基于光参量振荡和受激拉曼散射的新型固体激光器研究

基于光参量振荡和受激拉曼散射的新型固体激光器研究 基于光参量振荡和受激拉曼散射的新型固体激光器研 究 分类号:啊 位 密级: 孙黾 趁鄹, . , 剃学办 ?象 ? ‖? 慨?孑 雪 博士学位 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 论文题目: 基寸粕誉量撅岛和拉收赦射的 知型固体酷轧牧砷免 础伤呼蒯卯?诫功删肋咿一 缈胞训口/聊州跏么纠跏洲纱留 作者 姓 名 自棼 学院 名 称焦垦盈垒鱼至煎重应 专业 名 称 盘亟至焦 指导 教 师垂盘固趟 合作 导 师 洳年弓月原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名: 鱼务 日 期:全圣:查:鲨 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定,同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论 文被查阅和借阅;本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 保密论文在解密后应遵守此规定 导师签名: 日期:兰;:墨:汐 论文作者签名:氢盔山东大学博士学位论文 目 录 中文摘要??.?..??.. 符号说明 第一章绪 言?.光学参量振荡器? ..光参量振荡器原理及分类? ..光参量振荡器研究进展?.. ?.固体拉曼激光器? ..受激拉曼散射原理? ..固体拉曼激光器分类??. .常用拉曼介质??. ?.激光器中的热效应??. ..激光晶体热透镜效应??. ..拉曼晶体的热透镜效应?. .. 晶体的热透镜效应? ?.本文的研究内容.. ?.本章参考文献?. 第二章内腔式光学参量振荡器?.. ?.信号光振荡的内腔式:光参量振荡器实验研究??.. ..实验装置?。 ..实验结果及讨论? ?.单谐振内腔式光参量振荡器理论模拟. ..理论模型建立..数值求解与讨论?.闲频光振荡的内腔式:/光参量振荡器 实验研究 ..实验装置? ..实验结果与讨论? ?.本章小结 ?.本章参考文献?.. 第三章基于晶体的拉曼激光器?. 晶体拉曼散射特性研究?.. .. 晶体的拉曼散射谱? .. 晶体相对散射截面测量??山东大学博士学位论文?. :/实验研究 ..实验装置?. ..实验结果与讨论?.? :/实验研究??. ..实验装置? ..实验结果与讨论??’.?~ ?.本章小结.. ?.本章参考文献?. 第四章基于拉曼泵浦的新型 ?. ://光参量振荡器的实验研究??. ..实验装置?.. ..实验结果与讨论?. ?.理论分析. ..理论模型建立..数值求解与讨论?. ?.本章小结?.??. ?.本章参考文献?.. 第五章基频光热透镜效应研究?. ?.侧面泵浦:热透镜焦距测量?. ?.侧面泵浦:激光器光束质量研究??. ?.本章小结。 ?.本章参考文献??.第六章全文 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf ? ?.已研究的内容?. ?.论文的创新点?. ?.待研究的问题?. 致 谢攻读学位期间参加的项目、获得的奖励及发表的论文 附:外文论文两篇山东大学博士学位论文??.?.?.. . ?..... ..? ?. ..??. .. . ..。 ?. ....??. ..?... ?. ?.?..::;: .:/? ?...?..? ... ?.??一 ... ..?..:/.. ?. ..??一 ... ?. ?. . ..?.....?..?.....?.?.........? ?. .. ..??.. 山东大学博士学位论文 :/?. ?. ..??..? ..: 实验研究??. ?. ..?.. ..??. ?. ?.?. .? :// ?. ..??.. .... ?.??. .... ..?一。?. ?. .:. ?. :?“ ?.?..??” ?. ?. .?” .” ?. ?.?.....?......... :?.?.?...??.?. 】山东大学博士学位论文 中文摘要 非线性光学变频技术是获得新的、满足实际应用需求的激光波长的一种可靠方法, 是目前光学领域的重要研究内容。在过去的几十年时间中,研究者们对多种非线性效应 进行了深入广泛的研究,例如,二阶非线性过程如倍频、和频、差频、光参量振荡等, 以及三阶非线性过程如四波混频、受激拉曼散射、受激布里渊散射等。在这诸多的非线 性光学效应中,光参量振荡和受激拉曼散射是两种高效的非线性光学过程,都可以获得 高功率激光输出,也是目前非线性光学领域的研究热点。然而有时这众多的非线性效应 也不能满足人们的需求,因此研究者们将两种甚至多种非线性效应相结合,灵活多变地 产生所需波长,极大地拓宽了现有光谱。例如,将受激拉曼散射技术与倍频技术结合, 能够产生黄橙波段的光,将受激拉曼散射与和频技术结合,可以得到黄绿波段的光等等。 本论文将目光集中在光参量振荡和受激拉曼散射两种非线性过程以及将这两种技术相 结合的新手段上。 