（光学专业论文）全固态高功率nd：yag激光器及其二次与四次谐波产生的研究.pdf

捅晏 与传统的激光器相比，激光二极管( l d ) 泵浦的全固态激光器具有重量轻、效率高、 结构紧凑、光束质量高、使用寿命长、维护费用低廉等一系列优点使其逐步替代气体、 染料等激光器而在军事、工业、医疗、科研以及通讯等领域有着广泛的应用。利用非线 性频率变换技术，使近红外的光波变频后产生的激光拓展了激光器在实际中的应用领 域。如5 3 2 n m 的激光在激光医学、激光显示方面有着广阔的应用前景；而波长更短的 2 6 6 n m 紫外激光器在精密材料加工、光刻、光印刷等领域则有着独特的优势。 本论文的主要工作如下： 1 从理论上分析了多向侧面泵浦激光介质中泵浦能量的分布情况，模拟不同泵浦结 构下泵浦光强在介质中的分布。并以三向泵浦为例，建立热传导方程并对激光介质内的 温度分布情况进行模拟。再根据温度梯度与热透镜焦距的关系，得出热焦距随泵浦功率 的变化曲线，并介绍了对热透镜效应进行补偿的方法。最后从侧面泵浦情况下泵浦光与 振荡光的交叠积分出发，计算了阈值泵浦功率、斜效率和输出功率随不同参数之间的变 化关系。 2 对几种常用的紫外非线性晶体的特性进行分析，比较各自的优缺点，并针对 c l b o 晶体与b b o 晶体，分析了负单轴晶体i 类临界相位匹配方式，讨论了不同晶体 的相位匹配角、有效非线性倍频系数以及角度相位匹配中存在的一些问题，在讨论晶体 允许角时，先利用级数展开的方法计算了晶体的允许角，又根据晶体自身的特点，分析 了在主平面内与垂直于主平面的平面内允许角的投影分量，经计算后得出这两种晶体 在平行于主平面的平面内允许角远远小于另一个投影分量，从而直接影响着相位匹配的 实现与输出的光束质量。最后介绍了c l b o 晶体的防潮措施。 3 分析了用于倍频的非线性晶体中的相位失配情况；在此基础上给出了平面波近似 下与高斯光束下倍频效率的表达式，并分析了倍频效率的影响因素；介绍了聚焦透镜的 选择方法；最后分析了非线性晶体温度变化对倍频效率的影响情况。 4 在对平一平直腔与平一凹直腔比较分析腔参数对系统稳定性影响的情况下，选择合 适的腔型和参数进行实验。首先对绿光生成系统进行调节，在腔长为2 6 5 m m 、电流为 4 5 a 、重复频率为1 7 k h z 时得到了最大输出功率为8 0 w 的稳定绿光输出。改变腔型， 在系统中引入布儒斯特镜对基频光进行分光，使其实现两路同时振荡，并在其中一路中 加入倍频晶体进行倍频，实现了绿光与基频光同时输出。在直腔的情况下，选择合适的 聚焦透镜焦距值后先用垂直切割的b b o 晶体进行四倍频实验，在泵浦电流为3 3 2 a 时 获得了6 0 7 m w 的紫外光输出。然后用以布儒斯特角切割的c l b o 晶体分别进行了准连 续紫外实验，获得了7 1 w 的2 6 6 n m 紫外光。最后分析了c l b o 晶体的切割方式对四倍 频效率的影响。 关键词 温度分布，数值模拟，允许角，c l b o 晶体，b b o 晶体，二次谐波，四次谐波 a b s t r a c t l a s e rd i o d ep u m p e da l l - s o l i d s t a t el a s e r sh a v em a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sl i g h tw e i g h t ， c o m p a c t n e s s ，e f f i c i e n c y , g o o db e a mq u a l i t y , l o n gl i f et i m e ，a n ds oo n t h e yh a v eb e e na p p l i e d i nt h ef i e l d so fm i l i t a r y , i n d u s t r y , m e d i c a lt r e a t m e n t ，r e s e a r c ha n dc o m m u n i c a t i o n ，a n dh a v e r e p l a c e dt h et r a d i t i o n a ll a s e r s ，l i k ed y e l a s e r , g a s l a s e r , a n ds oo n t h ea p p l i c a t i o no fl a s e rh a s b e e ne x p e n d e db yu s i n gt h en o n l i n e a ro p t i c a lf r e q u e n c yc o n v e r s i o nt e c h n o l o g y f o re x a m p l e ， 1 1 i 曲p o w e rs o l i ds t a t eg r e e nl a s e r sh a v ea t t r a c t e dm u c ha t t e n t i o ni nn u m e r o u sa p p l i c a t i o n s s u c ha sl a s e rm e d i c