（物理电子学专业论文）大功率、高亮度全固态绿光激光器及紫外激光器研究.pdf

摘要 全国态激光器( d p l ) 因为具有热效应小、效率高、器件结构紧凑，能获得 高功率和高光束质量输出等优点，而成为固体激光器一个富有生命力的发展方 向，倍受青睐。输出功率大于i o o w ，甚至达到i o w ，m 2 接近l 的大功率、高亮 度全固态激光器在工业材料加工、战术军用和惯性约束聚变等方面展示出广阔的 应用前景，更是当前全固态激光器研究的前沿课题。全固态激光器技术结合非线 性光学频率变换技术是目前最有前途的紫外光源获得方案。 本论文主要进行了以下两个方面的工作： ( 1 )对获得大功率、高亮度激光输出的常用的基模动态稳定腔( d s r s ) 技术， 最近发展出来的三镜或四镜d s r s 技术以及双棒串接腔技术( 插入9 0 。偏振旋光 片补偿热致双折射) 技术进行了解析分析和图解分析。尤其是首次采用图解法分 析了当两个泵浦组件具有稍微不同的热效应时，双棒串接谐振腔及插入9 0 。偏 振旋光器补偿热致双折射的双棒串接谐振腔的稳定性和模式特性与理想情况的 差异，揭示了双棒的不同热透镜焦距对双棒串接腔的巨大影响，并在通过实验获 得证实。在实验中我们采用两个c e o 公司的1 5 0 w ( 1 0 6 4 n m ) l d 泵浦组件，使用 对称双棒串接腔获得了2 6 5 4 w 的激光输出，电光转换效率约为1 03 。 ( 2 )对比分析了在高功率、高重复频率全固态绿光激光器中采用按常温匹配 角切割k t p 晶体和按高温匹配角切割k t p 晶体的优缺点，在实验中采用8 0 切 割i i 类相位匹配的k t p 晶体( 0 = 9 0 。，巾= 2 4 8 9 ) ，以c e o 公司的1 6 0 0 w ( 8 0 8 n m ) l d 泵浦组件作为泵浦源，利用高效率凹平谐振腔，在泵浦电流为1 7 7 a 时获得 了高达0 1 i r 的5 3 2 n m 绿光输出，这是目前国内最高水平。8 0 8 n m - - 5 3 2 n m 的转 换效率约为1 0 ，电光转换效率约为4 6 ，声光q 开关的重复频率为1 0 6 k h z ， 脉冲宽度为1 4 2 n s 。在连续运转1 0 分钟内，输出功率的波动极小，稳定性优于 9 9 。在对高功率、高重复频率内腔倍频绿光激光器的谐振腔的理论分析中，将 高平均功率运转条件下k t p 晶体的热效应等效为薄透镜。采用图解分析方法，证 明了高平均功率运转条件下k t p 晶体的热效应会对谐振腔的稳定性和腔内激光 模式产生极大的影响，说明了考虑其热透镜效应的重要性，并能够与实验很好的 吻合。在高功率、高重复频率绿光激光器的基础上，采用i 类相位匹配( 0 = 4 7 6 9 ) 的b b o 倍频晶体，实验中测得了2 6 6 n m 激光光谱，但由于缺乏有效的分光措 施无法测得输出功率。 关键词：全固态激光器、高功率、高亮度、基模动态稳定腔、双棒串接腔、9 0 。旋光片、热效应、热致双折射补偿、绿光激光器、紫外激光器 a b s t r a c t c o m p a r i n gw i t ht r a d i t i o n a lf l a s hl a m p ，d i o d e p u m p e ds o l i d s t a t el a s e r ( d p l ) h a s al o to fa d v a n t a g e s ，s u c ha sl o w e rt h e r m a le f f e c t s ，h i l g h e re f f i c i e n c y , c o m p a c t n e s s ， l o n g e rl i f e t i m e ，s t a b i l i z e ，r e l i a b l ea n dh i g hp o w e ro h t p u tw i t hh i g hb e a mq u a l i t y s o n o w , i th a sb e e nv e r yp r o m i s i n gi ns o l i d - s t a t el a s e rf i e l d s i n g l et r a n s v e r s em o d e d p l sw i t h o n t p u tp o w e ro fo v e r l o o w ：e v e n1 0 0 0 一wa r ea t t r a c t i v ef o rt h e a p p l i c a t i o n s o fm a t e r i a l p r o c e s s i n g ，m i l i t a r y t a c