密级:
硕士学位论文
Q
作者姓名：李峰
指导教师:朱小磊研究员
中国科学院上海光学精密机械研究所学位类别:专业硕士
学科专业:光学工程
培养单位:中国科学院上海光学精密机械研究所
2013年5月
Research on single frequency Q-switched double-pulse
DPSSL
By
Feng Li
A Dissertation Submitted to
University of Chinese Academy of Sciences
In partial fulfillment of the requirement
For the degree of
Master of engineering
Shanghai institute of optics and fine mechanics
M ay ay,,2013
中国科学院上海光学精密机械研究所硕士研究生毕业论文
论文题目单频调Q双脉冲全固态激光器技术研究
专业光学工程
研究生姓名李峰
导师姓名朱小磊
研究生入学时间2010年9月
20133年5月
201
独创性声明
本人声明所呈的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国科学院上海光学精密机械研究所或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究工作所做的任何贡献，均已在论文中做了明确的说明并表示谢意。
学位论文作者签名；______________
签字日期：年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解中国科学院上海光学精密机械研究所有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文件，允许论文被查阅和借阅。本人授权中国科学院上海光学精密机械研究所可以将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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）
学位论文作者签名：指导教师签名：
签字日期：年月日签字日期：年月日
学位论文作者毕业去向：_________________________________________工作单位：______________________电话：______________________通信地址：___________________邮编：_____________________电子邮件地址：_________________________________
中国科学院上海光机所研究生毕业论文/2013年
单频调Q双脉冲全固态激光器技术研究
李峰
指导老师：朱小磊研究员
摘要
随着经济的发展和工业化进程的加快，大气中CO2浓度在不断增加，温室效应日趋严重。因此，对CO2浓度的有效监测对于地球环境保护具有重要意义。相对于被动的CO2测量技术，属于主动探测技术的差分吸收激光雷达具有高空间分辨率、高测量精度等优势，同时可以避免其它气体对测量的干扰，受到广泛重视。CO2差分吸收探测系统需要一对针对其吸收谱线的处于1.572μm波段的ON/OFF 单频激光脉冲，ON/OFF脉冲不同的波长分别对应于CO2吸收光谱的吸收峰和吸收谷。选用1064nm波长的单频双脉冲激光器作为泵浦源的OPO/OPA技术是获得ON/OFF脉冲的有效手段，该技术要求泵浦源不仅要具有良好的单频特性，较高的能量和频率稳定性，而且要求具有较高的光束质量。本论文研究工作主要针对差分吸收测量CO2浓度分布的激光雷达系统对1064nm波长单频激光器的应用需求，开展种子注入的单频电光调Q双脉冲全固态激光器技术的研究工作，主要包括双端面泵浦的50Hz双脉冲激光器的仿真设计，预偏压双PZT结构扫描电压上升、下降沿独立实现谐振探测技术，以及种子注入单频调Ｑ双脉冲激光输出特性分析及工程化实现技术等内容。
作为论文研究工作的拓展，在优化设计的双端面LD抽运Nd:YAG激光器中，针对Doppler测风激光雷达的应用需求，开展了可调谐的种子注入腔内倍频单频绿光激光器技术研究，在提高单频特性、光束质量等方面取得了显著的进展。
论文第一章简单介绍了单频调Q双脉冲激光器的应用需求，单频脉冲激光
I
单频调Q双脉冲全固态激光器技术研究/李峰
器技术以及单频双脉冲激光器技术的发展现状，最后阐述了获得单频激光器的一些典型方法。
第二章重点介绍了种子注入单频调Q双脉冲激光器的工作原理，单频种子注入采用的不同谐振探测技术，并深化描述了谐振探测方法的基本原理。
第三章介绍了LD端面泵浦种子注入单频双脉冲激光器的实验研究工作，包括激光器的初步设计和光学参数的选定。在实验部分，重点研究了双脉冲激光输出的实现，首先用KD*P开关在实验上获得双脉冲输出，双脉冲每个脉冲能量大于11mJ，脉宽小于18ns，X及Y方向光束质量分别达到1.36和1.35；其次，采用种子注入的谐振探测技术，选用BBO开关实现了稳定的单频调Q双脉冲输出，双脉冲每个脉冲能量均达到10mJ，脉冲宽度近20ns。利用Mephisto OEM200激光器进行拍频测量，测得较理想的线宽和频率稳定性结果：2分钟内的绝对频率稳定性（rms）小于1MHz，线宽平均值为28.6MHz，接近傅里叶转换极限。输出光束的M2值，水平和竖直方向分别为1.23和1.31，接近衍射极限。最后，在此基础上，搭建了一台单频调Q双脉冲工程样机。
第四章介绍了一种结构紧凑、高效率的可调谐腔内倍频单频532nm绿光脉冲激光器。采用腔内倍频和种子注入技术，在振荡器中获得高转换效率的绿光单频激光输出，实现振荡激光29GHz的可调谐输出。最终得到1000Hz重复频率下大于3mJ的单频脉冲绿光输出，光束质量M2值在X方向和Y方向上分别达到1.16和1.15。通过48小时的连续拷机实验，3mJ能量输出的情况下，其能量波动RMS值为2.9%。
第五章对实验进行了总结，就下一步实验提出了一些思考及实验方案改进。
关键词：全固态激光器，双脉冲，种子注入，单纵模，腔内倍频
II
中国科学院上海光机所研究生毕业论文/2013年
Research on single frequency Q-switched double-pulse
DPSSL
Feng Li
Directed by：Xiaolei Zhu
Abstract