i n e ，l a s e rd i s p l a y , a n ds oo n t h eu l t r a v i o l e tl a s e r 谢t hs h o r t e rw a v el e n g t h h a st h eu n i q u es u p e r i o r i t yi np r e c i s i o nm a c h i n i n g ，l i t h o g r a p h y , h i g h r e s o l u t i o np r i n t i n g 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 na r ea sf o l l o w s ， 1 t h ei n t e n s i t yd i s t r i b u t i o no fm u l t i - s i d ep u m p e dl i g h th a sb e e na n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y , c o r r e s p o n d i n gt od i f f e r e n tp u m p i n gp a r a m e t e r s w i t l lt h et h r e e s i d ep u m p e dc o n d i t i o n , t h e h e a tc o n d u c te q u a t i o nh a sb e e nb u i l du p ，a n dt h et e m p e r a t u r ep r o f i l ei nt h eg a i nm e d i u mh a s a l s ob e e ns i m u l a t e d t h e nt h er e l a t i o nb e t w e e nt h et e m p e r a t u r eg r a d i e n ta n dt h et h e r m a lf o c a l l e n g t hh a sa l s ob e e nd i s c u s s e d ，a n dt h ec o m p e n s a t i o nm e t h o d so ft h et h e r m a lf o c a ll e n g t ha l e p r o v i d e d a tl a s t ，w ec a l c u l a t et h eo v e r l a pi n t e g r a lb e t w e e nt h ep u m p i n gl i g h ta n dt h e o s c i l l a t i n gl i g h t ，a n dd i s c u s st h ei n f l u e n c ef a c t o r so ft h et h r e s h o l dp u m p i n gp o w e ra n dt h e s l o pe f f i c i e n c y 2 i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ep r o p e r t i e so fs e v e r a lu vn o n l i n e a ro p t i c a lc r y s t a l sh a sb e e n s u m m a r i z e d ，a n ds o m ep a r a m e t e r so ft h en e g a t i v eu n i a x i a lo p t i c a lc r y s t a lh a sa l s ob e e n c a l c u l a t e d ，s u c ha sp h a s em a t c h i n ga n g l e ，e f f e c t i v en o n l i n e a rc o e f f i c i e n t , a n dd i s c u s s e ds o m e p r o b l e m si nt h ep r o c e s so fa n g l ep h a s em a t c h i n g t h e nt h em o i s t u r ep r e v e n t i v em e a s u r eo f t h ec l b o c r y s t a lh a sb e e nd i s c u s s e da sw e l l 3 t h et h e o r i e so fs e c o n d h a r m o n i cg e n e r a t i o nw i t ht h ep l a n ew a v ea p p r o x i m a t i o na n dt h e f o c u s e dg a u s s i a nb e a mh a v eb e e nd i s c u s s e d t h es e l e c t