（光学专业论文）ld泵浦457nm深蓝光激光器.pdf

摘要 本论文首先对激光二极管( l ，d ) 端面泵浦9 1 4 n mn d ：s w 0 4 连续激光器进行了理 论和实验研究：在其基础上，利用l b o 内腔倍频获得了4 5 7 n m 蓝光输出。 l d 泵浦固体激光器( d p s s l ) 由于具有显著的优点而逐渐成为人们注目的焦点， 全固态红、绿、蓝及紫外激光器的研究吸引了众多的科研工作者。蓝光激光器在军事、 通讯、信息业、彩色打印、高密度光存储、激光显示及生物化学方面有着重要的应用 价值。因此，近年来，对二极管泵浦的全固态蓝色激光器研究越来越多，但相对全固 态红绿激光器来说，全固态蓝色激光器的发展比较缓慢，技术上还不成熟。针对这一 技术难题，我们也加入到l d 泵浦蓝光激光器的研制行列，期望做些有用的探索。 本文从准三能级系统的速率方程出发，推导出了9 1 4 n m 谱线激光上下能级间的粒 子数反转表达式，进而写出了准三能级系统的阈值公式和斜效率公式。总结了三种用 于蓝光的倍频晶体。给出并对比了它们的影响倍频效率的光学参数，着重考察了倍频 晶体l b o 的倍频特性，还分析计算了影响倍频效率的诸因素。最后，根据以上理论基 础和实验元器件的对比分析，选择了一组实验器件并选取线性腔进行了腔内倍频蓝光 实验。在泵浦电流为1 0 h 时，得到9 7 m w 的4 5 7 n m 蓝光，阈值为4 a ，光一光转换效率为 o 2 ，功率不稳定性小于2 。 关键词：全固态蓝光激光器腔内倍频准三能级线性腔l b 0 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h et h e o r e t i ca n de x p e r i m e n t a ls t u d yo nl a s e rd i o d e ( l d ) e n d - p u m p e d n d ：y v 0 4c w9 1 4 n ml a s e rw e r ei n v e s t i g a t e d r e g a r d i n g9 1 4 n ma sf u n d a m e n t a lw a v e ，b y u s i n gl b o a si n t r a c a v i t yf r e q u e n c yd o u b l i n gc r y s t a l ，t h es e c o n d h a r m o n i co f4 5 7 n ml a s e r g e n e r a t e d d i o d e - p u m p e ds o l i d s t a t el a s e rh a sb e e np a i dm o r ea t t e n t i o nf o ri t sa d v a n t a g e s g r e e n , r e d b l u ea n du l t r a v i o l e ts o l i d - s t a t el a s e r sh a v ea t t r a c t e dm a n ys c i e n t i s t s b l u el a s e ri sv e r y v a l u a b l ef o rm i l i t a r y 、c o m m u n i c a t i o n 、h i g h d e n s i t yo p t i c a ls t o r a g e 、i n f o r m a t i o n 、c o l o r f u l d i s p l a yo f l a s e r 、c o l o r f u lp r i n t i n ga n db i o c h e m i s t r y i nr e c e n ty e a r sm o r ea n d m o r ea t t e n t i o n h a sb e e ng i v e nt os o l i d s t a t eb l u el a s e r , b u ti t sd e v e l o p m e n ti sm o r es l o wt h a ng r e e n , r e d a l l - s o l i d s t a t el a s e r f o rt h i st e c h n i c a ld i f f i c u l t yi na l l - s o l i d s t a t eb l u el a s e r , w ej o i nt h e r e s e a r c hl i n e ，h o p i n