（光学工程专业论文）ld泵浦ccut+nd：gdvo4晶体激光特性研究.pdf

山东大学硕十学位论文 摘要 激光二极管( l d ) 泵浦的固体激光器具有高稳定性，高效率，高能量的优 点，被广泛应用于军事、工业、医学和科学研究等领域，已成为国内外激光器领 域研究的热点。n d ：g d v 0 4 晶体是一种与n d ：y v o , 晶体同晶型的n d 3 + 基质晶体，除具 有n d ：y v 0 4 晶体的优点( 发射截面大，吸收系数大、输出为线偏振等) 之外，它 在 方向具有高的热导率( 1 1 7 w m k - 1 ) ，高于n d ：y v 0 4 晶体( 5 4 w m - ”k 1 ) 及 n d ：y a g 晶体( 1 1 1 w m 。k 1 ) ，使其成为适于高功率泵浦的新型激光晶体。由于切割 方向的不同，激光晶体沿不同方向的结构参数具有很大的差异，从而导致不同的 激光特性。目前对于a 轴切割n d ：g d v 0 4 的研究工作比较多，激光特性研究比较全 面。然而对于c 轴切害o n d ：g d v o 晶体的激光特性研究相对较少。特别是理论研究 不足。 本论文从理论和实验两个方面系统研究了c - c u tn d ：g d v o 。晶体作为激光工 作物质的激光特性。我们使用光纤耦合的半导体激光器作为泵浦源，采用声光调 制器、c r ”：y a g 及g a a s 饱和吸收体三种常用调q 方式，对c - c u tn d ：g d v o 。晶体 1 0 6 m 和k t p 内腔倍频0 5 3 啪激光特性进行了实验测量，并利用速率方程对实 验结果进行了理论分析；同时在相同条件下，将c - c u tn d ：g d v 0 4 晶体实验理论 数据与a - c u tn d ：g d v 0 4 晶体的相关数据进行了比较，通过对比显示了c - c u t n d ：g d v 0 4 晶体作为激光物质的一些优良特性。 论文的主要内容概括如下。 l 、实验研究了l d 泵浦c - c u tn d ：g d v o 。激光器的基频光及倍频光连续输出特 性( 第二章) 2 、采用短平一凹腔，首次研究了l d 泵浦g a a s 被动调qc - c u tn d ：g d v 0 4 激光器 在不同输出镜透过率情况下的激光特性，在泵浦功率为5 4 w 时获得了 1 3 7 n s 的最短脉宽。同时给出了耦合速率方程组，数值求解的理论值与实 验结果相符。( 第三章第一节) 3 、研究了l d 泵浦c r ”：y a g 被动调qc c u tn d ：g d v o 。激光器1 0 6 p m 激光输出 特性。当c r ”：y a g 小信号透过率= 9 1 、泵浦功率5 4 w 时，获得最大单脉 冲能量5 2 5 町，峰值功率为1 3 3 0 w 。数值求解速率方程的理论计算值与实 山东大学硕t = 学位论文 验结果相符。( 第三章第二节) 4 、首次研究了l d 泵浦声光e 动凋jc c u tn d ：g d v o 激光器1 0 6 m 激光输出 特性。( 第三章第三节) 5 、采用三镜折叠腔，首次对比研究了l d 泵浦g a a s 被动调qc - c u t n d ：g d v o ，k t p 与a - c u tn d ：g d v o ，k t p 内腔倍频激光器输出特性，给出并求 解了速率方程组。( 第四章第一节) 6 、采用三镜折叠腔，首次对比研究了l d 泵浦c r “：y a g 被动调qc c u t n d ：g d v q k t p 与a - c u tn d ：g d v o 。k t p 内腔倍频激光器输出特性，给出并求 解了速率方程组。( 第四章第二节) 7 、采用三镜折叠腔，研究了l d 泵浦声光主动调qc - c u tn d ：g d v o ，k t p 内腔倍 频激光器输出特性，给出并求解了速率方程组。( 第四章第三节) 论文的主要创新点； 1 、利用l d 端面泵浦方式，采用平一凹腔，首次从理论和实验上系统研究了声 光、g a a s 及c r 9 ：y a g 饱和吸收体调qc 轴切割n d ：g d v o ，激光器i 0 6 帅激 光输出特性； 2 、采用三镜折叠腔，利用腔内倍频方法，首次实现了l d 泵浦c 轴切割 n d ：g d v o | k t p5 3 2 n m 激光器的连续运转及声光、g a a s 和c r ”：y a g 饱和吸收 体的调q 运转，并从理论上进行了数值分析，理论计算值和实验结果一致； 3 、首次较为全面地对a 轴切割n d ：g d v 0 4 晶体与c 轴切割n d ：g d v o ，晶体的激光 特性进行了对比研究，得出了c - c u tn d ：g d v o 。激光器的一些优点。 通过对c - c u tn d ：g d v o 晶体激光性能的研究，可以看出c c u tn d ：g d v o 激 光器输出激光脉宽更窄，重复率更小，且变化幅度不大，更容易获得高单脉冲能 量、高峰值功率的激光。 关键词：c c u tn d ：g d v o 。