（光學(xué)專業(yè)論文）全固態(tài)ccut+nd：gdvo4激光特性研究.pdf

山東師范大學(xué)碳士學(xué)位論文 全固態(tài)c c u tn d ：g d v 0 4 激光特性研究 中文摘要 激光：援警( 泌) 泵浦的鋈體激光器吳畜離穩(wěn)定幢，高效率，高麓量的倪點(diǎn)，被 廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、醫(yī)學(xué)和科學(xué)研究等領(lǐng)域，已成為國內(nèi)外激光器領(lǐng)域研究的 熱點(diǎn)。n d ：忑v o 辱器體是一種與泰懣：w 醞磊俸弱磊型靜摻n + 基震晶體，除具有 n d ：w 0 4 晶體的優(yōu)點(diǎn)( 發(fā)射截面大、吸收系數(shù)大、輸出為線偏振等) 之外，它在1 1 0 方彝具育高靜熱導(dǎo)搴，使其戲茭適于高功率泵浦酶薪型激光晶體。壺予切裁方內(nèi)的 不同，激光晶體沿不同方向的結(jié)構(gòu)參數(shù)具有很大的差異，從而導(dǎo)致不同的激光特性。 霹蘸對予鑫轆切割罐：g d v 。4 酶磷究工籜眈較多，激光特性研究斃較全蘑，對予e 軸切割n d ：g d v 0 4 晶體的激光特性研究相對較少。 本論文虢l d 端蠶泵清鵓薪型c 噸越套融：鎰v 瓴晶體激光器為主要研究對象，考 察了1 0 6 “m 的連續(xù)波及被動調(diào)q 輸出性能，并利用速率方程對進(jìn)行了理論分析，與 a _ c 毽n d ：避v 瓴螽體酶擺關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了斃較，透過對比曼示了e 攮套沁：g 蠢v 礴晶體 作為激光物質(zhì)的些優(yōu)良特性。主囊內(nèi)容如下： 薹、對激光二較管泵浦藿髂激光器和激光二極警泵滿的固體激光毒孝糕律7 籬要敘述， 介紹了固體激光器的優(yōu)勢和l d 漿浦的激光晶體n d ：g d v 0 4 的主要特性。 2 、討論了激競晶體斡熱效應(yīng)對激光性毖的各個方面的影酶。從熱效瘟、嵩簸巍束的 矩陣變換和a b c d 定律來討論熱透鏡對設(shè)計參數(shù)模式時的影響，并以c 。c u t 黼：僦v 文晶體為鑲，分柝了熱效應(yīng)霹腔長對腔的穩(wěn)定性和輸出特性的影響。 3 、研究c r 4 + ：y a g 晶體作為被動調(diào)q 元件時的一些基本特性，并給出當(dāng)考慮腔內(nèi)光 強(qiáng)的離斯分奄時連續(xù)波被動調(diào)q 的速率方程，并且對激光器瓣脈沖寬度、峰毽功 率、單脈沖能量等量進(jìn)行理論分析，并對l d 端耐泵浦c c u tn d ：g d v 0 4 晶體調(diào)q 激光器進(jìn)行實驗研究，褥蔓| 最小臆寬2 i 。2 魏s ，最離峰蘊(yùn)功率量5 遵k w ，與和e 滋 卜i d ：g d v 0 4 晶體的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，體現(xiàn)了c 。c u tn d ：g d v 0 4 晶體應(yīng)用于被動 譎q 激光器上具有熬優(yōu)越性。 4 、介紹了調(diào)q 鎖模技術(shù)的概況。對l d 泵浦c 。c u tn d ：g d v 0 4 c r 4 + ：y a g 被動調(diào)q 鎖 模激光器送行了實驗研究及理論分析。注入泵漓功率秀9 。3 4w 時，初始透過率 t 。為9 5 的c ：y a g 飽和吸收體，輸出鏡透過率為l o 和2 0 時得到的相應(yīng) l 山塞刨登蓉萋蟪蓋莖d 暨豎 魏霎妻i 襄墨l 囂奏萋蔞喜零參囊冀! 霎濘萋霧薹塞霉醴蔫一霎差l l 墓，雩鏊藿霎；蓁奏一寫薹霧豁霎| 愛薹襄挈l 霎萋羹霎 銹薹霉霧藿霧霪璧 秘蓊雅j 重撕磊翼援霪垂蠹，霧辯蘼蓁霧蓁羹萋冀委鍪孽鐾囊霪i 匿! 薹莖鍪l 叁善囂酲 薹霧羹雩冀三鬈 莖i i t 耋季 i 主= 薹i 蓁i 量i 萎萎薹美萎7 x 山東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文 t h e i a s i n gp r o p e r t i e so ft h ea n s o l i d - s t a t l ec - c u tn d ：g d v 0 4i a s e r a b s 耄r 囂e 專 琢凇德s 錯e 蹴弦曩鵡，氆辯h a sb e 鼴黼遜餓a s 瓤gi 程 囂e 懿l a s 瞥d i o 蓮e 翔掰p 磁 a l l - s o l i d w s t a t el a s e 鷦b e c a u s 囂s u c hl a s e r sc a nw i d e l yl l s e di n 也ef i e l d so fi i l i l i t a 巧a 婦漸r s ， i 載d 畦s 程葛趲e 擊e 趣鍶鑫畦s oo 鼗，翹a 齲越i v 。l y 囂e 籜l 弱甜滋 x 一 坐奎墅蔓奎蘭堡主堂垡堡壅 一 _ ，- - _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ 一 p e a l ( p o w p u l s ee n e r g ya r ep r e s e i l t e d s o m ee x p 舐m e n t s a r em a d ea b o u tl d e n d - p l l r 印e dc c u tn d ：g d v 0 4b yu s i n gc r 4 + ：y a ga ss a t 刪b l ea b s o r b e r 4 i n v e s t i g a t i o no ft h el a s i n gp r o p e n i e so f ad i o d e p u i i l p e dc - c u tn d 3 + ：gd v 0 4p a s s i v e l y q s 麗t c h e d 姐dm o d e 1 0 c k i n gl a s e rw i t hc r 4 + ：y a gs a m r a b l ea b s o r b e r i v i ( e yw o r d s ：a 1 1 s o l i d s t a t el a s c - c u tn d ：g d v 0 4 ， p a s s i v e l yq s w i t c h e d ， q s w i t c h e d 孤dm o d e 1 0 凼n g ， c r 4 + ：y a g c l cn u m b e r ：0 4 3 7 獨(dú)創(chuàng)聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研 究成采。