（物理电子学专业论文）紧凑型绿光单频激光器影响因素的研究.pdf

长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文紧凑型绿光单频激光嚣影响因素的研究* 是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。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捶写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 继之! 上王年生月r 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权 使用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕士学 位论文全文数据库和c n 鼬系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文 的复印件和电子版允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：翘兰旦生年王月上z 日 导师签名：童i ! 羔2 1 堡一年王月l 1 日 摘要 l d 泵浦全酬志啦频激光器的出现拓宽了激光器的应用范围，由于其具有优越的性 能，成为个重要的研究对象。本文主要通过理论和实验分析了非线性光皓接受带宽 对单频的影响。 本丈首先简单介绍了实现激光器单频输出的一般方法及萁在国内外的发展：其次 介绍了腔内待频单频激光器的麟本理论；第三分析了导致激光器多纵模运转的空间 烧孔效应， 推导了激光器翦纵模运转所满足的方程，分析了非线性光谱接受带宽对 纵模情况的影响：最后进行实验研究。 实验t n 采用l d 端l “】泵浦n d ：y v 0 4 + k t p 腔合晶体，在没有插人任何选频元件 情况f 当l d 上作也流为9 0 0 m a 时得到6 6 m w 波长为5 3 2 n m 的单频绿光输h 稳 定性为o9 9 。实验结果表明浚结构类型激光器是实现高稳定性、小功率、低成本 单频激光器的种有效方法。 关键词：激光器单频非线性光谱接受带宽晶体组件 a b s t r a c t t h ed i o d e p u m p e ds o l i ds t a t es i n g l e f r e q u e n c yl a s e r sb r o a d e nt h er a n g eo f a p p l i c a t i o n o ft h el a s e r sb e c a u s et h ed i o d e p u m p e ds o l i ds t a t es i n g l e f r e q u e n c yl a s e rh a st h es u p e r i o r p e r f o r m a n c e i tb e c a m ea ni m p o r t a n tr e s e a r c ho b j e c t t h i sp a p e rm a i n l ya n a l y z e d t h e i n f l u e n c eo ft h en o n l i n e a rs p o c t r a ib a n d w i d t ht ot h es i n g l e f r e q u e n c yt h e o r e t i c a l l ya n d e x p e r i m e n t a l l y f i r s t l y t h eg e n e r mm e t h o do f t h es i n g l e f r e q u e n c yl a p s e r a n di t sd e v e l o p m e n ta th o m e a n da b r o a dh a v eb e e ni n t r o d u c e d s e c o n d l y t h eb a s i ct h e o r yo fi n t r a c a v i t yf r e q u e n c y d o u b l i n gs i n g l e l o n g i t u d i n a l m o d el a s e r sh a sb e e ni n t r o d u c e dt h i r d l t h es p a c eb u m h o l e s e f f e c tw h i c hc a u s i n gt h em u l t i l o n g i t u d i n a lm o d eh a sb e e na n a l y z e d a n dt h e s i n g l e l o n g i t u d i n a l - m o d eo p e r a t i o ne q u a t i o nh a sb e e nd e r i v