（光学工程专业论文）LD泵浦Nd：YVOlt4gtKTP内腔倍频激光特性的研究.pdf

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，独立进 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。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：赵应受 日期： 丝! 丝左y 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。 ( 保密论文在 论文作者签名： 日期：也丝丝兰拿 中文摘要 近几年来，半导体激光器( l d ) 已经成为固体激光器的重要泵 浦激光源。与传统的氙灯泵浦固体激光器相比，由于l d 能够与固体 激活介质在吸收光谱上更好的匹配起来，所以具有更高的转换效率。 正是因l d 激光器泵浦固体激光器有效率高、体积小、寿命长、稳定 性好等优点，使得半导体泵浦固体激光器在很多领域有着很广的应 用，包括激光通讯、遥感探测、工业、军事和医疗等方面。为了扩 展激光的输出波长范围，在l d 泵浦的固体激光器中常采用腔内倍频 技术。另外。通过主或被动调q ，可以获得高峰值功率、高重复率、 短脉宽的激光输出。l d 泵浦的n d ：y v 0 4 倍频调q 固体激光器就是 获得绿光脉冲小体积激光器的一种有效方便的方法。 本论文利用光纤耦合的大功率半导体激光器作为泵浦源，采用 c r “：y a g 、g a a s 饱和吸收体和声光调制器，对n d ：y v 0 4 k t p 调q 固体激光特性进行了研究，并利用速率方程对实验结果进行理论分 析；同时测量了高功率下n d ：n a y ( w 0 4 ) 2 激光器产生的热透镜效应 和最佳泵浦位置。 i 采用非稳腔法测量了高功率下l d 泵浦n d ：n a y ( w 0 4 ) 2 固体激 光器产生的热焦距，并测量了泵浦的最佳位置，实验结果与理论分 析一致。 l i 采用三镜折叠腔，实现了l d 泵浦n d ：y v 0 4 k t p 腔内倍频 c r “：y a g 固体脉冲激光运转，数值求解速率方程的理论结果与实验 值相符。 1 1 i 实现了l d 泵浦n d ：y v 0 4 k t p 腔内倍频声光调q 激光运转， 考虑了激光晶体的热效应，给出了耦合速率方程组，数值求解的理 论值与实验相符。 i v 首次实现l d 泵浦n d ：y v 0 4 k t p 腔内倍频g a a s 调q 激光 运转。 关键词：激光二极管 固体激光器调q n d ：y v o 。k t p腔内倍频 绿光激光器 作者： 2 0 0 4 年3 月1 1 日 a b s t r a c t l a s e r - d i o d e ( l d ) h a sb e c o m eav e r yi m p o r t a n tl a s e rs o u r c eo f s o l i d - s t a t el a s e ri nr e c e n t y e a r c o m p a r e d t ot h et r a d i t i o n a l f l a s h l a m p p u m p e ds o l i d s t a t el a s e ri t i sam u c hm o r ee f f i c i e n tl a s e r b e c a u s eo ft h e p e r f e c ts p e c t r a l m a t c hb e t w e e nt h es e m i c o n d u c t o r l a s e r o u t p u t a n dt h e a b s o r p t i o n b a n do ft h es o l i d - s t a t el a s e r s m e d i u m d u et oi t sa d v a n t a g e ss u c ha sh i g hp u m pe f f i c i e n c y ，s m a l l v o l u m ea n dl o n gl o n g e v i t y ，l dp u m p e ds o l i d - s t a t el a s e rh a sw i d e a p p l i c a t i o n s i nt h ef i e l d ss u c ha sl a s e rt e l e c o m m u n i c a t i o n ， r e m o t e - s e n s i n gd e t e c t i o n ，i n d u s t r ya n dm i l i t a r y a sw e l la sh e a l t h y m e a n w h i l e t h ee f f i c i e n tn o n l i n e a r w