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1、华中科技大学 硕士学位论文 低噪声LD泵浦固体激光器及其控制电路设计 姓名：黄马波 申请学位级别：硕士 专业：光学工程 指导教师：胡必春 20060419 I 摘 要 随着高效率、高功率的 LD 及其阵列的突破性发展，LD 泵浦的固体激光器的研究 也不断取得进展并达到实用化水平。LD 泵浦的固体激光器具有高效率、高稳定性、窄 线宽、较长的使用寿命及小型化等优点，已经在激光医学、光存储、激光测距、光谱 分析等很多领域取得了广泛的应用。 本文对 LD 泵浦的固体激光器系统进行了深入研究，指出了影响激光器输出光功 率噪声的“绿光问题” ，分析了解决的方法。实验中采用 Nd:YVO4作为激光晶体，KT
2、P 晶体作为倍频晶体，通过双折射滤波的方式，使激光器运行在单纵模下，在 500mW 的 泵浦功率下获得 21mW 的低噪声 532nm 绿光输出，其功率稳定度优于 0.6。通过实 验测试表明双折射滤波激光器系统的噪声水平严重依赖于温度控制的精度。 此外本文还对温度控制的 PID 方法进行了介绍， 比较了各种温度传感器的优缺点， 根据实验中激光器系统的特殊需求设计了两套电流驱动和温度控制电路。它们均能提 供 LD 的稳流驱动、过流保护、高速调制等功能，能通过 NTC 热敏电阻和半导体制冷 器来实现对系统温度的精密控制。用分立元件构成的电路具有成本低、功能组合更灵 活的优点，并实现温控精度 0.0
3、3，用进口模块构成的电路具有电路板尺寸小、可靠 性高的优点，并实现温控精度 0.02，对于系统运转在低噪声输出功率下起到了重要 作用。 关键词：低噪声 固体激光器 DPSL 电流驱动 温度控制 I I Abstract The research of LD pumped solid laser is making great progress as LD with high efficiency and high power progresses. Because the LD pumped solid laser has so many virtues, for example high e
4、fficiency, high stability, narrow line width, long life time and small outline and so on, it has been utility instrument in many field such as laser medical, optical storage, laser rangefinder, optical spectrum analysis etc LD pumped solid laser system is researched in this paper. The factors which
5、influence the noise of optical output power is pointed out. And the resolvent of “ green problem” i s analysised. We used Nd:YVO4 as laser crystal and KTP as double frequency cystal in the experiment. By the way of double refraction effect we get an optical filter to make the laser system operate wi
6、th single longitudinal mode. When the power of pumped light is 500mW, we gain the freen light which s power is 21mW. The noise of optical power is less than 0.6%. We can draw a conclusion that the noise of the double refraction mode laser system depends on the exact temperature control in the experi
7、ment. The PID method which is applied to temperature control is introduced. And the performance of several type of temperature sensor is compared. We designed two sets of current driver and temperature control circuit. They both provide the function of stable current driver, over current protection,
8、 high speed modulation etc. They also provide precision temperature control using negative temperature coefficient resistance and TEC. The system constituted by separate electronical components is low cost and can be assembled by functional modules more flexibly. The laser system temperature stabili