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他入 已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得一 一( 注：如沒有其 他需要特別聲明的，本欄可空) 或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書使用過的材料。與我 一周工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示謝 意。 學(xué)位論文作者簽名：動券參 導(dǎo)師簽字： 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 陽辦 本學(xué)位論文作者完全了解堂撞有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，有權(quán)保留 并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人 授權(quán)趁可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用 影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。( 保密的學(xué)位論文在解密后適用 本授權(quán)書) 學(xué)位論文作者簽名：易農(nóng)毽 導(dǎo)師簽字： 簽字日期：2 0 0 擇妊月日 簽字日期：2 0 0年月同 山求j i i l i 范大學(xué)碩出學(xué)位論文 第一章導(dǎo)，論 1 9 6 0 年，r 。n 釃髓鑫鑫酋次提出全霆態(tài)激光器的想澎n 。1 9 眈年，第一支g 磊慫 = 極管激光器問世，人們產(chǎn)生了用激光二極管作固體激光器泵源的想法。1 9 6 4 年， 美國羹王零林肯實驗室的量& y 然等首次將此想法純雋現(xiàn)實f 2 】，扶就為全固態(tài)激光器鵑 研究拉開了帷幕。1 9 6 2 年制成了第臺調(diào)q 激光器。調(diào)q 技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，是 激光發(fā)展史上麓一個重要突破。在1 9 “年薏，又發(fā)展起一門薪的超篷脈沖技術(shù) 鎖模技術(shù)。激光器已經(jīng)在科學(xué)研究、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、信息、通訊、國防、醫(yī)療衛(wèi)生、娛 樂文億產(chǎn)業(yè)鬻囂境保護(hù)等領(lǐng)域得到了廣泛鶼應(yīng)靂。囂此，激光器薛發(fā)袋受到了人們 的廣泛關(guān)注，特別是二極管泵浦的全固態(tài)激光器已經(jīng)成為激光器研究中的熱點(diǎn)。 1 1 壘固體激光器發(fā)展及材料的概述 、激光= 極管泵浦固體激光器的發(fā)展 2 0 邀紀(jì)國年代初整賽上第一螽紅寶石激光器翔邀【3 o 這標(biāo)志著在激光技術(shù) 的發(fā)展進(jìn)程中，固體激光器是最早實現(xiàn)激光輸出的。到了8 0 年代中期，激光二極管 性能褥裂迅速提高，高效率、穩(wěn)定、桃褐緊湊、長壽命和全露態(tài)酶l d 泵浦固體激 光器( d i o d e 巾嘲p e ds 0 1 i d _ s t a t el a s e 燃，d p s s l ) 出現(xiàn)并發(fā)展起來，因而全面帶動了 新耋霞體激光材料和l d 泵演技術(shù)的發(fā)震，并迅速滲透蜀激光按寒的各個領(lǐng)域， d p s s l 的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)、脈沖遴轉(zhuǎn)、單頻運(yùn)轉(zhuǎn)以及頻率變換等各種器件都取得了重大進(jìn) 展，分別達(dá)到了實靂純隸平。多0 年代，隨羞大功率的列陣稠光纖輸臻耦合半導(dǎo) 體激光器系統(tǒng)的出現(xiàn)和發(fā)展，d p s s l 的輸出功率和效率得到了相當(dāng)大的提高，從而 更攘拓寬了其應(yīng)用領(lǐng)域范瘸，在軍事、醫(yī)學(xué)、信患、王監(jiān)、科研等領(lǐng)域呈現(xiàn)了廣泛 的應(yīng)用前景。尤其是大功率紅、綠、藍(lán)三基色激光器，成為大屏幕、簡清晰度激光 彩色顯示斡研究熱點(diǎn)。 近年來，超短脈沖激光技術(shù)只益成熟，超短激光脈沖成為人們認(rèn)識世界愈來愈 不可缺少的工具，在受控梭聚變、等離子俸物理學(xué)、遙測技術(shù)、化學(xué)及物理動力學(xué)、 瀚速攝影、光通信、光雷達(dá)、光譜學(xué)、全息照相及非線性光學(xué)等許多領(lǐng)域內(nèi)，都起 著愈來愈囂要的律靂。超短脈沖( 辣寬量級雋1 0 2 l o 5 秒) 出于萁膿寬窄的特 山東師瓶大學(xué)碩士學(xué)位論文 點(diǎn)，被用于激光測距等領(lǐng)域可以得到非常精確的測量結(jié)果；俸為一種揭示微觀世 界超快現(xiàn)象的重要手段，它廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)、激光光譜學(xué)等學(xué)科 的研究中。例如，醫(yī)學(xué)專家已將萁作為超精密外科手術(shù)刃，用于視力矯_ 芷手術(shù)，既 能減少組織損傷又不會留下手術(shù)后遺癥，甚至可對單個細(xì)胞動精密手術(shù)；用于生物 學(xué)光合作用機(jī)制的研究，蛋白質(zhì)分子中快速弛豫過程，視覺過程的機(jī)理探索，d n a 中能量轉(zhuǎn)移的研究，化學(xué)反應(yīng)過程和產(chǎn)物的控制，時間分辨光譜技術(shù)等；作為 種能量載體，它在加工與軍事領(lǐng)域己獲得廣泛應(yīng)用，如核聚變，超精細(xì)加工，致 富武器等；作為一種信息載體，它在光信息領(lǐng)域中的光電取樣技術(shù)，搿速通信技 術(shù)，光全息存儲技術(shù)等方面起著非常關(guān)鍵的作用。 