激光二极管端面泵浦固体激光器及倍频技术研究定稿讲解文档格式.docx
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结论21
总结与体会22
谢辞22
参考文献、资料：
23
摘要
本文主要介绍激光二极管泵浦固体激光器（LaserDiodepumpedSolidStateLaser，简称DPSSL的相关知识，并结合实验室现有条件在此领域作了一些实验性的工作。
本文主要阐述了激光二极管泵浦固体激光器的基本理论，以及泵浦源的特性和常见泵浦方式，同时也介绍了DPSSL常用晶体材料，在此基础上，阐述了DPSSL的技术问题，从基本结构到泵浦耦合系统，都作了一一阐述，同时对激光倍频技术作了一定的介绍，在立足现有实验条件下，设计并实现了LD泵浦Nd:
YVO4/KTP绿光激光器的实验系统，实现了绿光激光泵浦阈值在542mw，在半导体激光器输出激光功率为900mw时，倍频输出绿光功率为11.2lmw，相应的光-光转换效率为1.3%。
最后介绍了DPSSL的应用情况。
【关键词】：
DPSSLKTPNd:
YVO4倍频端面泵浦
Abstract
Inthisdissertation,theauthormakesaparticularintroductiontothesubjectlaserpumpedsolidstatelaser（DPSSL,forstort,andcarriesonsomeexperimentalresearchinthisfieldFirst,it’smainlyexpatiatedonhowthelaserworks,includingthetheoryandsomematerialusedtoproducelaser.onthebase,theauthoremphasizesmuchacademicandtechnicalviewpointonDPSSL.It’sintroducedfromdiodelasertothecouplingopticalsystem,fromtheDPSSLcrystaltotheDPSSLstructures.ThelaserSHGtechnologyiswritteninthisdissertationtoo.Secondly,It’sreportedthatauthorfinishedtheDPSSLexperimentalsysteminhislaboratory,wherethecrystalNd:
YVO4andKTPisinuse.It’ssaidthatthepumpingthresholdis542mw,TheoutputpowerofgreenlaserthroughSHGis11.21mwwhenthepumpingpoweris900mw.Theopticalconvertionefficiencyreached1.3%.Finally,theapplicationofDPSSLhasbeenintroduced.
【KEYWORDS】：
DPSSL,KTP,Nd:
YVO4，SHG,End-pumping
前言
自1960年梅曼（T.Maiman的第一台红宝石激光器诞生以来，激光科学和技术蓬勃发展并对传统学科和技术的发展产生巨大的影响。
进入20世纪80年代后期，随着激光二极管等技术的重大突破，使固体激光器的发展生机勃勃，应用领域不断扩展。
尤其是激光二极管泵浦的固体激光器（DPSSL，DPL取得了极大的发展，激光二极管泵浦的全固体激光器兼备了激光二极管和传统固体激光器的优点，并相互弥补了对方的某些缺点，使得激光二极管泵浦的固体激光器极大地优越于传统灯泵浦的固体激光器和激光二极管本身。