a v e l e n g t h c o n v e r s i o n t e c h n i q u e si n c l u d i n gd o u b l i n g - f r e q u e n c y a r eu t i l i z e dt oe x t e n dt o t h e w a v e l e n g t hc o v e r a g e i nt h e l d p u m p e d s o l i d - s t a t el a s e r i n o r d e rt oo b t a i n h i g hp e a kp o w e r , h i g hr e p e t i t i o n r a t ea n ds h o r t p u l s e w i d t hs o l i d - s t a t el a s e r o u t p u t ，a c t i v e l y a n d p a s s i v e l y q - s w i t c h i n gt e c h n i q u e s h a v e b e e n e m p l o y e dw i d e l y l dp u m p e d d o u b l i n g n d ：y v 0 4i sc o n s i d e r e dac o n v e n i e n c ea n de f f e c t i v e m e t h o dt op r o d u c es m a l l - v o l u m eg r e e np u l s el a s e r t h i sd i s s e r t a t i o n p r e s e n t t h e e x p e r i m e n t a l a n dt h e o r e t i c a l s t u d y o nt h el a s e rc h a r a c t e r i s t i c so fq - s w i t c h e dn d ：y v 0 4 k t p l a s e r b yu s i n g c r ”：y a g ，g a a s a ss a t u r a b l ea b s o r b e r sa n d a c o u s t i c o p t i c sm o d u l a t o r ，r e s p e c t i v e l y m e a n w h i l e ，w em e a s u r e t h et h e r m a lf o c a ll e n g t ha n dt h eo p t i m a lp u m p i n gp o s i t i o no fl d e n d - p u m p e dn d ：n a y ( w 0 4 ) 2c r y s t a l t h e m a i nc o n t e n to ft h i s d i s s e r t a t i o ui sa sf o l l o w s ： 1 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 et 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 d m e a n w h i l e ，a c c o r d i n g t ot h e s p a t i a l r e l e v a b c e r a t e e q u a t i o n s ， a n a p p r o p r i a t e d e s c r i p t i o n o ft h e o 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 r w a sc a r r i e do u t ，a n dt h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t sw e r ei n 3 a 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 i t h ee 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 yo fl d e n d p u m p e d c r 4 + ：y a g q - s w i t c h e dn d ：y v 0 4 k t p l a s e rw i t h t h r e e - m i r r o r f o l d e dc a v i t yw a sg i v e n 1 1 1 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 d a c o u s t i c o p t i cq - s w i t c h e dn