全固态激光器文献阅读报告

1、一 引言 1960年，美国科学家梅曼用脉冲氙灯激励红宝石晶体， 获得 694.3nm 的激光输出， 从此 诞生了世界上第一台固体激光器。 自此以后， 惰性气体灯成了各类固体激光器重要的泵浦源， 它们具有输出功率高，光束质量好，固体介质寿命长且坚固等优点。但气体放电光源的电光 转换效率不高 （小于 15%）；辐射光谱太宽 （紫外至红外），固体激光介质的吸收谱带宽有限， 因而激光效率较低（小于 5% ）；无用的紫外辐射使激光晶体寿命降低；多余的红外辐射加热 激光晶体，致使激光束质量变差，并且为了去除多余的热量还需要庞大的水冷系统。另外气 体放电光源寿命短、 易碎、更难以模块化生产。这使得闪光灯泵浦

2、的固体激光器诞生 40 年来， 虽然应用领域已非常广泛，但仍处于多品种、高损耗、低效率状态。 1962 年，第一只同质结砷化嫁半导体激光器问世；一年后美国人纽曼首次提出了采用半 导体二极管作为激光器泵浦源的构想。但由于早期的 LD 工作稳定性差，转换效率低，寿命 比闪光灯还短，而且需要采用液氮来冷却，其优越性未得到体现，因此 LD 作为固体激光器 的泵浦源显得很不成熟，在近二十年的时间未能引起人们的重视。进入八十年代后，随着晶 体生长技术分子束外延（MBE）、金属有机化学气相沉淀（MOCVD）和化学束（CBE）的日益成熟 以及量子阱（QW）和应变量子阱（SLQW）新结构的出现，LD的各项性能指

3、标得到很大改善，使 半导体泵浦全固体激光器获得了长足的发展，也使最早出现并己有近四十年发展史的固体激 光器重新焕发出勃勃生机。进入 90 年代后，由于大功率 LD 的发展和 LD 泵浦固体激光器整 体设计上的优化，大功率 LD 泵浦固体激光器有了很大的进展，并且研究重点已转向实用化 和商品化方向发展。近年来，国 LD 泵浦固体激光器的研究也十分活跃。全固态激光器的发 展步入一个新台阶。 LD 泵浦的全固态激光器主要优点是： （1）结构小型、紧凑，整体性强、密封性能好，一般有防震和防冲击等特性，所以工作 稳定、操作简单、维护方便且费用较低。配合适当技术，还可耐高温、耐寒、防水。在很多 场合（如航

4、空、航天、宇航、舰船、工业现场等 ）有重要的应用。 （2）总体转换效率高，和灯泵的固体激光器相比，由于激光二极管 （LD）具有外量子效率 高，泵浦波长易与介质吸收峰很好对应等特点，使得二极管（LD）泵浦固体激光器（DPSSL）的 光一光转换效率大大提高。此外，由于采用 LD 泵浦降低了冷却要求，加之 LD 频率稳定， 从而减小了激光器的技术噪声，使得 DPSSL的各项指标，如斜效率、线宽、稳定度、脉宽、 单频运转等均超过了闪光灯泵浦的固体激光器。 （ 3）可靠性好，寿命长。 LD 泵浦的全固态激光器，寿命可长达 104105 小时，而灯泵 固体激光器的寿命通常只有 400 多小时。 （ 4）可

5、以制成多种新波长器件和特种器件。 LD 泵浦固体激光器通过采用不同的激光晶 体以及频率变换技术， 可以得到多种新的振荡波长， 波长覆盖比 LD 宽，而且可以利用 LD 阵 列泵浦，获得更大的输出功率 ;同时 LD 泵浦固体激光器还可以获得如：双波长、可调谐等 器件。激光二极管泵浦的固体激光器以上的种种优点，使其在工业激光加工、科学检测、目 标测距、激光核聚变、激光射击武器、激光医用手术刀及激光分离同位素等军事、工业、医 学和科学研究等的应用领域中起着越来越重要的作用，已成为激光领域研究的重点之一。 二 灯泵浦和二极管泵浦方式比较 作为泵浦源的气体放电灯与激光二极管相比 ,区别如下： （ 1）转

6、换效率。泵浦灯是宽带泵浦 , 灯的辐射光谱只有极小部分被晶体棒吸收并转换成 激光能量，转换效率仅为 3%6%;激光二极管的辐射光谱与固体激光工作物质的吸收光谱 基本重合，并且泵浦光模式可以很好地与激光振荡模式相匹配，因此光转换效率很高，达到 50%以上，比灯泵浦固体激光器高出 1 个数量级。 （2） 激光系统的体积。使用灯泵浦的固体激光器需要庞大的电源和水冷系统, 激光系统 的体积大。激光二极管体积小、重量轻、结构紧凑，在平均输出功率200mW的情况下，耗散 在管子上的功率只有瓦级 , 采用自然风冷即可 , 因而大简化了机械装置 , 为激光系统的小型 化提供了有利条件。 （3）光束质量。泵浦灯

7、中注入的大部分电功率转换成热能 , 造成激光晶体不可消除的热 透镜效应 , 使激光光束质量变差 , 而激光二极管避免了激光介质热效应 , 泵浦光的能量稳定 性好 , 改善了光束质量。 （4）性能和寿命。泵浦灯的寿命约为 3001 000小时, 换灯要中断系统工作 , 使自动化 生产线的效率降低 ; 而激光二极管性能可靠 , 寿命大大长于泵浦灯 , 达15 000小时。二极管泵 浦固体激光器为全固化器件 , 是迄今为止唯一无需维护的激光器 , 尤其适合大规模生产线。 三 全固态激光器的泵浦耦合方式 LD 泵浦固体激光器的泵浦方式分为端面泵浦和侧面泵浦两种结构，其中，端面泵浦 又分为直接端面泵浦和

