（光学专业论文）ld端面泵浦的高功率单频稳频ndyvo4激光器.pdf

中文摘要 l d 端面泵浦的高功率单频稳频b i d ：y v 0 4 激光器 激光二极管端面泵浦的固体数兆器目有效率高，频率稳定，谱线窄，寿命长，结构简 单，使用方便等优电，使其成为许多高水乎的量子光学实验的主要光源。 本文报道了单频输出4 1 6 w ，长期功率波动范围小于0 5 ，频率稳定性优于 3 4 0 k h z 的激光器。重点分析介绍全回似颧y v 0 4 激燃的i 殳j | 十_ 与构造，从理沦与实 验两方面分析如何在大泵浦功率下使激光器实现稳定高效的单频运转，并为以后进步提 高输出功率，优化结构参数提供理论与实验依据。利用边带稳频技术对激光器进行频率锬 定，得到了优于3 4 0 k h z 自频率豫定性，并对相位调制、边带稳频技术作了系统的描述。 本文共分三音5 分： 第一部分，引言。对激光二极管端面泵浦的固体激光器目前的发展做一简单介绍。 第二部分，腔墅没= 汁与优比0 首先在理沦e 通过四能级漱率方程，谶了激光 器泛l 十e 需要注意盼些原则，然后y t 析y y d ：n u 晶体的掷酌彩喧，理论上估算了其 热焦距的大，j 、，并且在腔型设计中给予了考虑。并目对最佳透射率进行了估计。得到了最 高单频输出4 1 6 w ( 泵浦为1 6 w ) ，光光转换效率为3 0 j ，斜效率为4 0 2 ，连续频率调谐 范围大于3 7 5m h z ，长期功率波动范围小于0 5 的激光器。实现了高效稳定的单频输出。 第三部分，相位润制及边带隐频部分。本章分为5 个_ 、节。3 1 从理、舡分昕了f _ p 皆搬的特点，3 2 讨论了电光阳位两制的耗氧，介绍了共矧电蝴位阋制器的常i 舴。3 3 系统介绍边带稳频的理沦。3 4 围绕p i d 技术介绍对反鹰精号的处理。3 5 介绍了爽硷装置 和实验过程，得到了优于3 4 0 k h z 的频率稳定性。 第四部分，总结展望。 a b s l r a c t l de n dlu m p e d h i g h p o w e r s i n g l e - f r e q u e n c y a n d f r e q u e n c y - s t a b 蝴n d ：y v 0 4 l a s e r a b s t r a c t l a s e rd i o d ee n dp u m p e ds o l i d - s t a r el a s e rh a sm a n ya d v a n t a g e s ，i n c l u d i n gh i g l le f f i c i e n c y , h i g hf r e q u e n c ys t a b i l i t y , n a f f r o wl i n ew i d t h , l o n gl i f e t i m e , c o m p a c tc o n f i g u r a t i o n ，c o n v e n i e n tf o r u s ee ta l , w h i c hm a d eh e ran e c e s s i t yi nm a n y h i g hl e v e lq u a n t u mo p t i c se x p e r i m e n t s i n t h i s t h e s i s w er e p o r t a l a s e r w i t h n 璩x 】1 1 1 u m o u t p u t o f 4 1 6 w , i n t e n s i t y f l u c t u a t i o n l e s s t h a n 0 5 ( g m s ) i na l lh o u r , a n df r e q u e n c yn o i s el e s sa l a n 3 4 0 k h z t h ee m p h a s i sw a sp u t o i lt h e a n a l y s i so ft h ed e s i g na n dc 6 9 u 枷o f t h ea l ls o l i d - s t a t es i n g l ef r e q u e n c yn d ：y v 0 4l a s e r h o wt 0r e a l i z es t a b l ee f f i d e n ts i n g l e - f r e q u e n c yo p e r a t i o nu n d e r h i g hp u m pp o w e rw a sa i l a l y z e d b o t he 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 0 u vs t u d i e sp r o v i d et h e o r e t i ca n de ) ( 1 ) e f i 1 e m a lb a s i sf o r i m p r o v