晶体，c r ”：y a 6 被动调q ，g a a s 破动凋q ， 声光调q ，k t p 品俺 。 i 山东大学颀 学付论文 a b s t r a c t i nr e c e n ts e v e r a ly e a r s 。t h e r eh a sb e e na ni n c r e a s i n gi n t e r e s ti n l a s e r d i o d ep u m p e da l l s o l i d s t a t e1 a s e r sb e c a u s es u c hl a s e r sc a nb e w i d e l yu s e di nt h ef i e l d so fm i l i t a r ya f f a i r s ，i n d u s t r y ，m e d i c i n e sa n d s oo n a sar e l a t i v e l yn e wl a s e rm e d i u m ，n d ：g d v o lh a st h es a m ec r y s t a l c o n f i g u r a t i o na st h en d ：y v 0 4 ，b o t hh a v et h ea d v a n t a g eo fl a r g ee m i s s i o n c r o s sa n da b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t ，1 i n e a rp o l a r i z a t i o no u t p u t i na d d i t i o n ， n d ：g d v o , h a sh i g h e rt h e r m a lc o n d u c t i v i t y ( 1 1 7 w m - ”k1 ) i nc r y s t a la x i s d i r e c t i o n t h a nn d ：y v o i ( 5 4 w m - ”k1 ) a n dn d ：y a g ( i i 1 w m - ”k1 ) ，w h i c h m a k ei ta d a p tt oh i g h p o w e rp u m p l a s e rc r y s t a l sh a v ed i f f e r e n t c h a r a c t e r i s t i ca l o n gd i f f e r e n td i r e c t i o nb e c a u s eo ft h ed i f f e r e n t p a r a m e t e ra l o n gd i f f e r e n td i r e c t i o n s ot h ei n c i s i o nd i r e c t i o ns h o u l db e c o n s i d e r e dw h e nw et a l ka b o u tt h el a s e rc r y s t a l t h ea - c u tn d ：g d v o , h a s b e e nw e l lr e s e a r c h e d ，a n dc o m p r e h e n s i v el a s e rc h a r a c t e r i s t i c so ft h e c r y s t a lh a v eb e e ng e t b u tt h el a s e rp e r f o r m a n c eo ft h ec - c u tn d ：g d v o _ l c r y s t a lh a sb e e nk n o w n1 i t t l e i nm ys t u d y ，w ea n a l y z et h ec - c u tn d ：g d v o ll a s e re x p e r i m e n t a l l ya n d t h e o r e t i c a l l y u s i n gf i b e r - c o u p l e dl a s e r d i o d ea st h ep u m ps o u r c ea n da o m o d u l a t o r 。