本论文对信号光振荡和闲频光振荡的两种内腔式单谐振光参量 觚吼 ,进行实验研究,并通过速率方程模型的理 振荡器 论模拟和分析,对实验结果进行了合理解释;测试了新型拉曼晶 体的自发拉曼谱和相对拉曼散射截面,并获得了输出波长分别为 和 的 内腔式拉曼激光器的稳定运转;采用拉曼泵浦的方式,将拉曼技术和 技术成功结合,得到了一种新型非线性频率变换激光器件;为了提高非线性光学过程的 转换效率,以侧面泵浦:激光器为例,研究了热透镜效应对基频光输出特性的影 响。本文研究的具体内容为: .实现了信号光 振荡的内腔式单谐振光参量振荡器。用激光二极管 端面泵浦方式,键合/:作为激光晶体,作为非线性晶体,声光 调方式,在泵浦功率为. 的情况下,获得信号光和闲频光 的平 均输出功率分别为.和. 。发现在此信号光谐振的单谐振中,信号 光脉冲宽度大于闲频光脉冲宽度。在最大输出功率处两者的脉冲宽度分别为. 和. 。光束质量因子在两个垂直方向上分别为..和..以及 ..和..。 .推导并建立了新的速率方程模型,使之能够同时处理内腔式单谐振中信号光 和闲频光的输出特性。并将该模型应用到上述信号光振荡的:瓜内腔式 单谐振光参量振荡器中,同时描述了其信号光及闲频光的输出特性。理论处理结果 和实验结果吻合较好,也显示出,信号光谐振的单谐振中信号光脉冲宽度要 大于闲频光脉冲宽度。 .为了改善闲频光的光束质量,同时也为了更加深入的研究单谐振中两个参量山东大学博士学位论文 光的时间特性,设计了一个闲频光振荡的单谐振系统。采用激光二极管端面 泵浦方式,声光调,:晶体为激光介质,为晶体,通过设计腔 镜镀膜,使闲频光发生振荡并输出,信号光不振荡直接输出。在泵浦功率为. 的情况下,获得了 的信号光和 的闲频光。闲频光的光束质量因子 为..和..,可见闲频光的光束质量得到了极大改善。该实验也显示出在 此闲频光谐振的单谐振中闲频光脉冲宽度要大于信号光脉冲宽度。最大功率 处,信号光和闲频光的脉冲宽度分别为. 和. 。结合两个实验,对于单谐 振的时间特性,我们可以总结为哪个光发生振荡,哪个光的脉冲宽度就偏大。 三个方向的自发拉曼散射谱。 .测试了新型拉曼晶体沿瓜 发现当入射光沿的和】,方向传播时,拉曼峰值在 以处,沿方向传 播时,拉曼峰值在 。处。以为参考晶体,测量了方向切割的 晶体的相对拉曼散射增益截面。 .实现了激光二极管端面泵浦的晶体 内腔式拉曼激光器运转。采用 :作为激光晶体,声光调方式,方向切割的晶体为拉曼增益介质, 在泵浦功率为. ,脉冲重复频率为 的情况下,获得了输出功率为 。 ,峰值功率为. 的 一阶斯托克斯光输出。脉冲宽度为. .基于晶体,实现了人眼安全拉曼激光器运转。采用激光二极管端面泵浦方 式, :作为激光晶体,声光调,方向切割的晶体为拉曼增益介质,在 的 泵浦功率为. ,脉冲重复频率为 的情况下,获得了. 。 拉曼激光输出。相应的脉冲宽度为 ,峰值功率为. .提出了利用拉曼激光器作为泵浦源来泵浦光参量振荡器的新构想,并且采 用 ://的架构,成功实现了拉曼泵浦系统的稳定运转。: 。 斯托克斯光 产生的 激光通过拉曼晶体被频移到 的信号光。最终 又作为.的泵浦源,通过参量转换,输出波长为 在泵浦功率为. ,重复频率为 的条件下,获得的信号光平均功率为 ,对应的半导体激光到信号光的转换效率为.%。 .对上述实验进行了理论模拟和分析。推导并建立了新的速率方程模型,使之 能够描 述内腔式拉曼泵浦系统的所有参量,包括基频光、拉曼光和信号光的输出特 性。实验结果与理论结果吻合较好,同时讨论了激光晶体、拉曼晶体和晶体 的热透镜效应。 .研究了晶体热效应对基频光运转特性的影响。以侧面泵浦:棒为例,测试了 该激光器输出 激光时,径向和切向这两个不同方向的等效热透镜焦距随泵 浦功率的变化情况。并且与该激光器输出 激光时的情况作了比较。讨论了 具有双焦点特性的等效热透镜对激光输出功率、稳定性及光束质量的影响。 山东大学博士学位论文 本论文主要创新点如下: .首次将端面泵浦光参量振荡器的.岬中红外闲频光输出功率提升到瓦级。 通过选用合适的介质以及合理的腔型设计,在泵浦功率为. ,脉冲重复率为 的情况下,获得了平均功率高达. 的中红外闲频光。 .首次将闲频光的运转特性加入到单谐振的速率方程组中,建立了新的速率 方 程模型,使之能够同时描述内腔式单谐振的信号光和闲频光的运转特性。 .首次实现了.岬闲频光振荡的单谐振?,且输出闲频光的光束质量得到 极大改善。并采用此实验验证了单谐振中信号光的脉冲宽度与闲频光的脉冲 宽度并不相等的结论,而是哪个光发生振荡,哪个光的脉冲宽度就较大。 .首次提出了利用拉曼激光器作为泵浦源来泵浦光参量振荡器的新构想,并 且采用 ://的架构,成功实现了拉曼泵浦系统的稳定运转。: 。 产生的 激光通过晶体被频移到 一阶斯托克斯光 又作为.的泵浦源,通过参量转换,最终得到波长为 的信号光输 出。 .首次采用晶体实现了人眼安全波段拉曼光的输出。采用激光二极管端面泵 浦 频移, 方式,声光调,:作为激光晶体,基于方向晶体的 得到了从 基频光到 一阶斯托克斯光的转换。。 .首次测量了侧面泵浦:晶体在 激光处运行时径向和切向两个等效热 透镜焦距。 关键词:光参量振荡器; 内腔理论: 全固态拉曼激光器; 热透镜焦距; 拉曼泵浦; 键合晶体; 晶体; 晶体; 晶体; 速率方程; 人眼安全; 中红外。山东大学博士学位论文 . . ,. , , , ,,,, ,, ,. . .,’ . ’ ., ,, . , .. ., :. : . ? /: ? ... ...