（物理电子学专业论文）ld双端抽运nd：yvo4调q绿光激光器.pdf

摘要 v 6 8 3 1 6 3 本论文首先回顾和概括了全固态激光的发展史，并从高功率、多波段、微型 化三个发展方向阐述了激光二极管抽运固念激光器的国内外研究进展j 在第二章 简要地概述了端面抽运刚体激光器的速率方程理论、腔设计理论、抽运设计理论、 二次谐波理论和调q 理论。在研究上完成了以下创新性工作和学习性工作。 创新性工作： 1 提：【j i 一种易于实现、对激光器本身没有干扰、高空间 精度、t 叮实时测量介质热透镜的干涉测量方法。并利用此方 法全 l l f t 断i ) f 究了端泵 f in d ：y v 0 4 激光器的热透镜效应， 为认谚激光介质的热效应和设计此类激光器提供了参考。 2 针对激光二极管端面泵浦的n d ：y v o 。全固态激光器， 提 l ：了一种利用双晶体，米对n d ：y v o 。的热效应进行补偿 的方案，同时该方案又能提高最大输出功率，避免由于插入 | f f f 加光学元件所导致的损耗，满足调q 以及提高腔内倍频效 率的要求。 3 采用单光束z 扫描方法，对4 m m 厚的n d ：y v 0 4 晶体的 非线- 陛折射率进行测量，采用薄样品理论对测量数据进行计 算处理，所得出的结果与其他不同方法测得的结果相吻合。 出此证明这种简单的测量和处理方法的合理性和有效性。 学习性工作： 研制出“l d 双端抽运n d ：y v 0 4 调q 绿光激光器”。在调制频率为 1 0 5 k h z ，最大输入功率为1 9 w 时，输出5 3 2 n m 绿光的最大功率为3 2 w ，此时 的脉冲宽度为2 8 7 n s ( f w h w ) ，光光转换效率为1 6 8 。 7 坚蛰鋈望彗坚些坠丝箜墼鲎垄坠。：。：，。一 a b s t r a c t l nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ed e v e l o p m e n th i s t o r yp r o c e s so fa l l s o l i d s t a t el a s e r si s r e v i e w e da n ds u m m e du pf i r s t l y , a n dt h er e s e a r c he v o l u t i o n so f d i o d e - p u m p e d s o l i d s t a t el a s e r sa r eg e n e r a l i z e d a l o n gh i g hp o w e r e d ，m u l t i w a v e l e n g t h e da n d m i n i a t u r i z e dd i r e c t i o n sr e s p e c t i v e l y i nt h ec h a p t e r2 r a t ee q u a t i o nt h e o r y , o s c i l l a t o r c a v i t yd e s i g n i n gt h e o r y , p u m p i n gd e s i g n i n gt h e o r y , t h es e c o n dh a r m o n i cg e n e r a t i o n t h e o r ya n dqs w i t c h i n gt h e o r ya r eg e n e r a l i z e d t h e s ec r e a t i v es t u d i e sa n dl e a r n i n g w o r ka r ea c c o m p l i s h e di nt h i sd i s s e r t a t i o n c r e a t i v es t u d i e s ： 1 ，al a s e ri n t e r f e r o m e t r ym e t h o do fm e a s u r i n gt h e t h e r m a ll e n s i n go f e n d - p u m p e d s o l i d s t a t el a s e r si s p r o p o s e d t h i sm e t h o dp r o v i d e s a s i m p l yt ob ec a r r i e d o u t ，h a v i n gn o i n f l u e n c eo i ll a s e r s y s t e m ，h i g hs p a t i a l r e s o l u t i o na n dr e a l - t i m em e a n sf o rd i a g n o s i n gt h e r m a l l e n s i n g b yt h i sm e t h o d ，t h e r m a ll e n s i n go fe n d - p u m p e d n d ：y v 0 4l a s e ri ss t u d i e dg e n e r a l l y a n dt h i sw o r kc a n p r o v i d er e f e r e n c e sf o rs t u d y i n gt h et h e r m a le f f e c t so fl a s e r m e d i u ma n d d e s i g n i n gl a s e r so f t h i sk i n d 2 f o rd i o d ee n d - p u m p e dn d ：y v 0 4s o l i d s t a t el a s e r , a s c h e m ee m p l o y i n gt w i nl a s e rc r y s t a l st oc o m p e n s a t et h e r m a l e f f e c t si sb r o u 曲tf o r w a r d a tt h es a m et i m el a s e ro u t p u tc a l l b ee n h a n c e d ，a n dt h el o s sr e s u l t i n gf r o ma d d i t i o n a lo p t i c a l e l e m e n t sc a nb e a v o i d e d ，q s w i t c h i n g a n de f f i c i e n t f r e q u e n c y - d o u b l i n gc a nb em e ti nt h i ss c h e m e 3 i nt h em e a s u r e m e n to ft h en o n l i n e a rr e 厅a c t i o nj n d e x o f4 m mt h i c kn d ：y v 0 4c r y s t a l ，s i n g l e b e a mzs c a ni s e m p l o y e d ，a n dt h em e a s u r e m e n td a t ai sp r o c e s s e d a c c o r d i n g t ot h ezs c a nt h e o r yo ft h i ns a m p l e ，a st h er e s u l t t h e r e f r a c t i o ni n d e x ，w h i c ht a l l i e sw i t ht h eo n er e s u l t i n gf r o m o t h e rd i f f e r e n tm e a s u r e m e n t ，i so b t a i n e d s ot h er a t i o n a l i t y a n dt h ev a l i d i t yo ft h i ss i m p l em e a s u r e m e n ta n dp r o c e s s i n g m e t h o di sp r o v e d l e a r n i n gw o r k ： ak i n do f “l dd u a l e n d p u m p e dn d ：y v 0 4q s w i t c h i n gg r e e nl a s e r i s d e v e l o p e ds u c c e s s f u l l y i t sm a x i m u mo u t p u ti s3 2 w , a t 1o 5 k h z m o d u l a t i n g f r e q u e n c ya n d19 wi n p u t ，w h e n ，t h eo u t p u tp u l s ew i d t hi s2 8 7 n s ( f w h w ) ，a n dt h e o p t i c a lt oo p t i c a lc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yi s 16 8 i l l 第一章绪论 自1 9 6 0 年激光器诞生以来，各类激光器及激光技术发展极为迅速，其中固 体激光器的发展尤为突f j 。固体激光器在不同的领域有着广泛的应用，它在材 料加工、军事、医学及科学研究等领域显示出了巨大的潜力。但是传统的固体激 光器的电光转换效率较低，约为1 5 左右，并受热效应的影响，大大限制了它 的发展和使用。 针对传统固体激光器的不足，科研一1 ：作者摒弃了传统的闪光灯抽运方式，采 用了与固体激光介质的吸收峰匹配的激光二极管抽运方式，即为“激光二极管抽 运的固态激光器”简称“伞固态激光器”( d i o d e p u m p e ds o l i d s t a t el a s e r ，简称 d p s s l ，d p l ) 。