（光学工程专业论文）ld端面泵浦nd：yap激光及非线性频率变换研究.pdf

福建帅范人学光学t 程坝l j 学位论文 福建师范大学学位论文使用授权声明 2 0 0 5 6 9 3 专业：迸堂王猩所呈交的论文( 论文 题日：l d 端面泵浦b i d ：y a p 激光及非线性频率变换研究) 是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中 特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果。小人j ，解褊建州j 范人学铂火保朋、使川学位论义f i j 规 定，即：学校有耷义保留送交的学位论文并允许论义被查阅和借阅：学 校可以公厕了论文的全部或部分内容；学校可以采用影印、缩印或其他 复制于段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 学位论义作者签名趑垒鱼羔指导教师签名 签彩i1 - 3 0 j 动9 占，f - l 午 1 錾毒 3 队x 摘要 l d 端面泵浦固体激光器因具有效率高、模式匹配好、结构紧凑、寿命长等优点， 近年来迅速发展成为激光学科的重点研究方向之一。n d ：y a p 晶体不但具有较高热 导率和光学机械系数，而且具有较大的4 f 4 1 1 3 ，2 跃迁截面和偏振输出等特点，作为 高功率1 3 “m 波段及频率变换方面的激光晶体具有明显的优势。目前利用n d ：y a p 进行端泵的实验报道较少，鉴于在侧泵高功率1 3p m 波段有较好的实验结果，所以 本文对l d 端面泵浦n d ：y a p 及其倍频红光进行了理论和实验研究。 文章首先概述了l d 采浦固体激光器的发展历史、研究方向及热点和n d ：y a p 激光器的发展进程及现状。其次，对几种最常用的激光晶体及晶体热效应进行了分 析，并实验测量了n d ：y a p 晶体的热焦距。然后，在n d ：y a p 激光器的实验研究中， 分析了平平腔和平凹腔的腔模对输出功率的影响，对比了不同透过率输出耦合镜的 实验结果，最终获得了3 1 5w 的1 3 4 1 4n m 激光输出，并与n d ：y v 0 4 在1 3g m 、1 g m 波段的激光输出结果进行了对比。选用l b o 晶体进行了腔内倍频的初步实验， 获得了4 31m w 的6 7 0 7n m 红光输出。 最后就当前研究热点之一即通过激光技术产生t h z 波的现状进行了介绍，着重 对用于t h z 辐射的中远红外非线性光学品体性能进行比较，给出了获得较高转换效 率和能量的太赫兹波输出的非线性光学晶体应具备的条件。 关键词l d 泵浦固体激光器：n d ：y a p ；倍频；红光；太赫兹 a b s t r a c t a b s t r a c t l de n d p u m p e ds o l i d - s t a t el a s e r s ，w i t ht h e i ra d v a n t a g e so fh i g he f f i c i e n c y ，w e l l m o d em a t c h e d ，c o m p a c t n e s s ，l o n gl i f e t i m ea n ds oo n ，h a v eb e e nd e v e l o p i n gq u i c k l ya n d b e c o m i n go n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf i e l d sf o rt h el a s e rr e s e a r c h n d ：y a pc r y s t a ln o to n l y p o s s e s s e sh i g ht h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n do p t o m e c h a n i c a lc o e f f i c i e n t ，b u ta l s oo w n sl a r g e s 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 nf o rt h e4 f 3 2 - 4 ij3 2t r a n s i t i o na n do u t p u tl i n e a r l y p o l a r i z e d ，w h i c hs h o wt h a tn d ：y a pc r y s t a li sa ne x c e l l e n tl a s e rm a t e r i a l sf o r1 3 “ml a s e r a n di t sf r e q u e n c yc o n v e r s i o n u pt on o w , t h el de n d - p u m p e dn d ：5 a pl a s e rh a ss t i l l s e l d o mb e e nr