利用全固態(tài)激光技術(shù)及光學(xué)參量過(guò)程產(chǎn)生高功率連續(xù)單頻激光的理論和實(shí)驗(yàn)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(gè)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(biāo)、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(cè)距、激光武器、激光制導(dǎo)和激光雷達(dá)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(gè)特性。而在基礎(chǔ)科學(xué)研究中，我們對(duì)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(xué)、量子光學(xué)、量子信

2、息、高分辨率光譜學(xué)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(jìn)展，人們對(duì)連續(xù)單頻激光光源的各個(gè)性能參數(shù)如長(zhǎng)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(lái)越高的要求。
　　在本文中我們分別開(kāi)展了1.06μm、532nm和1.5μm三種不同波長(zhǎng)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(gè)研究工作的基礎(chǔ)內(nèi)容;然后通過(guò)內(nèi)腔倍頻過(guò)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(xué)參量振蕩器(SRO)，獲取1.5μm的連續(xù)單頻激光光源。本文對(duì)這三種不同波長(zhǎng)的激光光源的研究工作做了詳細(xì)的闡述，取得了如下的研究成果:
　　1、研制了一臺(tái)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(jì)中詳細(xì)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(shì)。通過(guò)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(shí)驗(yàn)參數(shù)

4、，在LD泵浦功率為44.9W時(shí)，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(dá)41.2％;在3小時(shí)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(qiáng)度噪聲和相位噪聲在分析頻率4MHz處達(dá)到散粒噪聲基準(zhǔn)。
　　2、研制了一臺(tái)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(xì)闡述了直接泵浦技術(shù)及其優(yōu)勢(shì)，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(shí)驗(yàn)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(guò)進(jìn)一步選取合適的激光諧振腔腔長(zhǎng)，獲得了高效內(nèi)腔倍頻。在LD泵浦功率為52W時(shí)，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(shí)內(nèi)激光的功率穩(wěn)定性優(yōu)于±0.5％;測(cè)得的激光光束質(zhì)量因子M2＜1.05;激光的強(qiáng)度噪聲在分析頻率4MHz處達(dá)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(xì)分析了內(nèi)腔SRO的運(yùn)轉(zhuǎn)性質(zhì);實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并優(yōu)化激光諧振腔和SRO腔長(zhǎng)，使得兩個(gè)諧振腔達(dá)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(shí)，實(shí)驗(yàn)獲得了300mW的連續(xù)單頻1.5μm信號(hào)光輸出。
　　4、采用外腔SRO，實(shí)驗(yàn)獲得了高功率的連續(xù)單頻1.5μm激光光源。理論上，詳細(xì)分析了SRO的閾值和輸入輸出特性;從量子郎之萬(wàn)方程出發(fā)，分析了SRO

7、產(chǎn)生的信號(hào)光的噪聲特性，信號(hào)光的噪聲要稍高于泵浦光的噪聲。實(shí)驗(yàn)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(shí)，獲得了1.02W的連續(xù)單頻1.5μm激光輸出。在信號(hào)光輸出功率為0.75W的情況下，監(jiān)視了信號(hào)光的功率穩(wěn)定性，30分鐘內(nèi)的功率波動(dòng)優(yōu)于±1.5％，同時(shí)沒(méi)有模式跳變現(xiàn)象;改變PPLN晶體溫度40℃，輸出信號(hào)光波長(zhǎng)連續(xù)調(diào)諧23nm;獲得的1.5μm激光的噪聲較低，其強(qiáng)度

8、噪聲在分析頻率4MHz處達(dá)到散粒噪聲基準(zhǔn)，相位噪聲在10-20MHz的分析頻率范圍內(nèi)高于散粒噪聲基準(zhǔn)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(xì)分析了通過(guò)雙端面泵浦和直接泵浦的方式來(lái)減小激光晶體的熱效應(yīng)，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這兩個(gè)泵浦方式確實(shí)改善了晶體的熱效應(yīng):雙端面泵浦相對(duì)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(shí)，激光晶體的熱效應(yīng)是傳統(tǒng)泵浦方式時(shí)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(wèn)題和吸收效率低的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)研制了一臺(tái)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(shí)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(shí)驗(yàn)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。