【物理论文】NdYAG1319nm1338nm双波长激光器的研究.pdf

分类号 u dc 密级 亘坌 编号 n d y a g l 3 1 9 n m 1 3 3 8 n m 双波长激光器的 研究 i t e s e a r c ho nn d y a g l 3 19 n m 1 3 3 8n md o u b l e w a v e l e n g t hl a s e r 学位授予单位及代码 益壹堡王太堂 q 墨鱼2 学科专业名称及代码 当堂 q 2 q 2 q z2 研究方向 邀监物堡墨堑型邀趟墨 申请学位级别 亟 论文起止时间 2 0 1 1 1 咐0 1 2 1 2 研究生 王速 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的硕士学位论文 n d y a g l 3 1 9 删1 3 3 8 眦双波长激光器 的 是本人在指导教师的指导下 独立进行研究工作所取得的成果 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己经发表或撰写过的作品成果 对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识 到本声明的法律结果由本人承担 作者签名 强丛年三月丛日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解 长春理工大学硕士 博士学位论文版权使用 规定 同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所 中国优秀博硕士学位论文全 文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电 子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权长春理工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 也可采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编 学位论文 作者签名 盟 导师签多饬 翟生年三月型日 肚年工月4 日 摘要 1 3 岬波段的n d y a g 双波长激光器因具有光纤损耗低 水中被吸收性较强并处 于大气透过窗口等特点 广泛应用于精密激光光谱学 激光雷达 光通信以及非线性 晶体频率变换等科研领域 目前1 3 岬双波长激光调q 技术主要集中于声光调o 与 被动调q 中 而电光调q 技术研究较少 本论文通过理论和实验两方面对窄脉宽 高 峰值功率n d y a g l 3 1 9 删1 3 3 8 m 双波长电光调q 激光器进行了研究 1 根据激光器泵浦阈值公式确定n d y a g l 3 1 9 m i l 1 3 3 8 n m 双波长激光同时起振 的条件 使用m a l l a b 软件模拟了1 0 6 4 i l i t l 激光对n d y a g1 3 1 9 m 1 1 1 3 3 8 m 双波长激光 同时输出的影响 并提出抑制1 0 6 4 m 激光起振的方法 确定了最佳输出镜透过率 2 通过对不同的电光调q 晶体和q 开关加压方式对比分析 最终选择单块铌 酸锂晶体横向退压式电光q 开关 提出了合理的n d y a g l 3 1 9 彻 1 3 3 8 姗双波长电光 调o 实验方案 3 基于n d y a g l 3 1 9 r m l 1 3 3 8 1 1 1 1 1 双波长激光静 动态输出特性理论分析进行实 验研究 泵浦电压1 0 0 0 v 时 n d y a g l 3 1 9 彻 l 1 3 3 8 i 皿双波长激光器静态输出能量为 2 1 0 8 m j 电光调q 单脉冲能量为9 6 m j 脉宽为1 4 0 n s 关键词 n d y a g 晶体1 3 1 9 n 耐1 3 3 8 n m 双波长激光电光调q a bs t r a c t 1 3 肚ml a s e ri si nt h ea t m o s p h e r i cw i n d o w i th a s1 0 w1 0 s si nf i b e rt r a n s m i s s i o na n d h i 曲w a t e r 曲s o 印t i o n i ti s w i d e l yu s e d i n s p e c t r aa n a l y s i s l a s e r r a d a r 叩t i c a l c o m m u n i c a t i o na n dn o n l i n e a ro p t i c a lf r e q u e n c yc o n v e r s i o n t h eq s w i t c h i n gt e c h n o l o g yo f 1 3 m1 a s e ri sa l w a y sf o c u s e d0 na oq s w i t c h i n ga r i dp a s s i v e l yq s w i t c h i n g i nt h i st h e s i s n a r r o wl i n ew i d t l la n dh