e p o r t e d i nt h i sp a p e r ，l de n d p u m p e dn d ：y a pl a s e ra n di t si 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 gw e r es t u d i e d i nt h i sp a p e r ，f i r s t l y ，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 gf o rl dp u m p e d s o l i d - s t a t el a s e r s ，a sw e l la st 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 no f n d ：y a pl a s e r i ss u m m a r i z e d s e c o n d l y ，s e v e r a lw i d e l yu s e dl a s e rc r y s t a lsa n dt h et h e r m a le f f e c t so fl d e n d - p u m p e dl a s e rc r y s t a l sa r et h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d t h et h e r m a lf o c a ll e n g t h so ft h e n d ：y a pc r y s t a lw a sm e a s u r e d t h i r d l y ，t h ei n f l u e n c e so ft h ec a v i t ym o d eo nt h eo u t p u t p o w e rf o rb o t hp t a n e p l a n ea n dp i a n o - c o n c a v er e s o n a t o ra r ea n a l y z e d t h eo u t p u tr e s u l t s o ft h el a s e rw i t hd i f f e r e n tc o u p l e rt r a n s m i s s i o nw e r ec o m p a r e d ，a n dt h em a x i m u mo u t p u t p o w e ro f3 。15 wl a s e rr a d i a t i o na t13 4 1 4n mw a so b t a i n e d t h ec o m p a r i s o n sb e t w e e n n d ：y a i a n dn d ：y v 0 4r a d i a t i n ga tt h e1 3 肛ma n d1 p mw a v e b a n dw e r em a d e l h el b o w a sc h o s e l la st h en o n l i n e a rc r y s t a lf o rt h ei n t r a c a v i t y d o u b l i n go fn d ：y a pl a s e r e x p e r i m e n t 4 31m w r e dl i g h ta t6 7 0 7n mw a sa c h i e v e d l a s t l y ，t h zr a d i a t i o nb a s e do nl a s e rt e c h n o l o g y , a so n eo ft h ec u r r e n ts t u d yf o c u s w a sp r e s e n t e da n dt h er e c e n t l y p r o g r e s sw a si n t r o d u c e d t h ep r o p e r t i e so fs e v e r a l i m p o r t a n tm i d i n f r a r e dn o n l i n e a ro p t i c a lc r y s t a lu s e df o rg e n e r a t i n gt h zh a v eb e e n c o m p a r e di nd e t a i l f i n a l l y , t h eb a s i cc o n d i t i o no fn o n l i n e a ro p t i c a lc r y s t a lf o rg e n e r a t i n g h i g h e rc o n v e r s i o ne f f i c i e n c ya n de n e r g yo u t p u ti nt h zr a d i a t i o ni sp r e s e n t e d k e y w o r d sl dp u m p e ds o l i d s t a t el a s e r ；n d ：y a p ；f r e q u e n c yd o u b l i n g ；r e dl a s e r ；t h z 福建师范大学光学工程硕：| ：学位论文 中文文摘 l d 泵浦固体激光器因具有体积小、重量轻、效率高、性能稳定、可靠性好和寿 命长等优点，将取代灯泵浦固体激光器而成为固体激光器的发展方向。