d ：y v 0 4 k t pl a s e rw a sf i r s t l y p r e s e n t e db y u s i n gr a t e e q u a t i o n m o d e lc o n s i d e r i n gt h e t h e r m a le f f e c to ft h el a s e rc r y s t a l i v 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 n l a s e r - d i o d e p u m p e d n d ：y v 0 4 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 hg a a ss a t u r a b l ea b s o r b e r k e yw o r d s ：l d ，s o l i d s t a t el a s e r ，q s w i t c h i n g ， n d ：y v 0 4 k 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 ， g r e e nl a s e r 4 s i g n a t u r e ： 2 0 0 4 3 11 第一章前言 固体激光器自六十年代以来，发展飞速，八十年代激光二极管f l d ) 技术的出现，使得激光二极管泵浦固体激光器( d p s s l s ) 成为人们研 究的热门。它具有效率高，稳定性好、结构紧凑、寿命长的优点，同 时这种激光器输出光束的发散度比半导体激光器要小三个数量级， 而储能机制要提高七个数量级。目前固体激光器已经广泛应用到激 光通讯、遥感探测、及其工业、军事和医疗等方面。 在本章中我们简要的回顾以下固体激光器的历史和发展，并对 各种调q 技术做一些比较总结。 1 1 固体激光器的历史和发展 19 6 0 年t h m a i n 发明的红宝石固体激光器首次实现了激光的输 出，其泵浦采用氙灯泵浦，这种泵浦固体激光器的技术有着严重的 缺点：效率低、寿命短、输出功率不稳定、结构复杂。 此后人们一直在寻找另一种新的泵浦手段，1 9 6 2 年，世界上第 支激光二极管( g a a sp - n 同质结) 产生，一种新的有效的泵浦思想诞生 了，1 9 6 4 年美国林肯实验室的k e y s 等人用激光二极管在室温下首次 实现了这一想法。但是，由于当时激光二极管实现室温、大功率、 长时间运转技术的困难，因此半导体激光器作为固体激光器泵浦源 的发展受到了阻碍。1 9 6 7 年，用液相外延的方法制成单异质结激光 器，实现了在室温下脉冲工作的半导体激光器。1 9 7 0 年，美国的贝 尔实验室制成了双异质结半导体激光器，实现了室温连续工作。随着 分子束外延( m b e ) ，金属有机物化学气相沉积( m o c v d ) 等晶体生 长新技术的日益成熟和量子阱结构的出现，使得l d 的阈值电流明显 降低转换效率和输出功率成倍增长，使用寿命也显著增强。另外，新量 子阱材料的发展使l d 的激发波长得到很大的拓宽，在室温下，覆盖范 围已扩展到从紫外到红外。高功率高效率阵列式l d 的发展使固体激 光器从8 0 年代末迈到一个新的台阶，新的理想的固体激光器泵浦源 改写了激光技术的新的一页。 9 0 年代以来，二极管泵浦的固体激光器的理论和实验研究取得 重要进展。二极管泵浦的固体激光器有效运转必须具备两个条件【l l ， 即：增益介质要足够长以充分吸收泵浦光能量；泵浦光束尺寸要小 于或等于基模尺寸以获得高的模式耦合效率。y ，f c h e n 【2 】根据这一理 论给出了光纤耦合激光二极管端面泵浦固体激光器的优化设计解析 模型，该模型考虑了泵浦光和基模空间分布以及增益介质对泵浦光 吸收的影响，以泵浦光有效泵浦尺寸最小为前提，给出了近轴近似 f 最佳泵浦位置的表达式。我们常采用端面泵浦方式提高模式耦合 效率，但是由于泵浦光空间分布主要集中在介质的中央部位，晶体 吸收的泵浦光中有相当一部分转换为热能存储在晶体内部，使得晶 体内部温度分布不均匀，由此引起热效应。m e i n n o c e n z i1 3 和 d cb r o w n 【4 巧1 先后研究了端面泵浦固体激光器热效应模型，为人们 解决热效应带来的损耗提供了参考。随着泵浦光耦合技术的提高和 固体激光介质的冷却问题的解决，固体激光器的泵浦效率、输出功 率、光束质量都上升了新的水平。 1 _ 2 激光二极管泵浦的激光工作物质 作为大功率半导体激光二极管泵浦的固体激光器，为了获得更高 的效率，工作物质的吸收波长与泵浦输出光相匹配是很重要的。 n d ：y a g 晶体是最成熟的固体激光材料，目前其他各种材料的评 价一般都与n d ：y a g 晶体比较。n d ：y a g 晶体属于立方结构，其绝大 多数光学特性为各向同性：荧光线窄、增益高、阈值低；机械强度 高、热导性好、具有良好的光学质量。主要缺点是当n d 离子掺杂商 时会发生浓度猝灭。 