（光学专业论文）高功率ld侧泵准连续腔内倍频全固体绿光激光器研究.pdf

摘要 摘要 全固体激光具有能量高、寿命长、方向性好、单色性和相干性强等特点，己 成为国际激光产业新的开发及应用热点。本论文以“l d 侧面泵浦腔内倍频全固 态准连续绿光激光器”为研究中心，对激光工作物质内增益分布特性、温度分布 特性、热透镜效应、热致双折射效应的原理及特点进行了研究；研究了大功率全 固体激光谐振腔的动态特性；对采用内腔倍频方式工作的“l d 侧面泵浦双棒串 接腔内倍频全固态准连续1 8 5 w 绿光激光器”进行了系统的实验研究，并对其实 现产品化进行了理论分析和实验研究。论文工作的主要成果如下： 1 、回顾了全固态激光器的发展过程，综述了国内外绿光激光器的研究进展。 2 、为发展大功率全固体绿光激光器，这里回顾了全固体激光器的理论基础。 基于速率方程理论，对于侧面泵浦腔内m 个横模振荡的稳态方程进行了研究； 通过对激光二极管泵浦的全固态主动调q 脉冲激光器速率方程的分析，讨论了 影响脉冲激光器输出能量、峰值功率、脉冲宽度及波形的因素。介绍了声光调q 原理及器件的基本结构。利用非线性光学耦合波方程，讨论了非线性晶体受基波 辐射极化产生二次谐波以及和频产生的机理。分析了影响激光器倍频效率的主要 因素。 3 、分析了侧面泵浦激光介质中的温度分布，研究了引起热透镜效应的几种因 素，给出了大功率泵浦条件下的热透镜焦距随泵浦电流的变化趋势。研究了固体 激光棒中的热应力分布，应力双折射的起因及其补偿方案。针对实验目标和实验 条件，研究了适于大功率运行的激光谐振腔结构及其稳定性，讨论了双棒串接v 型折叠腔的像散及其控制问题。 4 、从理论上研究了腔内倍频非线性晶体的热效应。利用a b c d 传输矩阵，在 模式匹配以及像散补偿的原则下，对于折叠腔的动态特性以及像散因素进行了分 析。通过优化谐振腔参数，使谐振腔具有热透镜不敏性，有效地控制了折叠腔具 有的像散。针对实验目标和实验条件，选用声光调q 开关，采用i i 类临界相位 匹配h g t r k t p 腔内倍频，在实验中得到平均功率达9 6 w 的脉冲绿光输出，测 量了绿光输出的波形及脉冲宽度。 摘要 5 、采用传输矩阵从理论上研究了具有双热透镜的v 型固体激光腔。分析了 谐振腔在高功率运行时的动态特性，设计了一个能够稳定工作于更宽泵浦电流范 围内的谐振腔。实验中采用两个l d 侧面泵浦模块、i i 类临界相位匹配h g t r k t p 晶体腔内倍频、双声光调q 技术，在两个半导体模块泵浦电流均为2 1 6 a 时，获得了1 8 5 2 1 w 准连续绿光激光输出，2 小时内输出不稳定度小于2 5 5 。 对所开发的大功率绿激光的进行了实际应用研究，通过单光纤耦合输出技 术，采用高损伤阈值单芯光纤激光耦合输出模块，引导光纤输出绿光激光平均功 率高于1 2 0 w ，对动物组织进行了试验，为在相关领域中开发医用激光技术打下 了基础。 关键词： 激光二极管侧面泵浦：双棒串接：内腔倍频：准连续：热效应：模式匹配： 谐波转换效率：声光调q ： 摘要 a b s t r a c t a 1 1 s o l i d s t a t el a s e rh a sb e e nan e wr e s e a r c hd e v e l o p sa n da p p l i e si nt h ei n t e m a t i o n a l1 a s e r i n d u s t 秽b e c a u s eo fi t s c h a r a c t e r i s t i c so fh i g he n e 唱ml o n gl i f e - t i m e 。w e l l - o r i e n t a t i o n ，g o o d m o n o c h r o m a t i c i t va n dc o h e r e n c e t h ed i s s e n a t i o ni sa r o u n dt h es t u d vo n“t h e q u a s i - c o n t i n u o u s - w a v e ( q c w ) g r e e nb e 锄g e n e r a t i o nb yi n t r a - c a “t y - f r e q u e n c y d o u b l i n go f d i o d e s i d e p u m p e d ，t h i sd i s s e r t a t i o ne l a b o r a t e l yi n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r i s t i co fg a i nd i s t r i b u t i o n ， t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n 。