小型高重频大能量腔内倍频激光器关键技术研究

小型高重频大能量腔内倍频激光器关键技术研究 --------------------------------------------------------------------------------------------------- 小型高重频大能量腔内倍频激光器关键技术研究 密级: 博士学位论文 作者姓名: 陆婷婷 指导教师: 学位类别: 工学博士 学科专业: 培养单位: 中国科学院上海光学精密机械研究所 2013 年 5 月 By Tingting Lu A Dissertation Submitted to University of Chinese Academy of Sciences In partial fulfillment of the requirement For the degree of Doctor of Engineering Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics May, 2013 中国科学院上海光学精密机械研究所 博士研究生毕业论文 ——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 2013 年 5 月 31 日 独创性声明 本人声明所呈的学位论文是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，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国科学院上海光学精密机械研究所或其他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工作所做的任何贡献，均已在论文中做了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名;______________ 签字日期: 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解中国科学院上海光学精密机械研究所有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文件，允许论文被查阅和借阅。本人授权中国科学院上海光学精密机械研究所可以将学位论文的全部或部分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、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名: 指导教师签名: 签字日期: 年 月 日 签字日期: 年 月 日 学位论文作者毕业去向: _________________________________________ 工作单位:——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- ______________________ 电话:_______________________ 通信地址:_________________________ 邮编: ________________________ 电子邮件地址: _________________________________ 中国科学院上海光学精密机械研究所博士毕业论文/2013年 陆婷婷 导师:朱小磊 研究员 摘 要 全固态蓝绿及紫外激光器在科研，工业、医疗和军事等领域都有着重要的应用需求，是全固态激光技术领域的研究热点之一。高重复频率、大能量腔内倍频绿光激光器及紫外激光器由于其具有结构紧凑，稳定性好，效率高，能实现传导冷却等优点，在某些特殊的应用领域倍受关注。本论文研究工作围绕水下激光通信对蓝绿激光发射源的需求，以及激光精细加工对高重频紫外光源的需求，重点开展高重频大能量的腔内倍频绿光及紫外脉冲激光器关键技术研究工作。研究内容主要包括双端面泵浦500Hz重复频率Nd:YLF绿光激光器技术、Nd:YAG/Nd:YLF双晶体串接的多波长绿光激光器、腔内和频Nd:YVO4紫外激光器、1047nm波长Nd:YLF板条放大器等四方面内容。 论文第一章概述了全固态腔内倍频激光器的应用背景及发展现状，介绍了常用的激光晶体，电光调Q晶体和倍频晶体，并提出论文的主要研究内容。 第二章综述了LD端面泵浦腔内倍频激光器的基本原理。对端面——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 泵浦的最佳泵浦条件进行了理论分析，讨论了LD端面泵浦激光增益介质的热效应和热补偿技术，阐述了激光倍频和调Q的基本理论。 第三章介绍了基于Nd:YLF板条的腔内倍频绿光激光器关键技术的实验研究工作。实验采用LD双端面泵浦方式，利用KD*P晶体进行电光调Q，LBO晶体进行腔内倍频，获得重复频率为500Hz，单脉冲能量约为11mJ的526.5nm绿光输出，光-光转换效率约为22%，脉冲宽度小于15ns。输出绿光为TEM00模式，光束质量M2<1.3，有效解决了绿光激光器高输出能量和高光束质量不易兼顾的技 I 术难题。激光器热管理采用传导冷却方式，结构非常紧凑。此外，在论文的优化谐振腔中，通过改变泵浦方式，获得单脉冲能量大于8mJ的簇式输出 kHz重复频率 526.5nm绿光脉冲序列。本章节最后叙述了Nd:YLF和Nd:YAG双晶体串接腔内倍频激光器的研究工作，首次在实验中获得了脉冲总能量为3.6 mJ的526.5nm、529nm、532nm三波长绿光同时输出，由泵浦光到绿光的转换效率约为8.9%。 第四章叙述了采用电光调Q和声光调Q两种方式实现高重复频率腔内倍频355nm紫外激光输出的实验结果。利用LGS晶体进行电光调Q，LBO晶体进行腔内倍频及和频，当重复频率为10kHz时，获得最高平均功率为1.3W的紫外激光输出，光-光转换效率约为6.5%，实验结果未见相关文献报道。在相同的泵浦功率和重复频率条件下，声光调Q紫外激光器输出平均功率更高，光束质量更好，但是电光调Q紫外激光器更容易获得窄脉宽。当声光调Q紫外激光器重复频——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 率上升到25kHz时，实现了最高平均功率为6.3W的紫外激光输出， 光-光转换效率约为12%。 第五章阐述了以Nd:YLF晶体为增益介质的主振荡器-功率放大器 (MOPA)系统设计、理论仿真及实验验证工作。放大器采用侧面泵浦方 式，注入能量为10mJ的1047nm信号光，经过单程放大后信号光放 大4.9倍，能量提取效率约为10.7%，双程放大后信号光放大11.9倍， 能量提取效率约25.9 %，双程放大明显提高了放大器的能量提取效率。 单程放大后输出激光光束质量较好，而双程放大后输出激光出现较明 显的畸变。 论文最后，对研究工作取得的进展进行了简要，指出论文研 究工作的不足之处并提出可能的改进。 关键词:腔内倍频，Nd:YLF，LBO，LGS，电光调Q，激光器放大 器 II 中国科学院上海光学精密机械研究所博士毕业论文/2013年 Research on intracavity frequency doubling laser with high repetition rate and high pulse energy Tingting Lu Directed by:Xiaolei Zhu Abstract All solid state green and ultraviolet(UV) radiations are widely used in scientific research, industry, medical,military and other fields.It has been one of the most attractive research directions in laser field. ——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- Intracavity frequency doubling laser with high repetition rate and high pulse energy has regained extra interest in some special applications because it has compact size, good stability and high efficiency.In this paper, we carried out research on green and UV radiations with high repetition rate and high pulse energy by intracavity frequency doubling, aiming at the demand for blue-green laser emission source on underwater laser communication and UV radiation on laser fine processing. Our study included dual-end-pumped Nd:YLF green laser at the repetition rate of 500Hz,multi-wavelength