i o no ft h ef o c a ll e n g t ho ft h ef o c u s i n g l e n sh a sa l s ob e e np r o v i d e d i nt h ee n d ，w eh a v ea n a l y z e dt h ei m p a c t i o no ft h et e m p e r a t u r e c h a n g eo f t h en o n l i n e a rc r y s t a lo nt h ef r e q u e n c yd o u b l i n ge f f i c i e n c y 4 a f t e rc o m p a r a t i v ea n a l y z i n gt h ei m p a c t i o no ft h ec a v i t yp a r a m e t e r so nt h es y s t e m s t a b i l i t yo f b o t hp i a n o p i a n oc a v i t ya n dt h ep i a n o c o n c a v ec a v i t y , as e to fo p t i m a lp a r a m e t e r s f o r0 1 1 1 e x p e r i m e n th a sb e e ns e l e c t e d w et h e ne x p e r i m e n t a l l yd e m o n s t r a t eah i g l lp o w e r 5 3 2 n ma oq - s w i t c h e di n t r a c a v i t yf r e q u e n c yd o u b l i n gg r e e nl a s e rs y s t e mi nal i n e a rc a v i t y , a ti n c i d e n tp u m pc u r r e n to f 4 6a ，am a x i m u mq c w o u t p u to f8 0 wg r e e nl a s e ri sa c h i e v e d t h e nw ed e m o n s t r a t eac o m p l e xc a v i t yt h a tc a nm a k et h ef u n d a m e n t a lw a v ea n dt h e f r e q u e n c yd o u b l e dw a v eo s c i l l a t e ds i m u l t a n e o u s l y o nt h i sb a s i s ，a f t e rf o c u s i n gt h eg r e e n l a s e ri n t oat y p eip h a s e db b oc r y s t a l ，au vo u t p u ta t2 6 6 n mo f6 0 7 r o wh a sb e e n a c h i e v e dw i t ha l li n c i d e n tc u r r e n to f3 2 2 a c h a n g i n gt h ef o c a ll e n g t h ，a n du s et h ec l b o c r y s t a lt oc a r r yo i lt h ee x p e r i m e n t a tt h ep u m p i n gc u r r e n to f4 0 a ，w eg e ta7 1w 2 6 6 n m o u t p u tu s i n ga7 0 m mf o c a ll e n g t ho ft h el e n s f i n a l l y , w ea n a l y z et h ei n f l u e n c eo f t h ec u t t i n g w a y o ft h ec l b oc r y s t a lo nt h ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c y k e yw o r d s ：t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，a c c e p t a n c ea n g l e ，c l b o c r y s t a l ，b b oc r y s t a l ，s e c o n dh a r m o n i cw a v e ，f o u r t hh a r m o n i cw a v e 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人 允许论文被查阅和借阅。本人授权西北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、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息、研究所等机构 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库或其它相关数据库。 