岬. . . . .. . .?. .?... ... . .. 山东大学博士学位论文’... . , ?: . ..助历 .形. .似.峨 ... . 、析 . .:/ ? 、, .. .%. : ? . . .. ?? ? : ./ .. ,.. “ . ..色 ? .: :/ / ;, . ; . , . ?.%. . . . . : ?? .? 山东大学博士学位论文 :..’ : ? . . , . .,.. ? ..,.阻 .. . ... .,. : :/涨 ,;, /. ; . . , :// . ., . : . ; ; : .; ; ; ; ; ; ; ; ; ; 山东大学博士学位论文 符号说明 符号 物理意义 符号 物理意义 波长 局 输出镜对基频光的透过率 腔内基频光子数密度 输出镜对信号光的透过率 咫 咖 腔内信号光子数密度 输出镜对闲频光的透过率 以 话 与参量增益有关的常数 材料对基频光的折射率 ? 材料对信号光的折射率 激光晶体长度 % 腔内信号光子寿命 行耐 材料对闲频光的折射率 瓦 基频光角频率 腔内基频光子寿命 吁 信号光角频率 普朗克常数 魄 弛 径向热透镜焦距 拉曼光角频率 石 闲频光角频率 切向热透镜焦距 厶 激光介质反转消耗因子 真空中光速 ,, 有效非线性系数 盯 激光介质受激发射截面 锄 闲频光的吸收系数 基频光腔内往返损耗 % 信号光腔内往返损耗 激光晶体对泵浦光的吸收系数 厶 基频光在激光晶体内的平均半径 厶 拉曼光腔内往返损耗 腔内光子寿命 基频光在拉曼晶体内的平均半径 拉曼光在拉曼晶体内的平均半径 离子上转换速率 ? 石 噎 拉曼光在晶体内的平均半径 热传导系数 信号光在晶体内的平均半径 / 折射率温度系数 晶体长度 热膨胀系数 啊 激光晶体对泵浦光的吸收系数 , 径向热应力系数 真空中介电常数 切向热应力系数山东大学博士学位论文 第一章绪言 激光是二十世纪继原子能、半导体及计算机之后人类的又一重大发明。激光的基 本原理在年被著名的物理学家爱因斯坦发现,年美国科学家梅曼采用红宝石 介质发明了世界上第一台激光器。激光一经问世,就获得了异乎寻常的飞快发展。它不 仅使古老的光学科学获得新生,而且导致整个新兴产业的出现。激光可使人们利用 前所未有的先进方法和手段去获得空前的效益和成果,促进了生产力的极大发展。 近几十年来,随着泵浦技术和晶体生长技术的发展,泵浦的全固态激光 器以其体积小、重量轻、效率高、性能稳定、可靠性好等优点,成为目前激光技术的 一个主流。固体激光器用固体激光材料作为工作物质,把具有能产生受激发射作用的 金属离子掺入晶体或玻璃而制成】。如今,过渡金属、稀土系和锕系元素中都成功实 现了激光作用,且大量优秀的人工晶体如:,:,:,:, :等被发明并得以应用。然而,这些激光介质的输出激光波长由于受到能级及 其跃迁定则的限制,可选择或者说可获得的激光谱线有限。例如,对应用最广的掺钕材 料激光器而言,波长在.微米【.】、.微米.】和.微米.附近的激光,可 获得的转换效率高、功率大,因而研究较为广泛。但是,实际应用中不同的激光波长 往往具有特殊、重要的用途,因而要求激光波长也要具有多样性,仅仅依靠粒子能级 跃迁的方式是远不能满足需求的。 非线性频率转换技术是实现激光频率变换的一种有效手段。它利用光学介质在强 辐射场下的非线性光学效应产生新的频率,大大扩展了目前所获得的激光光源的波长 覆盖范围,成为目前光学领域的重要研究内容及研究热点之一。年,和他 的同事们用红宝石激光束通过石英晶体时,产生了倍于该光束频率的紫外光, 该实验 标志着非线性光学的诞生。自此,人们发现了诸多非线性光学效应,光学谐波、 光学和频与差频、光学参量放大与振荡、自聚焦、多光子吸收、光束自聚焦、受激拉曼 散射、受激布里渊散射、光学整流等等。其中光学参量振荡 ,和受激拉曼散射 ,是两种高效的 非线性光学过程,都可以获得高功率激光输出,也是本论文的研究重点。 光学参量振荡器是利用晶体的二阶非线性效应,通过参量转换过程实现非线性频率 下转换的一种方式。它可以把一束频率较高的入射光通过相位匹配获转化为频率较低的 两种光,即信号光和闲频光。这种频率下转换及可调谐输出的优势使得成为向长 波长激光尤其是中红外波段进军的有力手段,吸引了众多研究者的注意。受激拉 曼散射是一种三阶的非线性效应,其散射光波长由泵浦光的波长及拉曼介质本身的 拉曼频移决定。通过选择不同波长的泵浦光和不同的拉曼介质,所获得的散射光的 光谱可遍及近红外到紫外。全固态光参量振荡器和全固态拉曼激光器结构紧 凑、效率山东大学博士学位论文 高、稳定性好,在信息、交通、测量、医疗、国防和工农业等领域都有重要的应用。 有时这诸多的非线性效应也不能满足一些实际应用特定的需求,因此除了这些非线 性技术单一的应用外,研究者们还将两种甚至多种非线性技术相结合,更加灵活的产生 各种新波长激光,在满足应用需求的同时也极大地拓宽了现有光谱。例如,将受激拉曼 散射技术和倍频技术结合,能够产生黄橙波段的光.,将受激拉曼散射技术和和频 技术结合,可以得到黄绿波段的光.等等。本论文在第四章中,将光学参量振荡技 术和受激拉曼散射技术相结合,研究了拉曼泵浦光学参量振荡器的新型技术。受激拉曼 技术产生的斯托克斯光具有功率高、光束质量好的优点,将它作为光学参量振荡过程的 泵浦光,再通过参量转换,新的波长得以产生。