（光学专业论文）ld泵浦nd：yag全固态蓝光激光器.pdf

摘要 激光二极管泵浦的固态激光器由于它的高效率、紧凑性等优点成为近十几年激光 器件研究的一个热点，蓝光激光由于在数据存储、水下通信、生物医学、激光显示等 方面的广泛应用而倍受重视，但全固态蓝光激光器发展比较缓慢，技术上还不是很成 熟。本论文采用对n d ：y a g 输出9 4 6 n m 激光倍频，获得4 7 3 n m 蓝光输出方案，较完整 的给出了理论分析和实验研究。其主要内容可概括如下： ( 1 ) 从激光器的速率方程出发，考虑泵浦光和激光的光场分布，对准三能级系统进 行了理论分析，得出了阈值表达式、模式匹配条件、激光晶体的最佳长度，从 而给出可指导准三能级激光器设计的一些有用结论。 ( 2 ) 提出了降低热效应的方法，采用a b c d 传输矩阵理论，对腔内激光参量进行了详 细的分析，包括不考虑象散的直腔、v 型腔以及考虑象散的z 型腔。在充分考虑 热效应的前提下，设计出对热效应不敏感的三镜折叠腔，创造出两个光腰，既 满足了泵浦光能量的充分利用，也满足了缩小光腰，增加泵浦光能量密度，提 高倍频效率的要求。 ( 3 ) 在理论分析的基础上进行了实验研究，利用v 型腔在注入泵浦功率为1 2 5 w 时 输出功率为1 3 w ，光一光转换率高达1 0 4 ，斜率效率为3 2 5 ，对激光器出 现的功率饱和问题，和激光器输出功率的稳定性问题进行了分析和研究。并利 用稳腔法对晶体的热焦距进行了测量。 关键词：l d 泵浦，准三能级，腔内倍频，热稳定腔，蓝光激光器 l d - p u m p e d a l l s o l i d s t a t el a s e rh a sb e e nah o tr e s e a r c hf i e l di nr e c e n ty e a l s d u et oi i sh i g h e f f i c i e n c y 、c o m p a c t n e s s e s p e c i a l l y 也er e s e a r c ho nb l u el a s c ri sv e r ya c t i v eb e c a u s eo fi i s p o t 跖f i a la p p l i c a t i o ni nm a n yf i e l d s s u c h 鹊d a t a - s t o r a g e 、u n d e rw a t e rc o m m u n i c a t i o n 、 b i o m e d i c i n e 、l a s e rd i s p l a y h o w e v e rt h et e c l m o l o g i c a lo fa l l - s o l i d - s t a t eb l u ei a s e ri ss l o w a n di m m a t u r e ，i nt h i st h e s i s ，t h eh a r m o m cg e n e r a t i o nt e c h n i q u ew a sa d o p t e df r e q u e n c y d o u b l i n go f9 4 6n i nf r o mn d ：y a gt op r o d u c e4 7 3 n mb l u el a s e r t h et h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e sc o m p l e t e di nt h et h e s i sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 )b a s e t h er a t e - e q u a t i o na n dt a k i n gi n t oa c c o u n to fb o t hp u m p i n ga n dl a s e rt i g h t d i s t r i b u t i o n t h eq u a s i t h r e e l e v e l s y s t e m i s a n a l y s e d , t h et h r e s h o l dc o n d i t i o n 、 m o d e m a c t h i n ga n dc r y s t a ll e n g t ho ft h el a 鲫a r eg i v e n s o m eu s e f u lc o n s t r u c t i v e c o n c i n s i o n sa r ea c h i e v e d ( 2 )am e t h o do ft h e r m a le f f e c tr e d u c t i o nw a ss u g g e s t e d at h e r m a l i n s e n s i t y t h r e e m i r r o r f