学校编码 :10384 学号 :23120091152673 分类号 密级 UDC 硕士学位论文 LD 侧面泵浦腔内倍频高功率绿光激光器 LD Side-pumped Intra-cavity Frequency Doubling High Power Green Laser 郑新双 指导教师姓名 : 贾富强副教授 专业名称 : 电子与通信工程 论文提交日期 : 2012 年 5 月 论文答辩时间 : 2012 年 月 学位授予日期 : 2012 年 月 答辩委员会主席 : 评阅人 :
Abstract 2012 年月 2
厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下, 独立完成的研究成 果 本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果, 均 在文中以适当方式明确标明, 并符合法律规范和 厦门大学研究生学 术活动规范 ( 试行 ) 另外, 该学位论文为 ( ) 课题 ( 组 ) 的研究成果, 获得 ( ) 课题 ( 组 ) 经费或实验室的 资助, 在 ( ) 实验室完成 ( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称, 未有此项声明内容的, 可以不作特 别声明 ) 声明人 ( 签名 ): 年 月 日
厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据 中华人民共和国学位条例暂行实施办法 等规定保留和使用此学位论文, 并向主管部门或其指定机构送交学位论文 ( 包括纸质版和电子版 ), 允许学位论文进入厦门大学图书馆及其数据库被查阅 借阅 本人同意厦门大学将学位论文加入全国博士 硕士学位论文共建单位数据库进行检索, 将学位论文的标题和摘要汇编出版, 采用影印 缩印或者其它方式合理复制学位论文 本学位论文属于 : ( )1. 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文, 于年月日解密, 解密后适用上述授权 ( )2. 不保密, 适用上述授权 ( 请在以上相应括号内打 或填上相应内容 保密学位论文应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文, 未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文 此声明栏不填写的, 默认 为公开学位论文, 均适用上述授权 ) 声明人 ( 签名 ): 年月日
II
摘要 摘要 全固态激光器具有体积小 重量轻 效率高 光束质量好 稳定性好, 维护费用低等优点, 随着激光技术的发展, 其在工业 军事 医疗和科研等领域中发 挥着越来越重要的作用 高功率全固态绿光激光器因其在激光材料加工 激光彩 色显示 激光医疗以及激光同位素分离等领域的重要应用而成为研究的热点 本 论文主要进行 LD 侧面泵浦腔内倍频高功率绿光激光器的理论设计和实验研究 主要工作有 : (1) 利用非线性光学倍频理论对 LD 侧面泵浦全固态激光器进行了分析, 讨论影响腔内倍频转换效率的因素, 结合腔内倍频速率方程理论模拟 计算和分析了倍频输出光的脉宽 峰值功率 单脉冲能量 平均输出功率与倍频晶体长度的关系 (2) 对侧面泵浦固体激光器中增益介质的热效应进行了研究, 得出了 Nd:YAG 棒中的温度分布, 在此基础上对增益介质中的热应力 热透镜效应和热致双折射效应进行了理论计算和模拟, 提出了减小热应力 补偿热透镜效应和热致双折射效应的方法 ; 分析了腔内非线性晶体的热效应, 并在此基础上提出了一些补偿措施 (3) 利用 ABCD 光学传输矩阵理论, 对绿光激光器的谐振腔进行了设计, 并分析和讨论了输入镜曲率半径 谐振腔腔长 热透镜焦距等参数对腔稳定性和腔模式匹配的影响 (4) 进行了 LD 侧面泵浦腔内倍频高功率绿光激光器的实验研究 采用 V 型 非稳腔结构, 在泵浦功率为 186.5W, 重复频率 10.3kHz 时利用 LBO 晶体获得了 36.9W 的绿光输出, 绿光脉冲宽度为 38ns, 峰值功率为 94kW, 单脉冲能量为 3.6mJ, 从 808nm 到 532nm 以及 1064nm 到 532nm 的光 - 光转换效率分别为 19.7% 和 81.8%, 在 2 小时内其输出功率不稳定度小于 3%, 腔长约为 300mm 根据我们现在所知, 这是目前侧面泵浦 Nd:YAG 绿光激光器输出功率超过 30W 并且倍频转换效率超过 80% 的最短腔长 关键词 : 绿光激光器 ; 腔内倍频 ; 热效应 I
Abstract Abstract All-solid-state lasers have many advantages, such as compact, efficient, good beam quality, stable and long lifetime et al. With the development of laser technology, they have been widely used in the fields of industry, military, medical treatment and research. High-power LD pumped green laser has become the research focus because it s important application in material processing, medical and laser isolation of uranium isotopes, etc. This thesis focuses on theoretical and experimental