（光学工程专业论文）声光电光gaas双调q激光器性能参数优化的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 l d 泵浦调q 激光器能产生具有高峰值功率、高重复率的窄脉冲，这种脉冲在 信息存储、遥感探测、激光通讯、医疗卫生等领域有着广泛的应用。但是在一些 应用中，脉冲能量、峰值功率、脉冲宽度对于双调q 激光器来说，是非常重要的 参数，目前关于声光g a a s 双调q 激光峰值功率、脉冲宽度的最佳化和电光一 g a a s 双调q 激光的脉冲能量、峰值功率及脉冲宽度等输出特性的最佳化方面未见 报道。 本论文运用“等人建立的声光g a a s 双调q 激光器归一化速率方程模型对 声光g 啦s 双调q 激光峰值功率和脉冲宽度的输出特性做了最佳化研究，在实验 中得到验证；然后对上述模型做了修改，运用此模型对电光g a a s 双调q 激光的 脉冲能量、峰值功率和脉冲宽度的输出特性进行最佳化的研究，得出了其在输出 特性最佳化条件下的关键性能参数，得出的最佳化参数对全固态调q 激光器的设 计具有重要的参考价值。 论文的主要研究工作包括： ( 1 ) 对声光g a a s 双调q 激光峰值功率的输出特性做了最佳化研究，得到 了双调q 激光器的峰值功率最大化时的最佳化性能参数与激活介质、饱和吸收体、 声光开关、泵浦功率以及泵浦光与激光的模式大小的比值等参数的关系，并画出 了它们之间的关系曲线，并且将这些曲线与在双调q 激光器脉冲能量最佳化时所 得曲线进行了对比分析。利用这些表达式和关系曲线，我们可以预测其脉冲特性 并可用来设计最佳的双调q 激光器。最后测量了l d 泵浦声光一g a a s 饱和吸收体 主被动双调qn d ：y v 0 4 激光在一定泵浦功率下不同输出镜反射率、不同g a a s 饱和 吸收体小信号透过率的脉冲峰值功率，并对实验结果与理论结果进行了比较，最 佳化结果与实验结果相符。 ( 2 ) 对声光g a a s 双调q 激光脉冲宽度的输出特性做了最佳化研究，得到 了主被动双调q 激光器的脉冲宽度最小化时的最佳化性能参数与激活介质、饱和 吸收体、声光开关、泵浦功率以及泵浦光与激光的模式大小的比值等参数的关系， 并画出了它们之间的关系曲线，并且将这些曲线与在对掺c r 4 + 饱和吸收体被动调q i i i 山东大学硕士学位论文 激光器的脉冲宽度最佳化时所得曲线进行了对比分析。利用这些表达式和关系曲 线，我们可以预测其脉冲特性并可用来设计最佳的主被动双调q 激光器。 ( 3 ) 对l i 等人建立的声光g a a s 双调q 激光器归一化速率方程模型进行适 当修改，然后运用该模型对电光一g a a s 双调q 激光的脉冲能量、峰值功率和脉冲 宽度等输出特性进行最佳化的理论研究，得到了电光g a a s 双调q 激光器的输出 特性最佳化的性能参数与激活介质、饱和吸收体、电光开关、泵浦功率以及泵浦 光与激光的模式大小的比值等参数的关系，并画出了它们之间的关系曲线，并且 将这些曲线与在声光g a a s 双调q 激光器输出特性最佳化时所得曲线进行了对比 分析。利用这些表达式和关系曲线，我们可以预测其脉冲特性并可用来设计最佳 的双调q 激光器。 i v 关键词：g a a s ，声光，电光，双调q ，最佳化，峰值功率，脉冲宽度， 脉冲能量 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t l a s e r - d i o d e ( l d ) p u m p e dq s w i t c h e dl a s e rc a ng e n e r a t en a r r o wp u l s ew i m1 1 i 曲 p e a kp o w e ra n dr e p e t i t i o nr a t e s ，w h i c hh a sw i d ea p p l i c a t i o n si nt h ef i e l d ss u c ha s i n f o r m a t i o ns t o r a g e ，r e m o t e - s e n s i n gd e t e c t i o n , l a s e rt e l e c o m m u n i c a t i o na sw e l la s h e a l t h y i ns o m ea p p l i c a t i o n s ，t h ep u l s ee n e r g y , p e a kp o w e ra n dp u l s ew i d t h o fd o u b l e q s w i t c h e dl a s e ra r ev e r yi m p o r t a n tp a r a m e t e r s a sf a ra sw ek n o w , t h eo p t i m i z a t i o no f p e a kp o w e ra n dp u l s ew i d t ho fd o u b l yq - s w i t c h e dl a s e r sw i t hb o t