论文总字数：19876字

目 录

第一章 绪论 1

1.1 LD泵浦固体激光器的研究进展 1

1.2适用于LD泵浦的固体激光晶体材料 2

1.3 LD泵浦固体激光器的研究热点及应用前景 2

1.4本论文的主要工作 2

第二章 LD泵浦Nd:YVO₄固体激光器基本理论 3

2.1 四能级系统速率方程 3

2.2 LD泵浦Nd:YVO₄激光器输入性能分析 5

2.3 倍频理论 6

第三章 LD端面泵浦固体激光器谐振腔的设计 8

3.1 激光介质热效应的分析与讨论 8

3.1.1热效应的理论模型 8

3.1.2激光晶体的热透镜效应 9

3.1.3热致衍射损耗 10

3.2 谐振腔内高斯光束模参数的计算 12

第四章LD泵浦Nd:YV0₄/PPLN腔内倍频绿光激光器的实验研究 14

4.1 Nd:YVO₄晶体的激光性能 14

4.2 PPLN晶体的相位匹配特性 16

4.3 腔内倍频实验 17

4.4实验结果及分析 18

第五章 结论 21

参考文献 21

致谢 23

基于PPLN晶体的准相位匹配倍频技术研究

过焱玻

,China

Abstract: A compact and highly efficient LD pumped Nd:YVO₄/PPLN continuous wave green laser is designed based on the quasi-phase matching frequency doubling technique, since the current LD pumped all-solid-state green lasers have the shortcomings of complex structure, high cost , inconvenience of operation and low conversion efficiency, etc. Stable green laser outputs have been achieved and the output characteristics are experimentally investigated. The contents are concluded as follows: The laser diode pump solid state laser are reviewed, and then introduces the suitable crystal materials for LD pumped green laser, finally introduced the laser diode pumped development history and research status of green laser; The thermal effect in Nd:YVO₄ and the effect of laser cavity parameters on its output performance are numerically analyzed based on the laser cavity theory; A compact and highly efficient linear cavity of CW green laser has been designed based on PPLN crystal. The experimental results show that when pump power is set at 4W, the CW green light output power of 1.3W is achieved with the corresponding optical-optical conversion efficiency of 32.8%. Controlling the pump power at about 3W,the fluctuation of the output power within 2 h is less than 3%.

Key words: green laser; thermal effect; frequency-doubled; PPLN

第一章 绪论

激光是二十世纪人类最具影响力的科技发明之一，在人们日常生活和生产中具有不可替代的作用。自1961年世界首台激光器---红宝石激光器发明以来，紧接着的半个世纪内，固体激光器获得了讯速的发展，泵浦源由起初的闪光灯到目前的半导体激光二极管(LD)，增益工作介质从当初的红宝石拓宽至现在的掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)、掺钕钒酸钇(Nd:YVO₄)、掺钕氟化钇锂(Nd:YLF)等多种激光晶体^[1]。激光二极管泵浦的绿光激光器在很多方面都有着十分广泛而重要的作用。绿光激光器可以应用于医疗诊断、激光演示、国防科技、工业加工等众多领域^[2]。另外，绿光激光器还有着很多优点，例如：转化效率高、稳定性好、结构紧凑等，这使得绿光激光器成为了主流激光器，更是激光领域研究的重点。

绿光光源有很多方法可以获取，如氢离子气体激光器和半导体激光器能够直接输出绿光激光光源，因为氢离子激光器有许多弊端，例如该激光器所使用的电源的体积很庞大而且它的设备复杂程度很高，氢离子激光器的输出效率也比较低^[3]。但是在国内，半导体激光器的发展十分缓慢，具体表现在半导体激光器的制备工艺和半导体器件的制作水平等方面。这些原因导致我国的半导体固体激光器处于十分落后的处境。

本论文的实验目的就是依靠非线性倍频技术来获得紧凑高效型的绿光激光器。本文采用LD直接端面泵浦的方式，通过在Nd:YVO₄晶体和PPLN晶体端面镀增透或反射膜，来减少激光器的所需元器件数量，从而降低绿光激光器的尺寸和成本，提高激光系统的集成度。

1.1 LD泵浦固体激光器的研究进展

全固态激光器的理论和技术探索最早起源于二十世纪六十年代，LD泵浦的全固态激光器的发展促进了激光晶体的发展，如Nd:YVO₄、Nd:YAG等^[4]。其中Nd:YVO₄晶体性能十分优良，与其他晶体相比较Nd:YVO₄晶体的发射截面要大得多，而且Nd:YVO₄晶体的吸收系数相比其他的晶体也大得多，最重要的一点就是Nd:YVO₄晶体的输出是线偏振，这些特性使得Nd:YVO₄晶体成为了本次实验的优先选择。另外，利用Nd:YVO₄晶体构建的固体绿光激光器在技术上是一次突破性的飞跃，引起世界各地研究机构的广泛重视，Nd:YVO₄晶体在各个方面都有着很不错的发展前景。