gt op r e s e n ts o m eu s e f u le x p l o r a t i o n i nt h i st h e s i s ，t h ei n v e r t e dp o p u l a t i o no f9 1 4 u r nh a db e e nc a l c u l a t e df r o mr a t ee q u a t i o n o fq u a s i - t h r e e - l e v e ll a s e rs y s t e m ，t h e n , t h e9 1 4 n mn d ：y v 0 4l a s e rs y s t e mw a st h e o r e t i c a l l y s t u d i e da n dt h et h r e s h o l d ，o u t p u tp o w e ra n ds l o p ee f f i c i e n c yw e r en u m e r i c a lc a l c u l a t e da n d s i m u l a t e d a t t r i b u t e so ft h r e en o n l i n e a rc r y s t a l sh a v e b e e ns u m m a r i z e d t h e i ro p t i c a l p a r a m e t e r sr e l a t e dt of r e q u e n c y - d o u b l i n ge f f i c i e n c yw e r ep r e s e n t e da n dc o m p a r e d h e r ew e e m p h a s i z e dt h el b oc r y s t a la n di th a v eb e e nc a l c u l a t e da n da n a l y z e d f i n a l l y , w es e tu pa l i n e a rr e s o n a t o rf o ri n t r a c a v i t yf r e q u e n c y - d o u b l i n gb l u el a s e re x p e r i m e n ta c c o r d i n gt ot h e a b o v eq u a s i - t h r e e l e v e lt h e o r i e sa sw e l la sa n a l y s i sa n de o m p a r i s o no fn e c e s s a r ya p p a r a t u s w h e nt h ep u m pc u r r e n tw a s1 0 a ，9 7 m ws t a b i l i t y4 5 7 n ml a s e rw a sa c h i e v e d 。w i t ht h e o u t p u tp o w e rf l u c t u a t i o no fl e s st h a n2 a n dt h ee f f i c i e n c yo fo p t i c o p t i cw a s0 2 t h e t h r e s h o l dw a so n l y4 a k e yw o r d s ：a l l - s o l i d - s t a t e ， b l u el a s e r ， f i n e a r c a v i t y ，l b o 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。冷原子束干涉研究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。 作者签名：幽 放年三l 月垃日 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。 作者签名；国垫红2 9 红年月j 立2 - 日 指导导师签名：主趁壁! 堕年j l 月4 日 第一章绪论 激光是二十世纪的重大发明之一，目前激光科学己发展成现代科学技术研究的一 个重要分支，成为二十一世纪的前沿学科，而且它直接促进了非线性光学、量子光学、 信息光学、激光生物学、激光化学、激光光谱学等相关科学的发展。