c r “：y a ga n dg a a ss a t u r a b l ea b s o r b e r sa sq - s w i t c h e s ， r e s p e c t i v e l y t h ec - c u tn d ：g d v o _ il a s e rw i t hw a v e i e n g t h1 0 6 帅a n dc - c u t n d ：g d v o i k t pg r e e nl a s e rw i t hw a v e i e n g t h0 5 3 ma r eb o t hr e a l i z e d r a t e e q u a t i o n sa r et h ee f f i c i e n tt o o l st od e s c r i b ep e r f o r m so ft h eb o t hl a s e r s c o m p a r i n gt h ec - c u tn d ：g d v o il a s e rw i t ht h ea c u tn d ：g d v o il a s e ri nt h e s a m ec o n d i t i o n ，w eg e tt h ee x c e l l e n tc h a r a c t e r i s t i c so fc - c u tn d ：g d v o c r y s t a la sl a s e rm e d i u mi nt h i sp a p e r t h em a i nc o n t e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d e ： 1 t h ec h a r a c t e r is t i t so f l a s e r d i o d ep u m p e dc wc - c u tn d ：g d v 0 1l a s e r i v 山东大学硕士学位论文 a n dc wc - c u tn d ：g d v 0 4 k t pg r e e nl a s e ra r eb o t hb e e nr e s e a r c h e d 2 u s i n gs h o r tp l a n e c o n c a v ec a v i t y ，w eg e tt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e l a s e r d i o d ep u m p e dp a s s i v e l yq - s w it c h e dc - c u tn d ：g d v o i1 a s e rw i t h g a a ss a t u r a b l ea b s o r b e r ，w h i c hi sf i r s t l yb e e na c h i e v e d ，w i t h d i f f e r e n to u t p u tt r a n s m i s s i v i t y w h e nt h ep u m pp o w e ri s5 4 w ，t h e s h o r t e s tp u l s ew i t hw i d t h1 3 7 n si sg e t c o u p l i n gr a t ee q u a t i o n s a r eu s e dt od e s c r i b ep e r f o r m so ft h el a s e r ，a n dt h et h e o r e t i c a ld a t a a r ew e l la c c o r dw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a 3 l a s e r d i o d ep u m p e dq - s w i t c h e dc - c u tn d ：g d v 0 4l a s e rw i t hc r “：y a g s a t u r a b l ea b s o r b e rw i t hw a v e l e n g t h1 0 6 9 mi sa l s ob e e nr e s e a r c h e d a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fi th a v eb e e ng e t w h e nt h es m a l ls i g n a l t r a n s m i s s i o n 五i s9 1 a n dp u m pp o w e ri s5 4 wt h el a r g e s ts i n g l e p u l s ee n e r g ya n dp e a kp o w e ra r ea c h i e v e d ，w h i c ha r e5 2 5 叮a n d1 3 3 0 w ， r e s p e c t i v e l y t h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n so ft h er a t ee q u a t i o n s a r ec o n s i s t e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s 4 t h ef i r s tr e s e a r c ha b o u tt h e o u t p u tc h a r a c t e r i s t i c so ft h e l a s e r d i o d ep u m p e da c t i v e