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1、-一 引言1960年，美国科学家梅曼用脉冲氙灯鼓励红宝石晶体，获得694.3nm的激光输出，从此诞生了世界上第一台固体激光器。自此以后，惰性气体灯成了各类固体激光器重要的泵浦源，它们具有输出功率高，光束质量好，固体介质寿命长且巩固等优点。但气体放电光源的电光转换效率不高小于15%；辐射光谱太宽紫外至红外，固体激光介质的吸收谱带宽有限，因而激光效率较低小于5%；无用的紫外辐射使激光晶体寿命降低；多余的红外辐射加热激光晶体，致使激光束质量变差，并且为了去除多余的热量还需要庞大的水冷系统。另外气体放电光源寿命短、易碎、更难以模块化生产。这使得闪光灯泵浦的固体激光器诞生40年来，虽然应用领域已非常广泛
2、，但仍处于多品种、高损耗、低效率状态。1962年，第一只同质结砷化嫁半导体激光器问世；一年后美国人纽曼首次提出了采用半导体二极管作为激光器泵浦源的设想。但由于早期的LD工作稳定性差，转换效率低，寿命比闪光灯还短，而且需要采用液氮来冷却，其优越性未得到表达，因此LD作为固体激光器的泵浦源显得很不成熟，在近二十年的时间未能引起人们的重视。进入八十年代后，随着晶体生长技术分子束外延(MBE)、金属有机化学气相沉淀(MOCVD)和化学束(CBE)的日益成熟以及量子阱(QW)和应变量子阱(SLQW)新构造的出现，LD的各项性能指标得到很大改善，使半导体泵浦全固体激光器获得了长足的开展，也使最早出现并己有
3、近四十年开展史的固体激光器重新焕发出勃勃生机。进入90年代后，由于大功率LD的开展和LD泵浦固体激光器整体设计上的优化，大功率LD泵浦固体激光器有了很大的进展，并且研究重点已转向实用化和商品化方向开展。近年来，国LD泵浦固体激光器的研究也十分活泼。全固态激光器的开展步入一个新台阶。LD泵浦的全固态激光器主要优点是：1构造小型、紧凑，整体性强、密封性能好，一般有防震和防冲击等特性，所以工作稳定、操作简单、维护方便且费用较低。配适宜当技术，还可耐高温、耐寒、防水。在很多场合(如航空、航天、宇航、舰船、工业现场等)有重要的应用。2总体转换效率高，和灯泵的固体激光器相比，由于激光二极管(LD)具有外量
4、子效率高，泵浦波长易与介质吸收峰很好对应等特点，使得二极管(LD)泵浦固体激光器(DPSSL)的光一光转换效率大大提高。此外，由于采用LD泵浦降低了冷却要求，加之LD频率稳定，从而减小了激光器的技术噪声，使得DPSSL的各项指标，如斜效率、线宽、稳定度、脉宽、单频运转等均超过了闪光灯泵浦的固体激光器。3可靠性好，寿命长。LD泵浦的全固态激光器，寿命可长达104105小时，而灯泵固体激光器的寿命通常只有400多小时。4可以制成多种新波长器件和特种器件。LD 泵浦固体激光器通过采用不同的激光晶体以及频率变换技术，可以得到多种新的振荡波长，波长覆盖比LD宽，而且可以利用 LD 阵列泵浦，获得更大的输
5、出功率;同时 LD 泵浦固体激光器还可以获得如：双波长、可调谐等器件。激光二极管泵浦的固体激光器以上的种种优点，使其在工业激光加工、科学检测、目标测距、激光核聚变、激光射击武器、激光医用手术刀及激光别离同位素等军事、工业、医学和科学研究等的应用领域中起着越来越重要的作用，已成为激光领域研究的重点之一。二 灯泵浦和二极管泵浦方式比拟作为泵浦源的气体放电灯与激光二极管相比,区别如下：1转换效率。泵浦灯是宽带泵浦, 灯的辐射光谱只有极小局部被晶体棒吸收并转换成激光能量，转换效率仅为3%6%；激光二极管的辐射光谱与固体激光工作物质的吸收光谱根本重合，并且泵浦光模式可以很好地与激光振荡模式相匹配，因此光