o l de a v i t yw i t ht w ot w i s t sw h i c hs i m u l t a n e o u s l ys a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so f e f f i c i e n tp u m p i n ge n e r g ya n ds m a l l e rs p o ts i z ew h i c hi n e r e a s e st h ep u m pe f f i c i e n c y ( 3 )b a s eo nt h e o r e t i c a la n a l y s i st h ee x p e r i m e n tw a sa c h i e v e d t h r o u g ht h eo p t i m i z a t i o n o ft h es y s t e r n w h e nt h ei n c i d e n tp o w e rw a s1 2 5 w a sh i g ha s1 3 w4 7 3 n mb l u el a s e r o u t p u tw a so b t a i n e d t h eo p t i c a l t o - o p t i c a le f f i c i e n c yi su pt o1 0 4 ，t h es l o p ee f f i c i e n c y i s3 2 5 t h et h e r m a ls a t u r a t i o na n ds t a b i l i t yo ft h el a s e rw a sa n a l y z e da n dd i s c n s s e d , t h e t h e l i l l a ll e n sf o c a ll e n g t hw a sm e a s u r e do u tu s e dt h em e t h o do fs t a b l e r e s o n a t o r k e y w o r d ：l d p u m p e d , q u a s i - t h r e e - l e v e l , i a t r a c a v i t yd o u b l i n gf r e q u e n c y ，t h e r m a l s 纽b kc a v i t y ，b l u el 戤q e r 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，l d 泵浦n d ：y a g 蓝光激光器是本人在 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已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。 作者躲辑业咀月监日 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。 指导导师签名： 第一章绪论 1 1 固体激光器的发展历史 激光是近代科学史上最伟大的发明之一。自1 9 5 8 年肖洛( a s c h a l o w ) 和汤斯( c t o w n e s ) 发表首篇描述激光器理论的论文以及1 9 6 0 年梅曼( t m a i m a n ) 的第一台红宝石 激光器诞生以来，固体激光器就直处于激光技术研究的中心地位。它不仅对传统学 科和技术的发展产生了巨大的影响，而且还开创了许多令人神往的新兴领域。目前， 激光在科学研究、工农业生产、信息、通讯、国防、娱乐文化和环境保护等领域的应 用日益广泛、深入。现在，全球范围内的激光产业己经形成，一些将导致重大变革的 重大应用项目正在实验或完善之中，如激光分离同位素、激光受控核聚变等。进入八 十年代，半导体激光器( l d ：l a s c rd i o d e ) 及其阵列( l d a ：l a s e rd i o d ea r r a y ) 研究工作的 巨大进展极大地推动了固体激光器件、技术及应用的发展。在此基础上出现的激光二 极管泵浦的固体激光器( l d p s s l ，d p l ，d p s s l ) 发展速度非常之快，它是一种结构紧凑、 效率高、寿命长、能够获得高功率和高光束质量输出的新型激光器件，成为当今光电 子领域增长最快、最令人瞩目的亮点之一。其中特别是大功率的l d 泵浦的固体激光器 件在空间通讯、材料a n ：i ：、医疗、大气研究、光谱、高功率激光“种子”注入、军事、 科学研究等领域均有重要的应用，己成为目前固体激光器的主要研究与发展方向，成 为国际上竞相研究开发的热点。 进入9 0 年代以来，激光二极管技术继续迅速发展，全固态激光器技术也随着激光 二极管的发展迈上了一个新的台阶，取得了突飞猛进的发展，并达到了实用水平。