（光学专业论文）ld端面泵浦nd：kgw激光器热效应的理论与实验研究.pdf

山东师范大学硕士学位论文 l d 端面泵浦n d ：俐g 激光器热效应的理论与实验研究 中文摘要 激光二极管( l d ) 泵浦的全固态激光器是新一代理想的相干光源，因具有效率高，结 构紧凑，输出稳定、寿命长等优点和广阔的应用前景，近几年备受国内外激光界重视。本 论文以n d ：k g w 晶体为研究对象，从理论和实验两方面研究了全固态n d ：k g w 激光器的 热效应和激光输出特性。其主要内容概括为： 1 简要介绍了l d 泵浦激光器的主要性质、优点、应用以及发展现状；概述了激光晶体在 抽运过程中普遍表现出的热效应以及解决方法；说明了l d 端面泵浦n d ：k g w 激光器 热效应的研究背景和意义。 2 l d 端泵矩形截面n d ：k g w 激光晶体热效应基本理论的分析。根据n d ：k g w 晶体热传 导各向异性的特点，建立了晶体的热传导模型，对l d 端泵n d ：k g w 晶体的热效应进 行了详细的理论模拟和实验研究；通过合理的求解泊松方程，得到晶体内部温度分布 图，计算了n d ：k g w 晶体由端面形变引起的光程差和总的光程差，进而计算出不同抽 运功率下的热焦距。计算结果表明，当抽运功率1 0 w ，抽运光斑半径r a o = 3 5 0 1 a m 时， 激光晶体端面温度最高达到了2 5 5 由端面形变引起的光程差占总光程差的7 4 ，说 明对于n d ：k g w 晶体端面形变是导致热透镜效应的主要因素。并分析了不同掺杂浓度 和泵浦光斑半径对n d ：k g w 晶体热效应的影响。 3 l d 端泵矩形截面n d ：k g w 激光晶体热效应的实验研究。基于谐振腔的稳定性理论，实 验测量了l d 端泵n d ：k g w 激光器的热焦距，与理论值比较吻合；以空间相关的四能 级速率方程理论为基础，对l d 端面泵浦的固体激光器输出特性进行了理论分析；在热 效应研究成果的基础上，优化谐振腔参数、合理设计腔型，通过实验对l d 端面泵浦 n d ：k g w 激光器的基频1 0 6 4 r i m 输出进行了系统研究，分析了不同掺杂浓度、不同的输 出镜透过率、不同的泵浦光斑半径对基频1 0 6 4 n m 光输出特性的影响。最后在泵浦功率 为3 1 4 w 时，得到1 2 4 w 的1 0 6 4 n m 连续波输出，光一光转化效率为3 8 9 ，斜效率 为4 1 8 。 4 l d 端泵n d ：k g w k t p 腔内倍频激光器的理论和实验研究。在直腔倍频实验中，当抽 运功率为3 1 3 w 时，获得了1 5 3 m w 的绿光输出，光一光转化效率为4 9 ，抽运阈值为 1 8 5 r o w ；为了进步提高绿光转化效率，根据a b c d 矩阵，计算了谐振腔参数，选取 山东师范大学硕士学位论文 了更有利压缩k t p 上光斑半径的v 腔进行倍频。当泵浦光功率为3 1 3 w 时，获得了 2 3 1 m w 的绿光，泵浦光到绿光的转换效率为7 4 ，泵清光阈值功率约为2 8 8 m w ；与 上面直腔倍频实验结果进行对比发现，采用v 型谐振腔压缩倍频晶体内的光束尺寸， 提高了功率密度。最终导致倍频光输出功率增加，使光一光转化效率提高了2 5 个百分 点。 5 l d 端泵n d ：k g w 晶体c r 4 + ：y a g 被动调q 的理论和实验研究。给出了c r 4 + ：y a g 被动 调q 的理论模型，数值求解l d 端泵n d ：k g w 晶体c r 4 * ：y a g 被动调q 的速率方程组， 获得了输出激光的脉冲宽度、峰值功率及单脉冲能量随泵浦功率的变化特性，模拟了 1 0 6 4 n m 激光的输出波形，所得结果与实验较为吻合；泵浦功率为3 w 时，实验获得了 脉宽为5 7 6 n s ，重复频率为2 1 3 2 k h z ，峰值功率为3 1 2 w 的输出脉冲。 关键词：全固态激光器；n d ：k g w 晶体；热效应；端面形变；热焦距；倍频；被动调q 分类号：t n 2 4 8 1 山东师范大学硕士学位论文 t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d y0 1 1t h e r m a le f f e c to fl d e n d - p u m p e d n d ：k g wl a s e r a b s t r a c t d i o d e - p u m p e ds o l i d - s t a t el a s e r sh a v eb e c o m ea f o c u si nt h ef i e l do fl a s e r sd u et ot h e i rm a n y a d v a n t a g e ss u c h 嬲h i 曲e f f i c i e n c y , c o m p a c t n e s s ，h i 曲s t a b i l i t y , a n dl o n gl i f e t i m e t h