t i c sa n di c fa n dh a v eb e e na p r o m i s i n gt o p i ci nt h i sf i e l d u vl a s e r b a s e do nd p l sa n dn o n l i n e a r o p t i c a lf r e q u e n c y c o n v e r s i o nt e c h n o l o g yi so n eo f t h em o s ta c t i v ea r e a si nl a s e rt e c h n o l o g yi n n o v a t i o n s t w o p a r t so f w o r ka r ei n v o l v e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ，a sf o l l o w s ( 1 ) t h e c o n v e n t i o n a lt w o m i r r o r d y n a m i c a l l y s t a b l e r e s o n a t o r s ( d s r s ) ，t h r e e o r f o u r - e l e m e n td s r sd e v e l o p e dr e c e n t l ya n dt h er e s o n a t o r sw i t ht w ol a s e rh e a d s a n da 9 0 。q u a r t z r o t a t o ri nb e t w e e nu s e df o rt h et h e r m a l b i r e f r i n g e n c e c o m p e n s a t i o no fl a s e rr o d sa r ca n a l y t i c a la n dg r a p h i c a la n a l y z e d e s p e c i a l l y , w e a r et h ef i r s to n ew h o g r a p h i c a la n a l y z et h es t a b i l i t ya n dm o d ec h a r a c t e r so f t h et h e t w o r o dr e s o n a t o r sw i t ho rw i t h o u tt h e 9 0 。q u a r t zr o t a t o ri nb e t w e e n w h e nt h e t w or o d sh a v e s l i g h t l y d i f f e r e n tt h e r m a lf o c a l l e n g t h s i nc o n t r a s tw i t ht h e c o n d i t i o no ft h es a m et h e r m a lf o c a il e n g t h s a n dd e m o n s t r a t et h a tt h ed i f f e r e n c e w i l l g r e a t l y a f f e c tt h et w o r o dr e s o n a t o r s t h e nt h ep o i n to fv i e wh a sb e e n e x p e r i m e n t a l l ya p p r o v e d i no u rt w o r o dr e s o n a t o r s e x p e r i m e n t t w o 1 5 0 一w ( 1 0 6 4 n m ) l dp u m p i n gm o d u l e s m a n u f a c t u r e db yc e oc o m p a n ya r e u s e d a n dt h e n2 6 5 4 一w1 0 6 4 n ml a s e r o h t r u t i so b t a i n e d t h e e l e c t r i c o p t i c c o n v e r s i o ne f f i c i e n c yi sa b o u t1 0 t 3 ( 2 ) t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fk t pc r y s t a lc u ta th i g h - t e m p e r a t u r ep h a s e m a t c ha n g e la n da tr o o m t e m p e r a t u r ep h a s em a t c h a n g e lh a v eb e e nc o n t r a s t i v e l y a n a l y z e d d u r i n gt h ep r o c e s s o fe x p e r i m e n t ，t y p e - i i p h a s em a t c hs h gk t p c r y s t a lc u ta t8 0 c ( 0 = 9 0 0 ，( p = 2 4 8 。