d p s s l 集一极管激光器与固体激光器的优点于一身，馒其极大 地优于二极管激光器本身和传统的灯抽运的固体激光器，具有效率高、稳定性好、 结构紧凑、寿命长、比l d 本身窄得多的辐射线宽、良好的光束质量、高功率输 材标切焊打激 同 钡0制通杀光 料光 位 伤 光 电 改聚 素雷 对 分 武 达 性记割接 孔 变 离 距导 讯器抗 弋t - i -弋tttt - - 。一 - 7 先进制造业能源业升级换代新品开发 j - 凡一爿四叼 鬣= 柙* 者i 信i 1 5 功，、1 国h 竺 1 防h 防化 光弄芜栅；j 息l ：。倩( 固态激卜、 l 奎 一学h 遥感 微加工i 广翮 纳米光刻i i 卜_基紫埘影” 三维成型il 篓i 碴乒 鬻荧光光谱il 蚪卜_ 一d 习d 习d 习 红h 结构参数 分子裁剪il 者j i 监不l l 科研fl 医盯i 凳卜叫 动力学 谱r 1 天文研究 图1 1全| 舌l 态激光器的应用 出等优点。此外，借助非线性光学和频率变换技术可以开发出从紫外一可见光一 中红外波段，高效、小型、单色或连续可调谐的d p s s l 。其在信息、国防、娱 乐、科研等领域具有广泛而重要的应用前景，如图1 所示。因而二极管抽运固体 激光技术成为国际上固体激光技术中最具活力的研究领域。 1 1d p s s l 的发展历程 d p s s l 的发展与半导体激光器的发展是密不可分的。1 9 6 2 年，第一支 g a a s 二极管激光器( l d ) 问世( 我国科学家在1 9 6 3 年利用g a a s p n 型半导体 也实现了激光辐射) 。1 9 6 3 年，也就是第一台激光器诞生后的第三年，r n e w m a n 2 】 就第一个提出了利用半导体激光器做为固态激光器抽运源的构想。不久，他用砷 化镓( g a a s ) 发光二极管抽运掺钕例子的钨酸盖晶体( n d ”：c a w 0 4 ) ，发现了受 激荧光。1 9 6 4 年，美国m i t 林肯实验室的k e y e s 和q u i s t l 3 】利用l d 抽运u 3 + ：c a f 2 晶体，在2 6 1 3 h m 波段实现了真正意义上的全固念准连续波( q u a s i c w ) 激光 输出。尽管该激光器的闽值很高，输出功率也很低，但他们已经意识到l d 抽运 比闪光灯抽运具有更高的效率和潜力。1 9 6 8 年，麦道宇航公司的r o s s t 4 将l d 冷 却到1 7 0 k ，以实现g a a sl d ( 8 6 7 n m ) 与n d ：y a g 吸收峰匹配，实现了第一台 l d 抽运的n d ：y a g 激光器。1 9 7 1 年，f q s t e m l e y e r 5 】在室温下采用直线排列的 6 4 个g a a s pl e d ，通过选择合适组分( g a a s l 。p 。) 来匹配n d ：y a g 的吸收波长，实 现了连续波1 4 m wl ，0 6 p m 的激光输出，电功率为3 0 w ，抽运光功率9 0 0m w 。 七十年代，l d 抽运的固体激光器基本上没有太大的发展，其主要原因是l d 用作固体激光器的抽运源，其前提条件是有足够高的输出功率和与激光工作物质 吸收峰相匹配的发射波段。但限于当时半导体激光器的输出功率很低，光束发散 角大，单色性差且难以在室温下运转。因此l d 抽运的激光器其性能和输出功 率无法与灯抽运灯其他的激励方式的固体激光器相比。 1 9 7 8 年量子阱半导体激光器概念的出现，以及八十年代初期m o c v d 技术 的使用及应变量子阱激光器的出现，使得l d 的发展不上了一个崭新的台阶。在 迸入九十年代以来，大功率的l d 及l d 列阵技术也逐步成熟，从而大大促进了 d p s s l 的研究。而d p s s l 的三个主要的发展方向为：高功率、微型化以及波段 2 扩展，以下就这三方丽分别进行阐述。 1 1 1 高功率方向d p s s l 的研究进展 1 9 9 2 年美国的劳仑兹一利弗莫尔实验室成功研制出千瓦级l d 抽运的 n d ：y a g 板条固体激光器，其输出平均功率为1 ，0 5 k w ，工作频率为2 5 k i t z 。而 到目前高功率d p s s l 已经发展到可以输出连续波5 4 k w 、脉冲7 2 k w 的 水平。此外美国的劳仑兹一利弗莫尔实验室的布仑特迪恩科研小组目前正致力 于可安装在陆军高机动性多功能轮式车辆( h u m v e e ) j t 一的1 0 0 k w 的固体激光器 的研究，为使平均功率达到1 0 0 k w 他们计划采用d p s s l 方案，该激光器预计在 2 0 0 7 年进行实验。 1 1 2 小型化d p s s l 的研究进展 微片激光器( m i c r o c h i pl a s e r ) 的概念是山d i x o ng j f 6 】和z a y h o w s l 【i j j & m o o r a d i a n l 7 1a 在1 9 8 9 年几乎同时提出的。所谓微片激光器是指；以激光二 极管为抽运源，薄片的剧体材料( 其典型的厚度为亚毫米级) 为增益介质，在激 光工作物质两端直接镀膜形成谐振腔等为主要特征的激光器。