美 国a r i l o c ol a s e r , s p e c l r a - p h y s i c s ，s d l 公司等在该领域异常活跃的几十个公司分别推出 各种型号的连续和脉冲小型d p l 激光器。传统灯泵浦固体激光器赖以占有世界激光器 市场主导地位的所有各种振荡方式，使用激光二极管作为泵浦源都可以成功地加以实 现，全固态激光器成为重要的发展方向之一。尤为引人注目的是以高功率全固态激光 器及其应用研究的新进展。1 9 9 2 年的c l e o 会议上，美国报导了l c m 阵列连续波功率 1 2 1 w 输出和4 5 的效率：在准连续状态工作的激光器中，峰值功率为5 0 w ，1 2 0 w ，1 5 0 0 w 和3 k w 的系列已商品化。1 9 9 2 年麦道公司为钕玻璃板条激光器制造了一个大泵浦源， 队列组件包含6 5 0 0 个激光条，输出峰值功率为3 5 0 k w 。被称为具有“里程碑”意义的 事件之一是美国劳仑兹一利弗莫尔国家实验室于1 9 9 2 年研制成功的千瓦级高功率二极 管泵浦n d ：y a g 激光器，其体积仅有葡萄柚大小。另一事件是1 9 9 4 年美国能源部宣布 批准实施“国家点火设施”( n a t i o n a li g n i t i o nf a c i l i t y ，简写为n i f ) 计划，并在劳仑兹一 利弗莫尔国家实验室建成的单束元装置( b e a m l e t ) 上全面考核了n i f 将使用的关键技术 和元器件性能。1 9 9 7 年r a n d a l lj s t p i e r r e 实现了l d 阵列泵浦n d ：y a gm o p a ( m a s t e r o s c i l l a t o r p o w e ra m p l i f i e r ) 的千瓦级输出倍频后输出绿光5 j p u l s e 1 9 9 9 年日本东芝 公司实现了半导体泵浦n d ：y a g 连续3 3 k w 峰值1 3 2 k w 的激光输出。1 。目前c e o 等公 司已经可以提供商品化的大于4 5 0 w 的半导体泵浦固体激光产品，价格与同等功率水平 的氙灯泵浦固体激光相当。2 0 0 0 年2 月1 3 1 6 日在瑞士举行的美国光学学会先进固体 激光器专题会议( a s s l ) 上报道了。3 用高亮度二极管抽运n d ：y a g 相位共轭激光器获得 9 0 0 w 输出的衍射极限光束的一篇论文，并确信当时最高能量将远高于日本东芝公可报 道3 k w 的能量。2 0 0 2 年东芝公司报到了世界最高输出功率达1 1 3 k w 的半导体激光器抽 运的全固体激光装置，电光转换效率达2 2 “1 1 2 固体激光器特点 固体激光器的主要特点是：( 1 ) 运行方式多样。可在连续、脉冲、调q 及锁模下运 行，分别获得高平均功率、高重复率、高单脉冲能量及高峰值功率。( 2 ) 能获得激光运 转的固体工作物质多达数百种，激光谱线达数千条，多分布于可见光及近红外光区。 ( 3 ) 固体激光器导光系统简单，容易制作。( 4 ) 固体激光器结构紧凑、牢固耐用、价格 适宜。 固体激光器的泵浦光源的主要目的是：将电能高效率地转化为辐射能，并在一定 的光谱带中产生高辐射强度，其中最有效的泵浦是使激光材料在荧光波长处有最大的 发射，而在有效吸收带之外的所有光谱区产生最小的发射。在各种泵浦源中使用最多 的是闪光灯、连续弧光灯和激光二极管泵浦，闪光灯及弧光灯由于发射的光谱宽，而 固体激光介质的吸收带很窄，因而电光转换效率低。与灯泵浦源相比，l d 泵浦易于用 温度调谐来改变发射波长，使其与激活离子的吸收峰值相吻合，模匹配有效和泵浦功 率密度高，因而半导体激光二极管泵浦的固体激光器( l d p s s l ) 体积小、重量轻、结构 紧凑、寿命长( 1 0 0 0 0 5 0 0 0 0 h ) l d 作为固体激光器的泵浦源，已成为今后的主要发展方 向。， 激光二极管泵浦的主要特点如下。1 ： ( 1 ) 提高了系统的效率。与闪光灯的发射效率相比，在8 0 8 n m 时，激光二极管的发射 带与钕吸收带之间存在很好的光谱匹配，从而产生很高的泵浦效率。事实上，闪光灯 的辐射输出能量与输入电能之间的转换效率( 7 0 ) 高于激光二极管的辐射输出能量与 输入电能的效率( 2 5 一5 0 9 6 ) 然而，不同钕吸收带的吸收只是灯辐射光谱的一小部分。 但激光二极管的输出波长是可以选择的，在特定固体激光器中，可以使其全部处于吸 收带中。 ( 2 ) 延长了元件的寿命。激光二极管泵浦固体激光器的系统寿命和可靠性都优于闪光 灯泵浦。在连续工作时，激光二极管阵列的寿命是1 0 0 0 0 h ，大约发射1 0 。次脉冲。闪光 灯在连续工作时的寿命大约是5 0 0 h ，大约发射1 0 8 次。 ( 3 ) 改善了光束质量。激光二极管泵浦激光器由于泵浦光与材料吸收谱的匹配，减少 了激光材料积聚的热量，从而降低了热透镜效应，进而改善了光束质量。此外，激光 二极管辐射的方向性，使得有可能设计出泵浦辐射与低阶模之间存在良好光谱交叠的 谐振腔，进而产生高亮度的激光输出。 ( 4 ) 增大了脉冲重复率。