e c h a r a c t e r i s t i c so fo u t p u tp o w e ra n dt h e r m a le f f e c to fd i o d e - p u m p e dn d ：k g wa r es t u d i e d t h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l yi nt h i sp a p e r t h em a i nc o n t e n tc a nb eg e n e r a l i z e da sf o l l o w s ： 1 t h em a i np r o p e r t i e s ，a d v a n t a g e s ，a p p l i c a t i o n sa n dd e v e l o p m e n t so fd p s s lw e r ei n t r o d u c e d b r i e f l y t h e t h e r m a le f f e c to fl a s e r c r y s t a li nd p s s lw e r ea l s oi n t r o d u c e d ；t h e nt h e b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h e r e s e a r c ho nt h et h e r m a le f f e c to fd i o d e p u m p e d s o l i d s t a t el a s e r sa r em e n t i o n e d 2 t h et h e r m a le f f e c tt h e o r yo fn d ：k g wc r y s t a lw a sa n a l y s e d t h et h e r m a lc o n d u c tm o d e lo f n d ：k g wc r y s t a lw a sf i r s t l ye s t a b l i s h e db a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i co fe n d - p u m p e d a n i s o t r o p i cl a s e rc r y s t a l t h et e m p e r a t u r ef i e l d sd i s t r i b u t i o ni nn d ：k g wc r y s t a lh a sb e e n o b t a i n e db a s e do np o i s s o ne q u a t i o nw i t hs u r r o u n d i n gc o o l e dt h e r m a l t h eo p di n d u c e db y e n d - f a c ed e f o r m a t i o na n dt o t a lo p dw e r ec a l c u l a t e d b a s e do nt h ef o r m e rc a l c u l a t i o n ，w e o b t a i n e dt h ef o c a ll e n g t ho fl a s e rc r y s t a lw i t hd i f f e r e n tp u m p i n gp o w e r t h ec a l c u l a t i n g r e s u l t ss h o wt h a tt h eo p di n d u c e db ye n d f a c ed e f o r m a t i o ni s7 4 o ft h et o t a lo p df o r n d ：k g wc r y s t a lw i t ht h ei n c i d e n tp u m pp o w e ri slo w , t h er a d i so fp u m pb e a mi s3 5 0 v m t h i si l l u m i n a t e st h a te n d - f a c ed e f o r m a t i o ni st h em a i nf a c t o rr e s u l t i n gi nt h e r m a le f f e c t b e s i d e s ，t h et e m p r e t u r ed i s t r i b u t i o ni nl a s e rc r y s t a lw a so b t a i n e dw i t hd i f f e r e n tn di o n c o n c e n t r a t i o na n dp u m p i n gr a d i u s 3 b a s i n go nt h es