i 曲p e a kp o w e r13l9 n m 13 3 8 啪d u a l 一w a v e i e n g mn d y a g1 a s e r w a sr e s e a r c h e dt h e o r e t i c a l l ya n de x p 耐m e n t a l l y t h em a i ns t u d yc a nb es u m m 撕z e da s b e l o w 1 t h eo s c i l l a t i o nc o n d i t i o no f1 3 1 9 m n 1 3 3 8 md u a l w a v e l e n g t l ln d y a gl a s e rw a s d e d u c e df o mm et h r e s h o l df b n n u l a i a t1 a bw a su s e dt os i m u l a t et h ei n f l u e n c eo f10 6 4 n m l a s e ro n1 3 1 9 m n 1 3 3 8 n m1 a s e ro u t p u t m e t h o dt or e d u c e1 0 6 4 ml a s e rw a sp u tf o r w a r da n d t h eo p t i m u mr e n e c t i v i t yo ft h eo u t p u tc o u p l e rw a sd e t e m l i n e d 2 d i f 蚤玎e n tk i n d so fe l e c t r o o p t i cq s w i t c h i n gc r y s t a l sa i dw a y so f 印p i y i n gv o l t a g e w e r ec o m p a r e da j l dp r o p e re x p e r i m e n tm e t h o dw a sp u tf o n v a r d 3 b a s e do nt h et h e o 珂 e x p e r i m e n t e do n1 3 1 9 1 1 1 1 1 1 3 3 8 砌d u a l w a v e l e n g t hn d y a g 1 a s e r i nn o m a lo p e r a t i o n 210 8 m jo u t p u tp o w e rw a so b t a i 工l e d t h ep u m pv o l t a g ew a s 10 0 0 v i nq s w i t c h e do p e r a t i o n t h ep u l s ee n e r g yw a s9 6 m j p u l s ew i d t hw a s1 4 0 n s t h e p 1 m pv o l t a g ew a sl0 0 0 v k e yw o r d s n d y a gc r y s t a ld u a l w a v e l e n g t h1 3 1 9 n m 1 3 3 8 n ml a s e re i e c t r o o p 廿c q s w i t c h i n g 目录 摘要 a b s t r a c t 目录 第一章绪论 1 1 1 全固态双波长激光器的研究意义 1 1 2 全固态双波长激光器的发展现状 2 1 3n d y a g l 3 1 9 删1 3 3 8 m 双波长激光器研究难点 7 1 4 本论文研究工作 8 第二章n d y a g l 3 1 9 n i i l 1 3 3 8 n m 双波长激光器理论研究 1 0 2 1n d y a g 工作物质的能级结构 1 0 2 2n d y a g l 3 1 9 n t 1 1 3 3 8 m 双波长激光器速率方程 1 l 2 3n d y a g l 3 1 9 m 1 3 3 8 m 双波长激光同时起振条件 1 2 第三章n d y a g l 3 1 9 n l i l 1 3 3 8 m 双波长激光器实验装置设计 1 6 3 1n d y a g l 3 1 9 m i l 1 3 3 8 m 双波长激光器泵浦源设计研究 1 6 3 2n d y a g l 3 1 9 1 1 i i l 1 3 3 8 m 双波长激光器电光调q 设计 1 7 3 3n d y a g l 3 1 9 n 州1 3 3 8 m n 双波长激光器静动态实验装置设计 2 5 第四章n d y a g l 3 1 9 n l l l 1 3 3 8 n m 双波长激光器的实验研究 2 7 4 1n d y a g l 3 1 9 n 州1 3 3 8 眦双波长激光器静态输出特性 2 7 4 2n d y a g l 3 1 9 l l 1 3 3 8 1 1 n 1 双波长激光器动态输出特性 3 0 结 论 3 4 至乏谢 3 6 参考文献 3 7 第一章绪论 双波长激光器在光计算 激光遥感 非线性晶体频率转换以及共振全息干涉等领 域得到广泛应用 所以近年来国内外对全固态双波长激光器相关的研究课题受到更多 的关注 1 3 肛m 波段的激光具有水对该波段激光的吸收较大 