准连续激光二极管除了具有闪光灯和连续弧光灯的低重复率 和连续运转特性外，还能够允许固体激光器在几百赫兹到几千赫兹的重复率范围内产 生脉冲运转。 ( 5 ) 有利于健康。由于没有弧光灯泵浦中出现的高压脉冲、高温和紫外辐射，所以激 光二极管泵浦的系统是有利于健康的。此外，灯泵浦系统的大量紫外线与高泵浦光强 使泵浦腔和冷却水出现衰变，进而使系统功能衰退，需要定期维护。而激光二极管泵 浦源从根本上消除了这些问题。 ( 6 ) 实现了激光系统的紧凑性、多功能性。与灯泵浦源不同的是，激光二极管输出光 束的方向性和小发射角，使得有可能是计出新型固体激光器，如端面泵浦系统、微芯 片激光器和光纤激光器等。泵浦源输出光束在形状和向激光介质传播上的灵活性，为 发明新型泵浦结构和设计构造提供了极好的机会。 ( 7 ) 有利于新型激光材料的应用。激光二极管泵浦的大多数激光材料也能够用闪光灯 泵浦。然而，很多非常有用的材料如n d ：y v 0 4 ，y b ：y a g 和t m ：y a g 等，只在激光二极管 的泵浦作用下才能显示出优势。 d p s s l 分端面( 纵向) 和侧面( 横向) 两种泵浦方式。端面泵浦的优点是装置简单，泵浦 光束与谐振腔模匹配良好，增益介质对泵浦光的吸收十分充分，激光输出易实现t e m o o 模。因而，阈值泵浦功率低，斜效率高。但是对于端面泵浦，介质中的热效应也更复 杂。在破坏阈值以下，热形变及应力双折射大大降低了激光的输出特性，热形变导致 热聚焦和球差，热致球差会严重影响输出光功率和光束质量：热致双折射会导致退偏和 使输出光斑分布强度不均匀。侧面泵浦方式热效应比端泵浦小，并可充分利用激活区， 获得高功率输出，而且，结构比较简单，甚至可以不用耦合光学系统直接泵浦。但是， 测泵浦转换效率比端面泵浦低，且一般为多模输出，应采用专门措施以提高光束质量。 1 3 蓝光激光器的发展 蓝光激光器在激光生物医学、激光彩色显示、激光高密度数据存储、激光光谱学、 激光打印、激光水下成像与通讯等领域得到广泛应用。通常，获得蓝光激光输出有以 下几种常用方法：( 1 ) 通过激发氢离子等气体物质获得蓝光，但体积大、效率低、难于 维护、价格高等缺陷成为其进一步推广的障碍。( 2 ) 半导体激光器( l d ) 直接产生蓝光， 目前国际上的数家公司可提供波长在4 0 5 n m 和4 4 0 n m 的激光产品，其中p h o t o n i c s o l u t i o n s 公司提供的输出功率为2 5 m w ，中心波长在4 0 5 n m 的产品，其波长随温度的 变化而变化率为0 0 6 n m 。c ，为了使这种激光器工作波长稳定，要对它进行严格的温 控。此外其价格目前还难以降到普及的程度。( 3 ) 将近红外的半导体激光二极管发出的 激光单程通过非线性晶体，利用频率上转换( 倍频或和频) 实现蓝光波段”1 ，这种方法可 获得与激光二极管一样稳定的输出，为了获得高的转换效率，需要有效非线性系数大 的晶体如l ( n ，或在光路中串联多个晶体”，为了克服上面方法效率低的缺点，人们采用 t # b 腔谐振技术。1 ，由于这种技术使用的单频激光二极管，这样得到的蓝光也是单频的， 为了达到谐振的目的，需要较复杂的反馈系统来调节腔长满足谐振条件9 1 。由于对半导 体激光器的激光光束和模式质量要求高，使得激光器产品的成本高，价格难以大幅度 下降。市场上主要有瑞士的r a i n b o wp h o t o n i e s 公司提供一该技术的4 3 0 h m 和4 9 0 n m 两种波长的产品。( 4 ) 利用激光二极管( l d ) 泵浦固体工作物质，通过腔内倍频获得蓝光 输出。采用这种方法产生蓝光的成本低，技术成熟，目前市场上出售的蓝光激光器产 品主要采用此方案，其尤以4 7 3 r m l 激光器为多“卟“，因此本论文着重论述的是此类激 光器。 1 9 8 7 年t yf a n 和r l b v e r 首先提出用辐射波长为8 0 8 n m 的激光二极管端泵 n d ：y a g 工作物质，产生波长为9 4 6 n m 的激光，并建立了准三能级激光器理论模型“”， 同年他们用8 0 8 r u n 的l d 端面泵浦n d ：u i g 棒，在室温下获得了连续的9 4 6 r u 激光， 并深入分析了腔内倍频9 4 6 n m 激光产生4 7 3 n m 激光的可能，给出了几种有发展前途的 倍频晶体如：k t p ，l i i0 3b b o ，k n ，l i n b 嘎，8 i b o “”并获得了采用l d 泵浦掺钕三价离子 的激光晶体、腔内倍频获得蓝光的专利。与此同时，w p r i s k 和w l e n t h 采用半导体 激光器泵浦n d ：y a g ，l i l 0 ，腔内倍频获得了0 i m w 的4 7 3 n m 蓝色激光输出的实验结果“。 这是世界上第一台蓝光激光器。1 9 8 8 年，w p r i s k 分析了纵向泵浦固体激光器的再吸 收损耗特性，建立了再吸收模型“”。准三能级理论和再吸收模型，以及相应的实验结 果对之后的4 7 3 n m 蓝光激光器的发展奠定了一定的基础。 