t a b i l i t yt h e o r yo fr e s o n a t o r s ，t h et h e r m a ll e n si nl d e n d - p u m p e dn d ：k g w w a sd e t e r m i n e d , w h i c hw a si ng o o da g r e e m e n tw i t ht h a to b t a i n e dt h e o r e t i c a l l y ；b a s i n go n t h e s p a c e d e p e n d e n t f o u r - l e v e lr a t e e q u a t i o nt h e o r y , t h eo u t p u tp r o p e r t i e s o fl d e n d - p u m p e ds o l i d - s t a t el a s e r sw e r ea n a l y z i e d ；u s i n gt h er e s u l t so ft h e r m a ll e n st oo p t i m i z e c a v i t yp a r a m e t e r s ，s o m ee x p e r i m e n t sw e r em a d ea b o u tl d - e n d p u m p e dn d ：k g wc w 10 6 4 n m t h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c so fn d ：k g wl a s e rw a ss t u d i e dw i t hd i f f e r e n tn di o n c o n c e n t r a t i o na n dd i f f e r e n tp u m p i n gr a d i u sa n dd i f f e r e n tt r a n s m i s s i o no fo u t p u tm i r r o r s 、t v h e nt h ep u m pp o w e ri s3 14 8 w , t h eo u t p u tp o w e ro ft h ec wl a s e ra t10 6 4 n mi s1 2 4 w ： w i t ht h eo p t i c a l - o p t i c a le f f i c i e n c yo f3 8 9 a n dt h es l o p ee f f i c i e n c yo f 4 1 8 4 t h e e x p e r i m e n t a n dt h e o r i e so fal d e n d - p u m p e dn d ：y v o 趣& pi n t r a c a v i t y l 山东师范大学硕士学位论文 f r e q u e n c y - d o u b l e dl a s e rr r ed e m o n s t r a t e d w h e nt h ep u m pp o w e ri s3 13 w ：t h eo u t p u t p o w e ro ft h ec wl a s e ra t5 3 2 n mi s15 3 m w , w i t ht h eo p t i c a l o p t i c a le f f i c i e n c yo f4 9 t h e t h r e s h o l di s18 5m w i no r d e rt oi m p r o v et h eo p t i c a l o p t i c a le f f i c i e n c y , u s i n ga b c d m a t r i x ， w ec h o o s ev - s h a p e dc a v i t yw h i c hc o m p r e s st h er a d i u so fp u m pb e a mo nk t p e f f i c i e n t l y w h e nt h ep u m pp o w e ri s3 1 3 w ：t h eo u t p u tp o w e ro f t h ec wl a s e ra t5 3 2 n mi s2 3 1 m w , w i t h t h eo p t i c a l - o p t i c a l e f f i c i e n c yo f7 4 t h et h r e s h o l di s2 8 8m w c o m p a r i n gw i t ht h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t so fs t r a i g h tc a v i t yf r e q u e n c yd o u b l eg r