e dt o o t h ei n f l u e n c eo ft h e n o n l i n e a rs p e c t r a lb a n d w i d t ht ot h el o n g i t u d i n a lm o d eh a sb e e na l s oa n a l y s e dt h ef i n a l c h a p t e ri st h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ae x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho fl de n d - p u m p e dc r y s m lc o m p o n e n tn d ：y v 0 4 + k t pi s p r e s e n t e di nt h ec a s g o fw i t h o u ti n s e r t i n ga n yf r e q u e n c ys e l e c t o hw i t h9 0 0 m a l dw o r k i n g c u r r e n t 6 6 m ws i n g l ef r e q u e n c y5 3 2 n ml a s e ri so b t a i n e ds t a b i l i t yi sb e t t e rt h a n09 9 t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t t h i ss t r u c t u r et y p eo fl a s e rp r o v i d e sa ne f f e c t i v em e t h o df o r h i g hs t a b i l i t ) 二m i n i w a t ta n dl o w c o s ts i n g l ef r e q u e n c yl a s e r s k e yw o r d s ：l a s e r ss i n g l e - f r e q u e n c y n o n l i n e a rs p e c t r a lb a n d w i d t hc r y s t a l c o m p o n e n t 目录 摘要 a b s t r a c t 目录 第一章绪论 1 1l 泵浦全固态激光器的发展 1 2l d 泵浦全固态激光器的优点 1 3l d 泵浦垒固卷单频激光器的研究现状 1 4 本文的工作 第二章腔内倍颓单频激光器的基本理论 2 1 光学谐振腔的相关理论 ， 2 2 四能级系统速睾方程理论 2 3 倍频原理 2 4 主要的激光晶体和倍额晶体 第三章影响单频的因素 3 1 空间烧孔效应对单频的影响 3 2 非线性光谱接受带宽对单频的影啊一 第四章紧凑型单频绿光激光器的实验研究 4 1 实验装置及数据结果 42 实验结果讨论 结论 致谢 参考文献 o0；0坞订n肌孙甜龇耵黯蚰 第一章绪论 世上首台檄光器于1 9 6 0 年问世，从此人类进入了激光器时代。尤其是到了2 0 世 纪8 0 年代后l d 泵浦全固态激光器的发展开始突飞猛进。同时，随着非线性频率转换 技术的发展激光器已不再局限于红外光，通过倍频、和频、差频等方法使红光 绿光、蓝光、黄光、紫外等激光器得以实现。l d 泵浦的全固态激光器由于具有转换效 率高、使用寿命长、光束质量好等优点，越来越受到人们的重视，并且广泛地应用于 国防、科研、工业。医疗等众多领域之中。 11l d 泵浦全固态激光器的发展 对激光器的研究是从上个世纪六十年代开始的，1 9 6 0 年世上首台激光器的出现打 开了激光嚣时代的大门。然而早期的激光器都是以传统的闪光灯作为泵浦源，闪光灯 的转换效率报低而且功率稳定性也非常差，因此，由于它的这些缺点使全固态激光 器在这段时间内都停滞不前。1 9 6 2 年诞生了世界上第一支同质结砷化稼二搬管；之 后，在1 9 6 3 年n e w m a n 首先提出了将激光二极管作为固体激光器的泵浦源的想法”j 这将使全固志激光器迈出崭新的一步。1 9 6 4 ”1 年美国m i t 林肯实验室成功地将这一想 法变为现实研制出了世界上第一台由激光二极( l d ) 瞀泵浦的全固态激光器f d p s l ： s e m i c o n d u c t o r d i o d e p u m p e ds o l d - $ 1 a t el a s e r l 。但是由于当时制作激光二极管( l d l 的技术还不够成熟，而且存在输出功率和转换效率都很低，蝴值电流高，稳定性差， 需要在液氮冷却下才能正常工作等缺点大大限制了l d 泵浦全固态激光器的发展 因此，在这一时期，l d 泵浦全固态激光器主要停留在实验研究阶段。 在1 9 7 0 年至1 9 8 0 年这十年间，全固态激光器又有了进一步的发展，但是发展很缓 慢没有什么太大的突破。1 9 7 1 年诞生了第一台可以在室温条件下工作的l d 泵埔全 固态n d ：y a g 激光器。