拉曼技术与光参量振荡技术二者结合, 提供了一种新的方式去拓宽现有激光光谱,能够灵活高效地产生多种激光波长,具有重 大意义。 激光器中的热效应一直是激光技术研究中的一个重要课题。晶体中的热效应极大地 制约了激光器的运转性能,如输出功率、光束质量、谐振腔稳定度等等。除了激光晶体, 各种非线性晶体也会不可避免地产生热,而非线性晶体的热效应与基频光的运转情况有 关,基频光的运转又受激光晶体中热效应的制约。因此在研究非线性变频激光器件,尤 其是内腔式非线性变频激光器的特性时,需要同时考虑激光晶体和非线性晶体中的热效 应。本文在光参量振荡器和拉曼激光器的研究过程中穿插着对晶体热效应的分析,且在 第五章以侧面泵浦的:激光棒为例,讲述了热透镜效应及其双焦特性对基频激光 输出性能的影响。 下面分别介绍光参量振荡器、拉曼激光器及晶体中的热透镜效应,最后给出本论 文的研究内容。 ?.光学参量振荡器 光参量振荡器是一种利用非新型晶体的混频特性实现光学频率变换的激光器件。用 一束频率较高的入射光转化为低频率的信号光和闲频光,通过相位匹配可以 获得信号光 和闲频光的调谐输出。近年来随着一些新型高效的非线性晶体的出现及发展,光参 量振荡器以其调谐范围宽、结构简单、效率高以及工作稳定等优点日益受到人们的重视 。山东大学博士学位论文 ..光参量振荡器原理及分类.. . 光参量振荡器是基于光参量放大原理而制成的器件。图.显示了光参量放大的原 理。频率为幼和?的两束光波入射到非线性晶体中,通过非线性极化场相互作用,产 生频率为纰幼.?的光波,此过程中,频率为?的光波不是减少,而是随着差频光纰 的产生一起增加,可以解释为频率为幼的光波被放大了,这种过程即为光参量放大 。它与差频过程的不同之处在于输入光的条件。一般的参量放大过程在输入端有很 强的泵浦光以及极其微弱的待放大光,因此通常把参量放大看成是单个泵浦光束来激发 的过程,而把差频过程要求两个输入光强度相近,因此被看成是两个泵浦光束来激发的 过程。 为了避免混淆,我们把频率为幼的光波称为泵浦光,频率为铆为光波称为信号光, 频率为纰的称为闲频光,并且规定信号光的频率大于闲频光频率。光参量过程中,每 个泵浦光子都会同时产生一个信号光频率的光子和一个闲频光频率的光子,满足能量守 恒定律;同时,为了有效的进行非线性光学频率变换,这三个光波还必须满足光子动量 守恒条件,于是有: 伤? 刀, . 鸭 , . 闲频光的角频率, 此两式即为相位匹配条件。式中幼,,分别表示泵浦光、信号光、 /,,分别表示泵浦光、信号光、闲频光在非线性晶体中的折射率。 将图.中的参量放大晶体放入由两个腔镜组成的光学谐振腔当中,腔镜镀膜可以 对信号光或和闲频光高反,这样,在参量增益的作用下信号光或和闲频光就会 形成谐振,我们称之为光参量振荡器。若腔镜镀膜仅使得信号光和闲频光中的一个能够 , 发生振荡,则称之为单谐振光参量振荡器。如果腔镜镀膜使得信号光和闲频 光两者都能振荡,则称为双谐振光参量振荡器 ,。在双谐振条件下,信号光和闲频光同时在光学谐振腔内振荡,阈值较低。但要维持双谐振的条件,要求泵浦光具有单一 频率,同时要有效地控制腔镜以维持谐振,因而双谐振光参量振荡器可调性低、稳定性 差。单谐振的方式虽然振荡阈值相对较高,但是其腔体设计简单、转换效率高、振荡条山东大学博士学位论文 件相对宽松、稳定性好,因而实际中大多选用单谐振光参量振荡器【.。??一. .. : ? / / , 、 ‘/ \、 ?王’纛箩 ,一、 ? ’捌,? ,.。 一.: .. .: . ; . 根据腔型结构不同,光参量振荡器又可以分为外腔式 ,两种。 ,和内腔式 外腔式光参量振荡器是指将腔放在泵浦腔之外,两腔相互独立,如图.所示。 它可以利用目前成熟的商品化激光器做泵浦源,只需对参量光谐振腔进行单独调整,所 以稳定性较高;缺点是振荡阈值较高,因此要求泵浦源强度足够高。正因为这样,外腔 式光参量振荡器多选用有效非线性系数较大的准相位匹配晶体,,】。内腔式光 参量振荡器是指将参量谐振腔置于泵浦谐振腔之内,充分利用了腔内的高功率密度,因 而阈值降低、转换效率提高,且用一般双折射相位匹配材料都可以实现输出,如 系列等,使得成本大大降低,而且结构紧凑,易于实现小型化,,。图 .给出了两种常用的内腔型光参量振荡器腔形结构:图.为耦合腔,图.为共 享腔。耦合腔是目前内腔式用得最多的形式,,,,其特点是在腔内加一 个耦合镜把泵浦光腔和光腔分开,使得泵浦光和参量光分别在两个腔中振荡。因 此可以对两个腔进行分别设计,优化纵向、横向耦合,缺点是腔内镜片增大了损耗,提 高了阈值,且给激光器调整、固定带来麻烦。共享腔的特点是泵浦光与参量光共用一个 谐振腔,共用腔的腔内没有镜片,减少了固有损耗,结构简单,便于调整,稳定性好山东大学博士学位论文 】;缺点是参量光传输要经过腔内所有器件,因此对这些器件镀膜提高了要求,增 加了成本和实现难度。 ..光参量振荡器研究进展 从年等人观察次谐波产生后,年..、.. 等人就在理论上就预言了三波混作用存在参量增益的可能性,】。年.. 和 .首次在实验中观察到三波混频过程中的参量增益】。同年,美 国科学家的..和..首次研制成了第一台光学参量振荡器, 开辟了一套崭新的获得可调谐相干光源的途径。自此,人们开始了对光学参量振荡器的 大量研究。