t h e n n a ll e n se f i e c ta n dt h e m a lb i r e f r i n g e n c ee f 艳c t ，a n dt h ed y n 锄i c c h a r a c t e r i s t i c so ft h er e s o n a t o ri sa l s od i s c u s s e d i na d d i t i o n t h et h e o r e t i c a la n a l v s i sa n d e x p e r i m e n t a l r e s e a r c ho n q u a s i - c o n t i n u o u s - w a v e( q c w )g r e e n b e a m g e n e r a t i o nb y i n t r a - c a v i t y f r e q u e n c y d o u b l i n go fd i o d e - s i d e - p u m p e ds o l i d s t a t e l a s e r i nat w o - r o dv - s h 印e d c a v i t va r ed e m o n s 仃a t e d i n c l u d i n gt h ei n d u s t r i a l i z a t i o n t h em a i nc o n t e n to ft h i sd i s s e r t a t i o nc a n b eo u t l j n e da s ： 1 t h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fa l l s 0 1 i d s t a t el a s e r si sr e v i e w e d ，a n dt h er e c e n tr e s e a r c he v o l m i o n o fl dp u m p e ds 0 1 i d s t a t eg r e e nl a s e r sh a sb e e ns u m m a r i z e da th o m ea n da b r o a d 2 t h et h e o r e t i c a lb a s i so fa 1 1 s o l i d s t a t el a s e r si sr e t r o s p e c t e dt od e v e l o ph 堙hp o w e r s o l i d s t a t eg r e e nl a s e r t h es t e a d ys t a t ee q u a t i o n so fm t r a n s v e r s e m o d eo s c i l l a t i n gi n d i o d e s i d e - p u m p e dl a s e r sa r ei n v e s t i g a t e db a s e do nt h et h e o do fr a t ee q u a t i o n t h ef a c t o r s ，w h i c h w o u l di n n u e n c eo nt h ea v e r a g eo u t p u te n e 曙y ，p e a kp o w e r ，p u l s ew i d t ha n dw “e f o r m so f d p s s l ，a r ed i s c u s s e dt 虹o u g ha n a l y z i n gt h er a t ee q u a t i o no fa c t i v e - q s w i t c h e dp u i s e dl a s e r p u m p e db vd i o d el a s e r t h ep r i n c i p l ea n db a s i cs 仃u c t u r eo ft h ea c o u s t o o p t i cm o d u l a t o ra r ea l s 0 i n t r o d u c e d t h ep r i n c i p l e so ft h es e c o n dh a n l l o n i cg e n e r a “o ni nt h en o n l i n e a rc r y s t a lp o l a r i z e db y t h ef u n d 锄e n t a lw a v ea n dt h es u mf r e q u e n c yg e n e r a t i o nh a v eb e e ns t u d i e d 3 t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni nt h el a u s e rm e d i u mp 啪p e db yd i o d e - 1 2 l s e ri sa n a l y z e d s e v e r a l f a c t o r sl e a d i n