l yo - s w i t c h e dc - c u tn d ：g d v 0 1w i t h 0 m o d u l a ti o nh a v eb e e nc o m p l e t e d 5 u s i n gt h r e e - m i r r o rf o l d e dl a s e rc a v i t y t h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c s b e t w e e nt h el a s e r d i o d e p u m p e dp a s s i v e l yo - s w i t c h e dc - c u t n d ：g d v 0 4 k t pa n da - c u tn d ：g d v o _ i k t pg r e e nl a s e r sw i t hg a a ss a t u r a b l e a b s o r b e ra r ec o m p a r e d ，a n dr a t ee q u a t i o n sa r eg i v e n 6 u s i n gt h r e e m i r r o rf o l d e dl a s e rc a v i t y ，w ea l s oc o m p a r e dt h eo u t p u t c h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e nt h e l a s e r d i o d e p u m p e dp a s s i v e l y o - s w i t c h e dc - c u tn d ：g d v o ，k t pa n da - c u tn d ：g d v o t k t pg r e e nl a s e r s w i t hc r ”：y a gs a t u r a b l ea b s o r b e r t h er a t ee q u a t i o n sa r ea l s og i v e n t od e s c r i b et h ep e r f o r m so ft h eb o t hl a s e r 7 u s i n gt h r e e - m i r r o rf o l d e dl a s e rc a v i t y t h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c s a n d r a t e e q u a t i o n s o f t h e a c t i v e l yp 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 li n gl a s e rw i t ha om o d u l a t i o na r eg i v e n v 山东大学硕士学位论文 t h em a i ni n n o v a t i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： 1 u s i n gl de n d p u m p i n g ，w eh a v ee x p e r i m e n t a l l ya n dt h e o r e t i c a l l y s t u d i e dt h ep e r f o r m a n c eo ft h eq - s w i t c h e dc - c u tn d ：g d v 0 4l a s e rw i t h a c o u s t i c o p t i cm o d u l a t o r ，g a a sa n dc r “：y a g ，r e s p e c t i v e l y i na p l a n a r c o n c a v ec a v i t yf o rt h ef i r s tt i m e 2 w i t ht h et h r e e m i r r o r f o l d e dc a v i t y ，w eh a v ef 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 eo ft h ed i o d e 。