常温环境运转高功率全固态2μm激光技术研究

AllSolid-State2μmLaserTechnologyResearchGraduateUniversityof AcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofTechnicalInstituteofPhysicsandChemistry,致本的研究工作是在尊敬的导师许祖彦的精心安排和指导下完成的。特别感谢南佐治亚大学张景园教授在实验技能和 陈中正、徐红艳、刘飙龙、陈莹、赵巍和陈俊驰在学 20125月摘高功率全固态2μm激光在医疗、遥感及科研等领域有重要的应用价值。利不利于高功率2μm激光器的推广应用。因而实现常温运转的高功率全固态2μm激光输出成为目前全固态2μm激光技术研究的热点之一。Tm:YAG激光为准三温下激光输出阈值高，这成为常温运转高功率全固态2μmTm:YAG激光器的研 针对这些开展了相关研究，重点解决了Tm:YAG晶体掺杂浓度优化及实现对常温冷却的Tm:YAG激光晶体的高强度LD泵浦等一系列问题，研究发展了利用多个高强度泵浦高效冷却侧泵Tm:YAG激光模块串接的方式实现常温环境下高功率全固态2μm激光输出的关键技术，获得了以下创新性成果：Tm:YAG激光晶体棒设计、五向短腔输出功率，光-光转换效率为~11.6%III高至~15.2%LD2μmTm:YAG激光模块——III型模块，获得了单模块短腔激光输出功率~170W，光-光转换效率超过20%。2μmI型模块，结合腔型优化设计，研制了三模块串接高功率全固态连续波2μmTm:YAG光-光转换效率为~11.2%，相应的斜效率为~22.8%LD泵双模块串接8℃水冷高功率全固态连续波2μmTm:YAG激光器，获得了最大305.9W2.06μmTm:YAG激光研究了常温运转高功率全固态准连续波2μm激光器关键技术。利用II换效率为13.3%，斜效率为18.9%。2μm激光医疗工程化样机。在实现常温环境运转2μm16℃常温院完成了动物试验，目前已进入临床实验阶段。该百瓦级2μm激光医疗样机是实现常温运转高功率2μm激光器推广应用的一次成功的初步尝试。DongCao(Condensedmatterphysics)DirectedbyProf.ZuyanXuHighpowerallsolid-state2μmlasershaveattractiveapplicationsinmanyareas,suchasmedicalsurgery,remotesensing,scientificresearchandsoon.Highpower2μmlaserhasbeenobtainedbyusingLDpumlow-temperature-cooledTm:YAGcrystal.However,lowtemperatureoperationbringssomedrawbackswhenthe2μmlaseroperatesinordinarytemperature(OT)environment.Thesedrawbacksonlasersafety,stabilityandeconomyproducenegativeeffectonhighpower2μmlaserapplication.TorealizetheOToperationhighpowerallsolidstate2μmlaseroutput esoneoftheallsolidstate2mlasertechnologyresearchhottopics.FortheTm:YAGlaserisaquasithreelevellasersystem,thecomplextransitionprocesssuchasthecrossrelaxationandreabsorption,andthesmallerstimulatedemissioncrosssection,raisethelaseroutputthresholdinOT,whichbecamesdifficultpointsofOToperationhighpowerallsolidstate2μmTm:YAGlaserresearch.Inthispaper,byfocusingonsolvingtheproblemssuchastheTm:YAGcrystaldopedconcentrationoptimizationandOTcooledTm:YAGcrystalhighstrengthLDpump,theoreticalstudiesandexperimentalresearchesonkeyofOToperatinghighpowerallsolid-state2μmlaserhavebeeninvestigatedinthisdoctoraldissertation.Themainworksaredescribedasfollows:Investigationofkeyofhighstrengthpumpedhighefficientcooledofthe2μmTm:YAGlasermodule.CombinedwithTm:YAGlasercrystalroddesign,highstrengthfive-foldsymmetricpumpconstructiondesignandjetcoolingthermalmanagementconfigurationdesign,acompactdiode-side-pumped2μmTm:YAGlasermodule(ModuleI)hasbeendeveloped.A