年以前,国内外的研究者们探索了多种,几百种非线性材料被发 明并试验,,】。泵浦源为各种固体激光器及其谐波,所用非线性晶体有、 、等,调谐方式有电光调谐、角度调谐、温度调谐等,最终获得了较大的 调谐范围和较窄的光谱线宽。但由于所用的这些晶体性能不够理想,或是非线性 系数小,或是物化性能不稳定,或是损伤阈值低等原因而使得的发展沉寂了 很长 一段时间。 到了上世纪八十年代,以、、等为代表的一批新的优质非线性晶体出 现,重新燃起了新一轮研究热潮。这一时期研究取得了重大突破,大量成果得 以涌现,进入了实用阶段。磷酸钛氧钾,晶体的非线性光学性能 优异,是最负盛名的非线性晶体之一。最初的晶体在上世纪七十年代末由.. 等人首先发韭】。到了年代,被成功用于倍频、和频、差频及光参 量振荡等非线性器件中【,,,.。当被应用在中时,沿肪向,护 切割的可以满足微米激光泵浦的类非临界相位匹配条件。此条件下,的非线 性系数最大,接受角最大,可获得高效率、高功率的人眼安全波长.微米参量光,被 称为应用最广的切割方式,,,。另外,用微米激光泵浦按.,护方向 切割的晶体,其信号光波长和闲频光波长发生简并,在.微米左右。.微米左右 的激光在遥感、医学领域有着重要应用,且可以作为泵浦源泵浦晶体产生远红 外激光,因此这种切割方式也吸引了广大研究者的注意,,】。砷酸钛氧钾 ,是磷酸钛氧钾的同构体,上世纪八十年代末、九十年代初开始引 起研究者们的注意,。它具有与相同的不易潮解、电光系数大、物化性能稳定、 热导系数高、损伤阈值高、非线性性能好、生长尺寸较大等所有的优点,。除此 之外,在中红外波段的透过率要高于晶体,且克服了晶体在. 附近的 吸收问题,,这个优势使得晶体在中红外光参量振荡器中有着无法比拟的 优势.。山东大学博士学位论文 年代中后期,周期极化晶体的出现,再一次激发了研究者们的热情。周期极化 晶体通过周期性极化使材料的极化系数周期性地改变符号,入射光通过符号相反的极化 畴时可以实现混频光波之间的相位补偿,优点是有效非线性系数大,因而得到了广泛的 应用,尤其是在外腔式或者连续中,取得了一大批的研究成果,如基于以下 材料的:.,.】、.】、.等。其中, 年我国科研工作者报道了基于晶体的,该实验获得了 的.岬信号 光和. 的. .闲频光输出,代表了我国在这个领域的最高水平。但是实际中 周期性极化材料制作工艺难度大、成本高,抗光伤阈值较低,极化深度有限,晶体的尺 寸有限,这些问题均限制了其应用范围。另外由于对中红外波激光的需求使得一些透光 至远红外的非线性晶体如磷锗锌,,.、硫镓银, 【、硒化锂铟,【,】、磷硅镉,【, 】等也得到 了较快发展,这些晶体的研制成功进一步开拓了的中、远红外调谐范围,获得了 一些令人惊喜的好结果。其中,非线性系数较大,热导率较高,尺寸也能做到较 大,虽然泵浦源方面有一定限制,但它仍是较理想的非线性晶体。我国科研工作者于 年报道了基于.的总功率为. 的. 和. .的中红外激光输 出】。 理论方面,速率方程是描述其运转特性强有力的理论工具。由于外腔式 的泵浦光腔和信号光腔分离,只需对信号光腔中的三波互作用过程进行模拟即可,无需 考虑泵浦光的产生过程,因而处理过程相对简单。我们的研究主要在内腔式中进行, 通过内腔式理论的研究,建立理论模型后,如果有必要,可以较容易的转换到外腔 式中去。内腔式由于泵浦光和参量光是相互耦合、相互影响的,需要同时研究 二者的产生及消耗过程,因而理论处理显得较为复杂。早在年,以及 就采用速率方程描述连续运转的内腔式光参量振荡器【。年,.将此理论拓 展到脉冲式光参量振荡器中。.的理论模型包含四个方程,分别描述反转粒子 数、基频光子数、信号光子数、闲频光子数随时间的变化。其中基频光项,信号光项和 闲频光项三者耦合在一起,每一项都与其它两项的乘积有关系。因此方程组 极为复杂, 很难得出解析解。当应用到被动调的情况中时,情形更为复杂 。年,. 发展了一个较为简单的速率方程模型来描述单谐振内腔式光参量振荡器的 特性。该模型将没有发生振荡的闲频场看做损耗,从而将其从方程组中合理地去 掉。此后,.、 以及包括我们的课题组在内的众多研究者都采用这个 理论分析、优化和设计了内腔式光参量振荡器实验,,,,获得了很好的结 果。这些实践均证明,这个理论模型在模拟单谐振的运转方面是非常实用的。然而, 虽然.的模型能够很好的处理单谐振光参量振荡器中信号光的特性问题, 但是对于与闲频光有关的问题则显得无能为力。这也是促使本论文在理论研究方面 关注闲频场的原因之一。山东大学博士学位论文 综上,国内外研究者们用光参量振荡器的方式实现了高功率、高转换效率的频率变 换,获得了大批的实用光源,并发展起了理论处理体系。从上世纪六十年代直到今天, 如此大量的研究者对光参量过程有浓厚的研究兴趣,这说明这个领域的研究是有重要价 值的。然而同时,我们认为的运转过程中还有一些问题等待我们去研究、发现,例 如脉冲式中产生的信号光和闲频光脉冲宽度是否相同尤其是在单谐振中。前 人发表的论文中,大部分没有测量闲频光的脉冲宽度,只是认为只要一个信号光子出现, 同时会有一个闲频光子出现,因而,信号光和闲频光的脉冲宽度应该是相等的。在参量 产生的过程中,如文献【】中的实验,这个推论是成立的。但是在光参量振荡器中, 由于谐振腔的存在,使得腔内信号光子和闲频光子有不同的寿命,尤其在单谐振 中。