i n gl a s e rp o w e r , o p t i m i z i n gc o n f i g u m o np a r a m e t e r sf o rt h en e x tw o r k a n d t h e 自d e 七a n d h 明u e n c y s t a b i l i z a t i o n t e c h n i q u ew a ss y s t e m a t i c a l l yd i s c u s s e d 1 1 1 i st h e s i sc o n s i s t so f f o u r p a n s ： c h a p t e ro n e ：i n t r o d u c t i i nt h i sp a r t , t h ed e v e l o p m e n ta n dp r o s p e c to fl a s e rd i o d ee n d p u m p e ds o l i d - s t a t s l a s e r i s b r i e f l y i n t r o d u c e d c h a p t e rt w o ：d e s i g na n do p t i m i z a t i o no ft h el a s e rc a v i t y g u s t , s o l r l gp r i n c i p l et h a ts h o u l d b ec o n s i d e r e di nb u i l d i n gal a s e rc a v i t yw a sd i s c u s s e db a s e d o i lt h er a t ee q u a t i o no f f o u r - l e v e ll a s e r m o d e l t h e n , t h e t h e r m a l l e n s e f f e c t o f n d ：y v o , c r y s t a l w a sa n a l y z e da n d e s d m a t e d t h e o r e t i c a l l y 1 h el a s e rc a v i t yw a g d e s 和e db yc o n s i d e r i n gt h e t h e r m a ll e n se f f e c ta n dt h eo p f m a lt r a n s m i s s i o n w 3 se s d m a e d u n d e rs i n g l e f r e q u e n c yo p e r a t i o n t h ei t l a x l l n u mo u t p u ti d 0 w e ro f4 1 6 w 讧 o b t a i n e da t1 0 6 4 n mw i t h 】el dp 嘣l p i n gp o w e ro f1 6 w1 1 】e o p l i c a l - o p t i c a l c o n v e r s i o n e t f i c i e n c y i sm o l et h a n3 0 5 1 1 l e s l o p ee f f i c i e n c y i sm o r et h a n4 0 2 t h ei n t e n s i t y f l u c m a u o ni sl e s st h a n0 5 ( r m s 、i na 1 1h o u r o v e r3 7 5 m h zc o n f i _ r l u o u sf r e q u e n c ya m i n gw a s o b t a i n e dw h e nt h ec a v i t yi e n g 吐iw a s s c a n n e db yp z t , c h a p t e rt h r e e ：s i d eb a n df r e q u e n c y s t a b i l i z a t i o n n l i sc h a p t e rc o n s i s t so ff i v ep a r t s i n3j t h em f l c c f i o nc h a r a c t e r i s t i co ff _ p c a v i t yi sp r e s e n t e d i n3 2t h eo o f i c a l - e l e c t r o n i cm o d u l a t i 0 1 1i s i n t r o d u c e d , a n dt h et e c h n i q u eo f h o w t om a k ear e s o n a n te o mi sd i s c t t s s e d a l s o i n3 3t h et h e o r y o f f r e