umsinglemodulelaseroutputpowerof66Whasbeenobtainedwithashortstructure,withoptical-to-opticalconversionefficiencyof~11.6%.Aftersomeimprovement,theumsinglemodulelaseroutputpowerofModuleIIrisedto~70W,withlowerlaserthresholdandtheoptical-to-opticalconversionefficiencyof~15.2%.Moreover,ahighpowerdiode-side-pumped2μmTm:YAGlasermodule(ModuleIII)hasbeendeveloped.Aumsinglemodulelaseroutputpowerof~170Whasbeenobtainedwithashortstructure,withoptical-to-opticalconversionefficiencyoverInvestigationofkeyofOToperatinghighpowerCW2μmTm:YAGlaser.Withasymmetricalstructure,awater-cooled785nmdiode-side-pumpedhighpowerCW2.02μmTm:YAGlaserhasbeendeveloped.A200Woutputpowerisachievedwithcoolingwaterrunningat8℃.Itwasthehighestoutputpowerforadiode-pumpedallsolid-stateCW2μmTm:YAGlaseruptothattime.Theoutputcorrespondstooptical-to-opticalconversionefficiencyof11.2%,withaslopeefficiencyofabout22.8%.Consistingoftwohighpowerpumpeddiode-side-pumped2μmTm:YAGlasermodule，an8℃water-cooled785nmdiode-side-pumpedhighpowerCW2.06μmTm:YAGlaserhasbeendeveloped.Aumof305.9WCWlaseroutputpowerisachieved.Sofarasweknow,thisisthehighestoutputpowerforadiode-pumpedallsolid-stateCW2μmTm:YAGlaser.Thelaseroutputcorrespondstoanoptical-to-opticalconversionefficiencyof~19.2%andaslopeefficiencyof~25.9%.InvestigationofkeyofOToperatinghighpowerQ-switched2μmTm:YAGlaser.A785nmdiode-side-pumpedhighpowerhighpulserepetitionfrequencyQ-switched2.02μmTm:YAGlaserisdevelopedwithimprovedmodules.ThetemperatureofTm:YAGrodcoolingwateris8℃.Underapumppowerof1300W,a171.4Waverageoutputpowerisachievedatapulserepetitionfrequencyof10kHz.Sofarasweknow,thisisthehighestaverageoutputpowerforadiode-pumpedallsolid-stateQ-switched2μmTm:YAGlaser.Thelaseroutputcorrespondstoanoptical-to-opticalconversionefficiencyof~13.3%andaslopeefficiencyof~18.9%.Developmentof16℃watercooled100W2μmlaserscalpelprototype.TheumlaseroutputpowerofthiscompactandpracticalprototypecanreachThe100Woutputpowerfluctuationislessthan1%during4hours.Theprototypehascompletedanimaltest,andnowenteredaphaseofclinicaltrialincooperationhospital.ThedevelopmentofthisOToperating2μmlaserscalpelprototypeisasuccessfulattemptfor2μmlaserapplication.:Allsolid-state2μmlaser,highpower,ordinarytemperatureoperating,Tm:YAG致 摘 第1章绪 本文的主要研究内 本章参考文 第2章常温运转高功率全固态2μm激光理论研 本章小 本章参考文 第3章水冷常温运转侧泵2μm激光模块关键技术研 激光模块高效热管理设 高效套管喷射冷却结构设 水冷常温运转侧泵2μm激光模块实验测 侧泵激光模块改进研 本章小 本章参考文 第4章常温运转高功率全固态连续波2μm激光器研 激光器腔型设 本章小 本章参考文 第5章常温运转高功率全固态准连续波2μm激光器研 谐振腔设 高功率调Q2μm激光器实验研 本章小 本章参考文 第6章常温水冷百瓦级2μm激光医疗工程化样机研 本章小 第7章总 文章及获奖情 1第1YAG晶体等。