LD泵浦Nd-LYSO、Nd-LuGdAG激光特性研究.pdf

1、根據(jù)工作物質(zhì)的類型可以把激光器分為固體、液體、氣體和半導(dǎo)體激光器四大類?？傮w上說，LD（激光二極管）泵浦的固體激光器（全固態(tài)激光器）結(jié)合了固體激光器和半導(dǎo)體激光器的優(yōu)點(diǎn)，體積小、效率高、光束質(zhì)量好、工作穩(wěn)定可靠，在工業(yè)、醫(yī)療、國防、信息技術(shù)和科技前沿等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，已經(jīng)成為固體激光器領(lǐng)域的主流研究方向。
　　 工作物質(zhì)在激光器中具有核心地位，也是激光器領(lǐng)域基本的研究內(nèi)容。目前已經(jīng)在數(shù)百種固體工作物質(zhì)中實(shí)現(xiàn)了激光運(yùn)轉(zhuǎn)，輸出譜

2、線有數(shù)千條。其中摻Nd3+材料倍受關(guān)注，從常見的全固態(tài)綠光激光筆到科技前沿的激光核聚變驅(qū)動(dòng)器，已經(jīng)在很多領(lǐng)域獲得了實(shí)際應(yīng)用。在諸多摻Nd3+晶體材料中，應(yīng)用最普遍的莫過于Nd:YAG晶體和Nd:YVO4晶體。然而每種晶體材料都會(huì)存在一些固有的不足，比如Nd:YAG晶體的摻雜濃度低、生長成本高，Nd:YVO4晶體的熱效應(yīng)明顯、光損傷閾值較低。因此探索新型激光材料、研究他們的運(yùn)轉(zhuǎn)特性是激光領(lǐng)域重要的研究內(nèi)容。
　　 一般而言，正硅酸

3、鹽材料允許較高的摻雜濃度并且具有良好的機(jī)械和化學(xué)性能。其中Lu2SiO5(LSO)和Y2SiO5(YSO)都屬于低對(duì)稱性的單斜晶系，具有C2/c空間群結(jié)構(gòu)，晶格中具有兩個(gè)不對(duì)稱的稀土格位。Nd:YSO由于具有生長性能好、自然雙折射強(qiáng)、吸收和發(fā)射譜線寬、吸收截面大等優(yōu)點(diǎn)而頗受關(guān)注，而LSO具有更好的熱學(xué)性能。(LuxY1-x)2SiO5(LYSO)則把它們的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合了起來，由于Lu3+離子和Y3+離子的半徑差只有5％，因而Lu取代Y不會(huì)改

4、變晶體的結(jié)構(gòu)。重要的是這種取代將進(jìn)一步增加晶體結(jié)構(gòu)的無序性，導(dǎo)致激活離子的光譜具有更加顯著的非均勻加寬，進(jìn)而在某些應(yīng)用中表現(xiàn)出更好的性能，例如Q調(diào)制中的能量增強(qiáng)效應(yīng)、鎖模中更短的脈沖寬度以及對(duì)泵浦源的光譜匹配要求不嚴(yán)格等。
　　 石榴石型晶體在眾多的激光晶體材料中占有重要的地位，其中Lu3Al5O12(LuAG)晶體具有高的熱導(dǎo)率和良好的物理和化學(xué)性能，而用半徑更大的Gd3+離子取代Ld3+離子有助于Nd3+離子的摻雜，進(jìn)而增加

5、泵浦效率。
　　 本文研究近年出現(xiàn)的兩種新型激光晶體Nd:(LuxY1-x)2SiO5(Nd:LYSO)和Nd:(LuxGd1-x)3Al5O12(Nd:LuGdAG)，涉及晶體的光學(xué)特性、LD泵浦激光的連續(xù)和被動(dòng)調(diào)Q運(yùn)轉(zhuǎn)性能以及非線性頻率變換等方面，主要內(nèi)容如下:
　　 介紹了全固態(tài)激光器的研究歷史和優(yōu)勢、摻Nd3+激光晶體的躍遷機(jī)制、被動(dòng)調(diào)Q技術(shù)的特點(diǎn)和Cr4+:YAG晶體的可飽和吸收特性，綜述了Nd:LYSO固體激

