（光学工程专业论文）nd：yvo4和nd：gdvo4晶体自激活自拉曼转换激光器.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：监日期。 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：盔越红一导师签名飞! 垒堡重日期：2 边垒! 山东大学硕士学位论文 中文摘要 受激拉曼散射是一种重要的变频方法，可以获得新的激光波长，大大拓宽激光的光 谱范围。转换后的激光波长由抽运光的波长和拉曼介质决定。拉曼激光具有散射光光束 质量好、脉宽窄、不需要相位匹配以及高的转换效率等多种优点。与传统的气体和液体 拉曼介质相比，固体拉曼介质具有粒子浓度大、体积小、拉曼增益系数大及热导性好等 优点。已经有多种晶体被发现是优良的拉曼晶体，例如b “n 0 3 ) 2 、l i l 0 3 、s r w 0 4 、b a w 0 4 、 k g d ( w 0 4 ) 2 、y v 0 4 和g d v 0 4 晶体等。以晶体为拉曼介质的固体拉曼激光器结构紧凑， 效率高，稳定性好，在信息、交通、测量、医疗、国防和工农业等领域都有重要的应用， 是激光器件领域的研究热点。 n d ：y v 0 4 晶体和n d ：g d v 0 4 晶体是同构体，两种晶体具有受激发射截面大、吸收带 宽比较宽、吸收系数高、线偏振输出等优点，已经被证明是优良的激光晶体。2 0 0 1 年， k a m i n s k i i 等人发现y v 0 4 晶体和g d v 0 4 晶体还是优良的拉曼晶体，提出n d ：y v 0 4 晶 体和n d ：g d v 0 4 晶体可以作为自激活自拉曼晶体并可应用于可见光和近红外区域。 本文以n d ：y v 0 4 晶体和n d ：g d v 0 4 晶体为自激活自拉曼晶体，实验方面系统地研 究了这两种晶体的白激活自拉曼转换激光器的输出特性，研究了不同的脉冲重复率、输 出镜透过率、饱和吸收体的小信号透过率、拉曼晶体的切割方向对拉曼光输出特性的影 响；理论方面使用速率方程对主动调q 和被动调q 的自激活自拉曼转换激光器的特性 进行了理论模拟，理论结果与实验结果大致相符。具体内容为： 系统地研究了主动调q 的a - c u tn d ：y v 0 4 晶体自激活自拉曼转换激光器的特性。 n d ：y v 0 4 晶体同时作为激光晶体和拉曼晶体，使用不同透过率的输出镜，在不同的脉 冲重复率下，得出了平均输出功率、脉冲宽度、脉冲能量和峰值功率随抽运功率的变化 关系。典型的1 0 6 4 n n l 基频光和1 1 7 6n n l 拉曼光脉冲的脉冲宽度分别为2 6 3 1 1 8 和9 0 n s 。 在脉冲重复率为2 0k h z ，抽运功率为8 4 6w 时，产生了平均功率为o 3 8w 的1 1 7 6 n n l 光的输出，光光转化效率为4 5 。使用速率方程对自激活自拉曼n d ：y v 0 4 主动调q 激光器的输出特性进行了理论研究，把脉冲重复率为1 0k h z ，2 0k h z ，3 0k h z 时的拉 曼光的单脉冲能量和脉冲宽度的实验结果与理论结果进行比较，理论结果与实验结果大 致地相符。 系统地研究了主动调q 的c c u tn d ：y v 0 4 晶体自激活自拉曼转换激光器的特性。使 用不同透过率的输出镜，得出了不同的脉冲重复率下，平均输出功率、脉冲宽度、脉冲 能量和峰值功率随抽运功率的变化关系。利用速率方程对c - c u tn d ：y v 0 4 晶体的拉曼光 输出特性进行了分析比较。 首次实现了主动调q 的a - c u tn d ：g d v 0 4 晶体自激活自拉曼转换激光器在1 1 7 3n l n 的运转，系统研究了l d 抽运的主动调q 的a - c u tn d ：g d v 0 4 晶体自激活自拉曼转换激 1 山东大学硕士学位论文 光器的输出特性。n d ：g d v 0 4 晶体同时作为激光晶体和拉曼晶体，利用声光调q 技术， 产生了1 1 7 3n n l 的拉曼激光。使用不同透过率的输出镜，在不同的脉冲重复率下，得出 了平均输出功率、脉冲宽度、脉冲能量和峰值功率随抽运功率的变化关系。典型的1 0 6 3 n l n 基频光和1 1 7 3n n l 拉曼光脉冲的脉冲宽度分别为3 3 0n s 和1 3 8n s 。在脉冲重复率为 3 0k h z ，抽运功率为9 6w 时，产生了平均功率为0 8w 的1 1 7 3n m 拉曼光，相应的光 光转化效率为8 3 。在脉冲重复率为1 0k h z ，抽运功率为9 6w 时，获得的最大单脉 冲能量为7 0 7 ，相应的峰值功率为5 2k w 。利用速率方程对a - c u tn d ：g d v 0 4 晶体的 拉曼光输出特性进行了分析比较。 系统地研究了被动调q 的c - c u tn d ：g d v 0 4 晶体自激活自拉曼转换激光器的特性。 分别利用两块不同初始透过率的c r 4 + ：y a g 晶体，研究和比较了n d ：g d v 0 4 晶体自激活 自拉曼转换激光器的输出特性。