Atmospheric CO2concentrations have increased rapidly with economic growth and industrialization,the green house effect is getting worse,so the prediction of future levels of CO2and their effect on climate change has become significant.Differential absorption lidar(DIAL)potentially offers several advantages over passive techniques for remote CO2sensing.These advantages include relatively high spatial resolution, high measurement specificity,avoiding interference from other gases.Typically, DIAL needs a pair of single frequency pulses in1.57μm wave band corresponding to an on-line and an off-line of CO2absorption spectrum.On/off line pulses of different wavelengths respectively corresponding to the absorption peak and the absorption valley of the CO2absorption https://www.doczj.com/doc/e54084651.html,ing single frequency double pulse laser of 1064nm as the pumping source of OPO/OPA technology is an effective way to obtain the on/off line pulses.This pumping source needs to meet the requirements of single frequency,high pulse energy,high frequency stability,and high beam quality.This paper is focused on the requirements of pumping source of DIAL,researching on the techniques of seed injection single frequency double-pulse DPSSL,the research mainly includes the simulation of dual end pumped50Hz double pulse laser，achieving resonance detection independently at rising edge and falling edge of the
III
单频调Q双脉冲全固态激光器技术研究/李峰
scanning voltage by using pre-biased dual PZT structure,the analysis of the seed-injection single frequency Q-switched double pulse laser output features and some technical problems related to engineering.
To expand the research,at the basis of the optimal design of LD dual-end pumping Nd:YAG laser,the work of seed-injection intracavity frequency doubling tunable single frequency green laser is studied for the requirements of Doppler wind lidar,a significant progress in improving the characteristics of tunable single frequency and beam quality is achieved.
In chapter one,the application requirements of single frequency Q-switched double pulse laser is introduced briefly,and the development of the single frequency laser and double-pulse single frequency laser is described.Finally some typical methods to achieve single frequency laser is introduced.
In chapter two,the principle of seed injection single frequency Q-switched double pulse laser and the different resonance detection in seed-injection are described. More attention is paid to the principle of the resonance detection used in seed injection.
In chapter three,end pumped injection seeded single frequency double-pulse laser is realized,including the preliminary design of the laser and the choice of the optical parameters.Firstly,by using KD*P Q-switch,we obtained double-pulse laser output with more than11mJ per pulse,pulse width less than18ns,the beam quality M2of 1.36in horizontal direction and1.35in vertical directions is detected.On the basis of double-pulse laser output,by using seed-injection and resonance detection,single frequency double-pulse laser output is obtained by using the Q-switch BBO,the double-pulse laser output up to10mJ per pulse,pulse width nearly20ns.Optical
IV
中国科学院上海光机所研究生毕业论文/2013年
heterodyne with Mephisto OEM200laser was adopted to measure the spectral width and absolute frequency stability of the laser pulse.The frequency jitter is less than1 MHz(rms)over2min,and the mean linewidth is28.6MHz,which is near the limit of Fourier transform.The beam quality M2of1.23in horizontal direction and1.31in vertical directions is detected.On the basis of the desktop experiment,a single frequency double-pulse engineering prototype is constructed.
