全固體黃光激光器.pdf

1、固體激光器具有體積小、效率高、壽命長的優(yōu)點。560-600nm波長范圍的激光在醫(yī)療、光譜學、信息存儲、雷達、大氣探測等領域有廣泛的應用，研制輸出波長在560-600nm范圍的全固體激光器近年來引起眾多科研工作者的廣泛關注。不同于紅、綠、藍激光，560-600nm波長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，近年來取得了重要進展。 受激拉曼散射是一種有效的頻率轉(zhuǎn)換方法，轉(zhuǎn)換后的激光波長由泵浦光的波長和拉曼介質(zhì)決定。拉曼介質(zhì)有氣體、液體和固體三種形態(tài)，對氣體及液體拉曼激光器的研究已經(jīng)有幾十年的時間。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、熱傳導性好、機械特性好等優(yōu)點。而且以晶體作為拉曼介質(zhì)的固體拉曼激光器結構緊湊，

3、效率高，穩(wěn)定性好，在信息、交通、測量、醫(yī)療、國防和工農(nóng)業(yè)等領域都有重要的應用。 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域的研究熱點。俄羅斯科學家在晶體拉曼介質(zhì)生長和固體拉曼激光器研究方面做了許多開創(chuàng)性工作，居世界領先地位。此外，美國、德國、澳大利亞和中國臺灣等國家和地區(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域做了大量工作。在中國大陸，山東大學、上海光學精密機械

4、研究所、福建物質(zhì)結構研究所也在積極地參與固體拉曼激光器的研究工作，在理論和實驗方面已經(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)泵浦主動調(diào)Q腔內(nèi)倍頻拉曼激光器因為把激光晶

5、體、拉曼晶體、調(diào)Q晶體和倍頻晶體集合在一個激光腔中，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，具有結構緊湊、體積小、轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點，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，進行了LD泵浦主動調(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，并建立了主動調(diào)Q腔內(nèi)倍頻拉曼激光器的理論模型。研究內(nèi)容主要有： 1.在速率方程中設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、，研究了激光器相關參數(shù)對激光輸出的影響。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，考慮熱效應對激光器運行的影響，得到了主動調(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端泵主動調(diào)Q腔內(nèi)KTP倍頻拉曼激光器的黃光激光輸出特性。測量了黃光平均輸出功率和脈沖寬度在不同脈沖重復率下隨泵浦功率的變化。當輸入LD泵浦功率為10.1W，脈沖重復率為15kHz時，得到波長為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.進行了LD端泵主動調(diào)Q腔內(nèi)KTP倍頻Nd：YVO4自拉

9、曼激光器和LD端泵主動調(diào)Q腔內(nèi)KTP倍頻Nd：YAG/YVO4拉曼激光器的實驗研究。其中在LD泵浦腔內(nèi)KTP倍頻Nd：YVO4自拉曼激光器實驗中，當輸入LD泵浦功率為6.7W，脈沖重復率為15kHz時，589nm激光的平均輸出功率為482mW，相對于LD泵浦光的轉(zhuǎn)換效率為7.2％。在LD端泵KTP倍頻Nd：YAG/YVO4拉曼激光器實驗中，當輸入LD泵浦功率為8.2W，脈沖重復率為15kHz時，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，采用凸平腔設計以減輕高功率泵浦下的熱效應的影響，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，脈沖重復率為10kHz時，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驗中，當輸入LD泵浦功率為12.6W，脈沖重復率為20kHz時，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。當輸入

12、LD泵浦功率為7.82W，脈沖重復率為20kHz時，得到中心波長為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％。并進行了LD端泵主動調(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。 本論文主要創(chuàng)新點如下： 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，分析了激光器相關參數(shù)對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激光器的運轉(zhuǎn)。首次建立了主動調(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的影響，該理論模型能夠有效模擬該類型激光器的運轉(zhuǎn)。 2.首次實現(xiàn)了LD側(cè)面泵浦主動調(diào)Q腔內(nèi)KTP倍頻。Nd：YAG/BaWO4拉曼激光器的高效運轉(zhuǎn)。當泵浦功率為99W，脈沖重復率為10kHz時，實驗獲得波長為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.首次實現(xiàn)了LD端面泵浦主動調(diào)Q腔內(nèi).KTP倍頻Nd：YAG/SrWO4拉曼激光器的高效運轉(zhuǎn)。其中在三鏡折疊腔型的激光器的實驗中，當輸入LD泵浦功率為12.6W，脈沖重復率為20kHz時，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