T.H.Maiman研制的世界上第一台激光LDDPL是激光发展历程上的巨大革新，它继承了LD长、效率高及固体激光器光束质量好的优点，克服了传统灯泵浦的短、效率低、体积大等缺点。LD重量轻、体积小，电激励使其具有高的出的光束质量高，模式特性良好。因此采用DPL的方案，可以有效地选择泵浦于它。集半导体激光器、固体激光器的优势于一身的DPL，与灯泵浦固体激光器相比，体积小，效率高，长，可靠性好，便于实现高功率高光束质量激光800~900nm之间的窄带LD为固体激光介质中的几种稀土离子提供有效的泵浦[1‒4]。1964国MIT林肯的Keyes和Quist成功的展示了第一台LD泵浦的固体激光器[5]。 第一台LD泵浦固体激光1963年R. 用GaAs二极管880nm附近的辐射去泵浦Nd:GaWO4，得到了1064nm的荧光输出，他GaAsLD发射的波长与钕离子的吸收带光谱，基于这一发现可设计出高效率、结构紧凑的DPL[6]。1968年，麦道宇航公司的Ross实现第一台用GaAsLD(867nm)泵浦的Nd:YAG激光器，但是，受当时半导体工艺的限制，LD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，经济实用的DPL并没有出现。尽管DPL实验获得的激光效率尚不高，但是DPL高转换效率等优点已经呈现，引起了各国科研人员的极大研究[8,9]。随着常温运转的DPL的学家们对DPL的研究工作主要集中在寻找适合LD泵浦的固体激光材料和基本1光转换效率和功率输出；1972年，N.P.Barnes侧面泵浦DPL激光阈值和斜效率的近似方程方面的研究[12]；1974年，G.I.Farmer和Y.C.Kiang了采用速率方程和矩阵光学对LD泵浦的固体激光器进行的理论研究工作[13]。此外在由于受到LD发展水平的限制，这个阶段DPL技术发展较为缓慢。 80年代以后，由于吸取了半导体物理学研究的新成果，以及晶体外延LD3kW/cm260%LDNdYAG1焦耳的巨脉冲[19]。1993年，LDNd:YAG激光器。同年，NormanHodgson和ShaleiDong7mm×26mm×191mm的方向和y方向上都小于4mm•mrad1-2所示[20]。1994年，U.J.Greiner等人用6个10W的二极管激光器列阵侧面泵浦Nd:YAG棒，得到14W多模激光输出，光光效率为29%[21]。1995年，侧面泵浦Nd:YAG板条，获得40WTEM 侧面泵浦Nd:YAG棒，获得45WTEM00激光输出，300W多模激光输出，光光效率为28%[23]。1996年，D.Golla等人将二极管激光器阵列光纤耦合输出后作为，NdYAG60WTEM00模基频输出，光光效率为25%，最大输出235W[24]1997年MitsubishiElectric公司的研究人员采用侧Nd:YAG80WTEM0020.7%，，LD泵浦YbYAG1080W的连续激光输出，光光转换效率27.5%，该激光器采用了双棒串接结构[27]。2004年，尔国家采LDNd:GGG30kW150J200Hz)DPL激光输出，光光转换效率约20%100kW热容激光输出[28]，热稳态运转模式下，单台全固态激光器最大平均输出功率为12kW[29]。2005年，的T.Kozeki和M.Sakashita等人了一种高平均功率DPL的放大系统。该系统采用LD1064nm10kHz1kW[30]。同年，KeisukeFuruta等人又一种输出平均功率可达1kW的MOPAQ2.3MW。重复频率为6kHz，光束质量M2=9[31]2007年NorthropGrumman公司了输出功率达15kW的全固态激光器，其光束质量小于1.3倍衍射极限，38in×28in.×12in.，此尺寸不包括电源等系统[32,33]。据该公司这种高功率激光在输出功率大于100kW时的工作时间已超过85分钟。进入21世纪以来，激光二极管列阵性能（功率、体积、效率、等）1DPL的研究重点转向了实用化和商品化方向发展，高效率，高功率和DPL成为国内外激光领域最重要的前沿课题之一。目前，DPL已率输出的DPL在、德国和等发达国家均已实现了。以目前发展[34‒40]代表了国际最高水平。2004年8月，高能激光联合技术局2005年财年报告中：2005年将以固体激光器研究为主，战术激光器优先，DPL的经费占总研[41‒51]。但在高功率/高能量器件研究方面较国际研究水平相对，这主要受限DPL的广泛应用前景且DPL的研究也正在迎头赶上。中国物理于2003年实现连续波全固态激光输出大于5001kW功率激光输出[53]，20051354W，41.0%2277W的功率，光光效是关键器件实现了。2006年，半导体的林学春等人采用双Nd:YAG3kW1064nm激光输出，电光转换效率达20.5%[55]。2010年，理化技术激光物理与技术研究中0.6mm5kW级全固态激光器[56]，输出一个快速发展的阶段，并逐步赶上发达国家高功率DPL的研究水平。近几十年来，2μm相干辐射光源由于其特有的一些优越特性，在激光测距、DPL作手术治疗、肌肉组织焊接、牙科治疗、光镇痛和光针灸等。