n d ：y v o 。晶体是锆英石结构，属四方晶系，是单轴晶体。在a 轴切割时，其玎偏振( e c ) 和仃( e 上c ) 偏振的光谱特性具有明显差异， 其最强吸收和最强辐射都发生在7 【偏振取向。n d ：y v o 。激光器输出，r 偏振光，有利于腔内倍频效率的提高。 n d ：y v 0 4 晶体可以允许比n d ：y a g 晶体掺入更多的n d 离子而不 发生浓度猝灭效应，在8 0 8 n m 附近的吸收系数是n d ：y a g 晶体的3 一l5 倍，有着非常宽的吸收带。n d ：y v 0 4 晶体在1 0 6 1 t m 和1 3 4 p m 波长处都有较大的受激发射截面。在1 0 6 9 m 处n d ：y v 0 4 晶体受激 发射截面约为n d ：y a g 晶体的4 倍。在1 3 4 1 a m 处n d ：y v 0 4 晶体受激 发射截面远高于n d ：y a g 晶体。 为了获得倍频5 3 2 n m 波长的绿光，n d ：y v 0 4 晶体常与倍频晶体 k t i o p o 。( k t p ) 组合。k t p 晶体是优良的非线性晶体，具有高的非线 性转换系数、高的允许角和温度容限、小的走离角以及相对较高的 抗损伤闽值，因此被广泛用来实现n d ：y v 0 4 激光器腔内倍频二次谐 波绿光输出。由于其i i 型匹配时的非线性系数要远大于i 型匹配时 的非线性系数，因此常常采用i i 型相位匹配条件的k t p 做腔内倍频 元件。n d ：y v 0 4 k t p 容易获得高谐波转换效率，被人们认为是全固 化绿光激光器的比较理想的组合。 1 3 调q 技术 调q 技术的发展和应用，是激光发展史上的一次重要突破，其 特点是把激光能量压缩在纳秒量级的脉冲中发射，使激光的单色亮 度提高了几个数量级。纳秒量级、高重复率脉冲激光光源广泛应用 到遥感探测，激光通讯，医疗卫生等领域，因此调q 激光器，特别是 激光二极管泵浦的调q 激光器一直是固体激光器的研究热点【6 。1 0 1 。 调q 技术可分为主动调q 和被动调q 两种，下面就这两种方式 加以简要介绍。 1 主动调q ：谐振腔内损耗的变化由外部驱动源控制，而与 腔内激光强度无关，常用的方法有电光调q 、声光调q 等。 电光调q 是利用晶体的普克尔电光效应，即在外加电场作用下， 改变晶体的折射率，以此调节激光谐振腔内的q 值。主要特点是开 关时间很短，用这种开关做成的调q 激光器可以获得脉冲很窄，峰 值功率高，输出稳定的巨脉冲。但这种方式的重复率很低，一般低 于l k h z ，而且需要高压来控制，增加了复杂性。 声光调q 是利用光通过介质中超声场时，发生衍射而造成光偏 折，以此来控制激光谐振腔内的q 值。由于声光开关的调制电压较 低( 几十伏) ，容易与连续激光器配合而获得1 6 0 k h z 高重复率的巨 脉冲，且稳定性好，但是开关能力比较差，输出脉冲较宽( 几十到 数百纳秒) 。 2 被动调q ：根据某些物质对入射光有强烈的非线性效应特性 而制成的可饱和吸收体，将其作为损耗片来调节激光谐振腔的q 值 开关。饱和吸收体有着低成本、体积小、操作方便等优点被广泛用 来产生纳秒量级、高重复率的脉冲串。目前主要有染料调q 、色心 晶体调q 、c r 4 + ：y a g 饱和吸收体调q 和半导体材料g a a s 调q 等。 染料调q 是利用染料的饱和吸收效应控制谐振腔的q 值。主要 优点是装置简单，使用方便，但缺点是输出不稳定，而且染料易于 变质，需经常更换。 c r 4 + ：y a g 与其他饱和吸收体比较，具有良好的热稳定性，较高 的抗损伤阈值和优良的化学稳定性，缺点是c r 4 + ：y a g 饱和吸收体调 q 开关具有不稳定性输出脉冲在重复率和脉冲宽度等方面均存在 较为严重的抖动现象。 参考文献 【1 1 t y f a n ，a s c a n c h e z ，p u m p s o b r c e r e q u i r e m e n t s f o r e n d p u m p e d l a s e r ，i e e ej q u a n t u me l e c t r o n ，19 9 0 ，2 6 ( 2 ) ：3 11 316 【2 v f c h e n ，c f k a o ，s c w a n g ，a n a l y t i c a l m o d e lo f rt h e d e s i g n o f f i b e r - c o u p l el a s e r d i o d ee n d - p u m p e dl a s e r s o p t c o m m u n ，1 9 9 7 ，1 3 3 ： 5 17 5 2 4 3 1 m ，e 1 n n o c e n z i ，h t y u r a ，c l f i n c h e r ，r a f i e l d s ，t h e r m a l m o d e l i n g o fc o n t i n u o u s w a v ee n d p u m