（光学工程专业论文）1339nm+nd：yap固体激光器的理论与实验研究.pdf

摘要 中文摘要 1 3g m 波段激光具有处于大气透过窗口、光纤低损耗、接近零色散区域以及水 对该波段激光的吸收较大等特点，在国防安全、大气环境检测、工业加工、光纤通 讯、视频显示、光谱学、激光医疗和科学研究等领域都有广泛的应用。n d ：y a p 晶 体具有较大光学机械系数、较大4 f 3 1 2 - 4 1 1 3 尼跃迁截面、较高的热导率以及偏振输出等 特点，用作大功率的1 3g m 波段激光晶体具有比较明显的优势。目前，对n d ：y a p 晶体1 3p m 波段激光的研究基本集中在1 3 4 1n i n ，对1 3 3 9n l n 波长的研究还鲜见报 道，因此，本文对b 轴切割的n d ：y a p 晶体实现a 偏振的1 3 3 9n m 激光输出进行了 理论和实验研究。 文章首先简述了固体激光器发展概况以及n d ：y a p 激光器、1 3 i _ t m 波段激光的 研究现状。其次，对激光晶体( n d ：y a p ，n d ：y a g ) 和常见调q 晶体( l i n b 0 3 ，b b o ， k d p ) 作了详细的对比和介绍，并对几种掺钕晶体1 3 p , m 波段的激光性能进行了比 较。然后，以四能级激光系统理论和n d ：婶晶体的光偏振特性为基础，对n d ：y a p 实现1 3 3 9n m 波长激光输出进行了理论分析，并对b 轴切割n d ：y a p 晶体作了热效 应分析，包括晶体温度分布、热透镜效应及其热应力和热应变效应等。最后，分连 续和长脉冲、电光调q 脉冲三种方式对基于n d ：y a p 晶体的a 偏振1 3 3 9n l i l 波长激 光进行了实验研究，对应分别获得了1 3 3 9n l t l 波长激光1 5 3w 连续输出和3 3 6m j 长脉冲输出、6 4m j 调q 脉冲输出。 关键词：1 3 3 9n m ，n d ：y a p ，固体激光器，线性偏振，b 轴切割 摘要 a b s t r a c t l a s e r so p e r a t i n ga t1 31 t mw a v e l e n g t hr e g i o na r eu r g e n tn e e dt ob ed e v e l o p e df o r t h e i ri m p o r t a n tu s e si nt h ei n d u s t r yp r o c e s s i n g ，m i l i t a r ya n dn a t i o n a ld e f e n s e ，m e d i c a l t h e r a p y ，f i b e rc o m m u n i c a t i o n ，t h es c i e n t i f i cr e s e a r c ha n do t h e rf i e l d s n d ：y a pc r y s t a ln o t o n l yp o s s e s s e sl a r g es t i m u l a t e de m i s s i o nc r o s ss e c t i o na n dt h e r m a lc o n d u c t i v i t y ，b u ta l s o o w n sh i g ho p t o m e c h a n i c a lc o e f f i c i e n ta n do u t p u tl i n e a r l yp o l a r i z e d ，w h i c hs h o wt h a t n d ：y a pi sa ne x c e l l e n tc r y s t a lf o r1 3l x ml a s e rt ot h i sd a y , t h ea - a x i sp o l a r i z e dl a s e ra t 1 3 3 9n l nh a ss t i l ls e l d o mb e e nr e p o r t e d i nt h i sp a p e r ，as i n g l ew a v e l e n g t h1 3 3 9n r n n d ：y a pl a s e rw a ss t u d i e do nt h eb a s i co fa n a l y s i sf o rt h et r a n s i t i o nl e v e l sa n dt h e i r s p e c t r a lp r o p e r t i e s f i r s t l y ，t h ep r o g r e s s i n gh i s t o r ya n dc u r r e n ts i t u a t i o nf o rs o l i d s t a t el a s e r s ，a sw e l la s t h ed e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c hi n t e r e s t i n