p u m p e di 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 c - c u tn d ：g d v 吼k t pg r e e nl a s e ro p e r a t i n gi nc wr e g i m e ，a sw e l la s i nt h eq - s w i t c h i n gr e g i m e sw i t ha c o u s t i c o p t i cm o d u l a t o r ，g a a sa n d c r ”：y a g ，r e s p e c t i v e l y w eh a v ea l s og i v e nt h er a t ee q u a t i o n sm o d e l t oa n a l y z et h e s el a s e r sa n dt h et h e o r e t i c a lp r e d i c t i o n sa r ei n a g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s 3 f o rt h ef i r s tt i m e ，w eh a v ep e r f o r m e dt h ec o m p a r i s o ns t u d i e so nt h e p e r f o r m a n c e so ft h ed i o d e p u m p e da - c u tn d ：g d v qa n dc - c u tn d ：g d v 仉 l a s e r s 。a n do b t a i ns o m ev i r t u e so ft h ec - c u tn d ：g d v o ll a s e r t h r o u g ht h es t u d yo ft h ep e r f o r m a n c eo ft h ec - c u tn d ：g d v 仉l a s e r 。w e c a nk n o wt h a tt h i sl a s e rc a ng e n e r a t en a r r o w e rp u l s ew i t hs m a l l e ra n dm o r e s t e a d yr e p e t i t i o n ，h i g h e rs i n g l ep u l s ee n e r g ya n dp e a kp o w e r k e yw o r d s ：c c u tn d ：g d v o c r y s t a l ，c r “：y a gp a s s i v eq - s w i t c h i n g ， g a a sp a s s i v eq - s w i t c h i n g ，a oq - s w i t c h i n g ，k t pc r y s t a l v i 东大学坝仁学伸论文 符号说明 光束在激活介质上的有效面积 单脉冲能量 真空中的光速 g a a s 饱和吸收体厚度 调q 脉冲重复率 激光介质增益系数 谐振腔损耗 激光腔内振荡光光强 平均输出功率 峰值功率 脉冲宽度 激活介质的翻转粒子数密度 激活介质的受激发射截面 光在腔内往返一周的时间 激光晶体的折射率 激光晶体的长度 k t p 晶体长度 c r ”：y a g 饱和吸收体厚度 谐振腔腔长 激活介质上能级寿命 输出镜反射率 输出光子能量 系统象浦速率 泵浦光上力率 泵浦光光子能量 激活介质的吸收系数 v 彳 f 口 d 尸 口 石昂 o 疗 仃 。 屁j 厶l 厶 f 厅 胁 以凡 加 口 东大学硕f ：学付论文 v i 饱和吸收体小信号透过率 输豌透过牢 泵沛光波长， 振荡光波长 转换效率 粒子数反转因子 光束在激光晶体中的体积 激光物质初始反转粒子数 激光物质阂值反转粒子数 激光物质最终翻转粒子数 有效非线性系数 真空介电常数 谐振腔的耦合系数 c r “：y a g 激发态吸收截面 c r “：y a g 基念的吸收截面 c r “：y a g 的激发态寿命 c r “：y a g 基态粒子数密度 c r ”：y a g 基态粒子数密度初始值 光束在饱和吸收体上的面积 g a a s 双光子吸收的耦合系数 g a h s 双光子吸收系数 e l 2 0 吸收截面 e l 2 + 吸收截面 g a a s 深能级e l 2 上总的粒子数密度 带正电部分( e l 2 + ) 的粒子数密度 光斑在激活介质上的半径 光斑伍g a a s 片j ：的仁径 泵j i i 光在激光介质i ：的仃效半径 焉 ， 叮 r 矿 胁 仇 m 如 岛 f 暝 毋 r 肥 儿 见 口 ，。b盯 哺+ 疗 甜 u u 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，均己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：氲j 圭日期：2 1 1 ：垒：1 2 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。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：鎏啦导师签名：趣日 期：丝：生坦 山东大学硕十学位论文 第一章前言 自激光器问世以来，固体激光器因为具有显著的优点获得了飞速发展，特 别是二十世纪八十年代中后期，随着激光二极管( l d ) 的问世，由激光二极管作 为泵浦源的固体激光器( d p s l ) 逐渐成为人们研究的热门。