9、ty is less than 0.03 under its control. The system constituted by import module can be designed in a small outline printed circuit board and it also has high reliability. The laser system temperature stability is less than 0.02 under its control. They are very important to make the laser system oper
10、ate with low noise output. Key words: low noise solid laser DPSL current driver temperature control 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。 学位论文作者签名： 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学校有关保留、使用学
11、位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本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和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 1 绪论 1.1 激光二极管泵浦固体激光器的产生和现状 1960年R.Newman就首次提出激光二极管泵浦固体激光器(Diode Pumped Solid State Laser: DPSL)即
12、全固态激光器的思想。 1962年第一个激光二极管问世，由于其发射 波长与掺Nd3+激光晶体的吸收带光谱重叠较好，在理论上可以研制出高效率、小型化、 长寿命的全固态激光器件。 1963年R.Newman用GaAs二极管在808nm附近的辐射去泵浦 Nd:CaWO4，得到了1064nm受激荧光输出。Newman认识到GaAs二极管激光器发射波 长与钕离子的吸收带的光谱重叠可导致高效率、结构紧凑的全固态激光器的出现1。 1964年，美国MIT林肯实验室的Keyes和Quist成功实现了这一想法，研制了第一台LD 泵浦的固体激光器，激光工作物质为GaF2: U3+。1968年，麦道航空公司的Ross实
13、现了 第一台用GaAs半导体激光器泵浦的Nd: YAG激光器，但其所需的LD必须被冷却到 170K，以实现波长匹配2。直到1972年，由Danielmeyer和Qstermayer实现了在室温下 运转的LD泵浦的Nd: YAG激光器3。 早期的GaAs激光二极管采用同质结结构，激励阈值电流很高，功率输出和效率很 低，而且必须在液氮下工作，波长范围受到限制。70年代，Conant和Reno制成了横向 泵浦的装置，但实验仍在低温下进行；Jackson和Rice用短脉冲泵浦得到准连续输出4； 纵向泵浦也同时展开了研究。随着半导体理论和激光二极管制作工艺的提高，70年代 采用异质结的LD已可在室温下工
14、作，但LD泵浦本身的低功率和低转换效率妨碍了 DPSL激光器的进步；另一方面LD的光束发散角大，单色性差，波长也单调。因此DPSL 性能与输出激光功率无法与灯泵或其他激励方式泵浦的激光器相比。这种状况持续到 80年代中期，除了低功率LD直接用于通讯、信息存储等方面，DPSL没有得到长足的发 展。 进入90年代以来，随着高效率、高功率的LD及其阵列的突破性发展，打破了固体 激光器的停滞状态，使得DPSL的发展重现活力。LD吸收了半导体物理研究的进展和成 果，采用了量子阱(QW)和应变量子阱(SL- QW )等新技术，同时发展了MBE，MOCVD 及CBE等晶体生长技术的新工艺。新的工艺能生长出优
15、质的量子阱和应变量子阱材料 2 5。这使LD的阈值电流明显降低，转换效率也大幅度提高，输出功率成倍增长，使用 寿命也显著增加。随着LD的飞速发展，DPSL的研究工作也迈上了一个新的台阶，取得 了突飞猛进的发展，并达到了实用水平。 1.2 激光二极管泵浦固体激光器的主要特点和优势 LD泵浦固体激光器的方式大致可分为两类：端面泵浦和侧面泵浦，也称纵向泵浦 和横向泵浦。泵浦方式的选取需根据LD的光束特性、激光晶体的吸收特性以及对固体 激光器输出激光光束特性要求来确定。一般来说，输出功率在瓦级以下的大多采用简 单的端面泵浦方式， 要求泵浦光的模式与固体激光谐振腔的TEM00模进行有效的模式匹 配；激光
16、输出功率在几十瓦以上的一般采用多个LD阵列侧面泵浦，但这种划分并不是 绝对的，目前采用一些设计技术。利用端面泵浦也获得了大功率输出。另外，在光纤 耦合激光器的领域还采用了包层泵浦的方式。 DPSL兼具了二极管激光器和固体激光器的一些特点，并相互弥补了某些缺陷，使 其性能在某些方面大大优于传统灯泵浦的固体激光器以及二极管激光器本身，从而得 到了迅速的应用和发展。其主要特点是： （1）高效率。由于激光介质的吸收带宽相当窄，而LD的发射光谱宽度也很窄(2 3nm )，用它作为固体激光器的泵浦源，可根据实际需要来选择激励波长与介质吸收波 长匹配，使其发射光谱落在激活介质的吸收峰附近，通过对LD工作温度的控制，把其 发射波长精确调到激活介质的吸收峰上，从而使光能更多地用来增加反转粒子数，不 同于闪光灯产生的宽带辐射，只有吸收峰附近范围内的光才能被吸收利用。因此DPSL 的效率可以做的很高。固体激光介质对泵浦光的吸收效率和光谱转换效率均可大于 90%，比闪光灯泵浦高一个数量级。而DPSL的总体电光转换