DPSSL是一种结构紧凑、效率高、寿命长、光束质量高的新型激光器件，在空间通讯、材料加工、医疗、光纤通讯、光纤特性检测、光学图像处理、激光打印、大气研究、光谱分析、高功率激光“种子”注入、军事等方面均有广泛的应用，目前已成为固体激光器的主要研究与发展方向[1]。
基于DPSSL有如此广阔的应用前景，我饶有兴趣的做一些有关DPSSL的探讨，这也是我选择这个题目的缘由。
本文在激光二极管泵浦固体激光器领域做了一些理论上的分析和实验上的探索工作。
1.简要介绍了激光二极管泵浦固体激光器的基本原理，泵浦源的特性和DPSSL常用晶体材料。
2.介绍了激光二极管泵浦固体激光器的技术问题，包括DPSSL基本结构、泵浦耦合系统以及影响DPSSL激光器性能的多种因素。
3.介绍了激光的倍频技术原理，以及分析用于倍频的晶体材料的特性。
4.从实验上研究了LD泵浦Nd:
YVO4晶体输出1.06um激光，以及利用KTP晶体实现腔内倍频的532nm绿光激光器。
第一章激光二极管泵浦固体激光器的技术问题
1.1激光二极管泵浦固体激光器泵浦方式
二极管泵浦的固体激光器通常有两种泵浦方式，一种为二极管激光端面泵浦的固体激光器，另一种为二极管激光侧面泵浦的固体激光器。
端面泵浦的泵浦方式又分直接端泵浦和光纤耦合的端泵浦[2]两种，下面分别加以介绍。
1.1.1直接端泵浦
端面泵浦，即泵浦光从工作物质的端面进入工作物质，由于泵浦光模能与谐振腔模进行很好的耦合，使得这种泵浦方式能获得很高的光－光转换效率和很好的光束质量。
直接端泵浦固体激光器主要由激光二极管、耦合光学系统、固体激光工作物质和部分反射镜四部分组成，如图1.1所示。
图1.1激光二极管端面泵浦的固体激光器示意图
激光二极管出射光束可近似的看作在x和y方向具有不同束腰半径的高斯光束。
耦合光学系统将其转换为在x、y方向对称，截面小于固体激光器谐振腔基模束腰半径的光束进入增益介质，以求与腔模空间最大限度的重合。
谐振腔的设计主要在于腔型、固体激光材料几何尺寸和位置的选择，它遵循一般固体激光器的设计原则，所不同的是在端泵浦中一般采取半外腔（半内腔结构，即在固体工作物质输入端M1镀以对泵浦光增透，对固体激光器激光波长全反射的介质膜层;
输出面M2为部分反射镜，具有对所需的固体激光波长合适的透过率，同时能抑制未同时被固体激光工作物质全部吸收的泵浦光和其他的激射谱线从输出腔面逸出。
当泵浦光与固体激光器腔内基模同轴时，DPSSL的阈值泵浦功率为：
[3]
（1.1
式中，
为泵浦量子效率，表征被固体激光介质吸收的泵浦光子数与入射的泵浦光子数的比值；
为激光介质上能级的寿命；
是由于在激光介质内的吸收、散射和在腔面上的输出等引起的总损耗；
为泵浦光在固体激光腔内的束腰半径；
为固体激光器谐振腔模束腰半径；
为发射截面。
当，
时，DPSSL的斜效率为:
（1.2
式中，T为输出镜面的透过率；
为出射的固体激光光子频率。
对
和
激光器来说，
=0.75，令
=0.98，则
（1.3）
当激光阈值功率
较低时，DPSSL的总效率为
由式（1.3可知，为使DPSSL有效工作，需尽量降低总损耗
和适当增加输出腔面的透过率。
根据对光束质量和总体效率的要求，可合理选择腔长与腔面的曲率，使泵浦光束在后端面的直径小于或等于固体激光束基横模在该面上的直径。
如图2.1所示的是一种常用的平凹谐振腔，这种腔结构简单、损耗低、易于调整，当凹面镜的曲率半径大于腔长时，平凹腔是稳定腔。