e e nl a s e ra b o v e ，w ec a l ls e et h a t t h ev c a v i t yc o m p r e s st h er a d i u sa n de n h a n c et h ed e n s i t y0 1 1k t p w h i c hr e s u l ti ni n c r e a s i n g t h eo p t i c a l - o p t i c a le f f i c i e n c yo f2 5 5 t h et h e o r e t i c a lm o d e la b o u tt h eq s w i t c h e dl a s e r sw a sg i v e ni n t h i s p a p e r t h er a t e e q u a t i o n so fal d - p u m p e dp a s s i v e l yq - s w i t c h e dn d ：k g ww e r ea l s on u m e r i c a ls o l v e d t h et h e o r e t i c a l p u l s ew i d t h , s i n g a l - p u l s ee r l e r g y , p e a kp o w e ra n dt h ew a v e f o r mo f t h el0 6 4 n ml a s e rw a so b t a i n e dt h e o r e t i c a l l y , w h i c hw a si n g o o da g r e e m e n tw i t l lt h a t o b t a i n e de x p e r i m e n t a l l y w h e nt h ei n c i d e n tp u m pp o w e ri s3 w , r e p e t i t i o no f2 1 3 2 h z ，p u l s e w i t ho f5 7 6 n s ，p e a kp o w e ro f312 wa l eo b t a i n e d k e yw o r d s ：a l ls o l i ds t a t el a s e r ；n d ：k g wc r y s t a l ：t h e r m a le f f e c t ；e n d - f a c ed e f o r m a t i o n ；f o c a l l e n g t h ；i n t r a c a v i t yf r e q u e n c yd o u b l i n g ；p a s s i v e l yq - s w i t c h i n g c l cn u m b e r ：t n 2 4 8 1 i v 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得( 注：如没有其他 需要特别声明的，本栏可空) 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：剀 导师糠 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堂控有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权刳夔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本 授权书) 学位论文作粼：1 纠幻翩嫁 签字日期：2 0 0 c 年4 月g 日 签字日期：2 0 0 7 年4 ，月8 日 八 、陟 山东师范大学硕士学位论文 第一章导论 二十世纪六十年代初世界上第一台红宝石激光器问世以来，激光技术得到了飞速发 展，它对国民经济、国防建设、科学技术及日常生活产生了深远的影响。四十年以来固体 激光器在单元器件、关键技术和产品开发等方面发展迅速，在国民经济和国防军事上都获 得了广泛应用。固体激光器一直是众多激光器中的佼佼者。当前，以半导体激光器及全固 态激光器为代表的固体激光技术已进入了全面发展阶段，其应用领域涉及科学研究、工业、 军事、医学及日常生活等多个领域，成为当前国际激光技术发展的方向之一【l 】。但是研制 高光束质量、高输出功率的激光器的最大障碍是固体激光介质中的热效应。因此，研究激 光晶体的热效应对激光器性能影响，从而找出有效消除热效应的方法来提高输出功率和改 善光束质量便成为当前研究半导体激光器的迫切任务。 1 1l d 泵浦固体激光材料概述 一、l d 泵浦固体激光器的特点 二极管泵浦激光器( d i o d ep u m ps o l i ds t a t el a s e rd p s s l ) 。它是近几年来国际上发展最 快，应用较广的新型激光器1 2 。该类型的激光器利用输出固定波长的半导体激光器代替了 传统的氪灯或氙灯来对激光晶体进行泵浦，从而取得了崭新的发展，被称为第二代激光器。 