在这一时期，科学家们还开始对l d 的泵浦方式进行了研究， 1 9 7 4 年c o n a n t 和r e n o i q 对侧面泵浦周体激光器进行了研究，但仍需要在低温下才能 进行。同时，研究人员对端面泵浦的方式也进行了研究1 9 7 3 年r o s e n k r a n t z 采用端 面泵浦的方式，成功研制出了一台可以在室温条件下工作的全固态脉冲激光嚣。在这 一时期科学家们还致力于寻找新的适用于l d 泵浦的激光工作物质，因而出现了许 多新型的固体激光材料。然而由于当时的技术还没有克服l d 的各种缺点，因而阻碍 了l d 泵浦全固态激光器的进一步发展，这种情况一直持续到二十世纪八十年代中期。 二十世纪八十年代是激光二极管迅速发展的时期，全固态激光器也因此得到了突破 性进展，进入了蓬勃发展的阶段。当时由于半导体物理有了很多新的研究成果因此 激光二极管的制作工艺便融台了这些新成果比如采用量子阱、应变量子阱等新型结 构使用新的晶体生长技术等这样制作出的l d 具有更低的闽值电流、更大的输出 功率和转换效率、更长的使用寿命，并且，其输出波长的范围也扩大了这使得对激 光工作物质有了更广泛的选择。在这一时期。由于激光二极管各项性能的不断完善， 极大地摊动了l d 泵浦的全固态激光器的发展及应用。 二十世纪术至今随着激光二极管技术的同盏成熟太功率的l d 迅速发震起来 价格也比以前有所降低达到了可以接受的水平。1 9 9 2 年美国s d l 公司研制出最大 连续输出功率为1 2 1 w 的l c m 长的半导体激光器线阵。其转换效率达到4 5 。此外， 随着外延生长工艺的发展激光二极管发射波长的范围也进一步拓宽覆盖到从6 0 0 n t o 到2 0 0 0 r i m 的范围，从而用作激光二极管泵浦的固体激光材料的范围也逐渐增大，晟初 只有掺钕激光晶体现在激光工作物质的种类已经拓展到掺有y b ”、t m p 、e ，。、c ， 等稀土离子和过渡金属离子的激光晶体。随着l d 技术的迅速发展+ l d 泵浦全固态激 光器进入了一个崭新的阶段，出现了多种类型的全固态激光器如l d 泵浦全固态单频 激光器，腔内倍频、和频激光器。参量振荡器，调q 激光器等而且激光器的输出功 率也由微瓦量级增加到千瓦量级输出波长的波段也覆盏到从远红外到深紫外范围。 1 9 9 3 年，平均功率超过千瓦的l d 泵浦n d ：y a g 激光嚣出美国劳伦斯- 剥弗莫尔国 家实验室研制成功这在当时有着里程碑的意义。1 9 9 7 年以后，各种功率量级的全固 态激光器已在美国、r 本、德国等国家实现了商品化，其中，中小功率激光器的技术 在现在已经相当成熟，目自# 研究人员对更大的功率如1 0 k w 、兆瓦级的l d 泵浦全固卷 激光器也展开了研究工作。l d 泵浦的全固态激光器以其各方面优异的性能在信息存 储、测距、水下通信、彩色显示等领域有着广泛的应用。 12l d 泵浦全固态激光器的优点 l d 泵浦的全固态激光器自问世以来。便受到人们的关注并且在各个领域都有着广 泛的应用，是国防、高科技产业中不可或缺的一部分。这是因为它具有以往用闲光灯 作泵浦源的激光器所不具有的多种优点。自1 9 6 3 年n e w m a n 提出使用l d 作为固体激 光器泵浦源的构想以来，人们便逐渐意识到了l d 泵浦全固卷激光器具有传统激光器 所不具有的一系列优点，具体阐述如下： 第一转换效率高。泵浦光的发射谱线和激光工作物质的吸收谱线都有一定的宽度， 只有落在吸收带范围内的泵浦光才能被吸收对于传统的闪光灯泵浦全固态激光器来 说由于闪光灯的发射光谱比激光晶体的吸收光谱要宽很多因此使用闪光灯泵浦会 _i 第二，功率稳定性好。由于l d 泵浦的激光器转换效率高，因此可以减少激光晶体 对无用辐射的吸收，使热效应降低从而降低了热噪声。另外，对于闪光灯泵浦的激 光器而占，由于闪光灯本身的功率不稳定性和等离子体波动引起的噪声都会导致激 光嚣功率稳定性差，而l d 泵浦的擞光器就不存在这种现象。而且全固态激光器由于 工作物质为固态，也就不存在气体或者液体工作物质因流动而引起的噪声。因此和传 统的激光器相比，l d 泵浦的全固态激光器功率稳定性大大的提赢了。 第三光束质量好。l d 泵浦的全固态激光器热畸变小，而且在端面泵浦时的t e m o o 模接近于衍射极限，这太大提高了输出激光的光束质量。 此外，l d 泵浦全固态激光器还具有工作寿命长、体积小、结构紧凑等优点。由于 激光二极管的寿命远高于州光灯，因此l d 泵浦的固体激光嚣也具有很长的寿命一 般能达到1 0 0 0 0 - 2 0 0 0 0 小时t 13l d 泵浦全固态单频激光器的研究现状 在激光嚣中国驻波的存在会产生空间烧孔效应口i ，这在后面会详细介绍。空间烧孔 效应会导致激光器多纵模振荡，从而使输出光强随时间产生大幅度波动这种现象最 早由t b a e r l 6 悭出称之为“绿光问题”，他发现波动和不稳定性是由于不同纵模阃的 和频和相同纵模之间的倍频对增益的竞争引起的。这种不稳定性限制了激光器在一些 领域的应用，因此很多学者都致力于研究如何抑制输出光的噪声。