6、光器和Nd:LuGdAG固體激光器的相關(guān)研究進(jìn)展。
　　 利用偏光顯微鏡和棱鏡耦合儀對(duì)Nd:LYSO晶體進(jìn)行了光性方位和折射率的測定:b軸與X軸反向，(α，Y)=23.3°，(c，Z)=-10.5°;nX=1.7915，nY=1.7933，nz=1.8144(λ=632.8nm)。用分光光度計(jì)測得了Nd:LYSO晶體300～1000nm波段的室溫偏振吸收譜，并利用Judd-Ofelt理論對(duì)光譜參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，得到在Nd:LYSO

7、晶體中Nd3+離子的輻射壽命為240μs，發(fā)現(xiàn)在811nm附近電場方向平行于X軸時(shí)吸收截面最大，平行于Y軸時(shí)吸收截面最小。利用熒光光譜儀在800～1400nm范圍內(nèi)測得了Nd:LYSO晶體的室溫偏振吸收譜和發(fā)射譜，以及室溫和低溫(78K)的非偏振發(fā)射譜，并根據(jù)Fuchtbauer-Ladenbrug公式計(jì)算了Nd:LYSO晶體的偏振發(fā)射截面。發(fā)現(xiàn)Nd:LYSO晶體有望獲得912nm、1076nm和1359nm附近的激光運(yùn)轉(zhuǎn)，室溫時(shí)Nd:

8、LYSO晶體以非均勻加寬為主。
　　 研究了LD端面泵浦固體激光器模型，寫出了四能級(jí)系統(tǒng)的閾值和斜效率表達(dá)式。討論了Cr4+:YAG被動(dòng)調(diào)Q激光器的速率方程，給出了Q激光器脈沖能量、峰值功率和脈沖寬度的表達(dá)式。對(duì)LD泵浦Nd:LYSO（b切、0.5at.％）1075nm和1079nm雙波長激光器進(jìn)行了研究，當(dāng)吸收泵浦功率3.87W時(shí)得到1.1W的連續(xù)雙波長激光輸出，光光轉(zhuǎn)換效率28.4％，斜效率32.4％;用Cr4+:YAG晶體

9、進(jìn)行被動(dòng)調(diào)Q得到的最大平均輸出功率為294mW，最窄脈沖寬度為27.5ns，最大脈沖能量為34.3μJ，最高峰值功率為1.18kW。同時(shí)也研究了與Nd:LYSO結(jié)構(gòu)相同性能相近的Nd:LSO晶體（b切、0.5at.％）的1075nm和1079nm雙波長激光運(yùn)轉(zhuǎn)特性，在吸收泵浦功率3.86W時(shí)獲得了1.09W連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)雙波長激光輸出，光光轉(zhuǎn)換效率為28.2％，斜效率為30.9％;被動(dòng)調(diào)Q運(yùn)轉(zhuǎn)獲得的最大平均輸出功率為630mW、最窄脈沖寬度4

10、2.5ns、最大脈沖能量54.8μJ，最高峰值功率為1.16kW。發(fā)現(xiàn)對(duì)于這兩種晶體，非均勻加寬的影響導(dǎo)致使用透過率較小的輸出鏡可以獲得更高的效率。
　　 對(duì)沿不同主軸方向切割Nd:LYSO晶體，分別研究了它們的4F3/2→4I11/2躍遷的激光特性。由于Y切的晶體對(duì)泵浦光的吸收最強(qiáng)，再加上在1.08μm附近不同偏振方向的發(fā)射截面相近，所以獲得了最低的閾值和最高的效率。連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)用X切Nd:LYSO晶體得到7.56W輸出，用入射

11、泵浦功率計(jì)算其最大光光轉(zhuǎn)換效率和斜效率分別為26.5％和33.1％（用吸收泵浦功率計(jì)算為52.5％和55.8％）;用Y切晶體得到10.3W輸出，最大光光轉(zhuǎn)換效率和斜效率分別為36.4％和45.9％（用吸收泵浦功率計(jì)算為50.2％和54.8％）;Z切晶體得到的結(jié)果為7.61W、26.7％和32.3％(49.1％和51.5％)。這三種切向的晶體在高泵浦下輸出激光均含1076nm和1079nm譜線。X切晶體的激光光譜以1076nm為主，107

12、9nm所占比例甚小，Y切和Z切晶體的輸出均以1079nm為主。就偏振特性而言，除X切晶體輸出的1076nm激光譜線沿Y軸的振動(dòng)明顯強(qiáng)于沿Z軸的振動(dòng)外，得到的其它激光譜線均基本為沿某一主軸方向的線偏振光。
　　 利用Cr4+:YAG晶體研究了沿不同主軸方向切割Nd:LYSO晶體4F3/2→4I11/2躍遷激光的被動(dòng)調(diào)Q運(yùn)轉(zhuǎn)特性。用X切晶體獲得的最高平均輸出功率為2.64W（光光轉(zhuǎn)換效率9.3％，斜效率14.9％）、最窄脈沖寬度為1