因此微片激光器存 在以下优点：首先，其腔k 很短，典型为毫米级、亚毫米级，所以在微片激光器 中很容易输出单纵模激光；山于其很短的腔k ，所以调q 的微片激光器的脉宽 可以做到皮秒量级；而且出于其腔长短，损耗小，所以微片激光器的效率可以做 到很高，其光光转换效率很容易就可以做到4 0 以上；此外由于其短腔长，在 采用倍频绿光输出时，由于短腔长可以减少腔内的模式耦台而解决了“绿光问 题”。其次，微片激光器的结构简单，所以其调整简单、稳定性好。第三，由 于采用自然冷却，甚至是小功率的无需加冷却热沉，所以微片激光可以做的很小， 甚至是毫米量级的外形尺寸。最后，微片激光器本身的结构和所用材料，决定了 其易调整，甚至是无需调整，所以其生产成本 氐，且可以大规模生产。由此可以 看出，微片激光器在替代风冷的氩离子激光器、激光复印、光存储、医疗、显示、 军事、通信等领域有着广阔的应用前景。 由于微片激光器具有以上其他激光器无法比拟的优点，自从d i x o ng j 和 z a y h o w s k ij j & m o o r a d i a n 提出微片激光器的概念后，微片激光器得到了迅速发 展。微片激光器的发展方向主要为；高功率、频率转换和脉冲输出。在商功率方 面：同本的分子科学研究所激光研究中心采用复合的y a g ( 内置的六边形 y b ：y a g 芯为激光增益介质) 结构，在1 0 3 9 m 获得了1 0 0 w 的t e m o o 的连续激 光输出f 8 1 ，以及1 1 2 w 的准连续输出1 9 j 口在频率转换方面，目前主要为红、绿和 蓝光；红光和绿光的微片激光器技术已经较为成熟，国际国内都有成熟的产品出 售，蓝光微片激光器的产业化还不是很成熟；在紫外微片激光器方面，m r r 的 l i n c o l n 实验室在1 9 9 9 年获得1 5 p , j 重复频率为1 0 k h z 的2 6 6 n m 的激光输出。在脉冲 输出方藤，微片激光器主要为被动调q 输出，1 9 9 9 年g j s p u ”h l c r 等实现7 3 7 p s 的脉冲输出 1 0 l ；此外还有电光调q 、自调q 、锁模等脉冲输出实现方式。 囤内的上海光机所、北京物理所、清华火学、浙江大学、华中科技大学等单 位也开展了微片激光器的研究，特别值得一提的是一k 海某企业在微片激光器的产 业化方面做出了相当的贡献，他们采用自然冷却且不加热沉的方式开发出了世界 上最小的绿光d p s s l ，外形尺寸为1 7 巾9 ，输出功率分为c w l m w 、5 r o w 、 2 0 m w 、5 0 m w 四个种类，目前他们正在朝着大规模生产、降低成本方向的 迈进。 1 ，1 3 波段扩展d p s s l 的研究进展 d p s s l 的输出波长覆盖了从中红外( 3 9 m ) 到深紫外( 1 6 3 2 n m ) 的波段， 通过可调谐激光器亦可以实现输出波长的连续变化等。在这星着重介绍红绿蓝激 光器的研究进展 d p s s l 红光激光器的研究进展。1 9 9 4 年j l i n c o l n 等利用i 类临界相位匹配 l b o 在l d 抽运n d ：y a g 激光器中获得3 0 0 m w 的6 5 9 n m 的红光输出【1 l 】。1 9 9 7 年，德国汉堡大学的g h u b c r 研究小组采用1 0 6 4 p m 和1 4 4 p , m 和频的方法，产 生了2 1 0 m w 的6 1 0 n m 的红光。产生红光的另一条较为有效的途径是从n d ” 类激光介质中产生1 3 4 p m 的基频光，通过倍频产生6 7 0 n m 的红光激光，该波长 虽然偏离三基色中红光波段( 6 2 0 - - 6 3 0 n m ) 较多，但该方案结构简单、效率较 高。在国内，中科院物理所也用l d 抽运n d ：y v 0 4 ，分别用k t p 和l b o 采用腔 内倍频，得到了2 7 3 m w 和5 0 0 m w 的6 7 1 r i m 的红光输出1 1 3 。1 9 9 8 年l i g h t w a v e 公司的w r b o s e n b e r g 等采用基于全固态1 0 6 4 9 m 激光抽运下的p p l n 的光参量 第一苹绪论 振荡( o p o ) ( 1 0 6 41 5 4 0 + 3 4 5 0 9 m ) 在同一片p p l n 的第二个区域( 倒格矢 不同) 实现了准相位匹配条件下的和频过程，产生了2 ，5 w 的连续6 2 9 n m 的红光 输出。而如今美国的l a s e r p o w e r 公司通过三谱线方法获得了l w 的6 5 5 n m 的红 光产品；德国的j e n o p t i k 公司通过o p o s h gs f g 方法丌发出了7 w 的红光d p l ， 波氏为6 2 8 n m 。 d p s s l 蓝光激光器的研究进展。蓝光d p s s l 目前的技术还不是很成熟，目 的产生蓝光较为成熟的途径有两条：一条是利用6 7 0 n m 的l d 抽运c r ：l i s a f 类 晶体，在腔内倍频，产生4 3 0 n m 左右的蓝光。