q u e n c y 韶出m z a 6 0 n w a s p r e s e n t e ds y s t e m a t i c a l l yi n3 4t h ep dt e c h n i q t r ei nf e e db a c ki o o p i s s i m p l yi n t r o d u c e d e x p e a a r n e n ta r r a n g e m e n t , a n de x p e r i m e n tr e s u l t so fl e s st h a n 3 4 0 k h z f r e q u e n c yn o i s e i sp r e s e n t e di n3 5 c h a p t e rf o u r c o n c l u s i o na n dp r o s p e c t s 第一章引言 第一章弓l 言 自1 9 6 0 年第一台红宝石激光器闷世以来，嘲体激光器发展极为迅速，成为激光技术发 袋戆圭滚，在不溺趣镁壤蠹誊广泛女蕊瀑。耍瓣糍l 工、医学溅薤以及鞋擘爨突等方嚣。 在诸多嗷用领域对更高功率的激光嚣的黥导致了更大规模的的激光系统的设计和带蠛。 砖统的高功率固姆激光器艇用闪光灯为泵浦源，由于灯裂辐射为宽带辐射，而固体激，蹬 嘲路毪介质的啜浚带褶当窜，新或效率很嚣，电毙转换鼓牵鳕为l 巧左右，大部分泵漓凌 率转换为热赦直。转换效率低、热效应的影响，限制了赢功翠激光器的发展。后来，科学 家8 弱测爆输硅 党在8 0 蛐之溺的窄带拳导搏光辍懿二极管，能够为固体激，分爨 中的几种稀土离子提供有效的泵浦。随嫒率激光= 极管的产生，使= 极管泵浦固体灏，器 得到了迅速的发展。二极管泵浦的固体激光器兼备了二极管激光器与固体激光器盼比妊， 并置穗蓬褥 了对方簖熬缺点，暴溶有瑷下貔赢“1 ： ( 1 ) 总体效率提高5 - 1 0 倍。由于激光介质的吸收带相当窄，而二极管激光器的发射光谱宽 度也很窄( 2 - 3 m n ) ，爆他传为固体数，曝的泵瀵源，可根据实际纛要选择l d ，接其发射 光谱落猩激j 介骥的吸收嗡上，获丽使光& l 更多鲍甩来璞船夏转粳予数，擒崮幕i 效率。 在捌门实验中，激光晶体为n d ：w 魄，其吸收峰在8 0 8 n m 附近，我们可以j 飙过温度调节， 夔l d 黪申，滋长篷二l ：吸牧釜土。旗遣效率露敬蹇达1 5 泼上。 ( 2 ) 更高的频率稳定睫和更窄的线宽。由于l d 光谱与激光介质的吸收光谱嵬垒重合，激光 晶体可以不在吸收其他无用的辐射，热效应大大减小。由于热负荷$ 低，不仅平均输出功 窜善藤，磊盈辫舔了对镧冷要求，因露，降鬣了棱磁艨声，获掰援高了鞣辫爨i 魅，泵 浦功率波动对线宽的影响也大大降低。 ( 3 ) 可囊瞧与寿命均增加。l d 连续工撵毒会可遮十万、时，远离予嘲4 0 0 ，j 、时。於型 尺寸可缩小8 0 - 9 0 激光二极管泵浦固体激光器的种类很多：连续、脉冲( 调q 、锁模) 雌放倍频混$ 剡e 线蛙凝搴转换等拔态”3 。王嚣；耱爱的形状毒嚣辕强援条浚，泵灌糕台方式又努为壹凌漩蕾 泵浦、彤错髂端面泵浦和侧面泵浦三手瞄构。直陵端硝源浦甩激烃二极能蜘奶匕= 搬管 阵列出黝约泵漕光，经由会聚光学系参8 辆 滤淹瞬会零激光 鲥游上。直接蝴瑶泵漶舶效 率最高。其原因为：在翮黼静静良环太差矧薄万汗，泵漓光都能出会聚光学系豸瞩合到 工作物质中，耦合损失较少；另一方面，泵浦船电有一定的模式，而产生的振荡光的模式 与泵演毙摸式有密韬关系，冱嚣錾效鬃努。嚣憩，工终物矮黠泵灌光懿裂嗣率也援霹薅一 些。然而，端面裂浦虽然效率高，但固体激光的输出功率受端面限制，因为端面较小时强 采嗣单元的激光= 极管，这就摄制了泵浦光的最大功率。如果采用功率较大的激光= 较 管阵律泵 磊源，嗣由予p 移垄二蔽鹭输毒自袋浦先模式不好，因辩不翕将泵浦蠢溅 耦合到工作物质中，实际上降低了效率。而且由于泵浦光的模式较为复杂，泵浦后输出的 激竞懿光袁质量也不易缳 瑷。钟对这塌点，人饲叉进趔凝了毙野粳台熬蠛嚣泵瀵秘 侧面泵浦方式。 激糊管端面泵浦激光器( l d e p s s l ) 由激光二极管、两个聚焦系统、辆台光纤、 工蓐物演 g 埝出辘缀蔽。与轰接赣醑系 謇不嗣，速静缭簿蓄先把激淹= 强警发射豹巍素璇 量 隧的测粥台站饼中，经过一段后，从j | i 嚣 于中出射的光束变尉泼散角较，j 、 第一章引斋 瑟对稚、孛闽部努，强最大鳃黧是毙象。霸这输窭豹泵游光泵 煮 ：j 结物蒺，警它和振荡 激光在空间上匹配褥很好时，泵浦效率可以很高。“”。由予激舡二极管或二极管阵列与光 野阕的摄会较与i 捧物质的藕会客易，从恧终抵了对器件淤整强g 求。最重要的是裂嗣这 种耦台方式能使固体激光器输出模式得到改善。 激光：极管( l d ) 端面抽避固体激光器易获得商效、高威量的t 姒x 模输出，这主要得擞 子端蔼箍遴方式下，撞运毙雅冕溅与濑勰套凌疼瓣蓥凑燕奎润土窦弼 藻式匹配。 在低抽运功率条件下，模匹配要求振荡光蒸模半径w 应不小于抽运光斑半径”，。另外，在不 考虑激光黩钵中热效应的情况下，端瓤抽运理论模型结累指出。