green laser based on double-crystal in series of Nd:YAG and Nd:YLF, intracavity frequency doubling Nd:YVO4 UV laser and Nd:YLF slab amplifier operating at 1047nm. The first chapter reviewed the application background and development status of all-solid-state intracavity frequency doubling laser, introduced the normal crystal used for laser gain, frequency doubling and electro-optical(EO) Q-switch,and the main contents of this paper was presented. The fundamental theory of LD end-pumped intracavity frequency doubling laser III was presented in the second chapter. The best pump conditions of end-pumping was analyzed, so was the thermal effect and thermal compensation of end-pumped laser, and the basic theory of frequency ——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- doubling and Q-switching was expounded. In the third chapter, an intracavity frequency doubling Nd:YLF green laser was investigated. At the repetition rate of 500 Hz, as high as 11 mJ 526.5nm laser was obtained with a KD*P EO Q-switch and a LBO frequency doubler in a LD dual-end-pumped resonator. The optical-optical conversion efficiency was 22% and the pulse width was less than 15ns.The beam quality factors was M2<1.3.This research well balanced high output energy and high beam quality of intracavity frequency doubling green laser.Furthermore,the laser was conductively cooled, which makes the structure more compact. In the same cavity, by changing the pump modes, about 8 mJ 1kHz cluster pulse green laser was produced, and the potential application in engineering was explored. At the end of this section, an intracavity frequency doubling laser based on double-crystal in series of Nd:YAG and Nd:YLF was described.526.5nm,529nm and 532nm lasing occurred simultaneously from one resonator for the first time to the best of our knowledge. Single pulse energy was about 3.6mJ and the optical-optical conversion efficiency was 8.9%. In the fourth chapter, two kinds of Q-switched UV lasers using an EO modulator and an acousto-optic(AO) modulator in the same cavity structure were demonstrated, with type I phase-matched LBO as second harmonic generation and type II phase-matched LBO as third harmonic generation. By using a ——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- La3Ga5SiO14(LGS) EO Q-switch, about 1.3W 355nm laser was achieved at the repetition rate of 10 kHz, with the pulse width of 9.6ns.And the optical-optical conversion efficiency was up to 6.3%. As far as we know, similar experimental results have not been reported. Under the IV 中国科学院上海光学精密机械研究所博士毕业论文/2013年 same pumping and repeating conditions, AO Q-switched UV laser was capable of getting higher average power and better beam quality, but EO Q-switched UV laser was easier to get narrow pulse width. In addition,for AO Q-switched UV laser，a maximum average power of 6.3W with the shortest pulse width of 12 ns was obtained at the repetition rate of 25 kHz. The optical-optical conversion efficiency was up to 12%. A 1047nm Master Oscillator-Power Amplifier (MOPA) configuration based on Nd:YLF crystal was demonstrated in the fifth chapter. The amplifier utilized quasi-cw side-pumped geometry.10 mJ of input energy was amplified by 4.9 times after single-pass amplifier, corresponding to an energy extraction efficiency of 10.7%.As for double-pass amplifier, the input energy was amplified by 11.9 times, and the energy extraction efficiency was increased to 25.9%. The beam quality was still good after single-pass amplifier, but appeared obvious distortion after double-pass amplifier. Finally we make a brief summary ——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- of all the work done, then indicate the shortage of the work and give some suggestions for further improvement. Key words:intracavity frequency doubling , Nd:YLF，LBO，LGS，EO Q-switch, laser amplifier V 目 录 1 绪 论 ............................................................................................................... ......................1 1.1 腔内倍频激光器应用需求概 述 ......................................................................................1 1.1.1 全固态绿光激光器的应 用 ..........................................................................................1 1.1.2 全固态紫外激光器的应 用 ..........................................................................................2 1.2 高重频大能量腔内倍频激光器技术发展现 状 ..............................................................3 1.2.1 高重频大能量腔内倍频绿光激光器发展现 状 ...........................................................3 1.2.2 高重频大能量腔内倍频紫外激光器发展现 状 ...........................................................4 1.3 全固态高重频腔内倍频激光器常用晶体介 ——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 质 ..............................................................5 1.3.1 激光晶 体 ......................................................................................................................5 1.3.2 调Q晶 体 ...................................................................................................................10 1.3.3 倍频晶 体 ....................................................................................................................12 1.4 本论文的主要研究内 容 ................................................................................................13 参考文 献 ..................................................................................................................................14 2 高重频大能量腔内倍频激光器理论基 础 .........................................................................1 2.1 端面泵浦技 术 ................................................................................................................18 2.1.1 端面泵浦的最佳泵浦条件分 析 ................................................................................18 2.2 热效应分析及热补偿技 ——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 术 ............................................................................................20 2.2.1 热效应分 析 ................................................................................................................20 2.2.2 热补偿技 术 ................................................................................................................21 2.3 调Q技术概 述 ...............................................................................................................22 2.3.1 声光Q开 关 ...............................................................................................................22 2.3.2 电光Q开 关 ...............................................................................................................24 2.4 倍频基本理 论 ................................................................................................................25 2.5 本章小 结 ........................................................................................................................28 ——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 参考文 献 ..................................................................................................................................29 3 基于Nd:YLF晶体的腔内倍频绿光激光器技术实验研 究 ...........................................30 3.1 研究背 景 ........................................................................................................................30 3.2 526.5nm Nd:YLF激光 器 .............................................................................................31 VI 中国科学院上海光学精密机械研究所博士毕业论文/2013年 3.2.1 谐振腔设 计 ................................................................................................................31 3.2.2 实验装置及实验结 果 ................................................................................................33 3.2.3 工程样 机 ....................................................................................................................40 3.3 簇式输出kHZ 526.5nm Nd:YLF激光 器 ....................................................................41 3.3.1 实验整体设 ——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 计 ............................................................................................................41 3.3.2 实验装置及实验结 果 ................................................................................................42 