处于大气透过窗口 接近零色散区域和光纤低损耗等特点 所以以n d y a g 晶体作为工作物质的1 3 u m 波 段双波长激光器近年来得到了各机构的广泛研究眨1 n d y a g 晶体具有优良的物理光 学特性 它的机械特性和热特性良好 而且增益很高 作为十分重要的固体激光物质 它在目前的军事 科研 医学 工业等应用领域中都能得到广泛的实际应用 而以 n d y a g 晶体为激光工作物质的全固态激光器 可以获得输出能量高 输出功率高的 1 0 6 4 n m 激光 对其另一条发射谱线1 3 1 9 n m 也可以获得较高的激光输出 另外通过 不同的技术手段 能够获得多波长激光同时输出 如1 0 6 4 n i i l 波长激光和1 3 1 9 m 波长 激光的同时输出 1 3 1 9 衄波长激光和1 3 3 8 1 1 1 i l 波长激光的同时输出等其它波段双波长 激光输出和一些多波长激光同时运转乃删 最近几年 双波长激光器的发展和应用得 到了更广泛的研究 在不同的研究领域和应用发展的前提下 对双波长激光器的输出 特性提出了新的技术指标 对其激光调q 输出的激光脉冲宽度 整机结构和单脉冲能 量等方面也有了针对性的要求 而且开展功率配比合理的高峰值功率 窄脉宽 n d y a g l 3 1 9 n 州1 3 3 8 衄双波长激光器的研究 对利用双波长激光非线性差频技术产生 相干太赫兹波的研究等前沿领域具有不可或缺的研究意义的1 1 1 全固态双波长激光器的研究意义 多年来固体双波长激光器以其自身突出的特点 在双波长激光器研究中显得尤为重 要 固体双波长激光器具有输出波长丰富 应用性强 激光输出能量大等特点 能够 更好的应用于生活和科学研究领域 具有深远的现实意义和科研前景 7 1 关于固体激光器实现双波长激光同时输出的研究中 其激光器的工作物质主要以 n d y a g n d y v 0 4 和n d y a p 为主 但是n d y a g 晶体具有优秀的物理化学性质和 重要的激光特性 n d y a g 晶体的机械特性和热特性良好 而且增益很高 作为十分 重要的固体激光物质 它在目前的军事 科研 医学 工业等应用领域中都能得到广 泛的实际应用阻 1 叽 1 3 m 波段的激光具有水对该波段激光的吸收较大 处于大气透 过窗口和光纤低损耗等特点 在大气研究 军事研究 激光医疗和光纤通讯等领域有 着广泛的应用和研究前景 更是得到了日益倍增的重视和关注 所以进一步对1 3 岫 波段的双波长激光器深入研究 是具有更加广阔的分析研究前景和深远的现实应用意 义 1 2 全固态双波长激光器的发展现状 国外对双波长激光器的研究领先于国内 国外很早开展了针对双波长激光技术系 统的 专业的研究 c g b e m a1 9 7 3 年在美国的贝耳实验室利用三腔镜共线腔结构 并 在其中添加q 丌关的方法 首次实现了1 0 6 4 n m 和1 3 1 9 哪的双波长激光同时振荡 同 时加入日 p 晶体对双波长激光进行和频 加入a g g a s 2 晶体对双波长激光进行差频 在此项研究中还发现 脉冲宽度保持在5 0 n s 范围内 双波长激光无论在时间上 还是 在空间上都会存在一定几率的重叠 这也是历史上人们第一次实现双波长激光的同时 输出 对近年来能够产生全固态双波长激光同时运转的方法进行总结 其产生方法主要 以下三种途径 实现双波长激光同时输出有以下几种常用途径 使激光器输出单一波长激光的基 频光和这一波长激光相对应的固定的频率变换光同时振荡 实现双波长激光同时输出 另外还可以利用泵浦激光工作物质发射的单一光谱的激光 然后通过合适的光学选频 器件对此单一光谱激光作用 以此获得双波长同时输出输出 3 对于激光工作物质发 射谱中的两个发射峰实现双波长激光的同时输出 综合上述三种全固态双波长激光输 出的方法来看 前两种方法的分析研究相对较为成熟 但是获得的双波长激光输出以 外还常通常伴有不同波长激光输出的影响 致使双波长激光的输出能量不能够达到相 应研究领域的技术参数要求 卜1 3 1 但是对于上述最后一种产生途径研究分析来看 这 种途径可以设计简单的结构且整机造价成本也不高 输出的激光波长多样化且可在许 多重要研究领域应用 近年来已经成为国内外研究分析的热点 综合全固态双波长激 光器发展的过程来看 其主要的激光工作物质有很多种 例如n d y a g n d y v 0 4 e r y a g n d y l f n d y a p 等 同时基于不同的激光工作物质 也出现了波长范围 从几百纳米到两干多纳米的双波长激光同时输出 也有关于三波长和多波长激光同时 输出的研究和报道 针对本论文中的研究内容 主要对波长范围为一千纳米的全固态 双波长激光器发展进行简要介绍 w v 0 1 1 m e r 等人在1 9 8 3 年年初 对掺n d 离子的y l f 晶体的发光各向特性进行 了全面的研究分析 在激光谐振腔内插入偏振棱镜 可以将兀偏振方向的1 0 4 7 l l i l l 激光 以及 偏振方向的1 3 1 3 m n 激光变为两条分路传输 在两条光路中分别对两束光进行调 q 后再返回经过偏振棱镜 以此获得了1 0 4 7 i l i l l 和1 3 1 3 n m 双波长激光的同时输出 四年后 m b i m b a u m 教授对掺e r 的n d y a g 增益介质以及掺h