华中科技大学
硕士学位论文
LD泵浦全固态绿光激光器研究
姓名：姬后续
申请学位级别：硕士
专业：物理电子学
指导教师：王海林
20090521
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
摘要
激光是20世纪最伟大的发明之一，LD泵浦的全固态激光器具有高效率、长寿命、结构紧凑及光束质量好等优点，在医学、材料加工、通讯等方面都有重要应用，可见光波段的全固态绿光激光器是全固态激光器的重要研究对象与热点，本文围绕全固态绿光激光器的实现进行了理论探讨和实验研究。
首先综述了全固态激光器的发展概况，对其特点和应用做了介绍，概述了全固态绿光激光器的发展现状。其次对全固态绿光激光器实现的理论基础进行探讨，通过Sylvester定理分析出谐振腔的稳定性条件，对固体激光器的热效应分析得出热焦距的公式，以此来分析含有Nd:YAG的平平腔的动态工作特性，采用对称腔型时，谐振腔的稳区最大。根据波耦合方程求出影响倍频效率的因素，给出相位匹配的方法，选定II类相位匹配KTP为本实验的倍频晶体。为了提高倍频效率，提高绿光输出功率，在谐振腔中加入声光调Q开关，介绍了激光调Q的原理。最后进行了实验并对全文总结。
采用Hipower35半导体泵浦模块，QS27-4S-B声光Q开关，透过率为16%的输出镜得到了33W的基频光输出，在20kHz、25A时得到14.8W的调Q平均功率，1kHz、25A得到最大单脉冲峰值功率44.7kW，最小脉宽47ns。采用4mm×4mm×7mm的KTP 晶体，在20kHz、23A时得到最大平均功率为6.18W的绿光输出，在1kHz、21A时得到最大单脉冲绿光功率为8.7kW，此时最小脉宽为84.5ns。得到的绿光激光器在功率和脉宽还不是最好，还需进一步完善。
关键词：全固态激光器绿光声光调Q KTP
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Abstract
Laser is one of the greatest inventions in the 20th century, LD-pumped all-solid-state lasers have played an important role in medicine, materials machining, communications and other important aspects of the application, due to its advantages, such as high efficiency, long lifetime, compact structure and the advantages of good beam quality. The visible band of all-solid-state lasers is an important research and hot subjects; in this paper around the all-solid-state green laser for the realization of the theoretical and experimental researches are presented.
First of all, the development of all-solid-state laser was summarized, its characteristics and applications were introduced, and the present development of all-solid-state green lasers was summarized. Second, the basic theoretical of all-solid-state green laser to achieve was explored, the stability of a resonant cavity conditions was analysised through the Sylvester theorem, the thermal focal length of the formula was analysised thermal effects of solid-state lasers, this was used to study the dynamics characteristics of the Parallel-plane cavity with Nd:YAG, used the symmetric-shaped cavity, the stability of the cavity was largest. The impact of frequency-doubling efficiency factor was obtained by the coupled wave equations, given the method of phase matching, selected class II KTP frequency-doubling crystal. In order to improve the frequency efficiency and output power of green laser, acousto-optic Q-switch was added in the resonant cavity, presented the theory of laser Q-switch. Finally, did the experimental and summarized the full text.
Using Hipower35 semiconductor-pumped module, QS27-4S-B acousto-optic Q-switch, was had 1064nm laser output of 33W by using 16% transmittance output mirror, when the frequency of Q-switch was 20kHz and the pumped current was 25A, gained Q-average average power 14.8W, when the frequency of Q-switch was 1kHz and the pumped current was 25A, the maximum peak power was 44.7kW and the minimum pulse
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width was 47ns. Using 4mm × 4mm × 7mm of the KTP crystal, obtained 532nm green laser, when the frequency of Q-switch was 20kHz and the pumped current was 23A, obtained the max average power 6.18W, when the frequency of Q-switch was 1kHz and the pumped current was 21A, obtained the max peak power 8.7kW and the minimum pulse width was 84.5ns.The green laser power and pulse width has not been the best, needs improved in the further.
Key words：all-solid-state laser green laser acousto-optic Q-switch KTP
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
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1 绪论
激光作为20世纪重大科技成就之一的标志是1960年7月由美国休斯公司的T.H.Maiman博士研制成功了世界上第一台红宝石固体激光器[1]。在接下来的半个世纪，固体激光器得到了突飞猛进的发展，工作物质从最初的红宝石拓展到现在的钕玻璃、掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)、掺钕钒酸钇(Nd:YVO4)、掺钕氟化钇锂(Nd:YLF)和蓝宝石等多种晶体，泵浦源从最初的闪光灯到现在的半导体激光二极管(LD)。固体激光器具有能量大、峰值功率高、结构紧凑、牢固耐用等优点，已广泛应用于工农业、国防、医疗、科学研究等方面。上世纪八十年代后期，由于半导体技术的成熟，使得激光二极管泵浦的固体激光器(DPSSL)发展迅速，这种全固态激光器具有高效率、长寿命、结构紧凑及光束质量好等优点，在激光打孔、切割、焊接、打标、光通讯、医学诊断、激光雷达、激光光谱分析、高功率激光等领域都有重要应用，DPSSL再加入KTP、LBO、BBO等非线性光学晶体，可以实现可见光及紫外波长的输出，DPSSL已经成为固体激光器的重要研究与发展对象，成为国际上竞相研究的热点之一。
本章将对全固态激光器的发展进行回顾，介绍全固态激光器的主要特性和应用，综述LD泵浦的全固态绿光激光器的发展现状及前景。
1.1 全固态激光器的发展概况及其特性应用
1.1.1 全固态激光器的发展概况
在1960年第一台激光器诞生的时候，Roger Newman就提出了全固态激光器的思想，并于1963年用808nm左右的GaAs二极管泵浦Nd:CaWO4，得到了1064nm 的受激荧光输出[2]。1964年，美国MIT林肯实验室的Keyes和Quist用LD泵浦U3+:CaF2晶体，实现了2613nm的全固态激光输出，但由于半导体激光器发射谱线的限制，工作环境是在液氮中冷却至4K，限制了工作的稳定性[3]。1968年，美国麦道宇航公司的Ross将半导体冷却至170K以实现GaAs与Nd:YAG的波长匹配，实现
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了第一台LD泵浦的Nd:YAG激光器[4]。
由于半导体激光器存在功率低、转换效率低、光束发散角大、单色性差以及很难在室温下运转等缺点，使得全固态激光器在20世纪70年代没有很大的进展，全固态激光器的输出功率及性能还不能与闪光灯泵浦的固体激光器相比。
20世纪80年代，随着高功率、高效率的半导体激光器及其阵列的发展，使得全固态激光器的发展进入了一个新阶段，研究内容几乎涉及到了激光技术的各个方面，同时也带动了新型固体激光材料、频率变换技术和LD泵浦技术的发展，利用调Q 技术和锁模技术产生了峰值功率达到几十千瓦的皮秒超短脉冲；利用短薄片腔、环形腔或扭转模腔等方法实现了激光器的单频运转；利用倍频、和频或参量变换等非线性技术获得了更宽波段范围的可见光及紫外激光输出[5]。