特别是端面 泵浦方式具有效率高、模式匹配好、波长匹配的优点近年来在国际上发展极为迅速， 已成为激光学科的重点发展方向之一。同时掺钕离子的y a p 晶体( n d ：y a p ) ，不但具 有较高热导率和光学机械系数，而且具有较大的4 f 3 2 - 4 1 1 3 2 跃迁截面和偏振输出等特 点，在高功率1 3i t m 波段的激光及其频率变换方面具有潜在的优势。目前利用 n d ：y a p 品体进行端而泵浦的实验国内还未见报道，鉴于在侧泵高功率1 3p m 波段 获得了较好的输出结果，所以我们采用l d 端面泵浦n d ：y a p 晶体进行连续激光实 验及倍频红光实验。 本论文以l d 端面泵浦固体激光器和频率变换实验的研究为重点。结合端面泵 浦热效应和倍频的理论分析，研究了l d 泵浦下的基波和倍频光产生的若干关键问 题。报道了在泵浦功率为2 0w 时，获得了3 1 5w 的1 3 4 1 4n m 的基频光输出和4 3 1 m w 的红光输出。 论文的主要内容如下： 第一章首先概述了l d 泵浦固体激光器的发展历史、研究方向及研究热点， 表明目前固体激光器可以通过倍频和频技术覆盖到最短波长至深紫8 1 ( 1 7 7 3r i m ) ，通 过差频和光参量振荡技术最长波长可到太赫兹乃至微波波段：其次，阐述了端面泵 浦和侧面泵浦两种泵浦结构耦合方式和特点；接着介绍了n d ：y a p 激光器的发展进 程及研究现状：最后介绍了本文的研究意义及其主要内容。 第二章详细介绍了n d ：y a g 、n d ：y a p 、n d ：y v 0 4 、n d ：g d v 0 4 等四利，最常用 激光晶体的物理和光学特性；对泵浦光在激光晶体中的热传导模型进行分析，理论 分析激光晶体热效应导致的热焦距对激光稳定性的影响，并根据稳定性特点，测量 了l d 端面泵浦时nd y a p 晶体热焦距；最后提出了减小热效应的几种有效措施， 为激光器的设计提供有益的参考 笫互章理沦刈比了儿种常川激光1 1 占体往1 3p m 波段的性能，表明n d ：y a p 吉i ! i 体不但具有较高热导率和光学机械系数，而且具有较大的4 f 3 2 - 4 1 1 3 陀跃迁截面，在高 功率1 3 “m 波段的激光的应用具有明显的优势；接着对1 3 4 1 4n l r ln d ：y a p 激光器 的实验进行了详细分析。实验对比了平凹腔( 输出耦合率为t = i 1 和t = 2 4 ) 和平 中义文摘 平腔( 输出耦合率为t = 2 6 ) 的输出结果，并分析了激光振荡腔模对输出功率的影响。 最后采用透过率为2 。4 的平凹输出耦合镜获得了3 。1 5w1 3 4 1 ，4n l t l 线偏振激光输 出。采用透过率为2 6 的平面输出耦合镜，获得了2 8 6w 的输出，并与n d ：y v 0 4 在1 3l - t m 、l “m 波段的激光输出结果进行了对比。 第四章对倍频相位匹配理论进行分析，包括倍频相位匹配角的计算和允许参 量、走离效应、温度相位匹配、有效非线性系数以，等影响倍频转换效率的参数的分 析。通过对k t p 、l b o 、b i b o 三种最常用于1 3l a m 波段的倍频晶体匹配参数进行 分析比较，得出l b o 的i 类相位匹配对于1 3 a m 倍频具有定的优势的结果，所 以选用i 类相位匹配l b o 晶体对n d ：y a p 腔内倍频产生红光进行了初步的实验研究， 最终获得了4 31m w 倍频红光输出。分析表明通过对倍频实验装置进一步优化设计， 可望获得更好的倍频结果。 第五章对当前研究热点之一即通过激光技术产生t h z 波的研究现状进行了介 绍，并着重对d a s t ，z n g e p 2 ，g a a s ，g a p ，c d s e ，l i n b 0 3 ，l i t a 0 3 等几种用于 t h z 辐射的中远红外非线性光学晶体各自的结构特点、非线性性能以及它们在t h z 频率变换方而的匹配f i l 况进行介绍和比较，总缔了利i j 它们通过非线性光学差频产 ；- i - t h z 方而的最近研究进展。最后给 j - l 了获得较i 衙转换效牢和能量的太赫兹波输出 的非线性光学晶体应具祷的条件。 最后对本文进行了总结，并对本实验进行展望，提出了些需要改进的地方。 本论文研究结果虽然获得了3 1 5w 的1 3 4 1 4r i m 的基频光输出和4 3 1m w 的红光 输出，但其转换效率相对较低。主要原因是实验所用的n d ：y a p 晶体质量较差( 经 检测为n 级) ，如果采用高质量的品体可望获得更好的结果。