可调谐固体激光器历史、现状、发展.ppt

可调谐激光和全固态激光的进展,中科院物理所许祖彦2002.7.16,激光高亮度相干光源,固体高功率、光束质量好、微型/大型、超宽调谐、超高功率、超短脉冲、效率低、寿命短半导体高效率、长寿命、宽波段、小体积、小功率、光束质量差,激光器主要类型,气体高功率、体积大、寿命短、调谐窄液体短脉冲、宽调谐、高分辨、寿命短、有污染、中功率自由电子超宽调谐、高功率、大体积、造价高,激光器主要类型,可调谐固体激光器激光技术发展重要方向之一,“三超”超宽调谐，超高功率，超短脉冲全固化小体积、长寿命、高效率、高可靠固体可调谐激光源具代表性,可调谐激光发展方向,发展,可调谐固体激光的产生,宽光谱带激光效应色心晶体，终端声子激光晶体非线性变频效应非线性光学晶体，准相位匹配芯片,可调谐激光器,倍频,和频,差频,短波调谐,短波调谐,长波调谐,激光源,光参量振荡/放大,倍频和频差频,宽调谐,基础和关键技术基础：综合性能优良晶体，高亮度，高光束质量激光泵源关键：可调谐激光产生和扩展结构,超宽调谐,宽调谐固体激光的产生,终端声子激光器最佳宽光谱带激光器,光泵固体激光器,Nd:YAG能级结构,宽光谱带固体激光器,终端声子激光器能级图,速率方程,N反转粒子数密度；Wp(t)泵浦速率；32晶体受激辐射截面；c光速；n晶体的折射率；s激光上能级寿命；P光子密度；p腔内光子寿命；自发辐射因子。,光泵四能级准连续激光器速率方程：,固体激光器动力学过程,输出功率与泵浦光功率关系,20,15,10,PP(W),最佳输出耦合率,50,100,150,FOM,200,激光晶体最佳长度,FOM:晶体品质因数,终端声子激光器,Cr2+,Cr3+,Cr4+,Ti3+,Ce3+,V2+,Co2+,Ni2+8种发光中心Al2O3,BeAl2O4,LiSrAlF6,MgSiO4等几十种基质晶体,终端声子激光器,Ti3+:Al2O3(掺钛蓝宝石),6601200nmCr3+:BeAl2O3(紫翠宝石),700850nmCr3+:LiSrAlF6(氟化铝锶锂),7801020nmCr4+:MgSiO4(镁橄榄石),11301370nm,掺钛蓝宝石激光器,1980年林肯实验室P.F.MouLton首次演示晶体具有优良的综合性能宽荧光谱和吸收谱，大发射截面，低激发态吸收，优良的物化性能，晶体生长，光学质量高。“三超”激光和高光谱分辨激光基础光源,掺钛蓝宝石激光器,吸收谱和发射谱,调谐输出：7201080nm（四对腔镜）,CW：最高43W，W级单频（单模），谐波252nm，全固化s脉冲：6.5J/脉冲，200W平均功率，灯泵。ns脉冲：50W平均功率，谐波7W（430460），全固化Fs脉冲：脉宽4.5fs，峰功率100TW，19fs，10Hz，平均功率（9W）焦点功率密度：31020W/cm2钛宝石-钕玻璃混合系统：1.5PW峰功率强场光物理关键设备。,掺钛蓝宝石激光器,20200fs100MHz0.11W0.681.1mf,掺钛蓝宝石,自锁模掺钛蓝宝石飞秒激光器,CW及自锁模全固态钛宝石激光器,掺钛蓝宝石激光器,全固态飞秒钛宝石激光器产品照片,输出功率：300mW调谐范围：750-820nm模式：TEM00,连续器件,平均功率：200mW脉冲宽度：30fs重复频率：77MHz,飞秒器件,中科院物理所,TW峰功率飞秒钛宝石激光器,TW,2040fs,10Hz,800nm.,天津大学、香港科大、中科院上海光机所、中科院西光所、中科院物理所,现状,掺钛蓝宝石激光器,非线性变频效应宽调谐产生优良技术,倍频、和频、差频、参量,相互作用的光波在介质中传播具有相同的相速度,相位匹配技术,双折射匹配。准相位匹配。