二、激光二極管泵浦的固體激光材料概述 適合高功率l d 泵浦的新型固體激光材料是全固態(tài)激光器研究和開發(fā)不可缺少 的一部分，并且已經(jīng)成為材料領(lǐng)域研究和探索的熱點(diǎn)。目前，在高功率的d p s s l 中應(yīng)用比較廣泛的激光材料有：n d ：y a g 、n d ：y l f 、y b ：y a g 、n d ：y v 0 4 和n d ：g d v 0 4 晶體等。 1 摻釹釔鋁石榴石( n d ：y a g ) 晶體是研究最成熟的激光材料。目前廣泛應(yīng)用于閃 光燈泵浦和u ) 泵浦的n d ：y a g 激光器，占固體激光器的9 0 左右。n d ：g 基質(zhì) 很硬，光學(xué)質(zhì)量好，并且熱導(dǎo)率高( 1 1 1 w m 1k 1 ) 【4 】，可以用提拉法生長出大尺寸、 高質(zhì)量的單最。此外y a g 的立方結(jié)構(gòu)有冪| 子形成窄的熒光線寬，使激光器高增益 和低閾值工作。它的熒光壽命比較長( 2 3 0 s ) ，常用于產(chǎn)生高能量和高峰值功率的 魚脈沖激光輸出。但是n d ：y a g 晶體的泵浦吸收峰較窄，一般情況下泵清效率較低， 在高泵浦功率下往往產(chǎn)生嚴(yán)重的熱應(yīng)力雙折射和熱透鏡畸變，并且它的受激發(fā)射截 面不大【列。 2 摻釹氟化釔鋰( n d ：y l f ) 是單軸晶體，在1 0 4 7 “m 具有較高的增益降】。它的上 能級壽命是4 8 0 塾s ，可在王脅功率較低情況下泵浦仍能有效地儲能，適合產(chǎn)生大熊 量調(diào)q 脈沖。它的熒光線寬是y a g 的三倍，有利于產(chǎn)生窄脈寬超短脈沖輸出。在 低能輸出范曩內(nèi)，當(dāng)吸收效率和損耗相同時，n 蠢：y 】登院n d ：弧g 具有更嵩羲斜效 率f 7 l ；在高能輸出范圍內(nèi)，a 偏振躍迂( 1 0 5 3 肛m ) 允許有更高亮度的l d 泵浦源， 在放大鴦發(fā)輻射發(fā)生之前存儲更多的熊量f 8 矧。l 。笛3 瑟搬波長正好與大功率激光放大 2 山東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文 系統(tǒng)的n d 玻璃光波長相吻合，因此可做注入種子源。但y l f 晶體的熱導(dǎo)率只是y a g 的一半，機(jī)械強(qiáng)度低，不宣用于高平均功率場合下。巍于n d ：v ”的吸收帶寬僅為 2 蛐，與l d 發(fā)射光譜寬度相當(dāng)。用l d 泵浦時，它的激光輸出將強(qiáng)烈依賴于l d 的 結(jié)溫變化，所以應(yīng)用中對溫度控制要求較為嚴(yán)格。 3 y b ：y a g 晶體【l o 】吸收波長是9 4 0 嗽，適合h l g a a sl d 泵浦。y b ：y a g 的激光波長 是l 。0 5 咎糙，所以在泵浦和萃取光子能量之間的量子虧損菲常低，斜效率嵩，導(dǎo)致了 固有的低熱負(fù)載。y b ：y a g 物化性質(zhì)穩(wěn)定，可高摻雜而不產(chǎn)生淬滅。 4 。黼：y v 0 4 聶體( 摻釹釩酸釔) 是四方晶體，屬鋯英石性結(jié)構(gòu)，單軸晶系。n d ：w 0 4 中激活離子位置具有低的點(diǎn)群對稱性，離子振蕩強(qiáng)度大。w 0 4 基質(zhì)對n d 離子有敏 純作用，提高了它的吸收能力。n d ：y v 強(qiáng)在l 。0 6 阻處有較大的受激發(fā)射截面，是 n d ：y a g 的五倍多。它的吸收峰較高，同時也是一種高雙折射率晶體，易產(chǎn)生偏振 光輸出，可避免冬埝：y a g 出現(xiàn)的熱雙折射現(xiàn)象。但是它的導(dǎo)熱性差，枕械性能也不 如n d ：y a g ，不適臺燈泵。另外，n d ：y v 0 4 的上能級壽命比n d ：y a g 和n d ：y 】l f 短， 大尺寸的晶體也難生長。上述缺點(diǎn)限制了它在高平均功率下的應(yīng)用。但對l d 象浦 的中小功率連續(xù)波激光器，特別是微片激光器來說，仍是理想的增益介質(zhì)。 5 。黼：蕊v 虢( 摻釹釩酸鈍) 晶體，是1 9 勉年毒俄羅顛和德國科學(xué)家酋先發(fā)明的一 種l d 泵浦用激光晶體，性能優(yōu)良。它與目前已廣泛應(yīng)用的n d ：w 0 4 晶體具有相似 的晶體結(jié)構(gòu)，屬予囂方晶系，類似予锫英磊( 盈s i 僥) 的磷釔礦結(jié)構(gòu)，空聞群 d 1 9 4 h 一1 4 l a m d ，稀土離子( y ，g d 或n d ) 所在格位對稱性為d 2 d 。但g d 3 + 離予半 徑比妒+ 離子大，與醛3 + 離子更接近。囂此，與斑：w 甌相比，奎疆更容易替代 g d 3 + 而得到較高n d 3 + 濃度和較低n 融3 + x 山東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文 的唯一例予，這種躍遷譜線的強(qiáng)烈重疊將使n d ：g d v 。4 的有效發(fā)射截面比n d ：y v 0 4 提高2 5 1 2 1 。 1 2n d ：g d v 0 4 晶體特性 一、晶體結(jié)構(gòu) n d ：g d v 0 4 晶體為四方晶體，鋯英石( z r s i 0 4 ) 型結(jié)構(gòu)，空聞點(diǎn)群為1 4 i 鋤d ， 屬單軸晶系，密度為5 4 8 9 c 挑3 ，熔點(diǎn)為1 8 p c 。生長中適當(dāng)?shù)膎 d 離子取代僦 離子的位置而形成n d ：g d v 0 4 。由于g d 3 + 半徑是1 0 5 3 么o ，大于y 3 + 半徑，小于n d 3 十 半徑，新墩晶格畸變比砒：y v 文小，光學(xué)廩量好。晶格常數(shù)為薩0 7 2 1 2 麟， c o 6 3 4 8 螄。由于n d ：g d v 0 4 的熱導(dǎo)率( 1 1 7 w m 。1 k 1 ) 與n d ：y a g 的相當(dāng)，是n d ：y v 0 4 ( 5 2 3 w 撒。k 2 的2 倍多。磊且，黼：g ( 1 v 。4 的吸收截面大于撇：y v 甌，發(fā)射截面 大于n d ：g 。一些激光實驗表明n d ：g d v 0 4 比n d ：y v 0 4 有更加優(yōu)良的激光性能， 是很有希望豹適合l d 高功率端西泵浦的激光介質(zhì)。