使用不同透过率的输出镜，得出了平均输出功率、脉冲 宽度、脉冲重复率、脉冲能量和峰值功率随抽运功率的变化关系。当c ，：y a g 的初始 透过率为9 1 ，抽运功率是5 7w 时，得到拉曼光的最高平均输出功率为o 2 4w ，相 应的转换效率为4 2 。利用速率方程对被动调q 的c - c u tn d ：g d v 0 4 晶体自激活自拉曼 转换激光器的输出特性进行研究，理论结果与实验结果大致相符。 关键词：固体激光器；拉曼激光器；受激拉曼散射：n d ：y v 0 4 晶体：n d ：g d v 0 4 晶体 主动调q ；被动调q ；速率方程 2 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es t i m u l a t e dr a r n a ns c a t t e r i n g ( s r s ) c a ns h i rt h el a s e rf r e q u e n c yo v e raf i x e d f r e q u e n c yg a pt op r o d u c en e w l a s e rl i n e s t h er a m a nl a s e rw a v e l e n g t hi sd e t e r m i n e db yt h e w a v e l e n g t ho f t h ef u n d a m e n t a lp u m pl a s e ra n dt h er a m a ns h i f to ft h er a m a n - a c t i v ec r y s t a l s r sp o s s e s s e sm a n ya t t r a c t i v ef e a t u r e ss u c ha sb e a mc l e a n - u p ，p u l s ec o m p r e s s i o n , n on e e d f o rp h a s em a t c h i n g a n dh i g hc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lg a sa n d l i q u i dr a m a nm e d i a , t h er a m a nc r y s t a l so f f e rh i g hg a i n ，h i g hm o l e c u l ed e n s i t y , g o o dt h e r m a l a n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ag o o dn u m b e ro fc r y s t a l sh a v eb e e nf o u n dt ob er a m a n a c t i v e ， s u c ha sb a ( n 0 3 ) 2 ，b a w 0 4 ，k g d ( w 0 4 ) 2 ，y v 0 4a n dg d v 0 4c r y s t a l s t h er a m a nl a s e r sb y u s i n gc r y s t a lm e d i ah a v et h ea d v a n t a g e so fc o m p a c t n e s s ，h i g l le f f i c i e n c ya n dh i g hs t a b i l i t y a n dh a v ew i d ea p p l i c a t i o n si ns u c ha r e sa si n f o r m a t i o n , c o m m u n i c a t i o n ，m e d i c i n e ，n a t i o n a l d e f e n c e , a n ds oo n n d ：y v 0 4a n dn d ：g d v 0 4c r y s t a l sa r ei s o m o r p h s t h e yh a v et h ea d v a n t a g e so fh i g h a b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t ，l a r g ee m i s s i o nc r o s s - s e c t i o n , h i i g ha b s o r p t i o no v e raw i d ep u m p i n g w a v e l e n g t hb a n d w i d t ha n dp o l a r i z a t i o ne m i t t i n gf e a t u r e ，a n dh a v eb e e nr e c o g n i z e d a s e x c e l l e n tl a s e rm e d i af o rd i o