8、光纤耦合端面泵浦两种。 （1）端面泵浦，也称为纵向泵浦，其泵浦光进入工作物质的平面，常与激光器输出平面 重叠或平行。 a.直接端面泵浦 直接端面泵浦是小功率 LD 泵浦固体激光常用的一种泵浦方式。 如图 1所示， LD 直接端 面泵浦固体激光器系统由泵浦源LD、光束耦合系统、激光晶体以及输出耦合镜组成。泵浦 源 LD 出射的泵浦光，经由会聚光学系统将泵浦光耦合到激光晶体左端面，在晶体的泵浦耦 合面上为减少耦合损失而镀有对 LD 发射波长的增透膜。同时，该端面也是固体激光器谐振 腔的全反端， 因而端面的膜也是输出激光的谐振腔， 起振后产生的激光束由输出镜耦合输出。 该泵浦方式的优点是：耦合效率高

9、，大多情况下，其光光转换效率可达50%以上;其次， 较易实现泵浦光在工作物质的光强分布与谐振腔基模在工作物质的光强匹配，在不采取任何 措施的情况下，能实现基模运转，获得良好的光束质量。 其缺点是：但这种泵浦方式因为仅在小区域输入泵浦光，光强受到一定的限制。因此，目前 该类系统仅能运转在几十瓦的输出水平。 LD 激光晶休 光学耦侖系统 输出镜 图1 LD直接端面泵浦固体激光器 b.光纤耦合端面泵浦 光纤耦合端面泵浦是用光纤或光纤束将 LD的输出光耦合到固体激光材料的一种方式。 如图2所示，光纤耦合的端面泵浦激光器由激光二极管、聚焦系统、耦合光纤、工作物质和 输出耦合镜组成。与直接端面泵浦不同：

10、这种结构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。用 这一输出的泵浦光去泵浦工作物质，由于它和振荡激光在空间上匹配得很好，因此泵浦效率 很高； 利用光纤的柔韧性，可以将作为泵浦源 LD和固体激光器实行热隔离，减轻热效应的 相互影响，并且固体激光器可以根据需要放置于不同的工作地点而不必移动泵浦光源 由于激光二极管或二极管阵列与光纤间的耦合比其与工作物质间的耦合容易，从而降 低了对器件调整的要求，且最重要的是这种耦合方式能使固体激光器输出模式好、效率高。 图2 LD光纤耦合端面泵浦固体激光器 （

11、2）侧面泵浦 侧面泵浦也称为横向泵浦，其泵浦光进入工作物质的面与激光输出面相互垂直。由于工 作物质的侧面长度可以在一定的围延伸，泵浦光可以在较长的围输入至工作物质中，所以此 类激光器输出功率可以在较大围变化，即从几瓦至几千瓦，目前高功率二极管泵浦固体激光 器属于此类型泵浦方式。如图 3所示，侧面泵浦使用阵列半导体激光器从侧面对激光晶体进 行泵浦，其散热效果好，泵浦光可采用多个LD阵列，提供较强的泵浦光，适用于高效率的LD 泵浦固体激光器。 灑L光胡休 朮学耦舍系统 输出镣 卒 J L D卉列 图3-3 LD侧面泵浦固体激光器 四固体激光工作物质 固体激光器的工作物质必须具备以下三个特点： （1

12、）尖锐的荧光谱线； （2）与半导体激光器发射谱线相对应的强吸收带； （3）存在针对所需要的荧光跃迁的相当高的量子效率。 一般来说，掺杂少量元素的晶体或玻璃通常具有上述特性，电子跃迁就发生在这些少量 元素部未填满的壳层之间。目前，在众多的激光晶体中，掺有稀土离子特别是掺Nd3+的激活 介质（如Nd:YAG、Nd,Ce:YAG、Nd:GdV04和Nd:YVO 4等）被研究的最多，应用也最为广 泛。Nd3+是最早应用于激光器的稀土离子，目前已经在大约100多种基质材料中实现掺杂并 获得受激发射，其中最常用、最重要的基质材料是YAG、YV04、GdV04以及玻璃材料。激 光的产生由可形成反转粒子数的两

13、个能级构成，掺Nd3+的激活介质可获得若干频率不同的受 激发射，主要可以实现中心波长为 0.9卩m、1.06卩m和1.34卩m的三种跃迁，这些三种主要 波长的辐射分别来自 午3/2 4|9/2、4F3/2 4|11/2和午3/2一 4|13/2跃迁，其中第一种属于准三能级或 能级结构，后两种属于四能级结构。除此以外，固体激光器的工作物质还有Er:YAG、铒玻 璃、Tm,Ho:YVO、Ho,Yb:YVO、Yb:YAG和以过渡金属离子掺杂的增益材料。 五非线性光学频率变换技术 非线性光学频率变换技术是一种扩大高功率激光器应用围的有效技术，它利用光学介质 在强辐射场下的非线性光学效应产生新的频率，包

14、括谐波的产生等弹性过程和受激拉曼散射 或布里渊散射等非弹性过程。当光波在介质中传播时，电子和原子将对光波的电磁场做出响 应，使电荷的时间和空间分布发生变化。电场对带电粒子的影响主要是使价电子从它们正常 的轨道上偏移出来。由此形成了电偶极子，其宏观表现就是极化，偶极子产生再辐射。在强 光作用的非线性条件下，产生畸变的再辐射波就具有和原始波不同的频率，从而产生了新的 频率，如二倍频、三倍频、四倍频及和频效应产生的新频率。 假设有三个频率分别为 31,血和皿沿z方向传播的单色平面波，记为 E1, E2和E3，垂 E1(z)=E1(z)exp(i? 1) (1) E2(z)=E2(z)exp(i? 2

15、) E3(z)=E3(z)exp(i? 3) 稳态三波耦合方程为： dE(z) 2 i1- * efE3(z)E2 (z) exp( i kz) dz k2c2 dE2 (z) dz 2 2 i k2c2 * eff E3 (z)E1 (z) exp( i kz) dE3(z) dz 2 3 i ksc2 * eff E2(z)E1 (z) exp( i kz) 1 2 3 三波复振幅为: 直照射到介质上，并有 在折射率为n的介质中，光功率密度利用I丄nc o E ，得和频光光强 2 2 2 3 deff L2 1112si nc2 KL 2 2 其中，K为相位匹配因子，也可以称为相位失配度。