固体激光在平面腔面（即上述后端面上基横模光斑半径为:
[4]（1.4
这也就是这种平凹腔的束腰半径。
基模在凹面上的光斑半径为:
[4]（1.5
在式（1.4和式（1.5中，L为腔长；
R为凹面镜的曲率半径；
为固体激光波长。
总之，直接端泵浦具有结构简单、紧凑和整体效率高的优点，但是，由于激光介质端面的应力极限限制，采用直接端泵浦方式的通常只能运用于中小功率的固体激光器。
1.1.2光纤耦合端泵浦
用光纤或光纤束将半导体激光器的输出光耦合到固体激光材料的这种方式，可以将泵浦激光器和固体激光器实行热隔离，减轻热效应的相互影响。
同时利用光纤的柔性，可以使固体激光头做得更小，适合于野战战车、坦克等环境，但这种泵浦方式整体结构不紧凑，效率也不及直接端泵浦。
1.1.3侧面泵浦
侧面泵浦是传统固体激光器所采用的成熟方式，由于工作物质侧表面积大，从而可以不受晶体应力极限的影响，进行大功率泵浦，它是获得高功率二极管泵浦固体激光器的有效途径。
图2.2是一种侧面泵浦的板条式固体激光器示意图。
辅出镜全反镜激光二极管阵列
图1.2激光二极管阵列侧面泵浦的固体激光器示意图
在板条状固体激光工作物质的一侧放置泵浦半导体激光器阵列，另一侧的全反射板使泵浦光反馈集中到工作物质中。
激光在工作物质中通过侧面全内反射传输，使其经过增益介质的有效长度大于外形长度，从而获得大功率输出。
侧面泵浦的方式，由于泵浦光无法与腔膜进行有效的耦合，虽然侧面泵浦能得到高功率的激光输出。
但光-光转换效率一般会比端面泵浦低一些，同时光束质量也比端面泵浦差一些。
1.2泵浦光的耦合
半导体激光器的结构相当于矩形波导式谐振腔，使得二极管激光的光束在x、y两方向上有悬殊的发散角，其出射激光为高度象散光束，见图1.3。
图1.3二极管发射激光示意图
在平行于结的方向，光束远场发散角为
左右，而在垂直于结的方向则为
。
在平行和垂直于结平面两方向的发散角差别较大，远场光斑为椭圆，x、y方向不对称，为了增大泵浦光束和振荡光束的重叠程度，获得较高的泵浦效率，需要修正x、y方向的不对称，需将远场光斑尽可能的变成近似圆。
另一方面，作为固体激光器的泵浦源，二极管激光需要在工作物质中达到一定的光功率密度，从而需要将泵浦光会聚到工作物质中去。
根据泵浦几何理论，泵浦光模式与固体激光器谐振腔的
模之间有效的模式匹配是提高DPSSL输出光功率和转换效率、降低阈值的有效途径，而这一点主要是通过光束耦合系统来实现的。
有效的模式匹配意味着:
（1泵浦光经光束耦合系统聚焦后，焦点处的功率密度应超过固体激光器的泵浦阈值功率密度，泵浦光的焦斑大小应和固体激光器的基模光斑尺寸相匹配，一般应小于或等于固体激光器的基模光斑尺寸。
（2泵浦光经光学系统聚焦进入激光晶体后，应保证在尽可能大的长度上满足泵浦光功率密度大于固体激光器泵浦阈值功率密度，同时尽量使泵浦光的发散角与固体激光谐振腔模
的发散角相匹配。
在端面泵浦固体激光器中常用的光束耦合法有三种，一种是利用非球面镜进行二极管激光光束整形聚焦，一种是利用非成像透镜光导体将泵浦光整形，还有一种即是利用光纤输出的二极管激光对工作物质进行泵浦。
1.2.1非球面透镜组
利用微透镜元件对二极管激光进行整形是目前端面泵浦系统中应用最广的一种方式，这种方式的光传输效率可高于85%。
由微型非球面柱透镜对二极管激光器的快轴进行光学校正，可以将快轴发散角压缩至小于3
利用球面或非球面柱面镜再对二极管的慢轴光进行校正，从而使得二极管阵列光束在通过透镜组后，有非常小的发散角，从而可以通过透镜聚焦到工作物质上去。
1.2.2非成像光波导系统
