（光学专业论文）ld泵浦nd：gdvo4134μm激光及其倍频特性研究.pdf

东帅范八学硕二l 学位论史 l d 泵浦n d ：g d v 0 4 晶体l 。3 4 j 1 m 激光及其信频特性研究 中文摘要 激光二极管泵浦的崮体激光器( d p s l ) 由于总体效率高、寿命长、光束质量好、 全固化、结构简单紧凑、体积小、质量轻等优点，在军事、医学、信息、工业、科研 等领域得到了广泛的应用。在高功率情况下，激光晶体普遍都会吸收泵浦光而产生热 效应，直接影响激光器的主要性能，并且由于热应力而产生热致丌裂也限制了激光晶 体所能承受的最大的泵浦功率以及应用范围。近几年，由于n d ：g d v o 。激光晶体具有 与n d ：y v 0 4 一样优良的激光性能和n d ：y a g 一样高的热导率，而得到了广泛的应用。 1 3 4 a m 波段由于是入跟的安全区且与硅光纤传输窗口吻合而在医疗、通讯、光传感 与定位等领域具有非常广阔的应用。利用非线性晶体k t p 腔内倍频1 3 4 9 i n 得到 6 7 1 n m 红光输出，其在很大范围内可以替代氲离子激光器和价格昂贵、效率低、设备 复杂的氪离子激光器。调q 技术可以得到极高的脉冲峰值功率和非常窄的脉宽，使脉 冲激光器可以广泛的应用在医疗、测距、加工、光聚合、水下通信、大气污染的测量 等各个领域。 本论文以l d 端面泵浦的新型n d ：g d v 0 4 晶体激光器为主要研究对象，考察了 1 3 4 1 a m 的连续波及声光调q 输出性能，并对其进行非线性光学频率变换，得到了红 光输出特性。主要内容如下： 1 对激光二极管泵浦固体激光器和激光二极管泵浦的固体激光材料作了简要叙述，介 绍了固体激光器的优势和l d 泵浦的激光晶体的主要特性，并且总结了全固态激光 器的发展前景及热点和本论文的主要研究内容。 2 讨论了激光晶体的热效应激光性能的各个方面的影响。从热透镜效应、高斯光束的 矩阵变换和a b c d 定律来讨论热透镜对设计参数模式时的影响，并以n d ：y v 0 4 晶 体为例，对其1 3 4 p _ m 激光输出的热透镜焦距做了研究，并与1 0 6 9 i n 输出作了比 较。采用简单的平一凹腔设计，研究了1 3 4 p r o 激光的输出特性，在腔长为3 c m 、 泵浦功率为7 5 6 w 时，获得稳定的1 3 4 p 。m 最大连续波输出功率为2 3 9 w ，斜效率 为3 6 5 ，光一光转换效率为3 1 7 。 3 从增益介质中饱和光腔的微分方程出发，研究了泵浦光和振荡光的光强分布对激光 山东师范大学颂十学位论文 运转特性的影响，以激光晶体n d ：g d v 0 4 为例对激光的输h 特性进行理论计算， 得出理论模型，为谐振腔的设讨和文验的顺利进行提供依据。平一凹腔设计，在泵 浦功率为7 w 时4 m m 长n d ”离了掺杂浓度13 a t 的晶体获得13 4 9 m 最大输出 功率为1 6 5 w ，相应的光光效率为2 7 - 8 斜效率为3 1 ；而9 m m 长07 8 a t 掺 杂的晶体获得l3 4 p _ m 最大输出功率为1 5 8 w ，桐应的光光转换效率为2 5 9 ，斜 效率为2 8 。 4 从理论上分析最大输出能量、抽取效率、峰值功率和f w h m 脉宽等最佳耦合参数 的曲线，并具体讨论了n d ：g d v 0 4 i 3 4 1 a m 激光器的调( 最佳耦合输出特性。实验 主要采用声光调q 的方式，利用平平腔、平一凹腔和折叠腔的l d 端面泵浦 n d ：g d v 0 4 激光器获得了高重复频率和短脉宽的1 3 4 1 a m 激光脉冲。平凹腔时，在 泵浦功率为8 w 的时候，获得最大平均输出功率为2 5 3 m w ，光一光转换效率为3 2 ， 斜效率为4 3 ；得到最短脉宽、最大单脉冲能量和最高峰值功率分别为7 8 n s 、2 0 1 t x j 和2 6 5 w 。采用折叠腔，比较了不同调q 重复频率( 5 k h z 、1 0 k h z 、1 5 k h z 、2 0 k h z ) 的条件下的平均输出功率，在泵浦功率为6 8 w 重复频率为5 k h z 时，得到最小脉 宽为4 5 n s 。 5 根据倍频理论研究了l d 端面泵浦固体激光器腔内倍频输出特性，并且讨论了非线 性晶体的临界和非临界相位匹配，以k t p 晶体为例介绍了光学倍频特性。首次采 用简单的平一平腔k t p 腔内倍频，在泵浦功率为6 7 w 时，得到了单向连续红光 输出为5 0 7 m w ，相应的光光转换效率为1 5 。另外采用平一凹腔以及三镜折叠腔 设计，得到了较高的红光输出，其中折叠腔k t p 腔内倍频，在泵浦功率为7 w 时， 获得单端连续红光输出6 0 m w ，光光转换效率为1 7 。 关键词：二极管泵浦，n d ：g d v 0 4 ，k t p ，腔内倍频，声光调q 分类号：0 4 3 7 i l ! ! 查堕型查兰竺l ! 