o 的n d y a g 增 益介质中的稀土离子间产生的作用开展了实验研究 对其进行理论分析的同时 实验 测量结果也得到重要突破 泵浦掺e r 的n d y a g 激光晶体 实现了2 9 4 肛m 和1 0 6 4 m 双波长激光同时输出 而且也实现了泵涌掺h o 的n d y a g 激光晶体 同时输出1 0 6 4 p m 2 9 4 m 和3 0 1 1 p m 三波长激光 在此基础上 对腔镜的耦合度进行适当改变和调 整 还能够实现1 0 6 4 m 和l 3 3 9 扯m 双波长激光的同时输出 钔 随着近几年双波长激光器的发展 到了2 0 0 6 年 丹麦技术大学的j j a n o u s e k 等人 采用双腔镜结构 实现了以n d y v 0 4 为工作物质的1 0 6 4 n m 和1 3 4 2 啪双波长激光器 的运转 当功率接近3 w 时 双波长激光的重复频率为1 0 k h z 此时1 0 6 4 n m 和1 3 4 2 n m 双波长激光的峰值功率分别可达到0 7 k w 和3 k w 卯 图1 1 所示 d i l d 2 图1 12 0 0 6 年丹麦大学l d 端面泵浦n d w 0 4 1 0 6 4 n 州1 3 4 2 n m 双波长激光器 2 0 0 8 年韩国庆熙大学的h e ec h u ll e e 等人使用氪灯抽运n d y a g 晶体 得到了 1 3 5 7 m 和1 4 4 4 姗双波长激光的同时输出 最终在注入能量为4 4 j 的时候 获得了总 能量为2 2 7 m j 的双波长激光输出 其中1 3 5 7 n m 和1 4 4 4 姗激光输出能量分别为8 2 m j 和1 3 8 m j 总电光转换效率为0 4 5 们 2 0 0 9 年西班牙阿利坎特大学的m l 黜c o 等人使用钛蓝宝石激光器抽运自和频 n d y a l 3 b 0 3 4 晶体 实现了1 0 6 2 1 1 l i l 和1 3 3 8 1 1 1 i l 双波长激光的同时输出 再利用 n d 3 y a l 3 b 0 3 4 晶体的自和频效应获得了5 9 2 m 激光输出n 1 表l l 国外1 u m 波段双波长固体激光器的研究近况 2 0 0 0 年以前 国外对全固态双波长激光器的研究成果相对较多 以美国 贝尔实验室 美国国防部联邦武装部队实验中心 南加州大学激光研究中 2 0 0 0 年心等研究机构为首对全固态双波长激光器进行了全面的研究工作 成功研 以前制出了1 0 6 4 i 蚰和1 3 1 9 啪连续 q 开关双波长同时输出 1 0 4 7 衄和1 3 1 3 姗 双波长同时输出 2 9 4 0 n m 和1 0 6 4 m 双波长同时输出等全固态双波长激 光器 研究成果显著 处于全固态双波长激光器高速发展阶段 一在2 0 0 0 年以后 随着半导体激光器以及光线激光器的快速发展 国外开 竺年始逐步对双波长光半导体激光器以及双波长光纤激光器的研究增多 勇二 方面对l d 以及灯泵浦的双波长激光器的研究就相对减少了 研究机构 年份 主要技术 指标及参 增益介质 波长 丹麦技术 大学 2 0 0 6 n d y v o d 1 0 6 4 1 1 1 1 1 1 3 4 2 m n 韩国庆熙西班牙阿利坎特 大学大学 2 0 0 82 0 0 9 n d y a g n d 什 y a l 3 b 0 3 4 13 5 7 n m 1 0 6 2 m n 1 3 3 8 姗 1 4 4 4 m n 然而近几年来 随着半导体激光器以及光纤激光器的快速发展 国外开始逐步对 双波长光半导体激光器以及双波长光纤激光器的研究增多 与此同时国内也对l d 以 及灯抽运全固态双波长激光器的研究就相对增多 有了长足的进步 2 0 0 6 年来自天津大学的张强等人 通过激光二极管侧面泵浦n d y a g 激光工作物 质 同时设计了四腔镜双谐振腔的特殊结构 实现了连续的1 0 6 4 n m 和1 3 1 9 啪双波长 激光同时输出 在泵浦功率达到o 5 k w 时 获得了双波长连续激光输出总平均功率在 4 5 w 以上的成果 而且1 0 6 4 m n 和1 31 9 呦双波长激光的连续输出功率都在2 0 w 以上 不稳定性都能很好的控制在5 以下 其中1 0 6 4 砌激光的光束质量因子m 2 为3 2 1 3 1 9 n m 激光的光束质量因子m 2 为3 9 图1 2 所示 n d y a g l d 图1 22 0 0 6 年天津大学精仪学院l d 侧面泵浦n d y a g l 0 6 4 n l l l 1 3 1 9 n m 双波长激光器 2 0 0 8 年年初 中国科学院福建物质结构研究所的魏勇采用脉冲氙灯抽运n d y a g 晶体 当输入能量达到1 2 5 j 时 获得总输出能量高达8 9 0 m j 的1 3 1 9 砌和1 3 3 8 m n 双 波长脉冲激光输出 其电光转换效率约为o 7 左右 其斜率效率约为0 9 左右 1 3 1 9 n m 激光谱线宽度为0 3 5 n m 13 3 8 n m 激光谱线宽度为0 4 8 m 双波长输出激光强度之比 约为3 6 4 4 1 射 图1 3 所示 图1 32 0 0 8 年中国科学院物构所氙灯抽运n d y a g l 3 1 9 n 州1 3 3 8 n m 双波氏激光器 