（光学专业论文）ld侧面泵浦高功率绿光激光器研究.pdf

摘要 随着高功率半导体激光二极管技术的发展和成熟，采用l d 泵浦的全固态激光器已 经成为国际上激光技术的研发热点之一。非线性频率变换技术的进步更是极大地拓展了 激光器的应用范围，其中采用激光二极管泵浦的全固态绿光激光以其体积小、重量轻、 效率高、寿命长和光束质量好等优点在激光显示、工业加工、科学研究以及医学方面得 到了广泛的应用。本文正是在这种背景下，针对l d 侧面泵浦n d ：y a g 腔内倍频高功率 准连续绿光激光器进行了系统的理论和实验研究。本文主要完成了以下几个方面的工 作： 1 对激光二极管泵浦全固态激光器发展历史进行了综述，总结了全固态激光器的特 性和优点。对全固态绿光激光器在医学、工业加工、科学研究等方面的应用进行了论述 并针对国内外全固态绿光激光器的研究进展分别进行了总结。 2 分析了n d ：y a g 晶体的物理和激光特性，对激光二极光阵列侧面泵浦棒状 n d ：y a g 晶体内部的温度分布进行了理论计算，数值模拟了总的热透镜焦距随泵浦功率 的变化关系，并对热透镜效应的补偿方法进行了总结。结合谐振腔的稳定性条件对包含 热透镜的激光谐振腔进行了分析和研究。 3 分析了四能级系统的特性和速率方程，对全固态激光器的连续运转特性进行了 理论研究，在理论分析的基础上，采用激光二极管阵列七向侧面泵浦结构，分别用凹面 激光棒和螺纹棒进行了1 0 6 4 n m 红外激光的实验研究，得出了螺纹棒对于热效应的改善 明显优于凹面棒的结论，为后面采用螺纹棒进行倍频实验研究打下了良好的基础。 4 从非线性介质中的耦合波方程出发，对光学二次谐波的产生理论和倍频效率的 影响因素进行了详细的分析。对比分析了k t p 和l b o 晶体的特性并对产生二次谐波的 倍频方式进行了详细研究。 5 对声光调q 腔内倍频绿光激光器进行了理论分析，在此基础上对声光调q 腔内 倍频高功率准连续绿光激光器进行了实验研究，在平平腔内采用单声光q 开关获得了 1 7 3 5 w 的高功率5 3 2 n m 绿光输出。通过在腔内正交放置同步驱动的两声光q 开关，在 泵浦电流1 4 a ，重复频率3 8 7 k h z 时，获得了平均输出功率达1 9 7 5 w 的5 3 2 n m 绿光， 倍频转换效率4 2 。 关键词：全固态，高功率，5 3 2 n m ，腔内倍频，声光调q a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n ta n dm a t u r i t yo fh i g hp o w e rl a s e rd i o d e ，l dp u m p e da l l s o l i d - s t a t e l a s e rh a sb e c o m ea ni n t e r n a t i o n a lh o tr e s e a r c ht o p i ci nl a s e rt e c h n o l o g y n o n l i n e a ro p t i c a l f r e q u e n c yc o n v e r s i o nt e c h n i q u eh a sf u r t h e re x p a n d e dt h ea p p l i c a t i o n so fd p l ( d i o d ep u m p e d l a s e r ) l dp u m p e dg r e e nl a s e r , 、) l ，i t l li t sc o m p a c t n e s s ，h i g l le f f i c i e n c y , l o n gl i f e t i m ea n dg o o d b e a mq u a l i t y , h a sb e e nw i d e l yu s e di nl a s e rd i s p l a y , i n d u s t r i a lp r o c e s s ，s c i e n t i f i cr e s e a r c ha n d m e d i c a lt r e a t m e n t u n d e rt h i sb a c k g r o u n d ，t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c hh a sb e e n m a d eo nh i 曲p o w e rl ds i d e - p u m p e di n t r a - c a v i t yf r e q u e n c y - d o u b l e dg r e e nl a s e ri nt h e d i s s e r t a t i o n t h em a i np o i n t sc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 t h ed e v e l o p m e n ta n dc h a r a c t e r i s t i c so fl d - p u m p e da l l - s o l