13、0.9ns、最大脈沖能量為120.9μJ，最高峰值功率為7.8kW。對(duì)Y切晶體上述參數(shù)分別為4.36W(16.8％，24.8％)、8.3ns、150.8μJ和14.7kW。Z切晶體得到3.17W(12.2％，18.4％)、10.1ns、52.1μJ和4.7kW?？赡苁怯捎贑r4+:YAG晶體的熱效應(yīng)和Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)的影響，輸出光譜較為復(fù)雜。但在最高泵浦功率時(shí)，每種組合最強(qiáng)的輸出波長基本相對(duì)應(yīng)于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的最強(qiáng)波長。

14、r>　　 研究了沿不同主軸方向切割Nd:LYSO晶體4F3/2→4I13/2躍遷激光的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)特性，用X切晶體得到最大輸出功率2.22W，最大光光轉(zhuǎn)換效率和斜效率分別為9.0％和12.5％（用吸收泵浦功率計(jì)算為18.3％和24.8％）;Y切晶體得到2.61W、13.2％和17.1％（19.6％和24.7％）;Z切晶體得到3.05W、11.7％和16.1％(22.1％和27.2％)。發(fā)現(xiàn)就運(yùn)轉(zhuǎn)效率而言Y切晶體仍然占有較明顯的優(yōu)勢，但Z切

15、晶體的輸出功率最高，應(yīng)該是由Z切晶體在該波段的峰值受激發(fā)射截面較大造成的。
　　 對(duì)Nd:LuGdAG晶體800～1400nm波段的室溫?zé)晒夤庾V進(jìn)行了測量，發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)于Nd3+離子4F3/2→4I9/2、4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2躍遷的三組發(fā)射峰中心波長分別位于946.5nm、1063.5nm和1338nm附近，隨之用LD泵浦成功實(shí)現(xiàn)了基于這三種躍遷的激光運(yùn)轉(zhuǎn)。
　　 在LD泵浦1064nmNd:L

16、uGdAG激光器的研究中，當(dāng)最大入射泵浦功率為31.4W時(shí)，得到6.88W的最大連續(xù)功率輸出，光光轉(zhuǎn)換效率為21.9％，斜效率為26.3％（用吸收泵浦功率計(jì)算為75.6％）。利用Cr4+:YAG晶體進(jìn)行了Q調(diào)制得到3.94W的最大平均功率輸出，相應(yīng)的光光轉(zhuǎn)換效率和斜效率分別為12.5％和15.1％（用吸收泵浦功率計(jì)算為43.4％）。獲得的最窄脈沖寬度為5.8ns，最大脈沖能量為36.4μJ，最高峰值功率為6.1kW。
　　 在L

17、D泵浦1.3μmNd:LuGdAG激光器實(shí)驗(yàn)中得到了3.31W的最大功率輸出，最高光光轉(zhuǎn)換效率和最大斜效率分別為10.5％和13.0％(用吸收泵浦功率計(jì)算為37.4％)。
　　 分析了準(zhǔn)三能級(jí)系統(tǒng)理論模型，對(duì)LD泵浦948nmNd:LuGdAG激光器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。最大泵浦功率26.3W時(shí)得到3.03W的連續(xù)功率輸出，相應(yīng)的光光轉(zhuǎn)換效率為11.5％，斜效率為15.6％（用吸收泵浦功率計(jì)算為44.8％）。利用Cr4+:YAG晶體進(jìn)

18、行被動(dòng)調(diào)Q，在26.3W入射泵浦功率下得到1.01W的最大平均功率輸出，獲得的最窄脈沖寬度、最大脈沖能量和最高峰值功率分別為20.7ns，124.0μJ和5.8kW。
　　 介紹了倍頻的基本理論，利用LBO晶體（Ⅱ類相位匹配）進(jìn)行腔內(nèi)倍頻，成功獲得了LD泵浦474nmNd:LuGdAG/LBO藍(lán)光激光輸出。連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)得到802mW的藍(lán)光激光輸出，光光轉(zhuǎn)換效率為3.0％（用吸收泵浦功率計(jì)算為8.6％）。在Cr4+:YAG被動(dòng)調(diào)Q運(yùn)