ha na o m o d u l a t o r a n dag a a ss a t u r a b l ea b s o r b e rh a sn o tb e e nr e p o r t e d t h eo p t i m i z a t i o no fp u l s ee n e r g y , p e a kp o w e ra n dp u l s ew i d t ho fd o u b l yq s w i t c h e dl a s e r sw i t hb o t ha ne om o d u l a t o r a n dag a a ss a t u r a b l ea b s o r b e rh a sa l s on o tb e e nr e p o r t e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，b yu s i n gt h en o r m a l i z e dr a t e - e q u a t i o no fd o u b l yq s w i t c h e d l a s e r sw i t hb o t ha na om o d u l a t o ra n dag a a ss a t u r a b l ea b s o r b e r , s e tu pb yl ie t c ，t h e r e s e a r c ho nt h eo p t i m i z a t i o no ft h ep e a l 【p o w e ra n dt h ep u l s ew i d t hi nt h ed o u b l y q s w i t c h e dl a s e r sw i t hb o t ha na o m o d u l a t o ra n dag a a ss a t u r a b l ea b s o r b e rh a sb e e n c a r r i e do u t ，a n dt h eo p t i m a lr e s u l t sa r ev a l i d a t e di nt h ee x p e r i m e n t t h e nw em o d i f yt h e a b o v em o d e la n du s et h en e wm o d e lt oo p t i m i z et h ep u l s ee n e r g y , p e a kp o w e ra n dp u l s e w i d t ho fd o u b l yq s w i t c h e dl a s e r sw i t hb o t ha ne om o d u l a t o ra n dag a a ss a t u r a b l e a b s o r b e r , t h eo p t i m u mp a r a m e t e r so b t a i n e da b o v ec a l lh e l pu si nt h ed e s i g no ft h e s ea l l s o l i d s t a t eq s w i t c h e dl a s e r s t h em a i nc o n t e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d e ： 1 t h er e s e a r c ho nt h eo p t i m i z a t i o no ft h ep e a kp o w e ri nt h ed o u b l yq - s w i t c h e d l a s e r sw i t hb o t ha l la 0m o d u l a t o ra n dag a a ss a t u r a b l ea b s o r b e rh a sb e e nc a r r i e do u t , t h ek e yp a r a m e t e r so fa no p t i m a l l yc o u p l e dd o u b l yq - s w i t c h e dl a s e ra r ed e t e r m i n e d b a s e do nm a x i m i z i n gt h ep e a kp o w e ra n dag r o u po fg e n e r a lc u r v e sa r eg e n e r a t e df o r t h ef i r s tt i m e t h ec u r v e sc l e a r l ys h o wt h ed e p e n d e n c eo ft h eo p t i m a lk e yp a r a m e t e r so n t h ep a r a m e t e r so ft h eg a i nm e d i u m ，t h eg a a ss a t u r a b l ea b s