随着激光二极管 ( l d ) 的迅速发展，激光二极管泵浦的固体激光器( d p s s l ) 由于具有显著的优点而逐渐 成为人们注目的焦点，特别是全固态红、绿、蓝及紫外激光器的研究更是吸引了众多 的科研工作者，d p s s l 兼备了半导体激光器和固体激光器的双重优点并且同时弥补了两 者的缺点，在军事、工业、医学、科研和娱乐等领域有着广泛的应用前景，因此d p s s l 的发展受到了人们的广泛关注，己成为激光技术领域的重点发展方向之一。 1 1l d 泵浦全固态激光器的历史与发展 第一次提到用半导体源去泵浦固体激光器的年代可以追溯至1 9 6 0 年。当时n e w m a n 发现g a a s 二极管可以发出近8 8 0 n m 的辐射光。同时，他用砷化稼( g a a s ) 发光二极管 ( l e d ) 泵浦掺钕离子的钨酸钙晶体( n d ”：c a w o ) 得到1 0 6 0 n m 的荧光输出。之后，在第一 支砷化稼二极管激光器诞生后不久，k e y e s 和o u i s t 利用c a f 。：u ”制成了世界上第一台 二极管泵浦固体激光器。这一阶段的工作还包括o c h s 和p a n k o v e ，他们用发光二极管 阵列( l e d ) 去泵浦c a f z ：d y ”，在0 1w 的注入功率下得到了准连续的输出。在当时，。 虽然己认识到l d 代替闪光灯作泵浦源有效率高、寿命长及结构紧凑的优点，但l d 在 功率和可靠性方面均达不到泵浦光源的要求，所以研究报告很少。6 0 年代，r o s s 在1 7 0 k 低温环境下，用g a a s 的l d ( 8 6 7 n m ) 泵浦n d ”：y a g 成功，并对其的优点作了中肯的评述。 2 0 世纪7 0 年代，c o n a n t 和r e n o 表演了l d 横向泵浦的装置，j a c k s o n 和r i c e 用 短脉冲泵浦得到了准连续输出。f a r m e 和k i a n g 比较全面的研究了l e d 横向泵浦的情况， 同时用l d 的端面泵浦也有报道。 到了7 0 年代中期，几种新的固体增益材料( 这几种新激光材料的掺杂浓度高于n d ： y a g ，但却不会引起激光上能级寿命的浓度淬灭) 给了人们更大的选择。第一个这样的 材料是n d p 。0 。( n p p ) ，实验表明，l d 泵浦的阈值功率为7 m w 。但由于其吸收峰( 5 8 0 n m ) 不在l d 的发射波长范围。因此，其效率只达到了7 。另一种材料是l i n d p , o 。( l n p ) ， 用l d 泵浦时，其可以得到1 0 5 0 n m 或1 3 0 0 h m 的激光输出。在这一期间的成果还包括光 纤激光器的制成。这一成果主要归功于s t o n e 和b u r r u s ，他们用l d 侧泵长为1c m ， 芯径为3 5 m 的光纤，首次制成光纤激光器。纵观2 0 世纪7 0 年代，虽然由于l d 的输 出功率没有大的突破( 输出功率近红外，最高也就是几十毫瓦) ，而导致l d 泵浦固体激 光器发展相对缓慢。但在这一时期，在新的固体材料开发，单元技术研究以及波导激 光等方面，仍取得了不少有意义的成果。 直到进入2 0 世纪8 0 年代，随着l d 及l d a 性能的改善，d p s s l 才得以复兴。此后， 固体激光器的发展进入了一个黄金期，应用领域得到不断的扩展。作为泵浦源的l d 也 取得了长足的发展。由于l d 吸收了半导体物理研究的新成果，采用了量子阱( q w ： q u a n t u mw e l l ) 新结构材料，同时发展了晶体生长技术新工艺，如金属有机物化学气相 淀积( m o c v d ：m e t a lo r g a n i cc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ) 和分子束外延( m b e ： m o l e c u l a rb e a me x p i t a x y ) 等芯片制造工艺把有源层控制在数l o n m 以下，利用载流子 量子效应的量子阱结构和具有有源层光隔离效应的梯度折射率分离约束异质结构等构 成新的l d 结构，解决了因电流注入发生焦耳热使结温升高促使元件性能恶化等问题。 与过去双异质结构相比，新结构阈值电流大为降低，电流密度降为3 0 0 a a m 2 以下，振 荡效率提高了数倍。同时由于采用了扩大单个元发光面积( 宽条形) 方法，降低发光面 功率密度，并以多个单管( p n 结) 集成以一维或二维列阵( l d a ) ，这一切均使得l d l d a 的输出功率得到成倍提高，伴随着l d l d a 的长足发展，二极管泵浦的固体激光器的工 作也上了一个台阶，伴随着量子阱的出现，1 9 8 2 年，k u b d e r 和n o d a 首次用g a a i a s 量子阱泵浦l i n d p 。0 。