p e d s o l i d s t a t e l a s e r ， a p p l p h y s l e t t ，1 9 9 0 ，5 6 ( 1 9 ) ：1 8 3 i - 18 3 3 r 【4 d c b r o w n ，h e a t ，f l u o r e s c e n c ea n ds t i m u l a t e d e m i s s i o n p o w e r d e n s i t i e sa n df r a c t i o n i n n d ：y a g , i e e ej q u a n t u m e l e c t r o n ， 19 9 8 ，3 4 ( 3 ) ：5 6 0 5 7 1 5 】d c b r o w n ， n o n l i n e a rt h e r m a d i s t o r t i o ni ny a gr o d a m p l i f i e r s ”，i e e ej q u a n t u me l e c t r o n ，i9 9 8 ，3 4 ( 1 2 ) ：2 38 3 2 3 9 3 【6 j j z a y h o w s k i a n d c d i l l ，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 d p i c o s e c o n dm i c r o c h i pl a s e r o p t l e t t 1 9 9 4 1 9 ：1 4 2 7 - 1 4 2 9 f 7 】y s h i m o n y ，z b u r s h t e i na n dy k a l i s k ya n dm s t r a u s s ，c r 4 + ：y a ga s p a s s i v eq s w i t c h e da n db r e w s t e rp l a t ei n an d ：y a gl a s e r ”i e e e j q u a n t u me l e c t r o n 1 9 9 5 3 1 ：t 7 3 8 1 7 4 1 8 h e n r y ，p l a e s s m a n n ，k e v i n ，s y a m a d a ，c h r a l e s ，e r i c h ，e t a 1 s u b n a n o s e c o n dp u l s eg e n e r a t i o nf r o m d i o d e p u m p e da c o u s t o - - o p t i c a l l y q s w i t c h e ds o l i d s t a t el a s e r s a p p l o p t 1 9 9 3 ，3 2 ( 3 3 ) ：6 6 1 6 - 6 6 1 9 【9 j r s c o n r o y ，t l a k e ，g j f r i e l ，e ta l ，s e l fq s w i t c h e dn d ：y v 0 4 m i c r o c h i pl a s e r s o p t l e t t ，1 9 9 8 ，2 3 ( 6 ) ：4 5 7 - 4 5 9 【10 a a g n e s i ，s d a c q u a ，p i c c i n n i ，e ta 1 ，e f f i c i e n tw a v e l e n g t h c o n v e r s i o nw i t hh i g hp o w e r p a s s i v e l yq - s w i t c h e dd i o d e p u m p e d n e o d y m i u m 1 a s e r s i e e ej q u a n t u me l e c t r o n ，1 9 9 8 ，3 4 ( 8 ) ：1 4 8 0 1 4 8 4 9 第二章l d 端面泵浦n d ：n y w 固体激光器的 热效应和最佳泵浦位置 采用端面泵浦可以提高泵浦效率，但由于泵浦光通常集中在晶 体的中央部位，晶体吸收的泵浦能量有相当一部分转换为热能存储 在晶体内部而形成不均匀的温度分布场，这样晶体内部会产生一定 的热应力分布，当超过晶体所承受的应力限度时，会使激光晶体发 生开裂。 激光晶体吸收泵浦光所引起的热效应，最直接的表现就是晶体 的热聚焦作用，又称热透镜效应。热焦距作用起因于三个方厩：首 先是大多数激光晶体都存在热色散折射率随着温度变化，当晶体吸 收泵浦功率而在内部建立起一定的温度分布，晶体的折射率不再是 均匀的；二是热应力弹光效应，即晶体内部热应力引起的应变导致 折射率变化：此外，泵浦状态下晶体端面不再是平面，将产生一定 的热致形变。以上三种因素，由温度引起的折射率变化是主要的。 在高功率固体激光器中，热聚焦引起的热效应几乎影响到激光 器性能的各个方面，特别是在激光系统设计、优化时所必需考虑的 重要因素之一。