用激光“手术刀”与通常的手术刀和电刀相比具有少、与传统的1.064μmNd:YAG激光相比，组织对2μm激光的吸收效果更好，更好。在牙科治疗中，超短脉冲的2μm激光可实现清除龋齿、无痛补牙等。另外2μm激光可以在石英光纤中，便于进行手术操作。因此2μm波长的固体CO22μm附近存在吸收峰，2μm激光还可以用来检测大气中水蒸气和温室气体的分布。自上个世纪末，和欧洲一些国家在用于机场风场测量和全球2μm激光器作为光源。综上可以看出，2μm波段 水的吸收光12μm相干辐射的途径主土离子的激光增益介质，直接产生2μm全固态激光。第案已有很多文献。由于1μm激光器发展的很成熟，因此最常1μmKTP等非线性晶体，OPO2μm波KTPOPO2.12μm40MW/cm2[59]。2000年，53W，OPO43%，48%[60]。2002年，Arisholm等2~2.2μm参量输出；OPO3mJ，当泵浦636mJNd:YAGKTPOPO2.02μm时，参量输OPO，获得了61mJ2.128μm的激光输出，输出波长的谱线宽度为1.4nm[63]。国内方面，物理所崔前进[64]等利用II类匹配的KTP晶体，进行了5kHz，脉宽92ns，光束质量M2因子约为6。光参量方案的最突出优点在于可以方便地实现波长调谐，针对2μm波段内不同波长的独特性质有目的地选择产生具体波长的2μm参量激光。然而该方案也有不足之处。首先，非线性晶体的生长尺寸或损伤阈值限制了2μm参量激光种方案结构复杂，体积较大。于是寻求高功率2μm激光输出的人们将投向2μmLD泵浦的激光增益介质，可Tm3+Tm激光泵浦掺杂激光再泵浦Ho:YLF或Ho:YAG。TmTm3+离子的全固态激光器。80Tm:YAG激光器的研制成功，使之成为重要的2μm波段相干辐射光源。体冷却温度3℃的条件下实现了115W2μmTm激光输出。11999年，L.A.Pomeran等人在室温下，用二极管激光器泵浦Tm:YLF和光转化效率是30%[67]。2000年，KSLai785nmLD泵浦光进行整形[68]，31.2%M2x=21，M2y=14。之后，他们通过改进，将输出功率提高至150W[69]。2005年，J.I.Mackenzie2at.%，4at.%，6at.%的和8mm。结果表明掺杂浓度为4%的晶体性能最佳，斜率效率达到43%。2006JIMackenzie9mm×1.5mm×20mm长，掺杂浓度为2%的板条状Tm:YLF晶体，获得了近70W的输出功率[71]。在国内，中国光机所“八五”期间完成了中国重大项目可调谐激光输出。1996年闪光灯泵浦的Cr,Tm:YAG激光器高输出能量已达到2008年，中国物理的张等人[72]采用783nmLD侧面泵浦的连续波2μm激光输出，最大光-光转换效率为14.2%，斜效率为26.8%。LDTm,Ho双掺激光器得以实现。30%[74]。1992年，T.S.Kubo6%Tm,1%Ho:YAG晶体，在-38oC条件下，获42%、60%[76]。光转换效率为3.4%。输出，光-3.3%[78]。最大输出功率为270mW[79]。Tm,Ho:YAG激光器[80]。TmHo介质进行泵浦。Ho:YAG2.1μm的激光。出，腔内斜率效率为25%2000P.A.BudniLD泵浦两只2003年，P.A.Budni60Hz50mJ的激2004年，法德的C.Kieleck等人进行了室温下激光二极管泵浦的Q5~15kHzHo激光的斜率方面的研究，该的DeyuanShen等人用掺Tm光纤激光器泵浦Ho:YAG[89]Tm1907nm，的2.09μm激光输出，斜率效率76%，光—光转换效率达到67%。2006年，IanElder等人用掺Tm光纤激光器泵浦声光调Q的Ho:YAG。Tm光纤激光器的泵浦阈值为1.53W，当Tm光纤激光器的输出功率为25W时，输出脉冲宽度30ns[90]。同年，法德联合的M.Sc horn用两个激光二光光转换效率36%[91]。2μm激光输出是在低温运转条件下获得的。所谓2μm1-1总结了几个有代表性的例子。然而，低温运转会 国内外高功率全固态2μm激光器现1151Laiet120Laiet15051结构复杂性和制造成本，不利于高功率全固态2μm激光器的推广应用。另外，维持2μm激光晶体低温冷却时无法使用普通的纯净水作为冷却液。面，为了使用这些有机物-2μm激光器低温运转，面对高功率全固态2μm激光器产生了的影响，较大程度上影响了高功率全2μm激光领域的热点和难点。常温运转可分为两种方案，亦可称之为本有目的性地讨论了在常温下实现高功率全固态2μm激光的可行途径， R.N.Hakk,G.E.Fenner,J.D.Kingsley,T.J.Soltys,R.O.Carlson,“Coherent1emissionfromGaAsjunctions”,Phys.Rev.Lett.,9(1962)M.I.Nathan,W.P.Dumke,G.Burns,F.H.Dill,Jr.andG.J.Lasher,“StimulatedemissionofradiationfromGaAsp-njunction”,Appl.Phys.Lett.,1(1962)62N.Holonyak,Jr.andS.F.Bevacqua,“Coherent(visible)lightemissionfromGa(As1-xPs)junctions”,Appl.Phys.Lett.,1(1962)82T.M.Quist,R.H.Rediker,R.J.Keyes,W.E.Krag,B.Lax,A.L.McwhorterH.J.Zeiger,“SemiconductormaserofGaAs”,Appl.Phys.Lett.,1(1962)R.J.KeyesandT.M.Quist,“InjectionluminescentpumofCaF2:U3+withGaAsdiodelasers”,Appl.,Phys.Lett.,4(1964)50 ,“ExcitationofNd3+FluorescenceinCawo4By 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单掺Tm系统的能级结构示意（其中CR表示cross-relaxation交叉弛豫NR表示nonradiativedecay无辐射跃迁个处于激光上能级的Tm3+离子，使得系统的量子效率大于1。LDTm3+Ho3+LD泵浦的优势。Tm,Ho功率通常较低。文献的大多数Tm，Ho双掺系统的实验都在如液氮制冷等22μmTm，Ho双掺方案不利于实现常温下高功率全固态2μm激光输出。 Tm，Ho双掺系统的能级结构示意energytransferupconversion能量转移上转换；GSRgrandstatereabsorption基态重吸收；ESA表示excitedstateabsorption受激态吸收）Dm3+，o3双掺晶体相比，Dm3+o2μm)两种稀土离子分别掺杂在两块晶体中，降低了单块晶体中热积累，并提高了掺杂浓度以及基质材料选择的灵活性。)Tmomo之间上转换，分开掺杂后可以消除这一部分上转换过程，减小上转换效应。)可采用灵活多样的腔结构。限制了其实现常温下高功率输出的可能。首先，HoTm激光的吸收陶瓷及光纤激光TmHo晶体吸收峰。其次，即使Tm2μm激光输出这一问题已经解决，无需进固态2μm激光输出最合适的方案。LDTm3+激光晶体的方案有着如下优1-3可知，水对Tm激光（1.9~2.0μm左右）Ho激光（2.06~2.1μm左右）LDTm3+激光晶体方案进行常温运转高功率全固态2μm激光研究工作。(2)]（4）Tm3+的激光晶Tm3+的激光晶体作为常温运转高功率全固态2μm激光的工作物质。22μm2μm激光输出YAG来说，Tm的分凝系数不高，不易实现高掺杂。GGGGSGG价格昂贵，YLF为代表的氟化物晶体[17‒19]BaYF，LuLiF，KYF等，常适合于三价稀土金属离子（例如Tm3+、Ho3+）的掺杂。氟化物的优点有：GdVO4YVO4，LuVO4等[2025]，为四命×发射截面的乘积值和氟化物基本相当，利于能量。然而与YAG相比，该YAP为代表的铝酸物晶体[26‒29]，为光学负双轴晶体，属于斜方晶射截面达到6×10-20cm2，而在YAG晶体中，Tm3+受激发射截面在0.3~0.6×10-20cm2之间。Tm：YAP795nmTm掺杂浓度相当的条件以Y2SiO5（YSO）为代表的硅酸盐晶体[31,32]，包括CaAl2SiO7（CAS）SrY4(SiO4)3O（SYS）等。与铝酸盐晶体相比，硅酸盐晶体一般对称性较低，大。然而硅酸盐晶体一般短，并且热导率较铝酸盐低，影响输出高功率激光性能。鉴于以上硅酸盐基质的优势和热力学性能较差的特点，掺Tm3+硅酸盐晶晶体，常见的还有KGd(WO4)（KGdW、KLu(WO4)2（KLuW）[33‒35]等。KReWYAG基质。YAG2μm波22μm合的较好。因此我们最终确定了Tm:YAG作为用的激光晶体。Tm:YAG2μm激光晶体，文献中已有很多报质很硬，YAG的立方结构使其具有较窄的荧光谱线，从而有利于产生高增益、hYAG浓度区，Y3Al5O12-Tm3+Al5O12Tm3+离子掺杂浓度的增大而变小[38]。生长Tm3+:YAG晶体所采用的原料一般包括hYTm3+RTm3+=0.109nm，而3+离子的有效离子半径YAGTm3+离子可取代晶格中位于十二面体中心Y出Tm:YAG晶体，但晶体中OH-1离子的存在会影响Tm:YAG晶体的质量。TmYAGOH-1离子的存在,首先增加了无辐射跃迁，显然对激光输出危害很大。其次，OH-1Tm:YAG晶体中产生色心,N2I2O2为了获得高质量光学晶体，常采用较高浓度（~90%）H3PO4溶液作为化学物质用蒸馏水，滤纸吸干后，便可以应用于实验中。从图形中可以看出Tm:YAG激光器是一种典型的准三能级系统。准三能级系统93F4Stark能级(5556cm-1)133H6Stark能级（588cm-1)[41,42]。单个Stark能级跃迁线宽约为10nm。2-4Tm:YAG晶体在常温下的吸收光谱[43]。Tm:YAG7个较强的262nm、357nm、460nm、682nm、785nm、1172nm3H53F4跃迁产生的[44,45]680nm(3H6→3F3)785nm(3H6→3H4)AlGaAs半导体激光器辐射波长就位于该波长的附近，Tm:YAGLD泵浦激光材料[46]，可以经济实用地选择该类半导体Tm:YAG2μmTm:YAG激光器的出光阈值。LDTm:YAG2μm激光输出，量子亏损比较严重，因此产 3H6→3H4跃迁形成带状谱，不仅原有的谱线展宽并发生，而且还出现了 22μmStark3~6个数量3F4Stark能级上的粒子数仍遵守玻耳兹77K3F4Tm3+离子向基态3H6各Stark能级跃迁产生，较强发射峰的终态能级分别位于z3300Ky1Tm3+77K95下降级向基态3H6发生辐射跃迁，从而使荧光谱向短波长方向扩展，谱带“重心”3F4Stark子能级也开始出 Tm:YAG离子Stark能StarkStark0