,双折射匹配,匹配条件:,能量守恒:动量守恒:,即:,显然，通过适当的选择折射率n，可以实现相位匹配。,单轴晶体折射率椭球,折射率椭球方程:,nx=ny=no,nz=ne,双轴晶体折射率椭球,折射率椭球方程:,nxnynz,三波耦合方程：,E场振幅；w圆频率；deff倍频系数；n折射率；c真空中的光速；Dk相位失配量；,三波非线性相互作用过程,典型的参量振荡过程脉冲波形,泵光,剩余泵光,信号光,闲频光,准相位匹配（QPM）,原理,匹配条件:,能量守恒:动量守恒:,其中:,，是极化周期。,准相位匹配（QPM）,原理,m,三波耦合方程,其中:,这里为畴周期长度，m为匹配阶数，deff为有效非线性系数,准相位匹配（QPM）,m,，,两种匹配方法的比较,双折射匹配,孔径大，材料光损伤阈值高，有利于大功率发展寿命长适用波段宽(0.320m),优势,问题,有效非线性系数低，效率不高，不利于小型及连续波器件实用化,两种匹配方法的比较,准相位匹配的优势,孔径有限(0.5-3mm)，材料光损伤阈值低，不利于高功率发展受极化技术限制，仅应用于可见/红外(0.4-5m)寿命问题尚待研究,两种匹配方法的比较,准相位匹配技术的问题,当前:,光参量激光器,非线性变频效应应用,光参量振荡器(OPO)光参量放大器(OPA),宽调谐光参量激光系统,1962年J.A.Giordmaine等提出三波耦合光参量效应概念1965年在LiNbO3晶体观察到效应已有20余年晶体实现参量振荡仅BBO、LBO、KTP、KTA等少数材料可能实用化已实现CW、ns、ps，fs参量振荡/放大波长复盖：深紫外-中红外（含WEX），部分有产品，取代了脉冲染料激光市场。,历史现状,发明BBO晶体导致光参量激光实用化,可见/红外光参量激光器,我国科学工作者的贡献,中科院物构所,一块BBO晶体可覆盖紫外至红外(0.3-2m),首次实现BBO-OPO转换效率40%，证明可与染料激光器竞争首先实现BBO-OPO平均输出功率0.5W，证明可商品化。,可见/红外光参量激光器,我国科学工作者的贡献,中科院物构所、物理所,可见/红外光参量激光器,ns、ps，fs系统商品化/实用化,ns振荡/放大/扩展系统(OPO+OPA+WEX),OPA+OPA+WEX,宽调谐ns光参量激光系统,中科院物理所,复合腔OPO,OPO7044型产品照片,调谐:0.222m输出:20mJ脉宽:5ns频率:10Hz操作:人机界面,OPO704-3型,中科院物理所,宽调谐ns光参量激光系统,发展,相位匹配折返现象新效应,宽调谐ps光参量激光系统,OPA系统,发展,多波长光参量激光器:,输出4-6个波长，调谐范围0.582.5m，激光脉宽30ps，峰功率10MW,多波长光参量激光器运转照片,中科院物理所、物构所,宽调谐ps光参量激光系统新效应，新应用,飞秒0PA,中科院物理所,宽调谐fs光参量激光系统,飞秒0PA,泵光倍频Ti:Al2O3激光(400nm)可调范围:0.5-2m，脉冲宽度:100fs，峰功率:2.5GW，运转:全自动,中科院物理所,宽调谐fs光参量激光系统,准相位匹配（QPM）变频,特性,准相位匹配（QPM）变频,中小功率高效变频,准相位匹配（QPM）变频,PPLN谐波产生,QPMOPO,PPLNOPO,多波段宽调谐PPLN-OPO,声光调QNd:YVO41064nmDPL泵源高Q值PPLNOPO：T3.5%PPLN:20100.5(mm)，28.231.0mm共14个周期周期调谐(粗调)；温度调谐(细调),级联过程、多波耦合方程理论多波段输出,多波段宽调谐PPLN-OPO新效应，新应用,发展,多波段宽调谐PPLN-OPO新效应，新应用,发展,级联非线性效应：,中科院物理所,多波段输出光斑照片,发展,多波段宽调谐小型全固态