go fn d ：y a pl a s e ri ss u m m a r i z e d i na d d i t i o n ， s e v e r a lw i d e l yu s e dn o n l i n e a rc r y s t a l s ( l i n b 0 3 ，b b o ，k d p ) a n dl a s e rm a t e r i a l s ( n d ：y a p ，n d ：y a g ) a r ea n a l y z e d t h i r d l y , b a s i n go nt h ef o u r l e v e lr a t ee q u a t i o nt h e o r y a n dt h el i n e a r l yp o l a r i z a t i o nl a s e ro fc r y s t a l ，t h et h e r m a le f f e c t sa r i s i n gf r o mt h el a s i n g p r o c e s si no r t h o r h o m b i cy a pc r y s t a l sa n dt h en d ：y a pl a s e ro s c i l l a t i n ga t1 3 3 9n r na r e d i s c u s s e dt h e o r e t i c a l l y l a s t l y ，t h ea - a x i sp o l a r i z e d13 3 9 姗l a s e rb a s e do nn d ：y a p c r y s t a lh a v eb e e ne x p e r i m e n t a l l ys t u d i e di na m o n gc w ，l o n gp u l s ea n de l e c t r o o p t i c q - s w i t c h e dm o d e ，w h i c ho b t a i n e d15 3w f o rc w o u t p u tp o w e r ，3 3 6m jf o rl o n gp u l s e o u t p u tp o w e ra n d6 4m jf o re l e c t r o o p t i cq - s w i t c h e dm o d e k e y w o r d s ：13 3 9n l n ，n d ：y a p , s o l i d s t a t el a s e r ，l i n e a r l yp o l a r i z a t i o n ，b - a x i sc u t u i 福建师范大学硕士学位论文独创性和使用授权声明 福建师范大学硕士学位论文独创性和使用授权声明 本人( 姓名) 匦田尘至学号一2 q q 鱼q z 三墨专业光堂王猩 所呈交的学位论文( 论文题目：1 3 3 9n mn d ：y a p 固体激光器的理论与实 验研究) 是本人在导师指导下，独立进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除论文中已特别标明引用和致谢的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本论文的研究工作 做出贡献的个人或集体，均己在论文中作了明确说明并表示谢意，由此 产生的一切法律结果均由本人承担。 本人完全了解福建师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 福建师范大学有权保留学位论文( 含纸质版和电子版) ，并允许论文被 查阅和借阅；本人授权福建师范大学可以将本学位论文的全部或部分内 容采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，并按国家 有关规定，向有关部门或机构( 如国家图书馆、中国科学技术信息研究 所等) 送交学位论文( 含纸质版和电子版) 。 ( 保密的学位论文在解密后亦遵守本声明) 潮飙t 笸 铆钟 期： 汐声6 月 绪论 绪论 1课题背景 激光( 1 a s e r ) 的英文全称是l i g h ta m p l i f i c a t i o nb ys t i m u l a t e de m i s s i o n o f r a d i a t i o n ，与普通光束相比，它具有高亮度和高度的方向性、相干性、单色性的特 点，作为2 0 世纪最伟大的发明之一，它对人类科学技术的发展产生了广泛而深刻的 影响。 2 0 世纪初，普朗克用辐射量子化假设解释了黑体辐射的光谱分布，波尔提出了 原子中电子运动量子化的假设，爱因斯坦在他们的基础上从光量子概念出发，重新 推导了黑体辐射的普朗克公式，并提出了自发辐射和受激辐射的概念。1 9 5 8 年贝尔 实验室的c t o w n e s 和a s c h a w l o w 发现当闪光灯发射的光照在一种稀土金属上时，晶 体会发射出很耀眼的、汇聚在一起的光，由此他们发表的关于光频下激光作用的经 典论文【l 】为后来激光器的发明奠定了基础。 