i d s t a t el a s e ra l ei n t r o d u c e d a tt h eb e g i n n i n g t h e nt h eb r o a da p p l i c a t i o n so fa l l s o l i d - s t a t eg r e e nl a s e ra l ep r e s e n t e da n d t h ep r o g r e s s e so fh i g h p o w e rl d p u m p e dg r e e nl a s e ra l es u m m a r i z e d 2 a f t e rd e t a i l e da n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fn d ：y a gc r y s t a l ，t h et e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o nw i t h i nt h en d ：y a gr o ds i d e - p u m p e db yl da r r a y sa n dt h er e s u l t i n gt h e r m a l l e n s i n ga r ec a l c u l a t e d t h e nm e t h o d sf o rr e d u c i n ga n dc o m p e n s a t i n gt h e r m a lf o c a ll e n g t ha r e s u m m a r i z e d b a s e do na b c dm a t r i x ，t h es t a b i l i t yc o n d i t i o na n db e a mf e a t u r ei nt h er e s o n a t o r a r es i m u l a t e da n da n a l y z e d 3 r a t ee q u a t i o no ff o u r - l e v e ll a s e rs y s t e ma l ea n a l y z e da n dt h ec o n t i n u o u so p e r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fa l l - s o l i d s t a t el a s e ra r ei n v e s t i g a t e d t h e ne x p e r i m e n t a l s t u d yb yu s i n g c o n c a v ee n da n dg r o o v e dr o di sm a d er e s p e c t i v e l ya n dh a sl a i ds o l i dg r o u n df o rt h e f r e q u e n c y d o u b l e d5 3 2 n mg r e e nl a s e re x p e r i m e n t s 4 s t a r t i n gw i t hn o n l i n e a rc o u p l e d - w a v ee q u a t i o n ，t h et h e o r yo fs e c o n dh a r m o n i c g e n e r a t i o ni sg i v e nd e t a i l e da n a l y s i s t w oc o m m o n l yu s e df r e q u e n c yd o u b l i n gc y s t a l ，k t p a n dl b oa r ec o m p a r a t i v e l ys t u d i e d t h e nt w od i f f e r e n tw a y so fo b t a i n i n gs e c o n dh a r m o n i c g e n e r a t i o nb yp l a c i n gt h ef r e q u e n c yd o u b l i n gc y s t a le i t h e ri no ro u t s i d et h er e s o n a t o ra r e d i s c u s s e d 5 b a s e do nt h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h ea c o u s t i cq - s w i t c h e di n t r a - c a v i t yf r e q u e n c y d o u b l e dg r e e nl a s e rs y s t e m ，e x p e r i m e n t a ls t u d yo nh i g hp o w e rq u s i - c wa l l - s o l i d - s t a t