1 9 9 9 年，中国科学院长春光机所在国内首先报道了l d 端面泵浦n d ：y a g 晶体，l b o 腔内倍频得到4 7 3 n m 蓝光输出的实验结果“”，这也是国际上首次报道采用临界相位匹 配l b o 实现9 4 6 n m 到4 7 3n m 的倍频。经过优化用2 w 的单管l d 泵浦获得了大于1 2 0 m w 的蓝光输出，利用c r 4 + ：y a g 被动调q ，n d ：y a g ，l b o 结构获得了腔内调q 倍频的4 7 3 n m 的蓝光输出。 目前，毫瓦级、数十毫瓦级的4 7 3 n m 蓝光激光器在国内外己经比较成熟“。而在 一些应用中( 如大屏幕显示，水下成像与通讯) ，功率上显然满足不了要求。这就要求 大功率的蓝光激光器。随着大功率半导体激光器工艺的成熟和提高，成本的不断降低， 采用l d 抽运n d ：y a g 晶体，经过非线性晶体倍频获得瓦级输出4 7 3 n m 蓝光的全固态激 光器已经成为获得蓝光的一个热点。 2 0 0 0 年，p z e l l e ：和p p e u s e r 利用光纤耦合l d a 激光，端面泵浦n d ：y a g l b o 腔 内倍频，其激光阈值很高为1 6 w ，但在2 1 w 的泵浦功率下获得了1 5 w 的4 7 3 n m 蓝光输 出“。这一实验结果在2 0 0 3 年由c c z e r a n o w s k y ，e h e u m a n n 和g h u b e r 刷新，该小 组利用热稳定腔，在与上面同样的泵浦功率下，利用l 8 0 ，b s o , b i b 0 作为腔内倍频晶 体分别获得了1 5 2 w ，2 1w ，2 8 w 的4 7 3 n m 蓝光输出的实验结果，其激光阈值都低于 8 w 。近年来，国内也开展了4 7 3 n m 全固态瓦级蓝光激光器的研究。长春光机所、北京 物理所都在进行此方面的研究。 4 1 4 蓝光激光技术 连续蓝光激光器多采用l d 端面泵浦方式。激光晶体一般为3 m m 左右，n d 3 + 的掺杂浓度为 1 或1 1 ，近年来出现了一种新型的复合晶体其结构如图1 1 所示，这种复合式y a g 棒有助 于改善致冷效果，提高输出功率。据文献报道，在物理条件( 同一种增益介质，几何尺寸、 掺杂浓度相同，相同的功率泵浦等) 相同的情况下，激光器采用复合晶体比采用不复合晶 体的光光转换效率提高3 倍。”1 “，但在一般条件下用普通的n d ：y a g 晶体，保证好的散热条 件，也可以获得高效率的蓝光输出。 m 叩酣如p 。d y a gn d ：y a g y a g a 删| yn 吐y a g 刚 ( a ) ( a ) 复合型：( b ) 普通型 图1 1y a g 棒结构 ( b ) 对于蓝光激光器腔体结构常用的有以下几种：( 1 ) 直腔结构( 2 ) v 型腔结构( 3 ) z 型腔结构，如图1 2 所示， ( a ) ( b ) ( c ) 图1 2 蓝光激光器腔体常用结构( a ) 直腔结构( b ) v 型腔结构( c ) z 型腔结构 直腔结构其特点是结构紧凑、体积小、构造简单，但是倍频效率低，原因是不能 自由选择激光晶体和倍频晶体上的光斑大小，从而使好的模式匹配和高的倍频效率两 者不能兼得，因此影响了激光器的整体功率，这种腔构型对于小功率蓝光激光系统比 较合适。v 型腔结构的优点是可以在腔的两个分臂上产生两个独立的光腰，从而有效的 解决了模式匹配和高倍频效率两者之间的矛盾，但由于v 型腔存在一定的象散，所以影 响了输出的光斑质量。z 型腔结构热稳定性好，倍频效率高，光斑质量较v 型腔好一些， 但结构复杂腔内损耗大。所以在选择谐振腔时要根据不同情况选择不同结构，一般中 小型功率的激光器选用直腔结构，大功率时为了提高效率应选用后两种结构。 在绿光激光器技术中由于基频光的多纵模运转，各纵模在倍频晶体中出现不同程 度的耦合，导致绿光输出的不稳定，即所谓的“绿光问题”，在蓝光激光器中存在同 样的问题蓝光问题，所以要解决该问题得到稳定的蓝光输出必须迫使基频光单纵 模运转。获得单纵模的方法很多，如标准具法、复合腔法、环行腔法等多种方法，标 准具法损耗比较大，复合腔法和环行腔法结构比较复杂，不利于小型化、产品化，有 一种利用双折射滤光片原理迫使基频光单纵模运转的巧妙方法“”，这种方法已广泛运 用在绿光激光器当中，其结构如图1 3 所示， l dc 0 y a g 髀l 册 图1 3 低躁声绿光激光器结构 当激光通过布氏片时，只有当其偏振方向与p 偏振面重合时损耗才为零。对l i 类临界 位相匹配双折射晶体k t p ，作倍频使用时其光轴与晶面平行并与入射基频光的偏振方向 成4 5 度角。当基频线偏振光通过k t p 时分解为。光和e 光，位相差6 为： 6 2 刀d ( n 。一n 。) x ( 1 1 ) 式中，d 是k t p 的长度，开。和 。分别为不同纵模对应下。光和e 光在k t p 中的折射率，a 为不同纵模对应下真空中的波长。根据上面的分析，只有对6 - - m 月r ，即返回到b p 片的光 偏振方向与原方向相同的纵模，布氏片对其损耗才为零。