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II

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本科生毕业论文

全固态复合腔和频激光器的研究

Study on All solid state All-intracavity Sum-frequency Mixing Laser

学 生 姓 名

专 业

学 号

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年 月

长春理工大学本科毕业论文
摘 要
激光二极管泵浦固体激光器(DPSSL，DPL)具有高效率、结构紧凑、工作稳定、寿命长和全固化等优点，目前已经实现了连续、调Q脉冲和锁模脉冲等模式激光运转。该类激光器在材料加工、军事、医疗、科研等领域获得了广泛的应用，目前已成为国际上新型固体激光器的研究和发展热点，高功率DPL正逐渐成为主流激光器。LD泵浦激光器因其在材料加工、同位素分离等领域的潜在应用更是各发达国家致力研究的重点，国内也开展了这方面的工作。本论文围绕全固态复合腔连续波和频激光器进行了理论和实验研究，并取得了一些成果，论文主要内容和创新点概括为：
1、回顾了全固态激光器的历史和发展:介绍了适合LD泵浦的激光晶体及其主要特性。综述国内外对LD泵浦不同波长全固态激光器的研究。
2、给出了一种复合腔结构和频激光器，用2台激光二极管阵列(LDA)经过光纤耦合分别单独端面泵浦Nd:YVO4和Nd:YAG晶体，其中Nd:YVO4和Nd:YAG晶体所选择的能级跃迁分别为4F3/2到4I11/2 ,4F3/2到4I13/2,其对应激光跃迁波长分别为1064nm和1319nm，两基频激光束分别在两个子谐振腔中振荡，在其交叠区利用KTP II类临界相位匹配 (CPM) 进行腔内和频，获得了589 nm的和频激光。当泵浦功率为8w/14w时获得了340mw连续波TEM00黄激光输出。光束质量因子M2<1.2，激光输出功率噪声低，4h功率不稳定度小于3%。该复合腔结构是实现LDA泵浦589 nm全固态黄光激光器一种有效的和频方法。

关　键　词: 激光二极管阵列 和频 全固态激光器 黄光激光器

ABSTRACT
Diode-pumped solid-state lasers (DPSSL，DPL) have become a developing focus in novel solid-state lasers and have wide applications in material processing, military, medical therapeutics, basic research, etc. Due to their advantages, such as high efficiency,compactness,stability,long lifetime and all solid-state construction, high power solid-state lasers are becoming mainstream lasers, and LD pumped laser has become the researching emphasis because its potential applications in material processing, laser isolation of uranium isotopes, etc. In this dissertation the theoretical and experimental researches All solid state continuous wave doubly resonant all intra cavity sum frequency laser at 589 nm.
The contents can be outlined as follows:
1、The history and development of all crystals suitable for LD pumping solid state lasers are reviewed; laser and their main performances introduced.The domestically and abroad research evolution of LD pumped different wavelength all solid-state lasers has been summarized.
2、A resonator designed for doubly resonant continuous-wave intra-cavity sum-frequency mixing (SFM) laser is studied. Nd:YVO4 and Nd:YAG are pumped by two Laser Diode Array (LDA)which were coupled by optical fiber respectively, 1 064 nm wavelength is obtained from 4F3/2-4I11/2 transition in Nd:YVO4and 1319 nm wavelength is obtained from 4F3/2-4I13/2 transition in Nd: YAG. Both laser beams are oscillated in two sub-cavity , and a KTP with type II Critical Phase Match (CPM) is used at the overlap of the two fundamental laser beams to realize the 589 nm SFM laser. An output power of 340 m W continuous-wave TEM00 yellow laser could be obtained with 8w/14w pump power. The output power is with low noise and a M2 factor of less than 1.2. The power instability is less than ±3% within 4h. Doubly resonant is an effective solution to realize 589 nm all solid state yellow laser pumped by LDA.
Key words: Laser diode array Sum-frequency All solid state laser Yellow laser

目 录
摘 要
ABSTRACT
目录
第一章 绪论 1
1.1LD泵浦全固态激光器的发展 1
1.2LD泵浦全固态和频激光器研究进展 3
1.2.1LD泵浦固体激光器的基频光与LD直接发出的激光进行和频 4
1.2.2LD泵浦固体激光器所产生的两个基频激光进行和频 4
1.2.3紫外激光以及深紫外激光的产生 6
1.3 LD泵浦全固态激光器的发展方向 7
第二章LD泵浦双通道全固态腔内和频激光器的理论分析 9
2.1和频光输出特性 9
2.2连续运转激光器的泵浦功率 10
第三章全固态589纳米复合腔连续波和频激光器的实验研究 14
3.1实验方案 14
3.2实验结果 15
3.3实验结论 17
第四章 结论与展望 18
参考文献 20