只本日立金属公司在1 9 9 6 年已经 推出了此类产品，调谐宽度为3 5 n m ，功率在1 0 m w 左右。另一条很有前途的技 术途径是采用l d 抽运n d ”激光介质产生9 4 6 n m 的基频光，然后在腔内倍频获 得4 7 3 n m 的蓝光输出l , l - 1 7 。但n d 3 + 激光介质的9 4 6 n m 谱线对应的是准三能级跃 迁，存在产生的激光被吸收、发射截面小、阈值较高、效率低等问题，一般用 l i n b 0 3 倍频，蓝光输出在 0 m w 以下。南安普顿大学的m a r k u s p u l l n a l l l l 8 】在1 9 9 7 年报道了用电场周期极化的铌酸锂光学超晶格( p p l n ) 对n d ：y a g 的9 4 6 n m 的 基频光进行腔内倍频获得了4 5 0 m w 的蓝光。而如今美国的l a s e rp o w e r 公司已 经采用三谱线法开发除了o 5 w 的蓝光激光器产品，波长为4 5 7 n m ；而德国的 j e n o p t i k 公司通过o p o s h qs f g 方法研制除了4 8 w 的蓝光产品( 波长为 4 4 6 n m ) 。在我国，长春光机所、清华大学北京物理所也进行了此方面的研究； 特别是北京物理所，李平雪及其研究小组通过n d ：y a g 的9 4 6 n m 谱线，采用l b o 倍频，获得了1 1 w 的4 7 3 n m 的连续蓝光输t p , t ”】；此外张治国研究小组在全固态 高功率可调谐激光器方面也取得了重要进展，蓝光波长可以在4 5 5 n m 一4 9 2 n m 之 间调谐，最大平均输出功率己达1 , 3 w ，陔成果属国际先进水平。 d p s s l 绿光激光器的研究进展。相对于红光和蓝光来说全固态绿光激光器 的发展要快得多，技术也是最为成熟的。这是因为n d 3 + 的4 f 3 2 4 f 1 1 2 四能级结 构的跃迁谱线1 0 6 4 l a m 是增益最强，发射截面最大，效率最高的。由于用来抽运 n d 的y a g 、y v 0 4 、y l f 和y a p 等激光晶体的激光二极管( g a a s g a a i a s ，8 1 0 n m ) 输出功率已经达到相当高的水平，且倍频晶体k t p 、l b o 等更是非线性晶体中 的佼佼者，因此，全固态绿光激光器的发展十分迅速。 第一台全固态小型绿光激光器是利用线列发光二极管抽运n d ：y a g 和铌酸 锂钡钠晶体( b a 2 - n a n b 3 0 1 5 ) 倍频得到的，重复频率为1 0 0 h z ，平均功率为2 r o w 。 1 9 9 6 年，t b e a r 等人首次采用l d 抽运n d ：y l f ，k t p 腔内倍频，腔内设有偏振 控制元件，获得了1 l m w 的5 3 2 n m 的稳定的绿光输出【2 0 1 。上世纪九十年代初全 固态连续绿光输出的最高水平为几百毫瓦；1 9 9 5 年美国l i g h t w a v e 公司用l d 抽 运n d ：y a g 、k t p 腔内倍频获得了2 w 连续波绿光输出；1 9 9 6 年美国 s p e c t r a 。p h y s i c s 公司推出了性能优良的m i l l e n n i a v 型号的5 w 绿光激光器，他们 是用两台2 0 w 的l d 双向抽运n d ：y v 0 4 晶体，及温度调谐的l b o 倍频而获得 的。随后美国的c o h e r e m l 和“g h t w a v e 公司分别推出了5 w 和7 w 的全固态绿 光激光器产品。美国s p e c t r a p h y s i c s 公司又在上世纪的c l e o 9 7 会议上展出了 用4 台输出功率为2 0 w 的l d 抽运的1 0 wm i l l e n n i ax 型全固态绿光激光器。1 9 9 8 年a d v a n c ep r o g r a mf o r13 ”a d v a n c e ds o l i d - s t a t el a s e rt o p i c a lm e e t i n g 上 t k o j i m a 等人报道了利用l d 侧面抽运n d ：y a g 腔内倍频获连续输出2 7 w 的绿 光；y m a r u y a m a 报道了平均功率为1 0 5 w 的l d 抽运的腔内倍频n d ：y a g 绿光 激光器，重复频率为1 0 - - 3 0 k h z 。目前国际上单台绿光d p s s l 的输出功率已达 3 1 5 w ，倍频效率最高达8 2 。在国内也有上海光所、长春光机所、清华大学、 天津大学、山东大学以及西安光机所等多家单位从事这方面的研究；值得一提的 是天津大学成功研制出了1 0 4 w 的声光调q 全固态绿光激光器【2 1 1 。 此外，d p s s l 当然也包括以光纤作为增益介质的光纤激光器，由于其独特 的特点和优势，光纤激光器已经成为激光器的一个重要的发展方向，在此仅做简 要概述。 