同年1 月 天津大学精密仪器与光电子工程学院激光与光电子研究所的刘欢等人 实现了l d 端面抽运n d y a g l 3 1 9 姗和1 3 3 8 m 双波长激光同时输出 通过合理的实 验研究获得了连续输出的双波长激光 它的功率可以达到6 w 光光转换效率2 7 7 8 斜效率为3 0 双波长激光输出功率不稳定度低于0 9 6 在重复频率位5 0 k h z 时 双波长激光准连续输出功率最高可以达到4 7 5 w 斜效率为2 4 7 3 双波长激光输出 功率不稳定性低于o 2 9 脉冲宽度可达到5 5 0 5n s 在激光谐振腔腔内插入布儒斯特 窗 可以实现双波长线偏振态的激光输出 在重复频率达到5 0 k h z 的条件下 双波长 激光实现准连续输出 并且其输出功率约为2 2 w 且输出功率不稳定性可以控制在 0 5 2 以下 此时激光光束质量m 2 因子为1 1 6 此实验研究得到的双波长激光连续和 准连续输出稳定性较高 激光输出模式良好 实验结果达到了当时国内的领先水平旺们 接下来2 0 1 0 年华侨大学信息科学与工程学院的韩磊等人研究的激光二极管 l d 端面抽运n d y a g 三镜复合腔的1 0 6 4 衄和9 4 6 m 双波长激光连续运转 当抽运功率 为9 w 时 可同时获得1 1 w 的1 0 6 4 m n 激光 以及5 0 0 1 1 1 w 的9 4 6 i n 激光输出 而当 抽运功率超过1 0 w 时 由于热透镜效应的影响 输出功率迅速下降眨 到了2 0 1 0 年天津大学激光与光电子研究所的温午麒等人使用l d a 侧面泵浦 n d y a g 激光晶体 并利用在激光谐振腔内插入布儒斯特窗 通过改变布儒斯特窗在 腔内插入角度来控制双波长的腔内往返损耗 获得了功率配比接近1 l 的1 3 1 9 1 1 i i l 和 1 3 3 8 衄双波长激光同时连续输出 最大连续输出功率可达到3 0 w 其中每个波长的功 率约各占1 2 在调q 激光输出时 可获得重复频率为4 k h z 脉冲能量为6 m j 脉冲 宽度为2 3 7 n s 的双波长激光输出 对应的峰值功率为2 5 k wn 如 表1 2 国内l 岬波段双波长固体激光器的研究现况 2 0 0 0 年以 后 2 0 0 0 年以 在2 0 0 0 年以前 国内对全固态双波长激光器的研究进行的相对较晚 大 多处于理论研究阶段 对于全固态双波长激光器的研究基本空白 在2 0 0 0 年以后 国内对于全固态双波长激光器的研究逐步进步发展的阶 段 主要以天津大学 中国科学院福建物质结构研究所 华侨大学等研究 后 机构为首 对全固态双波长激光器丌展了深入细致的研究 并取得了一定 的研究成果 中国科学 研究单位天津大学院福建物 天津大学华侨大学天津大学 质结构所 几年来全固态双波长激光器以下几个方面的发展方向为重点 1 首先是对全固态双波长激光器能够有较大的功率输出的要求 目前国内外文献 主要报道的l d 泵浦全固态双波长激光器其输出能量多为瓦级 由于过多的泵浦能量 反而会抑制双波长同时起振 所以如何获得更高的输出能量成为了国内外未来重点的 研究方向之一 2 3 之4 1 2 对全固态双波长激光器能够实现更丰富的段长段输出的要求 因为在不同的应 用领域我们需要不同的波长 全固态双波长激光器可在于原子和分子的多光子分步电 离 精细激光光谱 差分吸收激光雷达 激光医学 干涉彩虹全息等领域得到广泛应 用 另外在激光彩色打印等设备和高亮度的激光彩色显示及一些娱乐产业等领域中也 具有广阔的研究和应用前景 而其在非线性频率变换领域中的应用尤为重要 通过对 双波长激光进行和频或差频我们可以得到不同波长段的和频光和太赫兹相干辐射波 所以如何获得新的波长段的双波长激光也成为了其未来研究热点方向眩孓2 阳 3 另外还有对全固态双波长激光器调q 技术的研究 在有些如激光医学的应用领 域中我们需要脉冲式的双波长激光 而对双波长激光进行声光调q 被动调q 尤其 是电光调q 目前还有很多的难点 所以q 开关双波长激光器的研发也是迫在眉睫的 2 8 2 9 o 4 双波长激光器可广泛应用于光计算 激光遥感 非线性晶体频率转换以及共振 全息干涉等研究领域 而且利用双波长激光非线性差频技术产生相干太赫兹波的研究 等前沿领域具有不可或缺的重要意义 所以要求双波长激光器应进一步沿着小型化 长寿命 高稳定性方向发展是具有实际研究和应用价值的 3 伽 1 3n d y a g l 3 1 9 n 面1 3 3 8 n m 双波长激光器研究难点 1 对n d y a g 两个发射谱线1 3 1 9 n m 和1 3 3 8 r n 的双波长激光振荡阈值条件进行 理论分析 激光阈值公式为 p 旦生 a 上l f 上 依据双波长激光同时输出的条件 一定要让两个不同波长激光谱线跃迁的激光阈值相等 才能使两条激光谱线同时跃迁 并产生双波长激光的同时振荡 即瓦 圪 由此我们可以得到双波长激光同时输出 的阈值条件为 篇卜壶 删 罴卜剐剖 其中元为普朗克常熟 y 为工作物质的体积 叩为泵浦效率 盯为激光受激发射截面 为激光增益介质的长度 口为激光在谐振腔内的非透射损耗 r 为激光上能级粒子 寿命 尺和 分别为两腔镜对腔内运转光的反射率 理论推导出要实现双波长同时输 出所需要的最佳的输入镜和输出镜对于1 3 1 9 啪和1 3 3 8 m n 激光的反射率 