出于国内外n d ：y a p 的生长单位很少，针对l d 端面泵浦的高质量激光品体很难获得，晶体质量普遍较 差，质量等级远低于目前市售n d ：y v 0 4 。如果能通过本研究在国六引起其他晶体生 长小组的兴趣，并着手进行提高n d ：y a p 晶体质量的研究，可以推动这一晶体的丌 发和应用。对于倍频实验，由于没有对倍频红光采取单向输出，所以实验装置存在 一些需要改进的地方。比如可以在激光晶体和倍频晶体之i i j 放置对1 3 4 1 4r i m 增透， 对6 7 0 7n m 高反的反射片来实现红光的单向输出：还可以采用折叠腔，设计出光腰 佗咒术放胃侪频几f 体，捉i ：i j - 1l o , 频j ：换效率，同时将) i 频光j 侪频光分丌从而避免激 光晶体对倍频光的吸收。 i v 第1 章绪论 第1 章绪论 自第一台红宝石激光器问世以后，激光技术、单元器件、关键技术和产品开发 方面得到了飞速的发展，在工业激光、材料加工、激光医学、激光化学、科学研究 与发展以及国防军事等领域获得广泛应用。激光与普通光束相比具有高度的方向性、 单色性、相干性和亮度高的突出特性，与原子能、半导体、电子计算机被誉为当代 四大发明；激光也被认为是2 0 世纪物理学对人类社会的一大重要贡献，它的出现提 高了生产技术水平，丌发了许多新技术和新的科学研究领域。 1 1 激光二极管( l d ) 泵浦的固体激光器的发展 1 1 1l d 泵浦固体激光器的历史 自从1 9 6 0 年7 月由美国休斯公司t h m a i m a n 博士研制成功的世界上第一台以 ( c r 3 + ：a 1 2 0 3 ) 红宝石为工作物质的固体激光器【ij 后，固体激光器就一直占据了激光器 发展的主导地位。传统的固体激光器，通常由晶体棒、泵浦灯、聚光腔、光学谐振 腔、电源及制冷系统组成。由于灯泵固体激光器转换效率低，制冷系统体积庞大， 泵浦灯的寿命短等缺点，制约了其发展空间。后来，由于大功率激光二极管制造工 艺的成熟和生产成本的降低，使l d 泵浦固体激光器的研究得到了飞快的发展。l d 泵浦固体激光器因为具有体积小、重量轻、效率高、性能稳定、可靠性好和寿命长 等优点，逐渐成为光电行业中最具发展前途的领域之一。l d 泵浦固体激光器将取代 灯泵浦固体激光器，这是固体激光器的发展方向。 l d 泵浦固体激光器的研究工作最早可追溯到上个世纪6 0 年代。1 9 6 2 年，第一 只同质结g a a s 半导体激光器问世，一年后美国人n e w m a n 首次用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 0 4 ，得到了1 0 6 9 m 受激荧光输出【2 1 。1 9 6 4 年， k e y e s 等人在4k 温度下用g a a s 二极僻激光泵浦u ”：c a f 2i 铺体，获得了2 6 1 3l a m 波段激光输出1 3 1 。1 9 6 8 年，r o s s 将l d 冷却到1 7 0k ，实现了l d 发射波长与n d ：y a g 吸收峰的匹配，获得了第一台l d 泵浦的n d ：y a g 激光器1 4 1 。由于当时l d 制作技术 的限制，l d 泵浦的固体激光器没有引起人们的关注。直到2 0 世纪8 0 年代，随着半 导体技术的日益发展和成熟，激光二极管在功率、转换效率、波长扩展和运行寿命 等方面的提高，l d 泵浦固体激光器爿获得了长足的发展。1 9 8 5 年，z h o u l 5 1 和s i p e s l 6 丌始报道采用l d 端面泵浦n d ：y a g 的激光实验研究。 1 0 1 0 1 0 ：1 0 ”1 0 。1 0 。1 0 2 1 0 “ 1 0 。fr e q u e n c y ( h z ) _ l _ 1 _ _ _ 书；秘+ 一 3 0c m3m m 3 0i t m 3 0 0n mw a v e l e n g t h ；：羹w r a v e a d i o黑a h a e r t 丢a i n n f r a r e s de uvmicrowave d idv ii b lx - r a y 隧o 。jw a v er aa l i o na nse 天。k a l ：登薹穸 笫i 章绪论 1 2l d 泵浦固体激光器的泵浦耦合方式及特点 l d 泵浦固体激光器采用的泵浦耦合方式【2 5 , 2 6 1 主要包括两大类，端面泵浦和侧面 泵浦两种结构，其中端面泵浦又可分为直接端面泵浦和光纤耦合端面泵浦。 a 直接端面泵浦是指泵浦所用的激光二极管阵列出射的泵浦光，经由会聚光学 系统将泵浦光耦合到晶体棒上，一般包括激光二极管泵浦源( 由激光二极管阵列、驱 动源和致冷器组成) 、光学耦合系统和激光棒及谐振腔等三部分。在泵浦激光模式 不太差的情况下，泵浦光都能由会聚光学系统耦合到工作物质中，耦合损失较少； 另一方面，泵浦光也有一定的模式，而产生的振荡光的模式与泵浦光模式有密切关 系，匹配的效果好，工作物质对泵浦光的利用率也相对高一些。然而，端面泵浦虽 然效率高，但固体激光的输出功率受端面限制，因为端面较小时只能采用单元的激 光二极管，这就限制了泵浦光的最大功率。