测量激光晶体的热透镜焦距是研究晶体热效应的有 效手段之。目前人们已经提出了不同的方法来测量激活介质内的 热透镜效应如横模拍频法【，c c d 照相法【2 1 ，狭缝扫描法【3 1 等；而 l i ut 4 1 采用一种简单操作方便的方法，提出用非稳腔法测量端面泵 浦条件下激光晶体的热透镜焦距。 另方面在泵浦源功率有限的情况下，对激光腔的参数进行适 当的最佳化设计来降低泵浦阐值，提高系统的斜转换效率，是一种 有效的方法。泵浦光的聚焦位置是影响激光腔内模式匹配的重要参 数之一。最佳泵浦位置的确定与泵浦光和振荡光在空间分布上的不 均匀性以及它们之间的耦合重叠程度密切相关【5 1 ，在多数情况下，最 佳泵浦位置位于晶体泵浦端面与中心之间，而且与激活介质的特性 参量也有关系。 本章从空间相关的速率方程出发，对l d 端面泵浦掺钕新型晶体 双钨酸钇钠n d 3 + ：n a y ( w 0 4 ) 2 ( n d ：n y w ) 激光器的热焦距进行了测量 同时对给出了最佳泵浦位置恰当的描述，理论计算与实验结果相吻 合。 2 1n d ：n y w 晶体的性能 掺钕新型晶体双钨酸钇钠n d ”：n a y ( w 0 4 ) 2 ( n d ：n y w ) ，属于钨酸 盐n a y ( w 0 4 ) 2 ( n y w ) 为单轴晶体，四方晶系，空间群为c 袅。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 o t 中的c a 被 n a 和y ( 1 ：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。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 10 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、激光二极管及氙灯等多种泵浦方式进行泵浦。 对激光晶体，热容与热机械是很重要的量，它们影响着激光晶体 的损伤闽值。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 丫w 晶体只有两个独立的 量，其中沿结晶学x 轴，即a 轴，沿结晶学z 轴，也就是c 轴。 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。z ， c h e n g l 6 】利用n e t z s c h 差热扫描量热计( d s c ) 测量了n d ：n y w 晶体 的热容和热机械参量，在3 0 0 k 6 0 0 k 的范围，结果发现n d ：n y w 晶 体具有较大的热容，并且变化比较小，在3 3 0 k 时热容为o 5 1 3 2 j g 一- k ；另外发现n d ：n y w 晶体的热膨胀是线性的且没有观察到 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。 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 0 4 ) 2c r y s t a l s l 熔点 1 1 9 4 7 。c 热导率 足。；0 0 4 w e m k 空间群c 嘉折射率 1 9 a = b = o 5 2 0 8 n m 晶胞参数密度6 6 2 9 c m 3 c = 1 1 2 8 7 n m 生长方法提拉法喇曼位移 9 1 6 c m 口= 3 5 x 1 0 。k 热容紫外吸收边 3 2 1 n m 口，：1 7 7 1 0 5 k 热色散系数 口= 7 7 x1 0 6 k 硬度( m o h s ) 5 作为新型的激光晶体，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 ui ? l 报道了n d ：n y w 微片晶体二极管泵浦1 0 5 9 pm 激光输出；1 9 9 9 年，k a m i n s k i i 【8 】研究了n d ：n y w 晶体氤灯泵浦 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 o ， n d ：n y w 晶体可以制作多波长的r a m a n 激光器。 2 2 l d 端面泵浦n d ：n y w 热焦距的理论及实验 1 热焦距测量实验 l d 泵浦n d ：n y w 激光器的实验装置如图1 所示。实验中所用 n d ：n y w 晶体沿a 方向切割，搀杂浓度0 5 a t ，尺寸为3 x 3 5 m m 。； 晶体一端镀8 0 8 n m 高透、1 0 6 4 r i m 高反的双色介质膜，作为平凹腔的 后腔镜，另一端镀1 0 6 4 n m 增透膜，以减少谐振腔的损耗；m 为平面 输出镜，透过率t = 4 ，平面镜可以在导轨上前后移动。n d ：n y w 晶 体用铟箔包裹，置于半导体制冷器中冷却，温度反馈装置可以实现 对晶体的精确控温( 精确到0 1 。