因为1 3 1 9 n m 和1 3 3 8 啪两个波长的辐射共用一个激光上能级 可得到q f 当激光增益介质的通 光长度l 激光谐振腔的腔内往返损耗 以及激光增益介质的体积v 等条件相同的情 况下 通过对参数口l 口2 墨 只2 和吃的调节使等式成立 此外对 口 尺 最和巧等参数的正确选取 成为了全固态n d y a g l 31 9 n l l l 1 3 3 8 m 双波长激光器 的研究难点之一 m 1 2 1 0 6 4 n m 等多余谱线的振荡对n d y a g l 3 1 9 n 州1 3 3 8 啪双波长激光输出的影响 在n d y a g 晶体中 除了有1 3 1 9 n m 和1 3 3 8 n m 两个发射谱线以外 还存在着 1 0 6 4 n m 和9 4 6 m 两条主要的发射谱线 为了使1 3 1 9 啪和1 3 3 8 m 双波长激光输出时 不掺杂其它波长的激光干扰 我们必须对1 0 6 4 n m 等谱线进行有效抑制 尽可能保证其 它波长的激光无法起振并输出 在激光谐振腔内插入具有对特定波长激光滤光作用的 光学器件 如标准具 光学滤光片和布儒斯特偏振片等 它们的优点是使用简便 抑 制效果好 但是会同时使1 3 1 9 1 皿和1 3 3 8 m 这两个波长的激光在腔内的损耗增大的问 题 还有一种方法 是对激光器中所用的腔镜镀高精度多层介质膜 以此增加干扰波 长激光的腔内往返损耗 以此达到对1 0 6 4 1 1 1 1 1 等多余谱线的抑制的效果 但是这种方法 难度较大 且成本较高 综上所述来看 如何选择合理抑制1 0 6 4 姗等多余谱线的振荡 问题的方法 是全固态n d y a g l 3 1 9 i m l 1 3 3 8 1 1 1 1 1 双波长激光器研究的难点臼孓3 4 1 3 n d y a g l 31 9 衄 1 3 3 8 n m 双波长激光器调0 的相关问题 1 被动调q 技术是利用某些非线性饱和吸收介质本身的激光特性 使被动调q 晶体自动改变q 值的一种方法 当激光在谐振腔内刚开始运转时 由于饱和吸收介质 自身的吸收作用会使得腔内q 值比较低 但是当饱和吸收体饱和时 其吸收激光的能 力会有所下降 此时自然会导致激光谐振腔内损耗减小从而使得激光谐振腔内的q 值 升高 由此过程来实现被动调q 但是在对双波长激光器进行调q 的过程中会存在双 波长激光重复频率严重不等的缺点 这样就会直接导致双波长脉冲激光输出峰值功率 相差较大 而通常我们对双波长激光同时稳定输出功率配比要求尽量接近l l 所以如 何解决双波长激光器被动调q 的这一缺点 使被动调q 的双波长脉冲激光重复频率尽 可能详尽 已经成为今年来国内外研究的难点 2 想要对全固态双波长激光器进行调q 特别是对1 3 1 9 肿和1 3 3 8 n m 这两个 波段同时输出的双波长激光器进行电光调q 为了使1 3 1 9 n m 和1 3 3 8 胁两条谱线的晶 压相近 以保证电光调q 晶体能够同时对1 3 1 9 姗和1 3 3 8 衄双波长激光进行调q 需 要选择一个合适的电光调q 晶体 所以多年来对双波长电光调q 晶体的合理选择和参 数确定 也已经成为了基于n d y a g 激光晶体的1 3 1 9 删1 3 3 8 1 1 i n 双波长电光调0 激光 器研究的难点之一 孓川 1 4 本论文研究工作 本论文通过对n d y a g l 31 9 n 州1 3 3 8 m 双波长激光器技术难点的分析 从理论计 算模拟 实验器件选取 实验操作和数据处理分析方面对n d y a g l 3 1 9 n l 1 3 3 8 n m 双 波长激光静态输出和电光调q 输出进行了详细研究 首先对工作物质n d y a g 的能级 结构和物理性质进行分析 建立n d y a g l 3 1 9 i m l 1 3 3 8 n m 双波长激光器速率方程 计 算得到n d y a g l 3 1 9 n i i l 1 3 3 8 m 双波长激光同时起振和1 0 6 4 n m 谱线抑制的条件 模拟 n d y a g l 3 1 9 n i i l 1 3 3 8 n m 双波长激光器谐振腔参数 合理设计n d y a g l 3 1 9 n 州1 3 3 8 m 双波长激光电光调q 实验方案 确定实验所用器件的参数 最后通过对 n d y a g l 3 1 9 n i n 1 3 3 8 n m 双波长激光静态输出和电光调q 输出的实验研究 详细分析 了n d y a g l 3 1 9 r u l 1 1 3 3 8 n m 双波长激光谐振腔参数 氙灯泵浦注入能量 电光调q 晶 体铌酸锂的电压等对n d y a g l 3 1 9 n j i l 1 3 3 8 m 双波长激光静态输出和电光调q 输出的 具体影响 第二章n d y a g l 3 1 9 n i l l 1 3 3 8 n m 双波长激光器理论研究 2 1n d y a g 工作物质的能级结构 n d y a g 激光晶体的基质材料晶格具有非常优越的机械性能和物理化学 其激光 特性和光谱特性也非常优越 y a g 从正常的生产过程和使用过程中都不会出现过于严 重的断裂问题 是因为y a g 从最低温度到熔点 其结构都很稳定 并且y a g 的硬度 和强度都很高 表2 1n d y a g 的光学物理特性 化学方程式n