隧蓑接运功睾的增搬， 碗疽褰粒 堑| l 太。在高抽运功率情况下，激光俸中产生的熟礅蔼弼窃e 现为热透镜外， 还存在伴随热透镜的高阶球整。理论模型数值计贺崔i 黩明：该球熬在熟透镜中心及其附 避 蔓，j 、， l 羲在攘离孛t 潮露l 较逡懿横囱嚣域蠹，热致球差穗瓣太。与戴挺凌，遘大的藻 模半径会使热透镜域灌引起的嗣加干苻射损耗急酗增大。因此，高抽运功率下激光晶体内基 檬等准! 应小于抽运城渥 半径。在固岱铡涨灞鹤睁p i 女：程中，漶l 洮晶体内基犊爿i 往灼大，j 、直接 决定着菠翡热稳定藏嚣，因鼬配粼予离凌率翡匿攒运国体激琵器的德纯睦鞋霪簧 意义。 大家禳早就翘遘，激光= ：凝警端搿袈 基国搏激悲黼剩子实瑷攀横摸竣盛，褒已爰耀 多种方法健浚器件遗翻单纵? # 耩翕出。例女珏扫晴翻奎攥，短腔港振，利帑标准其选模等。但只 有稠在环行谐振腔中插 法挝第单向器才可实瑚精密的选模。 h a n i s o n d ”1 等用t g g 晶 搴箨为整褰溺臻誊黪瓣，茬夔睁霸器实理攀翔运转，褥鹫了大手1 5 。o m w 豹零棼魂溅密，i 方 法腔内元件较多，损耗较大，比较适用大功率激光器。接着r s c h e p s 】“等及g t 曲k 矿1 等分别用w 心增益介质自身绺为法拉第箍鼗器，_ 并将n d ：礤l g 晶体以特殊方式甥瞎与两分 脏镜共同组成j 乎磷环行谐振靛，褥蓟荦颓激先器，最大荦额输出努镕为4 9 3 m w 和l 鲰n w , 斜效率非别为3 9 c f l 4 2 ，但此方法晶体切割比较特殊，谐振腔调谐蹑求严格，限制了他 懿避一步羧运。 自从六十年代激光器涎生以来，因其优异的相干性而获得了广泛的应用。“。但不步方 蕊如高分辨光谱，精密光学计爨等方面尚感其频率稳定性欠佳，因此激光稳频一改善激光 彗孝阕籀予经的工作隧之丽i 醴。激跫藩躺题，冀关键之在于逸驳一个稳定游参考频率 标准。选取方法般有：( 1 ) 以增益曲线作为标准稳定激光频率，但很难达到很高的稳定魔； 臻活l 鼹塞受效应或糍塔蠢效成稳定激光频事“，穗定度霹达l g - 挚( 3 魁瘸分子藩子疆牧 谱线稳定激魁顷率攀l ，频率稳箍疆呵高遮l0 - ”一l f f l i 但谱线的频率藏箍范围有限，且较难 调浩，这就限制了这种方法的廒用。般用于特辣用途，如凝标等“用i 用光举元件稳定 激光壤率，箕突凄赢是毒 瑟究豹潺渚涎域，各囊干涉纹稷建淡惑撇霹作势激先稳频 的标准。 用谐报脏傲稳频基准时，邋常鉴频继号的产生尾窭用冀透过曲线( 摄幅鳇爨) 的最大 9 4 率点镦参考菝率，鞭餍男寐激竞 句藏差分系畿消际激，毪嚣盼功率起伏带来褥影嫡，长 期稳定度可达1 0 4 ，假缺点是光频跳变会造成光频盼抖动，抗干扰能力很差。激光频率的 微小跳变会导致失锬，垦。失锬聪不易察觉。受p ( h 心i “的微波稳颇系绞妁启发，d , e v e r 等 人莽j 用毙学；黼的相位特瞧( 色散特髋) 构戚稳频系统，藕用调频光谱技术获得光学谐 振腔的色散曲线作为鉴频曲线。系统不易失锁，抗干扰髓力很强，且稳定度可高逖 第一章引言 i 仃1 2 _ 03 。( 2 】 进 二十世纪八 年代以来，由于量子阱结构的提出及晶体生长工艺的发展，高效率、 高功率激光二极营及翔牢列取得了很大成就，推动id 抽运的固体激光器的发展达到了实用 水平”】。采用i d 抽运四镜及三镜折叠腔获得高达5 w 内腔倍频绿光输出“? 。 山西大学光电研究所很早就开展了u ) 泵浦的固体激光技术的研究。1 9 8 7 年完成了灯泵 n d ：y a g 环行激光器的研制工作输出功率为3 w ，频率稳定性优于l m l 4 _ z 。并且分别利用 k t p ，m g o ：l i n b 0 3 内腔f 音频，得到厂5 0 _ 1 0 0 m w 的倍频光输出，频率稳定l 生优于s m - i z 。 在【比基础上，重新设计了腔型。并且以双圈_ p 为倍频晶体，消除离散效应，在灯泵功率为 2 s k w 下，倍频光最高单频输出达l 5 v ，功率波动小予 。1 9 9 9 年，采用l d 为泵浦源， 在泵浦功率为6 w 的情况下得到2 w 的单频红外输出，频率稳定陛优于6 6 0k h z ，功率波动小 t - 3 3 。”1 。但我们发现在这个腔型下，当泵浦继续增加时，输出功率不增，反而f 降， 在本文中我们通过激光二极管端面泵浦的固体激光器中的熟透镜效应的分析，优化了腔型 g n t 4 1 5 w 的单频输出，光光转换效率为3 2 4 ，斜效率为4 1 ，5 ，频率 j 哥 皆范围大于3 7 5 m h z ，长期功率波动范围小t - 9 5 。采用标准的边带稳频技术将激光频率锁定在f 平参考 腔上，频率稳定性优于3 4 0 k h z ( 1 0 - o ) 。 5 第二章单频红外环行谐振腔的设计 第二章单频激光器谐振腔的设计 在稳频激光器腔型设计过程中，首先必须考虑的问题是如何实现高效稳定的单频输 出。对于l d 端面泵浦的固体激光器，比较容易实现实现单横模运转，为了得到单纵模运 转，在四镜环行腔中插 光学单向器，消除腔内驻波效应及其空间烧孔效应，宴现稳定的 单纵模输出，执而实现咩濒输出。