：得到波长1 3pm ，功率为1 4 m w 的单纵模激光束，该文作者用光 纤把泵浦能量耦合到激光工作介质，使得激光头能够具有很小的体积，非常适合于作 为光纤通讯系统中的发射源。此后，国际上掀起了一个关于d p s s l 器件的研究热潮。 周炳琨及其同事于1 9 8 5 年用l d 泵浦n d ：y a g 整体腔( 腔镜直接镀在y a g 两端面) ，得到 了稳定度比闪光灯泵浦高一个量级的激光束。且其装置不需水冷，结构紧凑”1 。l d 输 出功率的增加使得通过倍频来实现波长变换成为现实，b a e r 用l d 泵浦k t p 作非线性 元件实现了腔内倍频。1 ，输出了l l m w ，0 5 3 p m 的绿光。而r i s k 及其同事更是利用腔 内k t p ，让1 0 6um 的激光与泵浦光在其中混频，得到蓝色的相干辐射“1 。随着l d 新 技术的应用，l d 泵浦单块腔、腔内倍频、腔内和频“1 、调q “1 、锁模”3 等技术都得到了 发展，实现了红外光( 1 3 啪、1 0 6 “m ) ，可见光( 6 7 0 n m 、6 6 0 n m 、6 2 7 n m 、5 9 4 n m 、5 3 2 n m 、 4 7 3 n m 、4 5 7 n m 、4 5 1 r i m 、4 3 0 n m ) 和紫外光( 3 5 5 n m 、2 6 6 n m ) 等多种波长的连续、脉冲 或宽波段可调谐激光输出，成为激光技术发展领域中的主导方向。 进入2 0 世纪9 0 年代以后至今，由于大功率l d a 的发展，以及d p s s l 整体设计上 的优化，d p s s l 更是有了长足的进步。以紫外激光为例：2 0 0 0 年，紫外输出重复频率 i o k h z ，平均功率高达2 0 5 w 。 短短的二十余年，关于d p s s l 蓬勃开展，器件水平不断提高。输出波长的多样化， 波导激光器、光纤激光器、微片腔、紧缩折叠腔等各种结构的出现，使其在光通讯、 激光雷达、空间武器、医学和原予物理等领域都有着及其广阔的应用前景。 近十年来，由于许多传统激光器，如离子激光器、金属蒸汽激光器、h e - n e 激光器、 2 准分子激光器、染料激光器以及灯泵浦固体激光器等的大部分市场正在被d p s s l 取代， 因此，d p s s l 的市场增长势头不会降低。 1 2l d 泵浦全固态激光器的特点 4 0 多年来，固体激光器及技术获得的迅速发展。目前，能产生激光的工作物质达数 百种，激光器输出的能量和功率都获得了迅速的提高。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属性如下：( 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 9 6 ) 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 的吸收只是灯辐射能量的一小部分。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i 0 0 0 0 h 。大约发射l 舻次脉冲。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的发射和长波长吸收带之间 的光谱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频率范围内产生脉冲运转。( 5 ) 有利于健康。 由于没有弧光灯泵漓中出现的高压脉冲、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，产生了维护要求。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 q ，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。 l 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 0 0 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，侧面泵浦转换效率比端 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 3l d 泵浦全固态蓝光激光器的发展 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”1 。通常，获得蓝光激光输出有以 下几种常用方法： ( 1 ) 通过激发氩离子等气体物质获得蓝光，但体积大、效率低、难于维护、价格 高等缺陷成为其迸一步推广的障碍。 ( 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 cs 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 ，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频率上转换( 倍 频或和频) 为蓝光波段0 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k 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，人们采用了外腔谐振1 技术，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“。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 w p h o t o n i c s 公司提供该技术的4 3 0 n m 和4 9 0 n m 两种波长的产品。 4 ( 4 ) 利用激光二极管( l d ) 泵浦固体工作物质，利用腔内倍频获得蓝光输出。 1 9 8 7 年t y f a n 和r l b y e r 首先建立了准三能级激光器的理论模型“。同年， 他们用8 0 8 n m 的l d 端面泵浦n d ：y a g 棒，在室温下获得了连续的9 4 6 n m 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 l 0 3 、b b o 、k n 、l i n b 0 3 “”，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。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“”。上面的理论结果：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 3 n 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 “：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，经过非线性晶体倍频获得蓝光的全固态激光器已经成为获得蓝光的一个热 点“”1 。利用8 0 8 n m 激光二极管泵浦n d ：y a g 和n d ：y v o 。腔内倍频分别获得4 7 3 n m 和4 5 7 n m 的全固态蓝光，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 n m 激光器“为多，而4 5 7 n m 的全固态蓝光激 光却很少，目前在该领域的研究主要是4 7 3 n m 的蓝激光，4 5 7 n m 蓝激光同4 7 3 n m 蓝光相 比具有颜色更饱满、波长更短、光子能量更大、光点面积更小等优点，使其在高密度 数据存储、激光彩色显示、水下通讯、海洋资源探测和光量子学分析上有着更为广阔 的应用前景。因此本论文着重论述的是此类激光器。 第二章工作物质n d ：y v o 。晶体的特性及其准三能级系统的理论研究 人们知道，激光器是由激光工作物质，谐振腔与泵浦源三大部分组成，其中激光 工作物质是激光器中最为重要的因素，它的特性直接决定激光的发射频率、发射截面、 量子效率，并同谐振腔与泵浦源一起共同决定激光的阈值、激光的输出功率、激光的 效率与斜效率。激光工作物质的这些特性又与激光介质的能级结构、光谱特性以及吸 收截面、发射截面有密切关系。在这一章里，我们从n d ：y v 0 4 晶体的能级结构入手，结 合晶体的光谱特性，深入分析了n d ：y v 矾准三能级系统激光运转机理，建立了最一般情 况下，即在考虑了反转粒子数存在空间分布的情况，以及在不同泵浦能量、不同输出， 不同掺杂浓度等不同激光参数情况下的准三能级激光系统运转的模型，并加以深入的 理论分析。使我们能更加清楚的认识准三能级激光系统与四能级激光系统之间的差别。 在这一章里，我们部分地借鉴了前人总结的经验，同时又加入了自己的研究结果。 2 1n d ：y v o 晶体的物理、化学性能 掺钕钒酸钇n d ：y v 0 4 晶体是四方晶体。属单轴晶系。它是一种非常优良的双折射晶 体( 其双折射值a n = o 2 2 2 5 o 2 5 4 ) ，透明区宽( 4 5 0 n n r - - 4 8 0 0 n m ) 有接近玻璃的硬度， 不潮解，加工镀膜容易。n d ：y v 矾晶体的物理特性见表2 - i 。 