塒：g d v 0 4 通常采用提拉法 ( c z o c l l r a l s l 【im e t h o d ) 生長，晶體生長方向為a 或c 。 空d ：g d v 虢n d ：y v 0 4n d ：y a g 結(jié)構(gòu)四方單軸四方單軸立方同性 熔點(diǎn)( 母c ) 1 8 0 01 8 1 01 9 5 0 熱膨脹系數(shù)( 1 0 魄) 1 5 8 47 。5 1 1 0 2 o l l o 1 9 5 8 折射率 1 8 3 0 1 1 c 2 2 i l e 2 1 6 8 熱導(dǎo)率( w 嬲k ) l l 。75 1 41 4 表1 2 1n d ：g d v 0 4 、n d ：w 0 4 、n d ：y a g 物理和光學(xué)特性的比較 二、能級結(jié)構(gòu) 圖l 。2 1 給出了n d ：g d v 0 4 晶體的能級結(jié)構(gòu)圖( 7 7 k ) 。和其它摻n d 離子的y a g 、 w 0 4 等激光晶體的能級結(jié)構(gòu)大致相同。l d 泵浦的譜線是8 0 8 黼，泵光把粒子從 基態(tài)泵浦到4 f 5 ，2 能級，但粒子在此能級上的壽命非常短，可以通過特別快的馳豫過 程無輻射的落在亞穩(wěn)態(tài)4 f 3 ，2 能級上。亞穩(wěn)態(tài)能級有相對長的壽命( 大約為1 s ) ， 4 山囊埡彈歷景四薯鼉圓墨曼 鼢墅萼霉萋蓋湎糕譬內(nèi)焉漁溶，羹崔霎黍 蘑凳鳙繕；鼬萋萋善蓁露蒲蠹囂裂疑礦雨鬟 宦翼；囊纛桀緇曼i 曜臻蓮溜趟溝縋塞霧薹籬囂；萄呀羹塞i 需簍要癱糯掰翼藐 季鬻；剝薹羹型霎堅聾豁靜鯉蓁；曼鋈型孺堰塑；菰翁徘拭關(guān)薹翌塑簍謄撬戳舅葡蠹 齋鬟日月霎。翮鍪墼籬薹咎霎奠強(qiáng)魏張強(qiáng)弛”繇塑萄i 辱j 謄窆l 蓁蓁冀凋輜i i i i 緣衛(wèi)歷蟛籮耍耋熏；綈戮耋i 羹耋耋壹霧妻莪群；莖耄i 重重霪雅箍翟瀕麗 喇彗葷薹喜中j 瞧蓁羹霾鷥羹著淄托擢刪燃鬢瑟氅霸搓墼霎 蕊纈；韻攀必磊；滴蔓霎 薹鰳稻搿引型；霧霧l 薹鏊荔妻霎薹蓁鬃刺i 釧耋鶯箸獸不南鏊洱滔。 霪；甏；匾薹霎i 商婺碧影簍孺磷萄；騶髟掣玢郛；p 奠鬻堅強(qiáng)搦嚆i 新型霎蕭；薹警i 鬟蠶蠹 霧薹霧璧霾霞鬻冀蘑鏊霪薹蓊羹蓄霾；霧霧驥冀菊鐾冀；靜型堇蠢殮蛙霧霎銘藩型霎 塑霪蓁；m 勛羹漁薹璧冀妻蔞! 窶霍；萋霉冀滋i 霧雪囊擺褒鍤鸚鲞委烈墼藩罌叁；藹 禱薹! 羹薹羹殺曩量融；莖萋垂 x 山東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文 輔甜醵哪細(xì)嘲 圖l - 2 3n d ：g d v 。4 晶體的石偏振方向的熒光發(fā)射光譜 1 2 4n d ：g d v 0 4 晶體的偏振方向的熒光發(fā)射光譜 躍遷能級輻射波長( 鋤)自發(fā)躍遷凡率( 一)發(fā)射截面( 1 薩9 c m 2 ) 4 f 3 2 _ 4 功2 9 1 33 3 5 8 8 4 f 3 2 i l l 您 1 0 6 3 4 7 2 9 97 6 4 f 3 忿_ 4 1 1 3 佗 1 3 4 29 7 0 6 71 8 4 f 3 彪耐4 i l5 ，2 1 8 8 04 5 5 9 表1 2 3n d ：g ( 1 v 0 4 躍遷的光譜參數(shù) 由于n d ：g d v 0 4 晶體晶格常數(shù)，a - b 銣7 2 1 2 n m ，c 卸6 3 4 8 n m ， 曉= 羅= y = 9 0 0 ，光軸平行于c 軸，a 向熱導(dǎo)率l o 。1 w 擻q k l ，e 向熱導(dǎo)率為 1 1 4 w m 。1k _ 1 。a 向熱膨脹系數(shù)為1 0 5 1o 呱，c 向熱膨脹系數(shù)為7 4 2 1 0 6 服。由 于磊體的各囪異牲，切割方彝不同，晶體的吸收發(fā)射截面、熱導(dǎo)率、熱雙折射特性 等各種參數(shù)都會相差很大，從而導(dǎo)致晶體作為激光物質(zhì)輸出激光的特性具有明顯的 差異。根據(jù)f i 玨d l a 弘e l 掣的分析，雖然e 向切割的舔：g i 匹v o 瘁燕體的發(fā)射截霞 7 山東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 、可飽和吸收體調(diào)q 利用非線性飽和吸收介質(zhì)在強(qiáng)激光作用下由于吸收飽和兩被漂白( 或稱透明) 的特性實現(xiàn)調(diào)q 。有機(jī)染料是一種典型的非線性吸收介質(zhì)，在強(qiáng)激光作用下由于吸 收飽和恧對激光呈現(xiàn)透明。此神開關(guān)屬于被動式的快開關(guān)類型，裝置簡單，輸如脈 寬窄，但穩(wěn)定性差。使用有機(jī)染料作為飽和吸收介質(zhì)時需要經(jīng)常更換染料。目前都 在開發(fā)耨型的固體可飽和吸收介質(zhì)佟為被動調(diào)q 組件，如c r 4 + ：y a g 晶體f 1 5 1 、g 加 晶片f 1 9 】以及近幾年剛剛興起的調(diào)q 用半導(dǎo)體可飽和吸收鏡( s e m i c o n d u c t o rs a m r a b l e 曲s 。南e r 弱畦粥r ，筒稱s e s a m ) 幽2 。 3 、脈沖透射式調(diào)q ( 腔倒空) 在激光腔的兩端使用l 反射鏡對激光器進(jìn)行q 開關(guān)轉(zhuǎn)換，在循環(huán)功率的峰+ 值時，迅速把輸出鏡的反射率從1 0 0 降為o ，這就導(dǎo)致所有的光能從腔內(nèi)迅速倒 如腔羚，酃腔倒空技術(shù)。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)之是，產(chǎn)生的q 開關(guān)的脈寬主要是振蕩 器腔長的函數(shù)，而不是激光介質(zhì)增益特性的函數(shù)。確切地說，半功率點(diǎn)的激光脈寬 等于腔內(nèi)的甕返渡越時聞，其條件是所用的q 開關(guān)是在相同的時間周期內(nèi)開關(guān)。因 此，基于容許的腔尺寸，其脈寬可能在2 5n s 的范圍。如果振蕩器在一般的q 開 關(guān)方式下運(yùn)轉(zhuǎn)，箕脈寬要在卜一2 0 濺量級。 應(yīng)用調(diào)q 技術(shù)，可以大大提高峰值功率，縮短脈沖寬度。1 9 6 2 年研制出的第一 臺調(diào)q 激光器的峰值功率只有6 千瓦，以后幾年里輸出功率直線上舞，幾乎每年 增加一個數(shù)量級。目前，調(diào)q 脈沖技術(shù)可以將激光能量壓縮到皮秒量級，將峰值功 率提高到干羅基瓦。 