全固體黃光激光器.pdf

1、固體激光器具有體積小、效率高、壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。560-600nm波長(zhǎng)范圍的激光在醫(yī)療、光譜學(xué)、信息存儲(chǔ)、雷達(dá)、大氣探測(cè)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，研制輸出波長(zhǎng)在560-600nm范圍的全固體激光器近年來(lái)引起眾多科研工作者的廣泛關(guān)注。不同于紅、綠、藍(lán)激光，560-600nm波長(zhǎng)的激光很難通過直接倍頻摻釹材料的激光得到高效、高功率的輸出。因而必須尋找其他途徑以獲得工作于560-600nm波長(zhǎng)范圍的高效固體激光器，其中，利用晶體中的受激拉曼散射(Sti

2、mulated Raman Scattering,SRS)獲得黃光激光是一種有效的方法，近年來(lái)取得了重要進(jìn)展。 受激拉曼散射是一種有效的頻率轉(zhuǎn)換方法，轉(zhuǎn)換后的激光波長(zhǎng)由泵浦光的波長(zhǎng)和拉曼介質(zhì)決定。拉曼介質(zhì)有氣體、液體和固體三種形態(tài)，對(duì)氣體及液體拉曼激光器的研究已經(jīng)有幾十年的時(shí)間。與氣體和液體拉曼介質(zhì)相比，固體拉曼介質(zhì)具有粒子濃度大、體積小、拉曼增益高、熱傳導(dǎo)性好、機(jī)械特性好等優(yōu)點(diǎn)。而且以晶體作為拉曼介質(zhì)的固體拉曼激光器結(jié)構(gòu)緊湊，

3、效率高，穩(wěn)定性好，在信息、交通、測(cè)量、醫(yī)療、國(guó)防和工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用。 近幾年固體拉曼介質(zhì)及固體拉曼激光已成為激光材料和器件領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。俄羅斯科學(xué)家在晶體拉曼介質(zhì)生長(zhǎng)和固體拉曼激光器研究方面做了許多開創(chuàng)性工作，居世界領(lǐng)先地位。此外，美國(guó)、德國(guó)、澳大利亞和中國(guó)臺(tái)灣等國(guó)家和地區(qū)的研究者都在積極地參與固體拉曼激光器的研究。其中，澳大利亞的科研工作者在晶體拉曼黃光激光器領(lǐng)域做了大量工作。在中國(guó)大陸，山東大學(xué)、上海光學(xué)精密機(jī)械

4、研究所、福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所也在積極地參與固體拉曼激光器的研究工作，在理論和實(shí)驗(yàn)方面已經(jīng)取得了一些研究成果。 通過晶體中的受激拉曼散射獲得黃光激光有兩種途徑：一是利用Nd3+的1.06gm激光作為泵浦源，通過受激拉曼散射產(chǎn)生-階Stokes激光，再通過倍頻便可以得到黃橙波段的激光：二是采用532nm綠光作為泵浦源，通過受激拉曼散射也可以獲得黃橙波段的激光。在第一種途徑中，激光二極管(LD)泵浦主動(dòng)調(diào)Q腔內(nèi)倍頻拉曼激光器因?yàn)榘鸭す饩?/p>

5、體、拉曼晶體、調(diào)Q晶體和倍頻晶體集合在一個(gè)激光腔中，不需要額外的激光器作為基頻激光源，充分利用了腔內(nèi)基頻光和拉曼光高的脈沖峰值功率密度，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此成為從晶體拉曼激光器獲得黃光輸出最重要的途徑。通過選擇不同的拉曼晶體，可以獲得不同波長(zhǎng)的黃光激光輸出。 磷酸鈦氧鉀(KTP)作為一種優(yōu)秀的非線性晶體，具有大的二類相位匹配有效非線性系數(shù)、價(jià)格便宜、不潮解、受溫度變化影響小的優(yōu)良特性，是腔內(nèi)倍頻拉曼激光器

6、中倍頻晶體的理想選擇。本文以KTP作為倍頻介質(zhì)，配合多種拉曼晶體和自拉曼晶體，進(jìn)行了LD泵浦主動(dòng)調(diào)Q腔內(nèi)倍頻拉曼激光器的研究，在LD側(cè)泵系統(tǒng)中得到了晶體拉曼激光器的最高黃光輸出功率，在LD端泵系統(tǒng)中得到了腔內(nèi)倍頻拉曼激光器的最高轉(zhuǎn)換效率，并建立了主動(dòng)調(diào)Q腔內(nèi)倍頻拉曼激光器的理論模型。研究?jī)?nèi)容主要有： 1.在速率方程中設(shè)定泵浦光橫向分布為Top-Hat模式，腔內(nèi)激光橫向分布為Gaussian模式，得到了LD泵浦調(diào)Q激光器的理論模型

7、，研究了激光器相關(guān)參數(shù)對(duì)激光輸出的影響。將該模型與泵浦光和腔內(nèi)激光橫向分布都考慮為Gaussian模式的理論模型及平面波近似下的理論模型進(jìn)行了比較，證明該理論模型同泵浦光和腔內(nèi)激光橫向分布都考慮為Gaussian模式的理論模型一樣能夠有效描述LD泵浦調(diào)Q激光器的運(yùn)轉(zhuǎn)。 2.在速率方程中考慮泵浦光、腔內(nèi)基頻光和拉曼光光子數(shù)密度的橫向分布，考慮熱效應(yīng)對(duì)激光器運(yùn)行的影響，得到了主動(dòng)調(diào)Q腔內(nèi)倍頻拉曼激光器的理論模型，該理論模型能夠有效描