1i su s e da n dl l1 w5 3 2 n mg r e e nl a s e rw h i c h i st h eh i 曲e s tr e c o r di nc h i n ai so b t a i n e d w i t h 1 6 0 0 w ( 8 0 8 n m ) l dp u m p i n g m o d u l e e f f i c i e n t l y c o n c a v e f i a t r e s o n a t o r , a t 1 7 7 a p u m p i n g c u r r e n t t h e c o n v e r s i o nf r o m8 0 8 n ml a s e rt o5 3 2 n ml a s e ri sa b o u t1 0 a n dt h a tf r o m e l e c t r i c i t yt o l a s e rn e a r4 6 t h ea oq s w i s h p r o d u c e db yg o o c h & h o u s e c o m p a n y i so p e r a t i n ga t1 0 6 k h z a n dt h ep u l s ew i d t hi s1 4 2 n s t h ef l u c t u a t i o no f l l1 w g r e e nl a s e ri sv e r ys m a l l ，d u r i n go v e rt e nm i n u t e s ，t h es t a b i l i t yi se x c e l l e d 9 9 w bl o o kk t p c r y s t a lo f o u r h i g h - p o w e rh i g h r e p e t i t i o n - r a t eg r e e nl a s e r a sa t h i nl e n s ，w h e nw es t u d yt h er e s o n a t o ri n v o l v e db y g r a p h i c a lm e t h o d a n d d e m o n s t r a t e 血a tt h et h e r m a ll o n se f f e c to fk t pi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t f a c t o r s ，w h i c ha f f e c tt h es t a b i l i t i e sa n dm o d ec h a r a c t e r sg r e a t l y , t h er e s u l t sc a n m e e to u r e x p e r i m e n tv e r yw e l l i no r d e r t oo b t a i n2 6 6 n mu v l a s e r , w eu s eat y p e i p h a s em a t c h b b o c r y s t a l ( 0 = 4 7 6 0 1p u m p e db y t h eg r e e nl a s e ra b o v ea n daf o c u s l e n $ t h es p e c t r u mo f2 6 6 n mu vl a s e ri sm e a s u r e db yau v s p e c t r o m e t e r b u tw e c a nn o to b t a i nt h eo u t p u tp o w e rf o ra b s e n c eo fa v a i l a b l es p e c t r o s c o p e s k e y w o r d s ：a l l s o l i d s t a t e l a s e r ，h i g h p o w e r , h i g h b r i g h t n e s s ，d y n a m i c s t a b l e r e s o n a t o r , t w o r o dr e s o n a t o r , 9 0 。