黧黧嚣用荔。一一 学位论文作者签名：垒丝 指导教师签名：i 型鱼 纪 朋年多月j2 日歹中年厂月2 卸 西北大学学位论文独创性声明 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，本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得西北大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 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：套奁 ? 加哆年占月72 日 西北大学博士学位论文 第一章绪论 激光的出现给很多领域带来了生机与活力，它是近代历史上的伟大发明之一。经过 不断的探索与开发，激光的泵浦光源由开始的闪光灯泵浦方式发展到了现在的激光二极 管泵浦，即全固态激光阶段，工作物质也由最开始的红宝石发展为如n d ：y a g 、n d ：y v 0 4 、 n d ：y l f 、n d ：g d v o 。等等很多种晶体。随着激光技术的不断成熟以及优质的非线性晶体 的不断出现，使激光发射的频率向很宽的范围拓展，覆盖了从中、远红外的几个微米到 2 0 0 n m 以下的深紫外波段，因此其应用范围也得到了极大的扩展，深入到科学研究、国 防、通讯、工业= ! j n - r 等多种领域。到目前为止，激光已在世界范围内基本实现产业化， 对人们的生产、生活产生了深刻的影响。 1 1 全固态激光器的发展历程 自从1 9 6 2 年第一个g a a s 激光二极管( l d ) 发明不久后，r j k e y e s 和t m q u i s t 就利 用它来泵浦固体激光介质c a f ：u 3 + ，实现了2 6 1 3l lm 激光输出，该装置被放在液氮中， 并且激光功率很低【l 】。因此在当时虽然已经认识到l d 代替闪光灯作泵浦源具有效率高、 寿命长和结构紧凑的特点，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 相关的研究报告很少。 7 0 年代后，c o n a n t 和r e n o 进行了l d 横向泵浦的实验研究，但该实验仍在低温环 境下进行，不利于实用化【2 1 。进入7 0 年代中期后，出现了几种新的固体增益材料，如 n d p 5 0 1 4 ( n p p ) ，但它的吸收峰在5 8 0 n m 附近，不在l d 发射波长的范围内，因此激光效 率只有7 e 3 】；另一种是l i n d p 4 0 1 2 ( l n p ) ，l d 泵浦时的阈值功率为1 2 m w ，运转在1 0 5 l - l m 和1 3 2 9 m 的波长上，可以得到2 m w 的输出功率 4 1 。另一方面，用波导结构代替块状结 构是另一个发展方向，波导激光器可以用光纤来实现，s t o n e 和b u r r u s 首先实现了光纤 芯径为3 5 9 m 、长为l c m 的光纤激光器【5 1 。虽然7 0 年代激光二极管的功率没有得到较大 的突破，但是d p s l 的研究在n d ：y a g 、新的激光增益介质和波导激光三方面得到了很 大的发展。 随着八十年代晶体生长技术分子束外延( m b e ) 、金属有机化学气相沉积( m o c v d ) 和化学束( c b e ) 的日益成熟以及量子阱( q 、聊和应变量子阱( s l q w ) 新结构的出现， 使激光二极管的阈值电流减小，连续或准连续激光器的功率有了明显的提高。1 9 8 4 年， l a i d i g 及其同事用分子束外延( m b e ) 作出应变层量子阱，从此l d 的功率和效率得到 了很大的提高，极大地促进了d p s l 的发展。k a n e 及其同事用l d 阵列泵浦整体腔 第一章绪论 n d ：y a g 实现了非平面环形光路激光器，如图1 1 所示【6 1 。k o z l o v s k y 及其同事用掺氧化 镁铌酸锂( m g o ：l i n b 0 3 ) 实现了腔外谐振倍频 7 】ol d 横向泵浦n d ：y a g 的实验是8 0 年 代初由a l l e w 及其同事和s m i t h 及其同事共同完成的，h a n s o n 于1 9 8 7 年用长脉冲的l d 横向泵浦n d ：y a g 得到1 0 6 1 m a 、2 1 w 的峰值输出1 8 1 。 f i g 1 1t h es c h e m a t i cd i a g r a m o fn o n - p l a n a rr m go p t i c a lp a t h 自上世纪9 0 年代中期到现在是激光器飞速发展的时期。由于各种支持技术的成熟， 特别是l d 冷却技术的突破性进展，全固态激光器逐渐向高功率、高质量方向发展，并 逐渐向实用化和产业化转型【9 1 。