d ep u m p i n g i n2 0 0 1k a m i n s k i ie ta 1 f o u n dy v 0 4a n dg d v 0 4 w e r es a m a n a c t i v e ，p r e d i c t e dt h a tn d ：y v 0 4a n dn d ：g d v 0 4w o u l db ep r o m i s i n gs e l f - r a m a n l a s e rc r y s t a l si nt h ev i s i b l ea n dn e a ri n f r a r e ds p e c t r a lr e g i o n s b yu s i n gn d ：y v 0 4a n dn d ：g d v 0 4c r y s t a l sa sb o t hg a i nm e d i aa n dr a m a nm e d i a , w e m a k eas y s m e t i cr e s e a r c ho nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es e l f - r a m a nl a s e r sw i t hn d ：y v 0 4a n d n d ：g d v 0 4c r y s t a l s t h er a t ee q u a t i o n sa r eu s e dt od e s c r i b et h er a m a np u l s ec h a r a c t e r i s t i c s ， t h et h e o r e t i c a lr e s u l t sa r ei na g r e e m e n tw i mt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so nt h ew h o l e t h em a i n c o n t e n to f t h i sd i s s e r t a t i o ni sa sf o l l o w s ： 1 a1 1 7 6n n lr a m a nl a s e ri so b t a i n e db yu s eo fs e l f - r a m a nc o n v e r s i o ni na d i o d e p u m p e da c t i v e l yq s w i t c h e da - c u tn d ：y v 0 41 0 6 4n ml a s e r t h ec h a r a c t e r i s t i c s i n c l u d i n gt h ea v e r a g eo u t p u tp o w e r , p u l s ew i d t h ，p u l s ee n e r g ya n dp e a kp o w e rv e r s n s t h ei n c i d e n tp u m pp o w e ra n dp u l s er e p e t i t i o nr a t ea r em e a s u r e d t h ew i d t h so ft h e t y p i c a lf u n d a m e n t a lp u l s e sa t1 0 6 41 1 1 1 1a n dt h er a m a np u l s e sa t1 1 7 6n na r e2 6 3a s a n d9 0m r e s p e c t i v e l y a tar e p e t i t i o nr a t eo f 2 0k h za n da ni n c i d e n tp u m pp o w e ro f 8 4 6w ：a na v e r a g eo u t p u tp o w e ro f0 3 8wa tl1 7 6n ma n da l lo p t i c a l t o o p t i c a l c o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo f4 5 a r eo b t a i n e d t h er a t ee q u a t i o n sa r eu s e dt od e s c r i b et h e p e r f o r m a n c e o ft h es e l f - r a m a na c t i v e l yq s w i t c h e da - c u tn d ：y v 0 4l a s e r e x p e r i m e n t a l l ym e a s u r e da n dt h e o r e t i c a l l yc a l c u l a t e dp u l s ee n e r g i e sa n dp u l s ew i d t