16、可以看出，当旦=0时I3最大， 2 K|KI 当增加时I3迅速减小，我们把 =0称为相位匹配条件。当 K =0时才能保证|3达到 22 最大值。 和频(Sum Frequency Generation SFG)也称为频率上转换(Frequenc Up-Conversion),这是 一种将光辐射向短波长方向变换的非线性技术。在和频效应中，输入的光波有两种不同的频 率，即123 ,心工因此，可以在倍频技术不能达到的某个短波长处实现相干辐射。 K =0，对于倍频, 例如，对于激光的1064nm,倍频技术只能实现绿光(523nm)输出，而对某些应用所需要的紫 外光(355nm)相干辐射，就必须采用53

17、2nm与1064nm的和频技术。和频效应是三波相互作用 中的一种，属于二阶非线性光学效应。与倍频相比，利用双轴晶体进行和频时，泵浦光有两 种波长，相当于在二阶非线性效应的波耦合方程组中增加了一个自由度，特殊性和复杂性也 有所增加。因此，目前对于和频技术，其技术成熟程度尚不及倍频。 相位匹配是非线性光学中最重要的概念之一。相位匹配条件为 2k k2 ;对于和频，k 1 k 2 k 3。和频效应中，由光子动量 P与波矢K的关系，可推 导出Pel+Pe 2= P3o在和频过程中，其频率关系表明了能量守恒，而相位匹配则表明在高转 换效率条件下的动量守恒关系，保证能量转移由基频光向和频光单向地不断进行。

18、相位匹配 条件控制着光波之间能量转移的方向。另外，由波矢与相速度的关系k ，得出在 c np k 1 k 2 k 3时，相位匹配条件要求有 小12门23门3，在此条件下，基频光波与和频光 波的相位差恒定，是一种与空间坐标无关并且相位差恒定的相干过程，产生的和频光波将得 到同步叠加、干涉增强的效果。由于介质中存在的色散效因此利用这种色散效应提出了相应 的角度匹配方法。 将基频光以特定的角度和偏振态入射到和频晶体，利用晶体本身所具有的双折射效应抵 消色散效应，达到相位匹配的要求。角度匹配是高效率产生倍频光辐射的最常用、最主要的 方法。基频光电场偏振态的配置方式，分为平行式和正交式，相应的角度匹配称

19、为I类和U 类方式。设三个光波满足3 2i,dn/d 0,如果i与2的光波具有相同的偏振，此时 的相位匹配为I类匹配；反之， i与2的光波具有正交的偏振，此时的相位匹配为U类匹 配。 最常用的355nm和266nm全固态UV激光为例前者通常由1064nm红外基频光通过一次倍 频，部分红外光转换成532nm倍频绿光，剩余1064nm基频光与532nm倍频光通过和频得到 355nm三倍频UV激光；而后者是将1064nm红外基频光通过一次倍频，基频光转换成 532nm 倍频绿光，然后将532nm倍频光再经过一次倍频，得到266nm四倍频UV激光。 对于一般的负单轴非线性晶体，其折射率依赖于偏振方向以

20、及光在晶体中的传播方向，一 般可以通过旋转偏振方向和选择晶体切割角度，亦即选择特定光传播方向来满足相位匹配条 件，这种方法称为角度相位匹配。当入射的基波取单一的线偏振光（o光），产生的谐波取另一 种状态的线偏振光（e光），这种相位匹配方式称之为 类相位匹配”（o+o=e）。而当基波取两种 偏振态（o光和e光），谐波取单一偏振态（e光）,这种相位匹配方式称之为 “类相位匹 配”（o+e=e。 角度相位匹配一般存在走离效应。如果可以选择晶体使得在垂直于晶体光轴（9 m =90的 方向上实现相位匹配，则光束走离效应的限制可以消除。为了实现这种匹配角9 m =90勺相位 匹配，可以利用有些晶体的折射率

21、的双折射与色散是温度敏感函数的特点，即ne随温度的改 变量比no随温度的改变量大得多。通过适当调节晶体温度，可实现9 m =90勺相位匹配，这种 通过调节晶体温度实现相位匹配的方式称之为温度相位匹配。由于温度相位匹配对于角度的 偏离不是特别敏感，又叫作非临界相位匹配。 六、激光频率转换（变频）晶体 非线性光学频率转换晶体主要用于激光倍频、和频、差频、多次倍频、参量振荡和放大 等方面，以拓宽激光辐射波长的围，开辟新的激光光源等。 (1)红外波段的频率转换晶体 现有的性能优良的频率转换晶体，大多适用于可见光、近红外和紫外波段的围红外波 段，尤其是波段在5卩m以上的频率转换晶体，至今能得到实际应用的

22、较少。红外波段的晶 体，主要有 AgGaS2，AgGaSe?，CdGeAs2，AgGa(Sei-xSx)2，Ag3AsSe3和 Ti3AsSe3等。这些晶 体的非线性光学系数很大， 但其能量转换效率大多受到晶体光学质量和晶体尺寸大小的限制， 从而得不到广泛的应用。 (2) 可见光到红外波段的频率转换晶体 现有的磷酸盐、碘酸盐、铌酸盐等非线性光学晶体中，均存在着从可见光到红外波段的性能 良好的频率转换晶体。其中磷酸盐晶体有 磷酸二氢钾(KH2PO4)结构型晶体，简称KDP型晶体。KDP型晶体是用水溶液或重水 溶液法生长的，具有优良的压电、电光和频率转换性能这些晶体作为压电换能器、声纳等 常用的晶