决翘d 端面泵浦固体敬圯掰啦靼和输出功率的因素很 多，其中最重要的两个参数就是：泵浦光与增益介质的吸收带的光谱重叠度以及激光腔模 与泵浦暖斑在增益介质中的重叠度。激光器的输出功率的稳定性与晶体由于泵浦作胃而产 生的热透镜效应也有很大的关系，通过优化腔参数，选择合适的泵浦腰斑与腔模8 要斑比、 热不灵敏条件等，可以得到稳定的输出。“1 。 在实验中，采用t 埘：y v 0 4 晶体作为增益介质与y a g 一样，n d ：y v o 。也是四能级系统。 m ：w o i 在8 0 8 r i 】具有较高的吸收系数，是n d ：y a g 的3 5 倍。吸收带宽比较宽，并且随波长 变化不大，这意味着更高、更稳定的抽运效率。此外婀：y v a 在1 0 6 4 m 有个较n d ：嘣更 大的受激发射截面口，虽然眦：w o t 的荧光寿命t 只；茸n d ：y a g 的4 2 但d 轴切割的n d ：y v o ， * 体的口t 乘积曲d ：y a g 高，所以n d ：w o 捌光器阚值也比较低“1 。另外n d ：_ 。t 晶体是单 轴晶，口偏振( e c ) 输出，。吼既p 热致双折射的影响删。但是n d ：y v o ；的热导率比j 交f 氐， 所以在相同的抽运功率下，热透镜效应也 b d ：y a g 明显，所以在实验中必须特别关注晶体 的冷却及对腔型设计的影响。 2 1 理论分析： 从理想四能级系统的速率方程出发，假设腔内光强不随z 变化，其速率方程为“ _ d a n ( x , y , z ) = g ( 训，z ) 一盯c 丛掣盟a n ( 圳，z ) 一a n ( x , y , z )( 1 1 ) d tn vf 鲁= c r c d 瞄k 删一昙 n 刁 胁出州”聃仉老 f 1 3 1 这里n 为反转粒子数密度，g 是单位体积内的泵浦密度，p 是腔模的能量密度，o 是激 光踯王截面，c 是噌益介质中的尚塞，hv 是激光的光子目b 量，q 是腔膜内的总光子数，t 是上能级寿命，t 。是光子寿命，1 1 l 为光剿专 i | i 效率( 进八增益介质的光功率与l d 发射 的光功率之比) ， qa 是吸收牧率( 增益介质吸收的光功率与选人增益介质的光功率之比) ， hu 。是泵浦光子能量，积分遍及整个增益介质。( 1 2 x ( 13 ) 中的积分遍及整个增益介质。 定义增益介质内归化泵浦分布 g ( x ，y ，z ) = g ( x ，y ，z ) g o ( 1 _ 4 ) 6 第二章单频红外环行谐振腔的设汁 2 2 热效应的影响及腔型优化 半导体泵浦的固体激光器在传导冷却条件下即可实现稳定运转“。鼎敬应包括热透镜 效应与热致衍射损耗两部分。一般来说，热透镜效应包括三部分：首先是由热色散系数 d ni d t 所引起的效应，其次是由于增益介质轴向扩散引起的端面弯曲，称为端面效应， 还有就是增益介质的热致应力双折剩“1 。由于鼓麓应影响着固体激光器的许多重要参 数，诸如：腔的稳定眭，腔内振荡模式的大小，激光器的效率，以及输出激光的光束质量 等，所以在高功率激光器的设 r 上，必锨撼嘘抟菠啦给予首要的考虑。 f i g 1 2 晶体的冷却方式 晶体周围为紫铜所做热沉，晶体尺寸为3 3x5 图1 2 为实验中采取的冷却控温装置：晶体用铜箔包好置于一个用紫铜做好的装置内， 用我们所自己设计生产的控温仪对其进行控温，然后用循坏峄却水将产生的热量带走。将 控温仪温度设在2 0 度，控温精度为0 0 1 。 假设( 1 i i 曾益介质的物理特性不随温度变化。( 2 ) ) 介质侧面为洚导拎却，- t i n l 歪i 热沉的 热交换系数很大，且热沉散热足够陕，则介质表面温度为常数。( 3 ) 介质端面为空气对流散 热。( 4 ) 泵浦光斑为高斯分布。( 5 ) 激光介质为各向异陛目n 何轴与导热率主轴重合。 根据傅立 导热定律，可以得出导热方程的普遍形式： a r a 玎a 碍、a 7 c p i 一掌+ 幸+ 辛+ 吼( 1 4 ) 其中t 为激光介质的温度，q 。q 。q 。为x y z 方向的热通_ 霹 。p 为物体的密度，c 为物体的比热，q 、为热源的发热率。 第二章单频红外环行谐振腔的设计 在激光介质侧面f 专昌铃却的隋况下，由于端面为空气对流冷却，其边界热交鲧数远 小于传导睛况下的边界热交换系数，因此由端面散发的热量远远小于侧面热传导的散热量。 方程( 1 2 4 ) i l t 为二维偏微分方程。对于各向异f 生的介质来说，为一二阶缩微分方程，难以 求出解析解。对各向同性介质，可以得出热焦型陋”1 ： 工2 蠢为l 1 - e x 高- a c p l n 四 其中k 为热传导系数，d n d t 为热色散系数，q 为总的热耗，a 为晶体的吸收系数，1 为晶体的长度。 对于n 5 掺杂n d ：y v o , 晶体：导热系数k = 0 0 0 5 4 w ：n k ；热色散系数u d t = 3 0 1 0 1 k ，在晶体中产生热效应的功率在约为进入增益介质的泵浦功率的2 4 “泵浦腰斑 = 0 3 2 m 。