从激光调的理论分析来看,腔内光子寿命的大小会影响到最终输出激光的脉冲宽 度.,因而,我们认为在中尤其是单谐振中,两者的脉冲宽度不一定相 同。要把这个问题研究透彻,就必须对进行深入分析,这也是本文研究的重点 之一。 ?.固体拉曼激光器 拉曼激光器基于非线性介质的受激拉曼散射效应,其散射光波长由泵浦光的波 长及拉曼介质本身的拉曼频移决定。早在激光产生后不久的年,用硝 基苯克尔盒对红宝石激光器进行调研究时就发现了受激拉曼散射现象】。? 年,..等人实现了以为拉曼介质的激光器的有效运转,拉开了 固体拉曼激光器研究的序幕【.。 固体拉曼激光器是泵浦的全固体激光器与拉曼晶体相结合,实现对已有激光 光源进行频率变换的非线性变频器件。随着泵浦技术的迅速发展和固体拉曼 材料 生长技术的发展,全固态拉曼激光器以其结构紧凑、效率高、稳定性好等优点吸引 了广泛的关注,在信息、交通、医疗、测量和国防等领域都有重要的应用,成为当 前的一个研究热点。 ..受激拉曼散射原理 拉曼散射是一种非弹性散射,当入射光光子与物质的分子或原子相互作用 时,入射光子的能量发生改变,新的频率的散射光子产生,同时放出或者吸收一个 声子,对应的拉曼散射分别称为散射或.散射。依据能量守恒定律, 散射光与入射光的能量差等于吸收或放出的声子能量。图.给出了典型的拉曼散射 过程的虚拟能级图。假设散射粒子初态为下能级基态,当有频率为眈的光子入射山东大学博士学位论文 时,该光子被散射粒子吸收,同时也发射一个频率为.的光子,散射粒子 被激发到能量为壳?的振动能级垆上,能量转换为声子能量,也就是,在这个过 程中,光子的产生伴随着一个声子的产生,如图所示。。另一种情况,如果散 射粒子初态为激发态俨,如图所示,在此过程中,一个泵浦光子吸收一个声子, 产生一个.光子,.光子的频率为。 魄,工鲰 ..埘 【. 埘 . 魄 脚蜘 咖 咖.. . 在受激拉曼散射过程中还会观察到级联效应,当频率为纰的泵浦光入射到拉 曼 晶体后,会产生频率为。的一阶光;当一阶光达到一定的强度时,就 作为二阶散射的泵浦光,产生频率为。的二阶光,如图.所示。依 次类推,该过程称为“级联受激拉曼散射”。 另外,拉曼散射介质对于辐射场的响应时间是一个有限值,一般用分子振动 的驰豫 时间或退相时间疋表示:山东大学博士学位论文互面, 为真空中的光速,表示自发拉曼散射的增益线宽。一般拉曼晶体的增益线宽 为几 。或十几~,所以乃值约为几个】。从响应时间上区分,受激拉曼散射有两 ,在这种情况下,泵浦光脉冲的 种类型:第一,稳态受激拉曼散射. 脉宽印比分子振动的弛豫时间乃长很多,即。第二,瞬态受激拉曼散射 ,在这种情况下砀疋。因此,皮秒量级的激光器作为泵浦源时晶体中的拉 曼激光散射应考虑为瞬态受激拉曼散射,纳秒级的激光器作泵浦源时为稳态 受 激拉曼散射,本论文的主要工作就是利用稳态受激拉曼散射效应。 无论是拉曼激光器还是拉曼放大器,都要涉及一个很重要的物理量,那就是介质的 拉曼增益,这直接关系到拉曼激光器的阈值、转换效率。在文献,.. 等人对介质的拉曼增益做了详细推导。 对于稳态受激拉曼散射,一阶光强的表达式如下 ,, . 上式中,屯为泵浦光强度;为拉曼介质的长度;/为光强度;压为拉曼散射增 益系数,其表达式为: 、 .一 嘶壳册:盥。蛔’ 。丙森面面, 一一. 式中,?是散射粒子数,枷分别是泵浦光和斯托克斯光波长,//是拉曼介质在波长以 处的折射率,/.是拉曼散射截面。可见在稳态拉曼散射情况下,增益系数与 /..成正比,此因子定义为峰值拉曼散射截面‰,‰础即是介质自发拉曼 散射谱的峰值。对于不同的固态晶体材料,?具有相同的数量级,所以,高的稳 态散射增益系数往往要求材料既要有窄的拉曼线宽,又要有大的散射截面。通过测量 介质的自发拉曼散射谱,就可以确定稳态增益系数,或者确定不同频移处稳态增益系数 的比值】。 瞬态拉曼散射的情况下,散射光光强可表示为: ?, 渺悱姒一?托叫筹豺, 式中,. 和口分别为散射光和泵浦光波长,昂为泵浦脉冲峰值光强。可见瞬态拉曼增 益系数与泵浦脉冲能量昂尸、拉曼晶体长度和自发拉曼散射截面/的平方根成正 比,与拉曼谱线宽度 无关。拉曼介质瞬态拉曼增益系数可以由自发拉曼谱线强度 的积分值来表征,表示为?。。~/。 山东大学博士学位论文 ..固体拉曼激光器分类 目前,常用的固体拉曼激光器的结构主要有外腔式和内腔式两类】。外腔式 拉曼激光器是把拉曼晶体放在一个独立的谐振腔内,它不改变泵浦激光器的结构, 拉曼激光在拉曼谐振腔振荡而不影响泵浦激光器,如图.所示。外腔式拉曼激光器 是拉曼激光器的一种重要形式,具有设计简单,容易优化等优点。然而,外腔式拉 曼激光器阈值较高,只能对高能量的激光脉冲实现频率转换,转换效率低,因而, 外腔式拉曼激光器通常采用商业化的氙灯或激光侧面泵浦等高功率泵浦方式,拉 曼介质多用、、等晶体,因为这些晶体的尺寸较大、拉曼增 益较高,可以降低外腔式拉曼激光器的泵浦阈值。 ;、..曼卿蔓?一??.. . ..内腔式拉曼激光器是把拉曼晶体放入激光谐振腔内,内腔式拉曼激光器能充分 利用腔内基频光的高功率密度,因而内腔式拉曼激光器的阈值低,转换效率高,一 般情况下,拉曼光相对于基频光的转换效率能达到%.%。目前镀膜技术水平足 以实现.%以上的反射率,因此腔内基频光功率密度足以达到几百/甚至更 高,故而对拉曼晶体的尺寸和增益系数要求进一步降低。