1963年采用输出中心波长为808nm的砷化镓二极管抽运Nd:CaWO₄，获得了1064nm的激光输出^[5]。1968年，美国科学家Ross等人为了实现砷化镓激光二极管和Nd:YAG的波长匹配，把半导体温度降到170K，从而研制成第一台激光二极管泵浦的Nd:YAG激光器^[6]。由于LD泵浦源自身的低功率以及低转换效率，致使上世纪七十年代全固态激光器基本上没有太大发展。随着LD发展的迅速成熟以及全固态激光器封装工艺的提高，20世纪90年代后，全固态激光器逐渐向实用性和产品型转变。1991年，T.aSsald的研究团队设计了一种以Nd:YVO₄晶体为核心的微片激光器^[7]，但是该激光器的转换效率不高，只有2.6%。同一年，日本的科学家T.Koijima的团队对Nd:YVO₄晶体固体激光器的谐振腔进行了改进，采用了当时比较先进的四镜Z型折叠腔，又突破性地采用了YAG双棒串接，首次得到了优质的、稳定的、连续的绿光输出，得到的最大功率为16W，这已经是当时利用双棒串接的传统固体绿光激光器所能达到的最大功率^[8]。到2001年，D.Yshen的团队又做出了新的突破，他们尝试使用二极管端面泵浦的技术，使用Nd:YVO₄晶体和KTP晶体作为激光晶体，并成功得到了23.2%的光—光的转换效率，这也是二极管技术在激光器方面的第一次尝试。

1.2适用于LD泵浦的固体激光晶体材料

激光增益介质是全固态激光器的重要组成部分，因此固体激光晶体材料的发展一直是全固态激光器研究的重要课题。如何选择合适的激光工作介质应从以下三个方面着手：第一，激光介质的荧光谱线窄；第二，具有与LD发射谱线相对应的强吸收带；第三，受激发射截面大。目前常用的以钕离子为激活离子的激光晶体材料有Nd:YAG晶体、Nd:YVO₄晶体等。下文将具体分析Nd:YVO₄晶体的物理特性及光学特性。

1.3 LD泵浦固体激光器的研究热点及应用前景

泵浦固体激光器的研究热点和应用前景具体表现为以下几点：第一就是用作全固态红绿蓝激光器，第二是1.5~3.0µm波段的中红外激光器，第三是紫外激光器，第四微片激光器，第五是可调谐固体激光器。另外该研究的应用前景也十分广泛和深远^[10]。因为它可以长期保持输出激光的起伏很小，约为1%，因此该激光器可作为医疗用激光器，并具有优越的激光输出特性。此外，LD泵浦还具有响应快的特点，因此LD泵浦固体激光器可以做到激光输出的随时转换，可与计算机和其他外围诊断设备同时连接，可以说它是一种便携式的小型高重复频率测距仪。另外它还可以用于激光雷达，用于心血管手术仪器，近视眼手术仪器等精密仪器。在工业上，受泵浦源价格的限制不能够普及，但对于一些要求较高的场合仍是不错的选择^[11]。LD泵浦全固态激光器在未来会有很好的发展前景，其应用范围会更加广泛，生产成本更加低，激光系统会更加小型化、便携化。

1.4本论文的主要工作

首先，我的主要工作是对以使用激光二极管作为泵浦源的全固态绿光激光器进行了综述，然后分析了适合LD泵浦绿光激光器的激光晶体材料；介绍了几种常见的激光晶体和非线性变频晶体的特性，重点分析了PPLN晶体的温度引起的折射率变化特性；基于非线性耦合波方程和激光器谐振腔理论，数值分析了PPLN晶体中的倍频输出特性、Nd:YVO₄晶体的热效应对激光器输出性能的影响；实验构建了一种基于Nd:YVO₄/PPLN晶体组合的紧凑高效型的线性腔连续波绿光激光器。测试结果显示，当泵浦功率为4W时，绿光激光器输出功率为1.28W,相应的光-光转化效率为32.6 %。当LD泵浦功率稳定在3W，2 h内的绿光输出功率波动小于3%。

第二章 LD泵浦Nd:YVO₄固体激光器基本理论

相比于侧面泵浦，LD端面泵浦是一种十分先进的泵浦方式，主要体现在这种泵浦方式的效率高，并且它具有比较低的阈值，另外这种泵浦方式的横模选择能力很强所以我们选用了固体激光器的端面泵浦的方式作为本实验的泵浦方式。由于LD是激光器，泵浦光具有能量集中、方向性好等特点，也会引起泵浦光在增益介质内分布不均匀，使得泵浦光与受激发射的激光的模场重叠性较差。因此，泵浦光的纵方向的分布与径方向的分布是必须要解决的一个问题，还要解决他们在空间上的重叠，这也就是模式匹配上的问题。基于此，本论文基于速率方程和激光谐振腔理论对激光器进行优化设计，在求解速率方程时充分考虑泵浦光的空间分布对增益的影响，通过优化泵浦光波长、谐振腔的长度、模场的尺寸等参数实现LD的高效泵浦。在此基础上，理论研究了基于PPLN晶体的激光倍频理论及其相位匹配技术。

2.1 四能级系统速率方程

实验采用的Nd:YVO₄晶体就其辐射机理属于典型的四能级系统。为简化分析，我们只考虑激光处于基频（也即TEM₀₀模）运转条件下的粒子数反转分布及其增益特性，四能级系统的速率方程如下^[9]：

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