h sa t 3 山东大学硕士学位论文 1 1 7 6m nf o rt h ep u l s er e p e t i t i o nr a t e so f1 0 ，2 0 ，a n d3 0k h za r ec o m p a r e d ，t h e t h e o r e t i c a lr e s u l t sa r ei na 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 so nt h ew h o l e 2 a1 1 7 9r l l t lr a m a nl a s e ri so b t a i n e d b y u s eo fs e l f - r a m a nc o n v e r s i o ni na d i o d e - p u m p e da c t i v e l yq s w i t c h e dc - c u tn d ：y v 0 4l a s e r 1 1 1 ec h a r a c t e r i s t i c si n c l u d i n g t h ea v e r a g eo u t p u tp o w e r , p u l s ew i d t lp u l s ee n e r g ya n dp e a kp o w e rv e r s u st h ei n c i d e n t p u m pp o w e ra n dp u l s er e p e t i t i o nr a t ea r em e a s u r e dt h er a t ee q u a t i o n sa r eu s e dt o d e s c r i b et h ep e r f o r m a n c eo f t h es e l f - r a m a na c t i v e l yq - s w i t c h e dc - c u tn d ：y v 0 4l a s e r 3 a1 1 7 3n l nr a m a nl a s e ri so b t a i n e df o rt h ef i r s tt i m eb yu s eo ft h es e l f - r a m a n c o n v e r s i o ni nad i o d e - p u m p e da c t i v e l yq - s w i t c h e da - c u tn d ：g d v 0 41 0 6 3n n ll a s e r t h e c h a r a c t e r i s t i c si n c l u d i n gt h ea v e r a g eo u t p u tp o w e r , p u l s ew i d t h ，p u l s ee n e r g ya n dp e a k p o w e rv a s u st h ei n c i d e n tp u m pp o w e ra n dp u l s er e p e t i t i o nr a t ea r em e a s u r e d t h e w i d t h so ft h et y p i c a lf u n d a m e n t a lp u l s e sa t1 0 6 3n l na n dt h er a m a np u l s e sa tl1 7 3a m a r e3 3 0n sa n d1 3 8a s ，r e s p e c t i v e l y a tar e p e t i t i o nr a t eo f3 0k h za n da ni n c i d e n t p u m pp o w e ro f 9 6w a l la v e r a g eo u t p u tp o w e ro f 0 8w a tl1 7 3n mi so b t a i n e da n dt h e c o r r e s p o n d i n go p t 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 yi s8 - 3 n l em a x i m u mp u l s e e n e r g yi s7 0 7 w i t ha ni n c i d e n tp u m pp o w e r o f9 6wa n dap u l s er e p e t i t i o nr a t eo f 1 0k h z t h ec o r r e s p o n d i n gp e a kp o w e ri s 5 2k w , t h er a t ee q u a t i o n sa r eu s e dt o d e s c r i b et h ep e r f o r m a n c eo f t h es e l f - r a m a na c t i v e l yq s w