8、述此類激光器的運(yùn)轉(zhuǎn)。 3.研究了以Nd：YAG和GdVO4分別為激光介質(zhì)和拉曼介質(zhì)，LD端泵主動(dòng)調(diào)Q腔內(nèi)KTP倍頻拉曼激光器的黃光激光輸出特性。測(cè)量了黃光平均輸出功率和脈沖寬度在不同脈沖重復(fù)率下隨泵浦功率的變化。當(dāng)輸入LD泵浦功率為10.1W，脈沖重復(fù)率為15kHz時(shí)，得到波長(zhǎng)為587nm.的黃光的最高平均輸出功率為763mW，從LD到黃光的轉(zhuǎn)換效率為7.5％。 4.進(jìn)行了LD端泵主動(dòng)調(diào)Q腔內(nèi)KTP倍頻Nd：YVO4自拉

9、曼激光器和LD端泵主動(dòng)調(diào)Q腔內(nèi)KTP倍頻Nd：YAG/YVO4拉曼激光器的實(shí)驗(yàn)研究。其中在LD泵浦腔內(nèi)KTP倍頻Nd：YVO4自拉曼激光器實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)輸入LD泵浦功率為6.7W，脈沖重復(fù)率為15kHz時(shí)，589nm激光的平均輸出功率為482mW，相對(duì)于LD泵浦光的轉(zhuǎn)換效率為7.2％。在LD端泵KTP倍頻Nd：YAG/YVO4拉曼激光器實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)輸入LD泵浦功率為8.2W，脈沖重復(fù)率為15kHz時(shí)，588nm激光的平均輸出功率為610mW，

10、從LD到黃光的轉(zhuǎn)換效率為7.4％。 5.進(jìn)行了以Nd：YAG晶體作為激光介質(zhì)，BaWO4晶體作為拉曼介質(zhì)，KTP作為倍頻介質(zhì)，采用聲光調(diào)Q的LD側(cè)泵腔內(nèi)倍頻拉曼激光器的研究，采用凸平腔設(shè)計(jì)以減輕高功率泵浦下的熱效應(yīng)的影響，提高了激光器在高功率泵浦下的黃光輸出功率。在泵浦功率為99W，脈沖重復(fù)率為10kHz時(shí)，590.4nm激光的平均輸出功率為3.14W，這是從晶體拉曼激光器獲得的最高黃光輸出功率。 6.分別研究了直腔型和

11、折疊腔型的LD端泵主動(dòng)調(diào)Q腔內(nèi)KTP倍頻Nd：YAG/SrWO4拉曼激光器的黃光輸出特性。在折疊腔型的激光器實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)輸入LD泵浦功率為12.6W，脈沖重復(fù)率為20kHz時(shí)，590nm激光的平均輸出功率為1.4W，從LD到黃光的轉(zhuǎn)換效率為11.1％，這是目前腔內(nèi)倍頻拉曼激光器的最高效率。 7.研究了以Nd：YAG晶體作為激光介質(zhì)，KLu(WO4)2晶體作為拉曼介質(zhì)，采用聲光調(diào)Q的LD端泵內(nèi)腔式拉曼激光器的拉曼光的激光特性。當(dāng)輸入

12、LD泵浦功率為7.82W，脈沖重復(fù)率為20kHz時(shí)，得到中心波長(zhǎng)為1177.9nm的一階斯托克斯光的最高平均輸出功率為1.33W，從LD到拉曼光的轉(zhuǎn)換效率為17％。并進(jìn)行了LD端泵主動(dòng)調(diào)Q腔內(nèi)KTP倍頻Nd：YAG/KLu(WO4)2拉曼激光器的研究，獲得了平均功率為227mW的589nm激光輸出。 本論文主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下： 1.首次建立了翻轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度為Top-Hat分布，腔內(nèi)光子密度為高斯分布的LD泵浦調(diào)Q激光器理論模

13、型，分析了激光器相關(guān)參數(shù)對(duì)激光輸出特性的影響，該理論模型能夠有效描述LD泵浦調(diào)Q激光器的運(yùn)轉(zhuǎn)。首次建立了主動(dòng)調(diào)Q腔內(nèi)倍頻拉曼激光器的理論模型，在該模型中，考慮了泵浦光和腔內(nèi)基頻光、拉曼光的空間分布，考慮了激光晶體熱效應(yīng)的影響，該理論模型能夠有效模擬該類型激光器的運(yùn)轉(zhuǎn)。 2.首次實(shí)現(xiàn)了LD側(cè)面泵浦主動(dòng)調(diào)Q腔內(nèi)KTP倍頻。Nd：YAG/BaWO4拉曼激光器的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)泵浦功率為99W，脈沖重復(fù)率為10kHz時(shí)，實(shí)驗(yàn)獲得波長(zhǎng)為590

14、.4nm的黃光激光的最高平均輸出功率為3.14W，這是從晶體拉曼激光器中獲得的最高黃光輸出功率。 3.首次實(shí)現(xiàn)了LD端面泵浦主動(dòng)調(diào)Q腔內(nèi).KTP倍頻Nd：YAG/SrWO4拉曼激光器的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。其中在三鏡折疊腔型的激光器的實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)輸入LD泵浦功率為12.6W，脈沖重復(fù)率為20kHz時(shí)，得到590nm激光的最高平均輸出功率為1.4W，從LD到黃光的轉(zhuǎn)換效率為11.1％，這是從腔內(nèi)倍頻拉曼激光器獲得的最高轉(zhuǎn)換效率。 4.首