In chapter four,a tunable intracavity frequency doubling single frequency532nm pulse laser with compact structure and high efficiency is https://www.doczj.com/doc/e54084651.html,bing of injection seeding and intracavity frequency doubling,the oscillator output green laser with high efficiency.By tuning the wavelength of seed laser,the output green laser with a29GHz tuning range is obtained.Finally,at the repetition of1000Hz,the laser can output more than3mJ green laser with high beam quality,the beam quality M2of 1.16in horizontal direction and1.15in vertical directions is detected.The RMS of output power fluctuation is 2.9%around3mJ output level during48hours of continuous operation.
In chapter five,a summary of the work is done.With thinking about the next-step experiment,some methods and ideas are provided to improve the experiment.
Key words：DPSSL,double pulse,injection seeding,single frequency,intracavity frequency doubling
V
单频调Q双脉冲全固态激光器技术研究/李峰
目录
1绪论 (1)
1.1单频调Q脉冲激光器及双脉冲激光器应用需求简述 (1)
1.2单频脉冲激光器的发展现状 (2)
1.2.1单频单脉冲全固态激光器 (2)
1.2.2单频双脉冲全固态激光器 (3)
1.3单频脉冲激光器的实现方法 (4)
1.3.1干涉选模 (4)
1.3.2纵模选择的加强 (6)
1.3.3体布拉格光栅选模 (6)
1.3.4种子注入技术 (7)
1.4本论文的主要研究内容 (7)
2种子注入单频调Q激光器技术 (9)
2.1种子注入单频双脉冲调Q激光器工作原理 (9)
2.1.1种子注入的原理 (9)
2.1.2扭转模腔消除空间烧孔的理论基础 (15)
2.1.3双脉冲的实现原理 (18)
2.2谐振探测技术演化及其技术原理 (20)
2.2.1典型的谐振探测技术 (20)
2.2.2谐振探测技术工作原理 (22)
2.3小结 (25)
3单频双脉冲激光器实验研究 (26)
3.1双脉冲激光器 (26)
3.1.1激光器参数仿真 (26)
3.1.2实验装置 (30)
3.1.3实验结果 (31)
3.2单频双脉冲激光器 (37)
3.2.1实验装置 (37)
3.2.2实验结果 (38)
3.3单频双脉冲激光器工程样机 (46)
3.3.1实验装置 (46)
VI
中国科学院上海光机所研究生毕业论文/2013年
3.3.2实验结果 (46)
3.4小结 (50)
4种子注入可调谐高重频单纵模绿光激光器技术实验研究 (51)
4.1单频脉冲绿光以及可调谐脉冲绿光的应用 (51)
4.2倍频基本原理 (51)
4.3LBO的腔内倍频实验以及单频绿光的可调谐输出 (55)