由于光纤激光器是波导式结构，可容强抽运、有高增益，稀土元素在玻璃基 质中有较宽的线宽和调谐范围( y b 3 + 为1 2 5 n m 、t m 3 + 3 0 0 n m ) 等，光纤激光器 的具体特点如下： 1 )光纤作为波导介质，其耦合效率高，纤芯直径小，纤内易形成高功率 密度，可方便地与目前的光纤通信系统高效连接，构成的激光器具有高转换 效率、低阈值、输出光束质量好和线宽窄等优点。 2 )由于光纤具有很高的“表面积体积”比，散热效果好，环境温度允许在 一2 0 + 7 0 。之间，无需庞大的水冷系统，只需简单的风冷即可。 3 )可在恶劣的环境下工作，如高冲击、高震动、高温、有灰尘的条件下皆 粥一苹绪论 可正常工作。 4 )由于光纤良好的柔绕性激光器可设计得柏当小巧灵活、外形紧凑体积 小、易于集成、性能价格比高。 5 )具有相当多的“r 州i 皆参数和选择性，能获得宽调谐范围、很好的单色性 和高稳定性，其抽运斯命长，平均无故障 ：作时间在l o k h 甚至l o o k h 以上。 山于以上优点，光 r 激) 匕器在光纡通信领域的重要应用地位已是不争的事 实，而且还有迅速地向其他史为广阔的激光应用领域扩展的趋势。为了满足光纤 通信、激光加工、激光医疗等领域快速增k 的市场需求，美国、西欧、同本和我 国纷纷加大光纤激光器的研发力度。尤其最近，弓l 起国际关注的美国i p g 光电公 司已推出掺y b 商功率光纤激光器系列，如2 0 0 2 年5 月获得2 k w 功率输出，同 年8 月获4 k w 、1 1 月获l o k w ，2 0 0 3 年推出2 0 k w ，此后还可能开发出更大功率 输h | 、更多应用范围的光纤激光器 ”i 。在圈内，上海光机所、西安光机所等单 位也积极丌展了光纤激光器的研究。 综上所述，由于光 r 激光器的优良的性能，决定了它比半导体激光器和大型 激光器( 如各种体积庞大的、普通的激光加工和打标使用的c 0 2 和y a g 激光器) 棚有更多的优势。不仅和光纤通信领域中占有很重要的地位，还在激光技术领域 中成为目i j i 研究最为活跃的激光光源之一，其巾离功率双包层掺杂光纤激光器是 近几年研发的热点。如果在先进加工产业中采用光纤激光器，许多的激光加工设 备包括切割、焊接、热处理以致激光打标、激光雕刻、精密打孔、激光医疗器械 等设备和仪器都可以制成重量和体积较小的设备或者便携式的灵巧系统。因而新 型高功率光纤激光器引起了激光科技人员和食业工程技术人员的极大关注，它已 初露锋芒地展现出了一个荚好的应用前景。这种新型的高效率、长寿命、小体积、 大功率光纤激光器所具有的非常广阔的潜在市场，有可能形成一个新型的产业 2 3 1 。 1 2 常用的d p s s l 激光增益介质及其特性 激光器的增益介质必须具有尖锐的荧光谱线、强吸收带和针对所需荧光跃迁 的相当高的量子效率。一般来说，掺杂少量元素的固体( 晶体或玻璃) 通常具有 这些特点，跃迁发生在这些少量元素内部未填满的壳层之间。在此意义上。过渡 金属、稀土( 镧) 系和锕系都足人们所感兴趣的。光学区域中的跃迁电子受到周 围晶体晶格外层电子的屏敞，使得掺有上述元素的晶体的光谱出现尖锐的荧光谱 线，相应的跃迁与自有离子的牛| | 似。激光增益介质除了发射尖锐的谱线的荧光外， 还应应有与抽运源光谱栩应的i 吸收带。 自首次利用红宝石晶体( o r ”：a i 2 0 j ) 实现激光输出以来，固体激光增益介 质经历了上世纪六十年代的起步一1 2 十年代的探索。八十年代以后的发展过程， 固体激光晶体己从最初几种基质晶体发展到常见的数十种。以三价稀土元素离子 ( n d 3 + 、n r 3 + 、t m 3 + 、h 0 3 + 、p r ”、g d 3 + 、e u 3 十、y b 3 + ) 、二价稀土元素离子( s m ”、 d y 2 + 、t m 2 + ) 、过渡金属离子( c r 、t i 、n i 2 + 、c 0 2 + ) 和锕系离子护+ 为激活离 子掺入各种基质材料都实现了激光振荡。日前证实几百种的激光离子一基质晶体 具有激光增益介质的功能，所覆盖的光谱波长从o 3 2 5 i a m ( c e ”：y l f ) 到 o 3 9 1 4 1 a m ( h o ”：y l f ) 1 2 4 1 。适合l d 抽运的激光增益介质也有几十种，它们一般 具有锐荧光谱线、较宽的吸收带和火的发射截面等特点。按其掺杂的激活离子类 型来分类，这些增益介质人致可以分为掺稀土离予和掺过渡金属离子两大类。 1 2 1 掺稀土离子的激光晶体及其特性 1 n d 3 + 离子掺杂类激光晶体 由于n d 离子的4 f 能级被已填充满的5 s 和5 p 电子层所屏蔽，晶格场的影 响较小，故有相当长的荧光寿命和窄的线宽【2 ”。而且具有位于基态之上足够高的 激光跃迁终端能级。所以在室温下容易实现连续工作。它可以在许多基质材料中 掺杂，如玻璃、氧化物( 石榴石和铝酸盐) 、硝酸盐、和硅酸盐、钒酸盐类和氟 化物。并且大部分晶体都能获得较高效率的激光运转。目前应用较广的有 n d ：y a g 、n d ：y v o “n d ：y l f 、n d ：y a p 、n d ：g g g 和n d ：l n a 等晶体。 1 ) n d ：y a g 掺钕钇铝石榴石( n d ：y a g ) 晶体是研究最成熟的激光材料。