致谢 23

6

第一章 绪论
采用激光二极管作泵浦源的全固态激光器具有体积小、结构紧凑、效率高和光束质量好等优点，应用前景广阔。通过腔内倍频、和频、差频等非线性光学混沌效应，可高效的获得不同于腔内振荡波长的其他波长激光器。目前激光二极管泵浦腔内混频激光器主要应用于腔内倍频激光器。对激光二极管泵浦腔内倍频红、绿和蓝光激光器的研究报告常见于各相关文献，并已在很多领域获得了广泛应用。然而,在550nm～620nm的激光束由于缺少相应基频光,很难通过上述倍频技术得到。但是该波段激光在显示、医疗和各种野外作业中,特别是有雾气情况下的大地测量上有特殊的用途。如果在激光谐振腔内可以获得两个不同波长的激光谱线同时振荡,选择确定切割角度的非线性晶体进行腔内和频恰能够产生该波段激光。LDA抽运的腔内和频激光器的基础是腔内双波长的产生。从90年代初开始,有些作者已对各种掺钕离子激光增益介质双波长振荡和输出的可能性进行了研究,并从理论上给出了双波长振荡条件。目前利用双波长在非线性晶体内和频产生不同波长的研究主要有腔内和频和腔外和频方法。
与全固体腔内倍频激光器相比，对其他腔内混频激光器的研究较少，如采用和频或差频等腔内非线性光学相互作用的全固态激光器。由于大多数激光晶体具有多个跃迁谱线，若通过谐振腔参数的控制，在激光谐振腔内获得两个以上不同波长的激光谱线振荡，选择确定切割的非线性晶体，在腔内获得与激光发射谱线不同的和频或差频波长输出，而和频激光器与差频激光器相比，能够产生更短的激光波长，因此具有较高的实用价值。
1.1LD泵浦全固态激光器的发展
早期的固体激光器采用闪光灯作为泵浦源，由于闪光灯的发射光谱宽，固体激光介质的吸收带很窄，因而电--光转换效率很低，仅为1～5％。这一主要因素在一段时间内制约了固体激光器的发展与应用。1962年[1],第一只同质结砷化镓半导体激光器问世；1963年,美国人纽曼首次提出了用半导体材料的二极管作为固体激光器的泵浦源的构想[2]。但在早期,由于LD制作技术不完善，LD工作稳定性差，转换效率低，寿命比闪光灯还短，而且需要采用液氮来冷却，其优越性未得到体现。因此LD作为固体激光器的泵浦源显得很不成熟[3,4]，在近二十年的时间内未能引起人们的重视，DPSSL技术研究工作停止不前。进入八十年代后，随着分子束外延(Molecular Beam Expitaxy或MBE)和MOCVD等现代“非平衡生长技术”被引入到III－V族宽带半导体材料的生长中，以及量子阱、应变量子阱结构的采用，LD的各项性能指标得到很大改善，使LD作为全固体激光器的泵浦源成为可能[5]。进入90年代，由于LD的发展及外延生长技术的提高，LD的发射波长已经覆盖600nm～2.0，适于LD泵浦的激光增益介质也从最先单一的掺Nd3＋介质，扩展到掺有三价稀土离子Yb3＋、Er3＋、Tm3＋、Ho3＋和过渡金属离子Cr3＋等的多种激光晶体，各种类型的全固体激光器应运而生：LD泵浦单块腔（monolthic）、腔内倍频、腔内和频、被动/主动调Q、锁模等。在每个场合，只要有机会，激光二极管就会把其他类型的激光器推到一边。只要功率足够，波长合适，它就能以其体积小，效率高的优势取得胜利。所有这些都使得DPSSL的研究工作日趋活越。
与传统的闪光灯泵浦固体激光器相比，LD泵浦全固体激光器的优点在于兼备了LD和固体激光器两者的优点，并且互相弥补了对方的某些缺点，使激光器的各项性能指标及在实现产业化方面都取得了极大的进步[6]。概括起来有以下几点：
1.总体转换效率有很大提高，可达15％以上，这比传统灯泵浦固体激光器的总效率提高了5～10倍。其主要原因是可以将LD的发射波长准确调整到固体激光晶体的吸收峰上（如图1.1），从而使泵浦光能更多地用来增加反转粒子数。

图1.1 Nd:YAG的吸收光谱与闪光灯、LD发射光谱的比较
2.频率稳定性更高。其原因是LD输出功率稳定性很高，降低了泵浦功率的波动对线宽的影响；同时，激光晶体可以不吸收无用辐射，热效应也大大减小，因此激光器的噪声特性可以得到很大改善。目前LD泵浦全固体激光器的频率稳定性和线宽已可以和气体激光器相媲美。单频输出的漂移小于10kHz，输出功率波动小于1％。
3.光束质量高。激光晶体热负载的减小可以提高光束质量。目前一台千瓦级灯泵的固体激光器其光束发散角是衍射极限的40～60倍。而同等功率的LD泵浦固体激光器的光束发散角仅为衍射极限的二倍。在纵向泵浦时，可以产生近于衍射极限的激光输出。
4.可靠性高，寿命长。LD泵浦的全固体激光器，寿命可长达104～105小时，而灯泵固体激光器的寿命通常只有400多小时。
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