LD泵浦Nd-LYSO、Nd-LuGdAG激光特性研究.pdf

1、根據(jù)工作物質的類型可以把激光器分為固體、液體、氣體和半導體激光器四大類?？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）結合了固體激光器和半導體激光器的優(yōu)點，體積小、效率高、光束質量好、工作穩(wěn)定可靠，在工業(yè)、醫(yī)療、國防、信息技術和科技前沿等領域有著重要的應用，已經成為固體激光器領域的主流研究方向。
　　 工作物質在激光器中具有核心地位，也是激光器領域基本的研究內容。目前已經在數(shù)百種固體工作物質中實現(xiàn)了激光運轉，輸出譜

2、線有數(shù)千條。其中摻Nd3+材料倍受關注，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動器，已經在很多領域獲得了實際應用。在諸多摻Nd3+晶體材料中，應用最普遍的莫過于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、研究他們的運轉特性是激光領域重要的研究內容。
　　 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械和化學性能。其中Lu2SiO5(LSO)和Y2SiO5(YSO)都屬于低對稱性的單斜晶系，具有C2/c空間群結構，晶格中具有兩個不對稱的稀土格位。Nd:YSO由于具有生長性能好、自然雙折射強、吸收和發(fā)射譜線寬、吸收截面大等優(yōu)點而頗受關注，而LSO具有更好的熱學性能。(LuxY1-x)2SiO5(LYSO)則把它們的優(yōu)點結合了起來，由于Lu3+離子和Y3+離子的半徑差只有5％，因而Lu取代Y不會改

4、變晶體的結構。重要的是這種取代將進一步增加晶體結構的無序性，導致激活離子的光譜具有更加顯著的非均勻加寬，進而在某些應用中表現(xiàn)出更好的性能，例如Q調制中的能量增強效應、鎖模中更短的脈沖寬度以及對泵浦源的光譜匹配要求不嚴格等。
　　 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)晶體具有高的熱導率和良好的物理和化學性能，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)，涉及晶體的光學特性、LD泵浦激光的連續(xù)和被動調Q運轉性能以及非線性頻率變換等方面，主要內容如下:
　　 介紹了全固態(tài)激光器的研究歷史和優(yōu)勢、摻Nd3+激光晶體的躍遷機制、被動調Q技術的特點和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固體激光器的相關研究進展。
　　 利用偏光顯微鏡和棱鏡耦合儀對Nd:LYSO晶體進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理論對光譜參數(shù)進行了計算，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軸時吸收截面最大，平行于Y軸時吸收截面最小。利用熒光光譜儀在800～1400nm范圍內測得了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附近的激光運轉，室溫時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，寫出了四能級系統(tǒng)的閾值和斜效率表達式。討論了Cr4+:YAG被動調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式。對LD泵浦Nd:LYSO（b切、0.5at.％）1075nm和1079nm雙波長激光器進行了研究，當吸收泵浦功率3.87W時得到1.1W的連續(xù)雙波長激光輸出，光光轉換效率28.4％，斜效率32.4％;用Cr4+:YAG晶體

9、進行被動調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。同時也研究了與Nd:LYSO結構相同性能相近的Nd:LSO晶體（b切、0.5at.％）的1075nm和1079nm雙波長激光運轉特性，在吸收泵浦功率3.86W時獲得了1.09W連續(xù)運轉雙波長激光輸出，光光轉換效率為28.2％，斜效率為30.9％;被動調Q運轉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)對于這兩種晶體，非均勻加寬的影響導致使用透過率較小的輸出鏡可以獲得更高的效率。
　　 對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切的晶體對泵浦光的吸收最強，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)運轉時用X切Nd:LYSO晶體得到7.56W輸出，用入射

11、泵浦功率計算其最大光光轉換效率和斜效率分別為26.5％和33.1％（用吸收泵浦功率計算為52.5％和55.8％）;用Y切晶體得到10.3W輸出，最大光光轉換效率和斜效率分別為36.4％和45.9％（用吸收泵浦功率計算為50.2％和54.8％）;Z切晶體得到的結果為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軸的振動明顯強于沿Z軸的振動外，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躍遷激光的被動調Q運轉特性。用X切晶體獲得的最高平均輸出功率為2.64W（光光轉換效率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晶體的熱效應和Fabry-Perot標準具效應的影響，輸出光譜較為復雜。但在最高泵浦功率時，每種組合最強的輸出波長基本相對應于連續(xù)運轉時的最強波長。

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)運轉特性，用X切晶體得到最大輸出功率2.22W，最大光光轉換效率和斜效率分別為9.0％和12.5％（用吸收泵浦功率計算為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)就運轉效率而言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Nd:LuGdAG晶體800～1400nm波段的室溫熒光光譜進行了測量，發(fā)現(xiàn)對應于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泵浦成功實現(xiàn)了基于這三種躍遷的激光運轉。
　　 在LD泵浦1064nmNd:L

16、uGdAG激光器的研究中，當最大入射泵浦功率為31.4W時，得到6.88W的最大連續(xù)功率輸出，光光轉換效率為21.9％，斜效率為26.3％（用吸收泵浦功率計算為75.6％）。利用Cr4+:YAG晶體進行了Q調制得到3.94W的最大平均功率輸出，相應的光光轉換效率和斜效率分別為12.5％和15.1％（用吸收泵浦功率計算為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激光器實驗中得到了3.31W的最大功率輸出，最高光光轉換效率和最大斜效率分別為10.5％和13.0％(用吸收泵浦功率計算為37.4％)。
　　 分析了準三能級系統(tǒng)理論模型，對LD泵浦948nmNd:LuGdAG激光器進行了實驗研究。最大泵浦功率26.3W時得到3.03W的連續(xù)功率輸出，相應的光光轉換效率為11.5％，斜效率為15.6％（用吸收泵浦功率計算為44.8％）。利用Cr4+:YAG晶體進

18、行被動調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）進行腔內倍頻，成功獲得了LD泵浦474nmNd:LuGdAG/LBO藍光激光輸出。連續(xù)運轉時得到802mW的藍光激光輸出，光光轉換效率為3.0％（用吸收泵浦功率計算為8.6％）。在Cr4+:YAG被動調Q運