传统的固体激光器通常采用高功率气体放电灯泵浦，其泵浦效率约为3 到6 。泵浦 灯发射出的大量能量转化为热能，不仅造成固体激光器需采用笨重的冷却系统，而且大量 热能会造成工作物质不可消除的热透镜效应，使光束质量变差。加之泵浦灯的寿命约为4 0 0 小时，操作人员需花很多时间频繁地换灯，中断系统工作，使自动化生产线的效率大大降 低。与传统灯泵浦激光器比较，二极管泵浦固体激光器具有以下优点【2 卅： ( 1 ) 转换效率高：由于半导体激光的发射波长与固体激光工作物质的吸收峰相吻合，加 之泵浦光模式可以很好地与激光振荡模式相匹配，从而光光转换效率很高，已达5 0 以上， 整机效率也可以与二氧化碳激光器相当，比灯泵固体激光器高出一个量级，因而二极管泵 浦激光器体积小、重量轻，结构紧凑。 ( 2 ) 性能可靠、寿命长：激光二极管的寿命大大长于闪光灯，达1 5 0 0 0 小时，泵浦光的 能量稳定性好，比闪光灯泵浦优一个数量级，性能可靠，为全固化器件，是至今为止唯一 无需维护的激光器，尤其适用于大规模生产线。 山东师范大学硕士学位论文 ( 3 ) 输出光束质量好：由于二极管泵浦激光的高转换效率，减少了激光工作物质的热 透镜效应，大大改善了激光器的输出光束质量，激光光束质量已接近极限。 d p s s l 与l d 本身比较，优点表现在【习： ( 1 ) 辐射线宽窄，易实现单频运转。 激光器线宽极限由s c h a w l o w t o w n e s 关系式给出： ，、 a y = h y 雕舰：p 1 l d 的线宽很宽，通常为0 0 2 2 r i m ，而固体激光器线宽通常为0 0 0 0 1 - 4 ) 0 1 n m ( 2 ) 峰值功率高。由于激光介质具有长的上能级寿命，贮能机制是l d 的1 0 0 倍，因 而可得到高脉冲峰值功率输出。 ( 3 ) 输出波长不受温度影响。l d 输出峰值波长会随温度升高而增长，一般为o 3 加4 r i m 。d p s s l 由于工作物质为固体激光介质，输出波长具有高的温度稳定性。 ( 4 ) 扩展激光波长。d p s s l 可通过不同激光介质及频率变换技术扩展波长，比l d 本 身覆盖面广的多。已在红外十几个波长得到受激辐射，通过非线性变频覆盖了可见光波段。 二、激光晶体的基本特性 固体激光器凭借其众多的优点在各个方面获得了广泛的应用，固体激光技术也就成为 激光科研人员长期关注和重点研究的内容。固体激光器的核心部分就是激光晶体。d p s s l 的效率及各方面性能主要取决于激光工作物质的物理和化学性质。寻找适合高功率l d 泵浦 的新型固体激光材料也是全固态激光器研究和开发不可缺少的一部分，并且己经成为材料 领域研究和探索的热点。 性能优良的固体激光材料应该具有如下几个特剧叼： ( 1 ) 优良的光学均匀性，即要求激光材料内尽量避免有杂质颗粒、包裹物、气泡、生长 条纹和应力等缺陷，并使折射率不均匀性尽量小。材料内光学不均匀性会使通过其中的激 光波面发生变形，产生光程差，增大损耗，从而使激光器振荡阈值升高，激光转换效率下 降。 ( 2 ) 良好的光谱性能，即要求材料在泵浦辐射区有较强的吸收，而在激光辐射区的吸收 尽量弱：要有较强的荧光辐射、高的量子效率、合适的荧光寿命和受激发射截面等。对于连 续激光器，荧光线宽越窄，受激发射截面越大，荧光寿命越长，则光泵浦阈值越低，激光 转换效率越高。然而对于脉冲和锁模超短脉冲激光器，则要求材料有较宽的荧光线宽和 较长的荧光寿命。 ( 3 ) 优良的物理化学性能，即要求材料热膨胀系数小、比热高、热导率高、光损伤阈值 山东师范大学硕士学位论文 高、机械性能好、化学稳定性好、易于加工等。 随着d p s s l 向高功率和高能量方向的发展，d p s s l 对激光材料各方面性能的要求也越 来越高，当前最主要的是激光材料的热学性能。在高功率固体激光器中，激光材料的热效 应是非常普遍的，而且极大的影响和限制着激光器的各方面性能。特别是端面泵浦固体激 光器中，激光材料对泵浦光的吸收集中在很小的增益介质体积内，激光材料内的热吸收、 温度和热应力非常不均匀，从而导致激光材料的折射率不均匀，热效应会更严重。 1 2 l d 泵浦固体激光器的热效应 在众多固体激光研究领域中高功率固体激光器是一个重要的研究方向，而高功率固体 激光器的研究方向又主要集中在提高输出功率、改善光束质量以及提高激光器的整体效率 方面。在高功率激光器中，l d 泵浦固体激光器已逐步取代传统灯泵固体激光器，成为最 有发展前景的激光器之一。其主要目标是追求更高的输出功率和更好的光束质量。近年来， 随着半导体激光器输出功率的不断提高和光纤耦合输出技术的出现，人们已经得到很高的 泵浦功率。这时，热效应已成为阻碍固体激光器获得更高输出功率的关键因素之一，研究 和消除这种热效应成为一个重要课趔6 7 1 。 在端面泵浦固体激光器中，泵浦光通常被聚焦为一个很小的光斑，所以光斑范围内功 率密度非常大。由于激光晶体所吸收的泵浦光并不能全部转化为激光输出，其中很大一部 分以热量的形式沉积在晶体中。