i t c h e da - c u tn d ：g d v 0 4l a s e r 4 ， b yu s i n gc - c u tn d ：g d v 0 4a st h eg a i nm e d i u ma n dt h er a m a nm e d i u ms i m u l t a n e o u s l y , a n du s i n gt w oc r 4 + ：y a gc r y s t a l sw i t hd i f f e r e n ti n i t i a lt r a n s m i s s i o n sa st h es a t u r a b l e a b s o r b e r s ，t h ep a s s i v e l yq s w i t c h e do p e r a t i o no ft h es e l f - r a m a nc - c u tn d ：g d v 0 4l a s e r a tl 17 6a mi sr e a l i z e d t h ec h a r a c t e r i s t i c si n c l u d i n gt h ea v e r a g eo u t p u tp o w e r , p u l s e w i d t h ，p u l s er e p e t i t i o nr a t e s ，p u l s ee n e r g ya n dp e a kp o w e rv e r s u st h ei n c i d e n tp u m p p o w e ra r em e a s u r e d t h eo b t a i n e dm a x i m u mo u t p u ta v e r a g ep o w e ri s o 2 4ww i t l l r e s p e c tt ot h ei n c i d e n tp o w e ro f5 7w a n dt h ec o r r e s p o n d i n gc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yi s 4 2 w i t hs a t u r a b l ea b s o r b e ri n i t i a lt r a n s m i s s i o no f 9 l t h er a t ee q u a t i o n sa r eu s e dt o d e s c r i b et h ep e r f o r m a n c eo ft h es e l f - r a m a np a s s i v e l yq s w i t c h e dc - c u tn d ：g d v 0 4 l a s e r n et h e o r e t i c a lr e s u l t sa r ei na 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 so nt h e w h o l e 4 k e y w o r d s ： s o l i d s t a t el a s e r ；r a m a nl a s e r ；s t i m u l a t e dr a m a ns c a t t e r i n g ( s r s ) ； n d ：y v 0 4c r y s t a l ；n d ：g d v 0 4c r y s t a l ； a c t i v e q s w i t c h i n g ； p a s s i v eq s w i t c h i n g ；r a t ee q u a t i o n s 山东大学硕士学位论文 第一章绪言 拉曼效应是由a s m 6 k a l 在1 9 2 3 年理论推导提出的 1 。1 9 2 8 年，印度科学家c v r a m a n 发现了自发拉曼散射 2 】。受激拉曼散射是较早被发现的非线性现象之一。激光 产生后不久，w o o d b u r y 和n g 于1 9 6 2 年观测到相对激光频移1 3 4 5c 】t n “的红外激光输 出，首次发现了受激拉曼散射效应 3 】。受激拉曼散射是一种光学过程，在吸收一个光 子的同时也释放一个光子。通过受激拉曼散射可以实现频率转换产生其他激光波长的 输出，受激拉曼散射光的频率是由基频光频率和拉曼介质的拉曼振动模频率决定的。 1 9 6 3 年，ge c k h a r d t 等人在金刚石、方解石和硫磺中发现了受激拉曼散射，这是在晶 体介质中首次发现有受激拉曼散射的存在【4 】。1 9 7 7 年d z h o t y a n 和y - u 等人用l i l 0 3 和 h 1 0 3 作参量振荡器时也观察到受激拉曼散射现象，并发现其与参量振荡竞争【5 】。此 后，固体拉曼激光器的研究逐渐开展起来。 近年来，固体拉曼激光器已经成为全世界固体激光器领域的一个研究热点。固体拉 曼激光器结构紧凑、效率高、稳定性好。