激光源（多周期）,周期调谐：,多波段宽调谐PPLN-OPO新效应，新应用,发展,多波段宽调谐小型全固态激光源照片,中科院物理所,多波段宽调谐PPLN-OPO新效应，新应用,非线性变频几个值得注意的动向,中红外大功率深紫外宽调谐提高效率、商品化微型化、全固化新应用,现状、发展,中红外光参量激光器35m、812m大气窗口应用,现状、发展,中红外光参量激光器35m、81P2m大气窗口应用,AgGaS2、AgGaSe2、CdGeAS2、EnGaP2、Ag2AsS3、CdSe等半导体型非线形晶体极大的非线性系数：13236Pm/V已实现：0.920m宽调谐；高效斜效41%，低阈值（0.03J/脉冲），输出功率（能量）有限：10mJ/脉冲级，平均功率1.5W难点：半导体型非线形晶体光损伤阈值低（1100Hw/cm2）难生长高质量大块单晶,深紫外宽调谐光源开拓钛宝石激光器频率扩展,深紫外宽调谐全固态激光系统,100nm光刻应用,腔内变频效应腔内光参量振荡全固态人眼安全（1.54m）,KTP-IOPO,效率：61%输出：100mJ/脉冲,用于测距阵等腔内倍频、和频、差频效应,腔内OPO,提高效率研究,复合腔OPO,提高效率研究,高光谱分辨运转降低阈值近1倍提高效率达10倍,中科院物理所,微型化、全固化OPO,半导体激光直接泵浦OPOQPM芯片微型OPO高平均功率全固态OPO,环保、防化监测应用光谱学研究深紫外80nm光刻,发展,OPO的应用开发显示应用R、G、B光源,发展,OPO的应用开发显示应用R、G、B光源,OPO的应用开发大屏幕激光显示（德国Jenoptik公司）,发展,OPA的应用开发新效应，新应用,发展,QPM准周期R、G、B光源,OPA的应用新效应，新应用,发展,相位匹配折返现象宽带匹配调啾脉冲放大光通信宽带放大,PPLNOPO匹配曲线,全固态激光器激光技术发展的重大方向之一,大功率激光器,气体激光器大体积、寿命短、高功率化学激光器高功率、大体积灯泵固体激光器光束好、高功率、寿命短、大体积半导体激光器体积小、寿命长、光束差、功率低全固态激光器体积小、寿命长、光束好、高功率,大功率半导体激光器,激光晶体,非线性晶体,激光深紫外中红外,全固态激光器（DPL）,半导体激光泵浦固体激光光谱匹配图,DPL原理,1963年提出DPL设想RogerNewmanet.al.,J.A.P.,Vol.34(1963)4371964年第一次DPL实验(低温)R.J.Keyeset.al.,A.P.L.,Vol.4(1964)501972年第一台室温DPLH.G.Danielmeyeret.al.,J.A.P.,Vol.43(1972)2911,DPL历史,第一次DPL实验,CaF2:U3+激光器,GaAs二极管激光器泵浦4.2K，840nm,输出波长2631nm,全固态激光器技术系统集成,（与灯泵固体激光相比）集半导体激光器与固体激光器优势于一体效率提高10倍寿命增长100倍体积减小10倍可靠性大100倍,?价格高10倍,优势、问题,光电子应用系统的瓶颈光电子元器件信息、娱乐、先进制造、能源、科研、国防急待全固态激光器的发展当前国际激光研发热点,优势、问题,产业化前期特点：半导体激光器价格下降到13%输出0.4mJ峰功率20MW脉宽12ps,可能应用于266nm高峰功率激光的产生,紫外DPL进展,中科院物构所、物理所、山东大学,100nm光刻KBBFDPL（200157nm）F2激光器（157nm）20W（2006年）F2光刻机检测、调准光源F2激光种子光源深紫外光谱学开拓,深紫外DPL最新进展,5WB0.5W,R、G、BDPL现状,Nd离子三谱线法,蓝光DPL,波长：473nm,功率：0.5W,R、G、BDPL现状,R、G、BDPL现状,准相位匹配法,Experimentalsetup,p,Pulse-width:43psRepetitionrate:10HzAveragepower:1.2mW,Translatingthegratingsthroughthepumpbeamforperfectphasematching,光参量法,R、G、BDPL现状,R：6.0W，G：5.8W，B：3.5W,小型激光显示（美国LaserPower公司）屏幕：210英尺通量：500流明方式：投影红：1W（LD655nm）绿：3W（DPL532nm）蓝：0.5W（DPL457nm）DPL为三谱线法,前景家庭影院,可见应用现状、发展,可见应用现状、发展,大屏幕激光显示（德国Jenoptik公司）屏幕：46m2方式：投影、扫描红：7W（DPL628nm）绿：6.5W（DPL532nm）蓝：4.8W（DPL446nm）DPL为OPO/SHG,SFG法,前景电子影院、飞行模拟公共信息大屏幕,高功率DPL及应用,高功率应用现状,全球商用激光加工市场,年,全球商用CO2、YAG激光加工市场,高功率应用现状,我国激光加工系统市场,高功率应用现状,我国激光加工市场分布,高功率应用现状,国际激光市场,高功率应用现状,国内激光市场,高功率应用现状,材料加工,高功率应用发展,能源应用,激光惯性约束聚变（IFE）电站半导体激光器Yb激光晶体BBO晶体紫外全固态激光器355nm，百万焦耳/脉冲，10Hz，10%寿命：年电站：100万千瓦，8.6美分/度,高功率应用发展,自适应光学信标空间探测瑞利散射可见光（1020km）钠离子共振散射589.6nm（90km）空间目标成像达衍射极限,DPL,哈特曼传感器,波前参数,变形镜望远镜,大气湍流,星星,天文应用,高功率应用发展,快速信息获取和传递目标指示/测距，激光雷达（成像），跟踪/信标，陆海空天通讯武器精确控制激光制导，激光引信激光武器激光干扰/光电对抗，激光硬杀伤,国防应用,高功率应用发展,第二代节能型激光武器短波长、高亮度：104/脉冲电驱动，长寿命，小体积第一代激光武器氧碘化学激光器体积大、光学质量低、一次储能有限,国防应用,高功率应用发展,高功率DPL现状、发展,关键技术,功率/能量LD泵浦耦合，激光能量提取，冷却光束质量大基模体积，高信噪比材料损伤高质量、新材料、光学膜，非线性性能价格比产业化，模块化,Yb:YAG250mm30.7%连续：1080W，M213.5，27.5准连续：532W，M22.2，17,高功率DPL现状、发展,关键技术：泵浦结构,端泵双棒串接,Yb:YAG，10at%5nm），高吸收系数，大发射界面（10-19/cm2）高热导(0.1W/cm,k);高光伤阈值,长寿命，高储能（荧光寿命1ms）高效率；宽调谐大尺寸，高光学均匀性，优良的物化性能，易生长，易加工，低价位,基频晶体、可调谐晶体、自倍频晶体,新材料,Yb:YAG晶体,优良的热学、物化性能吸收带宽(18nm)，增益线宽(10181055nm)，长荧光寿命（951s），具有高能量储存能力可Yb离子高浓度掺杂，而基本上没有浓度淬灭效应量子效率高（比Nd3+离子要高3倍多，约为91%）无激发态吸收、上转换现象、激发态间的无辐射跃迁以及激发态荧光淬灭效应准三能级特性，阈值高，需高密度泵浦(1.5-10kW/cm2)发射截面低(210-20cm2),新材料,自倍频晶体,新材料,OneStep,QPM-LT准周期三倍频(355nm),双周期准周期非周期,新机理,LiTaO3,谢谢！,方程（1）左面:反转粒子数密度随时间的变化率；方程（1）右面:第一项为泵浦速率；第二项为反转粒子数密度因受激辐射而减少的速率；第三项是反转粒子数密度因自发辐射而减少