对其它纵模，则存在不同的损 耗，布氏片恰通过对各纵模的选择性损耗实现了激光器的单纵模运转。以上结构只能应 用在兀类相位匹配中，即在倍频倍频晶体中同时存在。光和e 光两种基频光，但在蓝光 激光技术中多用l 类相位匹配形式，所以应对以上结构进行修改，在文献汹h 矧中给出 了两种比较实用而简单的技术，如图1 4 所示 6 ( a ) ( b ) 图1 4 两种实用的低躁声蓝光激光器 图1 4 a 其中，由布氏片b p 和石英晶体( 石英主轴与b p 片的p 偏振面成4 5 。角) 来构成双 折射滤光片，当基频光的偏振方向与布氏片b p 的p 偏振面重合时损耗才为零，因此在含 b p 片的谐振腔映 9 4 6 n m 基频光仍然是线偏振的，当基频线偏振光通过石英晶体时分解 为0 光和e 光，产生往返位相差6 ，只有对6 = r t i 石( m 为正整数) ，即返回到b p 片的光偏 振方向与原方向相同的纵模，布氏片对其损耗才为零，对其它纵模，则存在不同程度的 损耗，从而形成实现了基频光的单纵模运转。 图1 ，4 b 的原理是，腔内含有双折射滤光片的激光器的往返琼斯矩阵的本征值为 - * 乃t 扣咖f 扣i q 卫 其中，为偏振器中对有损耗的偏振方向光的单程强度透过率，妒一4 z a n l 2 为腔内 双折射滤光片中的双折射晶体引起的光场往返位相差缸为双折射晶体的双折射为 双折射晶体的几何长度，。a 为基频光波长，由此可得到光场的往返透过率为智( p ，s 分别表示平行和垂直于入射面的偏振方向) ，而卜砰为相应偏振态的往返损耗由公式 ( 1 2 ) 做出双折射滤光片的往返透过率与双折射晶体引起的位相差爹的关系曲线如图 1 5 所示， 图1 5 双折射滤光片的往返透过率与位相差的关系曲线 7 从图中可以看出，不同的位相差对应着不同的透过率且透过率曲线以2 石为周期，即当 毋为2 万整数倍的光波往返通过偏振器时光波的偏振态不变，损耗最小，而双折射晶体 对光波的这种往返作用在物理光学中恰是全波片的作用。 这里要强调的是实验中发现l d 抽运各向同性的工作物质n d ：y a g 的基频光具有约 3 ：1 的偏振比，这被解释为l d 偏振抽运的结果。而当i 类临界相位匹配倍频晶体l b 0 插 入腔内时，基频光的偏振比大于4 0 0 ：1 ，且垂直于倍频光的偏振方向，这与n d ：y a g k ni 类倍频蓝光激光器中偏振比高达1 0 0 0 ：1 相类似，并被定性地解释为腔内基频光两个偏 振本征态的净增益的不同引起的。总之，这时腔内有了起到偏振器的元件，并且i 类倍 频晶体l b o 起着主要的作用。可将其看成双折射滤光片中的偏振器，再在腔内引入一个 起到全波片的双折射晶体就可与l b o 组合构成双折射滤光片来选频。亦可以实现基频 光的单纵摸运转。以上两种方法都在实验上得到验证，图1 5 a 的方法在1 3w 的泵浦 功率下，获得了5 8 m w 的4 7 3 n m 蓝光低噪声稳定运转，图1 5 b 在注入抽运功率为1 2w 的 条件下获得了2 5m w 稳定的单频4 7 3 n m 蓝光输出。 脉冲蓝光激光器在很多方面都有很重要的应用，如水下通信、光学刻画、非线性 光学等。现给出两种调q 脉冲激光的具体设计方案如图1 6 汹1 所示 l d c on d ：y a g 矿：豫g 弼 t e 白 ( b ) k j 硼 岛 ( c ) 图1 6 调q 蓝光激光器 图a 为利用c r “：y a g 腔内调q ，然后以l b 0 做腔内倍频的装置，该装置阈值约为7 6 0m w 。 在注入抽运功率为1 6 0 0m w 时，得到平均功率9 1 w ，脉冲宽度1 4 5n s ，重复频率4 1 9 k h z 。峰值功率近1 5 0 w 的被动调口脉冲蓝光输出。图b 为利用c r ”：y a g 饱和吸收晶体被动 调q 装置，c r ”：y a g 晶体放在在紧靠n d ：y a g 腔内束腰处加入调q 晶体( 1 掺杂，l m 厚，小 信号透过率为8 7 ) ，两端均镀9 4 6 n m 增透膜，并利用l b o 晶体做腔外倍频。该装置在泵 浦功率为1 2 w 的情况下，获得了1 6 0 m w 的9 4 6 n m 连续红外输出，平均功7 0 m w ，周期t = 1 0 0 us ，脉宽t = 2 0 n s 的被动调q 输出，峰值功率为2 0 0 w ：用一类临界相位匹配晶体l b 0 腔 外倍频，获得了1 5 m w 的4 7 3 n m 脉冲蓝光输出，峰值功率为1 5 w 。图c 是利用声光q 开关进行 调q 。声光p 开关是由石英玻璃材料制作，声光作用长度为2 c m ，换能器工作频率为 7 0 m h z ，其射频最大输出功率7 5 霄，该装置在1k h z 重复频率下，得到脉冲宽度为2 3n s ， 峰值功率接近7 0 0 w 。单脉冲能量达至1 j 1 6uj 的稳定的4 7 3 n m 激光脉冲。 1 5 本论文主要内容 1 从激光器的速率方程出发，考虑泵浦光和激光的光场分布，对准三能级系统进行了 理论分析，得出了阈值表达式、模式匹配条件、激光晶体长度，从而给出可指导准 三能级激光器设计的一些有用结论。 