gt ot h e 咖a ll e n se f 艳c ta r ei n v e s t i g a t e da n dt h ec h a n g i n gt r e n do ft h e m l a lf o c a l 1 e n 昏hv e r s u sp u m p i n gc u r r e n ti sp r e s e n t e du n d e rt h ec o n d i t i o no fh i g hp o w e r l a s e r t h et h e m a l s t r e s s ，a sw e l l 雒i t sd i s t n b m i o ni nt h el a s e rr o d ，t h ef o m i n gr e a s o na n dt h ec o r r e s p o n d j n g c o m p e n s a t i o nm e t h o d ，i sd i s c u s s e d a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lo b j e c t i v ea u l dt h ec o n d i t i o n s a v a i 】a b l e ，t h ec a v i t yc o n f j g u r a t j o na n dt h es t a b i l i t ys u i t a b l ef o rh i g hp o w e ro p e r a t i o nj sr e s e a r c h e d a n dt h ea s t i g m a t i s m ，i n c l u d i n gt h ec o m p e n s a t i o ni nt h em o - r o dv - s h a p e dc a v i 以i sa l s o d j s c u s s e d 4 t h e o r e t i c a lr e s e a r c ho nt h et h e r m a le a e c to ft h en o n l i n e a rc r y s t a l i nt 1 1 ep r i n c i p l e o fm o d em a t c h i n 2a n da s t i g m a t i cc o m p e n s “o n 。t h ed v n 锄i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h e t h r e em i l l r o rf 0 1 d e dc a v i t ya 1 1 dt h ea s t i g m a t i s mf a c t o r sa r ea n a l y z e dt 1 1 r o u g ha b c d 把a 1 1 s f e rm a t r i x b vt h eo p t i m i z a t i o no ft h ec a v i t yp a r 锄e t e r s ，t h er e s o n a t o ri st h e m l a l i n s e n s i t i v e ，w h i c hc o n t r o l l e dt h ea s t i g m a t i s me x i s t i n gi nt h ef 0 1 d e dc a v i t y a c c o r d i n gt o t h ee x p e r i m e n t a lo b i e c t i v ea n dt h ec o n d i t i o n sa v a i l a b l e ，9 6 wp u l s e dg r e e nl a s e ri so b t a i n e db y a c o u s t i c - o p t i c a lq - s w i t c h e di n t r a - c a v i t ) ，f r e q u e n c yd o u b l i n gw i t hah g t r k t pc 拶s t a l ( t ) ，p e i i c r i t i c a lp h a s e m a t c h i n g ) t h ew a v e f o r ma n dt h ep u l s ew i d t ha r em e a s u r e d 摘要 5 t h ev - s h a p e dc a v i t yw i t hd u a l t h e m a l l e n si si n v e s t i g a t e dt h e o r e t i c a l l yt h r o u 曲戗a n s f e r m a t n x t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f t h er e s o n a t o ro nh j g hp o w e rc o n d i t i o n si sa n a l v z e da n dt h e r e s o n a t o ro p e r a t i n gi naw i d e rr a n g eo fp u m p i n gc u r r e n ti sd e s i g n e d i nt h ee x p e r i m e m 。