利用全固態(tài)激光技術(shù)及光學參量過程產(chǎn)生高功率連續(xù)單頻激光的理論和實驗研究.pdf

1、隨著激光技術(shù)的飛速發(fā)展，各種激光光源已經(jīng)廣泛應(yīng)用在我們生活中的各個領(lǐng)域，如工業(yè)領(lǐng)域中采用高功率的脈沖激光用于激光打標、激光焊接、材料切割和表面處理等;軍事領(lǐng)域中用于激光測距、激光武器、激光制導和激光雷達等;在醫(yī)療方面用于激光美容、激光照射治療以及激光切割腫瘤等。以上的這些應(yīng)用中，用到的主要是激光的高能量密度這個特性。而在基礎(chǔ)科學研究中，我們對激光的模式提出了更高的要求——連續(xù)單頻激光。高功率連續(xù)單頻激光光源在非線性光學、量子光學、量子信

2、息、高分辨率光譜學以及冷原子的俘獲等方面的研究工作中有著重要的應(yīng)用，并且隨著科研工作的進展，人們對連續(xù)單頻激光光源的各個性能參數(shù)如長期功率穩(wěn)定性、頻率穩(wěn)定性、光束質(zhì)量以及輸出功率等提出了越來越高的要求。
　　在本文中我們分別開展了1.06μm、532nm和1.5μm三種不同波長的高功率連續(xù)單頻激光光源的研制工作。高功率全固態(tài)連續(xù)單頻1.06μm激光器是整個研究工作的基礎(chǔ)內(nèi)容;然后通過內(nèi)腔倍頻過程，研制532nm的全固態(tài)連續(xù)單頻綠光

3、激光器;最后，采用1.06μm激光器作為泵浦源泵浦單共振光學參量振蕩器(SRO)，獲取1.5μm的連續(xù)單頻激光光源。本文對這三種不同波長的激光光源的研究工作做了詳細的闡述，取得了如下的研究成果:
　　1、研制了一臺激光二極管(LD)雙端面泵浦的全固態(tài)連續(xù)單頻1.06μm Nd:YVO4激光器。在激光器的設(shè)計中詳細研究了激光晶體的熱效應(yīng)，分析了雙端面較單端面泵浦方式的優(yōu)勢。通過雙端面泵浦方式，減小了激光晶體的熱效應(yīng)。優(yōu)化選取實驗參數(shù)

4、，在LD泵浦功率為44.9W時，獲得了18.5W的連續(xù)單頻1.06μm激光輸出，相應(yīng)的光光轉(zhuǎn)化效率達41.2％;在3小時內(nèi)激光器的功率穩(wěn)定性優(yōu)于±0.4％;輸出激光的光束質(zhì)量M2＜1.05;激光的強度噪聲和相位噪聲在分析頻率4MHz處達到散粒噪聲基準。
　　2、研制了一臺880nm直接泵浦的高功率全固態(tài)連續(xù)單頻Nd:YVO4/LBO綠光激光器。文中詳細闡述了直接泵浦技術(shù)及其優(yōu)勢，直接泵浦方式大大減小了激光晶體的熱效應(yīng)，有利于提高激

5、光輸出功率和改善激光光束質(zhì)量。實驗在全固態(tài)連續(xù)單頻1.06μm激光器的基礎(chǔ)上，選用LBO為倍頻晶體，通過進一步選取合適的激光諧振腔腔長，獲得了高效內(nèi)腔倍頻。在LD泵浦功率為52W時，獲得了11.6W的連續(xù)單頻綠光激光輸出，光光轉(zhuǎn)換效率22.3％;在5小時內(nèi)激光的功率穩(wěn)定性優(yōu)于±0.5％;測得的激光光束質(zhì)量因子M2＜1.05;激光的強度噪聲在分析頻率4MHz處達到散粒噪聲極限，相位噪聲在2-20MHz范圍內(nèi)都高于散粒噪聲1.36dB左右。

6、
　　3、采用內(nèi)腔SRO，獲得了連續(xù)單頻的1.5μm激光光源。從理論上詳細分析了內(nèi)腔SRO的運轉(zhuǎn)性質(zhì);實驗設(shè)計并優(yōu)化激光諧振腔和SRO腔長，使得兩個諧振腔達到較好的匹配，以獲得較高的非線性轉(zhuǎn)換效率。在LD泵浦功率為18W時，實驗獲得了300mW的連續(xù)單頻1.5μm信號光輸出。
　　4、采用外腔SRO，實驗獲得了高功率的連續(xù)單頻1.5μm激光光源。理論上，詳細分析了SRO的閾值和輸入輸出特性;從量子郎之萬方程出發(fā)，分析了SRO

7、產(chǎn)生的信號光的噪聲特性，信號光的噪聲要稍高于泵浦光的噪聲。實驗上，采用連續(xù)單頻1.06μm Nd:YVO4激光器為泵浦源，泵浦由PPLN晶體構(gòu)成的SRO，在泵浦功率為6W時，獲得了1.02W的連續(xù)單頻1.5μm激光輸出。在信號光輸出功率為0.75W的情況下，監(jiān)視了信號光的功率穩(wěn)定性，30分鐘內(nèi)的功率波動優(yōu)于±1.5％，同時沒有模式跳變現(xiàn)象;改變PPLN晶體溫度40℃，輸出信號光波長連續(xù)調(diào)諧23nm;獲得的1.5μm激光的噪聲較低，其強度

8、噪聲在分析頻率4MHz處達到散粒噪聲基準，相位噪聲在10-20MHz的分析頻率范圍內(nèi)高于散粒噪聲基準約1dB。
　　在上述的研究工作中，屬于創(chuàng)新性的內(nèi)容有以下幾方面:
　　1、詳細分析了通過雙端面泵浦和直接泵浦的方式來減小激光晶體的熱效應(yīng)，并實驗驗證了這兩個泵浦方式確實改善了晶體的熱效應(yīng):雙端面泵浦相對于單端面泵浦，激光晶體的熱透鏡效應(yīng)減小了約40％;直接泵浦時，激光晶體的熱效應(yīng)是傳統(tǒng)泵浦方式時的一半。
　　2、首次將

9、直接泵浦技術(shù)應(yīng)用在全固態(tài)連續(xù)單頻激光器中，并且采用偏振光雙端面泵浦的方式，改善了直接泵浦技術(shù)中Nd:YVO4激光晶體在徑向吸收不均勻的問題和吸收效率低的問題。實驗研制了一臺880nm直接泵浦的全固態(tài)連續(xù)單頻綠光激光器，輸出11.6W的連續(xù)單頻綠光激光，光光轉(zhuǎn)換效率22.3％;激光器在5小時內(nèi)的功率穩(wěn)定性優(yōu)于±0.5％;輸出激光的光束質(zhì)量M2＜1.05。
　　3、實驗采用內(nèi)腔SRO獲得了300mW的1.5μm波段的連續(xù)單頻激光光源。