6、转换效率很高，到达50%以上，比灯泵浦固体激光器高出1个数量级。2激光系统的体积。使用灯泵浦的固体激光器需要庞大的电源和水冷系统, 激光系统的体积大。激光二极管体积小、重量轻、构造紧凑, 在平均输出功率200mW的情况下, 耗散在管子上的功率只有瓦级, 采用自然风冷即可, 因而大简化了机械装置, 为激光系统的小型化提供了有利条件。3光束质量。泵浦灯中注入的大局部电功率转换成热能, 造成激光晶体不可消除的热透镜效应, 使激光光束质量变差, 而激光二极管防止了激光介质热效应, 泵浦光的能量稳定性好, 改善了光束质量。4性能和寿命。泵浦灯的寿命约为3001 000小时, 换灯要中断系统工作, 使自动
7、化生产线的效率降低; 而激光二极管性能可靠, 寿命大大长于泵浦灯, 达15 000小时。二极管泵浦固体激光器为全固化器件, 是迄今为止唯一无需维护的激光器, 尤其适合大规模生产线。三 全固态激光器的泵浦耦合方式LD泵浦固体激光器的泵浦方式分为端面泵浦和侧面泵浦两种构造，其中，端面泵浦又分为直接端面泵浦和光纤耦合端面泵浦两种。1端面泵浦，也称为纵向泵浦，其泵浦光进入工作物质的平面，常与激光器输出平面重叠或平行。a.直接端面泵浦直接端面泵浦是小功率LD泵浦固体激光常用的一种泵浦方式。如图1所示，LD直接端面泵浦固体激光器系统由泵浦源 LD、光束耦合系统、激光晶体以及输出耦合镜组成。泵浦源 LD 出
8、射的泵浦光，经由会聚光学系统将泵浦光耦合到激光晶体左端面，在晶体的泵浦耦合面上为减少耦合损失而镀有对 LD 发射波长的增透膜。同时，该端面也是固体激光器谐振腔的全反端，因而端面的膜也是输出激光的谐振腔，起振后产生的激光束由输出镜耦合输出。该泵浦方式的优点是：耦合效率高，大多情况下，其光光转换效率可达 50%以上；其次，较易实现泵浦光在工作物质的光强分布与谐振腔基模在工作物质的光强匹配，在不采取任何措施的情况下，能实现基模运转，获得良好的光束质量。其缺点是：但这种泵浦方式因为仅在小区域输入泵浦光，光强受到一定的限制。因此，目前该类系统仅能运转在几十瓦的输出水平。图1 LD直接端面泵浦固体激光器b
9、.光纤耦合端面泵浦光纤耦合端面泵浦是用光纤或光纤束将LD的输出光耦合到固体激光材料的一种方式。如图2所示，光纤耦合的端面泵浦激光器由激光二极管、聚焦系统、耦合光纤、工作物质和输出耦合镜组成。与直接端面泵浦不同：这种构造把激光二极管发射的光束质量很差的激光耦合到光纤中，经过一段光纤传输后，从光纤中出射的光束变成发散角较小的、圆对称的、中间局部光强最大的泵浦光束。用这一输出的泵浦光去泵浦工作物质，由于它和振荡激光在空间上匹配得很好，因此泵浦效率很高；利用光纤的柔韧性，可以将作为泵浦源 LD 和固体激光器实行热隔离，减轻热效应的相互影响，并且固体激光器可以根据需要放置于不同的工作地点而不必移动泵浦光
10、源由于激光二极管或二极管阵列与光纤间的耦合比其与工作物质间的耦合容易，从而降低了对器件调整的要求，且最重要的是这种耦合方式能使固体激光器输出模式好、效率高。图2 LD光纤耦合端面泵浦固体激光器2侧面泵浦侧面泵浦也称为横向泵浦，其泵浦光进入工作物质的面与激光输出面相互垂直。由于工作物质的侧面长度可以在一定的围延伸，泵浦光可以在较长的围输入至工作物质中，所以此类激光器输出功率可以在较大围变化，即从几瓦至几千瓦，目前高功率二极管泵浦固体激光器属于此类型泵浦方式。如图3所示，侧面泵浦使用阵列半导体激光器从侧面对激光晶体进展泵浦，其散热效果好，泵浦光可采用多个LD阵列，提供较强的泵浦光,适用于高效率的L