1 9 6 0 年7 月，美国休斯公司的梅曼( t h m a i n m a n ) 利用氙灯泵浦红宝石 ( c r 3 + ：a 1 2 0 3 ) 晶体，成功研制出世界上第一台固体激光器【2 】。此后，不同类型的激光 器接二连三的被不同学科和技术背景的科学家所发明。按工作物质的不同，激光器 一般可分为气体、液体、固体、化学和自由电子激光器等。固体激光器由于其激发 简单、储能高、可靠性高和结构紧凑等优点，一直占据着激光器发展的主导地位。 1 9 6 2 年，第一只同质结砷化镓( g a a s ) 二极管问世【3 】；1 9 6 3 年，美国科学家纽曼 皿。n e w m a n ) 提出了用半导体材料的二极管泵浦固体激光器的设想，并利用砷化镓二 极管8 8 0n i i l 附近的辐射泵浦n d 3 + ：c a w 0 4 ，获得了1 0 6u m 荧光输1 4 ；1 9 6 4 年， 美国m i t 林肯实验室的r j k e y e s 和t m q u i s t 在4k 温度下采用g a a s 二极管泵浦 u ”：c a f 2 ，研制了世界上第一台激光二极管泵浦固体激光器，在2 6 1 3 “m 波段实现了 真正意义上的全固态激光器【5 】；1 9 6 8 年，麦道宇航公司的m o n t er o s s 将l d 冷却到 1 7 0k ，用来实现l d 发射波长与n d ：y a g 吸收峰的匹配，由此第一台g a a s 二极管 ( 8 6 7n m ) 泵浦的n d ：y a g 激光器诞生了【6 】。由于受到半导体材料二极管技术的限制， 半导体激光器的寿命短、阈值高、转换效率低、工作稳定性差、输出功率低、光束 质量差、单色性差且波长单调，并且在常温下的发射谱线难以与增益材料的吸收峰 匹配，需要采用液氮来冷却，使得其优越性未能得到充分体现。除了低温l d 直接 福建师范大学硕士学位论文 应用于通讯、信息存储和处理等方面，其他的研究工作几乎停滞不前。 2 0 世纪7 0 年代，常温运转的实验装置开始出现。1 9 7 1 年，f w o s t e r m e y e r 等 人在室温下用直线排列的6 4 个g a a s l x p x 列阵泵浦n d ：y a g 晶体，得到了1 4m w 的1 0 6l x m 连续激光输出，电功率3 0w ，泵浦光功率9 0 0m w 【7 】；1 9 7 2 年， h d a n i e l m e y e r 和h w e b e r 利用激光二极管泵浦n d ：y a g 晶体，首次实现了在室温 条件下工作的全固态激光器1 8 1 ；1 9 7 3 年，l j r o s e n k r a n t z 首次在室温下进行了脉 冲工作的g a a s 二极管端面泵浦实验【9 】；1 9 7 5 年，前苏联e v z h a r i k o v 等科学家在 室温下，利用高掺杂浓度的e r 3 + ：y a g 实现了2 9 4 0m n 波段激光作用【1o 】：1 9 7 8 年， b e l l 实验室的j s t o n e 和c a b u r r u s 首先实现了l d 泵浦的单晶光纤激光器【1 1 1 。由于 发展速度还是十分缓慢，在很长一段时间内，固体激光技术未能引起人们的重视， 基本上没有得到应用和发展。 进入8 0 年代后，半导体技术的突破给激光二极管的发展注入了新的活力，研究 内容几乎涉及到了激光技术领域的各个方面，同时也带动了新型固体激光材料频率 变换技术和l d 泵浦技术的发展。分子束外延( m o l e c u l a rb e a me x p i t a x y ) 和金属有机 物化学气相淀积( m o c v d ) 等“非平衡生长技术”被引入到v 族宽带半导体材料 的生长中，新的外延生长工艺使得晶体的生长能够被精确控制，可以生长出原子尺 寸量级的超薄层，另外，由于量子阱( q w ) 和应变量子阱( s l q w ) 结构也陆续被采用， 激光二极管的功率、转换效率、波长扩展和运行寿命等各项性能指标得到了很大的 提升，二极管泵浦固体激光器的缓慢发展状态也由此被打破。1 9 8 2 年，k k u b o d e m 和j n o d a 采用g a a l a s 量子阱激光器泵浦l i n d p 4 0 1 2 ，获得了功率为1 4m w 的1 3 m 单纵模激光束输出【1 2 】；1 9 8 5 年，d l s i p e s 采用l d 端面泵浦n d ：y a g ，获得了 8 0m w 的单模激光输出，光光转换效率为8 0 3 1 ；同年，周炳琨等人也进行了相关 的实验研究，并在装置不需水冷、结构紧凑的情况下，用l d 泵浦腔镜直接镀在晶 体两端面的n d ：y a g 整体腔，获得了稳定度比闪光灯泵浦高出一个数量级的激光输 出【1 4 】；1 9 8 6 年，t y f a l l 等人实现了g a a l a s 二极管泵浦的n d ：y l f 激光器【1 5 j 。 9 0 年代以来，l d 的输出功率和稳定性不断提高，发射波长扩大到o 。6u m 至2 0 p , m ，l d 泵浦的固体激光器在理论和实验上也都取得了重要的进展。