由于克服了半导体激光器输出功率和波长匹配等因素的 限制，l d 泵浦的全固态激光器在短短的二十多年的时间里得到了极大的发展，国内外 的科研人员对提高全固态激光器的输出功率做了大量的研究工作，将输出功率由毫瓦量 级提升到上万瓦的量级【1 0 ，i i , 1 2 , 1 3 】。同时，随着新晶体材料的诞生和高质量的非线性晶 体的出现，l d 泵浦全固态激光器波长的覆盖范围也得到了极大的发展，从2 0 0 r i m 以下 的深紫外激光到波长在几个微米的中红外激光器都应运而生。自此，全固态激光器的发 展方向进入了追求高功率与多波长运转的阶段。此外，如光纤激光器、自倍频激光器、 自调q 激光器等的出现也开创了激光器的新领域。 1 2 激光二极管泵浦几何介绍 我们将泵浦光从激光二极管列阵出射，经光学系统聚束，再按一定方式耦合进增益 介质内，与谐振腔的模体积成最大限度交叠的光路称为泵浦几何。实际上泵浦几何主要 指泵浦光束与激光束的交叠方式。目前大致主要分为三种：端面泵浦、测面泵浦和紧缩 折叠式泵浦，另外还有就是组合泵浦方式【1 4 】。不同的泵浦方式各有其优越性和局限性， 因此实际中我们要根据需要选择合适的泵浦几何结构。 1 光纤耦合激光二极管端面泵浦方式 2 西北大学博士学位论文 t h el a s e rd i o d em o d u l e 图1 2 光纤耦合端面泵清结构示意图 f i g 1 2t h es c h e m a t i cd i a g r a mo ff i b e rc , o u p l 踟l e n dp u m p e ds t r u c t u r e 光纤耦合端面泵浦结构的典型示意图如图1 2 所示。端面泵浦的情况下，泵浦光经 过耦合系统准直聚焦后耦合到工作物质中，空间分布较好，且容易实现基模运转，与振 荡光的空间交叠性很好，可以提高泵浦光与振荡光之间的空间模式匹配，并且在介质中 产生的温度梯度为纵向的，这样就大大降低了介质由热引起的畸变。以上这些特点使端 面泵浦时的激光阈值较低，斜效率高，输出光束质量更好，利用声光调q 时输出脉宽较 窄，但是缺点就是比较难以实现高功率的激光输出。而对于端面泵浦的情况而言，也分 为单端泵浦与双端泵浦两种方式，一般情况下单端泵浦的方式比较普遍，但相对于单端 泵浦而言，双端泵浦下增益介质对泵浦光的吸收更均匀，晶体内的温度梯度也随之变平 缓，这样就可以降低系统的热透镜效应，有利于获得更高功率的激光输出。如图1 3 所 示，田丰等人采用l d 双端抽运n d ：y v 0 4 晶体，z 型腔结构，i 类非临界相位匹配l b o 晶体进行二倍频，在泵浦功率为2 8 9 w 时，获得了8 w 的连续绿光输出，光一光转换效 率为2 7 7 t ”】。 l d f i b l qb e r n i 1 d ：4 f i b e r 。i 。 l 4 一 l b o 5 3 2n l i l m 4 o u p l c 巾叫曼旦 图1 3 双端抽运激光装置示意图 f i g 1 3t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fd o u b l e de n dp u m p e ds t r u e t t t r c 2 二极管阵列侧面泵浦方式 与端面泵浦不同，侧面泵浦时泵浦光的方向与振荡光正好垂直，即泵浦光从增益介 黟 第一章绪论 质的侧面进入激光晶体，因此导致了泵浦光与振荡光的空间交叠性差，使腔内容易产生 多模振荡，使输出光束质量下降，并且在声光调q 下输出脉宽较宽。但是侧面泵浦的方 式可以大幅度提高泵浦功率，有利于激光系统的高功率输出。侧面泵浦可以为单向、三 向、五向等等，对于棒状增益介质来说，相同泵浦功率下抽运组数越多，泵浦光在激光 棒内的分布也变得更均匀，晶体因吸收泵浦光能量而引起的热效应越小。因此对于高能 激光系统，一般采用环形抽运的办法，既能增加泵浦功率，又能使激光晶体内的泵浦光 能量分布更均匀。1 9 9 9 年，yh i r a n o 等人采用四向侧面泵浦n d ：y a g 棒、双棒串接技 术，利用简单的平一平腔结构，在泵浦功率为1 1 k w 时获得了2 0 8 w 的t e m o o 模激光输 出，电光和光光转换效率分别为7 9 和1 8 9 t 1 6 】。2 0 0 2 年，s u n g m a nl e e 等人利用三 向侧面泵浦n d ：y a g 激光棒，得到了5 0 0 w 的激光输出，光光转换效率和斜效率分别 为4 6 7 和4 9 【17 1 。 3 紧缩折叠式泵浦 图1 4 为典型的紧缩折叠式泵浦结构示意图。它既可以实现高功率运转，又能保证 良好的输出光斑模式。其中激活介质中的z 形光路使阵列中各个激光二极管的辐射与腔 内振荡模式的交叠达到最大值，这样的设计使晶体中具有很大的热分布范围。 图l ，4 紧缩折叠式泵浦结构示意 f i g 1 4t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f c o n t r a c t f o l d e dp u n p i n gs t r t l c t u r c 4 端、侧面结合的组合泵浦方式 由以上的分析可知，激光二极管端面抽运与侧面抽运这两种方式各有其优势与劣 势。为了克服缺点而最大限度地发挥它们各自的优点，其中的一个办法就是采用组合泵 浦的形式 1 8 】。