3.4 多波长脉冲激光 器 ........................................................................................................46 3.4.1 多波长脉冲激光器概 述 ............................................................................................46 3.4.2 实验装置及实验结 果 ................................................................................................47 3.1 本章小 结 ........................................................................................................................52 参考文 献 ..................................................................................................................................52 4 基于Nd:YVO4晶体的腔内倍频紫外激光器实验研 究 .................................................54 4.1 研究背 景 ........................................................................................................................54 4.2 声光调Q高重频紫外激光 器 .......................................................................................54 ——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 4.2.1 实验整体设 计 ............................................................................................................54 4.2.2 实验装 置 ....................................................................................................................57 4.2.3 实验结 果 ....................................................................................................................58 4.3 电光调Q高重频紫外激光 器 .......................................................................................62 4.3.1 实验装 置 ....................................................................................................................63 4.3.2 实验结 果 ....................................................................................................................63 4.4 本章小 结 ........................................................................................................................68 参考文 献 ...............................................................................................................——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- ...................68 5 Nd:YLF激光放大 器 ........................................................................................................70 5.1 研究背 景 ........................................................................................................................70 5.2 激光放大器理论模 型 ....................................................................................................73 5.3 Nd:YLF激光放大器设 计 .............................................................................................76 5.3.1 主振荡器设 计 ............................................................................................................76 5.3.2 放大系统设 计 ............................................................................................................77 5.3.3 放大器能量提取效率理论预期及温度、应力的数值模 拟 .....................................78 5.4 激光放大器实验研 究 ....................................................................................................81 5.4.1 放大器泵浦源性能测 试 ............................................................................................81 5.4.2 单放大器 MOPA 系统实 ——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 验 ......................................................................................82 5.5 本章小 结 ........................................................................................................................87 VII 参考文 献 ..................................................................................................................................88 6 总结与展 望 .......................................................................................................................89 6.1 总 结 ................................................................................................................................89 6.2 展 望 ................................................................................................................................89 陆婷婷在攻读博士学位期间发表的论文和专利目 录 ..........................................................91 陆婷婷个人简 历 ......................................................................................................................92 致 ——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 谢 ............................................................................................................... ...........................93 VIII 中国科学院上海光学精密机械研究所博士毕业论文/2013年 1 绪论 半导体激光器泵浦的全固态激光器(diode-pumped all-solid-state laser，DPSSL)兼具半导体激光器(LD)和固体激光器的优势，具有效率高，稳定性好，结构紧凑，寿命长、光束质量好等特点，是目前激光技术发展的重要方向之一。