内腔式拉曼激光器通常有三 种结构。 第一种如图.所示,激光介质和拉曼介质分离,基频激光和拉曼激光共用一 个谐振腔。这种方式是最为传统的一种结构,也是研究最广泛的一种。另外由于基 频光和拉曼光共用一个谐振腔,因此结构紧凑,体积小,是目前拉曼激光器经常使 用的一种结构。图.是内腔式拉曼激光器的第二种形式,被称为自拉曼激光 器。在 这种激光器中,一块晶体同时具有激光介质和拉曼介质的特性,既做激光晶体,又做 拉曼晶体。现在已实现自拉曼运转的介质有:、:、:、: 等.。由于激光产生与拉曼转换共用一块晶体来实现,因而与图.所示传 统的内腔式拉曼激光器相比,体积更小,结构更加简单。山东大学博士学位论文 .: ;: .. ;: . .. .: ; . 图.表示了第三种内腔式拉曼激光器结构,被称为耦合腔拉曼激光器。在耦合腔 拉曼激光器中基频光谐振腔与拉曼转换腔相对独立而又相互嵌套。除了利用腔内高功率 密度低阈值运转外,拉曼光和基频光的谐振腔是分离的。如图.所示的线性腔,腔 镜和组成了基频光的谐振腔,腔镜与组成了拉曼光谐振腔。如图. 所示的折叠腔,腔镜和形成了基频光谐振腔,腔镜与之间为拉曼光谐 振腔。由于拉曼光的腔长可以控制得较短,从而可以输出脉宽更短的光脉冲。这种结构 既利用腔内的高功率密度低,降低了阈值,提高了转换效率;并且由于基频光和拉曼光 的谐振腔相对独立,易于优化,简化了激光器的设计。 ..常用拉曼介质 按物质形态划分,拉曼介质分为气体、液体和固体拉曼介质。在早期对受激拉曼 散射的研究过程中,所用的拉曼介质主要为气体或液体。.总结了多种气、液体 的受激拉曼散射频移,其中液态氧、液态氮、氧气、氮气、甲烷气体、氢气的频移值分山东大学博士学位论文 ~、. ~、 ~、 ~、 ~、 别为 以【】。可见 气体和液体的拉曼频移都比较大,通过一阶频移即可获得远大于基频光的波长。 但是,由于气体介质的粒子浓度小,必须增大入射光与拉曼介质的作用距离才能获 得显著的拉曼增益,因此气体拉曼盒一般都较大。并且由于气体的热导率很低,气 体拉曼激光器不能工作在高重复频率下。虽然通过流通的方法可以降低热效应,但 这样却使得设备复杂笨重且难以维护。另外液体拉曼介质由于具有挥发性、 有毒性 而应用很少。 . ? .? 。 ‘ / ‘’ / ~. . . . . .. .~ . .. . . . . . . . ~ . . . . . ... ~ . . . . . . . ~ ~ . . . . ~ . 。 ~. .. 固态拉曼介质的出现克服了这些缺点,固态拉曼介质粒子浓度高,因而固态拉 曼介质体积小,拉曼增益高,转换效率高。此外,固态拉曼介质还具有光学和机械 特性好,热传导性能好,可靠性好以及易于和泵浦的全固态激光技术相结合等优 点。近几十年来来随着人工合成材料技术的迅猛发展,越来越多的优秀的人工拉曼 晶体被发明并得以应用。目前常用的有硝酸盐,、碳酸盐 【、碘酸盐,、钒酸盐和,、钨酸盐 山东大学博士学位论文 ,,,,,, 、 钼酸盐、】和、,等。优秀的拉曼晶体应具 有以下特点:在泵浦光及拉曼散射光波段透明度好,非线性损耗低,具有高的光学 损伤阈值,大的拉曼增益和良好的导热性能。表.总结了部分常用拉曼晶体的 参数。 从表中可以看出有最高的拉曼增益,其次是和。其中 属于白钨矿类晶体,此类晶体最强的拉曼峰在 之间,对应与原 子团内的彳对称模振动,它们属于低阈值的受激拉曼散射晶体,具有大积分 散射截面和 较窄的拉曼线宽。晶体增益系数较大,且不潮解、抗光伤阈值较高,可 获得高质量大尺寸的晶体,因而得到了越来越多的应用。对于白钨矿晶体, 从 ,晶体的拉曼频移增大,而线宽减小,呈现出明显的规律性。钼酸盐 类晶体也具有相同的现象,、和三种晶体中,的拉曼 线宽最窄,拉曼增益系数最大。在中掺入元素,可得到一种新型的拉曼晶体 ,这种晶体目前正在逐渐引起人们的关注.。 关于钨酸盐拉曼激光器,人们采用、、等为拉曼介质, 进行了大量的研究。例如年,台湾交通大学的 教授报道了声光调的 的 :/内腔式拉曼激光器,获得了. 拉曼光输出。 年, .等人采用端面泵浦、主动调方式,实现了:/内腔式 拉曼转换。在泵浦功率为. 时得到了. 的人眼安全波长激光输出。 我们的课题组也在钨酸盐拉曼激光器方面做了诸多研究。年,采用端面泵浦, 声 拉曼激光器 光调方式,实现了转换效率为%的内腔式:/ 【。采用侧面泵浦方式,输出功率升至. 】。人眼安全拉曼激光器方面,最 近我们课题组也报道了基于声光调的:/的拉曼激光器,获得了. 的 拉曼激光输出】。 另外值得一提的是钒酸钇和矾酸钆晶体,年, 等人通过实验证明了和是很好的拉曼增益介质,给出了两者的最强拉曼频 移分别为 ~、 。。由于稀土掺杂的和同时具有优异的激光 性能和拉曼性能,因而可以实现自拉曼受激振荡,这种自拉曼激光器结构简 单,转换效 率高,获得了广泛的关注.。年,..等人采用泵浦被动调方式, .报道了关于泵浦 实现了:自拉曼激光器】。年,台湾 :晶体和:晶体一.“和一. 自拉曼激光器的实验结果。其中以 的 激光输出,相对于泵浦功 :为自拉曼晶体,声光调,获得了. 的 率的效率为.%;获得了. 拉曼激光输出,转换效率达.%。 的 采用:晶体,声光调,得到了. 拉曼激光输出; :被动调,获得了脉宽为 ,单脉冲能量为.心的. 激光。 的 年我们的课题组采用切:晶体,声光调方式,实现了.