表2 - in d ：y v o 一晶体的基本物理特性 1 2 6 1 0 ”a t o m s c m 3 锆英4 2 2 9 c m 34 5 h a = 4 4 3 1 0 1 k c ：o 0 5 2 3 w c m k ( n d ：1 o )石结a c = 1 1 3 7 1 0 4 k上c ：o 0 5 i o w c m k 构，四 方晶 系， d 4 h 点 群。 6 n d ：y v 0 4 是一种非常适合于l d 泵浦的激光晶体，在8 0 9 n m 存在很宽的吸收带，更 能适应l d 温度变化的要求：其受激发射截面较大，泵浦光一基频光转化效率比n d ：y a g 高很多( 如图2 i 所示”) 。因此，在对晶体散热没有严格要求的场合n d ：y v 0 4 总是作 为首选。然而由于该晶体在生长中存在散射中心和吸收色心等缺陷，制造大尺寸晶体 很困难。但是该晶体的吸收系数大的特点在一定程度上弥补了这个缺陷。因此，对于 中低功率激光器完全可以利用1 毫米厚度的n d ：y v 瓴晶体实现高效吸收。目前n d ：y v 虢 晶体在绿光激光领域应用非常广泛1 。 表2 - 2 为n d ：y v o ，晶体的光学参量。从表中可以看出它的受激态的寿命比较短，不 适合用于调q 激光器，但是对于连续工作状态的激光器，由于达到阈值所需的泵浦功 率取决于受激发射截面0 与上能级寿命tf 之积，因此，n d ：y v 吼的大截面一定程度 上弥补了荧光寿命短的缺点，对连续工作激光器的闽值功率不会有太大影响。n d ：y v n 具有偏振吸收特性，如表2 - 2 和图2 2 所示1 ，在8 0 8 n m 处n 截面的吸收系数是0 截面的近4 倍。对于单管l d 泵浦的中低功率激光器，可以充分秘用l d 泵浦光具有偏 振性的特点，调节l d 泵浦光的偏振方向与n d ：y v 0 4 的吸收方向一致，使n d ：y v 0 4 晶 体对泵浦光的吸收达到最强。 蠢光二极管泵浦沮度o c 图2 1n d ：y v o 和n d ：y a g 激光器输出功率与l d 泵浦光波长分布关系 n d ：y v 矾与n d ”：y a g 相比具有高增益，宽吸收带的优势。生长中用适当数量的n d 3 + 代替y ”形成n d ：y v o 。y v o 。这种基质对n d 3 + 具有敏化作用，提高了n d 3 的吸收能力。n d ：y v 吼 的发射截面约是n d “：y a g 的4 倍( 在9 1 4 n m 处，盯= 1 9 5 木i 0 一c m 2 ：仃“= 4 3 1 0 。c m 2 ) 。通过晶体的光谱实验，从吸收光谱图( 如图2 2 ) 明显可以看出，在8 0 9 n m 附近，n d ：y v o 。的吸收带宽( 2 1 n m ) 约为n d ”：y a g ( 2 n m ) 的l o 倍。n d ：y v 矾晶体对泵浦光 的吸收与偏振有关，若泵浦光的偏振方向与激光的偏振方向相同，吸收最强。在a 轴 切割下，激光的e 矢量平行于晶体光轴的万偏振( e c ) 和垂直于光轴的仃偏振( e 上c ) 7 的光谱具有明显的差异。其最强吸收和最强辐射均发生在y 偏振方向。而且在腔内倍 频时，基频光的偏振特性有利于提高倍频效率，因此常用a 轴切割得到万偏振光。 表2 - 2n d ：y v o , 的材料特性“1 2 5 1 n d ：y v o 。的材料特性 主要发射波长 受激发射截面 谱线宽度五 荧光寿命t ， 峰值泵浦波长九。 在8 0 8 n m 的峰值吸收系数口 掺钕的浓度 吸收截面 3 0 0 k 时热导率 ( w c i l l 一1 k 1 ) 1 0 6 4 n m ，1 3 4 2 n m ，9 1 4 n m 9 1 4 n m ：1 9 5 1 0 c m 2 8 n m 9 5 9 s 8 l o n m 3 7 c m - 1 ( 偏振) l o c m l ( o 偏振) 0 5 原子百分数 2 5 1 0 一”c m 2 0 0 5 3 2 图2 2 n d ： f v o 。晶体的偏振吸收光 2 2n d ：y v o 。晶体能级结构与光谱特性 n d ：y v o , 晶体中的钕离子。其外层电子组态为4 f 3 5 s 2 5 p p ，其中4 f 未填满，而4 f 上 的三个电子可以处于不同的运动状态，结果形成一系列的能级，如图2 3 。 亡= = = = 】耱埘 托1 = = = = = = ：4 f 蚺 尬 = “m 亡= = = 丁4 i m c = = ：= j 1 一( z 1 ) = = = = = 4 1 , a 图2 3n d ：w 0 4 晶体的准三能级系统能级结构图 在n d ：y v 0 4 中，对激光有贡献的吸收带有五条，其中心波长和所对应的能级分别为： 0 5 3 z m 4 i g l 2 - 一4 g 7 2 + 2 g 9 ，2 0 5 8 z m 一一4 ( i 2 + 2 g 7 ，2 o 7 5 删 0 8 i f 日w o 8 7 埘， 一一f 7 ，2 + 4 s 3 n 一一f 5 2 + 2 h 9 ，2 一f “2 其中以0 7 5 z m 和0 8 1 i r a 为中心的两个吸收带的吸收最强。