eg r e e n l a s e ra r em a d e 、析ms i n g l eqs w i t c ha n dd u a lqs w i t c h e s f i n a l l y , 晰t l ls i n g l eg r o o v e d 氍 n d ：y a gr o d ，d u a lo r t h o g o n a lp l a c e dqs w i t c h e s ，t y p ei ic r i t i c a l p h a s em a t c h e dk t pi na p i a n o - p i a n or e s o n a t o r , am a x i m u mo f19 7 5 wa v e r a g ep o w e r5 3 2 n ml a s e ro u p u tw a s a c h i e v e da tp u m p i n gc u r r e n to f1 4 a ，r e p e t i t i o nr a t eo f3 8 7 k h z ，c o r r e s p o n d i n gt oa f r e q u e n c y d o u b l i n ge f f i c i e n c yo f4 2 k e y w o r d s ：a l l - s o l i d s t a t e ，h i g hp o w e r ，5 3 2 n m ，i n t r a - c a v i t yf r e q u e n c yd o u b l i n g ，a c o u s t i c q s w i t c h 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复e f j 件和电子版。本人允许 论文被查阅和借阅。本人授权西北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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。j 司时授权中国科学技术信息研究所等机构将本学位论 文收录到中国学位论文全文数据库或其它相关数据库。 墨差蓑萋嚣萎裹霎亍盖指导教师签名：一 学位论文作者签名： 近型车指导教师签名：型型坦：对 弘f d 年f 月lg 日 粥咿年石月锣e t 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文足本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本 论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北大 学或其它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己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：渖不中 弛i o 年6j jlgi l 西北大学硕士学位论文 第一章绪论 激光器与原子能、半导体、计算机并称为二十世纪的四大发明。由于激光器的发光 原理不同于普通光源，因此它具有一些非常优异的特性，即高亮度，高单色性，高方向 性以及高相干性。它的这些特点在现代科学技术的发展中产生了巨大的推动作用，已经 遍及军事、工业、农业、医学、通信、信息、商业和科学研究等诸多领域。自2 0 世纪 8 0 年代以来，随着高功率半导体激光二极管( l d ) 的发展，采用激光二极管泵浦的全固态 激光器( l a s e rd i o d ep u m p e ds o l i ds t a t el a s e r , l d p s s l 或d p l ) 以其效率高、体积小、重 量轻、寿命长等优点，在众多激光技术中异军突起，成为当前激光技术研究领域的热点 之一。同时，各种非线性光学频率变换技术( n o f c ) 的发展极大地拓展了激光的波长和 应用范围。因此，对全固态激光器的研究不仅具有重要的学术意义，而且具有非常重要 的应用价值。 1 1 全固态激光器的发展 2 0 世纪6 0 年代是全固态激光器发展的萌芽阶段，美国科学家梅曼于1 9 6 0 年在美国 电报电话公司实验室利用脉冲氙灯侧面泵浦棒状红宝石晶体，获得了6 9 4 3 n m 的激光输 出，从此诞生了世界上第一台固体激光器。1 9 6 2 年，科学家们发现了可以对钕离子激光 器实现高效泵浦的砷化镓p n 结，并继续对g a a s 激光二极管进行了深入的研究，为全 固态激光器的发展带来了曙光。次年，美国科学家i ln e w m a n 1 】就首次提出了利用半导 体激光二极管作为固体激光器泵浦源的设想，并利用这种高相干性的辐射源( 实际上是发 光二极管l e d ) 泵浦n d ：c a w 0 4 ，获了1 0 61 1m 的激光输出，第一次在实际应用中展示 了g a a s 半导体发光器件的应用前景。随后，科研人员还利用其它半导体发光器件对不 同激光工作物质进行泵浦，获得了相应波长的激光辐射。