20世纪90年代以来，由于LD的飞速发展和全固态激光器整体设计的优化，全固态激光器有了很大进展，并且开始转向实用化和商品化。美国Spectra-Physics和Coherent公司，德国的Trumpf公司和Rofin等公司分别推出了各种型号的全固态激光器。国内的上海光机所、中科院物理所、清华大学、天津大学、四川大学、山东大学、长春光机所、华中科技大学激光院等单位先后开展了全固态激光器的研究[6~9]。
当前，随着高亮度泵浦源、高增益的激光介质和大非线性系数的晶体的发展，出现了结构更加紧凑、输出功率更高、光束质量更好、波长范围更宽的全固态激光器，并向超高功率、超短波长发展：
(1) 超高功率发展。在高功率方面，1999年日本东芝公司实现了半导体泵浦功率9.4kW，输出平均功率为3.3kW、峰值功率为13.2kW的1064nm激光[10]，系统中使用堆迭激光二极管直接泵浦四根串接Nd:YAG晶体，当泵浦功率为2.1kW时，连续输出功率接近1kW，光效率可达到47%。在激光武器方面，有希望在近几年实现用于战场的100kW激光器[11]。目前正在研究的高功率激光晶体材料主要有三种：棒状、盘状和板条。再应用不同的二极管排列方式，侧面泵浦或者端面泵浦激光晶体介质[12]。
(2) 超短波长方向。在可见光波段，通过倍频，全固态激光器在671nm、660nm、656nm、627nm、594nm、532nm、473nm、457nm等各种可见光波长都有激光输出，
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通过和频、四倍频，还可以输出紫外激光。现在研究的超短波长激光器主要是指532nm绿光激光器、355nm紫外激光器和266nm深紫外激光器。
1.1.2 全固态激光器的特性和应用
LD泵浦全固态激光器相对于以前气体灯做泵浦源的固体激光器具有以下特性：
(1) 工作时间长可靠性高。泵浦灯使用寿命短，一般只有400个小时左右，而激光二极管的使用寿命很长，一般都在2万小时以上，这明显提高了激光设备的可靠性。
图1-1 YAG棒的吸收光谱与气体灯及LD的发光谱线
(2) 转换效率高。图1-1是Nd:YAG的吸收光谱与气体灯、LD的发光谱线对比。从图中可以看出，Nd:YAG只对几条特定光谱有较强的吸收，并且吸收带宽很窄，它在808nm处有一吸收峰，其线宽为5.5nm[13]。而气体灯的发光谱线很宽，大部分泵浦光未被Nd:YAG吸收而转化为热能，导致灯泵浦的固体激光器的总体效率只有3%左右，吸收的热能还加剧了固体激光器的热效应。LD的发光谱线很窄，中心波长在808nm附近，正对应着Nd:YAG的一个吸收峰，所以LD作为泵浦源显著的提高了固体激光器的转换效率。
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(3) 光束质量好。LD的泵浦波长和工作物质的吸收光谱可以很好的匹配，减少了工作物质积聚的热量，从而大大降低了热透镜效应，改善了光束质量。此外，由于激光二极管泵浦区域可以和谐振腔的基模体积相匹配，使得端面泵浦的全固态激光器基本上可以接近理论极限M2=1，以理想的基模输出[14,15]。
此外，全固态激光器还具有体积小、重量轻、结构紧凑等优点，使其在军事、材料加工、医学、显示、通信等众多领域都有着极其重要的应用[16]。
(1) 军事应用。从摧毁敌人的导弹到跟踪敌人的目标，从军事演习到法庭破案，几乎到处都在使用激光器，如目标指定、激光制导、通信、光学探测、测距、激光雷达、导弹防御等军事应用已经成熟，规模也相当可观。现在，在军用全固态激光器应用中，激光测距、激光制导、跟踪、激光雷达、目标指定、导弹防御等仍是主要的研究方向。
(2) 材料加工。材料加工是激光应用的重要领域之一，激光对金属、塑料等各种材料的切割、焊接、打孔打标、弯曲成形、表面处理等加工过程；激光微加工；激光快速成型等都是激光材料加工。现在从汽车工业到电子工业，激光加工设备已经成为标准的激光机床了，以后随着LD技术和全固态激光器的发展，会有更多的、性能可靠和更加适用廉价的激光机床应用于材料加工。
(3) 医学应用。激光自出现之后就被尝试应用于治疗癌症及牙病，随着激光技术的发展，公众对激光医疗的需求在不断增长，医生对激光技术的信赖程度在不断增强，医用激光市场的规模也在不断扩大。激光在眼科学、皮肤学、肿瘤学、牙科学等领域取得成功应用之后，现在又在诊断领域、生命科学领域不断取得进展。早期应用于医疗的激光器主要是气体激光器和灯泵浦固体激光器，但是现在已经有越来越多的全固态激光器代替了原来的气体激光器和灯泵浦固体激光器。
(4) 其他应用。除了上面的应用，激光器还应用于激光测距、激光多普勒雷达以及激光全息测量。另外激光在促进交通事业现代化中起到了关键作用。激光在光盘、激光印刷、激光显示等的应用，扩大了激光在文化领域中的应用。特别是现在正在研究的用半导体泵浦固态工作物质，产生红、绿、蓝三种波长的连续激光作为激光彩色电视的光源，通过电信号控制三基色激光扫描图像。
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1.2 LD泵浦的全固态绿光激光器的研究现状
1982年，Yung S.Liu等人采用II类相位匹配KTP、内腔调Q激光器，获得了重复频率5kHz、平均功率为5.6W的绿光输出[17]。1983年，姚建铨院士利用L型腔KTP晶体内腔倍频YAG在重复频率2.5kHz时，获得了平均功率为11W、峰值功率为22kW的绿光，是当时国际的最高水平[18]。1986年，T.M.Bear利用GaAlAs激光二极管泵浦Nd:YAG腔内倍频获得11mW的绿光输出，实现了第一台全固态绿光激光器[19]。1991年，D.C.Gerstenberger等人利用LD泵浦Nd:YAG倍频，输出了200mW 的绿光，光光转换效率达到65%[20]。1996年B.J.LeGarrec等人利用LD侧面泵浦Nd:YAG，KTP腔内倍频，声光调Q频率为27kHz时，获得了平均功率为106W的绿光输出[21]。1998年，T.Kojima等人利用LD侧面泵浦Nd:YAG，腔内倍频获得了27W的连续绿光。2000年，Susumu Konno等人利用LD侧面泵浦Nd:YAG，声光调Q和腔内倍频LBO，获得了平均功率为138W的脉冲绿光输出[22]。Y.Hirano等人实现了连续运转100小时输出功率100W的绿光激光器[23]，2003年，Yitshsk Tzuk等人利用LD阵列侧面泵浦Nd:YVO4，腔内倍频BBO，获得了高达295W的连续绿光 [24]。2004年，Kiriyama Hiromitsu用Nd:YAG在重复频率1kHz的主振荡参量放大系统中倍频KTP获得了平均功率132W的绿光，转换效率高达60%[25]。
我国在中、低功率的全固态绿光激光器的技术上比较成熟，如长春的新产业光电技术有限公司，已形成中、低功率全固态绿光激光器的产品研究、开发、生产和销售为一体的产业化基地。在大功率绿光激光器的研究上我国与国外还有一定的差距。2000年，中科院物理所与山东师范大学用LD双向泵浦Nd:YVO4，腔内倍频KTP，获得最大连续绿光8.8W，光-光转换效率31.5%[26]。2002年，王涛等报道了高功率Nd:YAG绿光激光器，输出20W的绿光[27]。2003年，四川大学的姚震宇等人在泵浦功率约为350W时，采用透过率为30%的输出镜和II类相位匹配KTP，在重复率7kHz，获得了脉宽120ns、平均功率32.5W的绿光[28]。2004年，天津大学的徐德刚等人用LD侧面泵浦Nd:YAG，双声光调Q的高效平-凹腔，在重复率20.4kHz时获得了脉宽230ns、平均功率85W的绿光输出[29]。2005年，姜东升等报道了120W的二极管
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泵浦Nd:YAG声光调Q内腔倍频绿光激光器，泵浦功率为800W时，在V型腔上实现了112W的输出，在Z型腔上实现了120W的绿光输出[30]。2006年，白晋涛在中国光学学会2006年学术大会上报道了采用双棒串接、HGTR-KTP晶体腔内倍频、双声光调Q的V型腔LD泵浦Nd:YAG，获得了185W的绿光输出[31]。
就目前的发展来看，全固态绿光激光器将朝着高功率、高光束质量、窄脉宽的方向发展。但是，同时追求高功率和高光束质量是矛盾的，高功率高重复频率下追求窄脉宽也是矛盾的，因此，发展高效率、高频的电光Q开关以及发展大功率声光Q开关技术，同时有效补偿热效应，提高倍频晶体的倍频转换效率，提高长时间工作下的稳定性问题将是全固态绿光激光器发展中亟需解决的几个关键技术[32]。
1.3 本论文的研究工作
本论文的目的是研制一台高重复频率声光调Q全固态绿光激光器。在实验之前，运用谐振腔理论、Sylvester定理详细分析了谐振腔的稳定性条件，以此选择谐振腔参数。对全固态激光器的热效应进行了分析，得出热焦距的关系式，并求出本实验的激光器的热焦距大小，通过热焦距关系式分析了含有Nd:YAG的平行平面腔的动态特性，为腔长大小的选定提供依据。再介绍了激光倍频的原理及其技术，根据波耦合方程得出影响倍频效率的因素，介绍了相位匹配的方式。为了提高倍频绿光激光器的峰值功率、转换效率，在加入倍频晶体之前要加入声光调Q开关。对声光调Q原理技术做了详细的分析介绍，以便为实验提供指导。
本实验采用Hipower35半导体泵浦激光模块，QS27-4S-B声光Q开关和KTP晶体倍频。根据1064nm基频输出激光与输出镜透过率的关系来选择合适的输出镜透过率，实验验证了热焦距对谐振腔的影响，在对称平行平面腔时，热稳区最大，非对称平行平面腔由腔镜距Nd:YAG最长的距离来决定谐振腔的稳区，腔长越长，稳区越短。加上声光Q开关后，在调制频率20kHz，泵浦电流25A时得到最大平均功率14.8W的1064nm激光。使用大小为4mm×4mm×7mm的II类相位匹配KTP腔内倍频，得到最大平均功率为6.18W的绿光输出，最大单脉冲峰值功率为8.7kW。
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 全固态绿光激光器的理论基础
2.1 谐振腔理论
光学谐振腔是激光器的三个主要组成部分之一，它的作用是提供正反馈，以便在腔内建立和维持激光振荡，其形式与结构参数直接影响激光器的功率输出、光束发散角、光束质量、激光模式、光斑大小和谐振频率。对于全固态激光器，由于泵浦引起的热效应引起谐振腔形的改变，因此本节将研究热效应以及含热效应的谐振腔的动态工作特性。
2.1.1 谐振腔的稳定性条件
如果激光束在共轴球面腔内多次往返反射后，其位置仍“紧靠”光轴，那么该光腔是稳定的；反之，则称该光腔是不稳定的。下面以曲率半径不等的球面镜组成的光腔来讨论谐振腔的稳定性。如图2-1所示，两反射镜曲率半径分别为R 1、R 2，腔长为L ，以M 1为参考面，光束在腔内往返一周的矩阵为
图2-1 一般球面光学谐振腔
2110101122110101L L A B M C D R R ??????????????==??????????????????????????