受半导体材料及工 艺所限，目前在激光二极管泵浦固态激光器中得到广泛应用的是0 8 1j 麒这个吸收带。 在光泵浦下，n d 3 + 离子由基态跃迁到各吸收能级后，很快通过无辐射跃迁到亚稳态 f 。，由f 3 ，。向下能级自发辐射产生荧光。室温下n d ：y v 0 4 在近红外区有三条明显的荧 光谱线，其中心波长和对应的能级跃迁为： 9 1 4 n m f 3 2 一i m 1 0 6 4 n m 4 f “2 一一i ，2 1 3 4 2 n m4 f 3 2 一一- * 1 1 3 ，2 其中以1 0 6 4 n m 处的谱线最强。f 。：向4 i 一、i m ：的跃迁都属于四能级系统，阈值 低，易于实现激光振荡，经过倍频便可获得5 3 2 n m 绿光、6 7 1 n m 红光输出。而4 f 3 1 2 - - 4 i ” ( 对应9 1 4 n m 谱线) 的跃迁属于准三能级，阈值高，这一谱线的起振，只有在高泵浦 功率密度，良好的致冷条件下，以及充分抑制了其它两条谱线起振后才能实现，通过 倍频即可获得4 5 7 n m 蓝色激光输出。下面我们主要分析如何获得9 1 4 n m 谱线的激光振 荡，从而最终获得4 5 7 n m 倍频光的输出。 9 n d ：y v 0 4 晶体的9 1 4 r i m 谱线对应于f s 2 4 i 。：跃迁，n d 3 + 离子在基质晶格场的作用下， 各个能级发生斯托克分裂，激光的上能级4 f 。分裂成两个距离靠得很近的子能级r z 和 r 。，这两个子能级粒子数分布遵从波耳兹曼分布率，r ：与r 分别占f “。上粒子总数的 4 5 及5 5 嘲1 。激光的下能级4 i 。由斯塔克效应分裂成5 个子能级z , - z 。，各子能级粒 子数分布也遵从波耳兹曼分布率。9 1 4 n m 谱线则是f “：的r - 子能级向4 i 。n 的z 5 子能级跃 迁的结果。激光的下能级z 。按照波耳兹曼分布占4 i 。能级粒子总数的5 4 ( f 】= 5 4 ) ， 同n 矿：y a g 相比，该能级占4 i 。，：能级粒子总数比例很大，原因是该子能级距离基态更 近。激光的下能级存在如此多的粒子数是造成9 1 4 n m 激光阈值极高的根本原因，因此 同n d ”：y a g 相比，n d ：y v o 。的准三能级系统实现起来更加困难。 2 3n d ：y v o 准三能级系统速率方程理论及反转粒子数空间分布 在进行模型建立和理论分析之前，我们需要做如下假设：( 1 ) 激光的吸收截面和发 射截面遵从对易关系，即盯：，= 盯。( 2 ) 泵浦光和激光均视为理想的圆高斯光束。( 3 ) 泵浦源看成是小功率泵浦，激光器的热效应因此被忽略。 在我们建立准三能级激光运转理论之前，首先建立一个基本的假设：即在连续l d 泵浦及激光稳态输出的情况下，激光的上、下能级的粒子数分布由热运动b o l t m a n 分 布函数描述( 上、下能级的多能级的精细结构中，快速迟滞效应起作用) 。在激光的上 能级结构中有r 。、r 2 两条能级，9 1 4 n m 谱线是r 。能级向z 。能级的跃迁。r 一能级上的粒子 数占上能级粒子数总数的比例为f 2 ，则激光的上能级粒子数为n z = n u * f 。( n u 为4 f 。能 级的粒子总数) ，同样集居在z 。能级的粒子数占下能级粒子数总数的比例为f l ，则激光 的下能级粒子数为n 。= n c * f 。( n 。为4 i 。：能级的粒子总数) ；考虑理想情况下，泵浦及激光 均是t e 圆高斯光束，在有效激光介质中泵浦光及激光均无发散，空间烧孔效应忽略， 泵浦光被单程吸收，下能级粒子只是部分被泵浦到上能级中去，则激光的上、下能级 的粒子数可以写成如下形式： d n 2 ( _ - r , z ) ：l r r p 以z ) 一必一丝盟幽型蜊以力：o ( 2 3 1 ) 口ff玎 型粤：嘎砰以z ) 一生盟垡+ 鲤匦生巡剑蚴( 力：0 ( 2 3 2 ) 口f 。 f刀 这两个方程联立：则得到反转粒子数a n ( r ，z ) ： 则反转粒子数a n ( r ，z ) 的微分方程为： i o t a z y v ( r , z ) = 研嵋黼z ) 掣监等幽以z ) ( 2 3 3 ) 在稳态时蔓掣：0 。 