t w ol d s i d e p u m p e dm o d u l e s ，i n t r a c a v i 砂f r e q u e n c yd o u b l i n gw i t hah g t r - k t pc 叫s t a l ( t y p ei i c r j t i c a l p h a s e - m a t c h i n g ) a 力dd u a 】- q s w i t c h e dt e c h n o j o g y a r e a d o p t e d i nt h e e x p e r i m e n t ， 18 5 21w q u a s i - c o n t i n u o u s w a v e ( q c w ) g r e e n 】a s e ri so b t a i n e dw h e nt h ep u m p i n gc u r r e n to f e a c hd i o d e l a s e rm o d u l ei s21 6 a a n dt h ei n s t a b i l 时i sl e s st h a l l2 5 5 w i t h i n2h o u r s t h ep r a c t i c a l 印p l i c a t i o no fh i g h p o w e rg r e e nl a s e rh a sb e e ns t u d i e d b yu s i n gt h es i n g l e o p t i c a lf i b e rc o u p l i n go u t p u tt e c h n i q u e ，w ea d o p th i g hd 锄a g et h r e s h o l do u t p u tc o u p l i n gm o d u l e o fs i n g l ef i b e rl a s e rt oe x t r a c tt h eg r e e n1 a s e ro u t a n dt h eo u t p u tp o w e ri sm o r et h a n12 0 w t h e n w e 印p l i e di to nt h ea n i m a lt i s s u e sf o re x p e r i m e n t ，w h i c hp r o v i d e sab a s i sf o rt h ed e v e l o p m e n to f m e d i c a ll a s e rt e c l l l l o l o 黟 k e yw o r d s ：d i o d e s i d e p u m p e d ，i n t r a - c a v j 够f r e q u e n c y d o u b l i n g ，q u a s i c o n t i n u o u s w a v e ， g a i n d i s t r i b u t i o n ， t h e r m a l e f ! f 色c t ， m o d e m a t c h i n g 。 h a n n o n i c g e n e r a t i o ne 两c j e n c y ， a c o u s t i c o p t i c a lm o d u l a t i o nd e v i c e ，q s w i t c h e d 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。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 魄乏釜耸指导教师签名：徨盈盈 多阳g 年f 月7 日2 矽莎年月，d 日 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：厣氰治件 矽口8 年月7 日 第一章绪论 第一章绪论 早期人们是从气体和液体激光器上获得绿色激光的，但是这些激光器都存 在着诸如设备体积庞大、电光转换效率低、寿命短和稳定性差等影响实际应用的 问题。固态激光器是指用半导体激光器( l d l d a ) 代替气体放电灯泵浦的固体激 光器。它集两种激光器的优势于一体，具有效率高、体积小、寿命长、可靠性高、 结构牢固、光束质量好、输出谱覆盖宽、输出强度动态范围大等优势，已成为新 一代的优质相干光源。