11、D泵浦固体激光器。图 3-3 LD侧面泵浦固体激光器四 固体激光工作物质固体激光器的工作物质必须具备以下三个特点：1锋利的荧光谱线；2与半导体激光器发射谱线相对应的强吸收带；3存在针对所需要的荧光跃迁的相当高的量子效率。一般来说，掺杂少量元素的晶体或玻璃通常具有上述特性，电子跃迁就发生在这些少量元素部未填满的壳层之间。目前，在众多的激光晶体中，掺有稀土离子特别是掺Nd3+的激活介质如Nd:YAG、Nd,Ce:YAG、Nd:GdVO4和Nd:YVO4等被研究的最多，应用也最为广泛。Nd3+是最早应用于激光器的稀土离子，目前已经在大约100多种基质材料中实现掺杂并获得受激发射，其中最常用、最重要的
12、基质材料是YAG、YVO4、GdVO4以及玻璃材料。激光的产生由可形成反转粒子数的两个能级构成，掺Nd3+的激活介质可获得假设干频率不同的受激发射，主要可以实现中心波长为0.9m、1.06m和1.34m的三种跃迁，这些三种主要波长的辐射分别来自4F3/24I9/2、4F3/24I11/2和4F3/24I13/2跃迁，其中第一种属于准三能级或三能级构造，后两种属于四能级构造。除此以外，固体激光器的工作物质还有Er:YAG、铒玻璃、Tm,Ho:YVO4、Ho,Yb:YVO4、Yb:YAG和以过渡金属离子掺杂的增益材料。五 非线性光学频率变换技术非线性光学频率变换技术是一种扩大高功率激光器应用围的有
13、效技术，它利用光学介质在强辐射场下的非线性光学效应产生新的频率，包括谐波的产生等弹性过程和受激拉曼散射或布里渊散射等非弹性过程。当光波在介质中传播时，电子和原子将对光波的电磁场做出响应，使电荷的时间和空间分布发生变化。电场对带电粒子的影响主要是使价电子从它们正常的轨道上偏移出来。由此形成了电偶极子，其宏观表现就是极化，偶极子产生再辐射。在强光作用的非线性条件下，产生畸变的再辐射波就具有和原始波不同的频率，从而产生了新的频率，如二倍频、三倍频、四倍频及和频效应产生的新频率。假设有三个频率分别为1，2和3沿z方向传播的单色平面波，记为E1，E2和E3，垂直照射到介质上，并有。三波复振幅为：E1(z
14、)=E1(z)e*p(i1) (1)E2(z)=E2(z)e*p(i2) (2)E3(z)=E3(z)e*p(i3) (3)稳态三波耦合方程为： (4) (5) (6)在折射率为n的介质中，光功率密度利用，得和频光光强其中，为相位匹配因子，也可以称为相位失配度。可以看出，当=0时I3最大，当增加时I3迅速减小，我们把=0称为相位匹配条件。当=0时才能保证I3到达最大值。和频(Sum Frequency Generation，SFG)也称为频率上转换(Frequenc Up-Conversion)，这是一种将光辐射向短波长方向变换的非线性技术。在和频效应中，输入的光波有两种不同的频率，即，12，
15、因此，可以在倍频技术不能到达的*个短波长处实现相干辐射。例如，对于激光的1064nm，倍频技术只能实现绿光(523nm)输出，而对*些应用所需要的紫外光(355nm)相干辐射，就必须采用532nm与1064nm的和频技术。和频效应是三波相互作用中的一种，属于二阶非线性光学效应。与倍频相比，利用双轴晶体进展和频时，泵浦光有两种波长，相当于在二阶非线性效应的波耦合方程组中增加了一个自由度，特殊性和复杂性也有所增加。因此，目前对于和频技术，其技术成熟程度尚不及倍频。相位匹配是非线性光学中最重要的概念之一。相位匹配条件为=0，对于倍频，；对于和频，。和频效应中，由光子动量P与波矢K的关系，可推导出P1 +P2 = P3。在和频过程中，其频率关系说明了能量守恒，而相位匹配则说明在高转换效率条件下的动量守恒关系，保证能量转移由基频光向和频光单向地不断进展。相位匹配条件控制着光波之间能量转移的方向。另外，由波矢与相速度的关系，得出在时，相位匹配条件要求有，在此条件下，基频光波与和频光波的相位差恒定，是一种与空间坐标无关并且相位差恒定的相干过程，产生的和频光波将得到同步叠加、干预增强的效果。由于介质中存在的色散效因此利用这种色散效应提