兰丝堡兰 l dp u m pn d ：g d v 0 41 3 4 p ma n df r e q u e n c y d o u b l e dl a s e r a b s t r a c t d i o d ep u m p e ds o l i d - s t a t el a s e r ( d p s l ) i sa p p l i e de x t e n s i v e l yi nf i e l d so fm i l i t a r y , m e d i c i n e ，i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ，i n d u s t r ya n ds c i e n c er e s e a r c h f o ri t s p o s s e s s i n g a d v a n t a g e so fh i g ht o t a le f f i c i e n c y ，l o n gl o n g e v i t y ，g o o db e a mq u a l i t y , a l ls o l i ds t a t e ， c o n c i s es t r u c t u r e ，s m a l lv o l u m e ，l i g h tm a s s ，a n ds oo n i nh i i g hp o w e ro p e r a t i o n ，l a s e r c r y s t a l sw i l lg e n e r a l l ya b s o r bt h ep u m p i n gh e a ta n dt h e np r o d u c et h et h e r m a le f f e c t ， w h i c hi n f l u e n c e st h el a s e rp e r f o r m a n c e s a n dt h eh e a ti n d u c e df r a c t u r ea l s ol i m i t st h e m a x i m u mp u m p i n gp o w e rt h ec r y s t a l sc a ne n d u r ea n dt h ef i e l d si tc a nb eu s e d r e c e n t l y , n d ：g d v 0 4l a s e rc r y s t a lh a sb e e nw i d e l yu s e db e c a u s ei th a st h es a m eg o o dl a s e r p e r f o r m a n c ea sn d ：y v 0 4a n dh i g ht h e r m a lc o n d u c t i v i t ya sn d ：y a g t h e1 3 4g m w a v ei ss a f ef o rh u m a ne y ea n dc o i n c i d e sw i t ht h es i l i c o no p t i c a lf i b e rt r a n s f o r m ，s oi t h a sw i d ea p p l i c a t i o np o t e n t i a li nm e d i c i n e ，c o m m u n i c a t i o n ，o p t i c a lr e m o t es e n s e t h e 6 71n mr e do u t p u tp r o d u c e db yd o u b l i n gf r e q u e n c yo f1 3 4l a mw i t hk t pc r y s t a l i n t r a - c a v i t yc a r lr e p l a c et h ea ri o nl a s e r sa n dt h ek ri o nl a s e r sw h i c h a r ee x p e n s i v e ，w i t h l o we f f i c i e n c ya n dc o m p l i c a t e ds t r u c t u r e s t h eq s w i t c h e dt e c h n o l o g yc a np r o d u c e p u l s e sw i t hs u p e rh i g hp e a kp o w e r a n dv e r yn a r r o ww i d t h ，w h i c hm a k e sp u l s i n gl a s e r s a v a i l a b l ee x t e n s i v e l yi nm e d i c a lt r e a t m e n t ，d i s t a n c em e a s u r i n g ，m a n u f a c t u r i n g ，o p t i c a l p o l y m e r i z a t i o n ，u n d e r w a t e rc o n a r n u n i c a l i o na n da t m o s p h e r ep o l l u t i o ns u r v e y - t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e st h el de n d p u m p e dn d ：g d v 0 4l a s e r , m e a s u r e st h e c o n t i n u o u sw a v ea n dt h eq s w i t c h e do u t p u tc h a r a c t e r i z a t i o no f1 3 4 “mw a v e ，a n dt h e t r a n s f o r m e dt h ef r e q u e n c yt og e tt h er e dl a s e ro u t p u t t h ec o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： t t h ed i o d ep u m p e ds o l i ds t a t el a s e r sa n dd i o d ep u m p e ds o l i ds t a t e l a s e r m a t e r i a l sb r i e f l ya r ed e s c r i b e d t h ea d v a n t a g eo ft h es o l i ds t a t el a s e r sa n dt h em a i n p e r f o r m a n c eo fl dp u m p e dl a s e rc r y s t a la r ei n l r o d u c e d ，a n dt h ep e r s p e c t i v ea n dh i t s o l i ds t a t el a s e r sa n dt h em a i nc o n t e n to ft h ep a p e ra r eg e n e r a l i z e d 2 ，t h es e v e r a la s p e c t so f t h et h e r m a le f f e c t so f t h el a s e rc r y s t a la r ed i s c u s s e d t h e i i i 山东帅范人学侦l 学位论史 t h e r m a le f f e c to np a r a m e t e rm o d ed e s i g nw a sd i s c u s s e df r o mt h ep o i n to ft h e r m a le f f e c t ， t h em a t r i xt r a n s f o r m a t i o no fg a u s sb e a ma n da b c dl a ww es t u d i e dt h e1 3 4p _ ml a s e r o u t p u to ft h en d ：y v 0 4a n dc o m p a r e dw i t h t h e1 0 6 i ，t m o u t p u t w eu s e ds i m p l e p l a n e c o n c a v ec a v i t ya n dv a r i e dt h ec a v i t yl e n g t ht os t u d yw h e nt h ec a v i t yl e n g t hi s 3 c m ，i n c i d e n tp u m pp o w e ri s7 5 6w ，m a x i m u mc o n t i n u o u so u t p u tp o w e ro f1 3 4 1 a mi s 2 3 9w 、w i t hs l o p ee f f i c i e n c yo f3 6 5 a n do p t i c a l o p t i c a lt r a n s f o r me f f i c i e n c yo f 3 1 7 3t h ee f f e c t so fp u m p i n ga n do s c i l l a t i n gw a v ep r o f i l eo ht h el a s e ro p e r a t i o nb y s u r v e y i n gt h ed i f f e r e n t i a le q u a t i o no ft h eg a i nm a t e r i a ls a t u r a t i o nc a v i t ya r es t u d i e d t a k en d ：g d v 0 4l a s e rc r y s t a lf o re x a m p l e ，t h eo u t p u tc h a r a c t e r i z a t i o nn u m e r i c a l l ya n d t h e ng o tt h e o r ym o d e li sc a l c u l a t e d ，p r o v i d i n gc o n d i t i o nf o rt h ec a v