23、体材料 , 是适用于激光核聚变等高功率激光系统中的优选晶体。从水溶液中可很容 易地生长出高光学质量、特大尺寸的 KDP 晶体，它的透光波段从紫外到近红外波段，激光损 伤阈值中等，倍频阈值功率在 100mW 以上，并易于实现相位匹配等优点。因此， KDP 晶体 是高功率激光系统中较理想的频率转换晶体材料。 磷酸钛氧钾 (KTiOPO) 晶体，简称 KTP 晶体。 KTP 晶体具有倍频系数大，透光波段宽， 损伤阈值高，转换效率高，化学稳定性好等优点。碘酸盐晶体碘酸盐晶体包括。碘酸锂(a LilO3)、碘酸(HIO3)、碘酸钾(KIO3)等晶体。这类晶体均采用水溶液法生长，其中能作为材 料来应用的只

24、有a LiIO3晶体，这种晶体的优点是透光波段宽、能量转换效率高，且易于从 水溶液中生长出优质大尺寸晶体等。铌酸盐晶体 铌酸盐晶体包括铌酸锂 (LiNbO 3)、铌酸钾 (KnbO3)、铌酸锶钡(Sr1-xBaxNb2O6)、铌酸钡钠(NaBaNb5O15)、钽酸锂(LiTaO3)等晶体，这些晶 体均多采用熔体提拉法生长，其中以 LiNbO3 晶体研究得最多。铌酸锂 (LiNbO 3)晶体，简称 LN 晶体，可用于声表面波、滤波器、光波导、光导器件、 Q 开关、电光调制、传感器、激光 倍频等方面。 (3) 紫外波段的频率转换晶体 紫外波段的频率转换晶体，研究最早的是五硼酸钾 (KB5O8 H2

25、O)晶体，但它的倍频系数 甚小。 70 年代通过分子设计等方法，发现了尿素 CO(NH 2)2晶体是具有优良性能的紫外频率 转换材料，但使用上也很不方便。80年代，科学院物质结构研究所，相继地发现了偏硼酸钡(B BaB2O4)与三硼酸锂(LiB3O5)等晶体，简称BBO晶体。优点是：倍频系数大，倍频阈值功 率高(比KDP晶体高34倍)，能在较宽的波段(200 3000nm)实现相位匹配，激光损伤阈值 高，物理化学性能稳定。这种晶体是短脉冲(1ns)、高功率(1GW)激光倍频的候选材料。三硼 酸锂(LiB 3O5)晶体，简称LBO晶体。突出优点是：透光波段为(165 3200nm),具有足够大的

26、 非线性光学系数，室温下能实现相位匹配，化学稳定性好，它是迄今为止的激光损伤阂值最 高的非线性光学晶体材料，已实现了光参量振荡输出，对1.06卩m的Nd:YAG激光的倍频转 换效率高达 60%。 七 绿光激光输出 以532nm激光输出为例，可通过对1064nm的基频光进行倍频而产生。其应用广泛，技术 相对成熟，国外很多文献发表或报道了对 532nm激光器件的开发与生产。 1994年，中国科学院光学精密机械研究所孟红祥发表了对于 LD泵浦的全固体绿激光器研 究，主要论述了用激光二级管（LD）泵浦、腔倍频的绿激光器的原理和结构。在激光阈值、斜 效率的讨论中指出：当LD的泵浦光束在激光晶体中的尺寸越

27、小，光功率密度越高，激光阈值 就越低，转换效率就越高，在放大基波的结构中，激光腔镜对基波的反射率越高，基波的放 大倍数就越大，转换效率就越高；用Poincare图分析了激光器中出现的混沌行为。针对 LD的 光形状是一个椭圆光锥，选择了用多组透镜准直、梭镜对扩束的泵浦光传输系统方案，对腔 体、激光膜层作了概述，具体提出了用平凹腔结构，并把激光膜层直接做在晶体上，可以减 少腔损耗；对YAG KTP，YVO4 KTP组合的绿激光器作了研究。 在腔倍频YAG激光器中观 察到的实验现象很好地附合理论结果，在YVO 4 KTP的绿激光器中，比腔倍频YAG激光器较 容易得到YAG KTP组合绿激光器，最续输

28、出功率为14.4 mw,阈值15 mw,光一光斜效率为 4.1 %。YVO 4 KTP绿激光器：最续输出120mw，阈值100m w,光一光斜效率6.3%。 2000年，大学光电所王海波、马艳、翟泽辉等，报道LD泵浦的四镜八字环行Nd:YVO4/ KTP 腔倍频稳频激光器。激光腔结构设计考虑泵浦光的光束质量因子，热不灵敏条件，消除空间 烧孔效应，实现单频运转。腔插入 入/波片和放在磁场中的TGG晶体（使激光偏振方向转动7 构成单向器，使激光器单向运转。泵浦功率为 11W时，获得1.3W单频绿光，光-光转换效率 11.8%，在自由运转情况下频率稳定性优于 2MHz ,通过边带稳频反馈系统将输出激

29、光频率锁定 在F-P共焦参考腔的中心频率上，频率稳定性优于 400kHz 2002年，中国科学院光学精密机械与物理研究所，周城、叶子青等发表采用复合腔与布 氏片相结合的方式实现单纵模的有效选取，LD采用紧贴式端面泵浦，通过精密调控Nd:YVO4、 KTP及泵浦源LD的温度以达到有关参数的最佳匹配，从而实现了稳定的单频绿光输出。在抽 运功率为500mW时，获得38mW的单频连续稳定运转的532nm的绿光输出，其光-光转换效率 为7.6%。 同年，大学光电研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室的王海波、 马艳、翟泽辉、 郜江瑞发表采用光纤耦合激光二极管（LD）抽运Nd:YVO4激光晶体，采用KT

30、P晶体腔倍频，在输 入抽运功率为11W时，获得115 W稳定单频绿光输出，光2光转换效率1316 %。通过边带锁频系 统将基频激光频率锁定在F2P共焦参考腔的中心频率上，输出的倍频光频率稳定性优于620 kHz，功率稳定性优于 .5%0 2004年，西北大学光子学与光子技术研究所隆、田丰、致民等，对端面泵浦Nd:YVO 4 构 成的四镜Z型折叠腔结构进行了理论研究，合理调整谐振腔的参量关系，使谐振腔能够适应不 同泵浦功率下激光晶体热焦距的变化，同时所设计的折叠腔还具有腔参量调整灵活等特点以 LBO晶体为倍频晶体，采用I类角度调节位相匹配技术，在双端泵浦光功率为26W时，成功 地获得了 4W稳定