吸收系数。；1 4 8 c m ，晶体长度l = 5 m 。如图( 1 3 ) 所示，通过( 12 5 姑计当泵 浦从i o w 变为1 6 w 时，热焦距约从3 0 l r r m 变为1 8 8 m m 3 0 0 2 6 0 2 2 0 2 0 0 1 01 11 2 1 31 4 p f i g 1 3 热焦距与泵浦功率的关系 d n d t = 3 0 1 0 。k ，k = 0 0 0 5 4 w ：m r k ，d i 、= 1 4 8 c m ，j ；0 3 2 m ，l = 5 m m 图( 1 4 ) 中定义m 2 到m 1 的距离为l l ，m 2 到m 的距离为1 2 ，m l 到m 4 的距离为1 3 ，吣到 m 4 的距离为1 4 ，晶津左端面到m 6 的距离为1 0 ，n d ：w o ，晶体的热焦距为f t ，m 1 ，m 2 的曲 第二章单频红外环行谐振腔的设计 m 3 f a r a d yr o t a t o r n d ：丫v 0 ， m 4 p u m p i n g s o u 脚 f i g 1 4 环行谐振腔 m 1 ，m 2 为凹面镜，m 3 ，m 4 为平面镜，法拉第旋转器由t g g 晶体与二分之波片组成 三三) = f 一? ：( ：乃+ ? 一加： 妻； ：? ：( 妻? ：jm i 妲) 由于热焦距出现在a b c d 矩阵中直接影响腔的稳定性，在设计e 必须使其满足热不灵敏 塑：o f 一f a 们) 2 为腔的稳定胜参数，q = f 兰竺! _ i 为晶体右端面的激光# 试。理 l 石( 4 一。十d ) 2 j 论分析表明这两个参数受1 1 影响比较大，为了得到稳定的单频运转激光，首先模拟了 ( a 十d 2 与口 ，随二1 变化的关系。取1 2 = 1 4 5 h m ，1 3 = 1 6 6 m m ，1 4 。2 1 h t _ m ，1 0 ：1 7 m 。 图i 5 - 5 1 6 中的i 2 ，3 分另帜t 应1 6 v 1 3 w ，1 0 w 的泵浦功率。眷悔1 i 取在1 0 0 m i 驸近，在1 3 w ( 最大泵* 黝率的8 0 ) 泵浦时，a - d ) 2 在零附近，满足靛f 生剩牛与 热不灵敏条件，同时一约等于o 4 0 m ，大于泵浦的o 3 2 ：x o ，有利于实现单横模运转。分 析图：7 与图1 8 ，可以看出热焦g 勖如j 、，即泵浦功率增大时1 ) 。增大，更有利于单横模 运转。实验也证实了这一点，l d 从l o w 到i 6 w 都可以得到单频运转。 第二章单频红外环行谐振腔的设计 7 08 09 0i 0 0i i 01 2 0 1 1 f i g 1 5 稳定性参数( a + d ) 2v si i 1 2 = 1 4 5 m m ，1 3 = 1 6 6 r n ，1 4 = 2 1 1 m ，1 0 = 1 7 r m l ，l ，2 ，3 粥噼啦! 6 w 1 3 w ，1 0 w 的泵浦功率 f i g 1 6 腔模v si i 1 2 = 1 4 5 m n , ，1 3 - 1 6 6 m m ，1 4 - 2 1 1 r a m ，i 0 = 1 7 m ，i ，2 ，3 分别对应1 6 w ，1 3 w ， 1 0 w 的泵浦功率 1 4 ，j，ij，00，j n u 一b 第二章单频红外环行谐振腔的设计 l 0 - 7 5 o 5 2 0 2 5 一 旱0 曼一0 2 5 0 5 - o 7 5 0 01 5 0 1 2 o s 一 2 0 02 5 03 0 0 f t f i g 1 7 稳定性参数( a + d ) 2v s 热焦距 1 2 = 1 4 5 陬l ，1 3 = 1 6 6 皿l ，1 4 ：2 1 i m m ，1 0 = 1 7 m m ，i 1 = 1 0 0 m m o4 l ：= = = = 二= = = = 。：= 一 10015o2o0250 300 f i g 1 8 腔模v s 热焦距 1 2 = 1 4 5 m m ，1 3 = 1 6 6 r n r n ，1 4 ：2 1 1 m a ，1 0 = 1 7 m m ，i i ：1 0 0 m n 2 3 最佳透射率估计 系为 定义参数：卢2 去，其中a = n 啡。对应最理想聚焦鲥的泵浦腰聃p 的关 = 2 卢1 n 2 ( 1 1 6 ) 两边t 求导井令其等于零，得出 ( 1 2 7 ) 5 塑三童苎塑堑丛堑堑堂堡壁堕堡盐 t = j v _ 。( r 研p p b , r 1 2 ；, r l + 4 f l l n 2 ) 一j v。( 研 ( 1 2 8 ) 其帆一：等= 0 8 3 x 1 0 7 w i m 2 , a , , = - 1 4 , 8 c i g 巳2 - 。- 尘a = 0 4 2 , t o , ：o 4 m = 琅仉y v _ _ 。= 0 8 5 x 1 8 0 6 0 _ 8 4 _ 8 = 。- 6 4 5 ，耥舻2 。0 6 。 