它效率高、稳定性好、 结构紧凑、寿命长，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。一些性能优良的全固态激光器已走出实 验室，走向商品化，广泛地应用于激光通讯、遥感探测、工业、军事和医疗卫生 等方面。在本章中，我们首先对全固态激光器的历史与发展过程进行了回顾，并 对当前的激光材料和调q 技术进行了简单介绍。 第一节固态激光器的历史与发展 在固体激光器的发展史上，泵浦源的改善和革新起着重要的作用。1 9 6 0 年 t h m a i m a n 发明的红宝石激光器是用螺旋形氙灯泵浦的。以后改进为直管氙 灯、弧光氙灯等作泵浦源并一直沿用到现在。灯泵固体激光器有其严重的缺点； 效率低、寿命短、功率及频率稳定性不好以及体积、重量大和结构复杂等。 自从1 9 6 2 年第一只激光二极管产生以后，人们就产生了用激光二极管作为 固体激光器泵浦源的思想“1 ，1 9 6 4 年美国m i t 林肯实验室k e y s 。1 等人首次在实验 室条件下实现了这一想法。此后，由于激光二极管未能实现室温、长时问和大功 率运转，激光二极管泵浦固体激光器一直没有取得进展。直到t 9 7 2 年，室温下 波长匹配的全固态y a g 激光器爿。得以实现。1 。 2 0 世纪8 0 年代以后，随着分子束外延( 鹏e ) 、会属有机物化学气相淀积 ( m o v c d ) 等晶体生长新技术的f 1 益成熟和量子阱结构的出现，使得l ，d 的阂值电 流明显降低，转换效率和输出效率成倍增长，使用寿命也显著增长。另外，新量 子阱材料的发展使l d 的激发波长得到了很大的拓宽，在室温f ，覆盖范啁已扩 展到从蓝光到红外。高功率、高效率l d 的发展使全固态激光器从8 0 年代术起迈 七了一个新台阶，研究内容几乎涉及到了激光技术的各个方面：利用凋q 和锁模 技术可产生峰值功率几十千瓦的皮秒级超短脉冲；利用短薄片腔、环形腔或扭转 山东大学颀七学位论文 模腔等方法n 实现激光器的蕾频运转；利用倍频、和频l _ j 参b 振荡等频率变换技 术可获得更人波段范围的激光输 j 。 进入2 0 世纪9 0 年代以后，d p s l 的研究重点已经转向实用化和商品化。更 深入的研究则在倍频、和频、调q 、锁模和大功率等方面迅速展丌，并不断的取 得突破性进展。 第二节激光二极管泵浦的激光工作物质的新进展 在激光器件发展过程中，另一个值得注意的重要问题就是研制与l d 泵浦相 适应的各种新型激光工作物质，以获得新的激光波长、更高的效率、更低的价格、 更适合于调q 、锁模和倍频输出等，实现工业化生产。 一种优良的激光工作物质应该具有以下几个特点“”： 1 优良的荧光和激光性能 为了获得较小的阈值和尽可能大的激光输出能量，一般要求材料在光源辐射 区交界有较强的有效吸收，而在激光发射波段上应无光吸收。要有强的荧光辐射， 高的量子效率，适当的荧光寿命和受激发射截面等。 2 优良的光学均匀性 晶体内的光学不均匀性不仅使光通过介质时波面变形，产生光差，而且还会 使振荡阙值升高、激光效率下降，光束发散度增加。晶体的静态光学均匀性好， 即要求内部很少有杂质颗粒、包裹物、气泡、生长条纹和应力等缺陷，折射率不 均匀尽量小。品体的动态光学均匀性好，就要求该材料在激光的作用下，不因热 和电磁场强度的影响而破坏晶体静态光学均匀性。 激光晶体还必须有良好的热稳定性。激光器在工作时，由于激活离子的无 辐射跃迁和基质吸收光泵的一部分能量而转化为热能，同时由于吸热和冷却条件 不同，在激光棒的径向就会出现温度梯度，从而导致晶体光学均匀性降低。 3 良好的物理化学性能 要求热膨胀系数小，弹性模最大，热导率高，化学价念和结构组分要稳定， 还要有良好的光照稳定性等。还要求能容易制得大尺寸、光学均匀性良好的单品， 易于加工。 随着l d 波段范围的扩展手输f ；功；棼的提高，使固体激光材料的研究和探索 出现了新的高潮。人们 莳i e 在寻找更多的适合l d 泉浦的新型固体激光材料， 2 山东大学硕士学位论文 有些材料在吲体激光发展仞期已进行过研究( 如磷扶石结构晶体) ，但在灯象时 期由于存在某些缺陷( 如难以得到大尺寸、热导性差等) 不能与y a g 、红宝石等 竞争而被放弃；l d 泵浦的激光晶体尺寸可以只足灯泵所用的1 2 0 或更小，由于 光谱匹配好，泵浦效率高，热效应也大大减小，因而使得激光晶体获得新，e 。 ( 1 ) n d ：y a g ：是最成熟的固体激光材料。目前其它各种材料的评价一般都与 n d ：y a g 进行比较。n d ：y a g 属立方结构，其绝大多数光学性质为各向同性；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n d 离子浓度掺杂高时会发生浓度猝灭。 ( 2 ) n d ：w 0 4 ：与n d ：y a g 相比，n d ：y v 0 4 有许多独特的优点。在l d 泵浦的众 多激光晶体中，它是n d ：y a g 的有力竞争者。 n d ：y v 0 4 晶体是锆英石结构，属四方晶系，是单轴晶体。在a 轴切割时其疗偏 振( ei lc ) 和盯偏振( e 上c ) 的光谱特性具有明显差异，其最强吸收和最强辐射 都发生在万偏振取向。