r o t a t o r , t h e r m a l b i r e f r i n g e n c e c o m p e n s a t i o n ，t h e r m a le f f e c t ，g r e e nl a s e lu v l a s e r 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外。论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨垄盘堂或其他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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：罔窑 签字日期：2 。吗年陀月2 5 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盔鲞盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者魏周巷 签字日期：p 西年i 2 月2 5 日 新签名：枷瞳仔 签字日期：7 哪年i z 月凹日 第一章概述 1 1 全固态激光器的发展历史 1 9 世纪6 0 年代是全固态激光器的萌芽阶段，在此阶段，科学家预见到了激 光二极管泵浦代替闪光灯泵浦固体激光材料所能带来的潜在的优点，但是，由于 半导体工艺的限制( 激光二极管的寿命短，阈值高，效率低，常温下发射谱线不 能与增益材料的吸收峰相对应，需要冷却到极低的温度) ，实际可用的全固态激 光器并没有出现。1 9 6 3 年r n e w m a n 1 用g a a s 二极管8 8 0 n m 附近的辐射去泵浦 n d ：c a w o 。，得到了1 0 6u 【i 的荧光输出，n e w m a n 意识到g a a s 二极管激光器发射波 长与钕离子的泵浦吸收带的光谱重叠可导致高效率、结构紧凑的全固态激光器的 出现。美国m i t 林肯实验 2 在1 9 6 4 年，展示了第一台激光二极管泵浦的固体激 光器，这台d p l 以g a a s 二极管为泵浦源，工作物质为g a f 。：u ”，在2 6 1 3 “m 波长运 转，整个装置在液氦中冷却至4 k 。1 9 6 8 年，麦道宇航公司的r o s s 3 实现了第一 台用g a a sl d ( 8 6 7 n m ) 泵浦的n d ：y a g 激光器，但l d 必须冷却到1 7 0 k ，以实现波 长匹配。 1 9 世纪7 0 年代是全固态激光器缓慢发展的阶段，半导体生长工艺仍然没有 突破，激光二极管泵浦源的低功率和低转换效率阻碍了全固态激光器技术上的进 步。大多数的试验还只能低温下进行，常温运转的试验装置开始出现。d p l 的研 究在n d ：y a g 激光器的设计、制作和新的增益材料以及波导激光三方面得到了明 显的进展。1 9 7 2 年，d a n i e l m e y e r 4 采用激光二极管泵浦n d ：y a g 首次实现了能 够在室温条件下工作的全固态激光器激光器，全固态激光器的发展出现一缕曙 光。j a c k s o n 和r i c e 5 用短脉冲泵浦得到准连续输出；同时展开了纵向泵浦工 作r o s e n k r a n t z 6 在1 9 7 3 年首次报导了脉冲工作的l d 端面泵浦实验。室温下 的端面泵浦也进行了实验。之后几种新的固体激光增益材料出现了，如n p p 及 l n p 等。全固态激光器的另一个发展方向是波导激光器，用波导结构代替块状结 构，1 9 7 8 年b e l l 实验室的s t o n e 和b u r r u s 7 首先实现了单晶光纤激光器，典 型的光纤芯径为3 5 p m ，长度为l c m 。这种波导激光器用l d 泵浦，可作为光纤中 继放大器。 1 9 世纪8 0 年代以来，随着在光学记录等行业使用的高效率、高功率的激光 二极管及其列阵的发展，打破了全固态激光器发展的停滞状态，进入了一个蓬勃 发展的新时期。半导体激光器吸收了半导体物理研究的新成果，采用了量子阱 ( q w ) 和应变量子阱( s l q w ) 等新结构，发展了晶体生长技术的新工艺：m b e 、 m o v c d 及c b e 等，新的外延生长工艺能够精确控制晶体生长，达到原子层厚度的 精度，生长出优质量子阱及应变量子阱材料。