o r b e r , t h ea oq s w i t c h ，t h e r e s o n a t o r , a n dt h es p a t i a ld i s t r i b u t i o n so ft h ei n t r a c a v i t yp h o t o nd e n s i t y t h e s er e s u l t s a r cc o m p a r e dw i t ht h o s eo ft h eo p t i m i z e dd o u b l yq - s w i t c h e dl a s e rw i t hb o t ha n a c o u s t o o p t i cm o d u l a t o ra n dag a a ss a t u r a b l ea b s o r b e rb a s e do nm a x i m i z i n gt h eo u t p u t e n e r g y , a n dt h ed i f f e r e n c e sa r ea l s od i s c u s s e d f o rag i v e np u m pp o w e rw i t hd i f f e r e n t r e f l e c t i v i t i e so ft h eo u t p u tm i r r o ra n dd i f f e r e n ts m a l l s i g n a lt r a n s m i s s i o n so fg a a s s a t u r a b l ea b s o r b e r ，t h ep u l s ee n e r g y , p e a kp o w e ra n dp u l s ew i d t hi nad i o d e - p u m p e d n d ：y v 0 4l a s e r 、) l ，i t l lb o t ha na om o d u l a t o ra n dag a a ss a t u r a b l ea b s o r b e l h a v eb e e n v 山东大学硕士学位论文 m e a s u r e d c o m p a r i n gt h ee x p e r i m e n tr e s u l t sw i t ht h et h e o r e t i c a lr e s u l t s ，t h e ya r ei n a g r e e m e n tw i t he a c ho t h e r 2 t h er e s e a r c ho nt h eo p t i m i z a t i o no ft h ep u l s ew i d t hi nt h ed o u b l yq - s w i t c h e d l a s e r sw i t hb o t ha l la om o d u l a t o ra n dag a a ss a t u r a b l ea b s o r b e rh a sb e e nc a r r i e do u t , t h ek e yp a r a m e t e r so fa no p t i m a l l yc o u p l e dd o u b l yq s w i t c h e dl a s e ra r ed e t e r m i n e d b a s e do nm a x i m i z i n gt h ep e a kp o w e ra n dag r o u po fg e n e r a lc u r v e sa r eg e n e r a t e df o r t h ef i r s tt i m e t h ec u r v e sc l e a r l ys h o wt h ed e p e n d e n c eo ft h eo p t i m a lk e yp a r a m e t e r so n t h ep a r a m e t e r so ft h eg a i nm e d i u m ，t h eg a a ss a t u r a b l ea b s o r b e r , t h ea oq s w i t c h ，t h e r e s o n a t o r , a n dt h es p a t i a ld i s t r i b u t i o n so ft h ei n t r a c a v i t yp h o t o nd e n s i t y t h e s er e s u l t s a r ec o m p a r e dw i t ht h o s eo ft h eo p t i m i z e dp a s s i v e l yq s w i t c h e dl a s e rw i t hc r 4 + - d o p e d s a t u r a b l ea b s o r b e rb a s e do