f i g 1 6 最佳掷v s 泵浦功率 不同泵浦功率下的最佳透射率，可以看出当泵浦功率为1 3 w 时，透射率 约为1 0 “实蒯徽讨论 实验装置如图1 3 所示。抽运源盐t c o h e r e n t 生产的f a p “系统，通过直径为8 0 0 卜m ，数 值孔径为0 2 0 的光纤耦合输出，输出波长可由温度调节，8 0 8 r l m 最大输出功率为1 6 w 。耦台 系统由准直透镜和聚焦透镜组成，可将光斑聚为= o 3 2 m 。 n d ：y v o ；晶体尺寸为3 m m x3 m 5 m ，a 轴切割，通光长度为5 m ，n d 离子掺杂浓度为 0 5 9 ，两个通光面镀1 0 6 4 斗m 和8 0 8 r i m 双增透介质膜。激光腔果用“* ”字环行腔，腔内 插入r x , , 2 波片和放在磁场中的t ( 中3 1 0 ) 晶体( 使激光偏振方向转动7 “) 构成单向 器，使黝材；单向运转，消除空间烧i l 竞i _ 应。由于n d ：y v 0 - 晶体_ 涨激发的，产生偏振 方向平行于? 轴的线偏振光，不需要在腔内放人布氏窗片。m 4 为输 耦合镜，对1 0 6 4 斗m 高反，8 0 8 r i m 减反 r 9 9 5 n i 】f t i m e ( s ) f 融1 1 1 输出功率的起伏 在1 3 w 泵浦时，长期( 小目寸) 功率渡i 删、于0 s ( r l s 。7 1 1 , fi 严 虫f = 堂l ，p , h o = 二等登，当泵潴为1 3 w 时，f = 1 4 1 8 对照图i 1 可知 p , h o竭。 最佳腔漠直为o 6 9 m ，侗这仅是对功率来说，我们曾经在泵浦功率为1 6 w 时得到最高4 7 w 豹多横输出。为了褥至 黪定鳕单频运转，综食考虑骞功率条件冬热不灵敏条终，实验上取 腔模半径为o 4 m ，得到了稳定的单频输出。从图i 9 可以看出激光器豹最大单灏输出为 4 1 6 w 斜效率为4 0 2 ，考虑抟输系统8 5 的的效率，光光转换效率为3 0 5 。图1 i o 为 扫獾f - p 腔褥懿透封鼗线，实验t 嚣溺静f - p 薤熬鑫壶光谱嚣为7 5 0 溅z ，由蚕霹叛看高 我们扫了两个多自由光谱区。图1 n 为实验监视的长期功率波动，由于我们在设诳烤虑 了热不灵敏条持，所以使得辕出功率攫稳，长期功率波动( 小时) 小于o 5 。通过扫描 激，镶自压电陶瓷得到丁大于3 7 5 m h z 的连续频率滴漕。鉴于在高功率泵浦下，系统的温 度控斛显得尤为重要和困难，下一步将改进盛晶体的装置，使其有紧密的结合( 但还不能 过紧，班爨菇体菠裂) ，撬裹菝率溅醚澍。 第三章相位调制边带稳频实验 第三章糯位调销与边带稳频 激光器频率的稳定性在科学研究、实际盛用申都具套非常重要的意义【3 0 l 。稳频技术可 分为两种：主动稳频与镀韵稳频。被韵稳额主要来用垒对黼的先掌蔽改受藏防震擂藤来 达到稳频的目的，但效果有限。主动稳频首先选取个稳定的参考频率作为标准，当外界 变怨影蛹使豹蹶率豌鸯这个标准时，2 产生个爱蛱这个溟差懿澡差萤号，宅利垦8 撂 明偏离标准的太小，还能攒明是偏大述是制、，然后将误差詹翳变为执行信号反馈缭激 光器的伺服系统，使激光器的频率重新回到所选取的标准上来。能番取得很好的稳频，关 键在予携否选取一个稳定瓣参考掭壤鼹率、麓孬产生个妻手的鉴籁麓线翮会逶女反续系统 。 在p a m d - d r e v e r 1 稳频系统中，剃用光学滏振腔的撩往特性( 怠教特蛙) 构或稳频系 统，采嗣调频光潜技术获簿，穗罐匕摊的色散曲线作为簦频蓝线。对激糟彰i 相位调翩， 产生分稚硝嘣濒mu 两侧，巾_ 度相等但位相相j 曼的两个边带。由于澈、尬蹦掀的影响， 薅拿逮繁瓣藩摇秘链鳇7 不等缒雯他，裂嚣熬懈零| l 笔耋稳鬣涟，探测爨会输爨一 个频率为m m 的信号。此储号可以用来产生鉴颁信号，从而将激光器的频率锁定在参考腔 上l 。本章将对穗频部分的备个环节馓简要介绍。 3 1f - p 谐振腔的特点 激光振荡频率既受甄予鞭迂频率的影嚷，叉受光学灌摄腔频瓤影响。设甄予跃 迁谱簿寄畦复为v 。谐振腔的谱线宽淡为强激光谐摄频率可袭为嘲： y 兰觜2 匕( 一匕) 五i ；j 瓦 。t ， 一般矗屹，疆，1 ) 哥麓诧为 一州：) 筹 9 2 ) 靴) 蝴第二璐示频鞲g | 圈，囊溅数6 嘲副、，秘燃麟懒，搴主 要由v 。来决定。 对予驻波 鹫摄黢： 匕2 鸟磊 ( 2 ，3 ) 其中1 为腔长，n 为腔内介膜的折射率，q 为纵摸序数，对( 2 3 ) 两边求微分得： 矗= - q c e 嘉+ 筹，= lc 孚+ 争 ， 1 9 第四章总结与展望 第四章总结与展望 我们从理论与实验两方面对激光二极管端面泵浦的固体激光器进行了_ 研究，设计完成 了最高单频输出4 1 6 w ，光光转换效率为3 0 5 ，斜效率为4 0 2 ，连续频率晰跳围大 于3 7 5m h z ，长期功率波动范e 驯、于o 5 的激光器。采用标准的边带稳频技术将激光频 率锁定在f - p 参考腔上，频率稳定陛优于3 4 0 m z ( 1 矿) 。满足下一一步实验的要求。 