但是随着研究的深入，n d ：y a g 工作物质优异的综合性能得到了广泛的认同，因此这种工作物质相应的泵浦源g a a s 也 得到了研究人员更密切的关注。1 9 6 4 年，在美国m i t 林肯实验室诞生了世界上第一台 激光二极管泵浦的固态激光器，这台由k e y e srj 和q u i s ttm r 2 1 研制的d p l 采用c a f 2 ： u 3 + 作为工作物质，g a a s 二极管作为泵浦源，产生了2 6 3li im 的激光输出。l d 泵浦方 式由于其可以减少激光介质中的热沉积和高能量激光器的热效应，具有比闪光灯泵浦方 式更加高效的特性，逐渐得到科学家们越来越广泛的认识。由于当时技术所限，该类激 光二极管的激光阈值较高，只能在低温情况下实现激光输出。1 9 6 8 年，麦道宇航公司的 第一章绪论 r o s sm 【3 l 将整套实验装置置于低温环境中，利用砷化镓激光二极管对n d ：y a g 激光增益 介质进行抽运，获得了激光输出，实现了第一台采用o a a s 泵浦源抽运n d ：y a g 的全固 态激光器，进一步加深了对激光二极管泵浦方式的认识。由于早期半导体工艺的限制， 激光：二极管的寿命、效率、工作条件等阻碍了全固态激光技术的进步，因此发展比较缓 慢。 到了1 9 7 0 年，由于半导体生长工艺仍然没有实现突破，d p l 的研究工作主要集中 在n d ：y a g 激光器的研发，探索新的增益材料以及波导激光器三个方面。1 9 7 1 年， o s t e r m a y e rfw 和d n i e l m e y e rhg 【4 】【5 】等人首次实现了在室温条件下运转的l d 泵浦 n d ：y a g 激光器，全固态激光器的发展出现了一道曙光，侧面泵浦和端面泵浦方式也相 继出现。由于n d ：y a g 激光工作物质在钕离子高掺杂浓度下会产生猝灭现象，因此科研 人员也研发出了一些高掺杂浓度的激光材料，如n d p 5 0 1 4 ( n p p ) 和l i n d p 4 0 1 2 ( l n p ) 。通 过激光二极管和发光二极管泵浦的波导和光纤激光器也取得了一定的发展，1 9 7 6 年， b u r r u sca ，s t o n ej 和d e n t a iag 等人利用l e d 端面泵浦n d ：y a g 单晶光纤在室温下产 生了1 3um 的连续激光辐射【4 蚋。随着激光器输出功率的提高，非线性频率变换技术也 得到了早期的应用和研究，通过调q 、锁模等方式获得高峰值功率的全固态激光器也得 到了一定发展，但是在当时技术水平有限，所获得的激光输出水平较低，处于发展的起 步阶段 4 9 , 5 0 】。 2 0 世纪8 0 年代以来，半导体技术的突破性发展打破了全固态激光器发展的停滞状 态，使其进入了一个蓬勃发展的新时期。随着晶体生长工艺的进步，得以生长出优质的 量子阱及应变量子阱材料。激光二极管( l d ) 的阈值电流显著降低，输出功率成倍提高， 并且寿命和转换效率都有质的飞跃。伴随着l d 技术的发展登上一个新的台阶，全固态 激光的实验研究和理论模型也都取得了长足的发展。1 9 8 0 年，a l l e nlb 【6 】和s m i t hr j 【刀 等人进行了l d 侧面泵浦n d ：y a g 的实验，采用改进了的l d 线阵列，获得了1 0 8 m w 的1 0 6 4 n m 激光输出。针对全固态激光在不同领域的用途，很多新型的激光工作物质以 及全新的l d 泵浦方式被引入到全固态激光器的实验中，也对更多激光发射波长进行了 相应的研究。f i e l d sr a t 8 】等人比较分析了n d ：b e l 、n d ：y a g 和n d ：y v 0 4 三种激光晶体， 并采用激光二极管泵浦的n d ：y v 0 4 获得了高达1 2 的电光转换效率。 到上世纪末，随着高功率的l d 技术和泵浦光源的成熟，使得激光二极管的价格降 低到可以接受的水平，全固态激光器逐渐成为重要的发展方向，而基于全固态激光器的 非线性光学频率变换技术也取得了飞速的发展。中、小功率激光器逐渐朝着小型化、商 2 西北大学硕士学位论文 品化方向发展。美国的相干公司、s d l 等公司在该领域非常活跃，推出了各种型号的激 光器产品。相比，我国此时的中、小功率正处于起步阶段。高功率全固态激光器也由于 其在工业加工、军事、受控核聚变等方面的应用，获得了跳跃性的发展，采用多棒串接、 主动震荡多程放大等方式可实现高达1 0 k w 量级的输出功率【引。1 9 9 8 年，b r a n dth 【9 j 采用双棒串接结构，获得了高达2 k w 的输出。同年，日本大阪大学的k i r i y a m ah l 】等 人采用8 程板条放大器，使输出功率成功突破1 k w ，可以作为i c f 驱动器。2 0 0 1 年， a k i y a m a 1 1 】等人，在没有对热效应进行补偿的条件下，采用3 个泵浦组件获得了5 4 k w 的激光输出。高功率非线性频率变换技术也随着全固态激光器的发展逐渐成熟，显现出 越来越广泛的用途，包括海洋探测、光电对抗、激光显示、激光医疗、高密度存储等等。 1 2 全固态激光器的特性及优点 全固态激光器采用激光二极管( l d ) 代替闪光灯泵浦固体激光增益介质，因此它不仅 继承了固态激光器坚固且寿命长的优点，同时也具有了半导体激光器的一系列优点。