research of LD side-pumped intra-cavity frequency doubling high power green laser. The main contents of this thesis are as follows: (1)According to the nonlinear frequency-doubling theory, we have researched LD pumped all-solid-state lasers in theory and discussed several elements that affecting the efficiency of frequency-doubling. However, we calculated and simulated the pulse width, pulse energy, peak power, average power of output versus the length of LBO crystal by using the intra-cavity frequency doubling rate equations. (2)The thermal effect of laser crystal in LD side-pumped solid-state lasers was researched in great detail. The temperature distribution of laser crystal was obtained. Based on the results, the thermal stress, thermal lens effect, thermal birefringence were theoretically calculated and simulated. The methods of reducing thermal effects of laser crystal were introduced. We also analyzed the thermal effects of nonlinear crystal, based on which we give some methods for eliminating and compensating it. (3)Using the ABCD theory to design the resonator considering the thermal lens effect. In addition, the influences of cavity parameters, such as cavity length, curvature radius of the cavity mirror, focal length of thermal lens etc., on the stability of cavity and mode matching were analyzed and discussed. (4)Researching the Q-switched green laser generated by intra-cavity frequency doubling of a diode side pumped Nd: YAG laser using a compact unstable V cavity experimentally. At an incident pump power of 186.5 W, the average power of 36.9 W and pulse width of 38 ns green laser was obtained at a repetition rate of 10.3 khz, III
LD 侧面泵浦腔内倍频高功率绿光激光器 corresponding to a peak power of 94 kw and single pulse energy of 3.6 mj. The optical to optical conversion efficiency from diode to green and from IR to green laser are about 19.7 % and 81.8 %, the whole cavity length is about 300mm, the output fluctuation of this system is less than 3% in 2 hours. To the best of our known, this is the shortest cavity configuration of side pump Nd:YAG green lasers with output power higher than 30 W and IR to green conversion efficiency larger than 80%. Key Words: Green Laser; Intra-cavity Frequency Doubling; Thermal Effects. IV