二、鎖模技術(shù) 逶常認(rèn)為，調(diào)q 技術(shù)可以產(chǎn)生脈寬失1 0 4 1 0 母秒量級、峰值功率為兆瓦量級 的巨脈沖。如果想迸一步壓縮脈沖寬度、提高峰值功率，調(diào)q 技術(shù)就難以實現(xiàn)了。 為此，在1 9 6 4 年螽，又發(fā)展起一門新的超短脈沖技術(shù)鎖摸技術(shù)。超短脈沖技術(shù) 是物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、光電子學(xué)，以及激光光譜學(xué)等學(xué)科對微觀世界進(jìn)行研究 和揭示新的超快過程的重要手段。 最基本的鎖模方法有主動鎖模和被動鎖模兩種，還有主被動鎖模、自鎖模、 圈步抽運(yùn)鎖模和碰撞鎖模等多種形式。 9 山東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文 l 、主動鎖模 主動鎖模是使用外加調(diào)制信號實現(xiàn)鎖模的技術(shù)。調(diào)制方法有兩種：振幅調(diào)制( 損 耗調(diào)制) 和頻率調(diào)制。用主動鎖模技術(shù)能夠獲得穩(wěn)定性和重復(fù)性比較好的脈沖激光， 而且適用的波長范圍比較寬，但能夠得到的脈沖寬度一般來說不如用被動鎖模技術(shù) 產(chǎn)生的窄。 2 、被動鎖模 被動鎖模是使用飽和吸收介質(zhì)的非線性吸收效應(yīng)實現(xiàn)鎖模，它不需要任何外加 調(diào)制信號。被動鎖模激光器輸出時間間隔等于光波在諧振腔內(nèi)往返一次的時間的脈 沖序列。被動鎖模最早指染料鎖模，染料對激光的吸收系數(shù)隨腔內(nèi)光強(qiáng)的增大麗減 小，最后變成完全透明介質(zhì)。滿足鎖模條件的振蕩模，它們的強(qiáng)度高，染料對它們 的吸收很弱，在共振腔內(nèi)的工作物質(zhì)中間來回傳播得到光強(qiáng)放大，最后形成激光振 蕩：不滿足鎖模條件的振蕩模，光強(qiáng)度比較弱，被染料強(qiáng)烈吸收，最終不能發(fā)生激 光振蕩。染料隨時間的延長會變質(zhì)，光照也會使其分解，因此用染料作飽和吸收介 質(zhì)時發(fā)射的可重復(fù)性差，現(xiàn)在已很少用。目前應(yīng)用廣泛的為固體可飽和吸收介質(zhì)， 如：c r 4 + ：y a g 晶體f 2 3 。2 5 1 、g a a s 晶片【2 6 2 7 】以及以s e s a m f 2 8 1 為代表的半導(dǎo)體可飽和 吸收體等。 3 、主被動鎖模 主被動鎖模為在主動鎖模激光器中再加可飽和吸收體的鎖模技術(shù)，郎把主動鎖 模和被動鎖模相結(jié)合的鎖模技術(shù)。利用這種技術(shù)可以產(chǎn)生穩(wěn)定性好、脈沖寬度窄的 激光脈沖。， 4 、自鎖模 皇鎖摸又稱克爾透鏡鎖模( k e 撐l e n sm o d eb c 媳塔( 迭l ) ) ，是不需外加主動 或被動調(diào)制組件，僅依靠激活介質(zhì)自身的非線性效應(yīng)對振蕩光束進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制、相 位鎖定，從麗產(chǎn)生超短脈沖的鎖模技術(shù)。鴦鎖模是利用激光晶體的克爾透鏡效應(yīng)( 非 線性折射率介質(zhì)) 和激光晶體內(nèi)部的增益分布形成軟光闌實現(xiàn)鎖模，所以稱為k e r r 透鏡鎖模。克爾透鏡鎖模具有脈寬窄、結(jié)構(gòu)籬單等諸多優(yōu)點(diǎn)。2 0 0 0 年，s u e 姍f a f 2 9 l 等用兩個功率分別為5 0 0m w ，3 5 0m w 的半導(dǎo)體激光器泵浦c r ：l i s 肼晶體兩端 面，在進(jìn)步改進(jìn)腔蠹色散棗 償?shù)臈l件下，獲得了1 0 悉的自鎖模脈沖。但是叁鎖 l o 山東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文 模激光器存在兩個主要問題：一是泵浦源必須是氬離子激光器或y a g 倍頻激光器， 要求腔內(nèi)功率密度足夠高，過度的自調(diào)制引起鎖模的不穩(wěn)定，所以不可避免的具 有體積大，成本高，穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響了固體自鎖模飛秒激光器的穩(wěn)定運(yùn) 轉(zhuǎn)和廣泛應(yīng)用；二是不能自啟動。 5 、同步抽運(yùn)鎖模 簡稱同步鎖模，是采用鎖模激光器輸出的脈沖序列抽運(yùn)激光器的工作物質(zhì)，實 現(xiàn)鎖模振蕩的技術(shù)，這是一種產(chǎn)生皮秒激光脈沖的有效方法。當(dāng)被抽運(yùn)的激光器的 諧振腔腔長與抽運(yùn)激光器的腔長相等或者是它的整數(shù)倍時，激光器的增益在時間上 獲得調(diào)制，在最大增益時域形成激光脈沖輸出，輸出脈沖寬度在最佳條件下比抽運(yùn) 激光脈沖寬度窄2 3 個數(shù)量級。波長或頻率失調(diào)對同步鎖模性能的影響很大。要得 到穩(wěn)定的同步鎖模脈沖，對實驗裝置各部分參數(shù)要恰當(dāng)匹配，作抽運(yùn)用的鎖模激光 器要求穩(wěn)定。 6 、碰撞鎖模 碰撞鎖模通常簡寫為c p m ，在環(huán)形激光諧振腔內(nèi)放置增益介質(zhì)和可飽和吸收介 質(zhì)，它們之間的距離嚴(yán)格調(diào)整到環(huán)形腔周長的l 4 ，相向傳播的兩個脈沖在吸收體 中對撞，相干疊加后產(chǎn)生瞬態(tài)駐波。在駐波的波腹處，光強(qiáng)是行波脈沖的4 倍，它 導(dǎo)致吸收體的深度飽和，光信號損耗很小。波節(jié)處光強(qiáng)很弱，吸收體雖未充分飽和， 但實際損耗很小?？傊?，由于脈沖相撞在吸收體內(nèi)形成空間光柵使飽和吸收更為有 效，因而鎖模過程穩(wěn)定，產(chǎn)生的超短光脈沖更窄。 三、調(diào)q 鎖模 調(diào)q 和鎖模技術(shù)都是獲得短脈沖和高峰值功率的方法。連續(xù)鎖模和調(diào)q 鎖模的 示意圖可以如圖卜3 1 所示。在調(diào)q 鎖模的情況下，鎖模的脈沖又被壓縮在調(diào)q 的 包絡(luò)里面，這樣輸出激光脈沖的峰值功率就獲得了很大的提高。調(diào)q 鎖模的脈沖可 以在激光腔中采用分離的調(diào)q 器件和鎖模的器件來獲得，也可以通過一個器件來獲 得。 