如果采用功率较大的激光二极管阵列作 泵浦源，则由于阵列型二极管输出的泵浦光模式不好，而不易将泵浦光有效地耦合 到工作物质中，实际上降低了效率。而且由于泵浦光的模式较为复杂，泵浦后输出 的激光的光束质量也不易保证。 b 光纤耦合端面泵浦是针对直接端面泵滴方式的弱点，进一步发展而来的，是 指把激光二极管发射的光束质量很差的激光耦合到光纤中，经过一段光纤传输后， 从光纤中出射的光束变成发散角较小的、圆对称的、中间部分光强最大的泵浦光束。 光纤耦合端面泵浦固体激光器由激光二极管、两个聚焦系统、耦合光纤、工作物质 和谐振腔组成。用这一输的泵浦光去泵7 i l i ；i - ：f , l ：物质，予它和振荡激光在空f i i 上 匹配得很好，冈此泵浦效率很高。于激光二极1 ：或极竹阵列与光纤问的耦合较 与工作物质的耥合容易，从而降低了对器件溯挫的要求，而且最重要的是这利，耦合 方式能使固体激光器输出模式好、效率高的激光束。 c 侧面泵浦是指激光二极管阵列沿着激光棒的长度方向排列，并且泵浦辐射垂 直射于激光棒的光学轴。通过在激光棒的周围使用更多的激光二极管阵列来达到较 高的激光功率输出。这种激光二极管对激光板和圆激光棒的效率不如端面泵浦，但 其热效应容易控制，热焦距较长，主要用于高功率激光系统。在侧面泵浦中，发射 表面的大纵横比能够很容易地与激光介质匹配，且大面积散热比较容易，减小了因 为热效应而带来的问题。 福建师范人学光学t 程顾i ：学位论义 1 3n d ：y a p 激光器的发展 1 9 6 9 年，从与y a g 相同的y 2 0 3 a 1 2 0 3 系统中发现一种新的晶体基质材料y a p 为y 2 0 3 和a 1 2 0 3l ：l 的混合物或钙钛矿相，并实现了钕离子的掺杂获得了n d ：y a p 晶体【2 7 】。1 9 7 0 年，b a s s 和w e b e r 采用低增益结晶取向的n d ：y a p 晶体，实现了在 相同情况下比n d ：y a g 晶体高两倍的稠q 能量输出，并且表明y a p 的各向异性的 光谱特性使得可以选择激光棒的结晶取向，从而获得最佳的激光性能【2 圳。1 9 7 1 年 m a s s e y 和y a r b o r o u g h 采用n d ：y a p 晶体实现了在lp m 波段5 个波长和1 3 ”m 波段 2 个波长的激光输出，其中1 0 8p m 谱线最强，在4 5 0 0w 泵浦下获得了7 5w 的输 出【2 9 】。由于效率低于期望值，且性能不稳定，n d ：y a p 出现两年后几乎消失。后来 经过生长技术的改进，y a p 晶体的光学质量得到改进，加上找到了热效应严重导致 效率低的原因及解决的办法，使得基于n d ：y a p 晶体的激光器研究又得到了重视。 1 9 8 8 年，s c a r l 等人最先研究了l d 端面连续泵浦的1 3 4u mn d ：y a p 激光性能 并分别在多模和t e m o o 情况下得到2 6m w 和2 0m w 的激光输出【3 0 】。1 9 8 9 年， h a n s o n 采用l d 侧而泵浦n d ：y a pi 吊体实现了1 0 8 “m 和1 3 4 “m 激光输f i j 【3 l 】。2 0 0 0 年，吴瑞芬等用l d 侧面泵浦n d ：y a p 品体，在最高的泵浦光强5 7 1w 下得到了1 0 7 9 n n l 和1 3 4 1 4n m 分别为1 2 1w 和6 0w 的激光输出【3 2 】。2 0 0 2 年，m b o u c h e r 采用 l d 端面连续泵浦15m m 的n d ：y a p ，研究了n d 3 十的掺杂浓度对y a p 激光性能的 影响，最后获得了3 7w1 3 4 岬激光输出1 3 3 j 。 l 习内叶t 科院福建物质结构研究j g ? j i t 1 从1 j 毛n d ：y a pl 讯休，l ik ，沈鸿元课题卯l 从 1 9 7 4 年外始采j f j 本所南l 体从习f 批于n d ：y a p 的激光实验，分别于1 9 7 8 + l 三+ l - j1 9 8 2 年 报道了3 2 8w 的1 0 7 9r i m 连续激光输出和2 1 5w 的1 3 4 1 4r t m 连续激光输出 1 3 5 】。直到1 9 9 2 年，采用双氪灯泵浦n d ：y a p 使得在两个波长的连续激光分别升到了 最高4 2 4w 【3 6 1 和1 9 5w 【37 1 ，均为目前基于n d ：y a p 晶体激光实验获得最高输出功率 的报道。此后还进行了双波长的理论分析，并实验实现了1 微米和1 3 微米波段的 双波长输出1 3 8 4 。该课题组还获得基于n d ：y a p 晶体的1 3 4 微米医疗机美国专利和 中国专利。2 0 0 5 年，物构所黄呈辉等实现了灯泵n d ：y a p 晶体电光调q 1 3 4 1 4 “m 脉冲大于3 0 0m j 的输出1 4 2 1 。2 0 0 7 年物构所张戈课题组采门jl d 侧面泵浦n d ：y a pc h f - i 体分别实现了1 2 1w 【4 3 】和4 7 5w 的1 3 4 1 4n m 连续和声光调q 激光输出，并摹于 n d ：y a p 三倍频实现了4 7 6w 的4 4 7n m 蓝光输出【4 5 1 。