目前，使激光器单 频运转是解决此问题最有效的方法。自1 9 8 5 年世界上第一台l d 泵浦的全固态单频n d ： y a g 激光嚣问世以来p i ，l d 泵浦全固态单频激光器以其噪声更低、相干性更好、输出 功率更加稳定、能量更加集中等优点被广泛地应用于高灵敏度测量、光谱学、相干 通讯、引力波探测、数据存储等诸多领域。 目前实现激光器单额运转可以通过消除空间烧孔效应或在腔内插入选频元件来 实现。下面介绍几种主要实现激光器单频运转的方法： 一基于消除空问烧孔效应的方法 l 、行波腔法 行渡腔法是制作大功率单频激光器昔遍采用的方法，它是利用在腔内放入偏振器、 法拉第旋转器和石英晶体构成单向器，使光沿正反两方向传播时具有不同的损耗。使 一个方向的光的损耗大而被抑制的原理，从而使光在腔内沿一个方向行进就不会产 生驻波，也就没有了空间烧孔效应。环行腔主要分为单块非平面环行腔和由分离元件 构成的耳行腔。1 9 8 5 年斯坦福大学的t j k a n e 等人最先提出了单块非平面环行腔激光 器的构想并得以实现，他们将n d ：y a g 晶体以特殊角度切割，使光在里面传播时发生 全反射输入面即为输出面，镀有对于不同偏振光有不同透射率的介质膜作为起偏器， 井加入外加磷场，使n d ：y a g 成为一个旋光器这样便构成了一个光学单向器，从而 保证光在腔内只沿一个方向传播在l d 泵浦下，得到了1 0 6 4 r i m 单频激光输出m j 。而 采用分离元件构成环行腔的方法昂早是由h u n i s o n 于1 9 9 2 年提出的；1 9 9 6 年， k l m a r t i n 等人采用四镜环行腔( 构成8 字型) 实现5 3 2 n m 单频绿光输出例：同年， 山西大学光电研究所的张宽收等人采用单块非平面环行腔实现了3 6 5 m w 的1 0 6 4 n m 单 频激光输出，井采用腔内倍频技术获得7 5 r o w 单频绿光输出”。1 9 9 8 年。英国南安普 顿大学的p j h a r d m a n 等人利用行波腔法，通过l d 双端泵浦n d ：y l f 晶体得到了 5 2 6 5 r i m 单频绿光输出i 。1 9 9 9 年，j r p a r k 利用单镜环行腔实现了单频红光输出1 1 2 1 ， 2 0 0 1 年吴克瑛等人利用单块非平面环行腔结构得到了输出功率为2 7 0 r o w 的单频 激光，转抉效率高达1 5 咀上l ”，2 0 0 3 年臧二军、曹建平等人利用单块非平面环行 腔得到1 0 6 4 n m 单频激光输出，再通过将其耦合进环行倍频腔得到了输出功率为 2 4 9 5 m w 的5 3 2 n m 单频绿光【1 “2 0 0 4 年，郑耀辉、张宽收利用四镜环行腔结构，通过 l d 泵浦n d ：y a 0 晶体，再经过l b o 倍频得到4 7 3 n m 单频蓝光输出1 1 5 1o 同年美国 相干公司利用环行腔结构通过l d 泵浦n d ：w 0 4 晶体及l b o 倍频，推出l8 w 单 频输出的d p l 绿光激光器产品。2 0 0 5 年，王欣杨苏辉等人利用l d 泵浦单块非平面 环行激光器，在泵浦功率为2 9 3 w 时得到1 2 w 单频1 0 6 4 r i m 激光输出，斜效率达到 4 7 4 【l “。2 0 0 6 年，郝二娟、檀慧明等人采用环行腔结构，通过l d 泵浦n d ：y v 0 4 晶体得到单频绿光输出，在腔内加入c r 4 + ：y a g 晶体后。得到了昧宽为1 0 0 n s 的单频 脉冲激光输出”，2 0 0 7 年，张铁犁，姚建铨等人利用激光二极管泵浦n d ：y v 0 4 晶体 采用四镜环行腔结构，在泵浦功率为2 4 6 w 时，得到输出功率为9 w 的连续单频1 0 6 4 n m 澈光。同年刘侠。王宇等人通过l d 泵浦n d ：y v 仉晶体，利用四镜环行腔结构 并通过l b o 倍频，得到6 7 1 n m 单频红光输出i t g o2 0 0 s 年山西大学光电研究所常东 霞、刘侠等人瑚噪用四镜环行腔结构，利用l d 泵浦n d ：w 0 4 键合晶体并通过腔内 倍频后得到6 7 1 n m 单频红光输出，功率稳定性小于0 6 。2 0 0 9 年，高春清、高明 伟等人采用单块非平面环行腔结构用l d 泵浦n d ：y a g 晶体得到了1 0 6 4 r i m 和 1 3 1 9 r i m 单频激光输出同时，用l d 泵浦t m ；y a g 键合晶体，得到2 um 的单频激 光输出f 2 j l o2 0 1 0 年，陈三斌赵寿桓赵鸿等人采用四块镜片构成8 字型结构的环行 腔利用新型的泵捕结构，在泵浦功率为2 25 w 时得到99 w 单频1 0 6 4 n m 激光输出 陋l 。北京工业大学的赵伟芳等人用行渡腔法实现了激光器单频运转。在泵浦功率为 2 27 丁w 时得到1 2 w 的1 0 6 4 r i m 单频激光输出“。 