l n n a s g a a s 量子阱激光器的发展 与未来光电子技术与信息第1 3 卷第4 期1 - 6 6 吴雄激光二极管的发展及其应用前景 电子与自动化1 9 9 8 年第l 期3 5 7 王德李学千半导体激光器的最新进展及其应用现状 光学精密工程 第9 卷第3 期2 7 9 2 8 3 8 r j k e y e s ，e t a 1 ，p h y s l e t t ，4 ，5 0 ( 1 9 6 4 ) 第一章l d 泵浦全同态激光器和激光晶体概犹 9 m r o s s ，p r o i e e e 5 6 1 9 6 ( 1 9 6 8 ) 1 0 李学千 半导体激光器的最新进展及其应用 长春光学精密机械学院 学报第2 0 卷第4 期5 6 6 3 1 1 郑权赵岭钱龙生大功率二极管泵浦固体激光器的应用和发展光 学精密工程第9 卷第1 期6 - 9 1 2 ，文建国吴伟王石语蔡德芳二极管泵浦固体激光器实用化研究西 安电子科技大学学报( 自然科学版) 第3 0 卷第4 期5 3 9 5 4 1 1 3 朱大勇美国固体激光雷达技术耨进展红外与激光工程第2 6 卷第 3 期5 7 6 1 1 4 郑权陈颖新钱龙生全固态激光器产业发展的趋势光机电信息 2 0 0 1 年1 2 期1 7 - 2 0 1 5 许祖彦光电子晶体与全固态激光器及其应用光电子技术发展的一个 重大方向中国工程科学第一卷第2 期 1 6 吕百达马红二极管泵浦固体激光器研究的一些新进展激光与红外 第3 0 卷第2 期6 7 7 0 1 7 张思远稀土激光晶体及其发展人- e i i - f i 体学报第2 6 卷第3 4 期2 1 2 l8 s g e o r g e s c ue t c e x c i t e d s t a t e a b s o r p t i o ni nl o wc o n c e n t r a t e de r ：y a gc r y s t a l s f o rp u l s e da n dc w p u m p i n g ，j o u r n a lo f l ，u m i n e s c e n e e9 3 ( 2 0 0 1 ) 2 8 1 2 9 2 1 9 t a k a t o m os a s a k ie t c ，r e c e n td e v e l o p m e n to fn o n l i n e a ro p t i c a lb o r a t ec r y s t a l s ： k e ym a t e r i a l sf o rg e n e r a t i o no fv i s i b l ea n du vl i g h t ，m a t e r i a l ss c i e n c ea n d e n g i n e e r i n g ，3 0 ( 2 0 0 0 ) 1 - 5 4 2 0 杨建虎戴世勋姜中宏稀土离子的上转换发光及研究进展物理学 进展第2 3 卷第3 期2 8 4 2 9 7 2 1 刘杰杨济民何京良l d 抽运n d ：y v 0 4 、n d ：g d v 0 4 和n d ：y a g 激光 特性比较 激光杂志2 0 0 3 第2 4 卷第5 期2 8 一p 3 0 2 2 王国富 l d 泵浦激光晶体材料的新发展 人工晶体学报第2 7 卷第 4 期1 9 9 8 1 1 3 9 0 3 9 5 2 3 y k a l i s k y , l k r a v c h i k ，r e p e t i t i v e m o d u l a t i o na n dp a s s i v e l yq - s w i t c h i n go f d i o d e p n m p e dn d k g wl a s e rc l a b b e t o p t i c sc o m m u n i c a t i o n s 18 9 ( 2 0 0 1 ) 1 】3 1 2 5 第一章l d 泵浦全同态激光器和激光晶体概况 2 4 v o i e ul u p e i ，e c i e n c ye n h a n c e m e n ta n dp o w e rs c a l i n go fn d l a s e r s ，o p t i c a l m a t e r i a l s2 4 ( 2 0 0 3 ) 3 5 3 3 6 8 2 5 j u d i t hm d a w e s ，p e t e r d e k k e r ，y i n gc a i ，q s w i t c h i n go fad i o d e p u m p e d n d ：y a gl a s e rw i t hl o wu n i f o r mg a i nc h a r a c t e r i s t i c s ，o p t i c sc o m m u n i c a t i o n s 1 1 5 ( 1 9 9 5 、6 1 7 - 6 2 5 2 6 h a i l i nw a n ge t c ，e x p e r i m e n t a ls t u d yo fah i g bp o w e ra n dh i g he f f i c i e n c yc w d i o d e s i d e p u m p e d n d ：y a gl a s e r , o p t i c s l a s e r t e c h n o l o g y3 6 ( 2 0 0 4 16 9 7 3 2 7 y u v o r l o v e