固 体激光器泵浦源的发射光谱必须要与激光介质的吸收光谱相匹配，才能使泵浦源注入的 能量尽可能多地被激光工作物质吸收，用于产生受激辐射。这样，不仅可以有效地提高 转换效率，同时避免了有效吸收带宽之外的辐射使得工作物质的寿命变短或者由于激光 晶体吸收多余的辐射而产生的热效应导致输出激光光束质量的变差。因此，采用激光二 极管泵浦的全固态激光器就成为固态激光器的研究热点。 激光二极管泵浦的全固态激光器主要特点有n 纠5 1 ： ( 1 ) 提高了整个系统的效率，改善了光束质量 全固态激光器的最大的优点之一体现在其具有高的能量转换效率，这是灯泵浦固体 激光器所无法比拟的。通常激光增益介质的吸收峰较窄，而激光二极管的发射谱宽相对 于闪光灯要窄的多，通过选择与工作物质吸收峰波长匹配的激光二极管，并对l d 实施 相应的冷却防止泵浦光的中心波长偏离工作物质的吸收峰来提高泵浦的效率。实际上， 闪光灯的辐射效率要高出激光二极管将近两倍，但是它的传输效率、吸收效率以及量子 效率都远远低于激光二极管，造成了闪光灯泵浦系统总体效率较低，无用辐射部分增加 了工作物质的热负载，使得输出激光的光束质量和稳定性变差。而激光二极管的输出波 长是可以选择的，而且l d 的发射光谱也非常窄( 2 n m - 3 n m ) ，可以使发射光谱落在激活 介质的吸收峰附近，充分利用了泵浦光，从而使光能更多地用来增加反转粒子数，有效 地提高了整个系统的效率。整机效率可与二氧化碳激光器相当，比灯泵高出个量级。 3 第一章绪论 高效的泵浦同时意味着无用辐射能的减少，改善了激光器的热效应，同时采用l d 泵浦 泵浦光与激光振荡模式可以良好的匹配，可以获得质量更好的激光输出，在端面泵浦的 情况下甚至可以产生近衍射极限，接近理想t e m 0 0 模分布的激光输出。 ( 2 ) 增加了泵浦系统的使用时间和可靠性 l d 泵浦全固态激光器的寿命和可靠性相对于传统闪光灯泵浦系统都有了成倍的提 高，成为固体激光器的一个重要发展方向。l d 阵列在室温条件下( 约2 5 c ) 的连续工作 寿命约为1 0 0 0 0 0 小时，在工作过程中温度升高到4 0 寿命也可以达到5 0 0 0 0 小时，在 低功率运行的情况下，寿命会更长。而闪光灯属于高压器件，寿命相对于激光二极管要 短的多，在连续工作时的寿命大约是5 0 0 小时，操作人员需要花很多时间频繁更换灯， 中段系统工作，不仅增加了相应的生产成本和人力成本，而且不利于生产效率的提高。 另外，在全固态激光器中，能够达到其驱动电源的电流起伏小于o 1 ，l d 加温控系统 后温度起伏小于o 1 ，泵浦光的能量起伏小于0 5 ，因此全固态激光器具有更好的稳 定性。 ( 3 ) 运转方式多样，安全性好 激光二极管不仅能够连续泵浦激光工作物质应用于需要高平均输出功率的场合，对 于高能量脉冲激光的应用，还能够以脉冲方式运转，具有峰值功率高、热效应小等优点， 使得全固态激光器具有更优异频率稳定性和更窄的线宽。另外，虽然激光二极管泵浦的 大多数激光材料也可以用闪光灯泵浦，只是效率相对于激光二极管来说偏低。但是，闪 光灯泵浦系统通常需要施加高压脉冲，容易在灯管内产生高的放电能量，引起闪光灯的 爆炸，使整个泵浦系统失效。激光二极管由于采用了新型结构和先进的生长技术，工作 的电器条件也好得多，有效地避免了此类问题的发生。 ( 4 ) 实现了系统的紧凑性和多功能性 与闪光灯泵浦系统相比，激光二极管内部由晶体解理面形成的谐振腔由于可以提供 光学反馈，使p - n 结产生受激发射，形成高相干性的辐射，因此在采用阵列集成的方式 提高泵浦效率的同时，还能够保持泵浦系统结构的紧凑性。使用激光二极管或者激光二 极管阵列作为激光器的泵浦源还可以摆脱传统灯泵浦系统庞大笨重的冷却系统，而且随 着目前侧面泵浦技术的成熟，激光二极管泵浦模块的出现更使激光器的体积大大缩小， 重量相对灯泵系统也大大减轻，供能方便，有利于实际工作中的应用。半导体技术的发 展使得量子阱( q 半导体激光器、垂直腔面发射激光器以及量子级联激光器等新型激 光二极管器件可以应用于工作物质的泵浦，结合各种器件选择不同的耦合和泵浦方式， 西北大学硕士学位论文 可以有效提高整个系统的效率，现在已经出现的光泵浦方案不计其数【1 6 1 1 1 7 】。 ( 5 ) 提高了系统部件的稳定性，有利于健康 闪光灯在工作时需要有直流电，并且需要高压脉冲来触发，为了放大还可能需要额 外的高压，泵浦时还会发出强紫外辐射，高压可能使操作人员触电受伤，紫外线则对人 的皮肤、眼睛等造成严重伤害，而激光二极管泵浦系统则克服了以上缺点。除此之外， 灯泵浦系统系统由于电极的蒸发和溅射在灯管壁上形成黑色沉积物，吸收过量的辐射增 加了管壁的热负载，导致灯发生破坏性失效。紫外辐射还会使闪光灯冷却液发生分解以 及某些固体激光材料出现色心，可能需要对相应的器件进行处理和更换，因此需要增加 额外的维护工作。 1 3l d 泵浦全固态绿光激光器的应用 采用激光二极管泵浦的全固态激光器以其独特的优势获得了人们的广泛关注，推动 着全固态激光器朝着高功率、小型化、商品化以及多波长的方向发展。其中全固态绿光 激光器的发展最为迅速，输出功率已经达到几百瓦级，在许多领域都展示出其广阔的应 用前景。 