i 毋d e s i g na n dt h e n e a t l yo p e r a t i o no fe x p e r i m e n t i nap l a n e c o n c a v ec a v i t yc o n f i g u r a t i o n ，w i t hp u m p p o w e ro f7 w , a4 m ml o n gc r y s t a lw i t hn d 3 + i o np o p u l a t i o ni n t e n s i t yo f1 3 a t p r o d u c e m a xo u t p u tp o w e ro f1 6 5wa t 1 3 4 p m ，w i t ho p t i c a l - o p t i c a lt r a n s f o r me f f i c i e n c yo f 2 7 8 a n ds l o p ee f f i c i e n c yo f31 ；w h i l ea9t o n il o n gc r y s t a l ，w i t h0 7 8 a t ， p r o d u c e dt h em a xo f1 5 8 w ，t h ec o r r e s p o n d i n go p t i c a l o p t i c a le f f i c i e n c yo f 2 5 9 ，a n d s l o p ee f f i c i e n c yo f 2 8 4 t h eo p t i m u mc o u p l i n gp a r a m e t e r sc l l r v eo fm a xo u t p u te n e r g y ，a b s t r a c t e f f i c i e n c y , p e a kp o w e ra n df w h mp u l s ew i d t he ta l 。a r ea n a l y z e da n d t h es p e c i f i c q s w i t c h e do p t i m u mc o u p l i n go u t p u tc h a r a c t e r i z a t i o no fn d ：g d v 0 41 3 4 p ml a s e ra r e d i s c u s s e d w eu s e da c o u s t i c o p t i c a lq s w i t c h ，a n dl de n dp u m p e dn d ：g d v 0 4l a s e r i np l a n e - p l a n ec a v i t y , p l a n e - c o n c a v ea n df o l d e dc a v i t y t og e t1 3 4 9 i nl a s e rp u l s ew i t h h i g hr e p e a tf r e q u e n c ya n ds h o r tp u l s ew i d t h i np l a n e c o n c a v ec a v i t y , w eg e tm a x a v e r a g eo u t p u tp o w e ro f2 5 3 m w , w i t ho p t i c a l - o p t i c a lt r a n s f o r me f f i c i e n c yo f3 2 a n d s l o p ee f f i c i e n c yo f4 3 a n dt h eo u t p u tp o w e rw a s8 w , t h es h o r t e s tp u l s ew i d t h ，m a x s i n g l ep u l s ee n e r g ya n dt h eh i g h e s tp e a kp o w e rw a s7 8 n s ，2 0 1p ja n d2 6 5 w r e s p e c t i v e l y i nf o l d e dc a v i t yc o n f i g u r a t i o n ，t h ea v e r a g eo u t p u tp o w e ri nd i f f e r e n tr e p e a t f r e q u e n c i e s ( 5 k h z ，l o k h z ，1 5 k h z ，2 0 k h z ) a r ec o m p a r e d ，a n dt h es h o r t e s tp u l s ew i d t ho f 4 5n si sg o t t e nw h e nt h ep u m pp o w e ri s6 8 wa n dt h er e p e a tf r e q u e n c yi s5 k h z 5 t h el de n dp u m ps o l i ds t a t el a s e ri n t r a c a v i t yd o u b l i n gf r e q u e n c ya c c o r d i n gt o t v 山东师范人学硕i 。