31、的连续绿光输出Nd:YVO4/LBO绿光激光器输出为4W时的稳定性为1.3%，其 光-光转换效率达到 13%。 2005年，清华大学电子工程系立春、霍玉晶等发表了关于LD泵浦全固态调Q高重复频率 532皿激光器的研究。实现了重复频率高达105 kHz的紧凑的全固态声光（A-O）调Q 532nm腔倍 频激光器。激光器使用Nd： YVO4作为激光晶体，U类匹配的KTP为倍频晶体，声光器件材 料为熔融石英，由自制的声光驱动器驱动，其最大射频输出功率为7.5W，重复频率1 Hz105 kHz可调。使用1W的激光二极管（LD）抽运，50 kHz重复频率下，得到平均功率达224mW的 532nm脉冲激光稳

32、定平均输出，总光光转换效率高达22.4 %。低重复频率下，可以实现脉宽为 17.2ns,峰值功率为470W，单脉冲能量为8.1卩J勺稳定运转。给出了平均功率与重复频率关 系的一般公式，并提出即使是在四能级系统中，有效储能时间也并不等于上能级寿命，理论 计算结果与实验结果吻合得很好。 2006年，中国科学院光学机械与物理研究所郝二娟，檀慧明、付喜宏等，报道了一种LD 泵浦Nd:YVO4晶体、腔U类相位匹配KTP和高转化率高偏振度连续输出的全固态激光器的设 计和试验结果。采用短三镜折叠腔结构，在 1W 的注入泵浦功率下获得了 320 mW 波长为 532nm的绿光基模输出，光-光转化效率为32%，

33、经测试偏振比为550:1。 2010年，中国科学院光机所发表研究了医用半导体泵浦绿激光器设计与实验。主要通过 对半导体泵浦腔倍频直/V型谐振腔532nm绿激光器进行理论和实验研究，并在皮肤性血管病 变方面进行动物实验， 取得了一些研究成果。 回顾了激光的发展过程及其在医疗领域的应用， 综述了国外激光器的最新研究进展，分析了半导体泵浦532nm绿激光在皮肤性血管病变治疗 方面的优势。应用非线性光学倍频理论对半导体泵浦532nm倍频绿激光进行理论分析，讨论 相位匹配、走离效应以及温度等因素对倍频晶体倍频效率的影响，分析各种非线性晶体的基 本特性及其优缺点。详细研究了激光工作物质和倍频晶体的热效应，

34、讨论温度对激光器件运 行稳定性的影响，理论分析并设计了热透镜效应不灵敏的V型谐振腔。研究了激光治疗血管 病变的机理和方法，证明它是治疗皮肤性血管病变的一种有效方法。进行动物实验，根据动 物实验数据优化了长脉冲激光治疗样机参数，为完成研制和开发适用于临床手术需要的单波 长或者多波长激光治疗机提供参考。 2011年，丁春峰、杜海龙等在激光杂志报道了关于激光二极管侧面泵浦全固态电光 调Q532nm激光器的研究。设计一个能够实现高稳定性、窄脉宽、高峰值功率的全固态532nm 脉冲激光输出系统。首先采用平一平腔结构，运用LD侧面泵浦技术和电光调Q技术实现基频 光输出，再用KTP晶体通过腔外倍频实现脉冲绿

35、光激光输出。在腔长为164cm，重复频率200 Hz，泵浦电流为70A，泵浦脉宽为2s条件下，得到单脉冲能量1.68mJ、脉宽8ns、峰值功率达 到210KW的532nm激光输出，光-光转换效率为17.98%。实验结果表明：该激光器能够得到 稳定的窄脉宽、高峰值功率、高转换效率的激光。 同年，交通大学机械与动力工程学院发表热电制冷的半导体泵浦532nm激光器控温性能 优化研究的论文。简单回顾了半导体泵浦 532nm 激光器的发展和应用，介绍了半导体泵浦 532nm激光器的温度特性，阐述了温控对于半导体泵浦 532nm激光器的重要性和目前半导体 激光器的主要温控手段。介绍了目前半导体泵浦532n

36、m激光器的市场状况，回顾了有限元方 法在半导体激光器传热特性研究中的应用情况。叙述了热电制冷的原理以及热电制冷在设计 中具体应用，建立了热电制冷的半导体泵浦 532nm 激光器控温部分的数学模型，然后在半导 体泵浦532nm激光器控温部分的设计中，通过引入有限元分析（FEM）的方法，使用ANSYS 有限元分析软件，通过稳态热模拟和瞬态热模拟对控温部分结构进行热分析，并且在数学模 型的指导下对据优化后的结构制作了实验装置，并且对实验装置的控温能力进行了测试。通 过对比实验测试数据和 ANSYS 热模拟的数据，确认相互之间的误差约在 10%左右；结果表 明，有限元分析的应用在改善热电制冷的半导体泵

37、浦532nm激光器控温部分性能有明显的效 果。 同年，华中科技大学发表了一篇对于 LD泵浦全固态532nm激光器研究的文章，基于科 研与市场的需求，设计出一种工业化实用型的绿光脉冲激光器。首先介绍了全固态激光器的 发展历史以及绿光激光器在各领域使用的实例，表明了研发绿光脉冲激光器的必要性。然后 对四能级速率方程、调 Q 脉冲方程、倍频技术以及相位匹配方法等关键原理进行论述。再次 介绍了市售常用的激光晶体和倍频晶体，从中选择适合我们设计的晶体材料，并对晶体材料 的相关参数进行优化设计。最后从设计的几种腔形结构中选出最适合我们设计标准的腔形结 构；选择了端面泵浦、腔倍频和声光 Q 技术并设计了倍频