(2-1) 由Sylvester 定理，光束在腔内往返n 次后的传播矩阵为
sin sin(1)sin 1sin sin sin(1)sin n n n n
n A n n B n M C n D n n A B C D θθ
θθθθθ????=?????
???=???? (2-2)
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 式中
cos 2
A D θ+= (2-3) 设初始光束为()11,x θ，经n 次往返后为(),n n x θ，则
11n n n x A x B θ=+ 11n n n C x D θθ=+ (2-4)
由式(2-2)、(2-3)和(2-4)可知，要求光束在腔内经n 次往返而不从反射镜侧面横向逃逸的必要条件为(2-4)式有周期性正弦解，则
112
A D +?<< (2-5) 式(2-5)即为通常意义下的光腔的稳定性条件。引入腔的g 参数，
111L g R =?，22
1L g R =? (2-6) 结合式(2-1)和(2-5)，光腔的稳定性条件可用g 参数写为
1201g g << (2-7)
图2-2 稳定图
当121g g >或120g g <时谐振腔为非稳腔，满足条件120g g =或121g g =的为临界腔[33]。若以g 1、g 2为坐标轴，可画出谐振腔的稳定图，如图2-2所示。任意一个球面腔()12,g g
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 唯一的对应于稳定图上的一个点。图中由二个坐标轴和双曲线121g g =所围成的阴影区域为稳定区，其余为不稳定区，其交界线为临界区。本实验所用的谐振腔型为平行平面腔，它的g 参数121g g =，属于临界腔，它具有高的衍射损耗，优点是模体积大，发散角小接近于平行光，通常用于高增益的固体激光器，但调整困难，反射镜必须调整到弧度角1秒左右[34]。
2.1.2 固体激光器的热效应
激光棒一方面吸收泵浦辐射而产生热，另一方面由于冷却过程造成了工作物质内部的温度分布不均匀，导致热应力、应力双折射和热透镜效应等，这些热影响都被称为热效应。
(1) 激光棒内的温度分布
若激光棒被均匀泵浦，棒周围散热情况相同，忽略冷却介质沿棒轴方向的微小温度变化，则可视热流主要沿棒的径向传导，可用一维热传导方程描述热稳定状况下的热流分布，即
2210d T dT Q dr r dr K
++= (2-8) 式中K 为热导率，Q 为激光棒的单位体积发热耗散的功率。这个微分方程给出沿半径r 任何一点上的稳态温度。若0r r =的边界条件是()0T r ，其中()0T r 是棒表面温度，r 0是棒半径，则
()()()22004Q T r T r r r K
=+
? (2-9) 单位体积产生的热可表示为 20a P Q r L
π= (2-10) 式中a P 为棒耗散的全部热，a in P P η=，in P 为泵浦源的输入电功率，η为热耗功率系数，表示棒内发热耗散的功率占输入功率的比例，L 为棒长。棒表面和中心的温差为
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ()()004a P T T r KL
π?= (2-11) 棒和流动液体间的热交换产生棒表面和冷却液之间的温差。当内部耗散热a P 等于冷却液从表面带走的热时，将达到稳态：
()002a F P r Lh T r T π=????? (2-12)
式中h 是表面传热系数，T F 是冷却液温度。用02F r L π=表示棒的表面积，有
()0a F P T r T Fh
?= (2-13) 通过式(2-11)和(2-13)，可得到棒中心的温度为
()1104F a T T P KL Fh π??=++????
(2-14)
图2-3 Nd:YAG 棒中径向的温度分布与半径的关系
对于本实验的LD 泵浦全固态激光器，LD 泵浦的光功率为P in =120W ，根据经验取η=0.2，则P a =24W ，Nd:YAG 被泵浦的有效长度L 取为2.4cm ，r 0=0.1cm ，冷却水温T F =25°C ，LD 泵浦模块的冷却水管半径为0.3cm ，冷却水箱的冷却水流速为8L/min ，由于YAG 棒和LD 是并联关系，冷却YAG 棒的水速为5L/min ，大约为83.3g/s ，借
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 此可以计算出表面热传递系数h=0.672W/(cm 2°C)，根据式(2-9)、(2-11)和(2-14)可以计算出Nd:YAG 棒中径向的温度分布，如图2-3所示，棒内温度沿径向为抛物线型变化。棒中心的温度最高为55.9°C ，棒表面的温度最低为48.7°C ，相同r 处温度相同。这支Nd:YAG 晶体的中心与表面温度相差7.2°C 。
(2) 激光棒的热应力和双折射
由于晶体外部较冷区域约束着内部较热区域不让膨胀，使得激光棒中的温度梯度产生机械应力。工作物质中温度分布不均匀产生的热应力，进而通过光弹性效应会使折射率发生变化，使原来各向同性材料变为各向异性，即产生了热应力双折射。光学介质的折射率持性通常由光率体描述，绝大多数情况下它是椭球体，对于各向同性介质，光率体为圆球体。对于Nd:YAG 激光棒，在正常情况下，光率体为圆球；但当内部有应力时，光率体变为椭球。Nd:YAG 棒的光轴是沿[111]方向，其截面内同一等温线折射率椭圆的截面如图2-4所示，经过推导可得在P 点沿径向和切向由热应力引起的折射率变化
图2-4 Nd:YAG 棒在[111]取向横截面内同一等温线上折射率椭球的截面
32012r r Q n n C r K
αΔ=? (2-15) 32012Q n n C r K
φφαΔ=? (2-16) 式中C r 和C φ为材料的光弹性系数和泊松比相关的常数，由此可确定双折射
320r B Q n n n n C r K φαΔ=Δ?Δ= (2-17)
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 式中C B 为材料的泊松比和光弹性系数相关的常数。对于Nd:YAG ，C r =0.017，C φ=?0.0025，C B =?0.0097，将材料参数代入(2-17)，可以计算出具体的双折射大小，如图2-5所示，n Δ最大为?1.04×10-5，n Δ与半径r 成抛物线关系。由于C r 和C φ不同，将引起偏振光退偏，导致激光器的功率不稳定。
图2-5 Nd:YAG 棒中热应力双折射与半径的关系
(3) 激光棒的热透镜效应
从上面的讨论看到激光棒内各处的温度和热应力不同，导致各处的折射率不同，若以棒中心的温度为标准，棒内折射率的空间分布为
()()()0T E n r n n r n r =+Δ+Δ (2-18)
式中，()n r 为折射率的径向变化，n 0为激光棒中心折射率，()T n r Δ和()E n r Δ为不同
温度和应力的折射率变化。折射率随温度的变化借助于式(2-9)和(2-11)可得
()()()204T dn Q dn n r T r T r dT K dT
Δ=?=????? (2-19) 折射率随应力的变化借助于式(2-15)和(2-16)可得
()320,12r E Q n r n C r K
φαΔ=? (2-20)
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 式中C r,φ表示当光的振动矢量沿径向时用C r ，沿切向时用C φ。将(2-19)和(2-20)代入(2-18)可得
()220012n n r n r n ??=?????
(2-21) 其中，320,12r Q dn n n C K dT φα??=+????
称为热透镜系数。由此决定的热焦距为 1
30,2112T r K dn f n C n L QL dT φα???′==+???? (2-22) 另外，端面效应对热焦距也有影响，端面效应是指棒端面平面度的外形畸变。对于Nd:YAG ，端面效应引起的棒焦距
()1
001T f K Qr n α?′′=????? (2-23)
折射率随温度和应力的变化以及棒端面曲率畸变的综合效应导出热焦距为 111T T T
f f f =+′′′ ()1
0030,112T r r n K dn f n C QL dT L φαα????=++????
(2-24) 将Q 值代入可得 ()1200300,112T r a r n r K dn
f n C P dT L φαπα????
=++????