山东大学博士学位论文 自拉曼激光输出【】。 ?.激光器中的热效应 固体激光器中的热效应一直是激光技术研究中的一个重要课题,尤其是在大功率工 作的情况下,热效应的影响尤为显著。热不仅给激光的偏振特性带来影响,造成严重的 退偏效应,同时形成了动态热透镜效应,限制了基模输出功率和光束质量。所以,如何 有效减轻热效应,提高其基模输出功率,是固体激光技术研究的热点之,。除 了激光晶体,各种非线性晶体也会不可避免地产生热,而非线性晶体的热效应往往又与 基频光的运转有关,基频光的运转又受激光晶体中热效应的制约。因此在研究非线性变 频激光器件,尤其是内腔式非线性变频激光器的特性时,需要同时考虑激光晶体和非线 性晶体中的热效应,这就使得情况显得更为复杂。 关于激光晶体中的热效应,自从激光产生以来大量的文献都对其做了非常详 细的研 究,.。非线性晶体的热效应研究的较多的是倍频晶体,而对拉曼晶体和 晶体的热效应研究却相对较少。本节以激光晶体为例,简要说明了热透镜产生的原理, 值得注意的是这些有关热透镜的结论同样适用于非线性晶体中。以此为出发点,讨论了 拉曼晶体和晶体的热透镜效应。 ..激光昌体热透镜效应 是首先使用解析方法研究固体激光介质热透镜学者之一。在 年给出了高斯光束泵浦下热透镜的表达式【。年则研究了平顶光束 泵浦下的温度分布和光程差分布。大量研究者基于此和的理论 分析讨论了激光晶体的热透镜效应,但基本上是依据实际的实验条件对方程的部分内容 进行修改,本质处理过程不变.,,,。在这里我们不做详细推导,以圆 棒状激光介质为例,简单地说明热透镜效应的产生原理。 材料内部因吸收了辐射而发热,而散热又要求对其表面进行冷却,这两者使材料内 部产生不均匀的温度分布。采用柱坐标,晶体棒中与温度有关的折射率变化为: ,:.旦竺,., . 。 ,表示径向坐标,为热源密度,即单位体积的均匀发热量,恐为热传导系数,/ 为 折射率温度系数。由于横向热应力是表现在径向和切向的,热致双折射表现在径向和切 向的折射率变化率不同,可表示为: . 觚厂瑶譬,山东大学博士学位论文 其中下标,.和分别代表径向和切向两个不同方向,是激光棒的折射率,仅为热膨胀系 数,,和分别为径向与切向光弹系数。 由式.和.可以看出,晶体棒的折射率变化量与半径,.是二次方关系。沿棒轴 传播的光束将出现二次方的空间相位变化,此扰动相当于球面透镜效应,因此称之为热 透镜效应。另外,在温度和应力作用下,棒端面曲率也产生畸变,最终,棒的等效热透 镜焦距可写为: . 面气.而%, 咀, 其中厂。是增益介质的半径。 式.中的三项分别代表激光棒的温度,热应力,以及晶体端面热致畸变对热 透镜效应的贡献。一般说来此式中第一项与温度有关的折射率变化是形成热透镜效应的 主要因素。拿:材料举例,式中第二项与应力有关的折射率变化改变%的焦 距,端面效应占的比重小于%,第一种与温度有关的则占主要比重,大约%【】。所 以有时为了简便,研究者们往往只考虑式.中的第一项。 自此,以上讨论对激光介质和非线性介质都适用。一旦选定了介质,材料的常量就 确定了。因此.式中不确定的量就剩下了单位体积的均匀发热量。事实上,在 晶体内部是与坐标,.和有关的函数。对于激光晶体来说,其内部的热主要来源于对 泵浦光吸收不完全、泵浦带与激光上能级和激光下能级与基态之间的能差造成的量子亏 损、以及激光跃迁的荧光过程中的量子效率小于等原因。如今常用的激光二极管泵浦 方式的优点就是高效泵浦的过程极大地减少了激光介质吸收的热量。泵浦光的波长更接 近与发射激光波长,减少了量子亏损,消除了激活离子吸收带范围之外的泵浦辐射造成 的发热现象。二极管泵浦光束在截面上能量分布一般被看做平顶分布,即光束截面 内光能量均匀分布。而在光参量振荡晶体、拉曼晶体、饱和吸收体等使用基模光束泵浦 的晶体中,其泵浦光束分布则是高斯型的。 二极管泵浦有侧面泵浦和端面泵浦两种方式。值得注意的是,关于二极管端面泵浦 及侧面泵浦方式下激光晶体的等效热透镜焦距,研究者们进行了大量的讨论,采用的手 法及精确手段不同,得到的结果也有差异。这里我们只考虑其中较为简便的,也是被广 泛采用的计算公式: 土。 , 乞仉圪 . 叩一,。叩,。叩,,叩,丢手叼,等, 为晶体中总的耗散的热量,%为平均泵浦半径,,棒中的热耗散功率占泵浦功率的山东大学博士学位论文 比重,尸加是泵浦功率,叩是泵浦量子效率,它代表单泵浦光子转化为激光光子的效率; 叩,是激光抽运效率,是受激发射的离子数与上能级释放的总离子数比值,玑是辐射量子 效率,它是自发发射离子数与上能级非受激发射的离子总数比值,屯是泵浦光的波长, 凡是激光波长,知是荧光平均波长。对侧面泵浦方式,泵浦源从激光棒侧面均匀泵浦, 有。对于端面泵浦方式,泵浦光经过透镜在激光介质内部聚焦,近似认为平均 泵浦半径等于泵浦光束的腰斑半径,有【,】。 于是激光介质棒的等效热透镜焦距就可写为: . 矗.群印/匕, 其中,墨妒是与激光材料有关的常量。可见,激光棒的等效热透镜焦距是与泵浦功率成 正比的。且由于热应力造成的,和不相等,群和杨的值是不同的,相应的两个热 透镜焦距因此也不同,这就是热致双折射引起的双焦效应,?】。人们常常用 姗的比值来表示双焦效应的大小。 由于双焦效应的存在,极大的影响了激光的运转特性,其中之一就是退偏效应。假 设入射光为偏振光,由.式,当该线偏振光