1 ) 在医学方面的应用 由掺n d 3 + 离子工作物质经倍频产生的5 3 2 n m 绿光容易被血管所吸收，应用不同脉 冲宽度的5 3 2 n m 激光和结合冷却疗法对于治疗皮肤血管异常性疾病，特别是大面积毛细 血管瘤的治疗有着非常好的效果1 8 1 ；人眼是光的读出器官，同时对于绿光最为敏感，所 以利用绿光进行眼科治疗得到了人们的广泛关注，而且用于治疗眼科疾病的激光治疗仪 早已实用化【1 9 j ；前列腺增生疾病是中老年男性最常见的疾病之一，由于前列腺在含有水 的同时也含有大量的血红蛋白，而血红蛋白对于5 3 2 n m 的绿光有着较强的吸收，人体组 织的这种光吸收产生的光热作用可以使病变组织汽化。同时这个波长的激光处于水吸收 的波谷处，不容易被人体组织中的大量水吸收，在组织中也不容易发散，在水下作业不 会受到太多的影响，因此被广泛使用在前列腺选择性光汽化治疗中【2 0 】；5 3 2 n m 的绿光激 光器还可以配备专用的激光手术刀头进行接触式手术治疗，它可以产生足够的光热聚集 在受限的表层中，产生的恰当的凝固层有着很好的止血作用，同时可以阻止热量的继续 传播而对周围组织造成伤害【2 l 】。这个波段的激光同时也可以用于尿道狭窄、泌尿系统肿 瘤等方面的治疗，s c h m i d l i nf 1 2 2 】和b e i s l a n dho i z 3 等人利用5 3 2 n m 激光对这类疾病进行 治疗，取得了很好的效果。 5 第一章绪论 2 ) 在激光显示、演示方面的应用 显示产业是现代高技术产业的重要组成部分，也是现代信息技术社会发展的重要基 础产业。激光显示作为新一代的显示技术，在继承了数字显示技术所有优点的基础上， 以高饱和度的红、绿、蓝三基色激光作为光源，解决了显示领域长期难以解决的大色域 色彩再现难题，同时继承了激光二极管泵浦全固态激光器能耗低、寿命长、光能利用率 高的优点。此外，激光显示产品在制造过程中不需要消耗大量的水资源，也不需要使用 汞等重金属，因此更加节能环保。激光显示也被认为是“一场现实领域的革命 ，具有 每年5 0 0 亿美元以上的市场前景。我国也在这方面加大了研发的力度，在8 6 3 计划和知 识创新工程等支持下，中科院光电所、天津大学等单位都进行了卓有成效的研究，并行 了产业化的尝试。 由于人眼对于绿光最为敏感，所以利用全固态绿光激光可以制成用于舞台表演、激 光表演、激光地标等方面的民用产品，形成集激光、精密光机、电脑多媒体等多种现代 科技技术与艺术结合的全新表现形式，给人们带来更加新鲜的体验和经历。通过在全固 态绿光激光器外加入微机控制的相应软硬件，对于预期的显示效果进行控制。它利用高 功率准连续绿光激光器产生的发散角极小的激光束，通过相应的控制，在夜空中发出光 彩夺目的绿色激光束，并且具备射程远、亮度高，可进行3 6 0 度旋转等优点，在城市美 化、企业宣传、形象识别等方面获得越来越多的青睐。 3 ) 在工业加工方面的应用 激光在工业领域的应用也是多方面的，而其中重要的一个方面就是利用激光对材料 进行加工。激光与普通加工源相比，具有极高的能量密度，它的优良特性给激光加工带 了其它一些方法所不具备的可贵优点，如可以实现非接触n - r - ；对于金属、非金属，特 别是高硬度、高脆性、高熔点的材料进行加工；激光加工过程中激光束能量密度高、加 工速度快，并且可以实现局部加工，对非激光照射部分影响小；生产效率高、加工质量 稳定可靠，具有良好的社会和经济效益。因此，它在激光钻孔、晶片雕刻、激光切割、 印制电路板分离、太阳能电池生产等方面都能起到了非常重要的作用。但同时这些方面 的应用通常也对所使用的绿光激光光源提出了相应的要求，例如在太阳能电池画线中， 需要绿光的平均功率为5 1 0 w ，衡量光束质量的m 2 因子小于1 3 ，重复频率在3 0 8 0 k h z 。 而对印制电路板分离，则需要更高的平均功率0 0 - - 4 5 w ) ，重复频率1 0 0 , - - 1 5 0 k h z ，脉冲 宽度5 0 l o o n s 。针对这些不同的需求，各方面对全固态绿光激光激光器的研究也进一步 加强，促进了它在工业方面更加广泛的应用。 6 西北大学硕士学位论文 4 ) 在科学研究方面的应用 全固态绿光激光器在科学研究领域有着非常广泛的应用，高功率的全固态绿光激光 器可以取代氩离子激光器和铜离子激光器进行同位素分离操作，同时继承了全固态激光 器体积小、结构紧凑的优点，便于进行商品化的生产；此外，它还可以作为掺钛蓝宝石 激光系统的优良泵浦源，用于产生飞秒激光脉冲；作为泵浦源泵浦拉曼晶体产生拉曼激 光，同时也可以作为参量振荡器振荡器的泵浦源：还可以为粒子成像测速仪( p i v ) 提供高 质量的光源；通过四倍频方法可以获得紫外激光，展示了其广泛的应用前景。 1 4l d 泵浦全固态绿光激光器的研究进展 采用激光二极管泵浦的全固态激光器以其效率高、体积小、寿命长、光束质量好等 优点获得了科研人员的重点关注，成为激光技术研究的热点之一。随着非线性光学频率 变换技术的发展，使得我们可以对现有的激光波长进行拓展，为全固态激光器提供了更 加广阔的应用领域。而在所有的全固态可见光激光器中，绿光激光器由于其在医学研究、 精密机械加工、海洋探测、军事对抗以及高清显示等方面的广泛应用，获得了最为迅速 的发展，成为技术最成熟、输出功率最高的激光器之一。 