8 0 年代中后期，随着固体激光材料技术、频率转换技术 以及半导体激光技术的飞速发展，出现了一种崭新的激光二极管( l d ) 泵浦的全固 体激光器( d p s s l ) ，随后由l d 泵浦的固体激光器再加入k t p 、l b o 、b b o 等非 线性光学晶体，实现近红外、红、蓝、绿、紫外等波长的激光输出。这种全固态 激光技术把激光二极管、固体激光器与非线性晶体材料紧凑地结合在一起，效率 高、寿命长、能够获得高功率和高光束质量输出，已经成为当今光电子领域增长 最快、最令人瞩目的产品。特别是高功率的l d 泵浦的固体激光器件在空间通 讯、材料加工、军事、医疗、光谱、高功率激光等领域均有重要的应用，已成为 目前固体激光器的主要研究与发展对象，成为国际上竞相研究开发的热点。本章 中，我们将对l d 泵浦的全固态激光器的进展进行介绍，并对l d 泵浦的全固态 准连续绿光激光器的晶体材料及其泵浦方式进行介绍，综述国内外l d 泵浦的全 固态绿光激光器的发展现状和应用前景。 1 1l d 泵浦全固态激光器进展 早在1 9 6 0 年第一台激光器诞生之际，r n e w m a j l 就第一个提出了全固态激 光器思想。1 9 6 2 年，第一台g a a s 二极管激光器问世。1 9 6 4 年，美国m i t 林肯 实验室的k e y e s 和q u i s t 【1 】用l d 泵浦u 3 + ：c a f 2 晶体，在2 6 1 3 “m 波段实现了 全固态激光输出。尽管此激光器的阈值很高，输出功率也很低，但人们已经意识 到了用l d 泵浦比闪光灯泵浦有更高的效率。1 9 6 8 年，麦道宇航公司的i 沁s s 【2 j 将l d 冷却到1 7 0 k ，以实现g a a sl d ( 8 6 7 砌) 与n d ：y a g 吸收峰匹配，实现了 第一台l d 泵浦的n d ：y a g 激光器。1 9 7 1 年，f q s t e n n e y e r 【2 】报道了在室温下用 第1 页 第一章绪论 国内由于激光二极管的功率水平较低，所以d p l 技术发展受到一定的限制， 在小功率器件方面长春光机所等研制生产的m w 量级小型d p l 绿光激光器已经 大批量生产，并批量出口，目前许多地方建立了m w 量级小型d p l 绿光激光器 的生产厂。总的来说，我国在低功率( 2 0 0 m w ) d p s s l 技术方面比较成熟，产 业化方面也蓬勃发展，因产品售价低廉，已占领了国际市场的大半份额。国内高 功率全固态激光器的研究大多处于实验室及样机阶段。近年来中科院半导体所、 上海光机所和石家庄电子1 3 所等单位先后研制成功1 0 1 2 0 0 w 的连续和准连续 激光二极管阵列，为我国开展高功率d p s s l 的研究工作奠定了基础。目前在 d p s s l 激光技术方面，特别是高功率器件方面存在的主要问题是：泵浦耦合技 术，激光二极管泵浦工作介质的热效应及如何降低其影响，不同运转方式及泵浦 水平时谐振腔的设计，如何提高激光输出的光束质量问题，以及获得长时间稳定 运转，高功率情况下腔内元件破坏等问题，尽管这些问题国际上已有不少解决方 案，但并没有彻底解决。因此，在国内开展高功率l d 泵浦固体激光器的研制工 作是非常必要和迫切的。 1 2 l d 泵浦全固态准连续绿光激光器进展 1 2 1 全固态准连续绿光激光器的应用 绿色激光在工业加工、医学、通讯、科学研究、国防军事、娱乐等方面都有 着广泛的应用。例如： ( 1 ) 飞秒激光在信息技术、超快现象、生命科学等领域具有重要的应用价 值。如全固化t i ：a 1 2 0 3 飞秒激光运转主要采用固体绿光作为泵浦源。1 9 9 4 年1 1 月，k l 锄b 采用半导体激光器泵浦n d ：y l f 产生5 2 3 5 m 连续倍频光作泵浦源， 首次实现了t i ：a 1 2 0 3 飞秒激光器的全固化运转，在7 0 0 m w 泵浦功率下获得了1 1 0 f s ，2 0 m w 光脉冲。s p e c t r ap h y s i c s 于1 9 9 6 年推出激光二极管泵浦的倍频n d ：y v 0 4 激光器m e l ，l e n i a ，在5 3 0 n m 处的输出功率达5 w ，泵浦自锁模t i ：a 1 2 0 3 飞秒激光 器，产生了5 0f s 光脉冲。继而l x u 又将全固化自锁模t i ：a 1 2 0 3 激光器脉冲宽 度压缩至8f s ，己接近心+ 激光器泵浦下6 5 f s 的最短脉宽，该激光器输出飞秒光 脉冲功率为4 0 0 m w ，在1 2 0 0 姐z 范围内噪声明显低于时泵浦情况x 览白晋 第4 页 第一章绪论 涛等人使用自行研制的n d ：y v 0 4 k t p 绿光激光器泵浦t i ：a 1 2 0 3 激光器在使用 b b o 晶体倍频，获得了7 3 m w4 0 2 m n 飞秒蓝光激光【2 5 】。另外，绿光激光器还可 作为可调谐激光器的泵浦源【3 0 。3 1 ，在物理学、化学、生物学、医学、环境遥测及 军事等领域有着重要的应用。 ( 2 ) 使用绿光作为泵浦源是目前产生紫外、深紫外光最有效、最广泛的方 法= + ”弱；。1 9 9 5 年日本索尼公司报告了通过k t p 晶体制成的内腔二次谐波产生装 置。