2 、短程吸收法 在驻波激光器中，当增益介质靠近泵浦源的一端作为腔镜时在增益带宽范围内 谐振腔内可能存在的驻波在增益介质的输入端就会有相同的节点因此在离腔镜很近 的范围内所有纵模的波形基本都是相同的反转粒子数也相同具有最大增益的纵 模就会困优先起振而消耗掉反转粒子数因此可以抑制其他模式的振荡使激光器单 频运转，这就是短程吸收法的原理。 1 9 9 0 年，g r e g o r yj k i m z 和t h o m a s b a e r 采用短程吸收法实现丁l d 泵浦n d ：w 仉 激光器单频输出在抽运功率为2 0 0 r o w 时得到3 5 m w 单频红外激光输出；1 9 9 4 年 张宽收等人采用短程吸收法实现l d 泵浦n d ：y v o d k t p 激光器的单频绿光输出口。 1 9 9 7 年，c h e n 等人采用短程吸收的方法，通过l d 泵浦n d ：w 0 4 晶体并用k t p 倍频后得到5 3 2 n m 单频绿光输出在7 7 0 r o w 的抽运功率下得到2 6 0 r o w 单频激光输出； 1 9 9 8 年，曹红军、张学斌等人利用短程吸收的原理通过调节晶体及l d ： 作温度等 相关参数以达到最优状态，在4 3 0 m w 的泵浦功率下得到了输出功率为7 5 r o w 的稳定 单频绿光输出驯。 然而，由于短程吸收法需要激光工作物质非常薄一般要小于2 5 0l lm ，这在很大 程度上增加了制作的困难，而且对于某些吸收系数比较低的增益介质来说，厚度太薄 会导致其因为不能充分地吸收泵浦光而馒泵浦效率降低，从而会降低其输出功率。由 于短程吸收法的这些缺点，一般很少单独使用而是将其作为辅助方法先尽量减少纵 模的个数，然后结合其他方法柬实现激光器单纵模运转。 3 、扭摆模腔法 扭摆模腔法的基本结构是由两个腔镜、增益介质，两个四分之一渡片和一个起偏 器组成增益介质放在两个1 辟波片中间井且令1 ，4 波片的快轴方向相互垂直并与偏振 器的偏振方向成4 5 。角。这样光波经过偏振片以后首先变成线偏振光，然后经过第 掉，从而实现单纵模运转。这种方法是中小功率激光器中比较常用的实现单频的方法 【州。 1 9 8 7 年，a a b r a r n o v i c i 最先提出了使用双折射滤波片法来实现激光嚣单纵横运转。 1 9 9 2 年，h i d e o 用靠氏片和k t p 倍频晶体构成双折射滤波片实现丁激光器单频输出。 1 9 9 8 年，y e c h e n , t m h t t a n g 等人采用l d 端面泵浦n d ：丫v o 晶体经k t p 倍频后 在抽运功率为1 2 6 w 时得到3 2 w 单频绿光输出，这是在当时的直腔结构单频绿光激 光器中得到的最高的功率0 1 。在国内，中国科学院长春光机所、中国计量科学研究院 等多家科研单位也都对利用双折射滤波片法实现激光器单频运转进行了大量的实验和 理论研究。2 0 0 1 年，郑权、钱龙生通过l d 泵浦n d ：y v 0 4 晶体利用k t p 倍频晶体 和稚氏片构成双折射滤波器，并在腔内加入c r ：y a g 构成调q 激光器，得n t 单颇脉 冲绿光输出。同年，郑权，檀慧明、赵蛉利用双折射滤波片和短程吸收相结合的方 注实现了l d 泵浦n d ：w 0 4 t p 绿光激光器的单频输出田】。2 0 0 2 年，周城、叶子 青等人利用双折射滤波片法和复台腔结合的方法实现了l d 泵浦n d ：w 0 4 下p 绿光 激光器的单频输出，在泵浦功率为5 0 0 r o w 时得到3 8 m w5 3 2 n m 连续单频绿光输出i j “。 2 0 0 3 年，郑权、赵岭、钱龙生报道丁采用取折射滤波片法分别实现了l d 泵浦n d ： y v 0 4 l b o 激光器单频6 7 1 r t m 红光输出和l d 泵浦n d ：y a g l b o 激光器单频4 7 3 n m 蓝光输t i l l 3 s i 。同年，郑权和赵岭利用双折射滤波片技术，使用布氏片和石英晶体构成 双折射滤波器实现了l d 泵浦n d ：y v 0 4 澈光器1 0 6 4 n m 单频红外激光输出口”。2 0 0 4 年，薛庆华、郑权等人1 3 - q 利用起偏振作用的l b o 倍频晶体和石英晶体全渡片构成双折 射滤波片的方法，在l d 泵浦n d ：y a g 激光器中得到了4 7 3 n m 单频蓝光激光输出，在 泵浦功率为1 2 w 时单频蓝光输出功率为2 5 r o w 。2 0 0 5 年王军营、郑权等人用两 个k t p 晶体和一个布氏片构成双折射滤波器通过l d 泵浦n d ：y v 0 4 晶体，得到了 单频绿光激光输出1 9 6 1 0 除此之外，通过选频柬实现激光器单频运转的方法还有插入标准具法”“、复合 腔法【捌。 三通过增大纵模间隔来实现单频运转的方法 短腔法是通过缩短腔长从而使纵模间隔增大使其与增益带宽大小相比拟t 这样 就可以使小信号增益曲线满足激光振荡阈值条件的宽度范围内只有一个纵模，从而使 激光罂单纵模运转i ”应用短腔法实现激光嚣单频运转蠼典型的就是微片激光器，其体 积非常小，它的出现使紧凑型的激光器有了突破性的进展。但是腔长的缩短就会限制 晶体的大小，因此会降低泵浦效率和非线性转换效率输出功率也会因此而降低所 以此方法也不适用于大功率激光器。 