世界上第一台全固态绿光激光器是通过激光二极管线阵列泵浦n d ：y a g 晶体并通 过铌酸钡钠晶体倍频获得的【2 4 】，由于当时激光二极管技术的限制，平均输出功率仅有 2 m w 。1 9 6 8 年，美国贝尔实验室的g e u s i e 、l e v i n s t e i n 和s i n g h 等人利用非线性晶体 b a 2 n a n b 5 0 1 5 对n d ：y a g 工作物质产生的1 0 6 4 n m 激光进行倍频，获得了功率为1 1w 的 绿光输出【2 5 l 。1 9 8 4 年，y u n gs l i u 、d d e n t z 和r b e l t 在n d ：y a g 振荡器中利用i i 类 相位匹配的k t p ，采用内腔倍频的方式，在声光调q 频率为5 k h z 时获得了5 6 w 的5 3 2 n m 绿光输 3 6 1 。同年，k u r a t e vii 采用同样的倍频晶体研制了一台l e d 泵浦腔内倍倍频的 n d ：y a g 激光器【2 6 1 。同年，tsf a h l e n 和p p e r k i n s 利用k t p 晶体腔内倍频的方法获得 了平均输出功率达2 0 w 的5 3 2 n m 绿光【2 7 l 。1 9 8 6 年，h a n s o nf 利用激光二极管侧面泵浦 n d ：y a g 晶体，在长脉冲模式下获得了2 1 w 的1 0 6 4 n m 输出，同时通过在腔内插入k t p 晶体，获得了峰值功率为3 w 的5 3 2 n m 绿光输出1 2 8 】。进入2 0 实际9 0 年代以后，高功 率二极管技术的逐渐成熟和非线性频率变换技术的进步，使得全固态高功率绿光激光器 的发展更为迅速。1 9 9 6 年，日本科学家y o i c h i m 和m a s a k i 等人利用激光二极管泵浦 n d ：y a g ，在重复频率为l k h z 时，分别在单程放大和双程放大情况获得了1 5 5 w 和1 9 w 的绿光输出【2 9 l 。1 9 9 8 年，日本的研究人员k o n n os u s u m u 、f u j i k a w as h u i c h i 和k o j iy a s u i 7 第一章绪论 采用平面镜v 形腔调q 腔内倍频的方式获得了6 8 w 的高效率准连续绿光输出【3 们。同年， k a z u y o k ut e i 、m a s a a k ik a t o 和y o s h i t on i w a 等人利用激光二极管泵浦板条状n d ：y a g 晶体，主动振荡多程功率方法的方式，采用l b o 晶体倍频，在重复频率为1 7 0 h z 时获 得了1 0 5 w 的绿光输出 3 4 1 。2 0 0 0 年，s u s u m uk o n n o 、t e t s u ok o j i m i 、s h u i c h if u j i k a w a 和k o j iy a s u i 通过双棒串接，9 0 度的折叠腔结构，同时在两棒间加入石英旋转器补偿热 致双折射效应，采用l b o 腔内倍频方式获得了1 3 8 w 的准连续绿光输出，光光和电光 转换效率分别为1 7 3 和7 9 ，最大功率时的m 2 因子为l l t 3 1 1 。2 0 0 4 年，韩国的科研 人员j o n g h o o ny i 、h e e j o n gm o o n 和j o n g m i nl e e 采用z 形腔结构声光调q ，k t p 腔内 倍频在二极管泵浦功率为3 9 8 w 时获得了1 0 1 w 的绿光输出，对应2 5 5 的光光转换效 率1 3 2 l 。2 0 0 9 年，相干公司的d a v i drd u d l e y 、o l i v e rm e h l 和g a r yy w a n g 等人采用双 n d ：y a g 激光棒串接，在一个u 形的谐振腔内通过双声光调q ，i i 类l b o 腔内倍频的 方式，在1 0 k h z 时获得了高达4 2 0 w 的5 3 2 n m 绿光输出，光光转换效率1 6 ，在最大 输出功率处m 2 因子为2 4 【3 3 】； 我国也于上世纪8 0 年代就开始了对于全固态绿光激光器的研究，早在1 9 8 3 年，姚 建铨院士就利用k t p 晶体对n d ：y a g 晶体产生的1 0 6 4 n m 基频光进行腔内倍频，在重复 频率2 5 k h z 时获得了1 1 w 的准连续绿光输出f 3 5 】。2 0 0 0 年，山东师范大学的李健、卢兴 强和侯玮等人【4 6 】采用激光二极管连续抽运n d ：y v 0 4 晶体，k t p 倍频，在重复频率为 2 5 k h z 时获得了平均功率为1 7 6 w 的绿光输出，光光转换效率达2 7 9 。2 0 0 3 年，中国 科学院物理研究所的冯衍、毕勇和张鸿博等人1 4 5 】采用k t p 腔外倍频的方式产生了大于 2 0 w 的准连续绿光输出，光束质量因子m 2 约为4 。