当对激光介质外表面进行冷却时，热量的传导在激光介质 中形成了不均匀的温度分布，这一不均匀的温度分布所导致的介质的不均匀膨胀，在介质 中引起了应力，称这种应力为热应力。而且由于不均匀温度分布和热应力的共同作用，使 介质的折射率发生不均匀的改变，一方面使得激光介质变成了类透镜介质，产生了热透镜 效应；另一方面使得各向同性的介质变成了各向异性，产生了热致双折射效应，从而使激 光光束发生畸变和退偏效应，严重影响了激光的光束质量和激光器的效率【8 ，9 】。热应力超过 激光介质材料断裂极限时，就会导致激光介质的炸裂，成为限制固体激光器输出功率提高 的重要原因。无功热损耗的上述影响统称为固体激光介质的热效应，都会对激光器性能生 很大影响。由于热效应的限制，目前高平均功率的固体激光器进展缓慢。 这些热效应对激光器性能的影响取决于很多因素，其中包括激光晶体的热机械特性、 热光特性、激光谐振腔的结构、泵浦光的能量分布规律以及激光晶体的冷却情况等因素。 因此，研究激光晶体中热分布规律，以及它对激光器性能的影响，从而找出有效消除热效 应的方法来提高输出功率和改善光束质量便成为当前研究l d 泵浦固体激光器的迫切任 3 山东师范大学硕士学位论文 务。如何降低晶体中的温度梯度与改善其热效应已成为该类激光器研究的重要内容。因此 从某种意义上讲，高平均功率固体激光器的研制过程就是如何消除热效应的负面影响，克 服热透镜效应、热应力、热畸变等不利因素的过程。 为了减轻高功率泵浦条件下激光材料的热效应，首先应当选择热导率高的激光材料、。 热导率越高，激光材料中的热扩散速度就越高，温度分布就越均匀，折射率梯度越低，热 应力也越小。其次，激光材料热效应还与其掺杂浓度有关，可以采用掺杂浓度比较低和长 度比较长的激光材料来改善热效应掺杂浓度越低，激光材料的吸收系数就越小，因此对泵 浦光的吸收就分布在较大的增益介质体积内。这样可以有效使用散热措施以减小材料内部 温度分布、折射率分布和热应力分布的不均匀性。第三，采用双端泵浦技术，也可以明显 改变激光晶体中的热效应【3 1 。第四，利用键合技术【m 1 2 】将不掺杂晶体和同基质掺杂晶体键 合在一起，形成复合晶体，由于不参杂晶体起到热沉作用，利于晶体更好地散热，有效地 改善了晶体端面和中心的温度梯度。没有掺杂的一端一般作为泵浦端，它对泵浦光的吸收 非常小，因此棒的端面不会出现强烈的热形变。泵浦光的吸收主要发生在掺杂部分，产生 的热最会从掺杂部分传向未掺杂部分。未掺杂的棒端将会阻止掺杂部分的热膨胀，并在界 面产生相应的收缩应力，而不是膨胀应力，这种效应极大地减小了激光棒端面的扭曲形变。 第五，对端面进行机械修磨的办法，减少端面形变热透镜效应【1 3 1 。第六，设计高效的冷却 方式及时带走晶体内部温度也可以缓解晶体的热效应。 1 3l d 端面泵浦n d ：k g w 激光器热效应的研究背景 在激光技术的发展和应用中，激光二极管泵浦的固体激光器由于其效率高、稳定性好、 结构紧凑、体积小、寿命长等优点被广泛应用到工业、军事、医学以及国民经济的许多领 域中。一直以来，人们围绕应用要求在不断改进激光器以寻找高质量的激光输出。其中激 光晶体是全固态激光器中最重要的核心部分。在很大程度上它决定了激光器的输出质量。 掺钕的钨酸钆钾激光晶体即n d ：k g d ( w 0 4 ) ( 简称n d ：k g w ) 是一种新型的多波长激光晶 体。早在1 9 7 2 年俄罗斯的卡明斯基就报道过n d ：k g w 激光晶体的一些物化性能和激光性 能【3 5 1 ，但是直到九十年代，随着半导体激光器( l d ) 的不断发展，它才引起人们的关注，并 开始成为研究的热点之一。与目前应用最广泛、研究最成熟的n d ：y a g 晶体相比，n d ：k g w 晶体具有发射截面大、泵浦阈值低、可掺杂浓度高，在8 0 8 n m 附近的吸收线的半宽度为 1 2 n m 比n d ：y a g 的半宽度1 5 r i m 大的多，这正好处在l d 发射的主波长范围内，并能容纳 l d 发射波长随温度的漂移【3 5 】。有利于进行二极管泵浦的n d ：k g w 激光器的实验研究。此 4 山东师范大学硕士学位论文 外，n d ：k g w 晶体还具有一些独一无二的性质：它能产生自激励喇曼散射，产生0 9 4 a m 的反斯托克斯散射，1 1 8 1 a m 的一阶斯托克斯和1 3 2 1 a m 的二阶斯托克斯散射，经倍频成为 可见波段的多波长光源【3 6 1 。这一特性将使k g w 的应用范围更广，同时成为最具有吸引力 的晶体之一。 由于n d ：k g w 晶体的热传导系数( 3 8 w i n k ) d ，约为n d ：y a g 晶体热传导系数 ( 1 2 9 w m k ) 的三分之一，可以预料到n d ：k g w 晶体具有严重的热效应影响着激光的输出质 量。所以对其热效应进行全面正确的研究才是解决问题的关键所在。目前有关l d 端泵 n d ：k g w 激光器特性的报道很少，大多数文献【3 7 旬9 1 只是对n d ：k g w 激光晶体的生长、吸 收光谱等特性进行了报道。本文对l d 端泵n d ：k g w 晶体的热效应进行了详细的理论模拟 和实验研究。 