微片激光器的概念最早是由美国韩肯实验室的z a y h o w s k i 等人在1 9 8 7 年提出的 之后在1 9 8 9 年，他们成功研制出了第一台n d ：y a g 微片激光嚣输出波长为10 6 4 皿和1 3u m 激光器的横截面积为i m m 1 m m 腔长只有7 3 0u m 。随后人们便开 始对微片激光器展开了大量的研究。1 9 9 0 年英国的z h o uf n 4 i 等人研制出输出波长为 l 1 4 本文的工作 首先，总结丁l d 泵浦全固态激光嚣的发展和优点，介绍了使激光器单频运转一 般采用的方法及其在国内外的发展现状。 其次，论述了腔内倍频单频激光器的相关理论。阐述了谐振腔的模式理论以及稳 定性条件：通过速率方程推导出四能级系统闻值泵浦功率的表达式并且讨论了影响它 的因素：分析了相位匹配以及影响非线性转换效率的因素：介绍了l d 泵浦全固态绿 光激光器中常用的激光晶体和倍频晶体的特性。这些相关的理论为后面研究影响单频 输出i = 上及谐振腔和晶体的选择奠定了基础。 第三分析了影响激光器多纵模输出的空日j 烧孔效应，推导出激光器单频运转时 所满足的方程讨论非线性光谱接受带宽，增益带宽非线性转换效率等因素对纵模 情况的影响。 最后利用l d 泵浦y v 0 4 十k t p 胶合晶体在不插入任何选频元件的情况下通 过调节晶体角度得到了稳定的5 3 2 n m 单频绿光输出再通过改变l d 工作电流的大 小观察纵模的变化并对实验结果进行了分析讨论。 第二章腔内倍频单频激光器的基本理论 本章首先介绍了谐振腔的模式理论以及谐振腔的稳定性条件然后通过求解速率 方程推导出四能级系统中的阈值泵浦功率表达式，从而得出影响闽值泵浦功率的因素： 接下来讨论了相位匹配及影响倍频转换效率的因素，为后面的研究提供了理论依据： 最后介绍了几种l d 泵浦全固态绿光激光器中常用的激光晶体和倍频晶体。 21 光学谐振腔的相关理论 在l d 泵浦的全固态激光器中，谐振腔是重要的组成蒋【：分，它的作用是使沿轴线 传播的光波能够在腔内往返多次通过增益介质从而提供反馈，当增益大于损耗，工作 物质实现粒子数反转就会得到放大并产生激光。同时，谐振腔还决定了激光输出的频 率、方向、偏振惫等特性。光学谐振腔按照腔镜的形状和位置可分为平行平面腔、对 称凹面腔、平凹腔、凸面腔等；按照几何偏折损耗的大小_ 卫可舟为稳定腔、临界腔、 非稳腔。下面我们柬介绍谐振腔的模式理论和谐振腔的稳定性条件； 2 1 i 谐振腔的模式理论 无论哪种谐振腔都会对腔内的光频电磁场有约束的作用电磁场被限制在谐振腔 l _ 一一 卸：孥2 n l ：q2 f ( 2 1 ) 其中l 表示q 模式的波长，l 为谐振腔的几何长度。式( 2 1 ) 也称为驻波条件t 满足 此条件时在腔内沿腔轴方向往返传播的渡会叠加形成驻波场，口决定了驻渡的波节数。 由于频率和波长的关系为= c ，z 。- 因此( 21 ) 式可用频率表示为： ”- 29 丽l - 22 因此对于一定长度的谐振腔，只有频率满足( 2 2 ) 式的光波- 4 能形成振荡，此 时的n 称为谐振频率可见，谐振腔中的谐振频率是分立的。对于腔内相邻的两个纵 模，它们的频率差y 称为纵模间隔，因此由c 2 2 式可得： “- “”i - t * q2 壶 娌3 可见纵模f b j 隔与q 无关，对于一定的谐振腔来说，它是个常数。对于不同的谐 振腔来说腔长l 越小，纵模的间隔就越大，腔内纵模的个数就会减少短腔法就是 依据这个原理来实现激光器单频运转的。 2 1 上谐振腔的稳定条件 对于谐振腔来说，腔内的损耗是决定其性能的重要指标，除了上面说到的衍射损 耗外谐振腔的损耗还有几何偏折损耗、腔镜不完全反射引起的损耗以及散射和在腔 内插入元件引起的损耗。其中根掘几何偏折损耗的大小可以将谐振腔分为稳定腔、临 界腔和非稳定腔。对于稳定腔光波在腔内往返数次始终不会逸出腔外，而光波在非 稳腔中传播多欢后会逸出腔外，损耗很大。下面我们具体说明光学谐振腔的稳定性条 件。 腔镜的曲率半径r 和腔长l 是谐振腔的主要参数对于凹面镜r 驭正值，对于 凸面镜来说r 取负值。假设光线在腔镜曲率半径分别为rj ，腔长为l 的共轴谐振 腔中传播，傍轴光线往返一次的变换矩阵为： ( 25 ) r”=-：-l习iaslsin。，一sin(n一。，bsmn，一。，：iacsmn，ds i n n g , s i n ( n爱 c ：s ， ”妒一 一1 ) 妒 l 。风l 一 一1 ) 州l ( ：见j 。十击i t 一守 旺” 实数，因此s i n p 、s m ( n i ) 一的值就会随着d 的增加而按照指数规律增大t 这表明傍 轴光线在腔内经历有限次往返后必将逸出腔外。当圭扣+ d ) = 1 时为稳定条件的临界 2 状态，称满足此条件的腔为临界腔，对于平行平面腔、共心腔都属于临界腔- 从上述分析可知如果满足谐振腔稳定条件，傍轴光线在腔中往返多次传播时不 会逢出腔外因此也就不会有几何偏折损耗，如果不满足谐振腔的稳定条件，那么光 在腔内传播必定会有很高的损耗，因此对于中小功率的激光器来说一般选择满足稳 定条件的谐振腔。