2 0 0 4 年，天津大学精密仪器与光电 子工程学院的徐德刚、姚建铨和陈进等人1 4 2 1 采用高效平凹谐振腔结构，双声光调q ，i i 类相位匹配的k t p 晶体在重复频率为2 0 4 k h z 时获得了8 5 w 的高稳定性准连续绿光输 出，光光转化效率9 7 。同年，他们的研发团队【4 1 】采用直腔结构，单声光调q 开关， 不同边界温度和相位匹配角的两块k t p 晶体腔内倍频分别获得了1 0 4 w 和1 1 0 w 的 5 3 2 n m 绿光输出。2 0 0 5 年，北京固体激光技术国家重点实验室的姜东升、赵鸿和王建军 等人【4 3 j 采用折叠v 形腔结构，双声光调q ，利用k t p 晶体在折叠臂中倍频，在泵浦功 率为8 0 0 w 时获得了1 1 2 w 的绿光输出，在折叠z 形腔中实现了1 2 0 w 的5 3 2 n m 准连续 绿光输出。同年，中国工程物理研究院应用电子学研究所的姚震宇、蒋建锋和涂波等人 1 4 7 采用双声光q 开关，l i 类相位匹配的k t p 晶体腔内倍频获得了1 6 2 w 的调q 绿光输 出，光光转化效率达1 3 ，m 2 因子约为2 0 。2 0 0 6 年，北京中国科学院物理所的a i e o n g 0 西北大学硕士学位论文 g e n g 、y o n gb o 和y o n gb i 等人【3 8 】在双v 形谐振腔内放置两个n d ：y a g 模块，并在之间 加入石英旋转器补偿热致双折射效应，利用一块i i 类相位匹配的l b o 晶体腔内倍频， 在1 0 k h z 重复频率时获得了1 2 1 w 准连续绿光输出，脉冲宽度为6 8 n s 。2 0 0 8 年，清华 大学的q i a n gl i u 、x i n g p e n gy a h 和m a l ig o n g 等人通过对一个产生1 0 6 4 n m 红外辐射的 调q 主动振荡多程功率放大的n d ：y v 0 4 激光器利用i 类相位匹配的l b o 晶体进行腔外 倍频，获得1 0 3 5 w 的高功率绿光输出，对应6 7 从1 0 6 4 n m 到5 3 2 n m 的转换效率， m 2 因子小于1 4 5 t 3 7 1 。同年，华北光电技术研究所的苑利钢、姜东升和王建军等人【“l 采 用非垂直入射式漫反射聚光腔，i 类非临界相位匹配的l b o 晶体腔内倍频，在重复频率 为1 0 k h z 时实现了平均功率达2 3 0 w 的绿光输出，光光转换效率达1 6 8 。2 0 0 9 年，西 北大学光子所的陈浩伟、陈秀艳和李修等人【4 0 】采用双n d ：y a g 模块串接，双声光q 开 关，在一个像散补偿v 性谐振腔内的折叠臂中利用一块i i 类相位匹配的抗灰迹k t p 获 得了1 8 5 w 的准连续绿光输出，脉冲宽度1 8 0 n s ，对应8 0 8 n m 到5 3 2 n m 的光光转换效率 1 5 4 ，两小时内的不稳定度小于2 5 5 ，衡量光束质量的m 2 因子小于1 0 。同年，西 北大学光子学与光电子技术研究所的任兆玉教授【3 9 】采用了一种新型的v 形腔，将两个 n d ：y a g 模块置于互连的平凹v 形腔和平凹直腔中，双声光q 开关同步驱动，在重复频 率为2 2 4 k h z 时获得了2 0 6 w 的5 3 2 n m 绿光输出，脉冲宽度为2 0 1 n s ，对应高达6 0 2 的1 0 6 4 n m 到5 3 2 n m 的转换效率，在x 、y 方向的m 2 因子均小于1 0 5 。 9 第二章工作物质的热效应及谐振腔理论 第二章工作物质的热效应及谐振腔理论 2 1 激光晶体的特性分析 固体激光工作物质是将激活离子掺入基质( 晶体、玻璃) 而构成的。激光工作物质 的物理和光谱特性是影响整个激光器工作特性的关键。对固体激光工作物质的一般要求 是：在激光工作频率范围应透明，掺入的激活离子具有有效的激励光谱和大的受激辐射 截面：能掺入较高浓度的激活离子，浓度猝灭效应小，且有足够长的荧光寿命：光学质 量高，要求有害杂质、气泡、条纹、光学不均匀性等缺陷尽可能少，内应力小；有高的 荧光量子效率；有良好的物理、化学和机械性能，热导率高，热膨胀系统小，化学稳定 性好，易于光学加工；容易生长出大尺寸材料，制备工艺简单，成本低。 为了获得所需的激光特性，就必须要选择相互匹配的激光材料。在探索激光材料的 过程中，人们很早就认识到三价钕离子的特别有利于激光作用的特性，它是可以作为激 活离子和敏化离子来提高激光输出的晶体。n d 3 + 尽管是最早用于激光器的三价稀土离子 ，但目前仍然是该族中用于激光研究的最重要的元素。到现在，科研人员已经在1 0 0 多种掺杂有钕离子的基质材料中获得了激光发射，并且从掺钕离子激光器中能够获得的 功率要明显高于其它的激光材料。这是因为钕离子在某些有序的基质材料中能够表现出 足够长的荧光寿命和窄的荧光线宽，并且钕离子具有远高于基态激光跃迁的终端能级， 因而更加易于实现室温下实现连续和脉冲等多种工作方式的运转，其中连续激光输出已 达千瓦级陵朝。同时，利用非线性频率变换技术，还可以获得多波长输出，进一步拓展了 其应用范围。而在这些所有的激光材料中，掺钕钇铝石榴石以其优异的性能和良好的兼 容性，获得了最广泛的关注和应用。 掺钕钇铝石榴石h j l 的简称是n d ：y a g ，它是在基质材料y a g 中掺杂少量的n d 3 + 离