随着大功率LD和非线性晶体的发展，将DPSSL和非线性光学频率变换技术相结合，极大扩展了LD泵浦固体激光器的输出激光波长覆盖范围(从中红外到深紫外的大部分波段)，同时具有很高的电光转换效率，使得二极管泵浦的固体激光器的应用领域得到很大程度的拓展，备受关注，成为当前研究热点之一。 1.1 腔内倍频激光器应用需求概述 用LD或LD阵列泵浦固态激光增益介质(如Nd:YAG、Nd:YLF或Nd:YVO4晶体)，引入高重复率调Q开关，产生1μm波段的基频激光脉冲。通过在谐振腔光路内插入非线性倍频晶体(如KTP、LBO)，采用腔内倍频及和频技术最终获得绿光或紫外激光输出。这种全固态激光技术把半导体激光器、固体激光器和非线性光学材料紧密的结合在一起，可以获得性能优良的绿光和紫外脉冲激光输出，具有广泛的应用前景。 1.1.1 全固态绿光激光器的应用 ——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 全固态绿光激光在科研，医疗，工业等领域具有巨大的应用潜力，具体表现在以下几个方面: 1)海洋探测领域的应用。 波长为450~550 nm的蓝绿激光在海水中的衰减相对较小，说明在海洋中亦存在一个类似于大气中的透光窗口。全固态绿光激光正处于海水的透光窗口，是海洋探测的理想光源之一。为了提高探测能力和精度，绿光激光器工作在较高重复频率且输出大能量脉冲[1]。 2) 作为泵浦源。 利用Nd:YAG，Nd:YLF等晶体的二次倍频光泵浦Ti:Al2O3晶体可获得飞秒激光输出。1994年，K.Lamb等[2]采用LD泵浦Nd:YLF腔内倍频激光器输出的523.5nm绿光作为泵浦源，首次实现了全固态自锁模Ti:Al2O3飞秒激光器。使用绿光激光器泵浦非线性晶体可获得紫外激光输出。2000年，Tetsuo Kojima等[3]利用Nd:YAG绿光激光器泵浦CLBO晶体获得平均功率为20.5W，重复频率为10kHz的266nm深紫外激光输出。 3) 医疗方面的应用。 绿光能通过眼睛的水晶体抵达眼球的后部，因此可以使用绿光激光治疗如视网膜脱落、糖尿病引发的视网膜病变以及青光眼等疾病[4]。利用人体血红蛋白对532nm激光的选择吸收，可以进行激光选择性汽化切除术(PVP，Photoselective Vaporization of the Prostate)，使激光能量全部传递到人体组织上，对组织进行 1 ——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 精确汽化、切割或凝固。由于作用在组织内的功率密度非常高，从而产生非常有效的组织汽化效果。绿光激光选择性汽化切除术具有不出血、安全、手术时间短、易操作、恢复快、痛苦小的优点，可用于治疗前列腺增生等疾病[5]。 4)激光雷达方面的应用。 激光雷达是以激光作为主动发射源的光遥感及光探测系统的简称，在测距、环境监测等方面都有着巨大的应用潜力和市场前景。激光发射源是激光雷达的核心部件之一，为了提高探测精度及测量效率，需要高重频大能量的脉冲激光光源。直接探测激光雷达要求光源有尽可能高的频率稳定性和较强的回波信号，综合波长参数对这两方面的影响，532nm激光是一个很好的选择。现在的直接探测多普勒雷达都是大多用532nm的激光器做光源[6]。 此外，全固态绿光激光器还在军事、光存储、精密检测、激光表演等许多领域都有着广泛的应用。 1.1.2 全固态紫外激光器的应用 全固态紫外激光器具有体积小，波长短，聚焦性能好，光子能量高和冷处理等特点，还能激发特定的光化学反应，因而在工业、医疗和科学研究等领域具有广泛的应用: 1) 先进制造业中的应用 高能量紫外激光直接破坏材料的分子键，是“冷”处理过程，避免了对加工区域周围结构造成的热损伤，提高了产品边缘强度和产生精细特征的能力。很多玻璃和晶体材料对紫外光(300nm以下)都有——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 强烈的吸收作用，而对近红外和可见光的吸收效果较弱，在实际生产中只能采用紫外激光对此类材料进行加工。紫外激光器由于波长较短而具有更高的空间分辨率，使对金属、半导体等许多物质进行打孔、切割等精细加工成为可能[7,8]。综上，紫外激光器成为加工薄橡胶、塑料制品、金属、半导体、玻璃和晶体等物质和材料的理想工具。 2) 生物医学中的应用 全固态紫外激光由于具有方向性好，亮度高，单色性好，相干性好以及单光子能量高等优点，大大的提高了紫外激光器的时间分辨率、波长分辨率和灵敏度，以及紫外光束对分子间连接的破坏能力，因此在工作工程中可以避免因吸收激光能量造成周围组织的热损伤[9,10]。高功率密度的紫外光束还能有效打断组织细胞的分子键，准确切割各种生物组织，在激光矫正近视、远视、散光，治疗白内障，血管整形，小型牙科手术以及神经外科手术等方面都有广泛应用[11]。利用紫外激光激发正常和癌变生物组织产生的自体荧光光谱的不同来检测与诊断肿瘤也有很大应用潜力。 3) 高密度光存储领域的应用 与蓝光存储技术相比，紫外激光数据存储技术具有波长短、衍射效应小、分辨率高和光点面积更小的优点，因此采用紫外激光技术进行光存储可以极大的增加光存储的容量，并有望实现太比特存储容量。 4) 环境监测中的应用 很多物质在受到紫外光照射时会发出能反应该物质特征的荧光，通过荧光光谱可以对污染物进行定性或定量分析，激光荧光光谱分析——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 已经成为环境污染监测 [12]的一种有效方法。激光荧光遥感器可能是目前唯一能够区别海草油污染和探 测海滩溢油的遥感器，也是目前唯一探测冰、雪、油污染的可靠手段[13~15]。 另外，紫外激光器还在高分辨率光谱学，光刻技术，大气探测及微电子领域 2 中国科学院上海光学精密机械研究所博士毕业论文/2013年 有广泛的应用前景。 1.2 高重频大能量腔内倍频激光器技术发展现状 1.2.1 高重频大能量腔内倍频绿光激光器发展现状 LD泵浦的腔内倍频全固态绿光激光器发展迅速，已经在通讯、医疗、激光显示和科学研究等领域得到了较为广泛的应用，相关技术的研究一直是人们关注的热点。为了有效提高脉冲峰值功率，激光器通常采用调Q工作方式。高重频大能量腔内倍频绿光激光器存在被动调Q，声光调Q和电光调Q三种调制模式。采用这三种调Q方式获得的激光脉冲具有不同的特征，适应不同的应用领域，因而其技术的发展也不尽相同。 1)被动调Q腔内倍频绿光激光器 被动调Q腔内倍频绿光激光器主要是基于可饱和吸收体的被动调Q技术获得高重复频率绿光输出。这方面典型的工作有:1996年，——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 美国的T.T.Kajava等人[16]报道了一台LD端面泵浦Nd:YAG晶体，GaAs可饱和吸收体被动调Q，KTP晶体腔内倍频的绿光激光器，得到重复频率12kHz，单脉冲能量为20.5μJ，脉冲宽度25ns的532nm绿光输出。2001年，日本的Nicolaie Pavel等[17]实现了Cr4+:YAG被动调Q的Nd:YAG/LBO腔内倍频绿光激光器，得到了重复频率 4.2kHz，单脉冲能量226uJ，脉冲宽度86ns的绿光输出，光束质量因子M2=1.8。同年，国内长春光机所的郑权等人[18]报道了LD端面泵浦的Cr4+:YAG被动调Q NdYVO4/KTP腔内倍频绿光激光器，获得重复频率118.2kHz，单脉冲能量0.5uJ，脉宽28.4ns的532nm激光输出。2003年，山东大学的张少军等[19]报道了一台Cr4+:YAG被动调Q的Nd:YVO4激光器，利用PPLN晶体进行腔内倍频，实现单脉冲能量1.96μJ，脉宽15.6ns的绿光输出。综合文献报道结果[20]可以看出，通过被动调Q技术获得的高重复率绿光的单脉冲能量一般在微焦量级，脉宽也不够窄，相应的峰值功率也较低。另外，被动调Q方式的重复频率较难控制，得到的脉冲序列稳定性较差，因此在实际应用中受到限制。 2)声光调Q腔内倍频绿光激光器 声光调Q属于主动调Q技术，工作的重复频率取决于超声波场的调制频率，容易实现高重复频率运转。