而在高功率激光器中，为了得到很大的模体积，一般选用非稳腔。 22 四能级系统速率方程理论 常见的激光系统有三能级系统、准三能级系统和四能级系统，四能级系统主要由基 各e o 、激光下能绂e h 激光上能级e 2 以及更高的能耋! e 3 组成在泵浦光的作用下， 基态e 0 上的原子被抽运到b 能级，e 3 能毁的寿命很短因此被抽运到b 能级的原子 会通过无辐射跃迁迅速转移到激光上能缀e 2 上而激光下能级e - 的寿命也非常短近 似为一个空能级，这样就会在擞光上能缀和下能级之间形成粒子数反转，激光上能级 的原子通过受激辐射跃迁到激光下能级从而形成光放大产生激光输出。假设在一个 理想的四能级系统中腔内光强不沿轴向发生变化，并且在端面泵浦时，激光器输出 为基横模，此激光系统的速率方程可以表示为： 些! 警型：m ”) 一垒! 虹型一! m b m 二如( w ：) ( 21 0 ) 警= ；aj j 诫”( u 一：妙一詈 ( 2 式中，h g ，y ：) 表示反转粒子数密度置g ，：) 表示泵浦速率密度，对其积分后 得到片= j p 扛- ：x 代表泵浦速率它表示由于泵埔光的作用- 单位时间内由激光 下能级跃迁到激光上能级的粒子数；r ，为激光工作物质的荧光寿命：叫t y ：) 代表谐 振腔内的光子数密度中= 玎$ k ”：) 代表谐振腔内总的光子数：c 为真空中的光 速n 为增益介质的折射率。o 为受澈发射截面。v 表示工作物质的体积t 表示光子 寿命。( 21 0 ) 式表示由于泵浦、无辐射跃迁和受激辐射跃迁引起的反转粒子数密度的 变化；( 2i i ) 式表示由于受激辐射和损耗导致的激光腔内光子数的变化。 下面定义归一化的泵浦速率密度r 扛，y ：) 和腔内光子数峦度刊i j ：) ： f ，b 弘：p r = 1 ( 21 2 ) 肿，：砂= 1 ( 2 1 3 ) 因此泵浦速率密度和腔内光子数密度可分别表示为： r ( x - ：) = r r b ”：) ( 2 1 4 ) 叫z ，= ) ：m 烈x 卫：) ( 21 5 ) 将( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 式分别代八( 2 1 0 ) ( 2 i i ) 式得到： r b 龇m 耖2 j 彘 。 其中r m 表示阑值处的泵浦速率，令j 弘o ，y ，：m r ，y = ) = j 表示泵浦光和振荡光的 空间重叠因此由( 22 0 ) 式可得到闻值泵浦速率为： = j 南 幢2 又因为泵浦速率等于增益介质吸收的功率与一个泵浦光子能量的比值，因此阐值 泵浦速率可表示为： 耻簪= 警= 警 ：， 式中“称为量子效率t 定义为对激光发射有贡献的光子数除以泵浦光子数，在绝大 多数的激光材料中，量于效率都接近于1 即r 。；i 。p 。表示输入的泵浦功率t 只表 将( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 代入重叠积分j 的表达式中并计算得： - = 硐2 a 鼎出2 采与 旺：s ， 再将( 2 2 6 ) 式代入( 2 2 3 ) 式得： 只= 面n , 赫。v 。j d ，( 一+ “) ( 22 7 ) 式( 22 7 ) 即为四能缀系统闽值泵浦功率的表达式。可见；泵浦功率的阈值与增 盏介质的受激发射截而和荧光寿命的乘积研，成反比盯，越大，阈值功率越小- 受激 麓射截面和荧光寿命都是激光工作物质的固有的特性，因此为了降低阈值功率t 就要 选择盯，比较大的增益介质。 闻值功率与谐振腔内的损耗6 成j 下比损耗越小，阐 值功率越低，因此我们应该尽可能的降低腔内的各种损耗( 如输出损耗、散射、吸收 和衍射损耗等) 。阈值功率也与泵浦光和振荡光膜斑半径大小有关系t 半径越小，闽 值越低。 23 倍频原理 自从激光器问世后，人们不再局限于线性光学，逐渐丌始对非线性光学有了研究。 非线性频率转换技术主要包括倍频、差频、和频二次谐波最早出现在1 9 6 1 年侧，经 过四十多年的发展现在非线性频率准换技术已经相当成熟有着非常广泛的应用。 在非线性过程中非线性介质的极化强度卢可由入射光的电场强度盂表示为i 圳： f = z t ( q ) + 一? e ，( q ) ( 吡) + z 茹( q ) 丘( 吡) e ，( 屿) + ( 2 2 8 ) l j 其中z “、z 譬、z 嚣、分别表示一阶、二阶、三阶极化率。一阶极化率表示 的是线性过程。在普通的光源中，只有线性光学的性质。比如光的反射折射、衍射 等现蒙都属于此类。而在这些高阶非线性效应中二阶极化项z 譬。最为显著，它是产 生倍频、和频，差频效应攮主要的原因，其对应的电极化强度的分量可表示为： 牟”( 毡) = z ( q 吐t ) ，( q ) e ( 吐) ( 22 9 ) j j 其中，q 、馈表示基额光角频率q = q 她。其中屿= q + 赴表示和频过程， 当q = 屿= m 时，q = m i + 吐= 2 t 表示倍频非线性过程：，= q 一棚：表示差频过 程。在这些非线性转换技术中倍频应用的最为广泛。 