4.3.1LBO倍频晶体特性 (55)
4.3.2LBO腔内倍频及其可调谐单频绿光输出 (55)
4.3.3实验结果 (56)
4.4小结 (62)
5总结与展望 (63)
总结 (63)
展望 (64)
参考文献 (63)
李峰在攻读硕士学位期间发表的论文和专利目录 (66)
致谢 (72)
李峰个人简历 (73)
VII
中国科学院上海光机所研究生毕业论文/2013年
1绪论
1.1单频调Q脉冲激光器及双脉冲激光器应用需求简述
1960年5月，美国科学家梅曼使用红宝石晶体研制出了世界上第一台激光器[1]，激光的诞生导致了光学领域的巨大革命，同时对整个科学领域的进步和发展起到了助力器的作用，被广泛地应用到科学研究，工业生产，医疗卫生，通信，国防，信息及商业等各个领域。随着激光技术的不断发展，虽然激光的基本理论和机理已经为人们所掌握，但是与激光应用相关的新的课题和问题也不断出现。而单频激光器更是具有广泛的应用需求，单频激光器以其噪声小，相干长度大等优点，广泛应用于非线性过程，量子光学，冷原子物理，量子信息，光谱和国防科学技术等领域[2]。量子信息及其冷原子物理的发展，需要各种频率可调的特定波长的激光器，以此来满足与不同原子的激发及光通信波段的相互匹配。此外，在高精度光学测量，光谱和频标等应用领域，激光输出频率稳定的窄线宽激光器是重要的光源。而基于相干探测机制激光雷达则是单频激光器的一个重要的应用方向。
激光雷达机理与微波雷达类似，激光雷达，是以激光作为主动发射源进行光遥感和光探测。一个典型的激光雷达系统主要由发射系统、回波信号接收系统，信号处理系统和传输系统四个主要部分构成。激光器把电脉冲转换成光脉冲发射出去，接收系统再将从目标反射回来的光脉冲转化成电脉冲，再经过放大和处理，就能得到被测目标的特征信息。但是由于激光雷达光源具有发射脉宽窄，发射角小，波长短等特点，在测距应用中，其测量精度就比较高，同时由于其波长短，在测风应用中，其速度误差就比较小。但是，由于激光束非常窄,重复率较低,激光扫描时，需要花费较多的时间来完成对一定的立体角的扫描。所有激光雷达在搜索系统中有明显的缺点，随着激光器重频的不断提高，扫描速度已经有所提高和改善。
随着经济的发展和工业化进程，大气环境中CO2浓度在不断的增长，因此对CO2浓度水平的有效测量对于预测未来气候的变化有重要的意义[3]。相对一些被动的CO2测量技术，差分吸收激光雷达具有高的空间分辨率以及测量精度，同时可以避免其他气体对于测量的干扰。这样的差分吸收雷达系统需要一对单频脉
1
单频调Q双脉冲全固态激光器技术研究/李峰
冲，两个波长的脉冲分别对应于CO2吸收光谱的吸收峰（1572.02496nm）和吸收谷（1572.096nm）。要获得这样的大能量，高重频的单频脉冲对（ON/OFF脉冲对），采用OPO/OPA的技术路线是一种有效的技术手段。而这样的差分吸收测CO2激光雷达系统，就需要一个单频双脉冲激光器作为其泵浦源。这个泵浦源不仅要保证具有良好的单频特性，还需要具有较高的能量和频率稳定性，同时要求具有较高的光束质量。
此外，多普勒测风激光雷达在天气预报、环境监测、航天航空、机场和靶场风速测量等领域显示了其特有的优势和应用前景，也是目前世界上受到重点关注的研究方向之一。在多普勒测风激光雷达系统中，单频窄线宽的调Q脉冲激光器作为激光雷达的发射源，其性能直接决定了整个激光雷达系统的测量精度和探测能力，因此，具有傅里叶转换极限的窄线宽脉冲激光器已成为目前多普勒激光雷达领域的研究重点和热点。北美、欧洲的发达国家都进行了测风激光雷达的研制，当前正在进行的代表性项目主要有美国宇航局（NASA）的Validar系统[4]、欧空局（ESA）的ALADIN系统[5]、GLOW系统和TWiLiTE系统[6]，法国宇航局（ONERA）的WindCube系统等。在国内，中国海洋大学、安徽光机所、哈尔滨工业大学和上海光机所等单位都在开展测风激光雷达系统的研制工作。