目录 目录 摘要... I Abstract... III 目录... V Contents... VII 第一章绪论... 1 1.1 LD 泵浦全固态激光器 (DPSSL)... 1 1.1.1 DPSSL 的发展... 1 1.1.2 DPSSL 的主要特性及应用... 2 1.2 全固态绿光激光器... 4 1.2.1 绿光激光器的应用... 4 1.2.2 绿光激光的产生方法... 5 1.3 全固态绿光激光器的发展状况... 5 1.4 本论文主要工作... 8 第二章 LD 侧面泵浦腔内倍频激光器理论研究... 9 2.1 Nd:YAG 激光增益介质的特性... 9 2.2 用于绿光激光器的倍频晶体... 12 2.3 二次谐波理论及技术... 15 2.3.1 非线性光学效应... 15 2.3.2 二次谐波产生... 16 2.4 腔内倍频速率方程理论... 23 2.5 本章小结... 27 第三章激光增益介质和非线性晶体热效应研究... 28 3.1 连续工作棒状 Nd:YAG 晶体的热效应... 28 3.1.1 热传导方程和温度分布... 28 3.1.2 热应力... 31 3.1.3 应力双折射... 32 3.1.4 热透镜效应... 35 3.1.5 激光棒中热效应的补偿... 38 3.2 非线性晶体的热效应... 41 3.2.1 非线性晶体中的自热效应... 41 3.2.2 LBO 倍频晶体中的温度分布... 43 3.3 本章小结... 46 第四章腔型设计与优化... 47 V
LD 侧面泵浦腔内倍频高功率绿光激光器 4.1 谐振腔的分类... 47 4.2 含热透镜的 V 型腔参数计算... 49 4.3 谐振腔的稳定性和模式匹配分析... 51 4.4 本章小结... 58 第五章 LD 侧面泵浦腔内倍频绿光激光器实验研究... 60 5.1 实验装置... 60 5.2 实验结果与讨论... 61 5.3 实验小结... 65 第六章总结与展望... 66 6.1 工作总结... 66 6.2 工作展望... 66 参考文献... 68 硕士期间科研成果... 74 致谢... 75 VI
Contents Contents Chapter 1 Introduction... 1 1.1 Diode pumped solid-state laser(dpssl)... 1 1.1.1 History of DPSSL... 1 1.1.2 Characteristic and applications of DPSSL... 2 1.2 Green laser... 4 1.2.1 Applications of green laser... 4 1.2.2 Ways of achieving green laser... 5 1.3 Development of green laser... 5 1.4 Content of the thesis... 8 Chapter 2 Theoretical research of LD side-pumped intra-cavity frequency doubling laser... 9 2.1 Characteristics of Nd:YAG crystal... 9 2.2 SHG crytals using in green laser... 12 2.3 Second harmonic generation(shg) principle... 15 2.3.1 Nonlinera optical effect... 15 2.3.2 Second harmonic generation(shg)... 16 2.4 Intra-cavity frequency doubling rate equation... 23 2.5 Summary... 27 Chapter 3 Thermal effects research of laser crystal and nonlinear crystal... 28 3.1 Thermal effects of Nd:YAG crystal... 28 3.1.1 Heat transfer equation and temperature distribution... 28 3.1.2 Thermal stress... 31 3.1.3 Thermal birefringence... 32 3.1.4 Thermal lensing effect... 35 3.1.5 Methods of reducing thermal effects of laser crystal... 38 3.2 Thermal effects of nonlinear crystal... 41 3.2.1 Self-heating effect of nonlinear crystal... 41 3.2.2 Temperature distribution of LBO... 43 3.3 Summary... 46 Chapter 4 Resonator design and optimazation... 47 4.1 Classification of resonator... 47 4.2 Calculation of parameters of V cavity with thermal lens... 49 4.3 Thermal stablity and mode-matching analysis... 51 4.4 Summary... 58 Chapter 5 Experiment of LD side-pumped intra-cavity frequency VII
LD 侧面泵浦腔内倍频高功率绿光激光器 doubling green laser... 60 5.1 Experimental setup... 60 5.2 Results and discussions... 61 5.3 Summary... 65 Chapter 6 Summary and Expectation... 66 6.1 Summary... 66 6.2 Expectation... 66 References... 68 Published papers... 74 Acknowledgements... 75 VIII