1 9 9 7 年，r a n d a l l j s t p i e r r e 等人实现了l d 阵列泵浦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 r a m p l i f i e r ) 的千瓦级输出，倍频后的绿光输出为5j p u l s e t l 6 】；1 9 9 9 年，西安光机所 陈国夫等人首次在国内报道了l d 泵浦n d ：y v 0 4 晶体输出1 0 6 4n m 近红外激光、腔 绪论 内k t p 倍频获得5 3 2n l l l 绿光、腔外采用环形谐振腔并通过b b o 晶体实现2 6 6n l t i 连续紫外光输出的全固态紫外激光器【1 7 】【1 8 】：同年，日本东芝公司报道了半导体泵浦 n d ：y a g 输出3 3k w 、峰值1 3 2k w 的连续激光1 19 j ；2 0 0 0 年，l l n l 实验室的 r a y m o n dj b e a c h 等人利用双折射补偿的端面泵浦双棒y b ：y a g 激光器，实现了1 0 8 0 w 的连续激光输出，光光转换效率为2 7 5 ，调q 输出达到5 3 2w ，光光转换效 率为1 7 t 2 0 ；2 0 0 2 年，周城等人进行了紫外激光的理论和实验研究，并采用l d 泵 浦c r ：y a g 获得了2m w 的2 6 6n l l l 紫外脉冲输出【2 l 】；2 0 0 3 年，日本t o s h i b a 公司 a k i y a m ay 等人采用六个串联的l d 抽运模块研制了激光输出1 2k w 的n d ：y a g 激 光器，电光效率达2 3 1 2 2 ；2 0 0 4 年，j u ns a k u m a 等人报道了全固态n d ：y v 0 4 腔内 倍频绿光激光器，利用布儒斯特角切割的c l b o 晶体进行腔外谐振倍频，获得了功 率为5w 的2 6 6n l n 的紫外激光连续输出【2 3 1 。目前，关于固体激光器的研究已经十 分活跃。 2 n d ：y a p 激光器和1 3p m 波段激光的研究状况 1 9 6 9 年，m j w e b e r l 2 4 从y 2 0 3 - a 1 2 0 3 系统中发现了一种新的晶体基质材料，这 种晶体用y a l 0 或y a p 表示，为1 ：l 的混合物或钙钛矿相。y a p 可与n d 3 + 、e r a + 、 h 0 3 + 、t m 3 + 等离子共同实现激光作用【2 5 之7 】，目前，有较多的科研人员专注于研究y a p 晶体中的色心问题【2 s - 3 0 。在n d ：y a p 晶体中，荧光主要出现在1 0 6 4 5i x m 、1 0 7 2 5 “m 和1 0 7 9 5 “m 这三条强谱线【圳。1 9 7 0 年，m b a s s 和m j w e b e r 在相同条件下采用 n d ：y a p 实现了比n d ：y a g 高两倍的调q 能量输出，还说明了y a p 的各向异性的 光谱特性使得能够选择激光棒高增益、低阈值的结晶取向，或者正好相反，选择调 q 所需的低增益和大储能，从而获得最佳的激光性能【3 2 1 。1 9 7 1 年，g a m a s s e y 和 j m y a r b o r o u g h 采用n d ：y a p 晶体获得了7 5w 的1 0 8g m 波长激光输出，泵浦功率 为4 5 0 0w 3 3 】。 虽然y a p 具备偏振输出、接受较高浓度的n d 3 + 、改变棒轴即可改变增益、因 晶体快速生长而消耗低等许多y a g 晶体没有的优势，但是y a p 晶体的效率十分低 下，光照稳定性差，在紫外辐射下容易着色。这些因素导致y a p 晶体材料在市场上 出现两年后就消失了。多年之后，y a p 晶体的光学质量得到很大改进，还找到了由 于热效应严重导致效率低下的原因和解决方法，因此又能从市场上买到该材料，基 于n d ：y a p 晶体的固体激光器的研究也获得了长足的发展。 1 9 8 8 年，d s c a r l 和b f e l d m a n 等人采用l d 端面连续泵浦n d ：y a p 晶体，在 福建师范大学硕士学位论文 t e m o o 和多模条件下分别获得了2 0m w 和2 6m w 的1 3 4 岬波长激光输出【3 4 】。1 9 8 9 年，f h a n s o n 通过准连续激光二极管侧面泵浦n d ：y a p 获得了1 3 4p m 和1 0 8 岬 谱线输出【3 5 】。1 9 9 5 年，k a s t a n k o v 等报道了一台利用二次谐波的非线性实现1 3 岬 波段被动锁模的n d ：y a p 激光器【3 6 1 。2 0 0 0 年，r e w u 和b p p o h 等人采用l d 侧面 泵浦n d ：y a p 实现了1 2 0w 的1 0 7 9i 吼波长激光输出，泵浦功率为5 7 1w 【3 7 】。2 0 0 2 年，b o u c h e rm 和m u s s e to 等人研究了n d 3 + 的掺杂浓度对y a p 激光性能的影响， 并采用l d 端面泵浦n d ：y a p 实现了3 7w 的1 3 4l a m 波长激光输出，斜效率约为 3 4 9 【3 8 】。 