激光二极管的阈值电流明显降低， 第一章似生 转换效率也大幅度提高，输出功率成倍增长，使用寿命也显著增长。1 9 8 3 年币 个激光二极管输出功率已超过1 0 0 m w ：1 9 8 8 年单条1 0 0 um 宽的激光二极管最大连 续输出已达3 7 w ，美国s d l 在1 9 8 9 年研制出l c m 线阵列最高连续输出功率可达 7 6 w ，转换效率达3 9 ；目前5 - 2 0 w 连续波l d 已有系列产品，1 9 9 3 可买到3 0 w 的阵列；1 9 9 2 年的c l e o 会议上，美国报导了l c m 阵列连续波功率1 2 1 w 输出和 4 5 的效率；在准连续状态工作的激光器中，峰值功率为5 0 w 、1 2 0 w 、1 5 0 0 w 和 3 k w 的系列已商品化。1 9 9 2 年麦道公司为钕玻璃板条激光器制造了一个大泵浦 源，阵列组件包含6 5 0 0 个激光条，输出峰值功率为3 5 0 k w 。这些都表明了高功 率二极管激光器的进步，这种高功率二极管激光器成为全固态激光器的强大基 础。 全固态激光器的工作也随着激光二极管的发展迈上了一个新的台阶，取得了 突飞猛进的发展，并达到了实用水平，美国a m o c ol a s e r 、s p e c t r a p h y s i c s 、 s d l 公司等在该领域异常活跃的几十个公司分别推出各种型号的连续和脉冲小 型d p l 激光器。传统灯泵浦固体激光器赖以占有世界激光器市场主导地位的所有 各种振荡方式，使用激光二极管作为泵浦源都可以成功地加以实现，全固态激光 器成为重要的发展方向之一。尤为引人注目的是以高功率全固态激光器及其应用 研究的新进展。被称为具有“里程碑”意义的事件之一是美国劳仑兹- n 弗莫尔 国家实验室于1 9 9 3 年研制成功的千瓦级高功率二极管泵浦n d ：y a g 激光器， 其体积仅有葡萄柚般大小。另一事件是1 9 9 4 年美国能源部宣布批准实施“国家 点火设施”( n a t i o n a li g n i t i o nf a c i l i t y ，简写为n i f ) 计划，并在劳仑兹- - n 弗莫 尔国家实验室建成的单束元装置( b e a m l e t ) 上全面考核了n i f 将使用的关键技 术和元器件性能。据预测，如果大功率激光二极管价格下降l 2 个数量级，全 固态激光器将成为主流激光器，灯泵浦的固体激光器，染料激光器和气体激光器 将逐渐被全固态激光器所替代。 1 2 大功率、高亮度谐振腔设计的发展历程 输出功率大于1 0 0 w ，甚至达到1 0 0 0 w ，m 2 接近1 的全固态大功率、高亮度激 光器是当前全固态激光器研究的前沿课题。无论从军事应用还是从工业应用来 看，都要求全固态激光器不仅具有大的激光输出功率，同时，还要求输出激光具 有好的光束质量。在激光器大功率运行的情况下，还要求避免在腔内所有光学元 件处形成小的基模光斑尺寸。除此之外，还要保持激光器的适度紧凑型，腔长不 能过长。 工作在基模的激光器通常要求在谐振腔中插入光阑，以阻止高阶模的起振。 在这种情况下，由于发生激光作用的激活材料的体积较小，所以这种激光器的效 第一章概述 率一般较低。采用特殊的谐振腔结构可以获得大直径的t e m 0 。模，但是，如果设计 标准不合适，谐振腔对小的扰动也会相当灵敏。另外，在固体激光器中，棒的热 聚焦明显的改变了模式，泵浦引起的焦距变化也可能会强烈地干扰激光输出，甚 至使激光器不能具有任何实际的或可靠的应用。对工作在基模的固体激光器中棒 体积的有效利用，需要结局两个相互矛盾的问题：棒中模体积必须大，而谐振腔 又应该尽可能的保持对焦距和对准的扰动不灵敏。 获得大功率高亮度激光输出主要采用以下三种方式：( 1 ) 基模动态稳定腔 技术：( 2 ) 双棒( 多棒) 串接腔技术：( 3 ) 主动振荡一功率放大( m o p a ) 技术。 下面我们将分别对这三种过得大功率高亮度激光输出的方法进行简要的介绍 1 2 1 基模动态稳定腔 插入负透镜，或者使用内部包含有望远镜的谐振腔，或者使用包含有一面凸 镜的谐振腔，可以对激光棒的正透镜效应进行一级补偿。在高功率泵浦条件下， 激光棒由于同时受到泵浦和冷却的作用会产生很严重的热效应，文献 8 1 1 比较 详细地描述了热透镜效应，文献 1 2 建立了一种对端面镜以外的其他光学元件构 成的谐振腔进行分析所需要的理论，它适用于腔内有一个薄透镜的谐振腔。就一 级近似而言，可以将这一透镜的作用看成激光棒引起的热透镜效应。为了补偿棒 的热透镜效应，人们做了很多的努力，早期的补偿方法主要是在腔内插入凹透镜 1 3 ，或是将棒的端面磨成凹面 1 4 ，1 5 ，这种补偿方式能够起到一定的效果， 但是只能补偿一定泵浦功率下的热透镜焦距，当泵浦功率改变时就无能为力了， 现在已经能够利用非球面镜来补偿高阶相位像差 1 6 。