这些结果表明n d ：y a p 是一种 优良的激光品体，特别在高功率1 3i t m 波段具有明显优势。此外，其天然的双折射 第l 帝绪论 特性，对于克服热致退偏振以及在激光非线性频率变换的应用等方面十分有利。但目 前国内只有成都东峻公司可提供较好的n d ：y a p 晶体，但实验结果跟较早物构所生 长的晶体差距较大。 1 4 本文研究工作的意义和主要内容 综上所述，l d 泵浦固体激光器因具有体积小、重量轻、效率高、性能稳定、可 靠性好和寿命长等优点，将取代灯泵浦固体激光器而成为固体激光器的发展方向。 特别是端面泵浦方式效率高、模式匹配好、波长匹配的优点，近年来在国际上发展 极为迅速，已成为激光学科的重点发展方向之一。它在激光打标、激光微加工、激 光印刷、激光显示技术、激光医学和科研等领域都有广泛的用途，具有巨大的市场 潜力。 n d ：y a p 作为一种优良的激光品体，尤其在1 3 “m 波段优势更为明显。天然的 双折射特性有利于克服热致退偏振和在激光非线性频率变换等方面的应用。目前国 内外n d ：y a p 的生长单位较少，晶体质量较差。如果能通过n d ：y a p 激光实验研究 在国内引起其他晶体生长小组的兴趣，开展提高y a p 晶体质量的研究，将有效推动 这一晶体的应用和开发。因此深入研究l d 端面泵浦n d ：y a p 激光及其倍频激光， 既有其广阔的应用前景，更具有较好的学术意义。 本论文通过对品体材料及热效应等影响激光特性的参数进行了详细的分析，介 绍了l d 端面泵浦n d ：y a p 晶体的激光实验，并与n d ：y v 0 4 在1 - 3g m 、1p m 波段的 激光输出结果进行了对比：详细分析了激光腔参数对n d ：y a p1 3 微米波段激光的影 响，并选用l b o 品体进行了腔内倍频实验，分别获得了3 1 5w1 3 4 1r i m 基频光和 4 3lm w 倍频红光输出：最后对当前研究热点之一即通过激光技术产生t h z 波的现 状进行了介绍，f ：精：砸对川于t h z 辐射f 内中远窒j ：# b - l l 线性光学i 口1 体的性能进行比较。 祸迎师范人学光学t 程坝一i ：学位论义 第2 章激光晶体及端面泵浦热效应分析 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特性。在激光器设计中，由激光晶体的热焦距产生的热效应是 影响激光器输出性能的主要因素之一，它与腔的稳定性、激光腔模尺寸、光束质量、 激光效率等参数密切相关，因此有必要对激光晶体的热焦距以及激光系统的热效应 进行系统的测试和研究。本章先后对几种常用的激光晶体进行了详细的比较分析， 测量了l d 端泵时晶体的热焦距，并介绍了几种减小热效应的有效措施。 2 1 激光晶体的介绍 激光晶体是由基质晶体和激活离子部分取代基质晶体中的阳离子形成的掺杂型 晶体，它的功能是可将外界提供的能量通过光学谐振腔转化为在空i f i j 矛1 时间上相干 且具有高度平行性和单色性的激光。激光晶体所用的基质晶体主要是氧化物晶体、 含氧酸盐晶体和氟化物晶体三大类。作为基质晶体除要求其物理化学性能稳定，易 生长出光学均匀性好的大尺寸晶体以及价廉质优外，还要考虑它与激活离子问的适 应性，如基质阳离子与激活离子的半径、电负性和价念应尽可能接近。此外，还要 考虑基质晶场对激活离子光谱的影响。激光晶体所用的激活离子主要为过渡族金属 离子、锕系离子和三价稀土离子，它们决定激光跃迁的光谱特性。n d 3 + 是最早用于 激光器的：i 价稀一l ：离t ，它钥! 一j i 与彳；结构的i m 体t i r - 丫川；足够k 的荧光：；c i ；命秆l 带 荧光线宽，并且激光跃迁的终端能级远高于基态，因而易于实现室温下的激光运转。 可采用l d 泵浦，吸收8 0 0n m 波段的泵浦光子能量后跃迁到高能级4 f 5 2 ，而后- 乙乎 全部经无辐射跃迁迅速降落到亚稳态能级4 f 3 佗，处于该能级的n d 3 + 离子可以向4 1 9 2 ， 4 i l i 2 ，4 1 1 3 ，2 三个终端能级辐射跃迁分别发射对应0 9g m ，lg m ，1 3g m 三个波段的 光子。下面简单介绍一下常用的几种掺钕离子的激光晶体的性能。 2 1 i n d ：y a g 和n d ：y a p 的物理和光学特性 掺钕钇铝石榴石( n d ：y 3 a 1 5 0 1 2 ) 【4 6 ，4 7 】和掺钕铝酸钇( n d ：y a l 0 3 ) f 4 7 5 0 1 属于 y 2 0 3 a 1 2 0 3 系统中发现的两种不同基质材料的品体。前者綦质y 3 a l s o l 2 简称用y a g 表示，为y 2 0 3 和a 1 2 0 33 ：5 的石榴石相；后者基质y a l 0 3 简称用y a p 表示，为y 2 0 3 和a 1 2 0 31 ：1 的钙钛矿相。