中国科学院福建物质结构研究所沈鸿元课题组在国内较早从事n d ：y a p 晶体的 激光理论和实验研究，其研究兴趣侧重于1 0 7 9n m 和1 3 4 1n i n 两个波段的高功率激 光输出以及双波长激光器件，所采用的泵源大都为闪光灯，并于1 9 7 8 年和1 9 8 2 年 分别实现了3 2 8w 的1 0 7 9n m 3 9 1 和2 1 5w 的1 3 4 1 4 唧波长激光连续输出【4 0 】；1 9 9 1 年，采用双氪灯泵浦n d ：y a p 实现了1 9 5w 的1 3 4 1 4n l r l 波长激光连续输出【4 l 】：1 9 9 2 年，报道了双氪灯泵浦的n d ：y a p 激光器得到4 2 4w 的1 0 7 9n l n 波长激光连续输出 4 2 1 ；此后几年，还陆续报道了1 岬和1 3 岬波段的双波长激光输出f 4 3 4 6 1 。2 0 0 6 年， 黄呈辉等人报道了闪光灯泵浦n d ：y a p 晶体获得大于3 0 0r o d 的1 3 4 1 4l x m 电光调q 脉冲输出f 4 7 】。2 0 0 7 年，朱海永和李爱红等人采用l d 侧面泵浦n d ：y a p 晶体分别获 得了1 2 1w 和4 7 5w 的1 3 4 1 4 胁连续和声光调q 激光输出，并基于n d ：y a p 三倍 频获得了4 7 6w 的4 4 7n m 蓝光输出【4 8 0 1 。另外，山西大学光电所专注于n d ：y a p 晶体相关波长的环形腔单频激光输出f 5 1 弼】，上海光机所则进行了n d ：y a p 相关波长 的锁模研究，报道了一台n d ：y a p 晶体在1 3 “m 波段的染料被动锁模激光器垮引。 综上可知，n d ：y a p 激光器具有许多优点。 1 - 3 岬波段激光具有处于大气透过窗口、光纤低损耗、接近零色散区域以及水 对该波段激光的吸收较大等特点，在大气环境检测、工业加工、光纤通讯、视频显 示、光谱学、医学等领域都有广泛的应用【5 5 渤】。通过掺钕晶体中4 f 3 2 - 4 1 1 3 2 能级跃迁 是产生1 3 岬波段激光的主要途径，目前常用的掺钕晶体主要有n d ：y a p ，n d ：y a g ， n d ：w 0 4 ，n d ：g d v 0 4 ，n d ：y l f ，n d ：b e l 等几种。1 9 9 6 年，林文雄等报道了采用 n d ：y a g 晶体输出单一谱线1 3 1 8 8 岬t e m 0 0 模激光器【6 0 】。2 0 0 0 年，y o k oi n o u e 和 s h u i e h if u j i k a w a 采用两个泵浦模块串接，并通过标准具选模，实现了1 2 2w 的1 3 1 9 n m 波长激光输出，泵浦功率为6 2 2w 6 1 】。2 0 0 3 年，h o g i l v y 和m j w i t h f o r d 等采用l d 绪论 端面泵浦n d ：y v 0 4 晶体，得到了8w 的1 3 4 2n i 1 t e m o o 模激光连续输出【6 2 1 。2 0 0 4 年， 李君和于意仲等采用l d 侧面泵浦n d ：y a g 获得- j 8 4w 的1 3 1 9n m 波长激光输出【6 3 1 。 2 0 0 5 年，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所薛庆华等采用l d 泵浦n d ：y a g 晶体，并通过v 3 + ：y a g 被动调q ，获得了1 9 2m w 的1 3 1 9 岫激光脉冲输t 6 4 1 。同 年，c d u 和s r u a n 等采用l d 单端抽运n d ：g d v 0 4 实现了1 3 3w 的1 3 4 2n l t i 波长连续 激光输出，泵浦功率为4 9 2 w 6 5 1 ；a i y u ny a 0 和w e ih o u 等采用l d 端面泵浦n d ：y v 0 4 晶体实现了11w 的1 3 4 2 n m 波长激光连续输出【6 6 1 ；魏勇等采用氪灯泵浦n d ：y a g 获得 了1 2 2w 的1 3 1 8 8n m 单波长【6 7 】和1 0 1w 的1 3 1 8 8n m 1 3 3 8n m 双波长激光准连续输 出【6 8 】。2 0 0 7 年，y x f a n 和y e h o u 等采用l d 端面泵浦n d ：y a g 晶体，实现了1 0 3w 的1 3 5 7n l n 波长激光输出，泵浦功率为1 5w 【6 9 】；2 0 0 7 年，朱海永等采用l d 端面泵浦 n d ：y a g 晶体，获得了1 3 1w 的1 3 1 9n l n 波长激光输出，并实现了1 3 3 8n m 1 3 1 9n l y l 双 波长激光输出【7 0 j 。 3 本论文的主要工作 固体激光器由于其激发简单、储能高、可靠性高和结构紧凑等优点，一直占据 着激光器发展的主导地位。