(2-25) 将Nd:YAG 的材料参数带入式(2-25)，可以计算出本实验的激光器热焦距大小，如图2-6所示。在最大泵浦功率120W 时，热焦距大小为38.8cm ，对应的泵浦电流为25A 。在后面的实验中大致测量了一下热焦距，比理论计算的热焦距要短一些，若以棒中间算起热焦距，大概为27.5cm 左右。实验测量的热焦距短一些的原因可能是在计算热耗散功率时选取的热耗功率系数η偏小一点，若取η为0.25，则计算出热焦距为31.1cm ，对于LD 泵浦的激光器，η一般小于0.3，本实验的激光器泵浦功率较低，取η为0.2。计算中发现，在38.8cm 的热焦距中折射率随温度的变化引起的热焦距
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 为30.2cm ，折射率随应力的变化引起的热焦距为6.6cm ，端面效应引起的热焦距为2cm ，端面效应引起的热焦距很小，可以忽略。当忽略端面效应后，热焦距与棒的横截面积成正比，而与棒中的热耗散功率P a 成反比，与棒的长度无关[35]。
图2-6 Nd:YAG 直径为2mm 的热焦距与泵浦功率的关系曲线
热透镜效应的危害很严重，主要表现为：激光束发散角加大，方向性变差；对单模工作的器件影响更大，单模体积缩小，输出降低。谐振腔内有热透镜，改变了等效谐振腔型。例如由平行平面腔变成凹面腔[36]。
2.1.3 Nd:YAG 的动态工作特性
在Nd:YAG 激光器的工作过程中，一级近似下，可将棒的热透镜效应等效为一个焦距为f 的厚透镜[37]，如图2-7所示，M 1和M 2为谐振腔的两个平面镜，l 1、l 2分别为两平面镜到YAG 棒两端的距离，YAG 棒的长度为l 。厚透镜的屈光度为
20
1d d D P P f A r σσπ=== (2-26) 式中，A 为Nd:YAG 棒的横截面面积，r 0是YAG 棒半径，σ为棒的热透镜系数，其大小与棒的掺杂浓度及材料系数等有关。由几何光学可知，厚透镜的主面H 1，H 2到棒端面的距离为h=l /2n ，式中，n 为棒的折射率，主面H 1、H 2到谐振腔两个平面的
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 距离分别为d 1=l 1+h ，d 2=l 2+h 。屈光度为D 的Nd:YAG 棒的几何传输矩阵为
1010111YAG M f D ????==??????????
(2-27)
图2-7 将Nd:YAG 棒等效为厚透镜的平行平面腔
从(2-26)和(2-27)可以看出，Nd:YAG 棒的几何传输矩阵与泵浦功率P d 有关，即如果泵浦功率发生变化，则屈光度也跟着变化，从而导致传输矩阵也跟着变化。从M 1到M 2的腔内单程传输矩阵为
0021002121221111010111101101101YAG a b d d M M c d d D d d d d D d d D d D D ??????==???????????????+?????????=??=???????????????????
(2-28) 引入“激光光学”中的G 参数，
1001G a b R =?，2002G d b R =? (2-29)
平行平面腔的两个镜面为平面，R 1=R 2=∞，则由(2-29)式可得平行平面腔的G 参数
G 1=1-d 2D ，G 2=1-d 1D (2-30)
从G 1、G 2中消去屈光度D ，可得到G 参数方程
()1212
11d G G d ?=? (2-31) 由(2-31)可以看出，在激光器工作过程中，屈光度D 改变，G 1、G 2也跟着变化，在G 参数图中(G 1,G 2)不再是一个点，而是一条直线，如图2-8所示，直线的起点是A ，其
高性能全固态大功率绿光激光器立项投 资融资项目 可行性研究报告 (典型案例〃仅供参考) 广州中撰企业投资咨询有限公司
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目录 第一章高性能全固态大功率绿光激光器项目概论 (1) 一、高性能全固态大功率绿光激光器项目名称及承办单位 (1) 二、高性能全固态大功率绿光激光器项目可行性研究报告委托编制单位 (1) 三、可行性研究的目的 (1) 四、可行性研究报告编制依据原则和范围 (2) （一）项目可行性报告编制依据 (2) （二）可行性研究报告编制原则 (2) （三）可行性研究报告编制范围 (4) 五、研究的主要过程 (5) 六、高性能全固态大功率绿光激光器产品方案及建设规模 (6) 七、高性能全固态大功率绿光激光器项目总投资估算 (6) 八、工艺技术装备方案的选择 (6) 九、项目实施进度建议 (6) 十、研究结论 (7) 十一、高性能全固态大功率绿光激光器项目主要经济技术指标 (9) 项目主要经济技术指标一览表 (9) 第二章高性能全固态大功率绿光激光器产品说明 (15) 第三章高性能全固态大功率绿光激光器项目市场分析预测 (15) 第四章项目选址科学性分析 (15) 一、厂址的选择原则 (15) 二、厂址选择方案 (16) 四、选址用地权属性质类别及占地面积 (17) 五、项目用地利用指标 (17) 项目占地及建筑工程投资一览表 (18)
六、项目选址综合评价 (19) 第五章项目建设内容与建设规模 (19) 一、建设内容 (19) （一）土建工程 (20) （二）设备购臵 (20) 二、建设规模 (21) 第六章原辅材料供应及基本生产条件 (21) 一、原辅材料供应条件 (21) （一）主要原辅材料供应 (21) （二）原辅材料来源 (21) 原辅材料及能源供应情况一览表 (21) 二、基本生产条件 (23) 第七章工程技术方案 (24) 一、工艺技术方案的选用原则 (24) 二、工艺技术方案 (25) （一）工艺技术来源及特点 (25) （二）技术保障措施 (25) （三）产品生产工艺流程 (25) 高性能全固态大功率绿光激光器生产工艺流程示意简图 (26) 三、设备的选择 (26) （一）设备配臵原则 (26) （二）设备配臵方案 (27) 主要设备投资明细表 (28) 第八章环境保护 (28) 一、环境保护设计依据 (29) 二、污染物的来源 (30) （一）高性能全固态大功率绿光激光器项目建设期污染源 (30)
半导体泵浦固体激光器综合实验 半导体泵浦固体激光器（Diode-Pumped solid-state Laser，DPL），是以激光二极管（LD）代替闪光灯泵浦固体激光介质的固体激光器，具有效率高、体积小、寿命长等一系列优点，在光通信、激光雷达、激光医学、激光加工等方面有巨大应用前景，是未来固体激光器的发展方向。本实验的目的是熟悉半导体泵浦固体激光器的基本原理和调试技术，以及其调Q 和倍频的原理和技术。 【实验目的】 1.掌握半导体泵浦固体激光器的工作原理和调试方法； 2.掌握固体激光器被动调Q的工作原理，进行调Q脉冲的测量； 3.了解固体激光器倍频的基本原理。 【实验原理与装置】 1.半导体激光泵浦固体激光器工作原理： 上世纪80年代起，生长半导体激光器（LD）技术得到了蓬勃发展，使得LD的功率和效率有了极大的提高，也极大地促进了DPSL技术的发展。与闪光灯泵浦的固体激光器相比，DPSL的效率大大提高，体积大大减小。在使用中，由于泵浦源LD的光束发散角较大，为使其聚焦在增益介质上，必须对泵浦光束进行光束变换（耦合）。泵浦耦合方式主要有端面泵浦和侧面泵浦两种，其中端面泵浦方式适用于中小功率固体激光器，具有体积小、结构简单、空间模式匹配好等优点。侧面泵浦方式主要应用于大功率激光器。本实验采用端面泵浦方式。端面泵浦耦合通常有直接耦合和间接耦合两种方式。 ①直接耦合：将半导体激光器的发光面紧贴增益介质，使泵浦光束在尚未发散开之前便被增益介质吸收，泵浦源和增益介质之间无光学系统，这种耦合方式称为直接耦合方式。直接耦合方式结构紧凑，但是在实际应用中较难实现，并且容易对LD造成损伤。 ②间接耦合：指先将LD输出的光束进行准直、整形，再进行端面泵浦。常见的方法有： 组合透镜系统聚光：用球面透镜组合或者柱面透镜组合进行耦合。 自聚焦透镜耦合：由自聚焦透镜取代组合透镜进行耦合，优点是结构简单，准直光斑的大小取决于自聚焦透镜的数值孔径。 光纤耦合：指用带尾纤输出的LD进行泵浦耦合。优点是结构灵活。 本实验先用光纤柱透镜对半导体激光器进行快轴准直，压缩发散角，然后采用组合透镜对泵浦光束进行整形变换，各透镜表面均镀对泵浦光的增透膜，耦合效率高。本实验的压缩和耦合如图 2所示。