第一章绪论 第一章 绪论 激光技术与原子能 半导体及计算机并称为二十世纪的四项重大发明 1916 年爱因斯坦发表的关于受激辐射的量子理论为激光的产生奠定了基础, 使人们寻 找这种更亮 更强 更集中的光成为可能 1954 年, 美国贝尔实验室的汤斯 ( Charles Hard Townes ) 和前苏联的普罗霍罗夫 (Aleksandr Mikhailovich Prokhorov) 巴索夫 (Nicolay Gennadiyevich Basov) 分别使氨分子束实现了粒子 数反转, 从而观察到微波的受激发射 1956 年, 布隆伯根 (Nicolaas Bloembergen) 提出利用光泵浦三能级原子系统实现粒子数反转分布的新构思 1958 年, 肖洛 (Arthur L.Schawlow) 与汤斯提出了利用法布里 - 珀罗干涉仪作为腔体实现光的受激发射的激光器的设想 ; 同年, 前苏联莫斯科的普罗霍罗夫也独立地提出了相同的观点 1960 年, 美国休斯公司实验室的梅曼 (Theodore Harold Maiman) 用 [1] 红宝石作为激光工作物质, 成功的研制出了世界上第一台激光器 激光器的发光机制不同于普通光源, 具有很好的方向性 单色性和相干性, 故在现代科学技术的许多方面发挥了独特的作用, 己经遍及工业 农业 科学 医学 通信 国防 信息及商业等诸多领域, 并带动和促进了许多新兴学科的诞生和发展 随着晶体生长技术的提高 大功率长寿命 LD 的出现 非线性光学频率变换技术的日益成熟以及适合于 LD 抽运的固体激光材料的大量涌现,LD 抽运的各种波长的固体激光器己发展成为固体激光技术中最具活力的研究领域 LD 泵浦全固态激光器 ( Diode pumped solid-state laser,dpssl) 集半导体激光器和固态激光器的优点于一身, 具有转换效率高 结构紧凑 可靠性高 寿命长以及 光束质量好等特性使得其在众多领域的应用变得日益广泛和深入 1.1 LD 泵浦全固态激光器 (DPSSL) 1.1.1 DPSSL 的发展 LD 泵浦固态激光器的研究可追溯到上世纪六十年代 1962 年第一支 GaAs 二极管激光器问世 [2] 不久,R.Newman 就提出 LD 泵浦固态激光器的思想,1963 年他用 GaAs 发光二极管 (LED) 泵浦掺钕离子钨酸钙晶体 (Nd:CaWO 4 ), 得到 1
LD 侧面泵浦腔内倍频高功率绿光激光器 [3] 了 1064nm 的荧光输出 1964 年美国 MIT 林肯实验室的 Keyes 和 Quist [4] 研制 出了第一台 LD 泵浦的固态激光器, 其激光工作物质 U 3+ :GaF 2, 输出波长 2.613μm 1968 年美国麦道航空公司的 Ross 制造出了第一台用 GaAs 泵浦的 Nd:YAG 激光器 [5], 但其所需的 LD 必须被冷却到 170K, 以实现吸收波长匹配 由于 LD 低温冷却的需要以及自身较小的输出功率无法实现有效的 DPSSL 工作, 从而延缓了 DPSSL 的早期发展 20 世纪 70 年代, 虽然在新的固态激光材料开发 单元技术研究和应用开拓 等方面取得了不少有意义的成果, 但是由于 LD 泵浦源自身的低功率和低转换效 率 大光束发散角 单色性差 波长单调且难以在室温下运转等缺陷没有得到有 效的解决,DPSSL 的最高输出功率只有几十毫瓦 因此 DPSSL 的性能特别是输 出功率无法与灯泵浦或其它激励方式泵浦的激光器相比 进入 80 年代, 随着高效率 高功率的 LD 及其列阵的发展, 打破了固态激 光器的停滞状态, 使固态激光器的发展又出现生机 新的晶体生长技术能生长出 优质的量子阱和应变量子阱材料, 使得 LD 的阈值电流明显降低, 使用寿命显著 增长, 转换效率大幅提高, 输出功率成倍增长 另外, 新量子阱材料的发展使 LD 的激发波长得到了很大的拓宽, 在室温下, 覆盖范围从蓝光到红外区域 高 功率 LD 的发展, 使 LD 泵浦固态激光器的工作也随之上了一个新的台阶 进入 90 年代后, 由于 LD 的发展和 DPSSL 整体设计上的优化, 使得 DPSSL 有了很大的进展, 并且研究重点己转向小型化 实用化和商品化 国外的 Spectral Physics SDL Coherent 等公司分别推出了各种型号的连续和脉冲工作的 DPSSL; 在国内, 天津大学 清华大学 上海光机所 长春光机所 西安光机所 山东大 学等单位也先后在 DPSSL 方面进行了许多有价值的研究, 并取得了很大进展 近年来, 由于 LD 功率和效率的不断提高, 激光增益介质的不断发展, 非线 性晶体的不断改进,DPSSL 正朝着高功率 小体积 高效率 高光束质量 新 波长等方面发展 1.1.2 DPSSL 的主要特性及应用 DPSSL 兼备了激光二极管和传统固体激光器的优点, 使得 DPSSL 性能极大 [6] 地优于灯泵固体激光器和激光二极管本身, 其主要特点如下 : 2
Degree papers are in the Xiamen University Electronic Theses and Dissertations Database. Full texts are available in the following ways: 1. If your library is a CALIS member libraries, please log on http://etd.calis.edu.cn/ and submit requests online, or consult the interlibrary loan department in your library. 2. For users of non-calis member libraries, please mail to etd@xmu.edu.cn for delivery details.