末师范大学硕学位论文 第二章l d 端面泵浦n d ：k g w 激光器热效应理论分析 激光晶体吸收激光二极管抽运光能量产生荧光辐射的同时，有相当一部分能量弥散 在晶体中形成热量，导致激光晶体温度升高，与冷却系统的共同作用，在晶体内部形成温 度梯度，从而产生热效应。热效应所产生的最重要的直接后果有两个：热透镜效应以及伴 随热透镜的高阶球差导致的衍射损耗。它严重影响了激光的性能如谐振腔的稳定性、腔模 尺寸、模式耦合效应及输出光束质量。本章从理论上对l d 端面泵浦n d ：k g w 激光器的热 效应进行了比较全面的分析。 一、晶体结构 2 1n d ：k g w 晶体的激光特性 圉巨【! ：二- - 一 图2 11n d ：k g w 激光晶体 钨酸钆钾激光晶体( 分子式为k g d ( w 0 4 ) 2 ，简称k g w ) ，是一种钨酸盐，衍生于c a w 0 4 结构，k 和g d 以相等的几率取代c a ”，它属于单斜晶系，空间群为c 2 c ，晶胞参数为： a = 08 0 9 5 n m ，b = l0 4 3 r i m 。c = 07 5 8 8 ，b = 9 43 7 0 ，z = 4 。k g w 是一种优秀的激光基质材料， 其性质见表l 。当掺入n d ”后，它将取代g d ”，形成n d ：k g d ( w o 。k ( 简称n d ：k g w ) 晶体， 由于减少了离子半径失配，可以实现高浓度掺杂，掺杂浓度可高达3 1 0 ，从而获得了 大的发射截面。图211 为福建福晶公司生产的n d ：k g w 激光晶体。 山东师范大学硕士学位论文 表1n d ：k g w 激光晶体的物化特性 性质数值 分子式k g d ( w 0 4 ) 2 分子量 7 3 1 1 5 结晶学性质晶体结构1 3 相单斜晶系空间群c 2 c 晶格参数 a = 0 8 0 9 5 n mb = 1 0 4 3 n m c = 0 7 5 8 81 3 - - - 9 4 3 7 0 热学和机械莫氏硬度 5 性质 熔点 1 0 7 5 密度7 2 7 9 e r a 3 四角形相转变温度 1 0 0 5 化学性质不溶于水 二、n d ：k g w 晶体能级结构和吸收谱 图2 1 2 给出了n d ：k g w 晶体的能级结构图。图2 1 3 给出了n d ：k g w 晶体的吸收光 谱。它给出的是晶体在3 0 0 n m - - - 8 7 8 n m 波长范围的吸收光谱【l 】。在该范围内晶体共有6 组 较强的吸收带，相应的吸收峰分别为位3 4 5 - 3 6 1 n m 、5 1 6 5 4 0 n m 、5 7 8 - 5 9 8 n m 、7 4 3 7 5 7 衄， 是n d 3 + 离子从基态到上能级4 d 3 小4 d l 2 、4 g 砚、4 g g a 、4 g 5 应、2 g 7 2 、4 f 7 2 、4 s 3 2 的跃迁。 其中位于5 9 8 n m 和7 4 8 n m 的两个吸收带较强，n d ：k g w ( n d5 a w , ) 在8 0 8 n m 处也有较强的 吸收带，半带宽约为1 2 r i m ，对应于n d ”( 4 i 蛇印讹) 跃迁，这与u ) 发射的波长相匹配，有 利于u ) 抽运。图2 1 a 和图2 1 5 分别给出了n d ：k g w 、n d ：y a g 、n d ：y v 0 4 晶体的吸收 谱线，可以看出8 0 8 r i m 下n d ：y v 0 4 与n d ：k g w 的吸收带都大于n d ：y a g 的吸收带，这更 利于l d 的抽运。 8 一啦4 9 翻r 9 4 8 2 i 弓e = = = = = = = = = ：= ：= = 卸唧_-_-_。_一 _ - _ - - _ _ 一2 口7 r 一翻z 门一 1 9 3 口s = = = ：= ：= = = = = = = ：= l 硼 l _ l - _ l l h - _ _ 一v _ - - - _ l - _ - _ - _ _ _ - - l - 一】口t t - - 一i 0 ， - - l _ i _ _ _ _ _ _ - _ _ - - i _ i _ 。一t 5i t d l 一 ，b 厅 o i i j , k u l l q ，j q 尼 _ 局 ， 岛，2 三三三三三三三三戮 片。i u t i j 2 _ - _ - _ - _ - i - l _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ - - _ l o _ _ 一! ：! ! - _ _ _ l _ _ _ - i _ _ _ _ - _ - _ _ - l _ 。- - _ - 。一j - 兰三三三三三三三兰三铃嚣 = = = = = = = = = = = ：拄主暑- - _ _ i _ _ _ l _ - - l _ i ，- - 一- 量 1 3 4 4 l ，l i t i l ，j 1 2 ， - - - - - 一l 土t o 。