1.2单频脉冲激光器的发展现状
单频脉冲激光器作为激光雷达的核心部件，其研究一直备受关注。根据不同雷达的应用需求，单频脉冲激光器又有单频单脉冲激光器和单频双脉冲激光器之分。单频单脉冲激光器就是在一个泵浦周期内产生一个脉冲，并且这样的雷达系统要求激光器有较高的重频。而单频双脉冲主要是应用在差分吸收的激光雷达系统上。总的来说，不断提高输出功率，创新选模技术以获得稳定可靠的单纵模输出，不断改善激光器的整体性能和主要指标是单频激光器的研究重点。
1.2.1单频单脉冲全固态激光器
激光在光谱上已经是很纯的光源，但是在许多具体的应用中，需要更纯的光谱，更窄的线宽，伴随着激光产生的同时，这方面的研究工作便已经开始[7-9]。研究之初的主要工作是实现激光输出的窄带化，即实现输出激光限制在较少的几个纵模，主要采用的方法是干涉选模，包括采用谐振反射器、倾斜标准具等选模元件进行纵模选择。利用干涉选模还是不足以实现稳定的高功率单频输出，特别是在高增益和极短的脉冲建立时间的调Q激光器中，模式竞争的不充分性导致了输出单纵模的效率和稳定性都大大的降低，因而一些纵模加强技术应运而生。这些方法包括了短腔法[10]，消除空间烧孔[11-13]，延长Q脉冲建立时间[14-16]等。这些方法结合腔内选模元件的配合在很大程度上已经使单纵模激光器的稳定性
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中国科学院上海光机所研究生毕业论文/2013年
大大提高。
在主动调Q激光器中采用纵模加强和干涉选模的方法还是存在其固有的缺点，比如腔内元件的插入会带来较大的插入损耗，同时不利于高功率高能量的稳定激光输出。种子注入技术由于不需要在激光腔内插入元件，因此对激光的输出能量方面没有影响，同时种子激光器只需要很低的能量，就能实现稳定的单频输出。Kane等人发明了非平面环形腔（NPRO）单频激光器[17]，使得种子源的体积减小，稳定性提高，进一步推动了种子源激光器的发展。近年来，分布反馈式（DFB）窄线宽半导体激光器和窄线宽的光纤激光器都可以作为种子源，使得种子注入技术已经发展成为主动调Q激光器实现单频输出的最主要技术方法。
而实现种子注入的关键就是实现腔长的主动控制，当激光器谐振频率和种子激光器频率的频差越小，调Q脉冲的建立时间会越短，种子注入的效果就会越好，单频输出的稳定性才会越高。基于此现象，Rahn提出并实现了脉冲建立时间最小化技术（build-up-time minimizing）[18]，实现了单频输出，但是由于是在每一次脉冲输出之后才对腔长进行反馈控制，因此其抗干扰能力不够好，很难得到稳定的单频输出。后来，Henderson提出了谐振探测（ramp-fire）的方案[19]，采用这种方案控制的种子注入激光器基本能保证100%的单纵模输出几率，并且有很强的抗干扰能力。但是由于是根据谐振信号给出Q触发信号，因此存在一定程度的能量抖动。
实现单频输出已经不存在技术瓶颈，更多的是在于提高系统的整体效率和稳定性，并能够简化系统结构。目前，已有采用体布拉格光栅实现非种子注入情况下的单频输出的报道[20-22]，同时在腔长控制方面也出现了一些新方法，如电光晶体实现腔长控制[23]，都是进一步研究的热点。
1.2.2单频双脉冲全固态激光器
在双脉冲激光器方面，一个重要的应用是双脉冲打孔技术。采用双激光脉冲打孔技术，在有效提高精细加工效率的同时，又能显著地改善激光打孔的质量[24]，这种双激光脉冲打孔技术要求将调Q双脉冲间隔控制在200ns以内，否则这种优势将很难体现，这对激光器的双脉冲控制技术提出了很高的要求。王学军等[25]利用两台闪光灯抽运的电光调Q激光器，通过偏振组束获得了时间间隔从零到几百纳秒可调的双脉冲输出，双脉冲最大相对定时抖动小于5ns。双脉冲激光器的重复频率40Hz，双脉冲能量大于400mJ。