2 3 1 相位匹配原理 对于倍频过程来说为了得刊有效的非线性转换，就要求相互作用的基波和二次 谐波在介质中具有相同的相速度( 或折射率) 这样就会因为其相位相同而使极化场得 到加强。对于共线光束来说，相位失配一般用基波和二次谐波的波数差来表示： 七= 女慨) 一k ( m 1 ) 一女) ( 23 0 ) 因为在倍频过程中m l = 吐= tq = m i + c o ：= 2 m k = n w c 因此由( 2 3 0 ) 式 得： ：i f 2 自) 一2 ：! ：生一2 j ! 塑：竺( 2 h “一月m 一一* ) ( 2 3 1 ) f fc - 其中矿、n 2 “分别表示基波和二扶谐波的折射率；当基波和二次谐波的折射率相 同时即具有相同的相速度时，得到a = 0 这就是所谓的相位匹配，醵称为相位失 配因子。 我们知道由于正常色散的存在折射率1 3 会随着角频率u 的增加而增大通常情 况下h 抽 月”，因此在各项同性的介质中无法实现相位匹配。而在各向异性的非线性 晶体中，存在双折射效应。光在非线性晶体中传播时被分为相互垂直的寻常光( o 光) 和非常光( e 光) ，0 光的偏振方向垂直于光轴其折射率与传播方向无关：e 光的 折射率m 的大小与光的传播方向有关在t l o 和n c 之间变化可表示为： 折射效应来补偿色散，通过适当的选择偏振态和传播方向，就可以得到幽= 0 幽2 i 负单轴晶体折射率曲面 以负单轴晶体为例，如图2 1 所示为负单轴晶体的折射率曲面。其中实线表示基波 的折射辜曲面，虚线表示二次谐波的折射率曲面，h ：、h ：分别表示基波。光和e 光的 折射率圮”t 。分别表示二次谐波的。光和e 光的折射率t 可以看到由于存在双折 射，基波与谐波的折射率曲面产生了相交线t 在交线上月? = 一；”。满足相位匹配的条 件，从原点向交线任一点引一条线( 如o a ) - 与光轴的夹角即为相位匹配角以e 根据入射 基波偏振矢量的两种可能的方向，相位匹配可以分为i 类相位匹配和i i 类相位匹配。 对于1 类相位匹配基波取同偏振。光对于i l 类相位匹配，基波取正交偏振个。 光一个e 光从而根据( 23 1 ) 式和七= 0 可以推导出由折射率表示的相位匹配条件： j 粪相位匹配：一? 帆) = 一 i5 l 一连的这种通过调节角度来实现相位匹配的方法称为角度相位匹配。除此之外t 还有一种相位匹配方法称为温度相位匹配，在某些晶体中e 光和。光的折射率会随着 下通过调节晶体的温度来实现相位匹配。由于光垂直于光轴八射因此不存在角度相 位匹配中的走离效应，可提高非线性转换效率，这是温度相位匹配是太的优点。 2 3 2 非线性转换效率 通过求解三波相互作用的耩台波方程可得到倍频转换被率的公式： - = 鲁= 篆蔫争( 爿 眩 式中，p ，、p 2 分别为基频光和倍频光的功率密度n l 、n 2 分别为基频光和倍频光的折射 辜l 为晶体长度，d 。h 为有教非线性系数 i 为基频光的波长，a 为光束的有效横截 面积，a k 为相位失配因子。根据公式可知影响非线性转换效率的因素有如下几点： ( 1 ) 非线性转换敬率n 与基频光的功率密度p i 成正比，还与基频光的强度p 1 ，a 成正 比，因此，为了提高非线性转换效率不光要增加基频光的功率还可以通过 聚焦的方法来降低光束的有效截面积从而增加基频光的光强。 ( 2 ) 非线性晶体的长度对非线性转换效率的影响。当a 七= 0 时满足相位匹配条件， s i n c ：f 爿 1 ：1 选到最大值，此时；”一，非线性转换效率与晶体长度的平方 成正比，随着长度的增加而增大；而当a t o 时，n 随s m f ，f 笔墨) 函数呈周期 变化当笃生= 詈时，取极大值，此时上l ：轰称为相干长度t 当相互作用长度 超过相干长度，非线性转换效率开始下降直到笔墨：时，s m c 2 f 笔兰1 ：o 此时非线性转换效率降到零，因此当不满足相位匹配条件时，并不是晶体长 度越长非线性转换效率就越高。 ( 3 ) 非线性转换效率与晶体的有效非线性系数d c 日成正比。 ( 4 ) 走离角会影响非线性转换效率。由上一节可知对于角度相位匹配由于光的 传播方向与光轴央角不为0 4 或9 06 ，对于e 光来说其能流方向与波失方向 不同，存在一个角度称为走离角，在光波的传播过程中0 光和e 光就会渐渐分 24 主要的激光晶体和倍频晶体 2 4 1 激光晶体 在中小功率的l d 泵浦全固态绿光激光器中n d ：y a g 、n d ：y v 0 4 晶体以其优异的 性能成为最常用的激光工作物质并得到迅速发展下面我们分别柬介绍这两种晶体 的特性。 1n d ：y a g 晶体 n d ：y a g 的全称是掺钕钇铝石榴石它是通过在y a g 晶体中掺入n d p 离子代替 三价的中+ 离子而得到的。它是在l d 泵浦全固态激光器中最常使用、也是发展最成熟 的激光材料因此，其他激光晶体都以它为对比标准。n d ：y a g 晶体有两条主要的泵 浦带分别为08 1u m 和o7 3p m 。其中o 8 1u m 的吸收带晟强，因此激活离子n d ” 的吸收峰能很好地与g a a s 二极管的辐射谱线相重台，非常适合于l d 泵浦。n d ：y