c h e s l e r 和m a y d a n 1 7 比 较详细的描述了在高平均功率的固体激光器中，用凸凹谐振腔稳定高效地产生 t e 模的情况。由一个小半径的凸面镜和一个大半径的凹面镜构成的热稳定腔， 由于凹面镜部分的补偿了热透镜效应，因而可以得到大的基模体积。采用凸凹谐 振腔，当热透镜焦距变化时也能够起到补偿作用，但是前提条件是棒的热效应必 须较弱，即热透镜焦距较长。由s t e f f e n 等人引入的基模动态稳定腔( d s r s ) 1 8 ，1 9 技术在获得大功率高亮度激光输出上取得了很大的进步，给出了谐振腔动态稳定 的热不灵敏条件，满足热不灵敏条件的谐振腔在热透镜焦距变化时也能够获得稳 定的基模运转。但是s t c f f c n 等人只是对基模动态稳定腔进行了初步的分析的，棒 是随意的放在靠近一个腔镜的地方，其距离与腔长相比是可以忽略的，并没有包 含所有的情况。后来，基模动态稳定腔技术又得到了发展，m a g n i 等人 2 0 一2 3 全 面阐述了在早期对动态稳定凹凸腔所作的工作，并竭尽全力的对基模动态稳定腔 进行了分析，使其得到了完善和补充。文献 2 4 指出，对于一定的谐振腔，当激 光棒的焦距发生变化时，总会存在两个稳定区，就棒的动态光学功率而言，这两 第一章概述 个稳定区具有相l 司的宽度，在激光棒中基模体积与这一宽度成反比，就镜的失调 灵敏度而言，这两个稳定区具有不同的失调灵敏度。文献 2 5 - 2 9 中描述了动态 基模稳定腔的设计步骤，在这类腔中，选择适当的腔镜曲率就能控制棒内模体积 的波动。文献 3 0 采用了一个辅助凸透镜设计了一个多元素d s r ，应用于具有较 长的热透镜焦距的n d ：y l f 激光器。文献 3 1 】采用一个凹面镜搭建了一个折叠腔， 通过调整折叠臂的长度来选择平板介质中的基模半径。r e n z h o n gh u a 3 2 等人在 两镜基模动态稳定腔的基础上发展了一种四镜的多元素灵活紧凑的动态基模稳 定腔，它通过在谐振腔中插入两个辅助透镜，一个凹透镜和一个凸透镜来实现在 较短的谐振腔长条件下获得基模激光输出，并第一次系统的分析了这种四元件 d s r 的特性，并在实验中获得了很好的效果。s a k i e s 和h a n n a 等人 3 3 3 6 又将 基模动态稳定腔技术引入到望远镜腔中，能方便地实现可控制的调节，并能补偿 泵浦条件变化时发生的热透镜效应，这样通过微调整望远镜的离焦量就可以在很 大的泵浦功率范围内获得稳定的基模激光输出，并给出了这种动态稳定望远镜腔 的特点，获得了很好的实验结果。此外望远镜谐振腔避免了在凸凹腔设计中凸面 镜上出现很小的光斑，这对于输出工功率的典型q 开关n d ：y a g 激光器特别重要。 文献 2 8 以图示的方法给出了他们关于望远镜腔的研究成果。文献 3 7 ，3 8 证明 在基模动态稳定腔中，棒的位置是一个至关重要的影响因素，采用合适优化方法 可以提高激光器性能。 机械失调灵敏度是影响谐振腔的稳定性的另一个关键因素。一个设计合理的 谐振腔不仅要能获得大基模体积的激光输出，同时要有很好的机械稳定性，如果 机械调整很困难，那么谐振腔将变得很不可靠 3 9 ，4 0 。较差的机械稳定性将使 输出光束发生横向位移和角倾斜，增大了衍射损耗，降低了输出功率。通常用求 出灵敏度矩阵的方式来获得扰动对模式的一级影响 4 1 ，4 2 。文献 4 3 4 6 都对谐 振腔的失调灵敏度进行了分析，文献 4 7 ，4 8 给出了完整的优化设计具有最小的 失调灵敏度的基模动态稳定谐振腔的固体激光器方案。文献 4 9 指出腔镜曲率半 径相对小的谐振腔具有较低的失调灵敏度，双曲面镜谐振腔的失调灵敏度最低， 平凹腔的失调灵敏度大于双曲面镜谐振腔 5 0 。 文献 5 1 ，5 2 采用上面的优化设计方法搭建了连续n d ：y a g 激光器，获得了很 好的结构，极大的提高了激光器的输出功率和谐振腔的稳定性。对于采用具有很 大热透镜焦距的t e y a 6 激光晶体，这种通用的设计方法仍然适用 5 3 。在文献 5 4 的基础上，文献 5 5 证明了谐振腔参数的独立性，即使谐振腔保持稳定的泵浦功 率范围与模体积成反比，而且这时激光介质的一个特性。为了获得更高的t e 模 输出，和较宽的稳定工作范围，可以采用具有较低的热透镜效应的激光晶体。目 前，在这一领域最有前途的激光晶体使n d ：y l f ，因为它具有极小的热透镜效应。 4 第一章慨述 文献 5 6 5 8 用实验证明了采用上面的优化设计基模动态稳定腔方法，n d ：y l f 有优于n d ：y a g 的基模运转性能。 