1 3i t m 波段激光在工业加工、光纤通讯、视频显示、光 谱学、医学等领域都有广泛的应用，迄今为止，通过掺钕晶体中4 f 3 t 2 - 4 1 1 3 2 能级的跃 迁是产生1 3i t m 波段激光的主要途径。 n d ：y a p 晶体不但具有较大光学机械系数和较高热导率，还具有偏振输出和较大 的4 f 3 t 2 - 4 1 1 3 2 跃迁截面等特性，是一种1 3 岬波段的优秀激光晶体。目前，对n d ：y a p 晶体1 3p , m 波段激光的研究大都集中于1 3 4 1r i m ，1 3 3 9n m 波长的研究还鲜见报道。 深入研究基于n d ：y a p 晶体的1 3 3 9n n l 波长激光，既具有较好的学术科研意义，又能 开拓其巨大的应用前景。 本文主要对n d ：y a p 晶体实现1 3 3 9n m 波长激光输出进行了理论研究与热效应 分析。讨论了b 轴切割n d ：y a p 晶体的热效应分布，表明b 轴切割y a p 棒中产生的 热量在棒中造成一定的温度分布，其在垂直于棒轴的平面上的等温线为椭圆状，热 应变不会直接导致晶体棒产生棱镜状形变，它对热焦距没有贡献，可把产生热效应 的y a p 棒看成是两个二维的厚透镜，将类似透镜介质谐振腔的计算应用到y a p 激 光器。通过分析n d ：y a p 晶体的能级跃迁和光谱特性，采用光学选偏器件抑制1 3 4 1 r i m 波长谱线振荡，并控制不同波长激光的透过率，对基于b 轴切割n d ：y ：a p 晶体的 a 偏振1 3 3 9m n 单一波长激光特性进行了实验研究，分别获得了1 3 3 9n m 波长激光 福建师范大学硕士学位论文 1 5 3w 连续输出、3 3 6m j 长脉冲输出和6 4r n j 调q 脉冲输出。 第一章激光晶体和调q 晶体的物理与光学特性 第一章激光晶体和调q 晶体的物理与光学特性 第一节引言 激光晶体是固体激光器的核心部件，它的物理、化学和光学机械特性直接影响 着固体激光器的工作性能，对激光运行参数( 如波长、功率、锁模、调q 等) 具有 重要意义。较宽的吸收带、尖锐的荧光谱线、较大的发射截面是激光器工作物质必 备的性质，有效地选择激光晶体，有助于激光器更高效率的运转。 调制晶体是电光调制器的核心部件，它按一定的方向加工成圆柱体或长方形体 状。常用的电光调制晶体有l i n b 0 3 、k d p 、b b o 等，为实现不同的激光器参数应 选择不同的电光调制晶体。 本章介绍了几种常用的激光晶体材料特性及光学特性，重点比较了n d ：y a p 和 n d ：y a g 的性能以及掺钕激光晶体在1 3 “m 波段输出的光学特性。此外，还介绍了 几种常见电光调q 晶体( l i n b 0 3 ，k d p ，b b o ) 的基本性质。 第二节激光晶体特性介绍和选择要求 1 2 1 激光晶体概述 激光晶体作为激光器的增益材料，是将激活离子取代基质中的阳离子掺入基质 材料( 晶体、玻璃等) 而构成的掺杂型晶体。激光晶体通过受激吸收、受激发射这 样的能级转换，将廉价的泵浦光转换成高质量的激光光束，激光跃迁的光谱特性则 由激活离子的能级结构决定。目前所采用的激光晶体有几百种，主要可以分为氧化 物晶体、氟化物晶体和含氧酸盐晶体三大类。自第一次用红宝石( c r 3 + ：a 1 2 0 3 ) 实现 激光输出以来，以二价稀土离子( d y 2 + 、s m 2 + 、t m 2 + ) 、三价稀土离子( n d 3 + 、g d 3 + 、 c e ”、p r ”、e r 3 + 、e u ”、y b 3 + 、t m 3 + 、h 0 3 + ) 、过渡金属离子( t i 3 + 、n i 2 + 、c 0 2 + 、c r 3 + ) 和锕系离子u 3 + 为激活离子掺入各种基质材料都实现了激光作用。光学区域中的跃迁 电子受周围晶体晶格外层电子的屏蔽，使得掺有上述离子的晶体的荧光谱线都很尖 锐。在各种各样的激光晶体中，以掺杂稀土离子的晶体数量最多，这主要是因为稀 土离子几乎在电磁波谱的可见光和近红外部分每一个区域都有很尖锐的谱线。 总之，为了满足激光应用的要求，在选择适于固体激光器件运转的增益材料时， 可以考虑如下判据。 福建师范大学硕士学位论文 l 、对于基质材料： ( 1 ) 晶格位必须能够接收较高浓度的激活离子，浓度淬灭效应小，其局部晶体场 必须具有对称性和感应出期望的光谱特性所需要的强度。 ( 2 ) 耐水性好，化学性质稳定，有较大的热导率、较大的热扩散系数、较小的热 膨胀系数和较大的抗热冲击能力。 ( 3 ) 较好的光学质量。折射率变化会导致光在晶体内部不均匀地传播，产生质量 差的光束，这就要求材料中包裹、缺陷和其他散射中心尽可能少、激光和泵浦波长 处的吸收尽可能少、折射率温度系数小，避免产生入射光的畸变和偏振态的变化。 ( 4 ) 有较好的机械性能。高应力破裂极限和较大的抗张强度：有适当的硬度以适 应抛光要求；小的应力一光学系数以避免或减小热透镜效应；对高功率、大能量激光 器选材还应具有高激光损伤阈值。 ( 5 ) 容易生长出大尺寸的掺杂晶体，制备工艺简单，成本低廉，同时又要维持好 的光学质量和高产出。 2 、对于激活离子： ( 1 ) 可以均匀地分布在基质中。 ( 2 ) 在激光波长处没有基态或激发态吸收。 ( 3 ) 为了充分利用所有的泵浦能量，应有适当的亚稳态能量存储时间。 ( 4 ) 原子价与基质离子相同，半径与后者相差较小。 ( 5 ) 发射线宽能满足受激发射几率和调谐波长范围的要求。 ( 6 ) 对泵浦光的吸收系数较大。 ( 7 ) 在激光波长处能以高量子效率有效地产生光辐射。 ( 8 ) 为了达到最大的泵浦吸收和最小的淬灭，应具有合适的离子间相互作用。 ( 9 ) 为了使泵浦能量可以高效地转换到亚稳态能级，应具有较小的量子缺损。 1 2 2 掺钕激光晶体介绍 n d 3 + 是最早用于激光器的三价稀土离子，它可以在许多基质材料中掺杂，如玻 璃、氟化物、氧化物、硝酸盐、硅酸盐和钒酸盐等，在一些有序结构的晶体中具有 出足够长的荧光寿命，并且具有较窄的荧光线宽和远高于基态的激光跃迁终端能态， 易于实现室温下的连续工作。掺钕离子晶体的能级结构大致相同，主能级用光谱项 2 s + 1 l j 表示，每一个能级被晶格场分裂成( j + 1 ) 2 个子能级，子能级位置因不同基质 而有所差别，但每个能级的权重中心( c e n t e ro fg r a v i t y ) 基本相同。n d 3 + 的跃迁主 第一章激光晶体和调q 晶体的物理与光学特性 要有四种，分别对应于lp m 波段、0 9p m 波段、1 3 岬波段和1 8 岬波段，其中 1 8g m 波段的谱线跃迁截面十分小，故不采用。另外，激活离子n d 3 + 的吸收峰与g a a s 二极管辐射标准光谱相重合，非常适用于l d 泵浦，迄今已获得很高的激光运转，因 此仍占据着十分重要的地位。目前，最常见的掺钕离子激光晶体有n d ：y a g ，n d ：g g g ， n d ：y a p ，n d ：g d v 0 4 ，n d ：y l f ，n d ：y v 0 4 等。 1 2 3n d ：y a g 和n d ：y a p 晶体的性能比较 l 、n d ：y a g 的物理和光学特性。 y a g 是目前国内外研究、开发和应用最活跃的体系。y a g 是高硬度、高热导 率、无色、光学各向同性的立方结构晶体，其中y 3 + 、a 1 3 + 和0 2 。按一定规律排列在 晶体点阵上。将一定比例的a 1 2 0 3 、y 2 0 3 和n d 2 0 3 在单晶炉中进行熔化时，部分 y 3 + 被n d 3 + 取代后形成固体激光增益材料掺钕钇铝石榴石( n d ：y a g ) 。1 9 6 4 年， 贝尔实验室的g c u s i c 等人首次报道了采用n d ：y a g 晶体实现激光输出【4 5 】。n d ：y a g 的物理和光学特性如表1 1 所示。 表1 1n d ：y a g 的物理和光学特性 t a b l e1 1t h ep h y s i c a la n do p t i c a lp r o p e r t i e so f n d ：y a g 化学式n d y ，a i 。n 晶格结构立方晶系 晶格常数1 2 o t a 熔点 1 9 7 0 密度456空cm3 断裂应力f 1 3 2 6 1 1 0 6 l c g c m 2 莫氏硬度85 折射率1 8 2 热导率7 8 x 1 0 。6 ，kn 1 1 1 ，0 2 5 0 c 受激发射截面( 4 f ，4 l 跃迁) 弛豫时间 1 0 6u m 时的光子能量 荧光寿命 2 8 x1 0 - 1 9 c r n 2 3 0n s 1 8 6 x 1 0 l g j 2 3 0u s 欹l e c 翅扛q q q 2 m ：! n d ：y a o 的激光特性主要取决于n d 3 + 离子的特性，n d 3 + 外层的电子组态为 4 f 3 5 s 2 5 p 6 ，其中4 f 壳层未填满，其他都是满层壳。未满壳层的三个电子可以处于不 福建师范大学硕士学位论文 同的运动状态，形成一系列的能级。n d ：y a g 在室温下的荧光跃迁有2 0 多种，它们 都集中在近红外波段。 在生长方面，用提拉法较易生长出高质量大尺度的晶体，从最低的温度直到熔 点，n d ：y a g 的结构都很稳定。根据需要可选用不同的掺杂浓度来改善n d ：y a g 的 某些性能，当掺杂浓度接近1 2 a t 时，可获得高储能：当掺杂浓度约为0 5 a t 至 0 8 a t 时，可获得很好的光学质量。 n d ：y a g 晶体的吸收谱线图如图1 1 。从图可知，在波长大于4 0 0n m 的范围内， 主要有五个光谱吸收带，中心波长分别在5 2 5n m ，5 8 5n l t l ，7 5 0n n l ，8 0 8n l t l ，8 7 0n m 附近，每个带宽约为3 0n m ，其中以7 5 0m n 和8 0 8n m 为中心的两个光谱吸收带尤 为重要。对于8 0 8n m 的较强的吸收峰，非常适合采用g a a s 激光二极管泵浦。 扫 唱 g 勺 一 8 召 占 i o o 9 o g o 。7 o 6 o 5 瞳4 。l 玑。 i ii。：hi i i 。- ji llui il i i i i叫iik m 1 _n l 叭l ! “ii。 