如图1 5 所示，激光二极管组合抽运的方式是将端面抽运和侧面抽运组合 起来共同作用于工作物质的一种抽运方式，它兼顾了端面抽运和侧面抽运的优点，既能 发挥侧面抽运下可以显著提高抽运功率、增大模体积而实现高功率输出的特点，又能兼 4 西北大学博士学位论文 顾端面抽运下泵浦光与振荡光空间交叠模式好、可以提高转换效率和光束质量的优点。 ；nd|：yine l d 觚o u l 醛 tl e n s jx l ll ， l。| i ， 芝 li y l i n el d 图1 5 组合抽运泵浦结构示意图 f i g 1 5t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fc o m b i n e dp u m p i n gs t r u c t u r c 1 3 高功率全固态激光器的进展情况 提高激光器的输出功率是近年来世界范围内激光器研究的热点，而且也代表着一个 国家激光水平的高低情况。1 9 9 2 年，美国l u 儿实验室首次研制成功了千瓦级全固态 n d ：y a g 激光器。1 9 9 6 年，k o j iy a s u i 利用闪光灯泵浦n d ：y a g 激光棒、双棒串接技术， 在泵浦电功率为1 8 4 k w 时，得到了5 0 0 w 连续运转的激光输出【l9 1 。1 9 9 9 年，日本东芝 公司研制出了3 3 k w 的全固态连续运转n d ：y a g 激光器 2 0 1 ，并在2 0 0 2 年又取得了更大 突破，报道了世界上输出功率最高的1 1 3 k w 的全固态激光输出【2 。 随着基频光功率的不断提高和二次谐波技术的日渐成熟，全固态绿光激光器的输出 功率也不断提高。1 9 9 4 年，美国的s p v e l s k o 等人利用l d 泵浦电光调q 板条状n d ：y a g 激光器，经k t p 晶体倍频后，在基频功率2 0 0 w ( 重复频率2 5 k h z 、脉宽3 0 n s ) 时获得 了近1 0 0 w 的绿光输出【2 2 】。1 9 9 6 年，法国的b j l eg a r r e c 等人利用l d 侧面泵浦n d ：y a g 晶体，z 型折叠腔、声光调q 技术，k t p 晶体进行腔内二次倍频，在重复频率为2 7 k h z 、 泵浦功率为7 0 0 w 时，获得了1 0 6 w 的绿光输出，电光转换效率为5 4 【2 3 1 。1 9 9 8 年， 美国的e r i cc h o n e a 等人利用端面泵浦n d ：y a g 晶体，双声光调q 、v 型腔结构，k t p 晶体腔内倍频，得到了1 4 0 w 的绿光输出【2 4 1 。2 0 0 4 年，韩国的j o n g h o o n y i 等人采用l d 侧面泵浦n d ：y a g 激光棒，声光调q 技术，利用z 型折叠腔，k t p 晶体腔内倍频，在 泵浦功率为3 9 8 w 时，获得了1 0 1 w 的绿光输出，光一光转换效率高达2 5 5 【2 5 】。2 0 0 5 年，日本的t k o j i m a 等人对l d 泵浦调q 的n d ：y a g 激光器聚焦后在腔外利用i i 类相 位匹配的l b o 晶体进行倍频，在基频光功率为1 3 5 0 w 、脉宽为4 7 n s 时，经谐波镜分光 后获得了4 0 0 w 的绿光输出【2 6 】。 5 第一章绪论 1 4 紫外激光器的应用领域及实现方法 1 4 1 紫外激光器的应用领域 激光的出现极大地推动了科学与技术等领域的发展，尤其是随着绿光技术的不断成 熟，近年来在世界范围内掀起了紫外到深紫外激光器研制的热潮。紫外激光器由于其波 长更短、能量更集中、分辨率更高等优点而在许多领域具有长波长激光器不能替代的优 势，使它在高分辨率光谱学、光数据存储、精密机械加工、光生物学以及医疗方面都有 广泛的应用 2 7 1 。例如在工业领域，功率在0 2 1 0 w 、脉宽在5 - 3 0 n s 、重复频率在1 5 1 0 0 k h z 的3 5 5 n m 调q 激光器可应用于立体光刻、硅片打标、硅片切割等领域；功率在o 5 2 w 、 脉宽在5 - 3 0 n s 、重复频率在1 5 1 0 0 k h z 的2 6 6 n m 调q 激光器可应用于钻探、打标、检 测、晶片加工等领域；而功率在0 2 4 w 、脉宽在1 0 p s 、重复频率在8 0 m h z 的3 5 5 n m 锁 模激光器在印刷电路板( r , c b ) 直接雕刻、印刷、f b g 的产生、箔切削等领域有广泛的 应用；对于连续激光器，功率在0 2 0 5 w 的2 6 6 n m 连续激光器可用于晶片切割、f b g 产生和d v d 光盘控制等1 2 8 1 。在光存储领域中，与波长为5 3 2 n m 、4 1 3 n m 、3 5 1 n m 的长 波长相比，2 6 6 n m 激光器由于波长更短、分辨率更高等优点可以更大限度地增加存储容 量。除此之外，紫外激光器还可以用在文物保护中，例如清洗绘画作品等。这是因为紫 外激光脉宽短，使得每个脉冲过程中只去掉一小部分物质，强度很高，于是可以保证材 料是以气态形式被清除出去的，这个过程称为烧蚀过程，这样就可以在不破坏原作的基 础上得到干净的表面，使画作得到清洗。