1 - 2 2 双棒( 多棒) 串接腔 多棒串接腔技术实际上是一种光束相干合成的技术方案，其主要优点是 可以与棒的数量成正比的增加输出功率( 能量) ，而同时保持单棒输出光束质量 几乎不变。k u s h n i r 5 9 第一次提出采用多棒串接腔技术可以增加输出功率，而 不使光束质量变差。文献 6 0 】在基模动态稳定腔的基础上对双棒串接腔的特性进 行了详细的分析，并与单棒谐振腔进行对比，得到双棒串接平行平面腔具有最好 的模式特性，最宽的稳定运转范围的结论。文献 6 1 利用3 个泵浦组件，在没有 采用其他热致双折射补偿措旌的条件下，获得了5 4 k w 的激光输出。双棒串接腔 + 9 0 。旋光片补偿热致双折射是获得高功率、高光束质量激光输出的最常用的方 法，关于这种方法的应用的报道很多，文献 6 2 采用双凹镜直腔分别获得了1 0 7 w 的激光输出。其m 2 = 5 9 ，电光效率为1 1 6 ，1 4 7 w 的激光输出，m 2 = 4 5 ，电光 效率为1 4 8 。文献 6 3 采用平面镜v 形腔获得了6 8 w 的倍频绿光输出，其m 2 为 9 6 。文献 6 4 采用z 形腔获得分别获得了m 2 为8 的1 7 w 绿光输出和m 2 为1 2 的1 6 w 绿光输出。文献 6 5 采用双y b ：y a g 棒加9 0 。旋光片补偿热致双折射分别获得高 达1 0 8 0 w 的连续激光输出和5 3 2 w 的调q 激光输出，其m 。为2 2 。文献 6 6 通过在谐 振腔内插入两个凹透镜获得了高到2 0 8 w 的基模输出，其m 2 由时，热焦距可以近似从棒中心或者棒端面算起。 将n d ：y a g 的材料参量代入，可以得出与温度有关的折射率变化是形成热透 镜效应的主要因素。式( 2 1 1 ) 的括号中的第一项表示温度不均匀的影响，第 二项表示热应力的影响( 约占2 0 ) ，第三项表示端面效应的影响( 小于6 ) 。 如果忽略端面效应，焦距就与棒的材料常量和截面积成正比，与棒中的热耗 散功率成反比，与棒的长度无关。在应用中须注意径向和切向偏振的热焦距不同， 产生双聚焦，也就是说激光棒相当于双焦透镜，入射的线偏振波和非偏振波总会 存在径向和切向两个分量，产生两个焦点。对于n d ：y a g 计算值以f 约为1 2 ， 测量值在1 3 5 1 5 之间。两种不同偏振之间的焦距变化，意味着能够补偿径向 偏振光激光棒热透镜效应的谐振腔并不能有效地补偿切向偏振光的透镜效应。 2 1 2 热效应的消除及补偿 如果不采取措施补偿激光棒中的热效应及其导致的光学畸变，将会产生退偏 效应、基模体积减小、发散角增大、方向性变差等同题。目前减小或消除热效应 的主要措施为冷却、光学补偿和使用非圆柱形工作物质等，冷却主要是降低棒的 温度，光学补偿用于改善热不均匀造成的影响。非圆柱工作物质则两种效果都有。 ( 1 ) 热透镜效应的补偿 可以采用在谐振腔内加入负透镜的方法来补偿热透镜，或者将激光棒的平端 面修磨成凹面，此法仅在热焦距保持常量时有较好的效果，当热焦距偏离时会产 生欠补偿或者过补偿；也可以在设计谐振腔时考虑到激光棒作为厚的正透镜的影 响，采用相应的谐振腔( 如热不灵敏腔) 以便减小热透镜的影响。利用可移动的 光学元件，能够实现不同泵浦功率的一级动念补偿，这可以采用移动透镜或者反 射镜的方法来实现。近来也有采用热效应来补偿热效应的报道 2 4 ，它主要是 利用某些材料在谐振腔内受热产生负透镜效应来补偿激光棒所产生的正透镜效 应，而且还可以实现一定范围内的动态补偿。 ( 2 ) 热致双折射的丰p 偿 双折射补偿的目的是为了在棒的截面上每一点的径向和切向偏振辐射都获 得相同的相位延迟。这可以通过旋转两个相同激光棒之间的或者同一棒的连续光 路中的偏振光束，也就是交换径向和切向偏振分量来实现补偿。 笫一章人功毕、商亮度谐振腔研究 光线每一次通过径向温度分椰的激光棒时，都会在相同半径的径向偏振光和 切向偏振光之间产生相位差。如果将两支热致双折射效应相近的棒串接，并在中 间放入9 0 0 石英旋光片 5 ，6 ，这样第支棒中热致双折射产生的径向与切向分 量恰好在第二支棒中互换，相互抵消，使两个偏振光对应的相位延迟相同。在单 棒激光器中，可以在棒与后反射镜之间放置4 5 。法拉第旋转器来补偿径向和切向 偏振光之间的相位差 7 ，光在每次往返中都要经过4 5 0 法拉第旋转器，因此偏 振平面旋转了9 0 0 ，实现了补偿目的。但是，采用上面的技术来全面补偿热致双 折射必须具备一个条件。即每条光线在每个棒中的传播区域相同。因为存在热聚 焦，所以光线的传播与光轴并不同向，这就使得光线并不沿着棒中的原光路返回， 这个问题主要出现在热聚焦非常严重的高泵浦功率的条件下。采用将光学系统加 到偏振旋转器上的方法，可以明显改善双折射和双聚焦的补偿，这种方法使第一 个激光棒的光束在第二个激光棒中成像，以便使光线尽量在棒中的传播区域相 同，也就是使相位延迟特性相同，从而与旋转器一起来补偿热致双折射效应 8 ，9 。