它们作为两种优秀的高储能激光晶体，具有很好的光学、 6 第2 章激光品体及端面泉沛热效应分析 热学和机械性能等很多类似的物理性质。由于基质很硬，热导率大等特点，可用于 大功率l d 侧而泵沛激光器上，该激光器广泛应用于工业、医疗、军事、科研等领 域。 由于晶体结构上的差异，它们又存在着各自特有的性能和潜在的优势。y a g 晶 体是无色、光学各向同性的立方结构晶体，有利于产生窄的荧光谱线，从而产生高 增益、低阈值的激光作用。y a p 为各向异性的f 交晶系结构，具有天然的双折射特 性，其偏振输出对于克服热致退偏振和在激光非线性频率变换等方面的应用十分有 利。当掺杂n d 3 + 后，它们具有相似的n d 3 + 跃迁特性，采用8 0 0n i p 波段的l d 泵浦 后，由亚稳态能级4 f 3 2 向三个终端能级4 1 9 2 ，4 i li 2 ，4 1 1 3 2 辐射跃迁分别发射对应0 9 l x m ，ll x m ，1 3i x m 三个波段的光子。但n d ：y a p 由于受各向异性的晶体结构影响， 各个斯塔克斯跃迁对应不同的偏振，改变晶体轴向即可改变增益。 图2 1 和图2 2 分别给出了n d ：y a g 的吸收谱线和跃迁能级图。晶体在8 0 0n m 附近有个吸收带，对应8 0 8n m 有较强的吸收峰，适合于采用8 0 8n n l 波长的激光二 极管泵浦。4 f 3 2 到4 1 9 2 、4 i l l 2 、4 i i 3 2 跃迁的发射分支比为0 2 5 ：0 6 0 ：0 1 5 。三价钕离子 在丛质材料的- 批格坍场i i f ，撒捌j 昕塔兜效应，原：r 能级靳l j 细分裂成为若二r 个能级， 从而形成若二i ：条八订一定i l l j 隔的多巫晰线。 。 1 0 o 9 o s 0 7 o 6 d 5 5 4 i j! 一 i n l ilf i 1 i f ii r ，i u - 一瑚 。 一 jif u 。j 啊l ”k u i imiiu 一 | 案 芒i j n j伊 j 、，、jr l 一 ip ”w - ， 一 1 o 4 0 50 60 7 0 80 9 w a v ele n g t h ( p m ) 图2 1n d ：y a g 在3 0 0 k 时的吸收谱线【4 7 1 f i g 2 it h ea b s o r p t i o ns p e c t r ao f n d ：y a ga t3 0 0k phc0勺一哂。州po 图2 3 n 匿t 2 4 分别为n d ：y a p 晶体对不同偏振光的吸收谱和能级图。由吸收谱可 矢i l n d ：y a p 晶体在8 0 0n m 附近对于不同的偏振方向的光存在着不同的吸收峰值中 心，在非偏振光的泵浦下具有较宽的吸收带宽，所以对泵浦源热稳定性的要求没有 那么：泔刻，e l 致收域火他在8 0 3r i m 附近。 0 8 7 x 6 协 卷5 秀d 占3 2 1 o 7 0 0 7 2 5 7 5 0 7 7 58 0 08 2 5 w a v e l e n g t h ( n m ) 图2 - 3n d ：y a p 对不同偏振光的吸收谱 f i g 2 3t h ea b s o r p t i o ns p e c t r ao fd i f f e r e n tp o l a r i z e dl i g h to f n d ：y a p 1 2 1 0 - 卜 昌 8 o 一 蒿6 b 置 闰4 2 0 锄t 1 i f o i l lc e n t e r s o fg r a v i t y 4 r 2 4 f 3 2 4 1 1 5 j 2 4 1 1 3 ，2 ：4 i l l _ i 2 _ 1 9 j 2 图2 4n d ：y a p 的能级幽 f i g 2 - 4t h ed i a g r a mo fe n e r g yl e v e l so f n d ：y a p 9 祸建师范人学光学工程颂：j ：学位论文 n d ：y a p 对应0 9 “m ，1 “m ，1 3p m 三个波段的发射分支比为0 2 4 ：0 6 3 ：0 1 3 ， 其中受激辐射最强的来自4 f 3 7 - 4 i i i ，2 跃迁，它包含5 条较强的斯塔克子跃迁产生1 0 6 4 n r n ，1 0 7 2n m ，1 0 7 9 5n m 三个波长的辐射光谱。4 f 3 彪一4 1 9 2 的跃迁是准三能级系统， 阈值高，只有在低温下才能实现振荡，主要用以产生9 3 0n m 波长激光：4 f 3 2 - 4 1 1 3 ，2 的跃迁，主要包含两个斯塔克能级的跃迁，分别为r 1 x 1 的1 3 3 9n m 波长谱线和 r 2 x 3 的1 3 4 1 4n m 波长谱线。由于在各向异性的n d ：y a p 晶体中，对于不同的偏 振方向，受激发射截而差别较大。如对于沿b 轴切割的n d ：y a p 品体的4 f 3 2 4 1 1 3 2 ( 4 f 3 2 4 i tl 2 ) 跃迁，腔内振荡激光5 i 行于i w i 体c 轴线性i 偏振( c 偏振) 时，13 4 1 4 n n 1 ( 1 0 7 9 5n m ) 的谱线增益域姒，对应的跃迁截皿为2 2 1 0 。