文章编号:0253 2239(2003)04 0469 03 20W 腔外倍频全固态Nd YAG 绿光激光器* 冯 衍 毕 勇 张鸿博 姚爱云 汪家升 许祖彦 (中国科学院物理研究所,北京100080) 摘要: 研制了一台高光束质量的全固态N d YAG 激光器,采用KT P 腔外倍频,获得了大于20W 准连续绿光输出,峰功率可达1.15 105W,光束质量因子M 2值约为4。关键词: 全固态激光器;532nm 绿光;K T P 晶体;腔外倍频中图分类号:T N 248.1 文献标识码:A *中国科学院知识创新工程项目!大功率全固态激光器系统技术研究?资助课题。 E mail:biy ong92184@https://www.doczj.com/doc/d88605066.html, 收稿日期:2002 03 15;收到修改稿日期:2002 06 03 1 引 言 大功率全固态准连续绿光激光器因其在工业、娱乐、军事等方面的重要应用而得到广泛的重视。国际上报道的绿光平均功率最高为美国利弗莫尔实验室的315W [1] (采用KTP 和LBO 腔内倍频)。国内多家单位在进行这方面的研究,华北光电研究所采用KTP 腔内倍频获得大于50W 的绿光,天津大学获得40W [2]。但所有这些均没有模式指标。而在实际应用中,亮度通常是决定性指标,它与表征光束质量的参量M 2成反比,与平均功率成正比,因此光束质量与平均功率是两个同样重要的因素。我们采用腔内倍频,获得了大于20W 的准连续绿光输出,但光束质量不理想。为获得高功率、高光束质量激光,一般采用主振且放大的方式(M OPA),腔外倍频也成为产生绿光的最佳方案[3,4] 。TRW 公司的Pierre 等[4] 采用双通板条放大及KTP 腔外倍频,获得了175W,1.1倍衍射极限的输出。另外,在打标等具体应用中,针对不同材料和加工要求,需要不同波长的激光,因此,多个波长间的方便切换是很重要的。显而易见,腔外倍频与腔内倍频相比容易做到切换波长时的即插即用。 我们研制了一台高光束质量的全固态准连续Nd YAG 激光器,重复频率1~50kH z 可调,平均功率可达75W 。用KTP 对其进行腔外倍频,我们获得了高平均功率、高峰值功率、高光束质量的绿光输出。 2 实验装置 谐振腔采用双棒串接配置。两个激光头为侧面抽运的Nd YAG,二极管列阵从三向对称抽运,每个激光头所用列阵最大输出功率为180W;Nd YAG 棒长64mm,直径3mm,掺杂质量分数为 0.006。Q 开关是NEOS 公司生产的,中心频率27.12MHz,1~50kHz 连续可调。两个激光头之间加90#旋光片用来补偿热致双折射。根据最大抽运时激光晶体中的热透镜大小,在设计谐振腔参量时可使最大抽运条件下的模体积较大,因此没有用光阑限模,不损失激光功率,从而获得较好的模式。在10kHz 时,1064nm 最大输出功率为75W,脉宽小于80ns,M 2?3.9。测量M 2的同时,可以计算得到输出镜处激光腰斑直径约为0.8mm 。 倍频采用KT P %类临界相位匹配( =90#, =23.5#),晶体尺寸分别为3mm 3mm 8mm 、3mm 3mm 16mm 、3mm 3mm 20mm,两端镀1064nm 和532nm 增透膜,未经透镜聚焦,直接置于输出镜后。旋转KTP 晶体使绿光输出水平偏振,旋转半波片使绿光输出最大。经过KTP 的剩余基频光与倍频光由布氏棱镜分光后测量(图1)。 3 结果与分析 图2是不同重复频率下,三块KT P 晶体在相同抽运条件下的平均输出功率。在15kHz 时,20m m 晶体的输出最大。但在较低频率,10kHz 以下,长晶体的效率明显地下降。这种现象可能是由温度效应引起的相位失配造成的。低重复频率时,脉冲峰值功率高,倍频输出达到饱和需要的作用长度降低,相位失配引起的反过程提前来临。 第23卷 第4期 2003年4月 光 学 学 报 ACTA OPT ICA SIN ICA V ol.23,No.4Apr il,2003
什么是光纤激光器——激光英才网 光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发出来：在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”，当适当加入正反馈回路（构成谐振腔）便可形成激光振荡输出。 光纤激光器的类型 按照光纤材料的种类，光纤激光器可分为： 1．晶体光纤激光器。工作物质是激光晶体光纤，主要有红宝石单晶光纤激光器和nd3+：YAG单晶光纤激光器等。 2．非线性光学型光纤激光器。主要有受激喇曼散射光纤激光器和受激布里渊散射光纤激光器。 3．稀土类掺杂光纤激光器。光纤的基质材料是玻璃，向光纤中掺杂稀土类元素离子使之激活，而制成光纤激光器。 4．塑料光纤激光器。向塑料光纤芯部或包层内掺入激光染料而制成光纤激光器。 光纤激光器的优势 光纤激光器作为第三代激光技术的代表，具有以下优势： （1）玻璃光纤制造成本低、技术成熟及其光纤的可饶性所带来的小型化、集约化优势。（2）玻璃光纤对入射泵浦光不需要像晶体那样的严格的相位匹配，这是由于玻璃基质Stark 分裂引起的非均匀展宽造成吸收带较宽的缘故。 （3）玻璃材料具有极低的体积面积比，散热快、损耗低，所以上转换效率较高，激光阈值低。 （4）输出激光波长多：这是因为稀土离子能级非常丰富及其稀土离子种类之多。 （5）可调谐性：由于稀土离子能级宽和玻璃光纤的荧光谱较宽。 （6）由于光纤激光器的谐振腔内无光学镜片，具有免调节、免维护、高稳定性的优点，这是传统激光器无法比拟的。 （7）光纤导出，使得激光器能轻易胜任各种多维任意空间加工应用，使机械系统的设计变得非常简单。 （8）胜任恶劣的工作环境，对灰尘、震荡、冲击、湿度、温度具有很高的容忍度。 （9）不需热电制冷和水冷，只需简单的风冷。 （10）高的电光效率：综合电光效率高达20%以上，大幅度节约工作时的耗电，节约运行成本。 （11）高功率,目前商用化的光纤激光器是六千瓦。
编号 赣南师范学院学士学位论文固体激光器原理及应用 教学学院物理与电子信息学院 届别 2010届 专业电子科学与技术 学号 060803013 姓名丁志鹏 指导老师邹万芳 完成日期 2010.5.10
目录 摘要 (1) 关键词 (1) Abstract (1) Key words (1) 1引用 (2) 2激光与激光器 (2) 2.1激光 (2) 2.2激光器 (3) 3固体激光器 (4) 3.1工作原理和基本结构 (4) 3.2典型的固体激光器 (8) 3.3典型固体激光器的比较 (11) 3.4固体激光器的优缺点 (12) 4固体激光器的应用 (13) 4.1军事国防 (13) 4.2工业制造 (15) 4.3医疗美容 (17) 5结束语 (17) 参考文献 (19)
摘要：固体激光器目前是用最广泛的激光器之一，它有着一些非常突出的优点。介绍固体激光器的工作原理及应用，更能够加深对其的了解。本论文先从基本原理和结构介绍固体激光器，接着介绍一些典型的固体激光器，最后介绍其在军事国防、工业技术、医疗美容等三个方面的应用及未来的发展方向。 关键词：固体激光器基本原理基本结构应用 Abstract:Solid-state laser is currently one of the most extensive laser,it has some very obvious advantages.The working principle of solid-state lasers and applications were described in the paper and it can enhance the understanding.In this paper, starting with the basic principles and structure of the introduced solid-state laser,and then some typical solid-state lasers and a presentation on its military defense,industrial technology,medical and cosmetic applications in three areas and future development direction were introduced. Key words:Solid-state Laser Basic Principle Basic Structure Application
半导体泵浦固体激光器(DPSSL)项目立项申请书 一、项目区位环境分析 坚持工业化信息化融合发展，深入推进工业强省战略，实施“中 国制造2025”甘肃行动纲要，提升传统优势产业质量和效益，培育壮 大新兴产业，加快工业结构调整和转型升级。 （一）改造提升传统优势产业 强化传统优势产业的基础和支撑作用，盘活存量、优化结构、改 革重组，增强产业分工协作和配套能力，推动传统优势产业从半成品 向产成品转化，从粗放低效向优质高效提升，从产业链中低端向中高 端迈进，从短链向全链循环发展，选准价值链高端加大转型升级力度，改变以“原”字号和“初”字号为主的产品结构，改变企业产品结构 单一、产业行业上下游不配套的局面，推动产业集群式发展和转型升级，重塑传统产业竞争新优势。运用先进实用技术改造提升传统产业，推动煤电化冶循环发展、新能源与现代高载能耦合发展，加快石油化工、有色冶金、装备制造、煤炭电力、农产品加工等传统优势产业优 化升级。围绕重点产业核心基础零部件（元器件）、基础材料、基础 工艺、关键技术的协同攻关创新，支持骨干企业瞄准国内外同行业标 杆推进技术改造，全面提高产品技术、工艺装备、质量效益、能效环