在医学上，紫外激光器还可以用在眼科手术中， 由于其光束能量高、穿透性强和重复性好等特点，可以准确地切削角膜前层组织而对其 周围及深层组织没有影响，这种方法使患者在手术中没有痛苦且不需住院，己在治疗近 视眼的手术中被广泛应用。另外，全固态紫外激光器在大气探测和空间光通讯领域也有 着广泛的应用，而且在国家安全方面，用2 6 6 n m 激光器与计算机连接可以用来检测人手 与某物体相互接触后留下的痕迹。 1 4 2 紫外激光器的产生方式 对于波长更短的紫外光领域，多年以来都是以准分子激光器占据主导地位。早期， 紫外激光器的产生主要依靠于气体激光器，其中最为典型的要数x e c l 准分子激光器， 但由于其体积庞大、寿命短、维修困难等缺点从而限制了紫外激光器的应用领域【2 9 1 。随 着l d 泵浦全固态激光器的发展以及透光波段向紫外区展宽的优秀紫外非线性晶体的出 现，l d 泵浦的全固态紫外激光器由于综合了半导体激光器与固体激光器共同的优点而 在紫外波段大有取代准分子激光器的趋势。在全固态激光器中，为了获得更高的光子能 西北大学博士学位论文 量和更短的激光波长，人们采取了多种基于基频光频率上转换的办法来缩短激光输出波 长，其中最为有效的就是利用非线性晶体进行频率变换，而倍频技术是三波相互作用的 一个特例，也是频率变换技术中最为广泛的一种应用方式【3 0 1 。例如对于n d ：y a g 晶体， 可以采用1 0 6 4 n m 基频光与5 3 2 n m 倍频光和频的方式产生3 5 5 n m 紫外光【3 l 】，但要想得 到波长小于3 5 0 n m 的深紫外激光，则波长为2 6 6 n m 的紫外光成为了研究的一个关键， 如对于1 9 3 n m 的紫外光的产生【3 2 1 ，可以用2 1 0 0 n m 波长的光与2 6 6 n m 波长的光进行和 频得到；而波长更短的1 7 7 n m 紫外激光【3 3 1 ，则可以用1 0 6 4 n m 基频光与2 6 6 n m 四倍频 光和频而得到。也就是说2 6 6 n m 波长光决定着波长更短的紫外光的实现，因此国内外对 2 6 6 n m 激光的产生进行了广泛而深入的研究。下面就重点介绍利用非线性晶体进行倍频 产生2 6 6 n m 紫外激光的方法。 1 腔外二倍频与四倍频产生2 6 6 n m 激光 2 0 0 2 年，加拿大的a l a np e t e r s e n 等人采用双端泵浦n d ：y v 0 4 晶体、声光调q 、z 型折叠腔结构产生1 0 6 4 n m 基频光，经透镜会聚后采用l b o 晶体二倍频产生5 3 2 n m 绿 光，再经c l b o 晶体四倍频得到2 6 6 n m 紫外光，当绿光功率为2 8 w 时可以得到7 w 的 紫外光输出，实验装置见图1 6 【3 4 1 。 f i b e rc o u p l e d4 0 wb a r ( 2 ) 圈1 6 舭m 产生四次谐波结构示意图 f i g 1 5s c h e n 堪t i cd i a g r a m o f n d ：y v 0 4 f o u r t hh a r m o a i cs y s 【t a o a 1 9 9 6 年，日本的m i c h i oo k a 等人采用l b o 晶体对一台输出功率为6 w 的调 q n d ：y a g 激光器进行腔外二倍频，并采用环形腔以b b o 晶体进行四倍频得到1 5 w 的 2 6 6 n m 输出和0 4 w 的2 1 3 n m 紫外激光输出，见图1 7 【3 5 1 。 7 第一章绪论 f i g 1 7t h ei n s t a l l a t i o nd i a g r a mo ft h ee x p e r i m e n t 如图1 8 所示，德国的u s t a m m 等人采用二极管泵浦电光调q 的n d ：y a g 激光器 ( 输出功率1 0 w 、单脉冲能量1 0 m j 、脉宽1 3 n s ) ，在腔外用l b o 晶体二倍频产生4 8 w 、 单脉冲能量4 8 m j 、脉宽1 2 n s 的绿光输出，再经c l b o 晶体四倍频得到平均功率2 2 w 、 单脉冲能量2 2 m j 、脉宽1 0 n s 的2 6 6 n m 紫外激光输出【3 6 。 ， l 黼掣卜r - r _ d 囤一w a l a 1 + l o w , l o m j4 8 w ，4 8 m j2 2 w ，2 2 m j 1 3 n s 1 2 n s1 0 n s 圈1 8 二极管泵浦基于n d ：y a g 激光器的2 6 6 n m 激光光源示意图 f i g 1 8s c h e m a t i co ft h ed i o d e - p u m p e dn d ：y a gl a s e rb a s e d 2 6 6 n ml i 咖s o u r c 圮 2 腔内二倍频、腔外四倍频产生2 6 6 n m 激光 产生2 6 6 n m 紫外光的另一种方法就是腔内二倍频产生绿光、腔外四倍频产生紫外 光。腔外倍频的方式又有所不同，其中对于连续紫外光的产生，一般是先用一个谐振腔 产生连续绿光，然后采用行波腔形成外腔振荡来产生2 6 6 n m 紫外光。