38、晶体的冷却方式；对腔形的热透镜 效应、腔长、腔光斑分布进行了分析和计算。结合半导体冷却和传导冷却的优点，设计出一 套适合激光系统中使用的倍频晶体冷却系统，对温度实时监测，可控性高，对谐振腔腔长、 光斑尺寸等参数进行模拟分析， 设计出一套适合本实验使用的腔形结构， 在端面泵浦条件下， 采用折叠腔形结构，泵浦功率为30W，重复频率40KHZ时获得了平均功率1.81W、脉宽35ns 的脉冲绿光输出。 2013年，中航工业电光设备研究所的毛鑫，兆国等人报道了LD侧面泵浦的Nd:GdVO绿 光激光器，通过高重复频率声光驱动调Q技术和LD侧面泵浦Nd:GdVO技术，获得高功率线 偏振1064nm激光输出。

39、采用腔倍频方式，对非线性晶体 KTP进行频率变换，实现高功率窄脉 宽绿光激光输出。在电源输入电流 30A,调Q驱动频率10kHz的条件下，获得最高功率 30W 线偏振1064nm激光输出，脉宽 30ns,倍频KTP晶体获得23.3W的532nm绿光输出，1064nm 到532nm转化效率为78%实验结果表明：通过声光调 Q技术和LD侧面泵浦Nd:GdVO技术， 可以实现高功率线偏振窄脉宽 1064nm激光输出，倍频非线性晶体 KTP可获得高功率窄脉宽 532nm激光。 激光技术在医疗领域中的应用越来越广泛， 激光治疗拥有方法简单、效果显著、周期短、 副作用小和风险低等优点，已经获得了广泛关注，

40、被广大医学专家竞相采用，在皮肤性血管 病变治疗中更具有独特的优越性。一些新的绿光谱线，如黄-绿光波段激光输出成为激光领域 的研究热点之一。 2007年，中国科学院光学精密机械与物理研究所的，吕彦飞、喜和、檀慧明发表了一篇 关于全固态连续波555 nm黄-绿光激光器的文章。报道了全固态连续波555nm黄-绿光激光器， 黄-绿激光分别由Nd:YAG和Nd:YVO4晶体的946nm和1342nm谱线非线性和频产生，两条谱线 各自晶体对应的能级跃迁分别为4F3/2-4|9/2和4F3/2-4|13/ 2。实验中采用复合折叠腔结构，利用LBO I类临界位相匹配进行腔和频，当注入到Nd:YAG和Nd:YV

41、O 4晶体的泵浦功率分别为12W和8W 时，获得542mW的TEMoo连续波555nm黄-绿激光输出，4h功率稳定度优于.7 %。实验结果 表明，采用Nd:YAG和Nd:YVO4两种激光晶体进行腔和频是获得黄-绿激光的高效方法，并可 以应用到其它两种激光晶体进行腔非线性和频，获得更多不同波长的激光输出。 2012年，中国科学院生物医学工程技术研究所锦江、谭慧明等采用半导体抽运腔倍频的 方法，获得了可满足医疗应用的瓦级全固态 561 nm黄-绿光激光输出。在比较和分析了 Nd:YAG 激光晶体各主要谱线的激光参数之后，通过谐振腔膜系的设计抑制了增益较大的1064nm， 1319 nm和946nm

42、谱线的运转。通过对倍频晶体的合理选择以及晶体放置角度与匹配温度的合 理控制，在13.5W的808nm抽运功率下，实验获得了 1.41W的561 nm单一谱线的黄-绿光激光 输出，光-光转换效率为 10.5%。 五 紫外激光输出 LD泵浦的全固态调Q激光器由于在光学测量、原子分子物理、光谱学、非线性光学、激 光医疗、激光雷达和光电对抗等领域有重大应用价值，成为目前在电光器件研究领域的一个 前沿课题。 从微光刻到打标和打印， 紫外激光器的应用是目前工业激光市场增长最快的部分。 这应归功于十分成熟的全固态紫外激光器技术以及短波长激光在加工上特有的优点。各种应 用的不同需求已导致紫外激光器着重向高重复

43、频率 （准连续）和高输出功率的方向发展。 紫外光的短波长对于微加工应用有两个优越性 : 1. 较短的波长能够加工更小的部件。光束的衍射现象是限制加工部件最小尺寸的主要因 素，最小可达到的聚焦点的直径随着波长的增加而线性增加。 2. 高能量的光子可以直接破坏材料的化学键，紫外光加工材料过程称为 “光蚀”效应，高能 量的光子直接破坏材料的化学键是 “冷”处理过程，热影响区域微乎其微；相比之下，可见光 和红外激光器利用聚焦到加工部位的热量来熔化材料，热量经过传导会影响到周围的材料， 产生热影响区域。 良好的聚光性能和冷处理两个优点结合在一起，使得紫外激光器可以加工极其微小的部 件；不仅如此由于大多数

44、材料都能够有效地吸收紫外光，从而紫外激光器有更高的灵活性和 更广的应用场合，可以被用来加工红外和可见光激光器加工不了的材料。 这些优越性质使紫外激光器成为加工薄橡胶和塑料制品之类脆弱物质的理想工具。也使 对从金属到半导体等许多物质进行打孔、切割和在其上作精确的标记成为可能。许多年来， 波长为1064nln的闪光灯泵浦Nd:YAG激光器占据着激光标刻市场，通过在材料表面产生热蚀 来形成标记，从而不可避免地材料表面留下炭化区或其他形式的损伤。波长为355nm的紫外 光则通过促使植入塑料部的颜料发生光化学变化，改变植颜料的光谱特性（由反射改为吸收 ） 在材料表面产生高对比度的标记，从而不会损伤材料表