ii 、 ， 、一州u 二一支* i 1 n 1 ，k从j io 第一章激光晶体和调q 晶体的物理与光学特性 r 睾 邑 氟 蓦 目 s t a r k $ p f i t t i n g s r 2 r 卫 图1 - 2n d ：y a g 的能级图 f i g 1 - 2t h ed i a g r a mo fe n e r g yl e v e l so f n d ：y a g 4 f 3 忍4 i i l 2 的跃迁是三个跃迁中最强的受激辐射，为斯塔克分裂能级的子跃迁 r 2 y 3 的谱线，发射1 0 6 4n i i l 波长的激光：4 f 3 尼一4 i 眈的跃迁为准三能级系统，主要 产生9 4 6n i n 波长激光；4 f 3 ，2 4 1 1 3 ，2 跃迁主要包含了两个斯塔克能级分量r 2 x 3 和 r 2 x 1 的较强子跃迁，分别发射1 3 3 8n m 和1 3 1 9n m 波长光谱。表1 2 为n d ：y a g 材料的子跃迁相关参数。 表1 2n d ：y a g 材料的子跃迁相关参数 ! 生! 呈! ：三! ! 塑! 塑q 垒里璺望坚堂! 12 1 盟曼：垒g 巴坐：i 型 谱线 波长 截面 n d ：y a g 性能优良，被广泛应用于医疗、国防、工业和科研领域，是迄今用途 最广、产量最大的激光晶体之一。 2 、n d ：y a p 的物理和光学特性。 n 加 8 6 4 2 o 福建师范大学硕士学位论文 掺钕铝酸钇n d ：y a p ( n d ：y a l 0 3 ) 由n d 3 + 离子掺入铝酸钇晶体形成，是一种优秀 的高储能激光晶体。基质晶体y a p ( y a l 0 3 ) 是从与y a g 相同的系统中发现，为v 2 0 3 和a 1 2 0 31 ：1 的钙钛矿相，y a g 为3 ：5 的石榴石相。属正交晶系，是正菱形和光学各 向异性的负双轴晶体，具有天然的双折射特性，在克服热致退偏振和激光非线性频 率变换等方面非常有用。两光轴方向在a c 平面上互成7 0 0 角，锐角等分线是c 轴。 沿着不同的晶轴切割，可以获得不同的增益系数、偏振方向和受激发射截面。一个 沿b 轴切割的n d ：y a p 晶体，可输出平行于a 轴方向和c 轴方向偏振的不同波长的 荧光光谱。另外，y a p 还具有很好的物理、化学和机械性能，可与n d ：y a g 晶体媲 美。由于热导率大、基质较硬等特性，适用于大功率l d 侧面泵浦激光器。 图1 3 为n d ：y a p 晶体对不同偏振光的吸收谱图。由图可知，在8 0 0n m 附近，基 态4 1 9 z a 的n d a 十离子对偏振方向不同的光，其吸收峰值中心也不一样。在非偏振光抽运 的情况下，吸收带比较宽，这样对泵浦源的热稳定性要求不是很高。 图t - 3n d ：y a p 对偏振方向不同躬光的吸收谱 f i g 1 - 3a b s o r p t i o ns p e c t r a o fd i f f e r e n tp o l a r i z e dl i g h t n d ：y a p 中的n d 3 + 处于基质材料的晶格势场中，图1 4 为它的能级图，n d ”4 f 子层的3 个电子能够处于不同的量子态中，形成以三价钕离子作为激活粒子的四能级 系统。n d 3 + 吸收8 0 0n i n 波段的泵浦光子能量后跃迁到高能级4 f 5 2 ，然后经无辐射驰 豫跃迁迅速降落到亚稳态能级4 f 3 2 ，处于该能级的三价钕离子可以向三个终端能级 4 i 蚍、4 i l l ，2 、4 1 1 3 2 辐射跃迁，分别发射0 9p m 、1 “m 、1 3 “m 的谱线，它们相对4 f 3 2 的发射分支比为0 2 4 ：0 6 3 ：0 1 3 。 第一章激光晶体和调q 晶体的物理与光学特性 1 2 1 0 a n i f b l dc e 盹瑙 s t a r k 跏u t t i 蹿 o f g r a r i t y一一一。1 7 4 f 5 1 1 2 4 f 3 尼 图1 - 4n d ：y a p 的能级图 f i g 1 - 4t h ed i a g r a mo f e n e r g yl e v e l so f n d ：y a p 其中4 f 3 2 - 4 i 蛇的跃迁主要产生9 3 0n m 波长激光，为准三能级系统，激光运转过 程中，它对激光晶体的温度十分敏感，当晶体温度过高时，下能级粒子数分布受温 度影响严重，不易发生粒子数反转；4 f 3 2 - 4 1 1 1 2 的跃迁是三个跃迁中最强的受激辐射， 由于斯塔克效应，主要产生1 0 6 4n m ，1 0 7 2n m ，1 0 7 9n m 三个波长的激光；4 f 3 2 - 4 1 1 3 2 的跃迁，它主要包含了r 2 x 3 和r 1 x 1 两个斯塔克能级分量的跃迁，分别产生较强 的1 3 4 1i l m 和1 3 3 9n m 波长激光。 n d ：y a p 由于受光学各向异性的晶体结构影响，各个斯塔克子跃迁对应不同的 偏振，因而受激发射截面差别较大，通过改变晶体轴向即可改变增益。对于沿b 轴 切割的n d ：y a p 晶体的4 f 3 2 - 4 i l l 2 和4 f 3 2 - 4 1 1 3 a 跃迁，产生a 偏振激光时，分别对应的 1 0 6