nm a x i m i z i n gt h ep u l s ew i d t h ，a n dt h ed i f f e r e n c e sa r ea l s o d i s c u s s e d m a k i n gu s eo ft h e s ee x p r e s s i o n sa n dc u r v e s ，w ec a r lf o r e c a s ti t sp u l s e c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h eo p t i m u mp a r a m e t e r so b t a i n e da b o v ec a nh e l pu si nt h ed e s i g no f o p t i m i z e dd o u b l eq s w i t c h e dl a s e r s 3 w em o d i f yt h en o r m a l i z e dr a t e e q u a t i o no fd o u b l yq - s w i t c h e dl a s e r s 、析t l lb o t h a na om o d u l a t o ra n dag a a ss a t u r a b l ea b s o r b e rw h i c hi ss e tu pb yl ie t c u s i n gt h i s n e wm o d e l ，w et h e o r e t i c a l l ys t u d yo nt h eo p t i m i z a t i o no ft h ec h a r a c t e r i s t i c si na l d - p u m p e dd o u b l yq s w i t c h e dl a s e rw i t hb o t ha ne l e c t r o - - o p t i cm o d u l a t o ra n dag a a s s a t u r a b l ea b s o r b e r t h ek e yp a r a m e t e r so fa no p t i m a l l yc o u p l e dd o u b l yq s w i t c h e dl a s e r a r ed e t e r m i n e db a s e do nm a x i m i z i n gt h ep e a kp o w e r , p e a kp o w e r , p u l s ew i d t ha n da g r o u po fg e n e r a lc u r v e sa r eg e n e r a t e df o rt h ef i r s tt i m e 。砀pc h i v e sc l e a r l ys h o wt h e d e p e n d e n c eo ft h eo p t i m a lk e yp a r a m e t e r so nt h ep a r a m e t e r so ft h eg a i nm e d i u m ，t h e g a a ss a t u r a b l ea b s o r b e r , t h ee oq s w i t c h ，t h er e s o n a t o r , a n dt h es p a t i a ld i s t r i b u t i o n so f t h ei n t r a c a v i t yp h o t o nd e n s i t y t h e s er e s u l t sa r ec o m p a r e d 埘mt h o s eo ft h eo p t i m i z e d d o u b l yq - - s w i t c h e dl a s e rw i t hb o t ha na c o u s t o - - o p t i cm o d u l a t o ra n dag a a ss a t u r a b l e a b s o r b e rb a s e do nm a x i m i z i n gt h ep e a kp o w e r , p e a kp o w e ra n dp u l s ew i d t h m a k i n g u s eo ft h e s ee x p r e s s i o n sa n dc u r v e s ，w ec a nf o r e c a s ti t sp u l s ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e o p t i m u mp a r a m e t e r so b t a i n e da b o v ec a nh e l pu si nt h ed e s i g no fo p t i m i z e dd o u b l e