d y 3 a 1 3 0 1 2 n d 3 掺杂质量比 0 7 2 5 n d 3 原子数i 3 8 1 0 2 0 个 锄3 熔点 2 2 4 3 k 努普硬度 1 2 1 5 密度 4 5 6 c m 3 弹性模量 3 1 0 6 k c m 2 热膨胀系数 1 0 0 方向 8 2 1 0 由k 1 0 5 2 3 1 5 k 11 0 方向 7 7 1 0 曲k 1 2 8 3 1 5 5 2 3 1 5 k 1 1 1 方向 7 8 1 0 6 k 1 0 5 2 3 1 5 k 1 3 1 9 砌4 f 3 2 4 1 1 3 2 x l 受激发射截面 口2 1 o 8 7 1 0 1 9 册2 1 3 3 8 n m4 f 3 2 4 1 1 3 2 x 3 受激发射截面 仃2 1 0 9 2 1 0 1 9c 聊2 激光上能级荧光寿命2 3 0 胪 1 3 1 9 衄光子能量 v 1 5 0 5 1 0 1 9 1 3 3 8 n m 光子能量 v 1 4 8 4 1 0 1 9 折射率 1 8 2 散射损耗 a 0 0 0 2 c m 一1 以n d y a g 为工作物质的激光器属于四能级系统 本论文需要研究的是1 31 9 i h n 激光和1 3 3 8 姗激光 它们的跃迁能级分别为4 f 3 2 4 1 1 3 2 x l 和4 f 3 2 4 1 1 3 2 x 3 其能级跃迁 图如2 1 图所示 6 4 n m1 3 1 9 n m1 3 3 8 n n 2 2n d y a g l3l9 n l i l 13 3 8 m 双波长激光器速率方程 以激光晶体n d y a g 为工作物质的全固态激光器为四能级系统 粒子从基能级受 到受激辐射 吸收能量 粒子从基能级泵浦跃迁到泵浦带 然后迅速的自发辐射跃迁 到e 3 能级 从e 3 能级跃迁到e 2 能级产生激光 实际上e 3 能级就成为了基能级e o 之上 的终端能级e l 粒子从e i 能级无辐射跃迁到基能级e o 而且这个过程非常快 这个 时间远远小于荧光寿命 n d y a g 激光器四能级粒子能级跃迁简图如下 图2 2n d y a g 激光器四能级粒子能级跃迁简图 从上述粒子在能级间跃迁的过程入手 建立n d y a g 四能级速率方程如下 鲁 曲 一 唯一焘 华 月2 一鱼胛i 咄 旦一旦 2 2 n z 9 1 z2 l r l o 力 d 咒l 胛2 厅o 2 3 等式 2 1 中右端的三项所代表的实际物理意义分别如下 第一项为单位体积 单位时间内粒子从激光上能级 即e 3 能级 自发辐射到e 能级的粒子数 这个粒子数 变化的速率可以表示为粒子由激光基能级 即e o 能级 被闪光灯泵浦由激光基能级到 激光上能级的粒子数变化速率 因为被闪光灯泵浦由激光基能级到激光上能级的粒子 数绝大部分会自发辐射到e 2 能级 并且速度非常快 可以忽略不计 另外极少一部分 的粒子分别由于自发辐射跃迁到了e l 能级和e o 能级 这部分的粒子数很少 可以忽略 不计 第二项表示的物理意义为粒子从e 2 能级由于受激辐射的原因跃迁到e 能级的粒 子数变化速率 这个过程也是产生激光输出的过程 最后一项则表示的含义为粒子由 于自发辐射从e 2 能级跃迁到e l 能级和e 0 能级的粒子数变化速率 等式 2 2 中右端的各项所表示的实际物理意义和 2 1 等式中右端的三项所代 表的实际物理意义基本相似 第一项表示的物理意义为粒子从e 2 能级由于受激辐射的 原因跃迁到e 能级的粒子数变化速率 第二项表示的意义为粒子由于自发辐射从e 2 能级跃迁到e 能级的粒子数变化速率 最后一项则表示的含义为粒子由于自发辐射从 e 能级跃迁到基能级的粒子数变化速率 方程式 2 3 具体描述的是各个能级粒子数和总粒子数的关系 其中n 叭表示总 粒子数 n 0 为基能级 即e o 粒子数 n i 为e 1 能级粒子数 n 2 为e 2 能级粒子数 由 于n n 2 并且n 2 远小于i l o 所以有r l t 矿1 1 0 n 2 铷o 即等式 2 3 孕 一九 贸 一生 吨 2 4 u fi 三 上 上 2 5 一 l z j f f 2 1f 2 0 上式中n 是粒子数 w p 是泵浦速率 盯是受激发射截面 是光子密度 c 是光 速 r 是激光上能级寿命 苎三能级简并度之比 2 3n d y a g l 31 9 删1 3 3 8 姗双波长激光同时起振条件 侧面泵浦固体激光器泵浦阈值公式为 圪 坠掣 z 叩0 7 7 因为饱和光强为 is 旦 c r 2 1 f 将 2 7 式代入 2 6 式有 2 6 2 7 巳 譬辈 2 8 f q f 0 1 激光谐振腔内往返的增益为 2 9 2 口 1 n 2 9 激光工作物质横截面积为 爿 矿 2 1 0 将 2 9 式和 2 1 0 式代入 2 8 式 整理得到下式 驴揣 扣专 上述等式中 r 和 一指激光谐振腔两腔镜镀有的反射率参数 材指被激光晶体吸收 的光功率转换成相应频率的荧光效率 i 指饱和光强 r 指对应波长激光的上能级粒子 寿命 z 指激光晶体的通光长度 忍指普朗克常量 a 指激光晶体的内部固有损耗 盯 指相应波长激光受激发射的截面 呷d 指激光晶体吸收泵浦光的效率 矿指激光晶体体 积 d 指相应的激光反射频率 2 3 1n d y a g l 3 1 9 i 1 3 