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1、华中科技大学 硕士学位论文 LD端面泵浦全固态532nm脉冲激光器的研究 姓名：汤枭雄 申请学位级别：硕士 专业：光学工程 指导教师：汪盛烈 2011-05-27 I 华华 中 科中 科 技技 大 学 硕 士 学 位 论大 学 硕 士 学 位 论 文文 摘 要 全固态绿光激光器在工业加工、海洋探测、军事、医学等方面都具有重要的作用， 它已成为激光领域研究的热点。本论文基于科研与市场的需求，旨在设计出一种工业 化实用型的绿光脉冲激光器。本论文首先介绍了全固态激光器的发展历史以及绿光激 光器在各领域使用的实例，表明了研发绿光脉冲激光器的必要性。然后对四能级速率 方程、调 Q 脉冲方程、倍频技术以及
2、相位匹配方法等关键原理进行论述。再次介绍了 市售常用的激光晶体和倍频晶体，从中选择适合我们设计的晶体材料，并对晶体材料 的相关参数进行优化设计。最后从设计的几种腔形结构中选出最适合我们设计标准的 腔形结构；选择了端面泵浦、腔内倍频和声光 Q 技术并设计了倍频晶体的冷却方式； 对腔形的热透镜效应、腔长、腔内光斑分布进行了分析和计算。本论文实验主要工作 和创新点可以概括如下： (1) 结合半导体冷却和传导冷却的优点，设计出一套适合激光系统中使用的倍频晶 体冷却系统，该系统最大优点是温度实时监测，可控性高； (2) 对谐振腔腔长、光斑尺寸等参数进行模拟分析，设计出一套适合本实验使用的 腔形结构； (
3、3) 在端面泵浦条件下，采用折叠腔形结构，泵浦功率为 30W，重复频率为 40KHz 时获得了平均功率 1.81W、脉宽 35ns 的脉冲绿光输出。 关键词：关键词：倍频 Q 开关 绿光激光器 LD 泵浦 II 华华 中 科中 科 技技 大 学 硕 士 学 位 论大 学 硕 士 学 位 论 文文 Abstract Solid-state green laser became an important role in the industrial processing, marine exploration, military utilities, medical and so on, and
4、it has become a hot research field of laser. Based on scientific research and market needs, this paper is to design a practical industrial green pulse laser. This paper introduces the historical development of solid-state lasers and examples of green lasers used in all areas, indicating the need for
5、 development of green laser pulse, then the four-level rate equation, Q pulse equation, and phase matching frequency doubling technology and other key principles were discussed. Commonly used commercially available re-introduced the laser crystal and frequency doubling crystal, from which we select
6、the appropriate design of the crystal material, and the crystalline materials to optimize the design parameters. Finally, the most appropriate design was selected, and end-pumped, frequency doubling technology and sound Q-switched is selected; Thermal lens, cavity length, cavity spot distribution we
7、re analyzed and calculated. In this thesis, the main experimental work and innovations can be summarized as follows: (1) Union the merits of semiconductor cooling and conduction cooling, we designs a set to suit the frequency multiplication crystal cooling system, and the biggest merit is the real-t
8、ime monitor, high the controllability; (2) We designs a suit cavity shape structure through the simulation analysis of the resonant cavity length, spot size and other parameters; (3) Under the conditions of the end-pumped and folding cavity-shaped structure when the pump power of 30W and the repetit