目前广泛应用 第+ 苹绪论 于闪光灯抽运和l d 抽运的y a g 激光器中。占整个固体激光器的相当大部分。 它的优点是。y a g 基质缀硬，光学质量好，热导率高。此外，y a g 的立方结构 有利于形成窄的荧光线宽使激光器实现高增益和低阈值工作。在n d ：y a g 中， 三阶钕代替三价的钇，所以不需电荷补偿。在生长方面，用提拉法也容易生长出 高质量大尺寸的晶体。自从g e u s i c 等人【2 6 | 首次报道n d ：y a g 激光器成功运转的 四十年来，从单根棒获得连续输出功率由最初的不足一瓦上升到近千瓦。另一方 面，在n d ：y a g 光纤激光器f ，抽运闽值功率可小到一毫瓦左右1 2 7 】。 2 )n d ：y v 0 4 掺钕钒酸钇( n d ：y v 0 4 ) 是四方系晶体。属锆石英( s r s i 0 4 ) 型结构，单 轴晶系。n d ：y v o 巾激活离子位置具有低的点群埘称性，离子的振荡强度大。 y v 0 4 基质上n d 离子有敏化作用，提高了它的吸收能力。n d ：y v o 。在1 0 6 4 9 m 处有较大的受激发射截面，是n d ：y a g 的四倍，在8 0 8 p m 附近的吸收带宽约为 2 0 r i m ，是n d ：y a g 的l i 俏之多。且吸收峰值也很高，所以特别适合于l d 抽运。 19 9 4 年美国a e r o s p a c ec r o p 的c f i n c h e r 和r f i e l d s 2 8 1 用l d 抽运掺杂1 的 n d ：y v 0 4 晶体，得出了其斜效率高达7 2 的结桨。证明了n d ：y v o 。是一种高效 的激光晶体。同时n d ：y v 0 4 也是一种高双折射率的晶体( 在1 0 6 4 9 m 处。 n o = 1 9 5 8 ，n 。_ 2 1 6 8 ) ，易产生偏振光输 i i ，提高倍频效率。 n d ：y v 0 4 晶体的缺点是其导热性差机械性能也不如n d ：y a g ，不适合灯泵。 另外，n d ：y v 0 4 的上能级寿命比n d ：y a g 和n d ：y l f 要短，大尺寸的晶体也难生 长。上述缺点限制了它在高平均功率下的应用，但对于l d 抽运的中小功率连续 波激光器，特别是微片激光器来说，n d ：y v 0 4 仍是理想的增益介质。由于本文 的主要工作的对象是n d ：y v 0 4 激光器，所以关于n d ：y v 0 4 的特性在后面还有专 门的讨论。 3 ) n d ：y l f 掺钕氟化钇锂( n d ：y l i f 4 ) 是单轴晶体，在1 0 4 7 p m 处具有较高的增益2 9 1 。 9 出于它的上荧光寿命是4 8 0 p s ，可在较低的l d 抽运功率下仍能有效地储能，适 合产生大能量调q 脉冲。它地荧光线宽是y a g 的三倍，有利于产生窄脉宽超短 脉冲输出。在低能输出范围内，当吸收效率和损耗相同时，n d ：y l f 比n d y a g 具有更高的斜效率【3 i ；在商能输出范围内，o 偏振跃迁( 1 0 5 3 p m ) 允许有更高 亮度的l d 抽运源，在放火自发辐射发生之前存储更多的能量f 3 l 】。1 0 5 3 p m 波长 正好与大功率激光放火系统的n d 玻璃激光波长相吻合，因此可作为注入种子源。 但y l f 和y v 0 4 品体一样，其导热率只是y a g 的半，机械强度也很低，不宣 用于高平均功率场合下。山于n d ：y l f 的吸收带宽仅为2 m m ，与l d 的发射光谱 宽度相当。在用l d 抽运时，其激光输 l ：将强烈依赖于l d 的结温变化，所以应 用中对l d 的温度控制要求较为严格。 4 1n d ：y a p 掺钕正铝酸钇( n d ：y a l 0 3 ，简称n d ：y a i o 或n d ：y a p ) 晶体，从1 9 6 9 年 荚国r i c h a n 公司的m w e b e r 等人p2 】首先报道了它的生长和产生激光作用后，由 于它具有和n d ：y a g 相同的高热导率、高硬度和低阈值性，所以引起人们的重视 p 3 l 。它的缺点是效率不是太高，且性能稳定。 在n d ：y a p 的荧光中，有三条强谱线：1 0 6 4 5 “m 、1 0 7 2 5 p m 和1 0 7 9 5 p m 。 对于沿晶体b 轴传播的光，当电场e 平行于c 轴方向时，谱线1 0 7 9 5 9 m 的增益 大于1 0 7 2 9 p m 和1 0 7 9 5 p m 的增益，但仅为n d ：y a g 的一半。 5 、n d ：l s b n d ：l a s c 3 ( b 0 3 ) 4 ( 简称；n d ：l s b ) 是最近几年发展起来的唯一可用提拉法生 长的硼酸盐类晶体。由于它的吸收截面和发射截面都大于n d ：y a g 晶体，分别是 n d ：y a g 的三倍和五倍，故特别适合于l d 抽运的微片激光器【”】。 o 价n d ：b e l 掺钕锻酸镧晶体( n d ：l a 2 b e 2 0 5 ) 足双轴始体。