Lightwave公司的S100-02激光器通过两个种子注入的激光器合束的方法实现单频双脉冲输出，但是由于两个从动腔具有独立的检测和控制系统，相互之间缺乏牵制，使得通过时序控制来双脉冲时间间隔是一个在一定范围内变化的随机量。浙大李峰等[26]采用两个相互独立的相位共扼激光器输出双脉冲，主振荡器采用的自注入方式，只要主振荡器处于稳定工作状态，则从触发Q开关到脉冲输
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单频调Q 双脉冲全固态激光器技术研究/李峰
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出是一个固定的时间差，因此可以通过精确控制触发Q 开关来控制出光的时间，使双脉冲间隔稳定可调。通过将具有微秒量级间隔的两个脉冲照明拍摄出来的两个全息图叠置在同一张全息底板上，就可以将被测物体的瞬态扰动显现在双激光脉冲全息图的干涉条纹上，以此获得被测物体的动态信息。
2003年，美国报道的2μm 的Ho ：Tm ：YLF 双脉冲激光振荡器[27]，利用最大抽运能量为3J 的半导体激光阵列脉冲抽运，采用一个抽运周期两次打开调Q 开关技术实现中红外2.053μm 波长的双脉冲激光输出，直接用于大气探测。当Ho ：Tm ：YLF 激光的振荡器输出两个调Q 脉冲能量相等时，每个脉冲的能量为66mJ 。采用主振荡功率放大技术（MOPA ）进一步提升单脉冲的能量，获得了600mJ 的调Q 双脉冲激光输出。该双脉冲激光器的一个显著的特点是采用Ho:Tm 共掺的方法，在一个泵浦周期两次打开调Q 开关，这样，在第一个Q 开关打开
之后，Tm 中吸收的泵浦能量在第一次Q 开关打开时提取的不充分，第二次Q 开关打开时，通过无辐射跃迁，可以传递给Ho ，因此整体的效率有较大的提高。2005年该课题组报道的Ho:Tm:Lu LF 晶体激光器，通过主振荡功率放大技术，已将调Q 双脉冲激光器输出脉冲能量提升到１J 量级，并且得到M 2为1.4的光束质量输出[28]。
2008年，德国的1.57μm 灯泵的种子注入Nd:YAG 激光器[29]，通过一个泵浦周期两次打开调Q 开关，获得了10Hz 的1064nm 单频双脉冲输出，通过主振荡功率放大技术，获得了每个脉冲70-100mJ 的能量输出，脉冲宽度达到8ns 。
1.3单频激光器的实现方法
1.3.1干涉选模
在早期，为了进行激光器的纵模选择，通常是通过在激光谐振腔内加选模元件来实现。选模方法包括腔内加入色散棱镜或者将输出镜换成光栅色散腔，使用F-P 标准具法，复合腔法，谐振反射器等。主要原理是为荧光谱线中心附近的单波长提供高反馈，同时抑制周围的波长，从而阻止大部分模式达到阈值实现选模的目的。选模元件的具体特性如下：
（1）色散腔粗选频率
色散腔法是利用腔镜反射膜的光谱特性或者在腔内插入棱镜或光栅等色散元件，将工作物质发出的不同波长的光束在空间上分离，然后设法使较窄波长区域内的光束在腔内形成振荡，其他波长的光束因不具备反馈能力而被抑制。采用色散腔法，虽然可以从较宽的谱线中选出较窄的振荡谱线，实现单条荧光谱线的激光振荡。但是在该条谱线的荧光范围内，依然会存在着由腔长决定的频率间隔为=c/2nL ν?的一系列分立的振荡模频率，通常情况下，达不到单纵模振荡的目
中国科学院上海光机所研究生毕业论文/2013年
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的。所以色散腔法还只是较粗略的纵模模式选择。
（2）倾斜的F-P 标准具法
倾斜标准具性能稳定、结构简单、带宽与自由光谱区的适应性强，是通用的选模器件[30-32]。法布里-珀罗标准具（F-P ）对不同波长具有不同的透过率，用式子表示为：
2211T ==2d 1+Fsin 1+Fsin 2λ?πλ
（）（）（）（2.1
）F =其中F 为标准具的精细度，R 为标准具对光的反射率，d 为标准具的厚度（两平