非成像光波导系统由一个柱面微透镜加一个光波导体组成，它可以将列阵式的二极管激光以很高的效率导入工作物质。
此透镜波导体是非成像的光收集装置，它不能用简单的几何光学来描述，用光线跟踪法能全面地描述此装置的特性。
二极管列阵激光首先通过微柱面镜进行快轴方向的校正，然后进入透镜波导。
进入光波导体的光线会在波导体的四个侧面进行全反射，直到它们到达光导体的输出面。
当输出光的尺寸与工作物质内的腔模有较好的匹配时，因为光导体的输出与工作物质很接近，则可以得到非常低的损耗。
1.2.3光纤输出的二极管激光
二极管激光列阵的光纤输出，首先将每一个发光区的光分别耦合到单根光纤，形成光纤束，然后将此光纤束的光耦合到一根光纤中去，所以二极管列阵通过光纤输出时，将损失30%的能量，同时由于进行了光的两次耦合，通常输出光的光纤数值孔径都较大，故而光纤出口处光束的发散角也是很大的。
当此种激光用作固体激光器的泵浦源时，为了达到一定的光功率密度和实现更好的腔模耦合，应将光纤输出光通过聚焦镜将光聚焦到工作物质中去，方能达到更高的泵浦效率和得到更好的光束质量。
1.3二极管端面泵浦激光器的特性
二极管端面泵浦的固体激光器的主要优点在于泵浦光从轴向进入工作物质，从而使泵浦光与腔模有很好的空间匹配，使泵浦光达到效率最高。
例如，
晶体对808nm二极管激光的吸收系数。
为工作物质的轴向尺寸即有79%的光被工作物质吸收，所以端面泵浦的情况下，通常工作物质的轴向尺寸不会很大。
泵浦光从轴向进入工作物质，故而其热效应也呈轴向分布，限制端面泵浦固体激光输出功率的因素，仍然是热效应。
1.3.1泵浦光与腔模的耦合
用泵浦光束与腔模的迭代积分法，可以得出腔内光强:
（1.6
为工作物质的轴向尺寸，
为工作物质的吸收率，
为泵浦光光斑半径，
为腔模
光斑半径。
对光强
求极大值，可以得出
的位置，
=0（1.7）
将
与
的简化式代入，我们可以得出如下结论:
最佳泵浦焦点位置与泵浦光焦点的大小和腔模束腰的大小有极大的关系。
当两个光斑都很小时，最佳泵浦位置位于端面附近;
当两个光斑都较大时，或者腔模束腰斑大，而泵浦光焦点小时，最有效的泵浦焦斑位置在工作物质的中间，其余情况下，最佳泵浦焦斑位置位于端面和工作物质的中点之间。
1.3.2DPSSL的输出饱和及冷却
二极管泵浦的固体激光器，同样不可避免的会有热效应产生，主要原因是:
泵浦带与激光上能级的能量差及色心或杂质粒子的吸收。
与侧面泵浦不同的是，端面泵浦除径向外，轴向也承受不均匀的热沉积，使工作物质产生应力及变形。
过高的应力甚至会引起晶体炸裂。
热沉积会影响激光材料的光学特性，引起工作物质中的荧光量子效率
下降，荧光谱线加宽，从而使激光器阈值升高，输出功率出现饱和。
另外，温度梯度会引起折射率温度梯度和端面效应，应力会产生应力双折射，所有这一切组成了热效应，限制了激光器的输出功率。
有效的冷却方式，将大大降低工作物质的热效应，使得激光器的输出功率大大提高。
以
晶体为例，常用的冷却方式有如下两种。
[5]
1传导冷却。
图1.4（a是利用无氧铜的高热传导率，通过面接触，将工作物质中的热量传去。
2水冷。
图1.4（b、（c、（d是用冷却水将工作物质的热量带走，同时，为了减轻端面效应，将泵浦端面泡在水中，图1.4（c是在泵浦端面上用蓝宝石来缓解端面效应，因为蓝宝石晶体热传导系数高，且有与
晶体最接近的热膨胀系数，通常用于从了
晶体的传导冷却。
图1.4（d是将工作物质的两端面掺杂
离子，使得端面处没有热吸收。
图1.4端面泵浦时常用的几种冷却方式
1.4影响DPSSL性能的诸多因素