学位论文 t h ef r e q u e n c yd o u b l i n gt h e o r ya r es t u d i e d ，a n dn o n l i n e a rc r y s t a l sc r i t i c a la n du n c r i t i c a l p h a s em a t c h ，a n dt h eo p t i c a lf r e q u e n c yd o u b l i n gc h a r a c t e r i z a t i o no fk t pc r y s t a la r e d i s c u s s e d t h ek t pf r e q u e n c yi n t r a c a v i t yd o u b l i n gl a s e rw i t has i m p l ep l a n e p l a n e c a v i t yi su s e df o rt h ef i r s tt i m e ，a n ds i n g l ep a s sc o n t i n u o u sr e do u t p u to f5 0 7 m wi s g o t t e n w i t ho p t i c a l o p t i c a lt r a n s f o r me f f i c i e n c yo f1 5 a n d6 7 1n r nr e dl a s e ri sa l s o g o t t e nu s i n gp l a n e c o n c a v ea n dt h r e em i n o rf o l d e dc a v i t yc o n f i g u r a t i o ni nf o l d e do n e ， w h e np u m pp o w e rw a s7 ws i n g l ee n dc o n t i n u o u sr e do u t p u to f6 0m ww a sa c h i e v e d a n dt h eo p t i c a l o p t i c a lt r a n s f o r me f f i c i e n c yi s1 7 c o r r e s p o n d i n g l y k e yw o r d s ：l a s e rd i o d e ，n d ：g d v 0 4 ，k t p , i n t r a c a v i t yf r e q u e n c y d o u b l e d ，a o q s w i t c h e d c l cn u m b e r ：0 4 3 7 v 独创声明 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，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得( 注：如没 有其他需要特别声明的，本栏可空) 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。 与我一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：彭俑侑 导师签字 学位论文版权使用授权书 沙1 本学位论文作者完全了解有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权一可以将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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用 本授权书) 学位论文作者签名：篮俑确 签字日期：2 0 0 5 年4 月1 5 同 导师签字：洲 签字同期：2 0 0 5 年4 月易邮 东师范大学倾i 学位论文 第一章导论 1 1 激光二极管泵浦固体激光器概述 一、激光二极管泵浦固体激光器的发展 2 0 世纪6 0 年代初世界上第一台红宝石激光器问世i lj 。这标志着在激光技术的 发展进程中，固体激光器是最早实现激光输出的。但从2 0 世纪7 0 年代至8 0 年代 随着气体和液体激光器的发展，传统的灯泵固体激光器由于存在效率低和热效应 严重等缺点，其研究、发展和应用受到很大的限制。到了8 0 年代中期，激光二极 管性能得到迅速提高，高效率、稳定、机构紧凑、长寿命和全固态的l d 泵浦固体 激光器( 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 ) 出现并发展起来，因而全面带动 了新型固体激光材料和l d 泵浦技术的发展，并迅速渗透到激光技术的各个领域， d p s l 的连续运转、脉冲运转、单频运转以及频率变换等各种器件都取得了重大进 展，分别达到了实用化水平。