目前国内外已有很多关于声光调Q腔内倍频绿光激光器的研究成果，主要分为端面泵浦和侧面泵浦两种方式。端面泵浦的泵浦光模式可以和激光腔内振荡光模式匹配的很好，因此输出光光束质量较好。1994年，美国加州理工大学——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 的H.Heimmati和J.R.Lesh[21]报道了一台LD端面泵浦的Nd:YAG腔内倍频绿光激光器，选用KTP为倍频晶体，当声光重复频率为50kHz时，得到平均功率为3.5W的532nm绿光输出，脉冲宽度约35ns，光光转换效率16.6%，光束质量因子??2 。1999年，台湾交通大学的Yung-Fu Chen[22]用LD端面泵浦掺杂浓度为0.5%的Nd:YVO4晶体，利用KTP晶体进行腔内倍频，获得重复频率50Hz，平均输出功率4.6W的532nm激光输出，光光转换效率27%，脉冲宽度约15ns。2001年，刘均海等人[23]报道了一台LD端面泵浦的声光调Q腔内倍频Nd:GdVO4/KTP绿光激光器，在重复频率为50kHz工作条件下获得平均功率为3.75W的532nm绿光输出，脉冲宽度约55ns，光-光转换效率为25%，二次谐波转换效率达到72%。由于端面泵浦具有小区域强泵浦特征，晶体内较高的泵浦功率密度限制了最大泵浦功率，输出功率很难提高，因此很多研究人员将目光转向注入泵浦功率较高的侧 3 面泵浦结构，期望获得更高输出功率的绿光。2000年，日本三菱电子研究所的Susumu Konno等[24]采用双Nd:YAG晶体棒串接结构，L型谐振腔，LBO腔内倍频方式，在总泵浦功率80W，重复频率10kHz条件下，实现了单端输出绿光功率138W， 2脉宽70ns，光束质量因子M=11。2006年，中科院物理所的薄勇等[25]利用LD侧面 泵浦Nd:YAG/LBO腔内倍频绿光激光器实现了重复频率10kHz，平均功率120W的532nm绿光输出。他们设计了L型热介稳腔，在——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 两块Nd:YAG晶体棒之间插入90?石英旋转器进行热致双折射补偿，极大的改善了光束质量，输出绿光功率最高时光束质量因子M2=6.2，目前在百瓦级别的全固态腔内倍频绿光激光器中未见光束质量更好的报道。2009年，美国相干公司[26]采用双Nd:YAG棒串接，双Q开关调制，LBO晶体腔内倍频方式，获得重复频率10KHz，平均输出功率420W，脉宽70ns的绿光输出，光束质量因子??2?24。由上述报道可以看出，声光调Q绿光激光器较容易实现大功率的绿光输出，但是由于声光Q开关为慢开关，得到的脉冲宽度通常比较宽，典型的在几十~上百ns量级。此外，声光开关换能器较大的热功耗一定程度上也限制了声光调Q激光器的应用。 3)电光调Q腔内倍频绿光激光器 电光调Q的开关速度取决于电光晶体上所加高压的上升或下降时间，一般在纳秒甚至亚纳秒量级。与声光Q开关相比，电光Q开关的速度更快，很容易得到10ns以下的窄脉冲，且输出稳定，易于控制。但是要得到符合需要的电光偏转，往往需要较高的电压，因此很难实现高重复率运转，早期电光Q开关的重复率一般只有几十~几百Hz。另外，大部分电光晶体在高重复率下会出现压电环效应，影响Q开关的工作性能。目前重复频率在kHz以上的全固态电光调Q绿光激光器的报道还很少，并且大都是通过腔外倍频方式实现的[27~30]，有关高重复频率电光调Q腔内倍频绿光激光器的报道更不多见。2006年，南京信息工程大学的宋标等人[31]利用BBO晶体作为电光Q开关，用LBO为倍频晶体进行腔内倍频，在泵浦功率约10W，——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 重复频率为1kHz时，获得平均功率23mW，脉宽20ns的532nm绿光输出，光光转换效率较低。2008年，西北大学葛燕等人[32]利用KD*P晶体作为电光Q开关，以LBO为倍频晶体进行腔内倍频，在重复频率为3kHz时，获得功率235mW，脉宽24ns的绿光输出。从文献调研的情况来看，由于电光Q开关性能的限制，电光调Q腔内倍频绿光激光器的发展并不尽如人意。未来全固态电光调Q绿光激光器将朝着高功率、高光束质量和高转换效率的方向发展。因此，发展高重复频率的电光Q开关技术，设计高效稳定的谐振腔，改善光束质量，提高倍频效率是全固态高重复率电光调Q腔内倍频绿光激光器发展所需要解决的几个关键问题。 1.2.2 高重频大能量腔内倍频紫外激光器发展现状 全固态紫外激光器主要是通过倍频、和频技术，利用非线性晶体(如KTP,LBO,BBO 等)对Nd:YAG，Nd:YLF或Nd:YVO4等激光器输出的基频光进行腔外或腔内频率转换得到三次或四次谐波。腔外倍频技术得到的紫外激光稳定性好，转换效率较高，是获得大功率紫外激光的常用方法，缺点是结构复杂，对腔匹配条件要求苛刻;腔内倍频技术获得的紫外激光转换效率较高，由于腔内光学元件的减少，降低了光路调节难度，使得激光器结构紧凑，体积小巧，有利于紫外激光器的广泛应用，适合于中小功率紫外激光器。目前，利用腔外倍频技术获得355nm紫外激光输出的报道不断出现[33~37]，而利用腔内倍频技术获得紫外激光的报道却相对缺乏。 2006年，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的张晶等[38]采用独特的色散腔型设计提高——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- Nd:YAG激光器的稳定性，腔内插入 4 中国科学院上海光学精密机械研究所博士毕业论文/2013年 声光Q开关，利用I类非临界相位匹配LBO晶体进行倍频，II类临界相位匹配LBO晶体进行和频。在泵浦光功率约为120W时得到2.5W的355nm紫外激光输出，功率稳定性RMS在3h内小于0.8%。2009年，清华大学的刘欢、巩马理 [39]利用两块LBO晶体对LD端面泵浦Nd:YVO4晶体输出的基频光进行腔内二倍频和三倍频，当输入泵浦功率6.76W，声光调Q重复频率为20kHz时，输出平均功率为245mW的355nm激光，相应的光-光转换效率约为3.62%，脉冲宽度8ns，输出功率的短期不稳定性小于4.2%。同年，中国科学院安徽光学精密机械研究所的胡爱兰[40]等报道了一台LD侧面泵浦Nd:YAG激光晶体腔内三倍频355nm紫外激光器。同样采用I类相位匹配的LBO晶体进行二倍频、II类相位匹配的LBO晶体实现三倍频，在LD泵浦功率为155W，声光调Q调制频率为 5.4kHz的工作条件下，获得最高平均输出功率为2.14W，脉宽为45ns的355nm准连续紫外激光，光-光转换效率达到1.38%，1h内输出功率稳定性为3.3%。2009年，Coherent公司[41]报道了一台平均功率达到160W的355nm紫外激光器。由两组侧面泵浦的Nd:YAG模块构成双棒串接结构，两个模块之间插入90?石英旋转器以及双折射补偿器来实现像传递和双折射补偿，同时腔内插入两个声光Q开关——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 实现高功率下的调Q关断。腔内采用I类非临界相位匹配的LBO晶体进行倍频，II类相位匹配的LBO晶体进行和频。在重复率频率8kHz，泵浦功率2.7kW的工作条件下得到平均输出功率为160W的355nm紫外激光输出。两个正交方向上的光束质量为????2= 8，????2= 6。综合文献调研情况，全固态高重频腔内倍频紫外激光器多选用声光调Q方式实现紫外脉冲输出。由于声光开关热功耗较大，在某些特殊的应用中受到限制，因此将电光Q开关和腔内倍频技术相结合，实现紧凑便携的高重复频率紫外激光输出是值得关注的研究方向。 1.3 全固态高重频腔内倍频激光器常用晶体介质 1.3.1 激光晶体 固体激光工作物质是将激活离子掺入基质材料(晶体、玻璃等)构成的。激活离子是激光介质的发光中心，激光工作物质的物理、化学和机械性能主要取决于基质材料，而光谱特性则由激活离子的能级结构决定。对固体激光工作物质的要求一般可以概括为以下几点: 1) 基质材料激光工作频率范围应透明，当光泵浦产生色心时，不会引起吸 收的显著增加。 2) 掺入的激活离子具有有效的激励光谱和较大的受激发射截面。 3) 能掺入较高浓度的激活离子,浓度淬灭效应小，荧光寿命长。 4) 较高的光学质量和荧光量子效率。 5) 良好的物理、化学和机械性能，热导率高，热膨胀系数小，破坏强度高， ——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 易于光学加工。 6) 容易生长出大尺寸的材料。制备工艺简单,成本低廉。 在各国研究人员的共同努力下，性能优秀的激光材料不断出现。下面重点介绍一下全固态高重频激光器最常用的三种激光晶体。 1)Nd:YAG晶体 Nd:Y3Al5O12(Nd:YAG)，掺钕钇铝石榴石晶体，是最常用的固体激光器增益介质之一。基质材料YAG有非常好的物理、化学和机械特性，从最低温度到熔 5 点，YAG的结构都很稳定。YAG的立方结构也有利于产生高增益、低阈值的激光输出。在生长方面，用提拉法也容易生长出高质量大尺寸的晶体。Nd:YAG属立方晶系，是各向同性晶体，不存在自然双折射。在Nd:YAG中，大约1%的Y3+被Nd3+替代，这两种稀土离子的半径差大约为3%，过量的Nd3+掺杂会导致晶体应变，所以Nd:YAG中Nd3+的掺杂浓度一般不超过1.5%。 