2 对各种非线性晶体做了相关的总结和讨论，给出了i n o ，所以o * 一n ? ， 当激光介质工作在稳定状态时，由方程( 2 4 ) 得： j p ( r ，砒州肚去 ( 2 6 ) 由方程( 2 。l c ) 得： a n ( 似) ：尘丝唑! 二笪( 2 7 ) c o l ：7 l + 声热( ，二) 其中f = + 厶，设g ( r ，z ) 为增益系数则： g ( r ，z ) = c r a n ( r ，z ) ( 2 8 ) 由( 2 7 ) 式和( 2 。8 ) 式得： g ( 脚) ：至坐丝二型( 2 9 ) 1 + 上月 九( ，z ) 设，( ，z ) 为单向的激光光强，则有： d l _ ( r , z ) ：g ( r , z ) l ( r , z )( 2 1 0 ) 也可以写为： d l 了( r , 一z ) ：彳g o ( r , z ) _ l ( r , z ) ( 2 11 ) 出 l + 2 s i ( r z ) 其中g 。( r ，z ) 为小信号增益系数，其值为： g o ( ，z ) = 盯，肛0 ( r ，z ) 一n o 盯 ( 2 1 2 ) s 为饱和参数： s ：_ f c r r f( 2 1 3 ) 痒屹 这里利用了： l ( r ，z ) = ! 当中九( 懈) ( 2 1 4 ) 如果腔内的损耗比较小，根据往返一次的增益等与损耗，可得： 也观争咧“d ( 2 1 5 ) 只( z ) 为在z 位置上单向的激光功率值： 尸l ( z ) = 2 zi ，( ，z ) r d r( 2 1 6 ) ； 在方程( 2 1 5 ) 中，右边只无变量z ，这表示在低损耗低增益的情况下激光的功率 保持不变。 由( 2 1 1 ) 和( 2 1 5 ) 两式知： 锄船嬲r d r d z 咧“d ( 2 1 7 ) 将l ( r ，z ) 和g 。( r ，z ) 及其它相关量的表达式代入( 2 1 7 ) 式得： 4 万，岸巫2 a c r r p f = 互2 r2 竺：三= ! o ；! 叠2 = 型2 r z 堕坐砒 j j l + 三婴e 醑善) 2 行 定义参数： 这样得到： 口：生 缈l 2 r 2 x = 国： b ：2 n 。t o t ( 三+ r ) 2 c a r ，中 s = = 三一 n 御：( l + r ) ap乒|(rrof = ：! ：! ：一 v p a ) ：( l + a f2燕1j-fib l n ( 1 + j s ) 厂i i 考等出 d s l + 旦sl n ( 1 + 矗) j， 印 f。丽exp(-x)-警exp(-2a2x)f2f 2 出 f 。面万面百旷出 又因为： o ：2 n l p l c h ”l 由( 2 2 6 ) 式可得： ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 祟舻归一州 睾i m 啾一 卜 矿 石d p o u , ：去仉一d s (228)df d 尸： 上+ rp 。1 4 u 。7 阈值公式可由方程( 2 2 5 ) 式推知，令s = 0 得： 吒：坠掣( 22 9 ) 由( 2 ，2 3 ) 式代入( 2 2 9 ) ，并考虑到对泵浦吸收的量子效率问题，由( 2 2 9 ) 式得： 耻垫堕4 等篆掣or1 - 1 一 f7 i i 、 ” 3 f 刁，3 。( ；+ 以) ” 其中叩，为对泵浦吸收的量子效率，令? = o 从而得到四能级的闽值公式为： 耻警等掣 ( 2 3 i ) 1 ”4 4 盯4 f 叩。4 仉z j 其中各物理量的意义如下：昂，为准三能级的阈值，兄。四能级的阈值。瓦为透射总损 耗a 利用( 2 3 0 ) 与( 2 3 1 ) 令两式相等我们可以得到为限制1 0 6 4 r i m 的镀膜条件， 正0 6 4 r i m ：! ! 里坐! 兰二! ! 二兰幽一三 ( 2 3 2 ) 1j一一l 【z 3 zj 2 2 理论分析 利用( 2 3 2 ) 式进行计算，其中各个参数如下：0 3 = 3 8 1 0 。伽z ， 0 4 = 2 7 1 0 。9 c m 2 ，= 2 3 0 9 s ，当掺杂浓度为1 9 6 时，n , o = 1 1 x l o ”册- 3 ， 球p = 5 c m ，= 0 3c m 时，三= 0 0 1 ，0 0 3 ，0 0 5 ，和l = o 0 5 时，分别为0 2 c m ， 0 ，3 c m ，0 4 c m ，0 5 c r n 时，绘制五与五0 6 4 。的关系曲线如图2 2 所示： 图2 2 激光器镀膜要求 由以上两图可以看出，在晶体长度一定的情况下，腔内的损耗越大，则对镀膜的 要求就越苛刻，当谐振腔的损耗定时，晶体的长度越长对镀膜的要求越高，这是容 易理解的，因为当损耗比较大的时候，9 4 6 n m 辐射较弱，这时就要对1 0 6 4 n m 进行更强 烈的抑制，同样，在晶体长度增加时，1 0 6 4 n m 辐射的单程总增益增加，而对于9 4 6 n i n 当晶体的长度增加时，虽然总的单程增益增加，同时重吸收效应增强。