晶体拉曼介质同气体、液体拉曼介质相比，不 需要考虑气体拉曼介质的高压密封问题和液体拉曼介质的毒性及挥发问题，同时拉曼晶 体还具有良好的热导性。随着新的优质的拉曼晶体的不断出现，如b a ( n 0 3 ) 2 晶体【6 】- 【9 】、 l i l 0 3 晶体【l o 】- 1 3 】、k g d ( w 0 4 ) 2 晶体 1 4 】_ 2 3 】、b a w 0 4 晶体【2 4 】 2 7 】、s r w 0 4 晶体 【2 8 _ 3 2 】、p b w 0 4 晶体 3 3 】一【3 5 、y v 0 4 晶体【3 6 】【3 8 】、g d v 0 4 晶体 3 9 h 4 0 】，固体拉 曼激光器在信息、交通、测量、医疗、国防和工农业等领域都将有广泛的应用。 1 1 固体拉曼介质简介 拉曼介质包括气体，液体和固体拉曼介质。与传统的气体和液体拉曼介质相比，固 体拉曼介质具有粒子浓度大、体积小、拉曼增益系数大及热导性好等优点。 拉曼增益系数是决定晶体拉曼特性的主要参数，达到受激拉曼散射阈值后，拉曼 光的强度的增长还要受到腔内损耗、模式匹配、热效应等因素的影响。其他的对晶体 的要求还包括高的抗光伤阈值，对抽运波长和拉曼光波长高的透过率。高的抗光伤阈 值把有机晶体排除在外。拉曼晶体的热导性质也非常重要，因为受激拉曼散射的非弹 性特征，热会沉积在拉曼晶体当中，热透镜和其他热光效应会随着平均功率的增加而 变的很严重。同时因为拉曼增益与晶体长度成正比，所以晶体应该尽可能的长。 有效的拉曼晶体主要是包含原子团的离子晶体，拉曼晶体的性能主要由原子团的 性质决定，对于不同的原子团，内振动频率不同，拉曼线宽及散射截面都不同。常用 拉曼晶体的部分参数列于表1 ，以下我们对常用的几种拉曼晶体进行介绍分析。 山东大学硕士学位论文 1 1 1b a ( n 0 3 ) 2 晶体 1 9 8 0 年a s e r e m e n k o 等首次报道了b a ( n 0 3 ) 2 晶体的受激拉曼散射性能 6 】。在 已知的拉曼晶体中，它具有最高的稳态拉曼增益系数，对1 0 6 4n n l 和5 3 2n r n 波长的抽 运，其拉曼增益系数分别为1 le m g w 和4 7e m g w 。b a ( n 0 3 ) 2 晶体属于立方晶系，空 白j 群为p 2 1 3 ，晶胞参数a 等于o 8 1 1n m ，每个晶胞内有4 个b a ( n 0 3 ) 2 分子。b a ( n 0 3 ) 2 晶体的透光范围为o 3 5 1 8 岬，可以在可见光和红外区域实现拉曼转换。b a ( n 0 3 ) 2 晶 体具有高的光学均匀性。拉曼频移的最强振动模彳。在1 0 4 7c l t i 1 ，线宽仅有0 4c v n - 1 。 b a ( n 0 3 ) 2 晶体作为一种重要的拉曼晶体得到了广泛的研究 6 _ 9 】。 1 1 2l i l 0 3 晶体 l i l 0 3 晶体是六角对称单轴晶体，是电极性晶体，具有非线性系数大、抗辐射损伤 强等特点，l i l 0 3 晶体的拉曼光谱比较复杂，依赖于晶体的切向以及抽运光的传播和偏 振方向。l i l 0 3 晶体的拉曼频移有两个，分别为7 7 0c i l l 1 和8 4 8c n - 1 1 ，最强的拉曼峰是7 7 0 c r i l 一，拉曼线宽为5c m - l _ 6 锄一，相应的振动模是 1 0 3 分子团 1 0 】。 1 9 7 7 年，a n l n l f l n n 等人实现了“1 0 3 晶体的受激拉曼散射，得到了一阶s t o k e s 光的输 出功率为0 9 w ，转换效率为7 7 1 l 】。后来，p a s l 澍l i f 0 3 晶体又进行了研究 1 2 】， 1 3 。 1 1 3 钨酸盐晶体 目前在多种钨酸盐中同样实现了高效率的拉曼频移，如k g d ( w 0 4 ) 2 晶体，b a w 0 4 晶体，s r w 0 4 晶体和p b w 0 4 晶体。 钨酸盐晶体可以分为两类。第一类包括b a w 0 4 、s r w 0 4 和p b w 0 4 晶体，它们同属于 四方晶系结构，是单轴晶。这些晶体的拉曼频移大多发生在9 0 1 9 2 6 锄。1 之间，对应与 【w 0 4 原子团内的4 。对称模振动。t t b a s i e v 等人发现b a w 0 4 晶体的拉曼光谱具有较大 的拉曼散射截面和拉曼散射强度，说明b a w 0 4 晶体将会有较大的拉曼增益系数 4 1 。 后来测得b a w 0 4 晶体在1 0 6l a m 抽运激光的情况下，拉曼增益系数为8 5e n g g w ，在5 3 2 n m 抽运激光的情况下，拉曼增益系数为3 6e m g w ，瞬态拉曼增益系数为1 4 4 c m g w 2 4 。由此可见，b a w 0 4 体的稳态拉曼增益和瞬态拉曼增益均高于k g d ( w 0 4 ) 2 晶体；与b a ( n 0 3 ) 2 晶体相比，b a w 0 4 晶体的稳态拉曼增益仅低于b a ( n 0 3 ) 2 晶体的2 0 ， 但是瞬态拉曼增益为b a ( n 0 3 ) 2 晶体的3 倍，b a w 0 4 晶体的透光范围宽，不潮解，因此， b a w 0 4 晶体是一种性能优良的拉曼活性晶体，既适合于纳秒脉冲激光的频率转换，又 适合于皮秒脉冲激光的频率转换。 