q s w i t c h e dl a s e r s v i k e yw o r d s ：g a a sa c o u s t o - o p t i ce l e c t r o o p t i c d o u b l eq - s w i t c h e d o p t i m i z a t i o np e a kp o w e rp u l s ew i d t hp u l s ee n e r g y 山东大学硕士学位论文 符号说明 平均光子数密度 基横模的平均半径 基横模在激活介质处的半径 基横模在g a a s 饱和吸收体处的半径 泵浦光在激活介质中的平均半径 激活介质的长度 声光晶体的长度 饱和吸收体的厚度 声光晶体的折射率 g a a s 饱和吸收体的折射率 激活介质中的反转粒子数密度 g a a se l 2 深能级上的总粒子数密度 g a a s 带正电的e l 2 + 能级上的粒子数密度 g a a s 带正电的e l 2 + 能级上的初始粒子数密度 激活介质的受激发射截面 g a a s 饱和吸收体e l 2 0 能级的吸收截面 g a a s 饱和吸收体e l 2 + 能级的吸收截面 g a a s 饱和吸收体的双光子吸收系数 g a a s 饱和吸收体的小信号透过率 输出耦合镜的反射率 谐振腔的损耗 声光q 开关的衍射损耗 电光q 开关的衍射损耗 声光( 电光) q 开关的关断时间 v 力 吩 拊 吃 ， 乞d m 矿 酵 仃 o b + b r 三 疋乏 山东大学硕士学位论文 t r z e p v i n 光在谐振腔中往返一周的时间 谐振腔的光学长度 单脉冲能量 脉冲的峰值功率 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。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科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：迳亟尘 e l期：銎翌生! 塑 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东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，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：名量逛出导师签名： 山东大学硕士学位论文 第一章引言 半导体泵浦的固体激光器诞生于二十世纪六十年代。早在1 9 6 2 年世界上第一 支g a a s 激光二极管( l a s e rd i o d e - l d ) 问世后不久，美国m i t 实验室的k e y e s 等人就将它用作固体激光器的泵浦源并实现了准连续激光输出【l 】。但由于当时半 导体激光器输出功率小、使用寿命短等缺点，一直没有得到大规模使用。直到上 世纪八十年代，半导体激光器制造工艺的飞速发展使得半导体激光器的输出功率 和使用寿命等参数都得到了很大的提高，加上半导体激光器自身发射线宽窄、光 谱可调谐范围宽等优点，使其非常适合作为固体激光器的泵浦源。随着固体材料 的革命性发展，半导体泵浦的固体激光器得到迅猛发展。目前，半导体泵浦的全 固态激光器( d i o d e p u m p e ds o l i d s t a t el a s e r - 一d p s s l ) 由于结构简单、转化效率高、 热效应小、稳定性高、寿命长、光束质量高、工作介质覆盖的波段范围广及运转 方式多样化等优势，外加上与非线性光学变频技术相结合，可以实现多种波长运 转，使其在空间通讯、光显示、光互联、光信息处理、激光加工、激光医疗和军 事等领域均有广泛的应用，尤其在激光雷达、光电对抗、激光遥感、激光测距中 已成为应用发展的关键技术之一。 激光器设计人员不断追求在一定的泵浦条件下半导体泵浦的全固态调q 激光 器在一定的泵浦条件下有最大的输出能量( 输出能量最佳化) 、有最大的峰值功率 ( 峰值功率最佳化) 或者最小的脉冲宽度( 脉冲宽度最佳化) 。二十世纪七十年代， 人们曾对主动快开关调q 激光器及转镜调q 激光器的最佳化进行探讨【2 5 】。1 9 9 0 年左右又找到了最佳化运转的这两种调q 激光器的各关键参数的解析表达式，并 先后在平面波近似的情况下对主动快开关调q 激光器、掺c r 4 + 饱和吸收体被动调 q 激光器等做了最佳化研究【6 1 3 】。2 0 0 6 年以来，“等根据全固态调q 激光的运 转特性，考虑腔内光子数密度的高斯空间分布，并且对于声光调q 开关考虑其开 关时间，分别建立了掺c r 4 + 饱和吸收体被动调q 、g a a s 被动调q 以及声光主动调 q 等单调q 激光器的归一化速率方程新模型；建立了声光一掺c r 4 + 饱和吸收体和 声光g a a s 双被动调q 等双调q 激光器的归一化方程新模型；运用新的速率方 程模型对以上几种全固态调q 激光的脉冲能量、峰值功率及脉冲宽度等输出特性 做了优化研究【1 4 - 1 9 】。