45、面。紫外激光器在医疗和食品器械制 造和应用方面具有很大的优越性，因为上述器械要接触食品和人体的体液，不能允许表面破 损，否则会容留细菌，而紫外加工过程不会损坏材料表面。另外，半导体泵浦固体激光器在 刻写序列字符时比准分子激光器要便利和快速得多。Laserte（公司开发了以其作为激光光源的 高速矢量刻写系统，在刻写字母、条形码和标志图样时，扫描速度可以超过2 000毫米/秒；在 各种不同塑料上刻写速度可超过每秒 100个字符。全固态紫外激光器在电子元件封装方面应用 广泛，比如在聚合物和铜的层布式电路板上钻细小的孔、切割和刻划聚酞亚胺柔性电路，以 及在医用塑料，比如导液管上标刻和钻孔。最新的电子封

46、装需要在电子线路板上钻小孔，称 为微孔成形，其直径在 10至 75微米围。许多医疗器械的制造材料都是聚合物，如导液管，要 求加工那些使用传统方法无法得到的小孔，尺寸较小的孔直径在8-25微米之间，较大的在 50 至几百微米之间。 尽管一台 KrF 准分子激光器也可以使用掩模法用大致相同的脉冲数来完成打 孔的工作，但是特制的全固态紫外激光器的脉冲重复频率比准分子激光器高20倍，加工速度 也快得多。对于大到几百微米的孔，可以使用振镜系统矢量扫描法来一步步精雕细琢，所以 加工出的孔非常圆，边缘非常光滑。紫外激光器的这种精细加工的能力更是由于会聚光斑的 最小直径直接正比于激光的波长，因此，更短波长意味

47、着更高的空间分辨率。 在大多数紫外微加工应用中，只有脉冲激光器才能达到冷熔所需要的峰值功率阈值。因 此，理想的激光器应该工作在短脉冲状态（脉宽小于40ns），同时，为了提高加工效率，重复频 率越高越好。 多年来，紫外激光的唯一来源是气体激光器：准分子激光器以脉冲方式应用，离子激光 器和氦 -镉激光器以连续方式获得。上述每种激光器在应用中都有明显的缺点，包括设备占地 面积大，可靠性有限，寿命短，高能耗和高设备费用。而且，准分子激光光束质量差，需用 遮光膜，损失 95%或更多的输出能量。氦 -镉激光器和离子激光器也有光束方向稳定性差的缺 点。 过去十年里有激光二极管抽运固体激光器的技术已出现极大的

48、进步。在改善激光器的光 学机械模式和使泵浦光祸合到激光晶体方面的设计优化已取得重大成就，得到高峰值功率、 模式质量好和长期稳定性，再加上紫外非线性光学晶体的涌现，使发展输出波长约355nm， 266nm，213nm的全固态紫外激光器成为可能。 一般产生全固态UV激光谱线的方法有两种，一是直接采用对近红外全固体激光进行腔或 腔外THG或FOGH来取得UV激光谱线，另一种方法是先利用SHG技术得到二次谐波然后再利 用和频技术得到UV激光谱线。前一种方法有效非线性系数小，转换效率低，后一种方法由于 利用的是二次非线性极化率，转换效率比前一种高许多。目前报道的高功率全固态UV激光器 主要采用第二种方式

49、，而且激光波长主要为 1064 nm激光的三次谐波（355nm）和四次谐波（266 nm）。 对于355nm的紫外光，通常采取腔外或外腔和频的方式获得。1997年，CLEO会议报道了 8.8W的重复频率为6kHz 355nm的输出；国在全固态紫外激光器的研究方面还刚刚起步，中科 院物理所用全固态准连续绿光激光器对 BBO晶体倍频，得到335mm的紫外光，在国际上首次 利用ns激光器对KABO晶体进行了四倍频研究，并获得有效紫外光输出。我们利用LD泵浦 Nd:YVO4晶体，腔声光调Q产生1064nm准连续波输出，腔外用KTP晶体倍频产生532nm的激 光输出，用不同的BBO晶体进行三倍频、四倍频

50、。最高平均功率为 310mw的355nm紫外输出， 三倍频的转换效率为14.1%，稳定度优于1%。用BBO晶体对基波四倍频，得到平均功率高达 196mW的266nm紫外激光，四倍频转换效率达10.1%。这是国腔外频率转换获得355nm, 266rm 激光的最佳结果 2001年，美国Spectra-physic公司采用LD双端面抽运、腔Nd:YVO 4双棒串接的声光调Q 结构作为基频源,，采用I类和II类相位匹配的LBO作为SHG与和频晶体。在抽运功率104 W条 件下，在重复频率20 60 kHz围获得了 12 W,355 nm UV输出，脉宽为25-75 ns,光束发散角（半 角）约0. 2

51、5 mrad,光束质量M2 1.2。 2006年,美国Cohere nt公司采用端面抽运Nd: YVO 4结构，波长为1064 nm的基频激光通过 掺钕钒酸钇晶体放大后输出，通过整形聚焦，利用I类相位匹配LBO SHG产生波长为532 nm 的倍频光，该倍频光和剩余的基频光共同整形聚焦后，经U类相位匹配LBO和频得到波长为 355 nm的三倍频光输出。在100 kHz重复频率条件下，获得36W 355nm输出，脉宽约为31ns, 光-光转换效率达到了 44%。该公司还采用侧面抽运Nd:YAG主振荡功率放大器（MOPA）结构， 采用声光调Q的侧抽运双棒串接Nd:YAG激光器作为种子源，信号光通过

52、扩束，利用侧抽运 Nd:YAG 模块进行预放大，然后再通过两个侧抽运 Nd:YAG 模块进行主放大，两个模块之间 采用石英旋转器进行双折射补偿。利用I类相位匹配LBO倍频，利用U类相位匹配LBO和频 得到波长为355nm的三倍频光输出。在重复频率40-45 kHz条件下，获得了 64W输出，脉冲宽 度140 ns,但光-光转换效率较低，还不到10%。 2008年，日本大阪大学研究人员报道了大于 100 W的355 nm UV激光输出。通过利用 MOPA结构的调Q Nd:YAG激光器，得到300 W基模输出激光。I类相位匹配的LBO倍频，U 类相位匹配的CBO和频，在20 kHz下得到了 103