从半导体激光抽运的n d ：y a g 激光中产生输出功率为2 9 w 二次谐波，使用 b b 0 晶体得到输出为1 5 w 的连续紫外光。1 9 9 8 年u s h i o 总研、大阪大学等共 同发表的波长2 6 2 舯、最高输出功率为6 6 w 全固态紫外激光器使用的是 n d ：y l f l b 0 全固态绿光激光器。紫外、深紫外激光器在军事，印刷，医学，工 业上有着广泛的用途。 ( 3 ) 绿光激光由于其亮度高、聚焦光斑小、作用时间短、热影响区小、工 件不会因加工而产生大的形变等优点，而且可以对一些硬度高、脆性的材料进行 加工，因此在精密加工中显示出它独特的优越性。 ( 4 ) 人眼对绿光最为敏感，使用5 3 2 r u l l 波长的脉冲激光可用于眼科手术。 5 3 2 i u n 波长的脉冲激光同样可用于治疗血管性疾病，另外，脉冲宽度比较长的 5 3 2 n m 的激光可治疗成年人的葡萄酒色斑和腿部的毛细血管扩张。 此外，绿光还在光存储、信息处理、准直，检测、干涉测量、光散射、全息、 流氏细胞仪、无损检测、桌面出版业、军事等许多领域内应用。 1 2 2l d 泵浦全固态连续、准连续绿光激光器进展 传统中人们是从气体和染料液体激光器上获得绿色激光的，这些气体和液体 激光器都存在着诸如设备庞大、效率低、寿命短、稳定性差和操作复杂，而且需 要定期更换有毒的气体或液体染料，这些问题都严重的制约了激光器的大范围领 域的使用。国际环保结构也指出气体和液体激光器这些有毒的气体或液体染料不 正确的处理会对人居环境造成危害。而传统的光泵固体激光器，如y a g 激光器。 由于使用的氙灯发射光谱中只有极小的一部分被n d ：y a g 晶体棒所吸收，大部 分能量则转换成热能耗散于激光晶体内，这样不仅使得激光器光一光转换效率 低，而且激光器输出光束质量差。由于受到氙灯寿命的制约，y a g 激光器平均 第5 页 第一章绪论 使用寿命较短。激光二极管阵列的出现为绿光激光器发展开辟了新的发展领域。 ( 1 ) 全固态连续绿光激光器发展现状 上世纪9 0 年代初全固态连续绿光输出最高水平在几百毫瓦，如d c g e r s t e n b e r 2 e r 等人在1 9 9 1 年在激光二极管泵浦的连续单频n d ：y a g 激光器上有 效的进行了二次谐波转换，获得了2 0 0m w 单频绿光输出，其基频光到倍频光之 间的转换效率达到6 5 州。1 9 9 5 年美国l i g h t w a v e 公司用l d 泵浦n d ：y a g 、k t p 腔内倍频获得了2 w 连续绿光输出。1 9 9 6 年美国s p e c t r a p h y s i c s 公司推出了性 能优良的m i l l e l l n i a v 型号的5 w 绿光激光器，利用两台分别输出2 0 w 的l d 双 向泵浦n d ：y v 0 4 晶体，并用温度调谐实现l b 0 的倍频。d i r kg o l l a 等人侧面泵 浦连续n d ：y a g 激光器的研究，在1 0 6 4m 多模运转连续输出能量高于3 2 0w ， 同时进行了倍频研究【3 5 】。随后美国c o h e r e n t 和l i 曲t w a v e 公司，分别推出了他们 的5 w 和7 w 全国态绿光激光器产品。 c l e o 9 7 会议上向人们展示了利用4 美国s p e c t r a p h y s i c s 公司又在上世纪的 台分别输出2 0 w 的l d 泵浦的1 0 w m i l l e n m ax 型全固态绿光激光器。美国c o h e r e n t 公司又开发出v e r d id p s s 系列 激光器，采用激光二极管泵浦n d y a g ，n d ：y l f 或n d ：w 0 4 环型腔激光器，以 l b o 为腔内倍频晶体，其连续绿光输出功率为2 w 、6 w 、8 w 及1 0 w 【3 引。 在国内，上个世纪八十年代末期相继开展了这方面的研究工作，而且近些年 一直十分活跃，目前固体激光器件的研究已被列入国家8 6 3 高技术研究发展计 划，并成为是国家自然科学基金委员会光学与光电子学学科的热点研究领域和资 助项目。中科院物理所【3 7 】、长春光机所【3 8 3 9 1 、山东大学【4 0 】、清华大学【4 l 】、天津 大学4 2 1 、山西大学【4 3 1 、西安光机所删、上海光机所【4 5 】、西北大学【4 6 4 7 1 等许多研 究单位先后开展了这方面的研究，并取得了显著的成绩。其中长春新产业光电技 术有限公司，开发了半导体激光器泵浦的中、低功率m g l 系列和p g l 系列全固 体绿光激光器，现己形成产品的研究、开发、生产和销售为一体的产业化基地， 其产品还远销美国、加拿大、德国、日本、韩国、台湾等许多国家和地区，在国 际市场上也占有了一定的份额。山西大学光电研究所从事小型绿光激光器和全固 化单频n d ：y a g 激光器的研究与开发。研发的小型绿光激光器，技术指标达到国 内先进水平，产品已销往欧美市场；另外，全固化单频n d ：y a g 激光器红外输出 第6 页 第一章绪论 可达5 0 0 m w ，绿光输出达2 0 0 m w 。 