山囊憋輦企善豎五甏睽堡基 霎霍薹囊。謦襄蓁烈蓁i 簍蠶器 山東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章c c u tn d ：g d v 0 41 0 6 4 p m 連續(xù)波激光器與熱效應(yīng)的研究 2 1n d ：g d v 0 4 晶體熱效應(yīng) 一、熱效應(yīng)的基本理論 由于激光二極管泵浦的固體激光器( d p s s l ) 具有諸多的優(yōu)點(diǎn)，因此成為近年 來研究的熱點(diǎn)，在眾多的d p s s l 的研究領(lǐng)路中，高功率是一個重要的研究方向。而 高功率固體激光器的研究方向又主要集中在提高輸出功率、改善光束質(zhì)量以及提高 激光器的整體效率等方面，但是研制高光束質(zhì)量、高輸出功率的激光器的最大障礙 x 山東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文 近年來國內(nèi)外的科學(xué)家對如何有效的抑制晶體的熱效應(yīng)做了大量的研究，主 要的方法有： 1 、用光學(xué)補(bǔ)償?shù)姆绞綔p小熱效應(yīng)的影響。對于介質(zhì)中不均勻溫度分布形成的熱透鏡 效應(yīng)可以用修磨激光介質(zhì)端面的方法加以抵消。但是當(dāng)泵浦功率發(fā)生變化時，這種 匹配就被破壞了。因此用這種方法來抑制熱效應(yīng)有一定的局限性。對于高功率激光 器，自平衡熱透鏡補(bǔ)償法也是一個解決熱透鏡效應(yīng)的好方法。這種方法是在諧振腔 內(nèi)放一段可以根據(jù)泵浦功率的大小自動調(diào)整焦距的自適應(yīng)透鏡補(bǔ)償激光介質(zhì)，這種 介質(zhì)形成的負(fù)透鏡與激光介質(zhì)的熱透鏡相互抵消，因而改善光束質(zhì)量和增大固體激 光器輸出功率范圍。熱應(yīng)力雙折射和退片效應(yīng)也是熱效應(yīng)的一個重要方面，對電光 調(diào)q 、倍頻及腔外調(diào)制激光器等以偏振態(tài)工作的固體激光器件有重要的影響。常用 的方法是在激光介質(zhì)于其鄰近的另一塊介質(zhì)之間放置一個石英偏振旋轉(zhuǎn)器，使沿棒 的徑向和切向偏振分量的光通過棒和光學(xué)元件后有相同的位相延遲。 2 、合理的設(shè)計諧振腔參數(shù)。熱效應(yīng)會隨著泵浦時間的增加，以及泵浦功率的增加而 增大，這時就會影響諧振腔內(nèi)的光斑的大小。在設(shè)計諧振腔時，要求介質(zhì)內(nèi)泵光光 斑盡量與腔內(nèi)振蕩光斑達(dá)到最佳的匹配，最佳的匹配才能有效地減少熱效應(yīng)的產(chǎn)生， 而腔內(nèi)光斑發(fā)生了變化，必然會影響匹配的效果，影響轉(zhuǎn)換效率，轉(zhuǎn)換效率越低， 熱效應(yīng)就越明顯。因此，設(shè)計折疊式熱不靈敏腔【3 4 1 ，即使諧振腔對熱效應(yīng)的變化不 敏感，可以在一定泵浦功率范圍內(nèi)解決熱效應(yīng)的問題。 3 、選擇性能更優(yōu)越的激光介質(zhì)。采用復(fù)合晶體，可以達(dá)到很好的散熱的目的例如， n d ：w 0 4 復(fù)合晶體，是兩端的y v 0 4 晶體與中間摻雜的n d ：y v 0 4 激光晶體是擴(kuò)散結(jié) 合的。因為y v 0 4 晶體對泵浦光不產(chǎn)生任何吸收作用，因此復(fù)合晶體中的散熱主要 是通過擴(kuò)散結(jié)合使熱從摻雜部分傳向不摻雜部分，再通過外部致冷系統(tǒng)把熱量散發(fā) 掉。在物理條件( 同一種增益介質(zhì)，幾何尺寸摻雜濃度相同，相同的功率泵浦等) 相同的情況下激光器采用復(fù)合晶體比采用不復(fù)合晶體的光光轉(zhuǎn)換效率提高3 倍【3 5 1 ， 因此利用復(fù)合晶體很好的解決了激光增益介質(zhì)中的熱負(fù)載問題。 4 、從泵浦源入手減少熱效應(yīng)。首先，要求泵源的波長范圍盡量全部落在激光介質(zhì)的 吸收帶內(nèi)，這樣就可以有效地減少熱效應(yīng)的產(chǎn)生。傳統(tǒng)的燈泵，由于其譜帶相對較 寬，分布在紫外到紅外譜帶的成分被基質(zhì)吸收后轉(zhuǎn)變成熱。l d 泵浦，由于其譜帶 1 4 山東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文 很窄，因此現(xiàn)在l d 泵浦，正在逐漸的取代傳統(tǒng)燈泵浦。脈沖泵浦相對連續(xù)泵浦而 言，能有效的抑制熱效應(yīng)，因為激光介質(zhì)可以利用兩個脈沖間隔來進(jìn)行有效的散熱。 而脈沖器件的熱效應(yīng)由不均勻泵浦與冷卻形成熱梯度的綜合影響，二者所起的作用， 取決于脈沖間隔時間和激光材料的熱弛豫時間常數(shù)值比。如果采用單次脈沖或低重 復(fù)頻率脈沖激光泵浦，由于有一個較長的熱傳導(dǎo)降溫的過程，熱效應(yīng)將很不明顯【3 6 1 。 5 、采用先進(jìn)的散熱設(shè)備。 6 、使用低濃度摻雜的激光晶體，降低晶體內(nèi)的熱負(fù)荷密度。 二、n d ：g d v 0 4 熟效應(yīng)的理論分析 1 、n d ：g d v 0 4 晶體的熱模型 由于在實驗中都是把晶體放置在紫銅塊中用循環(huán)水進(jìn)行冷卻，所以假定晶體側(cè) 面溫度保持相對穩(wěn)定，設(shè)為“16 。c 。為了數(shù)學(xué)處理上方便，可以先預(yù)設(shè)為o ， 最后再疊加上冷卻水的溫度。晶體兩個通光端面與空氣接觸，熱交換的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小 于通過晶體側(cè)面熱交換流出的熱量，因此可以假設(shè)晶體兩個端面絕熱，邊界條件為 “( 一號，y ，z ) = 0“( 號，少，z ) = o( 2 1 1 ) “( x ，一號，z ) = o甜( x ，爭，z ) = o ( 2 1 2 ) 掣iz ：0 _ o掣b = o弦1 3 ) 式中口，6 為晶體矩形截面的長和寬，為晶體長度。 由于晶體內(nèi)部有熱源，遵循熱傳導(dǎo)泊松( p o s s i o n ) 方程 k 工害+ ky 爭+ kz 旁+ g y ( x ，少，z ) = o ( 2 - 1 - 4 ) 2 【( 工一譬) 2 + ( y 一譬) 21 1 2 rv = 等( 1 一p 川，) - 1 p 緲；p 川z ( 2 - 1 - 5 ) 式中口為晶體吸收系數(shù)；刀為由熒光量子效應(yīng)和內(nèi)損耗決定的熱轉(zhuǎn)換系數(shù)， 7 7 = l 一等，五p = 8 0 8 i u i l ，名，= 1 0 6 4 i u n ；只。