保、安全生产等水平，加大技术和产品创新，提高附加值和科技含量，加快产品结构升级换代，建设兰州、庆阳为重点的国家战略性石化产 业基地，金昌、白银、兰州等为重点的国家有色金属新材料基地，嘉 峪关为重点的优质钢材生产及加工基地，陇东、酒嘉为重点的煤炭清 洁利用转化基地，兰州、天水、酒泉等为重点的先进装备制造业基地，特色农产品生产区域为重点的农产品加工基地等6大产业基地，打造 石油化工及合成材料、有色金属新材料、煤炭高效清洁利用、绿色生 态农产品加工等8大产业链。 （二）发展壮大战略性新兴产业 按照市场主导、创新驱动、重点突破、引领发展的要求，以新能源、新材料、先进装备和智能制造、生物医药、信息技术、节能环保、新型煤化工、现代服务业、公共安全等领域为重点，深入实施战略性 新兴产业发展总体攻坚战，开展优势产业链培育行动，提高创新能力，培育骨干企业，聚焦创新经济新业态，培育发展新动能，引领产业高 端化规模化集群化发展，培育一批新的支柱产业和新的增长点。实施“中国制造2025”甘肃行动纲要，加快网络协同制造、智能制造、3D 打印和增材制造等新兴行业发展，促进信息技术向市场、设计、生产 等环节渗透，推动生产方式向柔性、智能、精细转变。围绕高端制造、
模块化掺饵光纤宽带光源驱动电路设计 李栋李流超黎志刚 中国电子科技集团公司第三十四研究所，广西桂林541004 摘要：为了提高模块化宽带光源的稳定性，采用自动温度控制ATC电路和自动功率控制APC 电路驱动泵浦激光器。实验结果表明，光源驱动电路可靠，输出光谱和光功率稳定，达到了预定的技术指标要求。该电路集成度高、体积小，能够满足宽带光源模块化需求。 关键词：掺饵光纤；宽带光源模块；泵浦激光器；驱动；功率控制； 1、引言 掺饵光纤宽带光源是一种相干性低的光源，具有输出功率高、光谱宽、温度稳定性高、使用寿命长等特点。由于这些特点，掺饵光纤宽带光源广泛应用在光通信、光纤传感、光器件测试及光谱分析等领域。随着超高速、大容量光纤通信系统和光传感系统的发展，对宽带光源在功率、带宽、稳定性及体积方面提出了更高的要求。泵浦激光器的驱动电路作为宽带光源的一个组成部分，电路的稳定性将直接影响掺饵光纤宽带光源的光谱输出质量。近年来，高稳定的模块化掺饵光纤宽带光源是一个研究热点。 本文将针对高稳定的模块化掺饵光纤宽带光源中的泵浦激光器的驱动电路展开设计，通过采用高集成度的自动温度控制ATC电路和自动功率控制APC电路，对泵浦激光器进行驱动，实现了光源光谱宽度和功率的高稳定输出。该设计电路具有体积小，稳定性高等特点，对研制模块化宽带光源具有一定指导和参考意义。 2、模块化掺饵光纤宽带光源驱动电路设计 2.1驱动电路总体设计 掺饵光纤宽带光源中，除了激光器的泵浦需要电光转化外，其余均为无源光路，所以泵浦激光器的可靠驱动是整个光路设计稳定的一个不可或缺的保证。模块化掺饵光纤宽带光源驱动电路设计包括：电源电路、泵浦激光器及其保护电路、APC电路、ATC电路。 整个驱动电路采用外置输入+5V(2A)电源供电，内部对输入电压进行滤波和稳压处理，保证电源的稳定性。由于内部驱动电路单元均采用+5V电压系统，所以内部不再需要电压变化处理。 2.2泵浦激光器及其保护电路 掺饵光纤宽带光源中的泵浦激光器采用980nm泵浦激光器，型号为LC96A74P-20R。该激光器模块输出光纤集成了光纤光栅，波长稳定性高。激光器最大输出功率可以到360mW,尾端带有保偏光纤。在激光器模块内部集成有热敏电阻、监控光电管、致冷模块，便于对模块进行自动功率控制和自动温度控制。 在使用中应注意一定不要超出激光器的极限值，同时操作还应注意静电保护，焊接时要断电焊接，保证良好接地。在激光器的驱动端并联滤波电容和反向偏置二极管，可以对激光器形成很好地保护。在电源输入端，增加电容避免电源不稳，对激光器造成冲击。 2.2泵浦激光器APC及泵浦激光器驱动电路设计 要使泵浦激光器输出光具有较强的稳定性，首先要有功率自动控制电路和良好的电流驱动电路。APC控制原理：将驱动电流经过电阻形成电压，将电压信号连接到驱动源的反向端形成反馈，对输出光功率进行很好地控制。另一方面，由于温度、湿度及器件内部老化造成的驱动波动，也可以通过APC电路改变反馈电压，从而稳定驱动激光器的电流，最终稳定光源功率输出。详细设计电路如图1：
高稳定全固态绿光激光器的研究 -------------------------------------------------------------------------------- 来源: 雅信通 霍玉晶何淑芳林彦 北京清华大学电子工程系固体激光与光电子技术研究所 前言 全固态绿激光器具有能量转换效率高、功率大、光束质量好、体积小、寿命长、使用方便等优点，在彩色显示、激光医疗、水下通讯等方面有重要的应用，是国内外光电子技术研究与开发的热点之一。全固态腔内倍频绿激光器通过高效率的腔内倍频获得绿激光输出，它的结构紧凑，转换效率高，是获得绿激光的主要器件之一。但是此类绿激光输出功率波动一般都很大。腔内倍频绿光激光器输出功率的稳定性成为目前全固态绿光激光器的研究重点课题之一[1,2]。 本文报到我们研制的全固化微型全固态绿光激光器和分离元件的全固态脉冲绿光激光器，以及提高它们输出功率稳定性的最新结果。 1、全固化的微型全固态连续绿光激光器 在本文中，“全固化”是指激光头的全部元件被用环氧树脂粘合为一个整体，整个器件中没有任何需要调整的元件，这种器件的使用十分方便。本文研制的全固化的微型全固态连续绿光激光器采用LD端面抽运Nd:YVO4激光晶体得到1064nm近红外激光，再用KTP晶体作腔内倍频得到532nm绿激光输出。其原理如图1所示。 它采用北京半导体研究所生产的808nm的1W的LD作为抽运光源。由于所用LD的输出功率比较小，因此提高器件的光－光转换效率是提高器件性能的关键。为此，采用半导体制冷器作为温度控制元件，对LD的温度进行控制，以使其工作波长和激光晶体的吸收波长峰值准确重合，提高对抽运光的吸收效率。在本实验中把LD的工作波长调整到808.5nm。采用中科院福建物构所生产的Nd:YVO4晶体作激光介质，掺杂浓度为3at％，a轴方向切割，长度为1mm，横截面尺寸为3×3mm2。采用端面同轴抽运方式使LD的抽运光束和所产生的1.064mm激光光束在空间上更好地耦合，以提高抽运效率。采用焦距为3mm的非球面透镜把LD的光束聚焦到Nd:YVO4晶体内部，焦点处光斑直径为100mm，抽运光从LD到Nd:YVO4晶体内部的总耦合效率为92％。采用平凹稳定型谐振腔提高器件的效率和稳定性。为了提高抽运光利用率，采用凹面后反射镜和平面输出镜组成激光谐振腔。Nd:YVO4晶体的入射端面是曲率半径为50mm球面。后反射镜直接镀制在此面上。它对1064nm的反射率>99.8%，对808nm光的透射率>99.5%。Nd:YVO4晶体的另一端为平面，镀同时对1064nm和532nm 的双波长增透膜，剩余反射率<0.25%。平面输出镜对1064nm光的反射率>99.8%，对532nm 光的透射率>97%。平面输出镜的背面镀有对532nm光的增透膜，剩余反射率<0.25%。采用北京人工晶体研究院生产的KTP倍频晶体作腔内倍频器，按类临界相位匹配角切割，它的横截面为3×3mm2，通光方向长5mm，两个通光面同时镀对1064nm和532nm的增透膜，每个面的剩余反射率<0.25%。为了提高器件的稳定性，用环氧树脂把全部元件粘接为一个整体，同时用一个半导体致冷器对它们进行整体控温。HSH型微型绿激光器的外形尺寸如图2所示。可以看到，它的体积很小，使用是很方便的。 用滤光器滤除输出光束中的808nm的抽运光和1064nm的基频光后，用Ocean Optics, Inc. 公司的HR2000CG-UV-NI光谱仪测量绿激光的波长，用清华大学研制的HH型F－P共焦球面扫
半导体泵浦固体激光器倍频与调Q实验 一、前言 半导体泵浦固体激光器（Diode-Pumped solid-state Laser，DPL），是以激光二极管（LD）代替闪光灯泵浦固体激光介质的固体激光器，具有效率高、体积小、寿命长等一系列优点，在光通信、激光雷达、激光医学、激光加工等方面有巨大应用前景，是未来固体激光器的发展方向。本实验的目的是熟悉半导体泵浦固体激光器的基本原理和调试技术，以及其调Q 和倍频的原理和技术。 二、实验目的 1、掌握半导体泵浦固体激光器的工作原理和调试方法； 2、掌握固体激光器被动调的工作Q原理，进行调Q脉冲的测量； 3、了解固体激光器倍频的基本原理。 三、实验原理与装置 1. 半导体激光泵浦固体激光器工作原理： 上世纪80年代起，半导体激光器（LD）生长技术得到了蓬勃发展，使得LD的功率和效率有了极大的提高，也极大地促进了DPSL技术的发展。与闪光灯泵浦的固体激光器相比，DPSL的效率大大提高，体积大大减小。在使用中，由于泵浦源LD的光束发散角较大，为使其聚焦在增益介质上，必须对泵浦光束进行光束变换（耦合）。泵浦耦合方式主要有端面泵浦和侧面泵浦两种，其中端面泵浦方式适用于中小功率固体激光器，具有体积小、结构简单、空间模式匹配好等优点。侧面泵浦方式主要应用于大功率激光器。本实验采用端面泵浦方式。端面泵浦耦合通常有直接耦合和间接耦合两种方式。 a) 直接耦合：将半导体激光器的发光面紧贴增益介质，使泵浦光束在尚未发散开之前便被增益介质吸收，泵浦源和增益介质之间无光学系统，这种耦合方式称为直接耦合方式。直接耦合方式结构紧凑，但是在实际应用中较难实现，并且容易对LD造成损伤。 b) 间接耦合：指先将LD输出的光束进行准直、整形，再进行端面泵浦。常见的方法有： 1) 组合透镜系统聚光：用球面透镜组合或者柱面透镜组合进行耦合。 2) 自聚焦透镜耦合：由自聚焦透镜取代组合透镜进行耦合，优点是结构简单，准直光斑的大小取决于自聚焦透镜的数值孔径。 3) 光纤耦合：指用带尾纤输出的LD进行泵浦耦合。优点是结构灵活。 本实验先用光纤柱透镜对半导体激光器进行快轴准直，压缩发散角，然后采用组合透镜对泵浦光束进行整形变换，各透镜表面均镀对泵浦光的增透膜，耦合效率高。本实验的压缩和耦合如图2所示。