n d ：y v o 。激光器输出万偏振，有利于腔内倍频效率的提高。 n d ：y v 0 4 可以允许比n d ：y a g 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 附近的吸收系数能够达到n d ：y a g 的3 1 5 倍，有非常宽的吸收带。n d ：y v o ， 晶体在1 0 6 帅和1 3 4 1 波长处都具有较大的受激发射截面。在i 0 6 j m 处， n d ：w 0 | 受激发射截面盯约为n d ：y a g 的四倍。在1 3 4 m 处，n d ：y v o 。受激发射截 面远高于n d ：y a g 。主要缺点是热导率低，具有较为完善的解理面，机械性能也 不如n d ：y a g 好，在高功率下受到很大限制。 ( 3 ) n d ：s v a p 和n d ：s f a p ( n d ：s r ；( v 吼) 。f 和n d ：s r 。( p o , ) 。f ) ：是n d 掺杂磷灰 石结构激光晶体中的优秀者，属六方晶系，是单轴晶体，具有偏振光谱各向异性 特征：在1 0 6 啪处的受激发射截面和荧光寿命都很高，泵浦阈值较低，对连续 运转和调q 运转都很合适，激光性能优越。它们最大缺点是热导率低，易开裂、 机械性能差，适用于低阈值、小功率、高效率的d p s l 器件。 ( 4 ) n d ：g l a s s ：在8 0 1 n m 处具有宽的吸收光谱，是l d 泵浦的理想材料之。 其荧光谱线宽，可产生锁模d p s l 超短脉冲：荧光寿命长，适于高功率脉冲运转； 光学质量好，损耗小，廉价，能均匀的进行大浓度掺杂而不会导致荧光猝灭，能 制成各种形状的高质量大尺寸工作物质，特别是可以制作激光光纤，实现l d 泵 浦光纤激光输出。主要缺点足热导率低，限制了器件平均输 f 功率的提高，使其 应用受到一定的限制。 ( 5 ) n d ：g d v o ：n d ：g d v o 晶体是由俄罗斯和德国科学家首先合成的一种新的 激光材料”，与n d ：y v o 有相同的晶体结构。n d ：g d v o 。因具有众多的优肄特惟而成 山东大学硕士学位论文 为l d 泵浦激光器的理想工作物质，它具有如卜特点”：( 1 ) 在8 0 8 n m 附近具有宽 而强的吸收带，和商品化的g a h s h l 激光二极管发射波跃棚匹配。刈：g d v o 在8 0 8 n m 峰值波长吸收峰半宽为1 6 n m ，是n d ：y a g 的近2 倍；吸收截面足n d ：y a g 的7 倍之多， 是n d ：y v o ”的近2 倍。( 2 ) 大的发射截面。n d ：g d v o 在1 0 6 p n 的发射截面为 7 6 x1 0 1 9 c m ，是n d ：y a g 的3 倍多，与n d ：y v o 。相当：在1 3 4 m 的发射截面也高于 n d ：y a g ，与n d ：y v o ；相当。( 3 ) 长的荧光寿命。n d ：g d v o ；的上能级寿命为l o o p s ，有 利于存储能量。( 4 ) 高的热导率。n d ：g d v o 。的热导率为1 1 7 w m l k ，比, n d ：y v 0 4 和 n d ：y a g 都高( 它们的热导率分别为5 4 和1 1 1w m - ”k ) 。( 5 ) 可实现高浓度掺杂而不 出现发光浓度猝灭。( 6 ) 大的分凝系数。n d 离子在g d v o 。中的分凝系数为0 7 8 ，而 n d 离子在y v o 。中的分凝系数为0 6 4 。大的分凝系数使生长光学质量均匀的晶体相 对容易。 由于n d ：g d v o ；晶体晶格常数a = b = o 7 2 1 2 ( 1 ) n m ，c = o 6 3 5 0 ( 1 ) n m ，o = b = y = 9 0 0 ，光轴平行于c 轴，a 向热导率1 0 1 w m - ”k1 ，c 向热导率为1 1 4 w m - ”k1 。a 向热 膨胀系数为1 0 5 1 0 1 k ，c 向热膨胀系数为7 4 2 x1 0 1 k 1 “”，由于晶体的各向 异性，切割方向不同，晶体的吸收发射截面、热导率、热双折射特性等各种参 数都会相差很大，从而导致晶体作为激光物质输出激光的特性具有明显的差异。 根据f i n d l a y c l a y 的分析，虽然c 向切割的n d ：g d v o ；晶体的发射截面( 1 2 1 0 。9 c m - 2 ) 比a 向切割的发射截面( 7 6 x1 0 1 9 c m 2 ) 小，具有较高的阈值，但其内 部损耗要小得多，使斜效率远远地高于a 切割“，因此系统地研究c - c u t n d ：g d v o 。晶体激光输出特性具有十分必要的实践意义。 第三节调q 技术 调q 就是调节激光器的q 值，即在激光器泵浦的初期，把谐振腔的q 值调得 很小，使激光器暂时不满足振荡条件，在泵浦功率的激励下，获得很高的反转粒 子数密度，这时再迅速调大谐振腔的q 值，此时反转粒子数密度远大于闽值反转 粒子数密度，激光振荡迅速建立起来，达到很高的峰值功率，时，反转粒予数 迅速破耗尽，脉冲很快结束，这样就获得具有窄脉冲宽度和大峰值功率的巨脉冲。 