一l2 j 口 = = = = = = = = = = = = = = = t 猫 = = = = = = = = = = = = = & i s 2 = = = = = = = = ：= ：= = = = 二铬孔 = = = ：= = = = = = = = = = = ：爰墅 = = = = = = = = = = = = = j h 弱 = = = = = = = = = = = = = 二v 黼 ：= = = = = = = = = = = = = = 拍i r_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ l _ - _ i _ - _ _ _ _ - _ 。一 三三三三三兰三三l 遂 _ - _ - - _ - _ _ _ _ i i l - l _ l - - l 。_ 。一t ! ! t - _ l _ _ _ _ - - l _ _ l _ o 一， 图2 i 2n d ：k g w 晶体能级结构 b ， f ，偿 ，口 毛， 凡土 乜， z b ， ，l i n l i 飘l i 图2 1 3n d ：k g w 晶体的吸收光谱 9 山东师范大学硕士学位论文 图2 1 4n d ：y a g 和n d ：y v 0 4 在8 0 8 n m 附近的吸收谱线 口dj 囊蠢x ，7 ，l ，口 图2 1 5n d ：y a g 和n d ：k g w 在8 0 8 n m 附近的吸收谱线 三、n d ：k g w 晶体的发射谱 n d ：k g w 晶体的荧光光谱如图2 1 6 所示。晶体在波数为7 3 9 6 。8 c m 1 和9 3 5 7 c m l 两 个位置有明显的发射峰，对应的发射波长为1 0 6 8 a m 和1 3 5 1 1 a m ，分别对应于n d 3 + 从 4 i 4 f 3 尼和4 i l a 2 - 4 f 3 应的跃迁【2 ，3 1 。经倍频后可得到波长为0 5 3 4 9 m 的绿光和波长为0 6 7 5 1 a m 的红光。图2 1 7 为3 0 0 k 的发射光谱和能级跃迁。 1 0 w i v 豇m m b 盯，c m - l 图2 1 6n d ：k g w 荧光光谱 山东师范大学硕士学位论文 f 坍 i 。l 艘 暑 a n一_一一0_一 萎要篓譬譬篓萎j 意i 叠 墨至茧至堇蔓至兰重重薹 -_-i二二二二二 1 】4 1 0 e r a o 1 1 2 9 0 2 l o z i $ 1 翻2 s 1 0 2 5 1 1 1 1 1 2 l d 4 5 图2 1 7n d ：k g w 发射光谱对应的能级跃迁 2 2l d 端面泵浦n d ：k g w 晶体热效应的理论模拟 一、热效应的基本理论 在l d 端面泵浦抽运激光介质时，晶体的热效应主要包括三个方面：激光晶体折射率 随温度的变化、晶体的端面形变和热应力双折射。对于不同的晶体这三方面对热效应的影 响也不相同。主要取决于晶体的熟机械特性、热光特性以及晶体的泵浦方式和冷却方式。 尤其对于各向异性的n d ：k g w 双折射晶体，热致双折射很弱，在考虑热效应对腔模尺寸变 化和衍射损耗时可以忽略不计。 1 在端面泵浦光的作用下，激光晶体吸收泵浦光而发热，对于晶体侧面传导冷却的情况 下，且泵浦光轴对称时，端面是空气对流冷却，其热交换系数远远小于侧面热传导散发的 热量，因此可以忽略晶体纵向散热。针对n d ：k g w 晶体热传导的实际特点，提出了三维 各向异性热传导模型。 1 n d ：k g w 激光器的热效应模型 将矩形n d ：k g w 晶体放入个紫铜做的槽内，四周通过冷却水，用一个恒温循环器控 制水温。当抽运光通过晶体中心时，可以建立热模型如图2 2 1 所示： 山东师范大学硕士学位论文 p u m pl a s s p o t e a ts i n k 图2 2 1 激光晶体热模型图 由于n d ：k g w 晶体吸收部分抽运光能量而产生热，则其内部遵循热传导泊松方程为【4 】： k 。窘+ k y 窘+ y l z 塑a z 2 乜( 训糊= o ( 2 2 1 ) 吼( x , y , z ) - 2 q a ( 1 - c - a ) e - 2 ，+ y 2 we 一盘 ( 2 2 2 ) 觋 其中口为晶体吸收系数，k 善，k y ，k ：为晶体各个方向上的传导系数，q = 绒为晶体的 总热耗，刀为由荧光量子效应和内损耗决定的热转换系数，i = 1 善，& = 8 0 8 n m ， = 1 0 6 7 n m ，匕为输入功率，啡为光斑半径，为晶体长度。 由于激光晶体在紫铜块中并用恒温循环水冷却，其侧面保持相对稳定，本实验中控制 冷却水的温度为1 6 c 。晶体的两个通光面和空气接触，热交换量远小于通过晶体侧面热交 换的量，可以假设晶体两个端面绝热，可得方程的边界条件为： 丁唔膨) = 1 6 ；f 呼，y 力= 1 6 ； ( 2 2 3 ) m ，扣= 1 6 ；m ，孚力= 1 6 ； ( 2 2 4 ) 制枷= o ；剐，。 亿2 匀 利用差分迭代法进行数学分析同时借助m a t l a b 软件求解方