c ) ，实验中晶体温度始终控制在 2 1 。c 。实验中使用的泵浦源是光纤耦合输出的半导体激光器( f a p i s v s t e m ，c o h e r e n ti n c u s a ) ，光纤直径8 0 0 p m ，最高输出功率1 6 w ， 2 2 4 c 时的中心波长8 0 7 5 n m ，经聚焦系统后泵浦光光斑半径2 2 0 9 m ， 数值孔径0 2 2 n a 。 根据稳定腔的条件： 0 g 1 9 2 1 ( 1 ) o ( 1 - l c 价) ( 1 一l c r ) l ( 2 ) 式中，7 为晶体的热焦距，l c 为腔长，r 为平镜的曲率半径( 1 r = 0 ) 。 因此，可以看出，要使谐振腔为稳定腔必须有l 。 疗时谐振腔为非稳定腔，输出光功率下降到零：当腔长 l 。= f t 谐振腔可看为介稳腔。我们固定l d 泵浦光的功率，移动平 镜m 逐渐增大腔长，当功率下降到零时，此时的腔长l 。即为晶体在 此泵浦功率下的热焦距，热焦距( 1 f r ) 随泵浦功率的变化如图2 中的点所示。从图2 可以看出，当泵浦功率增加时，热焦距明显变 短。 f i b t r c o u p l cg o c u s i n g l a $ t r d l o d eo p t i c s + _ p o w e rm e i e r m 图1 测量晶体热焦距实验装置示意图 f i g 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fm e a s n r i n gt h e r m a lf o c a l l e n g t ho fc r y s t a l s 2 理论处理 如果忽略晶体热致双折射效应的影响，同时考虑晶体的热致形 变，轴对称晶体的熟透镜焦距理论计算表达式为1 9 ： ：! 竺! ! 王( 3 ) 1 8 七n 往t p ；。n 式中，k 。、卢和c r r 分别是晶体的热导率、热致折射率梯度和热膨胀系 数，n 为晶体折射率，f 为热负荷比，7 = 1 一e x p ( - a 1 ) 为晶体的吸收率， 口为晶体的吸收系数，是晶体长度，口。为泵浦光在晶体中的有效平 均泵浦半径。对n d ：n y w 晶体，k 。= o 0 4 w c m 1 k ，= 7 7 ，d 6 k ， 口，= j ，5 1 0 6 k ，n = l ，9 ，f = o 2 4 ，珂。= 0 ，3 3 m m ，a = 4 8 c m 。，由( 3 ) 式可计算出热焦距疗随泵浦功率p 。的变化曲线，如图2 的实线所示。 图2 热透镜焦距随泵浦功率的变化曲线 f i 9 2 t h e r m a if o c a il e n g t ha saf u n c t i o no fp u m p i n gp o w e r 图2 表明，实验值与理论计算基本相符，但实验结果随着功率 的升高而偏离理论值。考虑到我们采用的晶体参数取值在室温 3 0 0 k 左右，实际上晶体内部工作温度远大于3 0 0 k 。当温度较高时k 。 铮7 救 将变小，口将变大，热焦趔随泵浦功率的变化将不再是线性关系， 而是按照泵浦功率一定幂指数变化【1 叭。 2 3 l d 端面泵浦n d ：n y w 最佳泵浦位置 的实验及理论 1 最佳泵浦位置的实验测量 l d 端面泵浦n d ：n y w 激光器泵浦光最佳聚焦位置测量的实验装 置基本与图1 相同，只是m 换为一曲率半径r = 1 0 0 m m 、透过率为 7 的凹瓦镜。 测量中固定泵浦光的功率，通过改变泵浦光的位置，使得输出光 的功率随之改变，以找到一个最佳的泵浦位置，使得输出激光的功 率最大，此时泵浦光束腰在介质中距泵浦端面的距离，即泵浦光在 介质中的最佳泵浦位置。对于泵浦功率p 。= 2 7 w ，3 2 w ，我们测量了 输出功率随泵浦位置的变化，如图3 所示。从图3 可以看出，对于 不同的泵浦功率，最佳泵浦位置距泵浦端面1 5 r a m 左右。在固定了 最佳的泵浦位置后，我们测量了不同泵浦功率下，基频光的输出功 率随泵浦功率的变化，如图4 中的点所示。 ； 曼 奄 言 三 吕 与 o p u m pp o s i t i o nz o ( m m ) 图3 对不同的泵浦功率下的输出光功率随泵浦 位置的变化关系曲线 f i g 3 o u t p u tp o w e ra s af u n c t i o no fp u m p 图4 输出耦合镜透过率为7 时输出功率随泵浦 功率的变化曲线 f i g 4o u t p u tp o w e ra s af u n c t i o no fi n c i d e n t p u m pp o w e r f o ro u t p u tc o u p l e r - - 7 1 5 2 最佳泵浦位置的理论推导 如果泵清光的空间分布用函数，似，只圳来描述，激光腔内的光子 数密度用函数哦扛，y ，力来描述，同时忽略可能的空间烧孔效应以及散 射效应等因素的影响，认为在低泵浦功率下假定热透镜效应可以忽 略，在泵浦光单向通过介质的情况下，由文献1 中( 4 a ) 和( 4 b ) 两式，令o = o 可得激光器的反转粒子数n ( x ，y ，z ) 及腔内总粒子数中 稳态时的速率方程： d n ( x , y , z ) ：o ：r r ，( x ，y ，= ) 一尘兰型一! ! 