3 8 姗双波长激光同时起振阈值计算 由于n d y a g 的两发射峰1 3 1 9 m 与1 3 3 8 m 的发射截面比值将近1 1 所以比较 容易获得1 3 1 9 i n 与1 3 3 8 m n 双波长激光的同时输出 为了获得双波长激光输出 就需 要使得这两个波长的激光工作阈值相等 即泵浦阈值相等 通过查阅相关书籍得出侧 面泵浦固体激光器泵浦阈值公式为 岛 嚣 扣如 为了使1 3 1 9 删1 3 3 8 砌激光可以同时起振则有 蒜h 扣却2 蔫心 扣去如 其中字母下方标注为1 的是指1 3 1 9 n m 波长激光的相应参数 字母下方标注为2 的是指1 3 3 8 m 波长激光的相应参数 n d y a g 晶体中1 3 1 9 姗波长激光和1 3 3 8 啪波 长激光的激光上能级是相同的 即1 3 1 9 l 瑚波长激光和1 3 3 8 n m 波长激光的上能级寿命 也是相同的 所以可以得到t l 也 同时我们模拟全反镜对1 3 1 9 衄波长激光和1 3 3 8 呦 波长激光的反射率都是1 0 0 就会有如下等式b 9 训1 1 n 土 2 三 至 l 垒a 一口1 旦 量生 1 n 土 2 1 4 1 7 2 02 y l7 7 2 0 2 y l 吃 1 3 1 9 l 州1 3 3 8 衄双波长同时起振的输出镜反射率关系如下图2 2 所示 图中横坐 标表示为输出镜对1 3 1 9 n m 激光的反射率 纵坐标表示为输出镜对1 3 3 8 n m 激光的反射 率 由于两个波长比较接近 所以满足1 3 1 9 n m 和1 3 3 8 n m 双波长同时起振的输出镜对 应两个波长的反射率比较接近 图2 21 3 1 9 姗输出镜反射率与1 3 3 8 n m 输出镜反射率的关系 根据激光输出能量公式户o 爿 篙 羔一1 得到以下结论 如图2 3 和2 4 所 示 图2 3 为输出镜反射率对输出能量的影响 可以看出随着输出镜反射率的增大 输出能量也随之增加 当输出镜反射率为o 8 左右时达到峰值 然后输出能量迅速减 小 图2 4 为注入能量和输出能量的关系 注入能量对双波长激光的输出能量基本都 成正比例增加的关系 图2 3 输出镜反射率与输出能量的关系 图2 4 注入能量与1 3 1 9 n 州1 3 3 8 n m 输出能量的关系 由此我们把输出镜1 3 1 9 m 反射率定为7 4 经计算得出此时输出镜1 3 3 8 i u i l 反射 率应为7 2 1 7 1 3 1 9 m 1 3 3 8 衄激光阈值约为3 8 j 1 3 1 9 n 州1 3 3 8 n m 激光输出能量基 本相等 均约为7 0 m j 所以当输出镜镀有1 3 1 9 i 蚰反射率为7 4 1 3 3 8 衄反射率为7 2 1 7 的膜系时 1 31 9 n n 1 1 3 3 8 n m 双波长激光能够满足同时起振的条件 且输出能量基本相等 2 3 21 0 6 4 眦l 强谱线的抑制方法 对1 0 6 4 姗多余谱线的抑制是本论文的研究点之一 由于1 0 6 4 衄激光增益很强 在本论文中 如果不能很好的抑制1 0 6 4 啪激光的起振 很可能会导致1 3 1 9 i m l 1 3 3 8 1 1 n 1 双波长激光不能够起振的情况出现 所以本论文中 对全反镜镀有1 0 6 4 衄波长的高透 膜系 输出镜镀有1 0 6 4 衄波长的增透膜系 透射率大于9 6 经过计算模拟得到以 下结论 如图2 5 所示 注入能量 j 图2 5 注入能量与1 0 6 4 岫输出能量的关系 根据注入能量与输出能量表达式计算 对全反镜镀有1 0 6 4 n m 波段高透膜系 输出 镜镀有1 0 6 4 衄波段增透膜系 透射率大于9 6 1 0 6 4 n h l 的起振阈值在3 5 j 左右 本 论文拟注入能量最大为3 0 j 所以成功的抑制了1 0 6 4 m 谱线的起振m 4 第三章n d y a g l 3 1 9 n n l 1 3 3 8 n m 双波长激光器实验装置设计 3 1n d y a g l 3 1 9 n 1 3 3 8 n m 双波长激光器泵浦源设计研究 多年来固体激光器不断发展 但是对其激光头主体设计的基本要求是没有改变的 就是其重要的三个组成部分 激光增益物质 泵浦光源 激光增益介质的散热装置 为了使整台激光器的输出能量得到良好的保证 就必须对激光头的泵浦效率提出一定 的要求 依此来看 确定合适的泵浦光源是尤为重要的 多年以来在固体激光器中运 用了多种不同的泵浦源 其中最普遍的有两种 分别是激光二极管泵浦源和闪光灯泵 浦源 针对不同的需求 激光二极管泵浦原的中心波长可以有很多的选择 中心波长 为8 0 8 姗的泵浦源就能很好的被n d y a g 激光晶体所吸收 另外激光二极管泵浦源还 具有工作寿命长 电光转换效率高 泵浦热量小 输出激光光束质量好 重复频率覆 盖几赫兹到几千赫兹 有利于新型材料的激光器工作物质充分发挥其特有的作用等优 点 另一方面 价格过高是激光二极管泵浦源的一个弊端 同它也不能很好的满足大 能量激光器的需求 综上所述 针对本论文研究的双波长激光器 不需要大的输出能 量 输出能量为毫焦级即可 但是为了使1 3 1 9 i 州1 3 3 8 l h n 能够克服低增益 高损耗的 弊端并能够同时起振 就必须要求泵浦源能够提供足够的能量 所以闪光灯泵浦源就 具备