在分析四能级激光系统的速率方程的基础二e ，通过讨论影响激光器高效稳定输出的各 种因素，并且桃型设计中主要对稳定陛要求给予了考虑，使其实现了稳定单频输出。今 后可以继续优化腔型，使得高功率条件与稳定性条件同时满足，进一步提高激光器的输出。 利用f - p 腔作为稳频元件，实现了优于m o k h z 的频率稳定度。对稳频技术的各个环节 都做了简要的描述，为进一步改善稳频结果打下基础。在今后的实验中可以通过采用高精 度腔、改进匣馈回路等措施来提高稳频结果。在这个基础e 可以利用分子潜线作为稳频标 准，进一步提高稳频精度。 在量子光学实验领域，具有瓦级绿光单频输出的激光器，对完成些高水平，高难度 的实验如量子离物传态，量子密集编码等，有很重要的意义。目前大多采用内腔倍频来完 成这些实验。虽然外腔倍频技术复杂，存在一定的难度，但由于基频激光器中没有非线性 元件，其鼠剖于内腔倍频，这样有利与提高实验的长期稳定度。我盯下涉准备做 外腔倍频，为进一步的实验提供好的光源。 参考文黻 参考文献 l 。崔美云疆毕监沦文 五张靖硕士毕业论文 3 。薅文红张发俸大功率= 摄营泵溱困体激搬嚣豹发袋 未碧瞎觳，镯觉蕊管黼固潮黼毙器( l d p s s l ) 的发鞫辫啊耀望”9 7 年穗鲜翥 息光电予前沿发展与产北开发对策研讨会 5 j h a r d s o n , e t a l i e e e j 瓣撇q e - 盏s ，1 1 3 2 ( 1 9 9 2 ) 巍r s c h e p s e ta 1 a p p l o 磷3 1 ，1 2 2 1 ，( 1 9 9 2 ) 7 gt m a k e r , a ta l ，o 雌l e a ；1 8 , 1 8 1 3 ，( 1 9 9 3 ) s 。部注浠，强，j 、麓，彭鹫舞，垆爵凝毪1 8 ，7 2 i ( 1 9 9 i ) 9 g a o j i , - m g r u i ，e t a l a p l i o p t 3 4 , 1 5 1 9 ( 1 9 9 5 ) 1 0 c u if u ) a m ，峨h a i b o m ay a r , , g a oj 融g u i ，t , r e q u e n c y - 删n d ：y v 0 4r i n g l a s e rw i t hh i g hp o w e r 洮t p u te n d e dp u m p e db y6 i o d el a s e r ”，a c m 蛳s n c a , r e c e i v e d ，( i nc l l i n e s e ) 1 1 。p i m l ol a r x r a l 捌缸c e 鞋ob 靴s 骝畦d e i g nc r i t e r i a 珏m o d es i z eo p f m i z a f i o ni n d j 咖u r n 倒s o f i d - s t a m l a s e r s i e e e z ( 抛料e e l t , ，1 9 9 1 ，2 7 ：2 3 1 9 - 2 3 2 6 1 2 r w e b e r , t h o m a s 雠a n d h e i r t z p w e b e r , s e l f - a d j u s t i n g c o 脚g t h e m m l l e s s 幻b a h m e e t h e t h e m r i a i l y h d u c e d l e n s i n 溉艄雠l a s e r s 秘强灌敝碾醐f 觎 q u a n t u m 点蹦勰d j w a ，v 帆3 6 n o 6 n e 2 0 0 07 5 7 缓y e c h e n e t a l 。i e e e j q u a n t u m f , l e a m q e - 3 3 ( 1 9 9 7 ) 1 4 2 4 1 4 k - c p e n g ，o a w u ，a n dh d k i m b l e ，岫嘲哪s t a b i l i z e dn d ：y a g l a s e rw i t hh i 曲o u 舻u t p o w e r 却叫舭飙9 3 8 - 9 4 0 ( 1 9 8 5 ) i 5 壬海浚。马艳，餐泽辉，l d 萆薅系滚i s w 蘑颓稳蘸翰稳晒0 瓣，跨自鹈阮v 日酶拶 n o 3 ( 2 0 0 2 ) 1 6i c l m a r t i n ，w a c l a r k s o n , a 畦蚤强嘲a 3 wo f 咄鑫鞠翟yo u t t m ta t5 3 2n l n 魄 i n t m c a v i t yf r e q u e n c yd o u b l i n go f ad i c e - b a r - p u m p e dn d ：y a gr i n gl a s e r 懈l e t t e r s , 1 粥1 6 2 1 ：8 7 5 8 7 7 1 7 h e j i n g - l i a n g , i - i o u w e i 群矗，舀蠹粉俸l 滞