紫外、绿光激光器 张成兵、曾海东2013 7.30~8.1 一、激光器原理 1、紫外激光器 下图为紫外激光器的结构图 红外脉冲激光是由半导体激光器（LD）产生中心波长为808nm的激光，经过扩束、准直、聚焦成高质量光斑入射到Nd:Y AG晶体上吸收泵浦功率，利用Cr4+：Y AG饱和吸收晶体为被动调Q元件产生1064nm的激光。激光经透镜1聚焦在其焦点处f1的两端面镀有1064nm和532nm双增透膜的KTP晶体上，倍频出的532nm倍频光和1064nm基频光经f2后聚焦在三硼酸锂（LBO）晶体上和频，LBO晶体入射面镀有1064nm和532nm的增透膜，另一面镀有355nm的增透膜。输出光经石英棱镜把基频光、倍频光、紫光分开。 2、绿光激光器 下图为绿光激光器的结构图 半导体激光器（LD）产生中心波长为808nm的激光，经光纤耦合输出到聚焦透镜后聚焦到Nd:YVO4激光晶体上，晶体尽可能的靠近镀有808nm增透和1064nm高反双色模的M1镜，将KTP倍频晶体放在基波束腰位置可提高1064nm基频光转换为532nm绿光的转换效率，M2是R=100mm的平凹镜，内侧镀有1064nm高反和532nm高透的双色膜，M3是滤色片，从M3出来的既是绿光。（说明：以上所述原理为网上资料查询，本人在海目星学习所获得的信息基本和它是一致的，激光也是通过倍频产生，只不过激光器内部结构会有所不同） 二、激光参数
说明：其它参数无法直接获得，在此就没有列出来。 紫外激光器电流与功率的关系，绿光的与之类似但是功率值要稍高（8~10W） 三、加工材料 绿光激光器适合加工的材质： PCB板、五金、陶瓷、眼镜钟表、电子器件、仪表、控制面板、铭牌展板、塑料等 紫外激光器适合加工的材质： 善长打UV膜的材料、塑料打标、FPC柔性电路切割、玻璃打标、白色按键打标、宝石打孔、金属或非金属镀层去除、盲孔加工等 四、打样实例 样品：热缩管、橡胶、PCB板、UV胶壳、金属名片（蓝、金、红紫） 1)热缩管 激光参数：24A、20k、800mm、10μs、0.05mm 45度双向填充，f=160mm； 下图(1)、(2)分别是放大60倍和210倍的效果图
532nm低噪声激光器-200mW------------------------------------------------- 注: (1):壳体温度 -------------------------------------------------------------------1---------------------------------------------------------------------- 上海熙隆光电科技有限公司上海市闵行莘庄工业开发区申旺路518号东南2楼邮编:201108
光学参数与特性-------------------------------------------------------------- 注: (2): 激光二极管 -------------------------------------------------------------------2---------------------------------------------------------------------- 上海熙隆光电科技有限公司上海市闵行莘庄工业开发区申旺路518号东南2楼邮编:201108
产品型号--------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------3---------------------------------------------------------------------- 上海熙隆光电科技有限公司上海市闵行莘庄工业开发区申旺路518号东南2楼邮编:201108
文章编号:025322239(2004)07292524 104W 内腔倍频全固态Nd ∶YAG 绿光激光器 3 徐德刚 姚建铨 郭 丽 周 睿 张百钢 丁 欣 温午麒 王 鹏 (天津大学精仪学院激光与光电子研究所光电信息技术科学教育部重点实验室,天津300072) 摘要: 报道了一台高功率内腔倍频全固态Nd ∶Y A G 绿光激光器,针对KTP 晶体热效应和激光热稳定腔,采取了对KTP 晶体进行低温冷却的优化措施,以便减少KTP 晶体的热效应导致的相位失配,同时兼顾了Nd ∶Y A G 棒的热致双折射效应和KTP 晶体热透镜效应,设计了热稳定谐振腔;实验中采用80个20W 激光二极管阵列侧面抽运 Nd ∶Y A G 棒和Ⅱ类相位匹配KTP 晶体(在27℃时相位匹配角为<=23.6°;θ=90°,尺寸为7mm ×7mm ×10mm ) 内腔倍频技术,谐振腔腔长为530mm ,KTP 晶体的冷却温度为4.3℃,抽运电流为18.3A 时,实现平均功率达104 W 、脉冲宽度为130ns 的532nm 激光输出;其重复频率为20.7kHz 。光光转换效率为10.2%。 关键词: 激光器;Nd ∶Y A G 激光器;532nm 绿光;KTP 晶体;内腔倍频;低温冷却中图分类号:TN248.13 文献标识码:A 3国家863计划(2002AA311190)、教育部天津大学、南开大学科技合作项目、天津市光电子联合科学研究中心项目 (013184011)资助课题。 E 2mail :xudegang @https://www.doczj.com/doc/d88605066.html, 收稿日期:2003207202;收到修改稿日期:2003212202 104W L as e r Di ode 2P u mp ed I nt r aca vi t y F r eq ue nc y 2Do u bled N d ∶YA G Gr ee n L i g ht L as e r Xu Degang Y ao J ianquan Guo Li Zhou Rui Zhang Baigang Ding Xin Wen Wuqi Wang Peng (Key L abor a tor y of Op to 2Elect ronics I nf or m a t ion a n d Tech nical Scie nce Mi nis t r y of Ed uca t ion ,I ns t i t u te of L asers a n d Op toelect ronics ,College of Precision I ns t r u me n t a n d Op toelect ronics Engi neeri ng ,Ti a nj ui n U ni versi t y ,Ti a n ji n 300072) (Received 2J uly 2003;revised 2Decembe r 2003) A bs t r act : An ave rage 104W green beam ope ration by int racavit y f requency doubling of Nd :Y AG lase r ,which is p umped by eight y 20W high 2powe r lase r diodes is reported.A t ype Ⅱp hase matched KTP cr ystal (<=23.6°,θ=90°unde r t he condition of 27℃,its size is 7mm ×7mm ×10mm )is applied for f re quency doubling of Nd ∶Y AG lase r.The len gt h of resonator is 530mm.The KTP cr ystal is placed in t he special cooling device.Unde r t he p umping current of 18.3A ,KTP crystal is cooled to 4.5℃.A maximum green powe r of 104W was gene rated at 20.7kHz repetition rate and 132ns p ulse widt h when p umping current of lase r diodes is 18.3A ,leadin g to 10.2%of optical -optical conve rsion efficienc y.Key w or ds : lase rs ;Nd ∶Y AG lase r ;green beam at 532nm ;KTP cr ystal ;int racavit y f requency doubling ;st rong cooling 1 引 言 高功率绿光激光器在可调谐激光器的抽运源、 流场显示、海洋探测、光电对抗、污染检测、大功率大 能量的激光加工以及军事应用(激光雷达,激光制导等)等科研和工业领域中得到了广泛的应用。利用激光二极管抽运Nd ∶YA G 晶体棒内腔倍频技术是获得高效高功率稳定绿光光源的重要途径之一。发达国家在这方面已经进行了很多的研究[1～5],国内由于国外高功率半导体激光器禁运、价格等条件限制,一直落后于发达国家。近年来,随着国产半导体 第24卷 第7期 2004年7月 光 学 学 报ACTA OPTICA SIN ICA Vol.24,No.7 J uly ,2004