DPSSL的性能与半导体激光器的光束质量、固体激光材料和谐振腔的设计等因素有关。
基质材料（如别
等要有良好的导热性与热稳定性。
由表1.1可以看出，同样的激活离子寓于不同的基质中，其物理性能也有所差别:
同样的激光工作物质可通过谐振腔膜系的设计得到不同的波长。
谐振腔的设计应充分考虑到来自半导体激光器的泵浦光和固体激光的模场在固体激光工作物质中有最大的重叠。
表1.1
性能比较[6]
物理参数
有效激光截面
/（10-19cm2
2.8
15.6
激激射波长n/mm
1064.2
1064.3
线宽/nm
0.6
0.8
偏振
无
平行于c轴
辐射寿命/us
255
155
峰值泵浦波长/nm
807.5
808．5
峰值泵浦吸收系数（1%掺杂浓度）/cm-1
8
40.7
导热率W/m.K-1
10.3
5.14
由于DPSSL中存在多次能量的转换，为获得高的总体效率（及固体激光的输出效率与加在半导体激光器上的电功率之比，则泵浦用半导体激光器应有高的外微分量子效率或斜率效率，有高的泵浦光转化为固体激光的效率，这与半导体激光与固体激光器之间的耦合光学系统和固体激光器谐振腔设计密切相关。
一般，半导体激光器的外微分量子效率可达35%-50%；
半导体激光泵浦固体激光器光-光转换效率达50%以上（理论极限为75%-78%，总体效率达25%以上，这比灯泵浦固体激光器高一个数量级。
YVO4腔内倍频实验与分析
随着DPSSL技术飞速发展，人们发现了许多新的适合于LD泵浦的激光晶体，也使许多老的激光晶体重新找到了优势，Nd:
YVO4认即为其中之一。
自从1966年首次被MIT林肯实验室研制成功后，Nd:
YVO4就被公认为是一种优良的激光材料。
然而这种晶体难以生长，而且其低导热性能使其根本无法在转换效率很低、热效应严重的闪光灯泵浦下得到应用，从而限制了它的广泛使用。
随着新的生长方法如泊努利法、浮区法、助溶剂法的出现，现在己经能研制出组分偏离小、光学均匀性好的完整大单晶。
另外，由于采用了激光二极管泵浦，使得它宽吸收带、高增益的优点得以突出，成为了DPSSL中小功率激光器的新的重要的激光介质。
采用LD作为泵浦源研制小型化、实用化、高效率的固体激光器是近年来激光领域内的一个非常活跃的方向，将Nd:
YVO4加工成薄片，可制作成小型甚至是微型固体激光器。
进一步采用腔内倍频技术可获得绿光输出，可以在彩色显示、激光分色、医疗及娱乐等许多领域获得应用，从而受到了极大关注。
本章内容立足于现有实验室条件，利用我校物理实验中心的808nm半导体激光器，设计了一种在室温下，连续稳定工作的LD泵浦
/KTP绿光激光器实验系统，泵浦阈值在542mw，在半导体激光器输出激光功率为900mw时，倍频输出绿光功率为11.2lmw，相应的光-光转换效率为1.3%，考虑到没有对半导体激光器、激光晶体和倍频晶体进行温度控制，这样的光-光转换效率己经很高了，而且本实验系统简单方便，演示效果好，对于我们理解LD泵浦全固态激光器和腔内倍频技术具有很强的指导意义。
2.1实验系统的结构
根据前述谐振腔的理论，考虑到晶体的热效应，我们采用了如下的实验装置[7]
图2.1LD泵浦Nd:
YVO4、KTP绿光激光器实验系统示意图
本实验中，Nd:
YVO4晶体和KTP晶体都属于极易污染和损坏的实验用品，而且如果要提高泵浦效率，在后续的工作中还要对其进行温度控制，以便使其工作在最佳工作状态，因此晶体的机械装配是本实验中的一个难点。
晶体装配结构如下图所示。
图2.2晶体装配结构示意图
808nm半导体激光器泵浦光由端面入射，