9 0 年代，随着大功率的l d 列阵和光纤输出耦合半 导体激光器系统的出现和发展，d p s s l 的输出功率和效率得到了相当大的提高， 从而更加拓宽了其应用领域范围，在军事、医学、信息、工业、科研等领域呈现 了广泛的应用前景。尤其是大功率红、绿、蓝三基色激光器，成为大屏幕、高清 晰度激光彩色显示的研究热点。 二、d p s s l 比传统的闪光灯泵浦的固体激光器具有的优点【2 】： 1 总体效率高。l d 的输出波长可以通过改变l d 的组分和结构以及调节l d 的 工作温度，与固体激光材料中激活离子的吸收峰实现完全重合，这一方面有 利于激光材料对泵浦光的吸收，明显提高光泵效率，从而降低激光材料的热 负荷和对激光器冷却系统的要求；另一方面还避免了闪光灯泵浦时短波长高 能量光子的有害辐射对激光材料的损伤。此外，l d 的输出光与激光材料中的 振荡光能够实现较好的空间匹配，也有利于提高l d 对激光材料的泵浦效率。 2 光束质量好。l d 对激光材料比较高的泵浦效率大大减少了激光材料中积聚的 热量，从而有效地降低了热效应，进而改善了d p s l 的输出光束质量。同时 l d 本身的输出功率稳定性比较高，也有利于d p s l 输出功率稳定性的提高。 3 全固化、结构紧凑、体积小、重量轻。l d 泵浦使激光器泵浦系统和冷却系统 大大简化。l d 输出光束的方向性和小发散角，使得有可能设计出新型固体激 光器，如端面泵浦系统、微片激光器和光纤激光器等。 l 东师范人学硕j 学位论吏 4 寿命6 乏。固体激光器的寿命主要取决于泵浦源的寿命。日前l d 的寿命已经 达到1 0 5 小时，而闪光灯的寿命却仪为数白小时。 i 、d p s s l 与l d 本身比较所具有的优点： 1 线宽窄，易实现单频运转。般情况下，l d 输出光的线宽为2 - 3 m n ，而d p s i 的线宽可以小于0 0 1 n m 。 2 光束质量好，发散角小，具有高的相干性，亮度高，输出功率高。一般高效 率l d 输出的光为椭圆度很大的发散光，而d p s l 输出光束的发散角能够小 于i m r a d ，实现基横模运转，输出功率可以达到上千瓦，聚焦后亮度极高。 3 ，峰值功率高。绝大部分固体激光材料都有较高的上能级寿命，能量存储能力 较强，通过调q 和锁模技术可以获得高峰值功率的短脉冲和超短脉冲激光输 出。 4 激光波长覆盖面广。d p s l 可以通过采用不同的激光工作物质以及非线性光 学频率变换技术，产生从深紫外到远红外波段不同波长的激光，并且能实现 双波长、多波长或可调谐运转。 d p s l 的泵浦方式大致可以分为两种：端面泵浦( 纵向泵浦) 和侧面泵浦( 横 向泵浦) 。端面泵浦容易实现泵浦光和激光t e m o 。模体积的最佳空间匹配，有利于 腔内产生高效率t e m o o 基横模振荡，但是激光晶体中的热效应相对而言比较严重。 侧面泵浦可以减轻激光晶体中的热效应，有利于获得高功率激光输出，但由于激 活区位于激光晶体边缘，腔内易出现多横模振荡，且基横模效率不高。 在d p s l 发展的初期，端面泵浦由于其自身的空间局限性，一般只应用在中 低功率水平范围。然而，随着光纤耦合技术的发展和大功率光纤耦合输出半导体 激光器系统的出现，端面泵浦激光器已经向大功率和高效率发展。其中采用侧面 泵浦方式的d p s l 的输出功率已经达到了千瓦水平。 1 2 激光二极管泵浦的固体激光材料概述 d p s l 的效率及各方面性能主要取决于激光工作物质的物理和化学性质，因此 寻找适合高功率l d 泵浦的新型固体激光材料也是全固态激光器研究和开发不可 缺少的一部分，并且已经成为材料领域研究和探索的热点。性能优良的固体激光 材料应该具有如下几个特点： 】良好的光谱性能，即要求材料在泵浦辐射区有较强的吸收，而在激光辐射区的 2 山东帅范大学硕1 学位论文 吸收尽量弱；要有较强的荧光辐射、高的量子效率、合适的荧光寿命和受激发 射截血等。对于连续激光器，荧光线宽越窄，受激发射截面越大，荧光寿命越 长，则光泵浦闽值越低，激光转换效率越高。然而对于脉冲和锁模超短脉冲激 光器，则要求材料有较宽的荧光线宽和较长的荧光寿命。 2 优良的物理化学性能，即要求材料热膨胀系数小，比热高，热导率高，光损伤 闽值高，机械性能好，化学稳定性好，易于加工等。 3 优良的光学均匀性，即要求激光材料内尽量避免有杂质颗粒、包裹物、气泡、 生长条纹和应力等缺陷，并使折射率不均匀性尽量小。 随着d p s l 向高功率和高能量方向的发展，d p s l 对激光材料各方面性能的要 求也越来越高，当前最主要的是激光材料的热学性能，特别是对高功率激光器。 激光材料热效应的最直接表现就是热透镜效应，即热聚焦作用。这主要由激光材 料的热色散、热应力光弹效应和热致形变三个因素导致的。激光材料的热聚焦作 用全面影响着固体激光器的各方面性能，包括谐振腔中的模参数和动态稳定范围、 d p s l 的动态稳定性、效率和寿命等。 激光材料热效应的另一个表现是热致损耗。在端面泵浦激光器中，泵浦光的 吸收局限在很小的增益介质体积内。介质内的温度径向分布按对数规律降低，从 而引起介质折射率径向也按对数规律变化，造成光程差沿径向变化偏离二次方关 系。这种偏离相当于晶体的热透镜存在着高阶球差p j ，对谐振腔中的激光束引起附 加的衍射损耗，即热致损耗。 