9 c m 2 ( 3 7 x1 0 1 9 c m 2 ) ； 而腔内振荡激光j 阳于j ：晶体a 轴线性偏振( a 偏振) 时，1 3 3 9n m ( 1 0 6 4n m ) 的谱线增益 最强。在激光设计时，不加任何光学选偏元件的情况下，由于c 偏振的跃迁增益晟 强，所以输出为c 偏振激光。 2 1 2 n d ：y v 0 4 和n d ：g d v 0 4 的物理和光学特性 掺钕钒酸钇( n d ：y v 0 4 ) 4 6 , 5 1 , 5 2 】和掺钕钒酸钆烈d ：g d v 0 4 ) 1 5 2 - 5 4 】属于同结构的基质 晶体材料，具有相似的激光性能。同属于四方晶系1 4 i a m d 空问群，存在较大的自 然双折射，避免了热致双折射对激光的影响，激光输出沿着特殊的万方向呈线性偏 振。而且具有吸收系数大、吸收带宽、受激发射截面大、激光效率高、闽值低等特 点，是优良的l d 泵浦激光晶体。表2 2 给出了n d ：y v 0 4 和n d ：g d v 0 4 的一些物理 和光学特性对比。 表2 - 2n d ：y v 0 4 和n d ：g d v 0 4 的物理和光学特性对比 t a b l e2 - 2t h ec o m p a r i s o no fp h y s i c a la n do p t i c a lp r o p e r t i e sb e t w e e nn d ：g d v o ta n dn d ：y v o d - l - _ 。o o 。_ _ _ _ _ _ _ _ 一i ili,ii 一 品体 n d ：y v 0 4n d ：g d v 0 4 “j 第2 章激光品休及端面泉浦热效成分析 n d ：y v 0 4 作为种重要的激光材料，其潜力早在1 9 6 6 年就显现出来了，但是 生长中的一些缺陷，使其不可能作为闪光灯泵浦所需尺寸的高质量晶体，是阻碍其 继续发展的主要障碍，如果消除晶体大尺寸的限制，改进生长工艺，就可以获得更 高质量的晶体。在这种单轴晶体中，泵浦吸收与偏振有关。若泵浦光的偏振方向与 激光辐射方向相同，对泵浦光的吸收则最强：且对于8 0 9n m 波长左右的泵浦源， n d ：y v 0 4 的吸收谱比n d ：y a g 的宽，且没有那么尖，更能适应二极管的温度变化。 缺点是受激态的时间短，热导率低，限制了其在高功率激光器中的应用。室温下在 近红外区有三条明显的荧光谱线，其中心波长和所对应的能级跃迁为 9 1 4r i m4 f 3 ，2 4 1 9 ，2 - 1 0 6 4n m 4 f 3 2 - 4 i i1 1 2 13 4 2n m4 f 3 ，2 4 1 1 3 2 n d ：g d v 0 4 是一种比较新型的激光晶体，于1 9 9 2 年由z a g u m e n n y i 等人首次生 长成功。跟n d ：y v 0 4 类似具有高的吸收系数和宽的吸收带宽，对泵浦波长的依赖性 小；虽然其在1 “m 和1 3 “m 波段的跃迁截面较n d ：y v 0 4 小，但大于n d ：y a g ：特 别是其沿 方向的热导家远高于n d ：y v 0 4 ，与n d ：y a g 热导葺墨棚肖，能承受更 高的泵浦功率密度，适合于高功率l d 泵浦激光器。它还可以实现高浓度掺杂而不 出现发光浓度猝灭，大的分凝系数使生长光学质量均匀的晶体相对容易。室温下在近 红外区的三条荧光谱线波长相对n d ：y v 0 4 蓝移，其中心波长和所对应的能级跃迁为 - 9 1 2n mq f 3 2 斗1 9 2 10 6 3n m4 f 3 2 - - - 4 i il ，2 13 4 0n m4 f 3 2 - - - 4 1 1 3 2 2 2 热焦距的分析与测量 2 2 1 泵浦光在激光晶体中热传导模型 在固体激光器激光材料的光泵浦过程中，吸收的泵浦光只有部分作为激光输出， 其余能量转化为热量存在于激光工作物质中。尽管半导体激光泵浦的光谱与激光晶 体吸收光谱匹配良好，可使晶体的热效应大为降低，但由于量子亏损的存在及激光 跃迁过程r l ：，量子效率小于l 的缘故，所以热效应仍是影l l 向激光器光束质量和稳定性等 性能的重要因素。 祸建师范人学光学丁程硕j ? 学位论文 l d f 而i l l - l l i - j * 泵f i l i t f ! 况卜，泵浦源从激光i 咕体端l f f 向1 1 l j 体提供广：生激光所需能聚，产 生激光的同时，拍：介质中造成无j = j 热。为了持续l 二f 1 ：，必须及寸从激= ) 匕介质 - i i 消除 无用热。在一定的梨浦功率下，激光。体内的瞬念4 ：i f l x j 称热f 导方程为【5 5 】： 詈叫窘t 等+ 窘m ， p ， 式l l p 为i 仙体密度，i y t 立 k g m 3 ；c 为l f i 体比热容，竹化j ( k k ) ；t 为i 诮体瞬态濉 度，j 牡位k ；九为晶体的热导系数，1 1 ，i 位w ( m k ) ：智为 i l l l 体1 人j 部热源，l f i 能w m 3 。 采i i i