近来，也有采用在腔内放置1 4 波片 1 0 和单轴晶体 1 1 在腔内补偿热 致双折射的报道。1 4 波片只能够部分地补偿热致双折射，它放在激光棒与反射 镜之间，光束来回通过相当于半波片，但是它并不是能够将任意方向的偏振光都 旋转9 0 0 ，所以不能够实现完全补偿，而且在多模运转的情况下效果不太好。在 腔内放入单轴晶体，切割晶体使其光轴方向沿着光束传播方向，此时两个正交偏 振态不产生相位差，但是结合望远镜，使得原来距离棒中心不同半径处的光的传 播的方向与光轴成不同的夹角，从而就在0 光和e 光之间产生了不同相位差，而 且是旋转对称的，选择适当的参数就可以补偿激光棒中的热致双折射效应。 若考虑到激光棒的端面变换作用，长度为，的双焦类透镜介质的变换矩阵为 ”k f l 0 8 ，, , s i n 一( f l , ，杰辫) 眨， 式中尼，- 2 i yr 2 r , # ，类透镜焦距f j 和类透镜系数矗：之间有如下关系 b 2 旁 ( 2 1 4 ) 肛。= ( 2 1 5 ) 激光二极管的泵浦功率与电流可以近似认为是线性关系，通过测量不同泵浦 岳 第一章大功半、商亮度谐振腔研究 电流下的热透镜焦距，再进行曲线拟和，就可以得到泵浦功率( 或电流) 与热透 镜焦距的函数关系，从而得到了泵浦电流和变换矩阵的关系。 2 2 光学谐振腔模的基本理论 1 3 固体激光器的光学谐振腔中除了两端反射镜 外，腔内还可能包括均匀以及非均匀激光传输介 质。考虑到激光工作物质的热透镜效应，可以将 激光棒近似等效为一个薄透镜，或者精确地视为 类透镜介质。一般来说。不管腔内含有何种激光 传输介质，我们都可以根据自洽原理得出谐振腔 的稳定条件。图2 2 1 给出了一个简化的光学谐 振腔示意图，设腔的反射镜为m ，和地，其曲率半径 月2 光学谐振腔示意图 分别为r 和r 。，选取m 。的表面作为参考面，则该腔内的激光传输变换矩阵为 ( = ( 乏抄晤乏 ( ： 激光束在腔内往返一次的往返矩阵为 ( 2 2 1 ) ( c a 州五冀：x - ；驯0 ) ( 。a ：) 汜z z ， 在稳定的光学谐振腔中，激光束传输一周后应该复原，这叫做自治条件。由于在 激光腔内传输的激光束可以看作是高斯光束，上述自洽条件就是说腔内传输的高 斯光束的波面曲率半径和光斑大小与起始高斯光束相同。根据高斯光束复参数传 输的a b c d 定律，自治条件可以写为 a q ，+ b 口t = 2 一 ”c g i + d 式中，a b c d 为( 4 2 2 ) 中左边的矩阵元素 光束的复参数。求解上式得 1 d a ( 一d ) 2 + 4 b c q i 2 b 根据光路的可逆性，有 a d b c = 1 ( 2 2 3 ) o 为高斯光束在反射镜m ，表面处高斯 再根据高斯光束复参数的定义可得 三：堡兰虬怛二竺丛：! 一f l p 士z ，f = _ 一= 一一l l 吼 2 口v4 8 2 r 】，l 刀叫 ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) 、iif， 肘厂，、，r“2图 第二奇大功率、盎亮度特性脏究 上式中，r 为高斯光束在反射镜m 表面处的波面曲率半径( 可以证明此时波面曲 率半径与m 的曲率半径相等) ，为对应的光斑半径，k 为激光在真空中的波长， n 为m 。镜面处介质的折射率。 由式( 2 2 6 ) 可以得到谐振腔的稳定性条件为 i 销引或者小半引 z ， 已知谐振腔的几何参数，可以从( 2 2 6 ) 求得高斯光束在所选参考面上波 面曲率半径和光斑半径为 i r ：二生 卜鲁志 心2 8 由于在使用中，参考面的选择是任意的，所以利用上式可以求得谐振腔中任意位 置的光束参数厅和值。如从参考面到a 点之间的传输矩阵为m 一= ( 三盖) ， 那么可以得到a 点的波面曲率半径和光斑半径分别为 ”鲁 啊d t _ 愀彳b 而tl 五八 r tj 。 咖砰( ”甜+ 丽五2 8 1 2 ( 2 2 9 ) 利用高斯光束的传播规律，还可以求出与腔镜m 。相邻的均匀介质空间内激光 束的束腰半径及其位置为 煎：! 垣堑匦 丑 g i + 口2 g 22 a g i g 2 z ，：咚! ! 二鱼2 1 g 1 + 口2 g 2 2 a g l g 2 z 轴的原点取在束腰处。z 为负值时，柬腰在腔镜m 的左边，z ，为正值时，束腰在 m ，的右边。 第二章人功率、i 岛亮度；卉振腔研f 九 2 3 基模动态稳定腔研究 1 4 ，1 5 ，1 6 基模动态稳定腔( d s r s ) 的概念最早是由s t e f f e n 等人 1 4 提出的，给出了 谐振腔动态稳定的热不灵敏条件，满足