53、 W355 nm UV激光，脉冲宽度为58 ns,对应的 光-光转换效率为 34.9%。 266nm激光输出主要靠四倍频方式获得。1995年, M.Oka等人利用BBO晶体在连续波模式 下获得了 1.5W 的 266nm紫外激光输出；从1996年起，人们的研究重点放在了新发明的紫外激 光晶体CLBO上，利用CLBO晶体在重复频率为10Hz、100Hz时先后获得了 5W、9.7W和10.6W 的266nm紫外激光输出；由于高重复频率使热效应和热吸收对晶体的破坏和缺少高亮度的全 固态绿光激光器泵浦源的限制，kHz的紫外光的输出功牵一直比较低，97年在重复频率为1kHz 是获得了 2.5W的输出；9

54、8年在5kHz获得了 6.6w; 2000年，日本的TetsuoKoiima等人利用高亮 度的全固态绿光激光器（10kHz时100W）和改进后高质量的CLBO晶体获得突破性进展，得到 了20W的266nm紫外光输出，CLEO2001会议上报道输出提高到23W。 2000年，日本三菱公司和大阪大学合作，报道了 20 W的266 nm UV激光器。该激光器结 构采用高亮度高功率532nm绿光激光器作为基频光，其质量因子 M2为10,在10 kHz时的功率 约为100 W，脉宽为80 ns。采用15 mm长的I类相位匹配CLBO晶体倍频。在10 kHz下，105. 8 W 绿光通过CLBO倍频得到2

55、0. 5 W, 266 nm UV激光输出，绿光到UV的转换效率为19. 4%, UV 激光光束质量M2约为10。2003年，该小组利用相同的结构，将266 nmUV激光输出功率提高 到23W。此后，该小组又利用200W绿光作为基频光，绿光光束质量为10,重复频率为7 kHz, 对应的脉宽为80 ns。采用15 mm长的I类相位匹配CLBO作为FOHG晶体对绿光倍频，得到了 40 W 的输出功率，266 nm UV激光输出，对应的绿光到 UV的转换效率为20%。2007年， 该小组利用CLBO作为FOHG与FHG晶体，在10 kHz重复频率下得到了 27. 9 W, 266 nm UV激 光和

56、10. 2 W, 213 nm深UV激光 国各高校和研究所也有很多文献发表。 2002年师大学物理系发表了一篇关于355nm及266nm激光器的研究。围绕全固态紫外激光 器进行了理论和实验研究，并取得了一些成果。回顾了全固态激光器的历史和发展，介绍了 全固态紫外激光器的优点；总结了目前产生声光调Q全固态绿光和紫外激光器的重要途径及 取得的最新进展；从增益介质中饱和光强的微分方程出发，讨论了LD泵浦固体激光器的输入 输出特性及影响阂值的主要因素；结合理论和我们下面工作的要求，优化腔结构，探讨了获 得最佳准连续I064nm激光的方式；根据相位匹配原理，结合 KTP的光学特性，采用腔声光调 Q腔外倍

57、频的方案获得了高峰值功率，窄脉冲，高转换效率的532nm输出。在泵浦注入功率为 9.67W，声光调Q开关重复频率为18KHZ，获得最大平均功率1W、单脉冲能量56 脉冲宽度 12ns、峰值功率4.63kW的532nm绿色激光输出。基波一绿光单次通过转换效率达 51%。介绍 了一些新型紫外晶体的光学特性；结合BBO自身性质，在获得较高绿光功率的基础上，进行了 四倍频实验研究。实验结果表明：使用 BBO晶体对基波四倍频，在重复频率为18kHz，泵光 功率8.74W时可以得到平均功率高达196mw的266nnl紫外激光。腔外谐波转换获得四倍频 266nm激光国未见报道。理论分析了三波互作用的和频现象

58、：对利用BBO晶体进行腔外三倍 频进行了实验研究，并取得了较好结果：在泵浦光功率为11.2W时，得到基波功率16w，二倍频 功率763mw，平均功率为310mw的355nm紫外激光。此时，单次通过三次谐波转换的效率为 14.35%,这是国声光调Q腔外谐波转换获得355nm的最高转换效率和最高平均功率。并在此基 础上，对产生腔外五倍频的技术路线作了理论分析。 2003年，中国科学院光学精密机械与物理研究所高兰兰、 檀慧明采用最大输出功率为 1 W 的LD泵浦Nd:YAG，Cr4+ :YAG被动调Q激光器，输出1064 nm波长激光，经KTP腔外倍频和 LBO腔外和频，得到355 nm紫外脉冲激光

59、。利用长聚焦的方法实现了高效全固体 355 nm紫外 脉冲激光输出。基波1 064 nm平均功率为70 mW时，得到紫外355 nm输出平均功率为106 W, 峰值功率约为635 mW，且紫外光斑的椭圆度达0. 91。 2005 年，中国科学院理化技术研究所和物理研究所合作，采用外腔频率变换结构，利用 LBO为倍频晶体，CBO晶体为THG晶体，CBO晶体采用II类相位匹配，H= 90o, U= 42.4o,通 过140 W，7 kHz，70 nsS波的SHG与和频，获得了最高输出17 W的355 nm UV激光，好于 同尺寸LBO晶体，但光-光转换效率还较低，约为13%。 2006年，中国科学

60、院物理研究所报道了 28. 4 W，266 nmUV激光输出。采用工作在10 kHz 的120 W绿光激光器进行倍频，绿光脉冲宽度为80 n& 40 mm长的I类相位匹配CLBO晶体对绿 光倍频，得到28. 4 W，266 nm UV激光输出，从绿光到UV的转换效率高达24. 7%。 2006年，中国科学院光学精密机械与物理研究所申高、檀慧明等通过优化腔型设计，实 现了 LD端面抽运Nd:YVO4腔三次谐波转换全固态连续355 nm紫外激光器高效率输出。选用 平-凹腔结构并考虑到 Nd:YVO 4 晶体的热透镜效应、模式匹配、倍频晶体位相匹配等因素对 输出功率的影响，对谐振腔长进行了详细的分析