s r w 0 4 晶体的空间群为1 4 l a ，晶胞参数为a = 5 4 1 6 8 1 0 0 0i n ，e = 1 1 9 5 1x1 0 0 0m ， 6 山东大学硕士学位论文 v = 3 5 0 6 6 1 0 。om 3 ，z - - - 4 ，d c = 6 3 5 6g c m 3 ，每个白钨矿原胞由四个s r w 0 4 分子构成， s r 离子与八个氧离子连接，氧离子属于( w 0 4 ) 。联合体【4 2 】。s r w 0 4 晶体的拉曼频移为9 2 1 c m 一，线宽为2 7c m 1 ，拉曼增益系数在1 0 6l a m 为5e n g g w 2 8 。s r w 0 4 晶体现在逐渐成 为被研究的拉曼晶体的热门之- 2 8 3 2 1 。 另一类钨酸盐晶体属于单斜晶系，唯一的对称元素为沿晶轴b ( n p 轴) 的二次旋转 轴，这些晶体具有 w 0 6 】原子团，振动模的峰值一般有两个，分别在9 0 1c m l 附近和 7 6 8c m 1 附近。k g d ( w 0 4 ) 2 晶体是其中的代表。k g d ( w 0 4 ) 2 晶体的 0 1 0 方向与它的n p 轴方向一致，n m 轴方向与 1 0 0 方向夹角为2 4 度，n g 轴方向与 o o q 方向夹角为2 0 度。 k g d ( w 0 4 ) 2 晶体作为拉曼晶体得到了广泛的应用，k g d ( w 0 4 ) 2 晶体的低的结构对称性 使其热物理及光学性质具有各向异性。在不同的抽运配置下，可以获得不同的拉曼频 移( 7 6 8c m 1 或9 0 1c m 。1 ) ，从而产生丰富的输出频谱。它的切割方向一般沿b 轴，在这 种情况下，当电场方向垂直于c 轴( n g 轴) 时，9 0 1c m 1 频移模式占主要地位；当电场 方向垂直于a 轴( n m 轴) 时，7 6 8c m 1 频移模式占主要地位，两种频移对应的线宽分别 为5 9e m 1 和7 8c m 4 1 7 】，对应的拉曼增益系数分别为3 3c m g w 和4 4e m g w 4 3 】。 表1 部分拉曼晶体的性质 t a b l e1m a t e r i a lp r o p e r t i e so f s e l e c t e dr a m a n - a e t i v ec r y s t a l s r a m a nr e f r a c t i v er a m a ns h i r s p o n t a n e o u sc r y s t a l r a m a ng a i n t r a n s c r y s t a l s i n d e x ( c m 1 ) r a m a n s y m m e t r y ( 1 0 6 4 r i m ) m i s s i o n (300k)linewidth( c n v g w )r a n g e (cm”)0am) 8 a f n 0 3 h 1 5 5 61 0 4 7 30 4c u b i c1 1 0 3 5 - 1 8 k g d ( w 0 4 ) 2 l9 8 6p m m p9 0 1p m m p5 9p i m m pm o n o e l i n i c3 30 3 5 - 5 5 2 0 3 3p g g l p 7 6 8 p g g p 7 8p gglp(901cm-i) 4 4 ( 7 6 8 e m - 1 1 b a w 0 。i 8 49 2 41 6 t c t r a g o n a l 8 50 2 5 5 - 3 7 s r w 0 41 8 79 2 l2 7 t c t r a g o n a l 50 3 - 2 7 p b w o 2 1 59 0 54 7 t e t r a g o n a l 3 10 3 3 - 5 5 y v 吼n o - - 19 5 7 3 8 9 03 5 t c t r a g o n a l 4 5 一 = 2 1 6 5 2 g d v 0 4 ，铲1 9 8 5 4 8 8 23 5 t e n a g o n a l 4 50 3 5 - 5 = 2 1 9 8 1 1 1 4 钒酸盐晶体 2 0 0 1 年，a a k a m i n s k i i 等人通过实验证明了y v 0 4 和g d v 0 4 是具有潜力的拉曼 晶体【4 4 】。2 0 0 4 年，台湾yec h e n 先生报道了一系列的关于l d 抽运n d ：y v 0 4 晶体 【3 6 一【3 8 】和n d ：g v 0 4 晶体【3 9 】 4 0 】的自激活自拉曼实验结果。