射跃迁速率随温度升高而增加[44,50]。2-2是根据文献[51]6at.%Tm:YAG晶体材料的一些重要参数。可以看出，Tm:YAG晶体的荧光比较长，约为12ms，因此有利上能级的能量，适合高能量调Q脉冲激光输出。同时，Tm:YAG晶体的发射 泵浦波长峰值激光波长有效泵浦吸收截面25℃时发射截面荧光调谐范围22μm子数反转产生影响。而另一方面值得注意的是，在晶体中Tm3+的掺杂浓度较高时，相邻离子之间就可能发生交叉弛豫。此时一个被激发至3H4能级的Tm3+离子发生3H4→3F4Tm3+3H6→3F4的跃迁。对于每个初Tm3+3H4Tm3+离子。换句话Tm3+3%—12%3F4态，泵浦的量子效率将接近于效应。因此Tm3+离子掺杂浓度的设计需要在中寻求平衡。 N2exp(E2E Y1→Z8跃迁，785nmZ1→W3跃迁（2-。从图250K~300K的温度区间内，Tm:YAG激光下能级粒子数随温度呈线150K~400K变化范围之间，激光输出功率随着温度升高呈近似线性下降。 激光输出功率随温度变化曲晶体进行冷却以降低激光下能级的粒子数。常温运转时要求晶体工作在280K~300K左右的温度范围内，而低温冷却晶体以降低激光下能级粒子数从而提高激光输出功率的方式已为本课题所摒弃。所以要实现常温运转全固态2μm22μm综上可见，寻求合适的Tm3+离子掺杂浓度高强度的LD泵浦是实现常温运转全固态2μmTm:YAG激光输出的关键。2μmTm:YAG激光器研究的一大在于寻求合适的Tm3+离子掺杂浓度，需要从高浓度和低浓度所各自在后面计算中采用小信号泵浦近似，故略去了重吸收过程。 2-8，我们写出三能级系统的激光速率方程如下：dN4