但是在一些应用中，脉冲能量、峰值功率、脉冲宽度对于 山东大学硕士学位论文 双调q 激光器来说，是非常重要的参数，目前关于声光一g a a s 双调q 激光峰值 功率、脉冲宽度的最佳化和电光g a a s 双调q 激光的脉冲能量、峰值功率及脉冲 宽度等输出特性的最佳化方面未见报道。 本论文运用l i 等人建立的声光一g a a s 双调q 激光器归一化速率方程模型对 声光g a a s 双调q 激光峰值功率、脉冲宽度的输出特性做了最佳化研究，并且对 上述模型做了修改，运用此模型对电光g a a s 双调q 激光的脉冲能量、峰值功率 及脉冲宽度等输出特性进行最佳化的研究，得出了其在输出特性最佳化条件下的 关键性能参数，并在实验中得到验证。得出的最佳化参数对全固态调q 激光器的 设计具有重要的参考价值。 本章对本论文中用到的调q 技术、速率方程理论以及激光输出特性的最佳化 理论进行分析和说明。 一、调q 技术 调q 技术的出现是激光发展史上的一个重要突破。1 9 6 1 年，哥伦比亚大学的 h e l l w a r t h 和m c c l i n g 首次提出利用能量的储存和快速释放可以获得激光巨脉冲 2 0 ，2 1 。通过某种方法使谐振腔的损耗按照规定的程序变化：在泵浦激励刚刚开 始时，让腔处于低q 值状态，此时由于腔内阈值很高，不能产生振荡，粒子在激 光上能级持续积累；当反转粒子数密度达到一定的数值后，在适当的时刻使腔q 值突然升高，腔内阈值下降，此时反转积聚数远远超过阈值反转粒子数，受激辐 射迅速增加，在极短的时间内消耗掉上能级储存的大部分粒子，转变成谐振腔内 的激光能量，从而从输出端产生一个强脉冲。 调q 技术根据不同的分类方法可以分为不同类型：按开关时间与脉冲建立时 间比较可分为快开关调q 方式和慢开关调q 方式；按控制损耗方式可分为控制反 射损耗的、控制吸收损耗的、控制衍射损耗的、控制输出损耗的；按调节方式还 可以分为主动调q 和被动调q 。主动调q 激光器谐振腔内损耗的变化由外部驱动源 控制，而与腔内激光强度无关；被动调q 是利用材料强烈的非线性效应来实现q 值突变的目的。下面简要介绍几种常用的主被动调q 方式： 1 、电光调q 。某些晶体在外加电场作用下，其折射率发生变化，使通过晶体 的不同偏振方向的光之间产生位相差，从而使光的偏振状态发生变化的现象称为 光电效应。其中折射率的变化和电场成正比的效应称为普克尔效应，折射率的变 2 山东大学硕士学位论文 化和电场强度平方成正比的效应成为克尔效应。电光调q 就是利用晶体的普克尔 效应来实现q 值突变的方法。电光调q 属于快开关类型，它能产生窄脉冲，且 同步性能好，使用寿命长，输出巨脉冲稳定。其主要缺点是半波电压较高，需要 几千伏的高压脉冲，对其它的电子线路易造成干扰。 2 、声光调q 。利用声光介质中的超声场产生衍射。有超声场存在时，造成谐 振腔的损耗增大，若突然撤消超声场，则衍射效应自行消失，腔损耗减少。声光 调q 属于快开关类型，调制电压较低，一般能获得l - - 6 0 k h z 的重复频率，稳定 性好；但开关能力差，输出脉宽较宽，一般在几十到数百纳秒，主要应用于激光 遥感、测距、雷达等领域。由于它对高能量激光器的开关能力较差，般只能用 于低增益的激光器上。 3 、可饱和吸收体调q 。利用非线性饱和吸收介质在强激光作用下由于吸收饱 和而呈现透明的特性实现调q ，有机染料 2 2 是一种典型的非线性吸收介质，在强 激光作用下由于吸收饱和而对激光呈现透明。此种开关属于被动式的快开关类型， 装置简单，输出脉宽窄，但稳定性差、易退化。与染料相比，作为固体饱和吸收 体的色心晶体( 如l i f ：f 2 ) 2 3 ，虽然光化学和热学性质较好，但其易褪色，因 此使用寿命及存储受到一定的限制。目前常用的固体可饱和吸收介质包括c r 4 + ：y a g 晶体、g a a s 芯片以及近几年半导体可饱和吸收镜调q ( s e s a m ) 2 4 。其中，c r 4 + ：y a g 作为新型被动q 开关具有优良的性能，其在o 9 1 2i im 波段具有饱和吸收特性， 因而可作为掺n d 3 + 激活介质的饱和吸收型被动q 开关。h e i l e r s 等人于1 9 9 2 年首 先报道了c r 4 + ：y a g 晶体的饱和吸收特性 2 5 ，与有机染料及色心晶体相比，c r 4 + ：y a g 具有光化学性质稳定、热导性好、饱和光强低、损伤阈值高及无退化等优点，逐 渐成为人们研究的热点。近年来，人们已经研究了脉冲氙灯、连续氪灯泵浦及激 光二极管泵浦的掺n d 晶体、c r 4 + ：y a g 被动调q 激光特性 2 6 - 3 6 ，对c r 4 + ：y a g 调q 的自倍频晶体n d ：y a b 及g d c o b 的绿光特性也有报道 3 7 - 3 8 。同时利用c r 4 + ：y a g 作为被动调q 元件，人们成功地实现了n d ：s - v a p 3 6 、n d ：s f a p 3 9 、n d ： g d v 0 4 4 0 - 4 3 、y b ：y a g 4 4 和n d ：n y w 4 5 等新型晶体的稳定调q 运转。另外， c r 4 + ：y a g 具有较大的基态吸收截面和较长的基态恢复时间，在调q 过程中容易实现 漂白，所以c r 4 + ：y a g 成为掺钕激光器理想的被动q 开关。