在国内己许多家公司投资l d 泵浦全固体绿光激光器的研发工作，如武汉大 华激光科技有限公司与新加坡新特光电子有限公司联合开发了s h g d p 系列激 光器；上海冠威光电有限公司采用了二极管阵列、胶合晶体集成的技术，研发了 微型绿光激光器g d l 6 0 0 0 系列，连续输出绿光功率约5 m w ；凌云光电科技有 限责任公司采用了全套的德国激光技术，研制了l y m g 1 型半导体泵浦绿光激 光器。另外国内的许多家公司以研究结构为依托，如温州丰源光电子有限公司、 广东电工公司光器件分公司等，先后开发了不同品牌的l d 泵浦全固体绿光激光 器。综合分析国内市场，不难看出已开发出激光器产品输出功率大多集中在小功 率输出水平。 ( 2 ) l d 泵浦全固态脉冲绿光激光器研究及发展现状 高峰值功率的绿光激光器是一种非常有用的可见激光光源，在许多领域都有 非常广泛的应用，如：工业加工、材料精密处理、干涉计量、泵浦可调谐钛宝石 激光器、生物医学、光谱学、信息存储、同位素分离等方面有着重要的应用。 对于非调q 激光器，当工作物质在泵浦源作用下产生的反转粒子数刚刚超过 阈值时，激光器便马上产生振荡，并引起反转粒子数迅速消耗至阈值之下而激光 振荡停止，由此产生一些能量很小的激光尖峰脉冲输出，这就是临界振荡效应， 使得一般固体激光器的静态输出功率很小。另一方面，泵浦功率的增加不会显著 提高反转粒子数，只会增加尖峰脉冲个数【4 8 】。 所谓的激光调q 就是调节激光器的q 值，即在激光器泵浦的初期，把谐振 腔的q 值调得很小，使激光器暂时不满足振荡条件，在泵浦脉冲的激励下获得 很高的反转粒子数密度，这时再迅速调大谐振腔的q 值，此时，反转粒子数密 度远大于阈值反转粒子数密度，激光振荡迅速建立起来，达到很高的峰值功率。 同时，反转粒子数迅速被耗尽，脉冲很快结束，这样就获得具有窄脉冲的宽度为 毫微秒量级，峰值功率可达兆瓦量级以上的激光巨脉冲。 随着半导体工业的迅速发展，目前国际上单条连续输出功率为2 0 w 的二极管 阵列已商品化，为采用二极管抽运的方式来获得高平均功率的绿光输出，奠定了 良好的基础。二极管抽运的高平均功率倍频固体激光器由于具有寿命长、可靠性 第7 页 第一章绪论 高、耗能小等优势，而成为国内外竞相开展二极管抽运绿光固体激光器研究的热 点，目前有的己实现了平均功率达百瓦级的绿光激光输出。 在1 9 9 4 年f h a n s o n 等人用激光二极管阵列侧面泵浦3 n mn d ：y a g 激光 棒，l b o 晶体作为腔内倍频晶体，在重复频率为2l 沮z 时产生平均功率达到几 瓦的绿光输出【4 9 】。1 9 9 6 年b j l eg a 丌e c 等人利用声光调q 技术半导体侧面泵浦 n d ：y a g 晶体，k t p 腔内倍频获得了1 0 0 w 的脉冲绿光输出1 5 u j 。1 9 9 8 年s u s u m u k o n n o 等人报道了内腔倍频侧面泵浦n d ：y a g 激光器平均绿光输出能量为2 0w ， 光光转换效率为1 4 2 ，电光转换效率为5 3 【5 1 】，不久又便将绿光输出功率提 高到6 8 w 【5 2 】。同年k a z u v o k ut e i 等人激光二极管泵浦z 形板条n d ：y a gm o p a ( m a s t e ro s c i l l a t o rp o w e ra m p l i f i e r ) 系统，使用l b 0 为腔内倍频晶体，在重复频率 为1 7 0h z 时获得平均功率为1 0 5w 绿光输出【5 3 】；h e e j o n gm o o n 等人设计了新 的激光二极管泵浦n d ：y a g 结构，从线性谐振腔中获得了4 0 w1 0 6 4 n m 激光输 出，光一光转换效率为2 3 ，斜效率达到3 1 ，在z 型腔中用k t p 晶体为腔内 倍频晶体，在5 k h z 时获得了平均功率为1 6 w 的绿光输出，转换效率达到7 0 【5 4 】。 1 9 9 9 年gj s p u h l e r 等人用两个激光二极管侧面泵浦被动锁模n d ：y a g 激光器具 有1 0 w 平均输出能量，峰值功率7 8k w ，脉冲宽度1 6p s ，单脉冲能量1 2 0n j ， 外腔单通倍频产生3 2 5 w 绿光输出，1 2 0 m w 紫外光输叫”j 。c h e nyf 使用激 光二极管泵浦内腔倍频三明治谐振腔n d ：w 0 4 瓜t p ，在重复频率为5 0l 沮z 下获 得了平均功率为4 6w 的5 3 2 胁输出【5 6 j 。2 0 0 0 年s u s u m uk o 彻。等人又报道了 利用l d 侧面泵浦n d ：y a g 晶体，采用声光调q 技术，l b o 腔内倍频获得了平 均输出功率为1 3 8 w 的脉冲绿光输出【5 7 】。y h i r a n o 等人获得连续运转1 0 0 小时 输出功率为10 0 w 的绿光激光器恻。