有较宽的吸收带、高的斜效 率和储能效率、高的抗损伤闽值。由于l a 3 + 是稀土离子中最大的，所以b e l 比 其他三价稀土离子具有较大的分凝系数，易于实现高浓度掺杂。但n d ：b e l 的受 激发射截面只是n d ：y a g 的l 3 ，热导率是n d ：y a g 的一半。 7 、n d ：f a p 掺n d 的氟磷酸钙品体 n d ：c a 5 ( p 0 4 ) 3 f 】是n d ”荧光光谱主要集中在一条窄 丽强的谱线内、且吸收带较宽的唯一材料。它的振荡阈值低且亲 效率高，但这种 晶体很软，容易形成色心，它的低导热率也会导致强的热畸变。 其他掺钕的激光品体，如n d ：g g g 、n d ：g s g g 、n d ：l n a 、n d ：a s n 、n d ：s o a p 和n d ：s v a p 等都有较好的激光运转特性。部分常用的掺钕的激光增益晶体的主 要特性参数如表l 一1 j 孵示。 表1 1 几种常用的掺钕激光晶体的主要激光特性参数 激光 t 凡p r a d a p 0 p c a k 九 偏振 晶体 ( s )( 1 0 1 9 c n 2 1( n m ) ( n m )( n m ) ( c m 一1 )( m ) 特性 9 4 6 n m ：1 3 49 4 6 n d ：y a g2 3 01 0 6 4 n m ：4 88 0 7 51 0 6 42 58 50 6n o n e ( n da t l ) 1 3 1 9 n m ：l51 3 1 9 9 1 4 n m ：1 79 1 4 3 7 ( ) n d ：y v 0 4 9 810 6 4 n m ：2 58 0 8 71 0 6 4 1 5 7 o 8c ( n da t l ) 1 3 4 2 n m ：6 01 3 4 2 1 0 ( o ) n d ：y l f4 8 01 8 ( ) 7 9 2 ( n )1 0 4 7 ( )6 4 ( ) l o 8 ( b i da t1 1 1 _ 4c 1 ，2 ( o ) 7 9 7 ( o ) 1 0 5 3 ( d )4 0 ( o ) 3 5 9 3 7 0 )1 0 7 9 5 ( a )( a ) 9 9 n d ：y a p1 7 0 1 7 ( b ) 8 0 2 1 0 6 4 1 ( b ) 4 o1 0 ( b ) 4 0 n d ：g l a s s 3 0 03 18 0 l1 0 6 21 42 6n o n e n d ：l s b1 1 8 2 l 8 0 81 0 6 432 4 n d ：g d v 0 4 1 0 0 7 68 0 8 51 0 6 31 3 55 71 o0 n d ：s v a p2 1 55 o8 0 9 61 0 6 5 5 9 2 81 4 c n d ：s f a p2 9 85 48 0 5 2】0 5 8 8 1 3 2 85 ，6o 6 n d ：g s g g 2 8 41 38 0 81 0 6 1 1 2 注： 1 ) t ： 荧光寿命： 。d ：发射中心波k ： x ：发射带宽； o ： 受激发射截面 x 。：吸收带宽； 。：吸收带中心波长 a 。k t 吸收系数； 2 )以上所列山的参数只是某一测鞋结果，小同的测量者所、测量方法、设备等所 给山的结果是有算异的。 以上增益介质中y a g 、y v 0 4 、y l f 和g g g 等在室温下荧光线宽主要是均 匀加宽，具有很高的激光效率，较高的受激发射截面和低的抽运阈值。另外，除 y v 0 4 外。其他材料的吸收带宽很窄，仅为2 n m 左右。y v 0 4 宽的吸收带宽与它 的强烈地不发光多声子驰豫过程有关。而l n a 、a s n 、g s g g 等具有非均匀加 宽的荧光带。它们有宽的吸收带( 大于1 4 n m ) ，因而允许l d 抽运源有较大的温 度变化范围。但它们的受激发射截面小，抽运闽值高，因而激光效率较低。 2 y b 3 + 掺杂的激光晶体及其特性 y b 3 + 外层仅缺少一个4 f 电子。因此表现出与n d 3 + 不同的特性：粒子数反转 和激发态的吸收对其激光特性无影响。y b 3 + 掺杂的介质通常具有比n d 3 + 掺杂的同 样介质有4 倍的上能级寿命，受激发射截面比较大。目前对掺y b 3 + 的激光增益 介质的研究较为活跃。有关报道中用l d 抽运连续或脉冲的y b 3 + 固体激光器中较 为成功的例子楚 y b ：y a g 、y b ：y l f 、 y b ：f a p c a s ( p 0 4 ) 3 f 】 y b ：s f a p s r s ( p 0 4 ) 3 f i 乳 l ，y b ：y a g y b ：y a g 晶体吸收波长是9 4 0 r i m ，适合。j 二i n g a a s 激光二极管抽运。y b ：y a g 的受激发射波长为i 0 5 “m ，所以在抽运和萃驳光子能量之间的量子亏损非常低， 斜效率高固有热负载低。y b ：y a g 物化性质稳定可以高掺杂而不产生荧光猝 灭。 2 1y b ：f a p 、y b ：s f a p y b ：f a p 和y b