行平面的间隔），
φ是标准具中参与多光束干涉效应的相邻两出射光线的相位差，即φ=4πndcos(α)/λ（其中，n 为标准具介质的折射率，'α为光束进入标准具后的折射角，一般很小）。而且F-P 反射率R 越大，其透过率曲线越窄，选择性越好。对于单模工作的激光器，倾斜的法布里-珀罗标准具必须有充分的选择性，才能抑制所选定模式的相邻模；且其自由光谱区必须足够大，这样才能充分减小相邻模在谐振时的激光增益。同时在使用倾斜标准具作选模元件时，还必须要调节标准具的温度，使其与增益曲线的中心相对应，并稳定在0.01℃以内[30]。调节标准具倾斜角还可以获得不同频率的单纵模激光输出。
（3）复合腔法
通过在腔内加入其他的谐振平面，形成三镜或四镜激光谐振腔，在这种情况下，谐振频率就要同时满足两个或者三个谐振腔的谐振要求，合理的选择谐振腔的参数，就能实现单纵模运转。这些谐振平面可以是激光棒没镀膜的端面[33]，也可以是另外加入的镜子[34]。
（4）谐振反射器
可以包括一片、两片或三片标准具，以谐振反射器取代普通的谐振腔输出镜，可以明显减少振荡模的数量。其主要应用于调Q 的固体激光器[35-38]，原因是其峰值反射率极大值相对较低。同时，在应用过程中，还要对标准具的温度进行调节，以此改变标准具的厚度以及折射率，使谐振反射器的反射率极值处于激活材料的荧光曲线峰值中心，获得最佳的选模效果。
1.3.2纵模选择的加强
单纯依靠干涉选模的方法很难得到稳定的高功率单纵模输出，特别是在要获得调Q 巨脉冲输出的激光器中，由于高增益和很短的脉冲建立时间，使得模式竞争的时间大大缩短，不充分的模式竞争必然导致单纵模输出的效率和稳定性都大大下降。因而多种纵模加强的新方法被应用到脉冲激光器的应用中。
单频调Q双脉冲全固态激光器技术研究/李峰
在诸多纵模加强的技术路线中，最为典型的属短腔法[39-40]。通过缩短谐振腔的光学长度，减少激光增益介质增益谱线内的纵模数量，同时也增加了相邻纵模之间的增益差，使得只有增益谱线中心的纵模能够达到阈值起振，实现单纵模输出。此外，主动控制谐振腔内的脉冲建立时间（延长脉冲建立时间）也是实现单纵模输出的一个重要的方法。根据Sooy的理论[41]，谐振腔内激光脉冲建立时间越长，光子在腔内所经历的来回也就越多，相邻纵模之间的功率差就越大。在模式的增益损耗比一定的情况下，为了实现所要求的纵模输出特性，就需要足够多的腔内往返次数，这是被动调Q激光器可以实现单纵模输出的主要原理。还有通过降低晶体温度，压窄增益介质的线宽，减少能起振的单纵模数量，再结合其他方式实现单纵模输出。同时，在调Q激光器中，实现高功率的单纵模输出，消除空间烧孔也是关键之一。
1.3.3体布拉格光栅选模
研究显示，采用透射式体布拉格光栅（TBG）和反射式体布拉格光栅（RBG）结合的技术路径，同样可以实现单频激光输出。该技术路线的选模机制是由于透射式布拉格体光栅具有角度选择性，而反射式布拉格体光栅则具有光谱选择性，两者相配合，相当于谐振腔内增加了两个光滤波器。通常情况下，由体光栅组合形成的两个滤波器的带宽值约为0.02nm，已经相当窄了，但是，相对于激光器谐振腔的纵模间隔来说，这个线宽值还是比纵模间隔宽，因此不能简单地实现单纵模稳定输出，在具体实施过程中还需要调节这两个体光栅，使其产生相对的失谐量，最后让这两个体光栅的相交部分形成一个等效的线宽小于等于纵模间隔的光滤波器，达到输出单纵模的目的。在利用光栅选模技术中，也有采用单独的RBG作为输出镜实现单纵模输出的报道[20]，但是仅仅用RBG作为输出镜，其单频输出能力会降低，并在腔长变长的情况下会出现多纵模输出现象。N.Vorobiev 等[22]于2008年，利用透射式布拉格体光栅和反射式布拉格体光栅结合的方式，采用可饱和吸收体被动调Q方法，在泵浦输入15J的情况下，获得了重复频率1-10Hz可调，激光脉冲宽度40ns，脉冲能量2mJ的Nd:YAG单频激光输出。2009年，北京工业大学李强课题组采用反射式布拉格体光栅结构，获得了重复频率在5-150Ｈz范围内，最短激光脉冲宽度为1.92ns、单脉冲能量为0.38ｍＪ的稳定的单纵模激光输出[20]。同时，该课题组还利用透射式布拉格体光栅和反射式布拉格体光栅结合的方式，在Nd:YLF激光器内，获得了单脉冲能量2mJ的1053nm的单频激光脉冲输出[21]。图2.2给出了利用透射式和反射式布拉格体光栅相结合实现Nd:YAG单频激光输出的原理光路图。但是在腔长增长的情况下，很难保证实现稳定的单纵模输出。