如1 9 9 9 年，英国 的a n g u ss b e l l 等人采用单频5 3 2 n m 连续光，在腔外又搭建一个八字环形腔，并用布 儒斯特角切割的b b o 晶体来对绿光进行倍频，当绿光功率2 w 时，获得了约6 6 r o w 的 不稳定紫外输出，在非线性晶体内部的转换效率高达5 0 ，而当绿光功率为5 w 时， 2 6 6 n m 紫外光功率高达1 5 w 。其腔型结构和输出功率曲线如图1 9 和图1 1 0 所示【3 7 】。 西北大学博士学位论文 2 警1 5 o 量1 a 暑o 5 目 暑0 f i g 1 9t h ei n s t a l l a t i o nd i a g r a mo fe x p e r i m e n t i - i i1 7 “”一 jr 。，i ， ，| 一l、 n 。oo v e r d ii n p u tp o w e r w 图1 1 0 紫外输出功率随绿光功率变化关系圈 f i g 1 1 0e x p e r i m e n t a l l yo b s e r v e du vo u t p u tp o w e fa s & f u n c t i o no f g r e e n p u m pp w e r t h ec u i v es 既v c 8a sag l l i d et ot h ee y e 2 0 0 4 年，日本的j u ns a k u m a 等人采用八字环形外腔振荡的方法，以布儒斯特角切 割的c l b o 晶体( 长分别为1 0 m m 和1 5 r a m ) 对5 3 2 n m 连续光进行倍频，在注入功率为 9 6 w 时，用长度为1 5 m m 的晶体获得了5 w 的紫外输出。图1 1 1 和图1 1 2 为实验光路 示意图和输出功率曲线【3 8 1 。 图1 1 1 实验装置图 f i g 1 11t h ei n s t a l l a t i o nd i a g r a mo fe x p e r i m e n t 9 第一章绪论 5 3 2 n mi n p u tp o w e r w 图1 1 22 6 6 n m 激光输入输出特性曲线 f i g 1 1 2i oc h a r a c t e r i s t i c so f 2 6 6 n mg e n e r a t i o n 对于脉冲或准连续的紫外激光，通常是采用腔内二倍频的方法产生脉冲或准连续的 绿光，后经聚焦透镜聚焦后直接将绿光入射到紫外非线性晶体中进行四倍频。2 0 0 2 年， 日本的t e t s u ok o j i m a 等人采用双棒串接n d ：y a g 激光器、单声光调q 技术、l b o 二 倍频，并采用l 型腔结构，在总泵浦功率为8 0 0 w 时获得了1 3 8 w 的绿光输出，光一光 和电一光转换效率分别为1 7 3 和7 9 ，m 2 因子为1 1 。经透镜会聚后，采用垂直切割的 c l b o 晶体在腔外进行四倍频，当注入绿光功率为11 0 w 时，获得2 3 w 紫外光输出，相 应的绿光紫外转换效率为2 0 9 3 9 】。 2 0 0 6 年，中科院物理所g u i l i n gw a n g 等人将输出功率为1 2 0 w 、脉宽8 0 n s 、重复频 率1 0 k h z 的绿光激光器在腔外进行四倍频，获得了2 8 4 w 的紫外输出，转换效率为 2 4 7 4 0 1 。 1 5 全固态2 6 6 n m 紫外激光器的进展情况 1 5 1 国外研究进展 在绿激光技术的日益成熟和高质量紫外非线性晶体出现的基础上，研究人员对于全 固态紫外激光器进行了大量的研究。对于连续紫外激光器，早在1 9 9 5 年，日本的m i c h i o o k a 等人用l d 端面泵浦n d ：y a g 的形式，采用“z ”型腔结构，通过腔内倍频k t p ，当 泵浦功率为1 7 3 w 时，获得3 5 w 的基模5 3 2 n m 的连续绿光输出，转换效率为1 4 ，再 将绿光入射到8 字环形腔内进行四倍频实验，并采用b b o 作为四倍频晶体，当注入绿 光功率为2 9 w 时，获得了1 5 w 以上的紫外光输出，绿光紫外的转换效率高达5 4 ， 若考虑1 0 的耦合损失、8 的输出镜损失、8 的b b o 晶体表面镀膜的损失，则内部 转换效率高达7 0 f 4 1 1 。2 0 0 4 年，j u ns a k u m a 等人采用外腔振荡法对布儒斯特切割的 c l b o 晶体进行四倍频，获得5 w 的2 6 6 n m 连续深紫外激光输出( 对应的晶体内的功率 1 0 西北大学博士学位论文 为6 1 、聊，此时注入绿光功率为9 6 w ，相应的转换效率达到6 1 8 t 4 2 1 。2 0 0 6 年，日本 的t h o m a ss i i d m e y e r 等人报道了通过光纤主振放大系统产生的2 4 w 单频1 0 6 4 n m 激光 四倍频产生1 2 w 的2 6 6 n m 连续深紫外激光的输出【4 3 1 。文中采用n p r o 主振器和风冷掺 镱光纤放大器产生了2 4 w 的线性偏振单频1 0 6 4 n m 激光输出，光束质量因子m 2 8 8