晶体侧面均匀涂敷导硅脂放入尺寸紧密配合的铜块中，该铜块被螺钉固定在铝板上;
将铜块切割出一条狭缝，用于调整尺寸螺钉用于夹紧晶体，但不可过紧，以防将晶体被夹碎;
铜块侧面钻孔，再后续的实验中，如果需要进行温度控制的话，可以将温度传感器均匀涂敷硅脂插入孔中;
用半导体制冷片TEC对铜块进行恒温控制。
2.21064nm激光振荡实验
图2.3808nm半导体激光器封装图
按照图2.1所示的结构，在光学平台上依次放置泵浦用半导体激光器、等焦距折射率梯度透镜、工作物质、输出镜、滤光片、准直孔和用来调整光路用的氦氖激光器。
实验用的泵浦源为天津港东科技发展有限公司生产的半导体激光器，其采用优化量子阱结构设计，最大输出功率约为900mw，中心波长为808nm,采用TO标准管壳封装，输出端带有准直透镜，输出光为条状，
如图2.3
其具体的技术指标如下表2.1所示：
表2.1半导体激光器技术指标
参数
符号
数值
单位
连续输出功率
PO
1.0
W
中心波长
808nm
nm
光谱宽度
2.5
工作电流
IO
0-2.5
A
工作温度
TO
10-40
℃
将半导体激光器放置在二维调节平台上，可以调整泵浦光的高低、左右、前后位置及俯仰角和旋转角。
打开电源开关，预热一段时间后，慢慢调节电流旋钮，增大工作电流高出射激光的功率。
在此需要注意，电流调节时需要缓慢增加或减少，以免冲击电流坏器件。
半导体激光器发射的激光为不可见光，有可能对人眼造成伤害。
激光器工作时，严禁直接注视其端面。
下面介绍激光器光路调整过程：
1.将808nmLD固定在二维调节架上，将He-Ne632.8nm红光通过白屏小聚到折射率梯度透镜上。
让He-Ne632.8nm光和小孔及808nmLD在同一轴线上。
2.将Nd:
YVO4晶体安装在二维调节架上，将红光通过晶体并将返回的光点通过小孔。
3．将输出镜（前腔片）固定在四维调节架上。
调节输出镜使返回的光点通过小孔。
对于有一定曲率的输出镜，会有几个光斑，应区分出从球心返回的光斑。
整个系统的光路调节好后,打开半导体激光器的电源，调节半导体激光器所在的二维平台，使半导体激光输出的光沿He-Ne激光的光路通过小孔光阑，保证其发射的激光与He-Ne激光等高、共轴。
这里我们采用对808nm泵浦光全反，1.06um出射激光大约有10%透射率的平面输出镜。
本实验中，调节光路的心体会是，在竖直方向上，近处调高低，远处调俯仰;
在水平方向上，近处整体移动，远角度偏转。
也就是说，为了调整等高，对于距离近的点，可以直接调节激光器的高度，对于距离远的点，则只能调节激光器所处平的俯仰角度。
在水平方向上，也是同样的道理,整个系统的光路调节好以后，打开半导体激光器的电源，缓慢增加其工作电流，仔细观察激光输出。
经过反复实验，我们得出了如下一组比较理想的实验结果。
图2.4出射激光功率随泵浦光功率变化曲线
由图2.4所示，我们可以得出，DPSSL的泵浦阈值在262mw左右，以后随着泵浦光强度的加，出射的1.06um激光功率几乎呈线性增加。
在泵浦功率为947mw时，出射激光功率332mw，光-光转换效率达到35.1%。
2.3影响激光输出功率的因素
在这里的DPSSL实验中，激光器的腔长和输出腔镜的透射率对激光输出功率的影很大，下面分别加以阐述。
激光器输出功率的表达式为:
[8]（2.1）
式中，T为输出镜透过率，SO为腔内光子数，可由速率方程求得。
从理论上来讲，激光器的腔长L越大，激光器的腔内损耗越大，因而激光输出功率着变小。
但
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