為輸入功率，彩尸為光斑半徑；k ， k ，k ：為晶體各個方向上的熱傳導(dǎo)系數(shù)。 山東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文 d ，= 盯甜( x ，y ，z ) d z ( 2 1 7 ) i j a ，= f 矗z = f 仃鼯( x ，y ，z ) 矗z ( 2 。8 ) oo 其中為激光晶體的熱膨脹系數(shù)。 晶體泵浦端面的相對溫度升高必然會引起熱形變。圖2 1 3 給出了泵浦功率為 1 2 w ，光斑半徑為國產(chǎn)= 3 2 0 蘆瓏時，端面上豹熱形變分布對比鬻，n 矗：懿v 0 4 的熱 形變量為5 2 1 0 4 m m ，熱形變改變了晶體通過方向上的有效長度，并使晶體產(chǎn)生 伴隨熱效應(yīng)的高階球差。 根據(jù)晶體內(nèi)部溫度場分布及晶體表面熱形變可以計算出晶體的熱焦距隨泵浦功 率的變化，如圖2 1 4 。 董 司 | 爪 ； 7ij 眾 | 圖2 。1 3 。n d ：g d v 0 4 晶體泵浦端蔥熱形變 圖2 1 4 熱焦距隨抽運(yùn)功率變純 1 7 山東師箍大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 2 諧振腔理論 泵浦光中只有一部分轉(zhuǎn)化為激光輸出，其余能量轉(zhuǎn)化為熱損耗被激光晶體吸收。 激光材料因吸收了泵浦輻射兩發(fā)熱，麗散熱又要求對其表面進(jìn)行冷卻，這兩者使激 光材料內(nèi)部產(chǎn)生不均勻的溫度分布( 熱梯度) ，導(dǎo)致熱應(yīng)力、應(yīng)力雙折射和熱透鏡效 應(yīng)等，這些熱影響統(tǒng)稱為熱效應(yīng)。其中由于晶體內(nèi)部溫度不均勻分布與熱應(yīng)變彈性 引起的折射率不均勻變化，使光束通過晶體時相當(dāng)于通過一個薄透鏡，e i j 此形成熱 透鏡效應(yīng)。 諧振腔內(nèi)熱透鏡效應(yīng)引起晶體折射率的變化，引起焦距的動態(tài)變化，一般動態(tài) 變化的范圍可以通過計算和實驗兩種方法來確定，實際主要是幽最短的焦距確定。 一旦熱透鏡的最短焦距一定，那么通過選擇合適的腔結(jié)構(gòu)參數(shù)就能保證在熱透鏡效 應(yīng)的動態(tài)范圍內(nèi)仍能保持腔豹穩(wěn)定，既能滿足q g ：竺l 2 處附近變化，從而激光達(dá) 到穩(wěn)定輸出。這種方法特別適合半導(dǎo)體泵浦固體激光的結(jié)構(gòu)，效果不錯。這是確定 熱穩(wěn)定腔的一種簡單易行的方法瑟霸。 在有源直腔激光器中，如圖2 2 1 所示，我們把激光晶體等效為熱透鏡， 焦距為磊距離兩腔鏡為玉和易，諧振腔腔鏡的曲率半徑分別為震i 幫露2 ，則此諧振 膠內(nèi)的光束變換矩陣為【3 8 】： 三耋 = 三： 一0 ，： 三母 l 一生 l ( 2 2 一1 ) 則g 參數(shù)為： 印口一妥小爭一憊g ：小去小爭專鴝一等協(xié)2 兩鏡腔的穩(wěn)定條件： o 能級很快地?zé)o輻射弛豫( n o l l r a d i a t i v ed e c a y ) 到能級l2 ，能級l2 上的粒 子可以以自發(fā)輻射( s p o n t a l l e o u se m i s s i o n ) 或者受激輻射( s i m u l a t e de m i s s i o n ) 的形 式躍遷到l1 。受激輻射可以產(chǎn)生波長為旯l 的光子。如果波長為五l 的光子能夠一 直得到放大，這時候c r 4 + ：y ，a g 晶體就是作為產(chǎn)生激光的增益介質(zhì)。此外，激發(fā)態(tài) 吸收可以使在i2 上的離子被波長為旯p 的激光激發(fā)到更高的能級l5 和i4 。如 果c r 4 + ：y a g 晶體不是作為激光增益介質(zhì)而僅僅是作為摻雜n d 或者y b 離子的激光 材料激光器調(diào)q 運(yùn)轉(zhuǎn)的可飽和吸收體，那么此時五l 的光子不能夠得到放大，不能 夠形成波長的激光，可飽和吸收就僅僅發(fā)生在能級i2 和i5 之間。一旦粒子被從 能級f2 激發(fā)到能級i5 ，它又很快地從能級j5 回到能級i2 ，這個時間是很短 的，為亞納秒量級。 圖3 1 1c r 4 + ：y a g 能級結(jié)構(gòu)圖 二、基念和激發(fā)態(tài)吸收截面 因為c r 4 十：y a g 是通過加一些m 9 2 + ，c a 2 + 等電荷補(bǔ)償雜質(zhì)，使y a g 中少量鉻離 2 x 山東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文 三、結(jié)論 對于l d 抽運(yùn)c c u tn d ：g d v 0 4 晶體1 0 6 4 “m 連續(xù)波激光輸出，由于熱透鏡效應(yīng) 的影響比較明顯，因此在設(shè)計激光器時有必要考慮熱焦距隨泵浦功率的變化及其對 腔穩(wěn)定性的影響。研究了1 0 6 4 p m 激光輸出的熱透鏡效應(yīng)，計算了不同腔長下晶體 內(nèi)振蕩光斑大小以及輸出功率的特性，得出了腔的穩(wěn)定范圍與腔長成反比的結(jié)論， 對于利用腔模匹配來優(yōu)化設(shè)計此類型激光器具有一定的參考價值。 為此，由a b c d 矩陣選取了更有效壓縮k t p 上光斑半徑的v 腔進(jìn)行腔內(nèi)倍頻 實驗。 一、實驗裝置 2 4 全固態(tài)c c u tn d ：g d v 0 4 腔內(nèi)倍頻激光器 圖2 4 1 連續(xù)5 3 2 n m 綠光實驗裝置圖 泵浦源和晶體同上節(jié)，輸入腔鏡m l 表面鍍有1 0 6 4 “m 的高反膜和8 0 8 n m 的高 透膜，m 2 為凹面折返鏡兼綠光輸出鏡，曲率半徑為8 0 i l 吼，表面鍍5 3 2 砌高透和 1 0 6 4 姍高反的雙介質(zhì)膜，m 3 為平面端鏡，鍍5 3 2 1 1 m 和1 0 6 4 m 1 1 的高反膜。k t p 晶 體通光長度為8 n 蚰，采用i i 類相位匹配，4 5 。放置。v 型腔的兩個臂長分別為l o o 舢n 和4 5 m m 。 