所以当晶体长 1 4 鬻蠹 习翻一 曩 一 了誊叠蟛一-1 r-l-r多rzf l 占= 乏二 墨粪 度增加时，则要对1 0 6 4 n m 的透过率更加高，这样才能抑制其起振。这只是对镀膜条件 的最低要求，在实际的应用中为了更好的抑制1 0 6 4 n m 的起振，对其透过率要达到8 0 9 6 以上。 利用式( 2 3 0 ) ，分别对1 0 6 4 n m 和9 4 6 n m 在不同透过率，的阈值情况进行计算，计 算结果如图2 3 和2 4 所示： # k & m 图2 39 4 6 n ml = o 0 3 ，( - 0 l = t o p = o 0 1 5 硎时阈值随晶体长度的变化 毫 理 量 晶体长度m 图2 41 0 6 4 n ml = o 。0 5 ，扛k = 8 0 = o 0 1 5 c m 时阂值随晶体长度的变化 由以上计算可以看出，9 4 6 n m 激光的阙值与晶体的长度有密切的关系，当晶体取某 一长度时，存在闽值最小值，由式( 2 3 0 ) 和( 2 3 1 ) 还可以看出，阈值随腔损耗的增加 而增加，而四能级系统不存在闽值最小点，这种差异完全是由重吸收项的存在而引起 的。在准三能级系统中要减小阈值，应该采取以下措施： ( 1 ) 选取阈值最小所对应的晶体长度。 ( 2 ) 减小腔损耗，降低输出镜的透过率( 会影响激光器的斜率效率) 。 ( 3 ) 减小激光光斑半径和泵浦光的光斑半径，不过这种减小也要有一定的限度， 因为当泵浦光斑半径太小时，热效应会增加重吸收效应并且激光腔的稳定性造成很大 的影响。 由( 2 2 5 ) ( 2 1 9 ) ( 2 ，2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 式可以计算出在在不同模式匹配，不 同光斑半径下的泵浦功率与输出功率关系，如下图所示： 图2 5 国，2 2 0 0 u 札珊l 2 1 0 0 u m ，l = o 0 5 ，= o 3 c m 时输入功率与输出功率的关系。 盖 耋 _ ：土：曩鳗z l 一一t 一一一l 。r t 一1 r 一 ： ，：i t - l ， 。j 一：- 一j j 一：彳 ： 图2 6 国。= 1 5 0 u m ，吼2 1 5 0 u r n l ：o 0 5 ，f = o 3 c m 时输入功率与输出功率的关系 图2 7 c o 。= l o o u m , r _ o l 2 l o o u m ，l = o 0 5 ，z = o 3 c m 对输入功率与输出功率的关系。 1 6 z i o j 一 一 | 。j j i 礓j 7 。 r 一一一一。 杉二 一一一一_ j j 矿? i 膏7 _-_ 。? ：j 一 -_-_-r j-i_一_ 夕 图2 8 珊。2 l o o u m ，吼2 l o o u m ，d 町0 3 ，= o 3 时输入功率与输出功率的关系。 由以上分析可以看出，对于准三能级系统存在一定的模式匹配条件，可以看出当按以 上的参数计算时，当兰! 的值约为1 时激光的输出功率较高，并且光斑越小激光的斜率 l 效率越大。是不是泵浦光斑和激光光斑越小越好呢? 这里还要考虑热效应的影响，如 果泵浦光斑越小，则晶体的热透镜效应越强烈，泵浦区的温度也越高，热透镜效应强 烈会使谐振腔不稳定，温度升高会使重吸收效应加强，所以在选择泵浦光斑大小时应 综合考虑以上两种因素，一般在中低功率的蓝光激光器中生取1 左右，且约为 缈l 1 0 0 ，册左右，在大功率蓝光激光器中竺蔓应略大于l ，山。约为2 0 0 ，硎一3 0 0 ，埘左右。 吼 为了满足模式匹配原则o ) l 约为1 5 0 u r n 左右，此外，为了提高激光器的输出功率还必须尽 量降低腔损耗。 利用( 2 2 5 ) 式对激光器的最佳透过率和激光晶体的最佳长度加以讨论，计算结果如下 图所示： 图2 9 ( - 9 = 0 o l c ml = o o l ，= 0 3 c m 时激光器在不同泵浦功率下的透过率与输出功率的关系。 1 7 图2 1 0 珊= 0 0 1 c mp = 5 w ，：o 3 c m 时激光器在不同腔损耗下的透过率与输出功率的关系。 图2 1 1l = o ，0 3 ，p = 5 wz = 0 3 c m ，激光器在不同激光光腰大小时，透过率与输出功率的关系 目体* 度，舯 图2 ，1 2l = o - 0 3 ，t 5 3 ，n k - 2 0 0 i j i i l ，吼= 2 0 0 u m 时激光器在不同泵浦功率 下晶体长度与输出功率的关系 1 8 悻* 鏖船n 图2 1 3 图2 1 2l = o 0 3 ，t 2 5 ( - 9 。= 2 0 0 u r n ，n ) 上2 2 0 0 u m 时激光器在不同泵浦功率 下晶体长度与输出功率的关系 由以上分析可以看出当泵浦功率增加时，激光器的最佳透射率随泵浦功率的增加而 增加，随激光腔的损耗而增加，随泵浦光腰的增大而减小