蓝光光纤激光器的原理及发展 一、前言 蓝光波段激光在高密度数据存储、海底通信、大屏幕显示(需要蓝绿光构造全色显示、检测、生命科学、激光医疗等领域有着广泛的应用价值。目前商业化的固体激光器激光波长主要在近红外和红外波段。在固体激光器中欲获得蓝色激光输出,主要有以下三种方法: (1利用宽禁带半导体材料直接制作蓝光波段的半导体激光器; (2利用非线性频率变换技术对固体激光进行倍频; (3利用上转换技术在掺稀土的晶体、玻璃或光纤中实现蓝激光输出。对于可 见波段的半导体激光二极管(LD,蓝光LD的研制需要昂贵的设备和衬底材料,同时LD的光束质量不尽人意,在许多应用领域受到了限制。由LD泵浦的倍频固体激光器,需要非线性晶体材料进行频率转换,虽然光束质量很好,输出功率也很高,但系统较复杂。 近年来,人们利用发光学中的频率上转换机制,大力发展具有蓝绿光输出上转换发光材料,所采用的泵浦源一般为近红外高功率半导体激光器。另外,与稀土掺杂的玻璃和晶体相比,光纤具有输出波长多、可调谐范围宽等优点。利用上转换光纤制作的光纤激光器还具有结构简单、效率高、成本低的优点。近两年来,国外对蓝光上转换光纤激光器研究很活跃,并且其商业化进程也相当迅速。 二、工作原理 蓝光光纤激光器是利用稀土离子上转换的发光机理,即采用波长较长的激发光照射掺杂的稀土离子的样品时,发射出波长小于激发光波长的光。稀土离子的上转换发光机制一般可以分为激发态吸收、能量转移和光子雪崩三种过程。蓝光上转换光纤的输出波长一般在450~490nm之间,目前能获得蓝光输出稀土离子主要有 Tm3+,Pr3+两种,但大多数情况下,为了提高泵浦吸收效率和上转换发光效率,往往采
全固态激光器全固态激光器（DPL）具有体积小、重量轻、效率高、性能稳定、可靠性好、寿命长、光束质量高等优点，市场需求十分巨大。全固态激光技术是目前我国在国际上为数不多的从材料源头直到激光系统集成拥有整体优势的高技术领域之一，具备了在部分领域加速发展的良好基础。引言高功率、小型化的全固态蓝绿激光器在海洋探测、水下通信等军事领域或者医学方面都具有重要的地位,这些应用一般都需要高功率蓝绿激光。目前,常用的1064 nm Nd∶Y AG激光器的倍频效率一般只有50%左右[1~4],因此通过提高倍频效率来提高整机的电光效率显得非常重要。如何提高非线性光学频率变换的效率一直是激光技术界的研究热点。David Eimerl[5]提出了正交频率变换的概念受到关注,他们按照正交频率变换的方式使用两块KD*P晶体,对于基波是Nd∶YLF激光输出经掺Nd磷酸盐玻璃放大器放大后的1053 nm激光脉冲,在基波功率密度为200 MW/c…半导体激光泵浦的全固态激光器是20世纪80年代末期出现的新型激光器。全固态激光器的总体效率至少要比灯泵浦高10倍,由于单位输出的热负荷降低，可获取更高的功率，系统寿命和可靠性大约是闪光灯泵浦系统的100倍,因此，半导体激光器泵浦技术为固体激光器注入了新的生机和活力，使全固态激光器同时具有固体激光器和半导体激光器的双重特点，它的出现和逐渐成熟是固体激光器的一场革命，也是固体激光器的发展方向。并且，它已渗透到各个学科领域，例如：激光信息存储与处理、激光材料加工、激光医学及生物学、激光通讯、激光印刷、激光光谱学、激光化学、激光分离同位素、激光核聚变、激光投影显示、激光检测与计量及军用激光技术等，极大地促进了这些领域的技术进步和前所未有的发展。这些交叉技术与学科的出现，大大地推动了传统产业和新兴产业的发展。全固态激光器是其应用技术领域中关键的、基础的核心器件，因此一直倍受关注。近年来，由于大功率半导体激光器迅速发展，促成全固态激光器的研发工作得以卓有成效地展开，并取得了诸多显赫成果。已经确认，传统灯泵浦固体激光器的赖以占据世界激光器市场主导地位的所有运转方式，均可以通过半导体激光器泵浦成功地加以实现。通常应用在激光打标机、激光划片机、激光切割机、激光焊接机、激光去重平衡、激光蚀刻等系统中。由于全固态激光器具有高光电转换效率、高功率、高稳定性、高可靠性、寿命长、体积小等优势，采用全固态激光器已成为激光加工设备的趋势和主流方向。全固态激光器的研发与应用概况近几年，美国、德国、特别是日本都在加大力量发展全固态紫外激光器，特别是中大功率全固态紫外激光器的开发应用。由于1064nm或532nm波长激光对材料的加工主要是产生气化或熔融等热作用，所以加工出的产品往往很难达到精细、光滑，甚至有些材料（如陶瓷、硅片等）在加工时会引起碎裂，因此，全固态紫外激光器在激光微加工、激光精密加工有着广泛推广应用的趋势。目前国外工业发达国家，全固态紫外激光器已开始成为工业用标准激光器。据文献报道：日本M.Nishioka公司已研发出40W的266nm全固态紫外激光器；三菱公司也在市场上推出了18W 355nm 25kHz全固态紫外激光器产品；另外相干公司的A VIV系列激光器已做到在266nm,30kHz时，平均功率大于3W，在355nm,40kHz时，平均功率大于10W；光谱物理公司的YHP-series系列激光器也达到在266nm,20kHz时，平均功率大于1.5W，在355nm,20kHz 时，平均功率大于3.5W；Lightwave electronics公司所推出的Q301-SM激光器也达到了在355nm,10kHz时，平均功率大于10W的技术指标。总体来说，国外全固态紫外激光器技术及应用设备已趋向成熟，但价格昂贵。高功率半导体激光列阵单光纤耦合模块可直接作为光源广泛应用于激光医疗、信息产业、激光加工、国防工业、激光武器和战术装备等领域。作为泵浦光源将是泵浦全固态激光器的核心器件，是一种高光－光转换效率（大于30％）的高功率泵浦全固态激光器的商用半导体激光光源模块，是替代灯泵浦激光器的理想产品。目前，国外半导体激光器单根光纤耦合模块的最高研究水平是耦合进入1个芯径400μm，输出功率200W。耦合进入1根800μm的光纤，输出功率700W；耦合进入1根1.5mm的光纤，输出功率超过2000W。国外出售的单光纤耦合模块产品水平如：Apollo公司产品为
绿光激光头（Green Laser Head）使用说明书 南京长青激光 1.介绍 本手册介绍如何使用基于mGreen模组，输出功率在900 mW左右的光纤耦合miniLaser绿光激光头。 2.绿光激光头的描述 绿光激光头由两部分组成，一部分是808-nm半导体激光器，另一部分是mGreen模组，如图1所示，激头体积大约10 cm3，尺寸为59（长）× 12（宽）× 15（高）mm3。 图1. miniLaser绿光激光头外形尺寸（仅供参考）
3.绿光激光器的组成 为了驱动一台绿光激光头，我们需要一台电流源（驱动电流至少为 3 A，驱动电压约为2 V），一个半导体制冷片，带风扇的热沉，热敏 电阻，导热硅脂或银胶，以及一台温度控制器电源。图2给出了一台运转的绿光激光器示意图。值得注意的是， 电流源的纹波电流要小于5 mA （RMS）并具有LD保护功能； 半导体制冷片的热处理能力至少为10 W； 不要用手直接碰触激光头，把激光头安装在半导体制冷片上时，必须佩戴防静电腕带； 绿光激光头的底部必须与半导体制冷片接触良好以保证充分散热； 激光器可在连续和调制两种工作方式下运转。对于调制模式，重复频率可达2 kHz。 图2 绿光激光器结构
4.操作过程 请参照图2和如下步骤在半导体制冷片上安装绿光激光头。 第一步：通过导热硅脂或银胶将半导体制冷片固定在热沉上。在此之前，确保半导体制冷片工作良好； 第二步：通过导热硅脂或银胶将铜片和温度传感器固定在半导体制冷片上； 第三步：通过导热硅脂或银胶将绿光激光头固定在铜片上。 参照如下步骤驱动绿光激光器： 第一步：将半导体制冷片的正负极，温度传感器的连接线同温度控制器电源连接好； 第二步：将绿光激光头的正负极同电流源连接好； 第三步：打开温度控制器，参照规格说明设定半导体制冷片的温度，例如22摄氏度，如果需要的话，打开风扇； 第四步：打开电流源，缓慢增加绿光激光头的驱动电流到最大值，可参照规格说明，如3 A。 第五步：在预热1-3分钟后，测量绿光输出功率； 第六步：精确调节绿光激光器工作温度以获得最大输出功率； 第七步：测试绿光激光器性能，包括各种测量，如功率，光斑尺寸，光束质量，发散角，稳定性等； 第八步：缓慢降低绿光激光器驱动电流至零，之后关掉电流源； 第九步：关掉温度控制器和风扇电源。