此外，激光晶体吸收泵浦能量，会有相当一部分转换为热量耗散在激光晶体 内，从而使晶体内部产生不均匀的热应力分布。当热应力超过了晶体所能承受的 最大限度时，激光晶体将会发生破坏性的热开裂阚题，这极大的限制了其所能承 受的最大泵浦功率和所能获得的虽高激光输出功率。 目前，在高功率的d p s l 中应用比较广泛的激光材料有：n d ：y a g 、n d ：y l f 、 y b ：y a g 、n d ：y 、，0 4 和n d ：g d v 0 4 晶体等。 1 掺钕钇铝石榴石( n d ：y a g ) 晶体是研究最成熟的激光材料。目前广泛应用于闪 光灯泵浦和l d 泵浦的nd = y a g 激光器，占固体激光器的9 0 左右。n d ：y a g 基质 很硬，光学质量好，并且热导率高( 1 1 1 w m - k 。) 引，可以用提拉法生长出大尺 寸、高质量的单晶。此外y a g 的立方结构有利于形成窄的荧光线宽，使激光器高 增益和低阙值工作。它的荧光寿命比较长( 2 3 0 p s ) 1 1 ，常用于产生高能量和高峰 3 山东师范人学坝 学位论文 值功率的巨脉冲激光输出。但是n d ：y a g 晶体的泵浦吸收峰较窄， 般情况卜泵 浦效率较低，在高泵浦功率1 ：往往产7 i ：严重的热应力双折射和热透镜畸变，并且 它的受激发射截面不大【5j 。 2 掺钕氟化钇锂( n d ：y l f ) 是单轴晶体，在1 0 4 7 9 m 具有较高的增益【6j 。它的卜= 能级寿命是4 8 0 p s ，可在l d 功率较低情况下泵浦仍能有效地储能，适合产生大能 量调q 脉冲。它的荧光线宽是y a g 的三倍，有利于产生窄脉宽超短脉冲输出。在 低能输出范围内，当吸收效率和损耗相同时，n d ：y l f 比n d ：y a g 具有更高的斜效 率1 7 1 ；在高能输出范围内，o 偏振跃迁( 1 0 5 3 9 m ) 允许有更高亮度的l d 泵浦源， 在放大自发辐射发生之前存储更多的能量【8 9 】。1 0 5 3 l x m 波长讵好与大功率激光放 大系统的n d 玻璃光波长相吻合，因此可做注入种子源。但y l f 晶体的热导率只 是y a g 的一半，机械强度低，不宜用于高平均功率场合下。由于n d ：y l f 的吸收 带宽仅为2 r i m ，与l d 发射光谱宽度相当。用l d 泵浦时，它的激光输出将强烈依 赖于l d 的结温变化，所以应用中对l d 温度控制要求较为严格。 3 y b ：y a g 晶体【l0 】吸收波长是9 4 0 n m ，适合i n g a a sl d 泵浦。y b ：y a g 的激光波长 是1 0 5 9 m ，所以在泵浦和萃取光子能量之间的量子亏损非常低，斜效率高，导致 了固有的低热负载。y b ：y a g 物化性质稳定，可高掺杂而不产生淬灭。 4 n d ：y v 0 4 晶体( 掺钕钒酸钇) 是四方晶体，属锆英石性结构，单轴晶系。n d ：y v 0 4 中激活离子位置具有低的点群对称性，离子振荡强度大。y v 0 4 基质对n d 离子有 敏化作用，提高了它的吸收能力。n d ：y v o n 在1 0 6 1 a m 处有较大的受激发射截面， 是n d ：y a g 的五倍多。它的吸收峰较高，同时也是一种高双折射率晶体，易产生 偏振光输出，可避免n d ：y a g 出现的热双折射现象。但是他的导热性差，机械性 能也不如n d ：y a g ，不适合灯泵。另外n d ：y v 0 4 的上能级寿命比n d ：y a g 和 n d ：y l f 短，大尺寸的晶体也难生长。上述缺点限制了它在高平均功率下的应用。 但对l d 泵浦的中小功率连续波激光器，特别是微片激光器来说，仍是理想的增益 介质。 5 n d ：g d v 0 4 ( 掺钕钒酸钆) 晶体，是1 9 9 2 年由俄罗斯和德国科学家首先发明 的一种l d 泵浦用激光晶体，性能优良。它与目前己广泛应用的n d ：y v 0 4 晶体具 有相似的晶体结构，属于四方晶系，类似于锆英石( z r s i 0 2 ) 的磷钇矿结构，空间 群d 1 9 4 h 1 4 1 a m d ，稀土离子( y ，g d 或n d ) 所在格位对称性为d 2 d 。但g d j + 离 子半径比y 3 + 离子大，与n d 3 + 离子更接近。因此，与n d ：y v 0 4 相比，n d 3 + 更容易 山东师范人学硕卜学位论文 替代g d ”而得到较高n d ”浓度和较低n d ”浓度梯度的n d ：g d v 0 4 晶体。 在光谱和激光性能卜，两者也十分相似。但n d ：y v o 。晶体具有更高的泵浦波 长吸收系数( 对于f c ，n d ：g d v 0 4 ) 在8 0 8 n m 处吸收系数达7 4 c m ，而n d ：y v 0 4 的相应数值为4 0 c m 一1 ) 。n d ：g d v 0 4 品体的另一特点是n d 的激光上能级4 f m 存在偶然简并。众所周知，n d ”的4 f 3 n 能级通常分裂成两个斯塔克能级，例女7 7 。k 时，对于n d ：y a g ，这两个斯塔克能级f 司距a e = 8 5 c m ，对于n d ：y v o 。， a e = 8 5 c m 。