Nd:YAG具有优越的光谱和激光特性，其吸收光谱如图1.1所示[42]，主要吸收带有五条，中心波长分别在0.53μm，0.58μm，0.75μm，0.81μm和0.87μm,，各吸收带的带宽均为0.03μm，其中0.75μm和0.81μm两个吸收带吸收较强，而和目前半导体激光器匹配的是0.81μm附近的吸收带。Nd:YAG晶体室温下在近红外区有三条明显的荧光谱线，如图1.2所示[42]，中心波长分别为0.914μm(4 ??3/2?4 ??9/2)，1.06μm(4 ??3/2?4 ??11/2)和1.35μm(4 ??3/2?4 ??13/2)，——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 其中以1.06μm处的荧光谱线最强。4 ??3/2?4 ??9/2跃迁属三能级系统，阈值高，只有在低温下才能实现激光振荡。4 ??3/2?4 ??11/2和4 ??3/2?4 ??13/2跃迁为四能级系统，阈值低，易实现激光振荡。而1.06μm比1.35μm的荧光约强四倍，1.06μm谱线先起振，进而抑制1.35μm谱线起振，所以Nd:YAG激光器通常只产生1.06μm激光。Nd:YAG简化能级图如图1.3所示[43]。 Nd:YAG晶体上激光能级4 ??3/2有很高的荧光量子效率(大于99.5%)，荧光寿命为230μs，它是迄今实用化程度最高的激光晶体，既可连续，准连续又可脉冲工作，既能做成中小功率和微片激光器，又能做成千瓦级高功率激光器。并且，还能以调Q、锁模等多种方式工作。另外，Nd:YAG晶体具有优良的热导率和热机械性能，非常适合于高重复频率工作。 图1.1 Nd:YAG在25?时的吸收光谱 6 中国科学院上海光学精密机械研究所博士毕业论文/2013年 图1.2 Nd:YAG在25?时产生的在1064nm区域的荧光光谱 图1.3 Nd:YAG的能级图 2)Nd:YLF晶体 Nd:YLiF4，掺钕氟化钇锂晶体，是具有白钨矿型四方晶系结构的正单轴晶体。属各向异性晶体，自然双折射大大超过热致双折射，即使泵浦功率很高，输出激光也能够保持较高的偏振度，根除了YAG等光学各向同性基质材料的热退偏振问题。 ——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 7 Nd:YLF晶体和目前商业化的半导体激光器波长相匹配的三个吸收峰如图 1.4所示[44]，中心波长分别为0.792μm，0.797μm和0.806μm，实验中可根据需求来选择合适的泵浦波长。Nd:YLF对泵浦光的吸收具有偏振的特性，?方向和π方向的吸收系数并不相同，具体可参考图1.4。 Nd:YLF的能级结构和Nd:YAG基本相似。粒子在亚稳态4 ??3/2能级上的寿命大约480-520μs，较长的荧光寿命带来了较长的泵浦时间，提供的存储能量是Nd:YAG的2倍。图1.5[45]为a切Nd:YLF的发射谱线。三条主要的发射谱线是:0.9μm(4 ??3/2?4 ??9/2)，1.0μm(4 ??3/2?4 ??11/2)和1.3μm(4 ??3/2?4 ??13/2)，其中1.0μm的发射截面最大、增益最强，1.3μm次之。根据不同的偏振，1.0μm和1.3μm的发射谱又可分别1.321μm (π)、1.313μm (?)、1.053μm (?)和1.047μm (π)四条谱线。对于0.9μm波，由于其下能级4 ??9/2的斯塔克分裂只有528cm-1，室温下，相对于基级有8%的粒子停留在斯塔克分裂的上能级，所以0.9μm波长的跃迁为准三能级，激光阈值比较高。 Nd:YLF晶体1.053μm的发射波长正好与大功率激光放大系统中钕玻璃的峰值增益波长相匹配，因此可作为注入种子源。相对于Nd:YAG和Nd:YVO4，Nd:YLF有更低的热透镜和热致双折射效应以及更大的储能性。但是，Nd:YLF的热机械性能不佳，抗断裂能力只有——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- Nd:YAG的五分之一。在高重复频率工作条件下，要注意避免晶体由于泵浦功率密度过高造成热致断裂。 图1.4 掺杂浓度为0.8%的Nd:YLF晶体吸收谱 8 中国科学院上海光学精密机械研究所博士毕业论文/2013年 图1.5 a切Nd:YLF晶体的发射谱 3)Nd:YVO4晶体 Nd:YVO4，掺钕钒酸钇晶体，四方晶系，是具有自然双折射特性的正单轴晶体，激光输出沿着特殊的π方向呈线性偏振，避免了多余的热导双折射，使得热退偏损耗大大减小，特别有利于电光调Q的应用。Nd:YVO4的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，对泵浦光的吸收就是最强的。对a轴切割的Nd:YVO4晶体，其最强的吸收和辐射都发生在π偏振方向，因此一般采用a轴切割，π偏振泵浦用以产生最强的π偏振激光输出。 Nd:YVO4晶体的能级结构和掺钕的其他几种晶体(Nd:YLF，Nd:YAG)大致相同。粒子在亚稳态4 ??3/2能级上的寿命较短，大约100μs，储能性不如Nd:YAG和Nd:YLF。Nd:YVO4三条主要的发射谱线是:0.9μm(4 ??3/2?4 ??9/2)，1.0μm(4 ??3?4 ??11)和1.3μm(4 ??3/2?4 ??13/2)。荧光发射谱如图1.6所示[45]，从图 中我们可以看到在1.06μm处有最强的增益，有效发射截面大约是Nd:YAG的3~4倍，因此它的激光阈值较低，很适合于中小功率的激光器件。 ——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- Nd:YVO4晶体的三个吸收峰分别在590nm、750nm和808nm，其中808nm附近的吸收最为强烈，吸收带宽约20nm，吸收系数也较高。Nd:YVO4宽的吸收带提高了泵浦效率，更易与泵浦源匹配，并可在更宽的温度范围下运行。较高的吸收系数提高了吸收效率，使需要的激光介质更短。Nd:YVO4晶体也存在固有的缺陷，如热导率比较低，太强的热透镜效应易使激光器输出不稳定。抗损伤阈值较低，在大功率器件应用中受到一定的限制，且不易制备大体积的晶体。综合以上特性，Nd:YVO4晶体常用于高重复频率中小功率激光器。 9 图1.6 Nd:YVO4晶体的发射谱 1.3.2 调Q晶体 电光晶体的质量对调Q性能起着重要作用。通常要求电光调Q晶体具有半波电压低，消光比高，透过率高、插入损耗小，抗损伤阈值高以及防潮等特点。另外在高重复频率工作情况下，较大的压电系数会导致电光晶体产生大的光弹效应，使得退压后晶体内仍存在一定的双折射，影响电光Q开关工作性能。在脉冲加压式调Q中，使Q开关不能完全关死。而在脉冲退压式调Q中，会使Q开关打开时谐振腔损耗仍然较大，相当于Q开关未完全打开。这种现象称为电光晶体的 “压电环效应(Piezoelectric ring Effect)”。据文献报道[46]，电光晶体因压电环效应而产生的光弹噪声是限制电光Q开关不能以较高重复频率工作的主要因素，并且重复频率越高，光弹噪声越大。目前常用的电光调Q晶体主要有KD*P，RTP，LGS，BBO等，下面简单——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 介绍一下这几种晶体的性能。 1) KD*P 磷酸二氘钾(KD2PO4，简称KD*P)晶体是一种成熟的电光晶体，消光比大于1000:1，光谱透过范围0.2~1.6μm。光学均匀性好，抗损伤阈值高。但是该晶体容易潮解，致使透光表面发毛引起通光的损耗增加，使用中需要用普克尔盒密封并充入折射率匹配液，进一步增大了器件的插入损耗。研究表明[47,48]，在重复频率达到5kHz时，KD*P晶体即产生明显的压电环效应，影响调Q输出性能。KD*P电光开关很早就投入大规模生产，国内外有多家公司能提供高质量的KD*P普克尔盒。 2) LGS 硅酸镓镧(La3Ga5SiO14，简称LGS)晶体物理化学性能稳定，不潮解，无需密封装置，制备方法也较为成熟。但在早期由于具有较大的旋光性干扰，在应用上并未受到重视。2002年，山东大学尹鑫等人[49]首先进行了LGS晶体电光调Q性能的研究，设计了可以消除旋光性影响的LGS电光Q开关。他们的研究表明[50]在重复频率为50kHz的工作条件下，LGS 晶体仍未出现明显的压电环效应，在全 10 中国科学院上海光学精密机械研究所博士毕业论文/2013年 固态高重频激光器方面非常有应用前景。2006年，上海光机所王春雨等人[51]采用LGS晶体作为电光Q开关，获得了最高重复频率——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 为10kHz的1064nm激光输出，指出其巨大的应用潜力。LGS晶体虽然电光系数较小，但是可以应用它的横向电光效应来制作电光Q开关，通过选用纵横比较大的LGS晶体来降低调Q所需的电压值。目前LGS晶体还没有进行大规模生产，只是作为样品进行实验研究。 3) RTP 磷酸氧钛铷晶体(RbTiOPO4，简称RTP)是KTP的同族晶体，抗损伤阈值和消光比较高，插入损耗小，透光范围宽，并且水溶性小，几乎不潮解，无需密封。RTP晶体具有特别适合高重复率工作两个特性:一是电光系数很大，其半波电压一般只需要1kV~2kV，降低了系统功耗，同时也减少了系统噪声;二是在高重复频率工作时压电环效应很小，相关数据表明[52]RTP晶体在1000kHz工作频率下都未观察到明显的压电环效应。