式中a n o = n o 一? ，该项是未被泵浦时由于热平衡b o l t z m a n 分布造成的自然粒 子数反转分布，该粒子数反转分布对激光是无贡献的。f 是激光上能级寿命。盯是激 光的发射截面。n 为介质的折射率。z 为轴向坐标。r 为半径方向的坐标。r 2 p ，r t a i h v ， ( p 为l i ) 的输出功率) 为泵清速率，即泵浦到上能级的总的粒子速率。r l , = 1 一e x p ( 一口j ) 为介质吸收泵浦光的比例。( a 为吸收系数，1 为晶体的长度，l ，。为泵浦光的频率) 。 假定在泵浦过程中，吸收光百分之百的被转化到上能级粒子。令k ( r ，z ) 为具有归 一化空间分布函数特性的泵浦速率分布函数，丸( r ，z ) 为腔内光子数的归一化空间分 布函数。即： o d y = 1 ，胍( ，z ) d v = 1 ( 2 3 4 ) 同时认为泵浦光为圆高斯光束，假定腔内激光为t e m 0 0 高斯光束。则。7 1 ： 咖) 2 南e x p ( 等e x p z ) ( 2 3 5 ) 丸( v ) 2 南。x p ( - 2 r 2 研) ( 2 - 3 6 ) 式中q 、国，分别为激光的束腰半径和泵浦光的束腰半径。并且我们用到如下假设： ( 1 ) 激光的增益系数较小，激光在谐振腔内沿z 方向无明显变化。( 2 ) 损耗比较小。 腔内光子数满足的速率方程为1 ： 窨= 胍串圳卜罢 亿。， 式中r 。- = 2 n l c ( l + t ) 为冷胶光子寿命，l 为腔内双程损耗，t 为输出镜的透过率。 式( 2 3 1 ) 、( 2 3 2 ) 和( 2 3 7 ) 构成了准三能级的速率方程理论模型。 在这个模型中泵浦带中的粒子迅速的通过无辐射跃迁到亚稳态4 f 3 。上，( 2 3 1 ) 式右端第一项说明仅有比例为f 。的粒子数集居在激光上能级r 。上：第二项是表示自发 辐射，其中? 是热平衡时的粒子数，它对自发辐射没有贡献：第三项则表明了受激辐 射实际利用的上能级粒子数：从激光下能级z 。通过再吸收跃迁到上能级的粒子数则迅 速的通过热运动分布到上能级簇的各个能级上，这说明了( 2 3 1 ) 式右端最后一项。 ( 2 3 2 ) 式也可以得到相似的解释。 当系统处于阈值之上时，由( 2 3 3 ) 可得： 酬卜端 仫3 8 ) 式中f = f + f 2 ，此式便是系统处于闽值之上时反转粒子数的空间分布。由这个方程 可以看出，反转粒子数的空间分布不仅是激光与泵浦光功率密度的函数，而且还受下 能级粒子数再吸收影响。 2 4 激光的阈值与最佳长度的计算 由公式2 3 8 还可以得到激光的增益系数为： g ( r ，z ) ：塑业：塑二丝!( 2 4 1 ) l + 坚声九( r ，z ) 在阈值之上时，激光的增益系数包括两项，第一部分为饱和增益项：第二部分为由 于低能级粒子数的再吸收引起的饱和损耗项。在第一部分里可以看出，饱和增益的空 间分布取决于泵浦速率的空间分布和激光场的空间分布。在第二项中，饱和损耗项的 空间分布仅仅取决于激光场的空间分布。因此，从上面这种关系中可以看出存在再吸 收引起的激光光场的空间分布行为与忽略掉再吸收的情况是大不相同的。 如果腔内损耗较小，激光光强p 。沿z 轴可近似认为是常量，则往返增益和往返 损耗相等可表示为： 扣，= 2 f 掣d z 吼( 三 ( 2 4 2 ) 式中p ，( z ) 约为z 处的单向激光功率，可表示为： ，( = ) = 2 石i _ i ( r ，z ) r d r ( 2 4 3 ) 又因为g ( r ，z ) = d i ( r ，z ) d z ，结合式( 2 4 2 ) 和( 2 4 3 ) 可得： 4 7 r f f 笃讹= 4 万f f g ( r 州( r z ) d r d z = 兄( l ( 2 4 4 ) 在泵浦光和激光都被视为理想高斯光束的情况下，将公式( 2 4 1 ) 代入( 2 4 4 ) 式 得： 4 小璺罩芸掣( c h v t ，砒 4 万fr 坐生嗉石j 孝坚，护砒 1 + 一e x p ( _ ) x ；一2 1 2 ( 径向平方与泵浦光半径平方的相对比值)( 2 4 7 ) m ： 口：三! 坚堕( 再吸收损耗与腔固有损耗之比)( 2 4 8 ) ( 三+ 丁) f = j 万4 i p p 灭v o 云r 。面 ( 归一化的泵浦光功率)( 2 4 9 ) s ：2 c l o z o ( 归一化腔内激光光子数)( 2 4 1 0 ) n l r 6 0 ；l 将以上参数代入( 2 4 5 ) 式，并且对z 求积分得： 拦誓b a 高2 竺2 x ：。 1 + b i n ( 1 + 声) 1 ，f j1 e + x p 奔 - e x ( a p 2 ( 一+ 口1 ) ：x x i 出