而对于n d ：o d v 0 4 ，用分辩率为1 c m 。的仪器只测得4 f 3 ，2 能级线宽为 8 8 e m ，所以4 f 3 ，2 能级实际上几乎是简并的。这是已知n d 3 + 激光晶体中激光上能 级4 f 3 ，2 发生偶然简并的唯一例子，这种跃迁谱线的强烈重叠将使n d ：g d v o 。的有 效发射截面比n d ：y v o 。提高2 5 卜1 ”。 对于固体激光工作物质的一般要求我们可以概括为以下几个方面：1 ) 在激光 工作频率范围应透明，当光激励产生色心时，不会引起吸收的显著增加。2 ) 掺入 的激活离子具有有效的激励光谱和较大的受激发射截面。3 ) 能掺入较高浓度的激 活离子，浓度淬灭效应小，荧光寿命长。4 ) 较高的光学质量和荧光量子效率。5 ) 良好的物理、化学和机械性能，热导率高，热膨胀系数小，破坏强度高，易于光 学加工。6 ) 容易生长出大尺寸的材料。7 ) 制备工艺简单，成本低廉。 1 3 全固态激光器的研究热点和发展前景及本论文的主要内容 高效大功率l d 的出现以及新型激光晶体和频率变换技术的成熟，大大激发了 人们研究开发全固态激光器的热情。总结近些年来全固态激光器的发展和研究现 状，我们认为d p s l 器件的研究热点和发展方向主要有以下几点： 一、全固态可见光激光器。蓝光除n d ：y a g 的9 4 6 n m 谱线倍频外，还有近红 外l d 直接倍频，t i ：s a p p h i r e 、c r ：l i s a f 等近红外输出的倍频以及通过参量、和频 等方法的过程获得。全固态绿光激光器的研究已经从实验室走向市场化，从m w 量级到w 级的全固态绿光激光器近年已有产品。 二、中红外激光器。掺钬、铥、铒等稀土离子泵浦的中红外参量激光器近几 年研究较多，主要是基于2 1 a m 附近激光在大气遥感、医疗等方面的应用价值，是 当前全固态激光研究领域的重要方向之一。 三、单频激光器。单频激光器是高精度光谱和原子物理研究中不可缺少的光 源，也是相干光学测量如光雷达及光通信等应用的核心器件。获得单频的技术方 山东师范大学硕l 学位论文 法比较多，如环形腔、微片腔、短程吸收和腔内加波片或标准具等。 另外，非线性晶体材料及周期性和准周期性畴反转l i n b 0 1 、l i t a 0 3 、k t p 、 m g o ：l n 等材料应用于全固态激光器，通过倍频、和频以及参蕈等变频过程，在 频域上扩展了d p s l 的波长范围。饱和吸收器，尤其是半导体饱和吸收器和 c r ”：y a g 、v ”：y a g 应用于全固态激光器，在时域卜 扩展了d p s l 的脉冲范围。 n d ：g d v 0 4 晶体具有良好的激光性能，沿 方向的热导率( 1 1 7 w m k ) 远 高于n d ：y v 0 4 ，与n d ：y a g 相当，对8 0 8 n m 波长存在很强的宽吸收带等突出特点， 可以实现高浓度掺杂而不出现发光浓度猝灭，大的分凝系数使生长光学质量均匀 的晶体相对容易，在1 3 4 1 a m 的受激发射截面是1 8 1 0 。9 c m 2 ，高于n d ：y a g 晶体 ( o 7 1 0 。9c m 2 ) 而略低于n d ：y v 0 4 晶体( 2 8 1 0 。1 9c m 2 ) ，1 3 4 p m 谱线与1 0 6 9 m 谱线的分支比约为0 | 2 ，大于n d ：y a g 晶体的0 1 8 ，因此，n d ：g d v 0 4 晶体适合于 产生高效高功率的1 3 4 p m 激光，并且激光上能级的寿命比较短，非常适合于产生 高重复频率、高峰值功率和短脉宽的激光脉冲【“2 1 ，近年来引起人们极大的兴趣。 由于1 3 4 p m 激光处于人眼的安全区，同时与石英光纤低色散和低消耗的波长 区域一致，因而在医疗、通讯、光传感与定位等领域具有非常广阔的应用。1 3 4 p m 激光的另一个重要应用是倍频获得6 7 1 r a n 红光，可应用于激光彩显、替代氪离子 激光器泵浦c r ：l i s a f 实现自锁模可调谐超快脉冲输出。与1 , 3 4 9 i n 连续激光器相 比【1 3 4 5 1 ，声光调q 脉冲激光器具有更加广泛的应用领域，可以获得极高的峰值功 率和非常短的脉冲宽度，并能提高器件的效率、稳定性和使用寿命，还可实现器 件的小型化，更便于实用，采用n d ：g d v 0 4 晶体的1 3 4 1 a m 声光调q 激光器的研究 已有少量报道【1 6 1 。用k t p 晶体倍频 3 4 p m 基频光获得6 7 i n t o 红光，由于k t p 晶 体在非线性系数、尺寸及破坏闽值等方面的优势，已成为目前频率变换技术中应 用最广泛的晶体，特别是在光参量及全固态倍频器件中得到了广泛的应用。并且 k t p 不需要进行精确的温度控制，装置简单，不失为全固态激光器倍频得到红光 的一种有效途径。 本论文以l d 端面泵浦的新型n d ：g d v 0 4 晶体激光器为主要研究对象考察了 1 3 4 9 m 的连续波及声光调q 输出性能，并对其进行非线性光学频率变换，得到了 红光输出特性。本论文第二章讨论了激光晶体的热效应激光性能的各个方面的影 响。从热透镜效应、高斯光束的矩阵变换和a b c d 定律来讨论热透镜对设计参数