NN N2 42144 2124 dN3 N2 NN 4 3 2123 32123 dN2 NN NN )N2N2

N3 4212 32 N 4

秒的数量级，3Tm:YAG晶体中为~8s2能级的长，大约为dN2

(1)()N2 N 43

TmkTmk2123(13)(24433)(14

414

22μm 2dN2R0(1N2)N2 N2c(ff)Nf 2

Tm l22R0R02(1)( 43其中，R0可以用计算，f和f分别为激光上能级和下能级 sublevels5 43 对于这两种上转换过程，每个对应于3H能级的上转换过程导致激活粒子的激光上能级有效损耗为1，同样每个对应于3H能级的上转换过程导致激活粒子的激光上能级有效损耗为(2)(1，15 43 4433分量为能级2 时，因为交叉弛豫效率 95%，所以每个到

（分别为10s和1ms，并且k3212应该小于k4212Shaw等人发现上转换速率一般跟掺杂浓度有关[52] c

cc

2 30 (1iI)2 (ifI)(1iIN Tm N f fu

可以发生，选择3at.%~4at.%Tm3+离子掺杂浓度比较合适。2μmTm:YAG激光研制工作的另一个难LD泵浦方式大略分端面泵浦(纵向泵浦)和侧22μm 典型的侧面泵浦激光器结构示意dS(t)

s(e,z,t)N(r,z,t)dVS

n

S(t)

s(r,z, SE

s(r,

RP

2lcPoutT为谐振腔输出镜透过率 SE(r,z)SE(1e2)2lexp(2 rl,0z P

r(r,z) in r,0z hv cs(r,z)N(r,z)dVSE

nem c

12

dV

a(kTm2 光学谐振腔振荡光子的平

T是谐振腔除了透过率损耗外的其余损耗，则c c(TNfuN2fl 1)[a(TP p 2

2 qabs p

kTm

2