9、ion rate of 40KHz we get the average power 1.81W, green laser pulse width 35ns. Key words: frequency doubling Q-switch green laser LD pumped 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
10、： 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 华华 中 科中 科 技技 大 学 硕 士 学 位 论大 学 硕 士 学 位 论 文文 1 绪论 自 1960 年
11、世界第一台激光器诞生以来，各类激光器及其相关技术飞速发展。激光 技术在科学研究、国防建设及国民经济等领域得到广泛的应用，已经成为现代科学技 术及社会发展的重要支柱之一。 二极管泵浦固体激光器(Diode Pump Solid State Laser,DPSSL 或 DPL)亦称全固态激 光器（all solid state laser），是近年来激光器家族中发展最快、应用最广的激光器。DPL 是利用输出固定波长半导体激光器(LD)代替传统泵浦源氪灯和氙灯作为激光器的泵浦 源。因此，DPL 又被称为第二代激光器。 1.1 固体激光器的发展历史 二十世界六十年代，R.Newman 首次提出全固态激
12、光器的概念1，并于 1963 年用 GaAs 二极管产生的 880nm 光泵浦 Nd：CaWO4，得到了 1.06m 的荧光输出。不久后 科学家们已经意识到激光二极管泵浦代替闪光灯泵浦固体激光材料所带来的优势。 1964 年， 美国 MIT 林肯实验室的 Keyes 和 Quist2展示了世界第一台激光二极管泵浦的 固体激光器， 它是以GaAs二极管为泵浦源， 工作物质为CaF2： U3+， 输出波长为2.631m， 整个激光器装置须在液氮中冷却至 4K。由于当时半导体技术的限制，实际可用的全固 态激光器并没有出现，相关报道也比较少。 20 世纪 70 年代是全固态激光器缓慢发展的阶段。 由于
13、半导体生长工艺仍然没有很 大的突破，激光二极管泵浦源的低功率和低转换效率阻碍了全固态激光器技术上的进 步。1972 年，Barnes3首次建立了 LED 侧面泵浦 Nd:YAG 激光器模型，并给出了阈值 和斜效率的近似表达式。1976 年,Iwannoto4利用 SLD（super luminescent diodes）泵浦 Nd:YAG,真正实现了能够在室温条件下连续运转的全固态激光器。 自 1980 年以后，随着新技术日趋成熟和相关理论逐渐完善， LD 阈值电流大大降 低，输出功率和转换效率有了长足的提高，激光器的使用寿命也显著增长。在此阶段， 调 Q 技术、锁模技术及超短脉冲技术产生的峰
14、值功率达到几十千瓦级，脉冲宽度达到 阿秒量级，利用短薄片腔、标准具、环形腔等腔形实现激光单模或准单模运转，利用 和频、倍频等非线性光学技术获得更大波段范围激光的输出。得益于半导体技术的突 2 华华 中 科中 科 技技 大 学 硕 士 学 位 论大 学 硕 士 学 位 论 文文 破性发展，全固态激光器发展进入了一个蓬勃发展的新时期。新的晶体生长工艺能生 长出优质的激光材料，使得 LD 的阈值电流大大降低，使用寿命增长，转换效率得到 提高，输出功率不断上升。其中具有代表性的是 1985 年 Sipes5研制的 LD 端面泵浦 Nd:YAG 激光器，电光转换效率达到了 8%，表明高效率 DPL 在实
15、验上已经成为可能。 20 世纪 90 年代以来， 高功率二极管激光器和大功率泵浦光源技术逐渐成熟， 而且 价格渐渐降到可实用化的水平。外延生长工艺已经可以将 LD 的发射波长从 630nm 扩 展到 1.1m，高功率的蓝光 LD 和白光 LD 技术已经成为研究的焦点。在此期间，具有 里程碑意义的事件之一是1992年美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室研制成功了千瓦级 高功率激光泵浦 Nd:YAG 激光器； 另一件是美国能源部在 1994 年宣布批准实施用于核 聚变“国家点火设施”（national ignition facility, NIF）计划。中国也于 1995 年“863 计划” 中对激光惯性
16、约束核聚变立项，计划建成十万焦耳级的激光装置。 1.2 固体绿光脉冲激光器发展概况 随着新技术和新材料的应用和发展，激光腔腔型设计的不断优化，全固态脉冲激 光器的各项参数指标也不断提高。全固态脉冲绿光激光器的研究方向主要包括新材料 的运用、新腔形的优化设计。研究的侧重点主要有输出功率、光束质量、转换效率、 稳定性等。目前国外功率最高的固体脉冲绿光激光器是日本 T.Kojima6在 2005 年采用 腔内调 Q，使用 LBO 晶体腔外倍频，在基频光功率为 1350W、脉宽为 47ns 时，获得 了 400W 的脉冲绿光激光输出。国内报道最高功率的固体脉冲绿光激光器是 2008 年中 科院理化研究所薄勇、耿爱丛等7在重复频率为 10kHz 得到 218W 的绿光输出。在光 束质量方面 2005 年新加坡南洋理工大学的 Peng 等