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中国科学院上海光机所研究生毕业论文/2013年
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图2.2组合使用透射式和反射式体布拉格光栅的
Nd:YAG 单频激光器光学图[22]
1.3.4种子注入技术
种子注入技术因其固有的特征，目前已经成为高功率全固态调Q 激光器实现单纵模稳定输出的重要的技术手段，并已在许多领域得到应用。本论文的研究工作，瞄准未来的工程应用需要，核心技术是采用种子注入机制的改型谐振探测技术实现单频输出。关于种子注入技术，将在第二章节中就其工作原理进行深入的论述。
1.4本论文的主要研究内容
本论文的研究工作，主要是围绕采用OPO/OPA 总体技术路线的差分吸收CO 2探测激光雷达的应用需要，重点开展50Hz 重复频率下的NPRO 单频种子注入电光调Q 单频双脉冲全固态Nd:YAG 激光技术及激光输出特性研究，选题具有重要的应用价值。研究过程中，采用预应力偏置的双PZT 机制谐振探测技术，在种子注入确保100%单频输出的前提下，通过优化泵浦脉冲宽度和Q 开关触发时序，利用PZT 扫描斜坡电压的上升沿和下降沿独立执行两次谐振探测过程，实现一个泵浦周期内两次启动调Q 开关达到输出双脉冲的目标，具有创新性。同时，作为论文研究工作的应用拓展，在论文研究工作优化设计的双端面抽运Nd:YAG 激光器中，采用单频种子注入和腔内倍频相结合的方式，实现了1000Hz 重复频率下的532nm 波长单频调Q 激光脉冲序列输出，该激光器通过对种子源激光器的温度/应力调谐，成功实现了单频绿光激光器的可调谐输出，连续可调谐范围达到29GHz ，该激光器连续48小时工作的激光输出脉冲的不稳定度小于
2.9%，为多普勒测风激光雷达提供了可靠的光发射源。
本论文的研究工作内容，在下列几个章节中作详细的描述。
第二章介绍了实现单纵模输出的典型技术途径，其中，重点介绍了本论文实验研究所采用的单频种子注入谐振探测机制的工作原理。
单频调Q双脉冲全固态激光器技术研究/李峰
第三章详细阐述了种子注入单频双脉冲激光器技术的实验研究工作。首先是仿真设计，对双端面抽运的激光器结构展开优化设计，并确定合适的谐振腔光学参数；其次是实验研究工作，深入研究了在上述谐振腔结构内实现双脉冲激光输出的特性及条件，具体分析了实验过程中遇到的子脉冲问题，并提出了具体解决方案，在实验上成功抑制小脉冲并实现了双脉冲输出。最后，在双脉冲输出的基础之上，采用种子注入加谐振探测技术，实现了单频调Q双脉冲输出，圆满实现了论文研究工作的预定目标。在此桌面实验验证系统的基础之上，搭建了一台单频调Q双脉冲工程样机。
第四章介绍了一种结构紧凑高效率的可调谐腔内倍频单频532nm绿光脉冲激光器。采用腔内倍频和种子注入技术相结合的方法，在双端面抽运Nd:YAG激光振荡器中获得高转换效率的绿光单频激光脉冲输出。通过对单频种子激光器的波长调谐，实现振荡绿光激光波长29GHz的调谐输出。
论文最后对实验工作进行了简单的总结，并就进一步的实验工作进行了思考，提出了一些实验改进方案以及对下一步工作的展望。
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