掣。庐。( x ，y ，z ) ( 4 a ) d t r ，h 警一等婴m w ，圳y 一詈 ， 其中，f ，是上能级寿命，c 是真空中的光速，盯是介质受激发射截面， n 为介质的折射率，o = 冬是光子在谐振腔内的往返渡越时间， ? ，：h l + ，。是激光腔的光学长度，j 是谐振腔中的空气长度，6 = + r 为 腔内总损耗，厶是腔内由于粒子散射等引起的损耗，t 是输出镜的透 射率，r 是总的泵浦速率： r ：旦只。 h y 9 ( 5 ) 仇是泵清量子效率，r = l e x p ( - 口，) 是介质对泵浦光的吸收率，口是介 质的吸收系数，h v 。是泵浦光的光子能量，中是腔内总光子数： 。：堡生 ct h y ， ( 6 ) p o 。是激光器输出功率，h v ，是单光子能量，在激光器稳定输出时， 由( 4 a ) 可求出反转粒子数密度分布a ( x ，y ，z ) 的表达式，连同( 5 ) 、 ( 6 ) 式带入( 4 b ) 中可得到输入功率和输出功率的关系表达式： 蘸丸c x ，y ，：，d y ：j c ， 扛蠡蕊姒训一肚等 式中= 刁矾；盟是泵浦效率，：盟= l 是腔内激光饱和光强。 n v c r r7 令只。，哼0 ，可直接从( 7 ) 式中得出泵浦阈值的表达式： 圪划手 【肌( 国纵国彬 1 1 ( 8 ) c jp 口c t l v o 如果利用( 7 ) 式，对泵浦光和腔模空间分布进行数值求解，可得到 输入、输出功率之间的关系12 1 ，但这样不能给出直观地输入与输出 的关系表达式，因而也就不能直接为激光腔参数择取提供指导。如 果满足只。 笔 ，则( 7 ) 式可近似为3 】： 肋，争沁y ，州卜鬻溅儿圳阽剐 ( 9 ) 利用( 5 ) 式，由( 6 ) 式可得： 匕= i t 仇( 只一圪) ( 1 。) 其中，玑是模式耦合效率： ( j j n ( 工，y ，：) 丸( 础yz ) d y ) 2 ”顶c a v j 9 陌万丽丽 1 ” 如果假设泵浦光为基模运转的高斯光束，腔为单模运转，光束 腰斑尺寸在激光腔内保持不变，泵浦光和激活介质特性参数的普遍 表达式为： 姒) = 赢时焉) ) 讯曲列加“磊) 2 】 3 其中，。( 2 ) 为谐振模光束半径，o ) t o 为谐振模束腰半径；假设泵浦光 也为基模运转的高斯光束，则其分布函数为： 懈州= 嗣2 丽。x “一) e x p ( - - a z ) ( 1 4 ) 。( 。 川2 面丽。姒一 叫0 1 + 【掣】2 ) ， 其中，。( z ) 为泵浦光光束半径，加为泵浦光束腰半径，口为激活介 质的吸收系数，五。为泵浦光波长，z 。是泵浦光束腰在介质中距泵浦 端面的距离，亦即泵浦光在介质中的泵浦位置。 为方便起见，将( 8 ) 式中的重叠积分定义为： ，。( ，) = l i b ：x , y ，z ) 。( x ，y ，z ) d y ( 1 6 ) 将( 12 ) 、( 1 4 ) 式代入( 1 6 ) 式，弗对x 、y 方向积分，则( 1 6 ) 积 分后的结果为： = 昙i 珊出 ( 1 7 ) 甜。及。都比较小，同时比较相近情况下，上式近似为 仁三i 盖出 ) 其中，d = 羔。此时，( 1 8 ) 式积分结果为： 月o j p o n ，= 去【t a n 。( 等卜t a n 。1 ，卜三( h 【( f 一争2 + ( 争2 】- l n 萼 ( 1 9 ) 由于谐振腔光束发散角很小腔模为单模运转，因此可近似认为 光束尺寸在谐振腔中保持不变。 们m z ，= 去e 卅争 ) 同时，考虑泵浦光的空间分布函数时，用其在激活介质中的平均腰 斑半径来表示： 似m z ) - 去唧( - 净 ) 对口：的定义由下式给出： 其中 仃；= 等 我们称为泵浦光在介质中有效泵浦体积，其值定义为 =石肛，2 o ) e - ：d z 哪+ 【志( 卜钔】2 ) 。 玎丌珊：。 由上面( 2 3 ) 和( 2 4 ) 式可得 = z c a ，2 d r l + 嘉低，叫) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) m 。“，) _ 【( 矿矿( 玎_ 1 ) + 昙( 矿，) ( 1 7 7 ) + 寺( 叩- 1 ) 蝎2 一+ 争】口a “ 将( 2 0 ) 、( 2 1 ) 式带入f1 7 ) 、( 8 ) 、( 1 0 ) ，利用( 2 3 ) 式，可求出 含有泵浦光和激活介质特性参数的普遍表达式： r = 景咖吲23 _ + 上c t n 2 ，r 2 ( 0 2 l 删引 ， = e ( 1 + 口) 只。，= r j , 7 l 【只一巧( 1 + 口) 】 ( 2 7 ) 在忽略其他因素影响的情况下，泵浦