半导体材料g a a s 作为被 动q 开关同样具有可饱和吸收特性稳定、热导性好、光化学性质稳定、无退化现 象及损伤阈值高等优点，但与c r 4 + ：y a g 受到人们的广泛关注相比，对g a a s 被动调 3 山东大学硕士学位论文 q 激光的研究报道要少得多。1 9 9 6 年t t k a j a v a 等人首次发现g a a s 可用作n d ：y a g 激光器的被动q 开关 4 6 ，随后人们研究了多种增益介质的g a a s 被动调q 输出特 性，如y b ：y a g 4 7 、n d ：y v 0 4 4 8 、n d ：g d c o b 4 9 、n d ：n y w 5 0 和n d ：g d v 0 4 5 1 等。g a a s1um 处的吸收过程较为复杂，当激光光强较小时，具有饱和吸收特性的 单光子吸收是实现g a a s 被动调q 的主要原因。随着腔内功率密度增强到一定程度， 双光子吸收将占主要地位，由此产生的大量自由电子和空穴使得自由载流子吸收 的作用也不可忽视。另外，g a a s 还可以同时兼做调q 元件和谐振腔的输出镜 5 1 ， 5 2 ，使谐振腔的结构更加简单、紧凑，具有重要的实用价值。 4 、双调q 技术 当声光( a 0 ) 调制器和g a a s 饱和吸收体同时放到一个谐振腔中时，称之为双 调q 激光器，它可以产生具有更高峰值功率、更稳定重复率的更窄的脉冲 7 5 。 在这种双调q 激光器中，声光开关被用来控制脉冲重复率并保证激活介质的反转 粒子数密度充分饱和，g a a s 饱和吸收体则通过饱和吸收过程产生窄的激光脉冲。声 光和g a a s 双调q 激光之所以会得到这一结果，是因为使用半导体材料的单一被动调 q 激光往往产生和单一声光调q 形状相反的非对称脉冲，即脉冲前沿较慢而后沿较 快，因而当在谐振腔内同时使用这两种开关时，可将l d 泵浦的调q 脉冲的宽度进行 压缩并获得形状对称的窄脉冲。因此双调q 激光器有着更为广泛的应用前景。 二、速率方程理论 1 9 6 3 年，a a v u y l s t e k e 5 6 和w g w a g n e r 5 7 首先给出了描述快速调q 机 理的速率方程组，用两个方程分别描述腔内光子数密度和激活介质翻转粒子数密 度随时间变化。之后，a s z a b o 等人给出了被动调q 激光的速率方程组，用第三个 方程来描述饱和吸收体粒子数密度随时间的变化 5 8 - 6 0 。到目前为止，该方程组 已被广泛引用和适当修正 8 ，6 1 - 6 4 。在上述这些文献中，速率方程均采用了平面 波近似，即假定泵浦光分布、腔内光子数密度分布及饱和吸收体的恢复都是均匀 的。z h a n g 等在用速率方程研究调q 激光运转特性时，考虑了腔内光子数密度的高 斯空间分布，研究表明理论计算值比平面波近似时更接近实验结果 6 5 - 6 9 。2 0 0 6 年以来，l i 等根据全固态调q 激光的运转特性，考虑腔内光子数密度的高斯空间 分布，并且对于声光调q 开关考虑其开关时间，分别建立了掺c r 4 + 饱和吸收体被 动调q 、g a a s 被动调q 以及声光主动调q 等单调q 激光器的归一化速率方程新 4 山东大学硕士学位论文 模型；建立了声光一掺c r 4 + 饱和吸收体和声光- g a a s 双被动调q 等双调q 激光器 的归一化方程新模型；运用新的速率方程模型对以上几种全固态调q 激光的脉冲 能量、峰值功率及脉冲宽度等输出特性做了优化研究 1 4 - 1 9 。 三、激光输出特性的最佳化 激光输出特性的最佳化就是找出激光器的各种最佳参数，从而使得激光器具 有最大的输出能量，或者具有最高的脉冲峰值功率，或者具有最小的脉冲宽度。 近年来，人们在激光输出特性最佳化方面做了大量的研究工作 2 - 1 3 ，d e g n a n 对 被动调o 激光 8 和快开关主动调q 激光的输出能量进行了最佳化 9 ；x i a o 又进 一步在考虑饱和吸收体的激发态吸收情况下对被动调q 激光进行了最佳化 1 2 ； z h a n g 等人对染料被动调q 激光 6 和掺c r 4 + 饱和吸收体被动调q 激光进行了最佳 化【1 l 】；l i 等人又对主动调q 激光的脉冲峰值功率进行了最佳化 1 3 】。之后，“ 等人运用新的速率方程模型对全固态调q 激光的运转特性进行了理论分析，考虑 腔内光子数密度的高斯空间分布，并且对于声光调q 开关考虑其开关时间，分别 研究了掺c r 4 + 饱和吸收体被动调q 、g a a s 被动调q 以及声光主动调q 等单调q 激光器的脉冲输出特性；研究了声光一掺c r 4 + 饱和吸收体和声光g a a s 双被动调 q 等双调q 激光器的脉冲输出特性；对以上几种全固态调q 激光的脉冲能量、峰 值功率及脉冲宽度等输出特性做了最佳化研究，并在实验中得到验- h 正 1 4 - 1 9 。 四、本论文的研究内容 本论文运用l i 等人建立的声光g a a s 主被动双调q 激光器归一化速率方程 模型对声光。