基于PPLN晶体的全固态绿光脉冲激光器-毕业论文网

论文总字数：17766字

目录

一、绪论 1

1.1 全固态激光器的介绍 1

1.2 全固态绿光激光器的发展现状 1

1.3 本论文的研究工作 2

二、全固态绿光脉冲激光器的理论分析 2

2.1 四能级系统 2

2.2 速率方程 2

2.3 非线性光学基础 4

2.3.1 非线性光学效应 4

2.3.2 非线性介质中耦合波方程 4

2.3.3 非线性光学频率变换技术 6

2.3.4 相位匹配技术 8

2.4 谐振腔理论 9

三、全固态绿光脉冲激光器的设计方案 12

3.1 激光晶体的选择 12

3.1.1 Nd:YAG晶体 13

3.1.2 Nd:YVO₄晶体 14

3.2 倍频晶体的选择 16

3.2.1 KTP晶体 16

3.2.2 PPLN晶体 17

3.3 调Q方式的选择 18

四、全固态绿光脉冲激光器的实验研究 19

4.1 实验装置 19

4.2 实验结果与讨论 21

五、总结与展望 23

参考文献 23

致谢 26

基于PPLN晶体的全固态绿光脉冲激光器

石少杭

, China

Abstract: All solid-state green pulse laser in the civilian areas, military applications, communications and many other fields have a very important role, with a broad application prospects. The research work of this paper can be summarized as four points: 1) introduced the development of all solid-state lasers and all solid-state green lasers; 2) the key principles of four-level system, rate equation, nonlinear optical basis and resonator theory; 3) introduce the commonly used solid-state laser gain medium and frequency-doubling crystal, and select the crystal material suitable for our experiment; 4) The Nd:YVO₄ crystal is pumped with 808nm fiber-coupled semiconductor laser, Graphene (GO) as a saturable absorber, through the polarization cycle of 7μm PPLN crystal multiplier to produce 532nm green pulse.

Key words: green laser; graphene oxide; frequency doubling; ppln

一、绪论

20世纪60年代，梅曼使用脉冲氙灯激励红宝石晶体研制出世界上第一台固体激光器，开启了固体激光器研究的先河^[1]。随后，广大科研人员积极投身于固体激光器的研发工作，不断创新发现，极大推动着固体激光器的发展。最初，科研人员使用惰性气体灯作为泵浦源，随着实验研究工作的深入开展，惰性气体灯作为泵浦源的种种弊端开始显现出来（比如：电光转换效率低、辐射光谱太宽、激光效率低等）。因此，人们开始追求更好的泵浦源：激光二极管（LD），用激光二极管代替惰性气体灯泵浦固体激光增益介质^[2]。通过广大科研人员的努力探索，固体激光增益介质也得到了更新换代，人们放弃了最初的红宝石晶体，转向了目前使用广泛的掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）、掺钕钒酸钇（Nd:YVO₄）等晶体^[3]。

1.1 全固态激光器的介绍

自从1963年R. Newman第一次提出全固态激光器的概念以来，经过了五十多年的发展以及广大研究人员的不懈努力，目前全固态激光器技术已经相当的成熟^[4]。我们可以将全固态激光器的发展历史分为四个阶段：一）萌芽阶段：20世纪60年代。此阶段，科研人员发现了惰性气体灯作为泵浦源的种种弊端，开始追求更好的泵浦源：激光二极管（LD），用激光二极管代替惰性气体灯泵浦固体激光增益介质。然而，由于当时世界上半导体工艺技术不够成熟，导致实际上可以真正投入使用的全固态激光器并没有出现。二）缓慢发展阶段：20世纪70年代。此阶段，科研人员对固体激光器的实验研究工作大多是在低温或近室温下进行的，极少能够在常温条件下进行实验研究。这就大大影响了实验研究工作的进展，在这一特殊时期，科研人员主要做的工作是对Nd:YAG激光器的研究以及对固体激光增益介质的探寻。三）蓬勃发展阶段：20世纪80年代。此阶段，由于半导体工艺技术取得了巨大突破，从而打破了全固态激光器发展的停滞不前状态。随着非线性光学频率变换技术的不断进步，科研人员对实验研究以及理论模型分析都取得了很大进展。四）飞速发展阶段：20世纪90年代至今。此阶段，在之前实验研究和理论分析的基础上，人们开展了对于高功率全固态激光器及其应用的研究。高功率二极管激光器技术的进步推动着非线性光学频率变换技术的迅速发展，二者相互结合，使得全固态激光器的输出功率、输出效率以及输出波段范围都取得了巨大的突破。

1.2 全固态绿光激光器的发展现状

20世纪60年代到80年代，是全固态绿光激光器萌芽缓慢发展的一个阶段。科研人员努力的寻找各种性能较好的非线性晶体材料，利用倍频技术来获得绿光输出。1968年，J. E. Geusic等人采用腔内倍频Ba₂NaNb₅O₁₅晶体的方案，获得了1.1W的绿光输出^[5]。1983年，姚建铨院士采用腔内倍频长为3.7mm的KTP晶体的方案，获得了平均功率为11W的绿光输出，且重复频率为2.5kHz，这是当时国际的最高水平^[6]。

20世纪90年代，是全固态绿光激光器蓬勃发展的一个时期。1996年，B. J. Le. Garree等人采用了30个连续二极管激光器侧面泵浦单棒以及Z型腔腔内倍频KTP晶体的方案，获得了双端输出重复功率为27kHz、106W的高功率绿光输出，且电光转换效率为5.4%^[7]。1999年，T. Kojima等人采用四镜Z型谐振腔的方案，获得了光束质量较好的连续稳定的27W绿光输出^[8]。

21世纪以来，随着非线性光学频率变换技术的不断发展以及各种新型非线性晶体材料的不断发现，科研人员相继提出了基于各类抽运光源、非线性晶体和激光谐振腔结构的绿光激光器设计方案并获得了实验验证。2004年，Jonghoon Yi利用泵浦功率为398W下采用Z型腔的方案，获得了101W的绿光输出，且光光转换效率为25.4%^[9]。2005年，山东大学何京良团队，采用主动调Q的方式，利用808nm的激光器泵浦Nd:YVO₄晶体和腔外倍频KTP晶体的方案，获得了最大输出功率为1.92W的绿光脉冲输出，且光光转换效率为50.4%^[10]。2008年，山东大学J. An，S. Zhao等人采用GaAs吸收体，利用808nm激光二极管抽运Nd:YVO₄/YVO₄和腔内倍频MgO-PPLN晶体的方案，获得了最大输出功率22.3mW的绿光脉冲输出，且光光转换效率为0.43%^[11]。

1.3 本论文的研究工作

本次论文的研究工作可以总结为四点：一）介绍了全固态激光器及全固态绿光激光器的发展现状；二）具体阐述了研究全固态绿光脉冲激光器应具备的基本理论及原理；三）通过对比几种目前科研人员广泛使用的固态激光增益介质以及倍频晶体，选取本次实验所需的晶体材料；四）采用808nm的激光二极管抽运 Nd:YVO₄晶体，利用氧化石墨烯（GO）的可饱和吸收特性，经过极化周期为7μm的PPLN晶体倍频产生532nm绿光脉冲。

二、全固态绿光脉冲激光器的理论分析

2.1 四能级系统

激光系统能级结构通常有三能级系统、四能级系统和准三能级系统等几种^[12]。本次实验我们选取了Nd:YVO₄晶体作为固体激光增益介质，由于Nd:YVO₄晶体的输出中心波长为1064nm，因此本次实验我们采用的是四能级系统。如图2.1所示是四能级系统原理图。