gj s p u h l e r 在2 0 0 0c l e 0 ( c o n f e r e n c eo n l a s e r sa 1 1 de l e c t r o o p t i c s ) 会议上报道了采用被动锁模平均输出功率为2 7w ，单 脉冲能量为0 5 心，峰值功率为2 0 5k w 的n d ：y a g 激光器，采用两个输出2 0 w 激光二极管侧面泵浦，激光器具有自启动被动锁模，l b o 晶体i 类非临界相位 匹配获得了平均功率为1 6 2w 绿光输出，转换效率达到6 0 俐。2 0 0 1 年n p a v e l 等人端面泵浦用饱和吸收体被动调q ，l b o 腔内倍频，产生2 2 6 m j 的绿光输出， 脉冲宽度为8 6 n s ，脉冲重复频率为4 2l d z 【6 0 】。2 0 0 3 年p k m u k h o p a d h y a y 等人 采用c r 4 + ：y a g 被动锁模在n d ：w 0 4 瓜t p 激光器上获得了脉宽为6 5 n s ，重复频 第8 页 第一章绪论 率为4 0 0m h z ，单脉冲中心峰值功率超过2k w 的绿光脉冲输出【6 1 1 。2 0 0 4 年l e e ， s u n g m a n 等人在激光二极管泵浦线性内腔倍频n d ：y a g 棒激光器中获得了脉冲 宽度为4 0 n s ，平均功率为7 3 w 的绿光输出6 2 1 。2 0 0 5 年p k m u k h o p a d h ) r ，a y 等人 对于c r 4 + ：y a g 被动锁模在n d ：y v 0 4 激光器改进，在重复频率为4 0 0m h z 时， 获得了平均宽度小于5 0 0p s 锁模绿光脉冲【6 3 】。 国内天津大学激光与光电子研究所采用美国c e o 公司的1 6 0 0 w 半导体抽运 组件侧面泵浦n d ：y a g 晶体，k t p 腔内倍频，在抽运电流为18 4 a 声光重复率 为2 0 7 k h z 时，获得了平均功率达1 0 4 w 脉冲宽度小于1 3 0 n s 的绿光输出【6 4 1 。华 北光电技术研究所获得了平均功率6 8 w 的声光调q 腔内倍频绿光输出【6 5 】。长春 光学精密机械与物理研究所用l d 泵浦的n d ：y a g 做t p c r ：y a g 结构被动调q 绿 光激光器，当注入泵浦功率为7 5 0 m w 时，获得了平均功率3 8 m w ，脉冲宽度 1 4 7 n s ，重复频率2 0 4 k h z ，峰值功率1 2 6 6 w 的调q 绿激光输出f 6 6 6 7 1 。中国工 程物理研究院流体物理研究所调qn d ：y v 0 4 激光器中q 开关工作是通过一块腔 内k t p 晶体实现的，该晶体同时作倍频晶体，实现i i 类相位匹配。在泵浦功率 8 0 0 m w 时，得到1 1 5 m w 的绿光输出，光一光转换效率为1 4 4 。调q 工作频 率为1 0 0 h z 时，获得脉宽为5 4 5 n s ，峰值功率为7 4 w 的脉冲绿光【6 引。山东大学 采用双捧串接、声光调q ，获得了7 5 w1 0 6 m 准连续激光输出。在此基础上， 腔内插入高纯k t p 晶体，获得了3 1 1 w 倍频绿光输出【6 9 1 。刘均海等人用激光二 极管端面泵浦声光调qn y a b 激光器可以同时实现1 0 6 炉和0 5 3 岫激光输 出，在重复频率为6 0l ( h z 时获得平均功率为1 3w 的1 0 6u m 激光输出，光转 换效率为1 8 1 ，斜效率为2 1 3 。获得的最大平均绿光输出功率为1 8 5m w ， 光转换效率为3 【7 0 1 。杜晨林等在声光调qb b o 内腔倍频n d ：w 0 4 激光器 x 第二章l d 侧面泵浦的全固态激光器理论基础 第二章l d 侧面泵浦全固态激光器理论基础 l d 泵浦的全固态激光器( d p s s l ) 是当前激光领域的主要发展方向。与传统 的灯泵相比，采用激光二极管泵浦易于实现泵浦光与激光介质之间的波长匹配及 模式匹配，使得系统体积小、重量轻、寿命长、稳定性好，被广泛应用于医疗、 通信、材料加工、娱乐和科学研究等领域。同时，伴随着激光的应用范围不断拓 展，人们对固体激光的要求在不断提高，要求激光束具有更高的能量，更好的光 束质量等。这种状况给激光技术的发展带来了机遇和挑战。 为发展大功率全固体绿光激光器，这里回顾了全固体激光器的理论基础。基 于速率方程理论，对于侧面泵浦腔内m 个横模振荡的稳态方程进行了研究，讨 论了激光二极管阵列侧泵激光器的阈值泵浦功率、输出功率和斜效率。 通过对激光二极管泵浦的全固态主动调q 脉冲激光器速率方程的分析，讨 论了影响脉冲激光器输出能量、峰值功率、脉冲宽度及波形的因素。介绍了声光 调q 原理及器件的基本结构。 利用非线性光学耦合波方程，讨论了非线性晶体受基波辐射极化产生二次谐 波以及和频产生的机理。同时分析了影响激光器倍频效率的主要因素。 2 1 固体激光器理论 2 1 1 掺n d 3 + 离子激光晶体的能级结构及参数 n d 3 + 固体激光的发展在激光的发展历史中占据着重要地位。1 9 6 0 年梅曼演 示了红宝石固体激光系统之后【l 】，1 9 6 1 年，s m t z e r 演示