早期由于制备方法不成熟，利用RTP晶体作为电光调Q元件一直未引起人们的重视。直到2000年才由以色列索雷克原子能研究中心的E.Lebiush等人[53]将RTP晶体成功应用于电光调Q实验。RTP晶体属双轴晶体，实际中需要将两块完全一样的晶体串接使用以补偿自然双折射，如图1.7所示，这两块晶体的加工要求十分严格。目前国产RTP晶体性能较差，主要依赖国外进口，价格十分昂贵。英国LEYSOP公司[54]和以色列的Raicol Crystal公司[55]都推出了可在高重复频率下工作的RTP电光Q开关。 图1.7 双RTP晶体Q开关示意图 4) BBO 偏硼酸钡 ( 2 4,简称BBO)晶体的消光比和抗损伤阈值高，吸——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 收损耗低，压电环效应小，开关速度快，非常适用于高重复频率、高峰值功率的全固态激光器的Q开关。该晶体轻微潮解，需要封装为普克尔盒。BBO晶体的缺点是电光系数小，四分之一波电压较高，增大了对驱动源的要求。可以通过减小电极间距(即减小通光孔径)或增长晶体长度来减小四分之一波电压。我国福建福晶科技股份有限公司[56]设计的双晶体结构的BBO电光Q开关，最高重复率可达50kHz，较小通过孔径下的四分之一波电压低于4000V，代表了国际先进水平。 本论文中选用了KD*P晶体和LGS晶体进行全固态电光调Q腔内倍频激光器的研究。 11 1.3.3 倍频晶体 非线性光学晶体材料是激光频率转换技术的基础，它拓宽了激光技术的应用范围。近年来，非线性光学晶体材料不断发展，涌现出磷酸钛氧钾(KTiOPO4,KTP),砷酸钛氧钾(KTiOAsO4,KTA)，三硼酸锂(LiB3O5,LBO)，三硼酸铯(CsB3O5,CBO)等优秀的非线性光学晶体，被广泛的应用于倍频，和频，光参量以及受激拉曼散射等非线性频率变换过程。用于激光频率变换的非线性光学晶体应该具备以下特点: (1) 大的有效非线性极化系数; (2) 大的角度、温度、光谱接收带宽; (3) 适中的双折射值(对于角度相位匹配，应存在相位匹配角) (4) 尽量小的走离效应; (5) 宽的透光范围，对基频光和倍频光同时具有高的透过率; ——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- (6) 高的抗损伤阈值; (7) 光学均匀性好，对光的吸收损耗小; (8) 稳定的物理化学性能，不易潮解; (9) 容易获得大尺寸和光学性能优良的晶体; (10) 成本低，机械强度高，加工和使用方便。 能同时满足上述各项条件的晶体很难找到，只能根据实际需要选择相对合适的晶体。KTP和LBO是综合性能较优秀的非线性光学晶体，下面简单介绍一下这两种晶体的性能。 磷酸氧钛钾(KTiOPO4，简称KTP)晶体属斜方晶系，正双轴晶体。不易潮解，物理、化学性能稳定。具有非线性光学系数大，接收角宽，走离角小，温度和光谱带宽大，透光波段宽，光电系数高，介电常数低，抗阻比值大，热传导系数高，失配度低等优点，在光学参量振荡、放大和掺Nd激光器的倍频、混频中得到了广泛应用。在高峰值功率的非线性频率转换过程中，经常引起KTP晶体的光致损伤，在晶体中产生一条肉眼可见的暗线，即所谓的灰迹(grey tracking)效应 [57]。灰迹一旦形成，会大量吸收传播光束能量，导致晶体发热、倍频效率降低、激光器输出功率下降、噪声加强等一系列后果，继续运转甚至会引起KTP不可恢复的损伤[58]。 三硼酸锂(LiB3O5,简称LBO)晶体，是中国科学院福建物质结构研究所首先研制成功的一种优秀的非线性光学晶体，目前已广泛运用于激光倍频、和频以及光参量振荡等非线性光学频率变换领域。LBO属斜方晶系，负双轴晶体。不易潮解，可透光波段宽，光学均匀性好，——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 内部包络少，接收角宽，走离角小，并且具有宽的I类和II类非临界相位匹配范围，可通过非临界相位匹配克服走离效应来获得高的倍频效率。LBO晶体的抗损伤阈值是常用无机非线性光学晶体中最高的，是高功率二次谐波发生器的极佳选择。 虽然LBO晶体相对于KTP晶体的非线性系数较小，但LBO晶体走离角更小，三波相互作用长度更长，可以通过增加LBO晶体的长度来弥补其有效非线性系数小的缺点。LBO晶体具有极高的抗损伤阈值，并且无“灰迹效应”，在高稳定性、高峰值功率全固态倍频激光器中具有很高的应用价值。因此本论文选用LBO作为倍频晶体。 12 中国科学院上海光学精密机械研究所博士毕业论文/2013年 1.4 本论文的主要研究内容 全固态腔内倍频绿光和紫外激光器具有广阔的应用前景和巨大的市场需求。在某些特殊的应用领域，更是需要高重复频率、大能量的脉冲绿光和紫外激光输出。本论文的研究工作，主要根据水下与空中平台蓝绿激光通信系统的应用需求，重点开展高重复频率、大能量、腔内倍频绿光激光器的特性研究，论文选题具有重要的研究价值。 论文研究工作在理论仿真的基础上，优化设计了热稳定的LD双端面泵浦谐振腔结构，采用Nd:YLF晶体作为增益介质，获得了重复频率500Hz、1kHz的腔内倍频大能量526.5nm绿光脉冲输出;创新地采用Nd:YLF串接Nd:YAG晶体的传导冷却结构，首次在一个激光振荡器内获得绿光波段三波长同时输出;采用Nd:YVO4晶体作为增益介质，——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 选用LGS晶体作为电光调Q开关，成功获得重复频率10kHz、平均功率大于1.3W的紫外355nm波长激光脉冲输出，类似实验结果尚未见文献报道。实验研究过程中，较好地解决了影响腔内倍频激光器获得高转换效率，高峰值功率和高光束质量的关键技术，达到了预期的目标，为相关应用提供了技术支撑。 本论文的主要研究内容，具体描述如下: 1)阐述了LD端面泵浦腔内倍频激光器的基本理论。根据尾纤输出LD泵浦光在不同聚焦条件下的泵浦速率变化，对端面泵浦固体激光器的最佳泵浦条件进行理论分析;总结出LD端面泵浦激光增益介质热焦距的估算公式，并讨论了激光晶体的热补偿技术;讨论了非线性晶体倍频产生的机理和相位匹配技术，分析了影响激光器倍频效率的主要因素，明确采用I类相位匹配结合主动温控技术实现电光调Q全固态激光器腔内倍频稳定输出的实验方案。 2)基于Nd:YLF晶体的腔内倍频绿光激光器实验研究。首先利用LasCAD软件对双端面泵浦的“U”形谐振腔的稳定性进行仿真模拟计算，设计出热不灵敏腔。实验中选用KD*P晶体作为电光调Q开关，LBO晶体为腔内倍频元件，获得重复频率500Hz、单脉冲能量大于11 mJ的基横模(TEM00模)526.5nm绿光输出，光束质量??2 。实验工作有效解决了腔内倍频绿光激光器高输出能量和高光束质量不易同时满足的技术难题。为了满足特殊应用需求，实验工作进一步开展了簇式输出的kHz重复频率526.5nm绿光激光器特性研究。在优化设计的Nd:YLF激光谐振腔中，通过采用特殊的泵浦方式，实现了单——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 脉冲能量大于8mJ的kHz重复频率簇式脉冲序列输出，并对其输出功率稳定性、温度拉偏特性、光束质量和光束指向稳定性进行了测量。另外，创新地采用传导冷却的Nd:YLF和Nd:YAG双晶体板条串接结构，开展了LD双端面泵浦腔内倍频激光器特性研究。在同一个激光振荡器内，首次在实验上获得了脉冲总能量为3.6 mJ的526.5nm、529nm、532nm三波长绿光脉冲同时输出，脉冲重复频率500Hz。 4)基于Nd:YVO4晶体的腔内倍频紫外激光器研究。仿真估算了Nd:YVO4晶体热焦距随吸收的泵浦功率的变化规律，通过ABCD矩阵计算出Nd:YVO4激光器的稳定性和腔内振荡模光斑大小随泵浦功率的变化。分别采用声光调Q和LGS电光调Q两种方式实现了高重复频率355nm紫外激光输出，最大平均功率输出分别为6.3W和1.3W。在相同的泵浦条件下对这两种紫外激光器的输出性能进行了比较，分析了各自的优缺点。其中，用LGS电光调Q开关实现腔内倍频紫外激光器10kHz重复频率、W级平均功率输出的实验结果，未见相关文献 13 报道。 5)初步开展了1047nm波长Nd:YLF板条单放大器MOPA系统的放大特性研究。将LD双端泵浦电光调Q Nd:YLF激光器作为主振荡器，获得1047nm波长激光脉冲输出，单脉冲能量大于10mJ，脉冲宽度约12ns。放大器采用单侧面泵浦方式。首先利用ANSYS软件，借助FEA方法建立板条增益介质有限元模型，对板条的温度及热致应力分布情况进行了模拟计算，并根据Frantz–Nodvik演化公式对放大器的——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 放大能力进行了计算。实验工作分别对放大器单程放大和双程放大的放大能力进行了研究，获得的实验结果与理论模拟符合良好，为后续的研究工作提供了可靠的设计依据。 参考文献 [1] 奚小明，蓝绿激光对潜通信综述，中国科技信息，2007，22:326 [2] K. Lamb, D. E. Spence, J. Hong, C. Yelland, and W. Sibbett，All-solid-s ———————————————————————————————————————————————