n d ：y v 0 4 晶体同时作为激 7 山东大学硕士学位论文 光晶体和拉曼晶体，通过自激活自拉曼效应获得了拉曼光，转换效率为7 0 3 7 】：采用 n d ：g d v 0 4 晶体通过自激活自拉曼转换实现了高效率的人眼安全波段1 5 2 1i u n 激光输 出，转化效率为8 7 3 9 】。 n d ：y v 0 4 晶体是适合于激光二极管( l d ) 抽运的优良激光晶体 4 5 卜 4 9 】。n d ：y v 0 4 晶体是四方晶体，属锆英石型结构，单轴晶系，光轴与四次对称轴c 轴的方向一致。 n d ：y v 0 4 晶体中激活离子位置具有低的点群对称性，离子振荡强大。w 0 4 基质对n d 离子有敏化作用，提高了它的吸收力。与传统的n d ：y a g 激光晶体相比，n d ：y v 0 4 晶 体具有多种优势，例如在8 0 8n l n 附近的吸收带宽约为n d ：y a g 晶体五倍之多，且吸收 系数很大( n d ：y v 0 4 ：4 1c m 1 ，n d ：y a g ：1 2c m 1 ) ，n d ：y v 0 4 晶体在1 0 6p m 处有较大 的受激发射截面，大约是n d ：y a g 晶体的五倍( n d ：y v 0 4 ：1 3 _ 3 1 0 1 8c ，n d ：y a g ：3 3 1 0 4 9c m 2 ) 【5 0 【5 3 】。宽的吸收带宽使激光器的输出对由于温度及老化引起的l d 波长 的变化不敏感。各向异性的结构使n d ：y v 0 4 晶体的受激发射截面在不同的偏振方向上 有很大的差异。实验表明n d ：y v o a 晶体是一种低阈值、高效率的激光晶体。同时也是 一种高双折射率晶体( 在1 0 6p m 处，n 。；1 9 5 8 ，n e = 2 6 8 ) ，易产生偏振光输出，可避 免n d ：y a g 晶体出现的热双折射现象。一般来说由于a - c u t 的n d ：y v 0 4 晶体的万偏振方 向( 电场平行于c 轴) 的受激发射截面远大于莎偏振方向( 电场垂直于c 轴) ，因此 n d ：y v 0 4 晶体一般a - c u t ，从而使激光器的输出通常是沿万偏振的线偏振光，实验证明 线偏振光有利于高效的s r s 转换 5 4 】，【5 5 】。 n d ：g d v 0 4 晶体和n d ：y v 0 4 晶体是同构体，具有受激发射面大、吸收带宽比较宽、 吸收系数高、线偏振输出等优点，已经被证明是优良的激光晶体 5 6 1 、【5 7 。8 0 8n n l 附 近吸收截面约为n d ：y v 0 4 晶体的2 倍，是n d ：y a g 晶体的7 倍多( = 5 2 x 1 0 。1 9 c m 2 ， c 1 ，n d ：g d v 0 4 晶体在1 0 6p m 的受激发射截面约为n d ：y a g 晶体的2 倍多( o c = 7 6 1 0 1 9c m 2 ，e # c ) 5 8 ，在1 3 4p m 的发射截面也高于n d ：y a g 晶体，特别是其沿 方向的热导率远高于n d ：y v 0 4 晶体( 大约1 1 7 w m d k 1 ) ，是其两倍还多，甚至比n d ：y a g 晶体的热导率还要高 5 9 6 0 。它可以实现高浓度掺杂而不出现浓度猝灭，大的分凝系 数使生长光学质量均匀的晶体相对容易。 因而n d ：y v 0 4 晶体及n d ：g d v 0 4 晶体是实现结构紧凑、高效率、性能稳定的自激 活自拉曼激光器最具潜力的晶体之一。 1 2 固体拉曼激光器种类 受激拉曼散射可以通过多种腔型设计来实现。固体拉曼激光器的腔型有多种，可 以分为单程的拉曼发生器、外腔式拉曼激光器、内腔式拉曼激光器、耦合腔式拉曼激 光器及自激活自拉曼激光器等。大多数的固体拉曼激光器都是由n d 激光进行抽运， 基频光波长主要在1 0 6l a m 或1 3 21 a m 附近。实验报道的固体拉曼激光器系统的抽运 8 山东大学硕士学位论文 源有很多种类，从1w 的二极管抽运激光到2 5 0m j 的高能量氙灯抽运n d ：y a g 激光， 以及锁模激光器。由于受激拉曼散射的阈值比较高，为了达到阂值，固体拉曼激光器 通常都要工作于调q 模式，目前主动及被动调q 方式下运行的固体拉曼激光器在实验 中都有报道。下面分别介绍各种固体拉曼激光器的特点及发展现状。 1 2 1 拉曼发生器 单程的拉曼发生器通常是抽运光单程的通过拉曼晶体以实现拉曼频移，或者加反 射镜使抽运光双程经过拉曼晶体，这种结构的拉曼频移激光装置称为拉曼发生器。拉 曼发生器结构简单，没有拉曼光的共振腔存在。拉曼发生器的主要缺点在于为了达到 受激拉曼散射阈值，必须要求高的抽运强度，这样往往产生其他的拉曼光级联能级， 从而产生多种拉曼光波长输出。高的抽运强度还会出现与受激拉曼散射相竞争的其他 非线性效应。拉曼发生器的受激拉曼散射阈值高，往往要求拉曼晶体具有大尺寸、大 增益系数。单程的拉曼发生器特别适合用于超短脉冲的频率转换，还可以用它来测量 拉曼晶体的增益系数，但是在实验过程中要注意自聚焦效应的影响。 c o u p l i n g o p t i c s m i r a m m m 2 o u t p u t c r y s t a l 图1 外腔式拉