二、實驗結(jié)果及分析 山東制鈉一萋積x 淄凜墓蘆 而；翼冀塑簍簍垂菱；萋。；霎霎霧塞霧弱。溉綹萋痤堡囂翳箋器；吝設(shè)強(qiáng)懣琦蓁 塞：霧；i 妻 糕| 堂。霪，姜室黼萏薹；翟弱醞篷靄叫弼綴臻測；霾冀射扣豁霸鼢融藏。蓄廖甄誨蔫蠱 醬型疆驥蓁猜囊 x 山東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文 第三章全固態(tài)c c u tn d ：g d v 0 4 被動調(diào)q 激光器理論及實驗研究 3 1c r 4 + ：y a g 的晶體特性 一、能級結(jié)構(gòu) c ，：y - a g 晶體一般是通過在y a g 中添加一些m 9 2 + 、c a 2 + 等電荷補(bǔ)償雜質(zhì)，使 y a g 中少量鉻離子的化合價從c r 3 + 變?yōu)閏 r 4 + 制成的【1 8 】。圖3 1 1 為c r 4 + ：y a g 中c r 4 + 的能級圖。一定波長的光可以把c r 4 + 從基態(tài)能級ig 激發(fā)到能級l3 ，然后粒子 從l3 能級很快地?zé)o輻射弛豫( n o l l r a d i a t i v ed e c a y ) 到能級l2 ，能級l2 上的粒 子可以以自發(fā)輻射( s p o n t a l l e o u se m i s s i o n ) 或者受激輻射( s i m u l a t e de m i s s i o n ) 的形 式躍遷到l1 。受激輻射可以產(chǎn)生波長為旯l 的光子。如果波長為五l 的光子能夠一 直得到放大，這時候c r 4 + ：y ，a g 晶體就是作為產(chǎn)生激光的增益介質(zhì)。此外，激發(fā)態(tài) 吸收可以使在i2 上的離子被波長為旯p 的激光激發(fā)到更高的能級l5 和i4 。如 果c r 4 + ：y a g 晶體不是作為激光增益介質(zhì)而僅僅是作為摻雜n d 或者y b 離子的激光 材料激光器調(diào)q 運(yùn)轉(zhuǎn)的可飽和吸收體，那么此時五l 的光子不能夠得到放大，不能 夠形成波長的激光，可飽和吸收就僅僅發(fā)生在能級i2 和i5 之間。一旦粒子被從 能級f2 激發(fā)到能級i5 ，它又很快地從能級j5 回到能級i2 ，這個時間是很短 的，為亞納秒量級。 圖3 1 1c r 4 + ：y a g 能級結(jié)構(gòu)圖 二、基念和激發(fā)態(tài)吸收截面 因為c r 4 十：y a g 是通過加一些m 9 2 + ，c a 2 + 等電荷補(bǔ)償雜質(zhì)，使y a g 中少量鉻離 2 5 山東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文 子的化合價扶c r 3 + 變?yōu)閏 r 4 + 的，所以c ，：y a g 有大量的c ，的存在，這就導(dǎo)致了 很難準(zhǔn)確測量c r 4 + 離子的濃度，同時c r 4 + ：y a g 晶體中基態(tài)吸收截面( g r o u n ds t a t e a b s o r p t i o ne r o s ss e c t i o n ) 和激發(fā)態(tài)收截面( e x c i t e d - s t a ea b s o 平埴o nc r o s ss e c t i o n ) 閥 樣比較難以準(zhǔn)確的測量。比較可信的數(shù)據(jù)分別是：基態(tài)吸收截面 尉= ( 2 7 4 l o ) lo 1 8 c m 2 ，激發(fā)態(tài)吸收截面盯掰= ( o 8 3 l o ) l o 1 8c m 2 ，激發(fā)能態(tài) 的壽命為4 。l 露s ，更高的激發(fā)能態(tài)的壽命為0 。5n s 。瞰菇5 l 三、c r 4 + ：y a g 的可飽和吸收性 當(dāng)激光腔內(nèi)的功率比較低的時候，c r 4 + ：y a g 中的大部分的離子都布屠在基態(tài) lg ，激發(fā)態(tài)吸收( 從i2 到l5 的躍遷) 比較微弱。在這種情況下，可飽和吸收 體c ，：y a g 僅僅起到調(diào)q 的作用。然兩當(dāng)腔內(nèi)的功率高的時候，大量的離子從 g 被激發(fā)到il ，然后由ll 快速轉(zhuǎn)移到i2 ，在能級i2 上形成一定的布居，這 個時候激發(fā)態(tài)吸收又把能級| 2 上的粒子抽運(yùn)到能級| 5 土，因為腔內(nèi)功率很高， 雖然從l5 到i2 的弛豫時間很短，能級i5 的離子仍然不能被完全排空，這樣就 造成了激發(fā)態(tài)吸收飽和。激發(fā)態(tài)吸收的飽和同樣可以引起腔內(nèi)損耗的變化，因為c r 4 + 從高能級激發(fā)態(tài)l5 到第一激發(fā)態(tài)i2 的弛豫時間很快，所以c r 4 + ：y a g 可以用來 作鎖模。由上述解釋可見，要實現(xiàn)激發(fā)態(tài)增益飽和，必須要有很大的光功率密度。 般需要調(diào)q 脈沖來提供短暫的很強(qiáng)的光功率密度，然后在光功率密度很強(qiáng)的調(diào)q 包絡(luò)里面產(chǎn)生鎖模的信號，這就是所謂的調(diào)q 鎖模( 也就是同時產(chǎn)生調(diào)q 和鎖模) 。 因為調(diào)q 鎖模的信號是將鎖模的信號又壓縮在調(diào)q 的脈沖里面，所以調(diào)q 鎖模的 峰值功率可以比連續(xù)鎖模的峰值功率大好幾個數(shù)量級( 相當(dāng)于調(diào)q 脈沖峰值功率與 連續(xù)光功率的比值) 。通常用的獲得調(diào)q 鎖模脈沖的方法是采用不同的器件，有的 起調(diào)q 的作用，有的是起鎖模的作用。而僅用一塊c r 4 十：y a g 就能實現(xiàn)調(diào)q 鎖模的 功能，便大大地簡化了激光器的構(gòu)造，降低了成本。 3 2c ，：y a g 被動調(diào)q 速率方程 目前，國內(nèi)外學(xué)者對c r 4 十：y a g 作為被動調(diào)q 開關(guān)已進(jìn)行了許多研究。本節(jié)我 們就利用已有的理論對c r 4 + ：y a g 被動調(diào)q 激光器的峰值功率、脈沖寬度和能量進(jìn) 2 6 山東師范大學(xué)碩嫩學(xué)位論文 行理論研究。 一、速率方程 在推導(dǎo)過程中作一些簡化：因為調(diào)q 脈沖持續(xù)時間很短，為r i s 量級，可以忽 略調(diào)q 脈沖形成過程中的泵清項、自發(fā)