g a a s 双调q 激光峰值功率和脉冲宽度的输出特性做了最佳化研究， 并且对上述模型做了修改，运用此模型对电光g a a s 双调q 激光的脉冲能量、峰 值功率及脉冲宽度等输出特性进行最佳化的研究，得出了其在输出特性最佳化条 件下的关键性能参数，并在实验中得到验证。得出的最佳化参数对全固态调q 激 光器的设计具有重要的参考价值。 5 山东大学硕士学位论文 第二章 声光一g a a s 双调q 激光器的最佳化 l d 泵浦调q 激光器能产生具有高峰值功率、高重复率的窄脉冲，这种脉冲在 信息存储、遥感探测、激光通讯、医疗卫生等领域有着广泛的应用。近年来，人 们对l d 泵浦n d ：y v m 晶体、单一调q 7 0 7 2 和c r 4 + ：y a g 被动调q 2 6 2 8 激光特 性都进行了一定的研究。张小洁等人于1 9 9 2 年利用平面波近似下的速率方程首次 对n d = y a g 晶体、声光一染料双调q 激光进行了理论和实验研究 7 3 ，研究表明双 调q 激光比单一声光调q 可获得更窄的脉冲。l i 等 1 3 在对l d 泵浦n d = y v 0 4 晶体、 声光和g a a s 双调q 激光的脉宽压缩特性进行实验研究时发现，双调q 激光不仅能 产生比单一声光或g a a s 调q 激光都窄的脉冲，而且获得的脉冲形状对称，从而将 单一声光调q 产生的非对称脉冲形状( 较陡的前沿以及较慢的后沿和长长的拖尾) 进行改善并得到脉宽小于1 0 n s 的窄脉冲。 本章运用l i 等人建立的声光g a a s 双调q 激光器归一化速率方程模型对声 光g a a s 双调q 激光脉冲峰值功率和脉冲宽度的输出特性做了最佳化的理论和实 验研究；给出了其最佳性能参数与激活介质、g a a s 饱和吸收体、光子数空间分布 以及谐振腔的关系；测量了l d 泵浦声光g a a s 饱和吸收体双调qn d = y v o 。激光 在一定泵浦功率下不同输出镜反射率、不同g a a s 饱和吸收体小信号透过率的脉冲 峰值功率，并对实验结果与理论结果进行了比较；最佳化结果与实验结果相符。 第一节声光g a a s 主被动双调q 激光脉冲峰值功率最佳化 声光( a o ) 调制器 7 4 被广泛用于主动调q 开关，g a a s 饱和吸收体则被经常 用于被动调q 开关。声光( a o ) 晶体主动调q 激光器可以输出高功率、高重复率 的稳定脉冲，而g a a s 饱和吸收体被动调q 激光器可以比声光调q 激光器产生更窄 的脉冲，但其重复率却不甚稳定且脉冲峰值功率较低。 本节首先讨论了g a a s 对1um 处激光的吸收跃迁过程。其次在理论分析中， 运用l i 等人建立的声光g a a s 主被动双调q 激光器归一化速率方程模型，得到了 主被动双调q 激光器的峰值功率最大化时的最佳化性能参数与激活介质、饱和吸 收体、声光开关、泵浦功率以及泵浦光与激光的模式大小的比值等参数的关系， 6 山东大学硕士学位论文 并画出了它们之间的关系曲线，并且将这些曲线与在主被动双调q 激光器能量最 佳化时所得曲线进行了对比分析。利用这些表达式和关系曲线，我们可以预测其 脉冲特性并可用来设计最佳的主被动双调q 激光器。最后测量了l d 泵浦声光一 g a a s 饱和吸收体主被动双调qn d - y v 0 4 激光在一定泵浦功率下不同输出镜反射率、 不同g a a s 饱和吸收体小信号透过率的脉冲峰值功率，并将实验结果与理论结果进 行了比较，最佳化理论结果与实验结果相符。 一、g a a s1i lm 处激光的主要吸收过程 1 单光子 f i g 2 1t h ee n e r g y l e v e ld i a g r a mo fg a a ss a t u r a b l ea b s o r b e r 图2 1 为g a a s 的能级示意图。g a a s 能带间隔1 4 2 e v ，远高于1 0 6pm 波长的 光子能量。g a a s 之所以能够吸收1 0 6l lm 的激光，是由于光离子化产生的深能级 ( e l 2 ) 的作用，使离子化势阱数量产生变化 7 6 ，在非掺杂样品中，这种深能级 是由原料缺陷产生的，一般位于导带下0 8 2 e v 处。进一步研究发现，g a a s 的深能 级e l 2 实质上是一个二能级结构，即中性的e l 2 0 能级和e l 2 0 能级上的粒子发射电 子后形成的带正电的e l 2 + 能级 7 7 。当g a a s 样品受到1 0 6i jm 波长的激光辐射时， 位于e l 2 + 能级上的粒子将吸收光子，从价带捕获电子跃迁到中性的e l 2 0 能级上， 在价带生成一带正电的空穴；同时位于e l 2 0 能级上的中性粒子也将吸收光子，发 射电子到导带，从而跃迁到带正电的e l 2 + 能级上，由于e l 2 0 的吸收截面远大于e l 2 + 的吸收截面 7 8 ，所以g a a s 吸收跃迁的结果是e l 2 0 能级上的粒子数越来越少，而 e l 2 + 能级上的粒子数越来越多，当e l 2 + 上的粒子数约等于e l 2 缺陷能级总的粒子数 密度时，可以认为e l 2 0 能级上的中性粒子全部跃迁到了e l 2 + 能级，吸收趋于饱和。 7 山东大学硕士学位论文 所以，g a a s 的