般凋q 激光器输出脉冲的宽度为纳秒( 1 0 秒) 量级，峰值功率可达兆瓦量级 以上，岛的可达百兆瓦以e 。 调q 技术u 丁分为主动调q 和被动调q 两种，下面就这两种方式加以简要介绍。 4 山东大学硕士学位论史 1 主动调q ：谐振腔内损耗的变化由外部驱动源控制，丽与腔内激光强度 无关，常用的方法有电光凋0 、声光凋q 等。 电光调q 是利用品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0 值。主要特点是丌关时间很短，用这种歼 关做成的调q 激光器可获得脉冲很窄，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，增加了实际操作的 难度。 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l 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0 、色心晶体调q 、c r ：y a g 饱和吸收体调q 和半导体材料g a a s 调q 等。“” 与有机染料及色心晶体相比，g a a s 和c r “：y a g 具有光化学性质稳定、热导 性好，损伤阈值高及无退化等优点，其在0 9 l2 m 波段具有饱和吸收特性， 因而可作为掺n 矿激活介质的饱和吸收型被动q 歼关。 本论文研究内容： 实验研究了l d 泵浦c c u tn d ：g d v 仉激光器的基频光及倍频光连续输出特 性；研究了l d 泵浦c r ”：y a g 被动调qc - c u t n d ：g d v o 。激光器1 0 6 1 j l n 激光输出特 性，并用速率方程进行了数值解析，实验与理论相符合；首次对l d 泵浦g a a s 被动调q 、高重复率声光调qc c u tn d ：g d v 0 4 激光器1 0 6 m 激光输出特性和l d 泵浦以上三种调q 方式c c u tn d ：g d v o ，激光器k t p 倍频0 5 3 p , m 激光输出特性进 行了理论和实验研究。 ， 山东大学硕士学位论文 第二章l d 泵浦c c u tn d ：g d v o 激光器连续光输出特性 半导体激光器泵浦技术主要有两种：一种为端面泵浦( e n d - p u m p in g ) ，又 称为纵向泵浦( 1 0 n g i t u d i n a l l yp u m p i n g ) ，另一种为侧面泵浦( s i d e p u m p i n g ) 。 在侧面泵浦方式下，只有在高功率连续激光器或准连续激光器中，才能实现 t e m 0 0 ”。因为侧面泵浦激光介质可利用的泵浦体积很大，所以比较容易获得高功 率输出。在端面泵浦方式下，泵浦光可被有效的耦合进激活介质的t e 模体积 内，即实现泵浦光与振荡光的空间模式匹配，从而大大提高激光器的转换效率。 当工作于t e m 0 0 模状态时，典型的端面泵浦激光器的效率比侧面泵浦激光器高出 一倍以上“”。与侧面泵浦相比，端面泵浦更容易获得高质量的t e 模输出。 我们利用l d 端面泵浦，对c - c u tn d ：g d v o 。晶体的1 0 6 啪和0 5 3 9 m 连续激 光输出特性进行了研究。 第一节l d 泵浦c - c u tn d ：g d v o 。激光器1 0 6 帅连续光输出特性 f o c u s i n g o p t i c sl a s e r m im 2 图1 实验装置示意图 f i g is c h e m a ticd i a g r a mo fe x p e r i m e n t a l s e t u p 实验装置如图l 所示。在实验中我们采用了平一凹腔，其中凹面镜m t 曲率半 径为1 5 0 r a m ，镀8 0 8 n m 增透膜和1 0 6 p r o 高反膜，输出镜对l0 6 帅的透过牢分 刖为1 0 ，1 5 ，2 5 ，谐振腔长为8 5 c m 。c c u tn d ：g d v o 。晶体样品尺寸为4 4 5 n l a l i ，n d ”离子掺杂浓度为l a t ，两通光面镀1 0 6 p r o 增透膜，利用半导体致冷 6 叨 山东大学硕七学位论文 片冷却。本实验所用泵浦源为光纤束祸合输出的# 导体激光器( f a p is y s t e m c o h e r e n ti n c u s a ) 。经聚焦系统后泵浦光斑半径约2 2 0 p e n ，数值孔径n a 约 为0 2 2 。输出的激光能量用l p e 一1 b 型功率计( 中科院物理所) 测量。 图21 0 6 胁激光输出功率与泵浦功率的关系 f i g 2v a r i a t i o no f1 0 6 ml a s e rp o w e r 实验结果如图2 所示，图2 中也同时给出了a 轴切害o n d ：g d v o ，晶体在相同条件 下输出镜透过率为1 5 时，输出功率与泵浦功率的关系。从图中我们