高功率半导体激光端面泵浦方形掺Nd3+离子激光晶体热形变研究

为了解决高功率半导体激光器端面泵浦激光晶体引起的热效应问题,激光晶体泵浦端面的热形变必须进行准确的计算.通过对于全固态激光器中激光晶体的工作特点分析,建立了矩形截面激光晶体热分析模型.基于热传导方程,提出了泊松方程的一种新解,并获得了矩形截面激光晶体端面热形变分布的一般解析表达式.同时讨论了半导体激光器偏心泵浦激光晶体给端面热形变带来的影响.与有限元分析方法以及其他数值分析方法相比,解析分析方法不会给计算引入任何的误差.热形变的解析分析为解决激光晶体的热效应问题以及提高激光器的性能提供了理论的依据.     

“723”机——中国的第一个光通信计划

1960年激光技术发明以来,激光技术一时成为了各国的研究热点.当时中国科学院福建物质结构研究所(以下简称物构所)的一批年青人也在激光晶体、铁电性电光晶体及其激光技术与激光应用方面做些跟踪研究.1965年,在北京召开了第一次全国晶体生长会议.会议受到了激光技术及其应用浪潮的冲击,讨论了激光晶体与铁电性电光晶体等的研究与发...     

激光驱动晶体发射低阶谐波强度随激光波长的变化规律

通过数值求解激光驱动下电子在一维周期势场中运动的薛定谔方程,研究了晶体在激光场中发射的低阶谐波强度随激光波长的变化规律,结果表明,晶体发射低阶谐波强度随激光波长的变化规律与晶体发射高次谐波第一平台区域的变化规律不同.已有的研究表明晶体发射高次谐波第一平台区域的强度会随激光波长的增加而衰减,而我们发现晶体发射低阶谐波的强度会随激光波长的增加而增加.通过对晶体发射低阶谐波的时频分析、晶体价带能量变化与激光光子能量的关系,解释了晶体发射低阶谐波强度随激光波长增加而增加的原因.     

新型自倍频晶体的进展

近年来,关于自倍频晶体的研究工作取得了重大进展.自倍频晶体是将激光晶体和倍频晶体合二为一的一类晶体.迄今最主要的自倍频晶体有两种:掺钕和氧化锰的铌酸锂(Nd:MgO:LiNbO3,用NMLN来表示)和硼酸钕钇铝 ,用 NYAB来表示).自倍频晶体可用于直接产生蓝绿激光,其作用原理如下: 用波长为800nm左右的红激光泵浦自倍频晶体,发生激光作用产生波长略大于1μm的近红外激光,同时红外激光在晶体中倍频而产生绿激光. 目前,可以得到的NMLN晶体的尺寸(10 × 10 × 25mm)比 NYAB晶体的尺寸(4 × 4 ×10mm)大,但是 NMLN用于产生绿激光时有两个缺…     

激光晶体研究进展

目前,激光晶体研究领域吸引着大批的科学家和工程技术人员,长期以来他们在探索新型激光晶体材料,发现受激发射新机制和综合研究晶体特性与受激发射特性间关系等方面做出了卓著的贡献,为“激光晶体物理学”的发展奠定了坚实的基础. 本文试图通过回顾激光晶体研究的发展历史,简述     

具有中心对称结构的3m点群晶体中紫外三次谐波的产生

研究了中心对称晶体中的三阶非线性频率转换,并在这类晶体中实现了紫外激光的有效输出.确定了负单轴晶体的相位匹配角公式及相应的相位匹配角.选择带有离域共轭π键的冰洲石晶体和α-BBO晶体进行实验.以飞秒激光作为基频光,在Ⅱ类相位匹配方式下,利用α-BBO晶体获得了最高单脉冲能量为37.6μJ的266nm紫外三次谐波,最高转换效率为2.5%;利用冰洲石晶体获得了最高单脉冲能量为19.3μJ的266nm紫外三次谐波,最高转换效率为1.25%.该研究验证了利用中心对称晶体的三阶非线性效应直接获得紫外激光的可行性和获得深紫外激光的可能性,为紫外非线性晶体的探索和深紫外激光的研究提供参考.     

第三类热边界条件对激光晶体热效应的影响

以各向异性半解析热分析理论为基础,研究矩形横截面Nd∶YVO4激光晶体在有第三类热边界条件工作时,激光晶体温度场分布和晶体抽运面热形变分布.通过激光晶体工作特点分析,建立符合激光晶体工作状态的热模型.利用各向异性介质热传导方程的半解析求解方法,得出了矩形截面Nd∶YVO4晶体的温度场、端面热形变场的通解表达式.研究结果表明：当使用输出功率为15 W半导体激光器端面中心入射Nd∶YVO4晶体（晶体掺钕离子质量分数为0.5%）时,在抽运端面中心获得499.5 K最高温度和0.99 μm最大热形变量.和将第三类热边界条件近似为第二类热边界条件的通用做法相比更准确.这种方法可以应用到其它激光晶体热问题研究中,为有效解决激光系统热问题提供了理论依据.     

第三类热边界条件对激光晶体热效应的影响

以各向异性半解析热分析理论为基础,研究矩形横截面Nd:YVO4激光晶体在有第三类热边界条件工作时,激光晶体温度场分布和晶体抽运面热形变分布.通过激光晶体工作特点分析,建立符合激光晶体工作状态的热模型.利用各向异性介质热传导方程的半解析求解方法,得出了矩形截面Nd:YVO4晶体的温度场、端面热形变场的通解表达式.研究结果表明:当使用输出功率为15 W半导体激光器端面中心入射Nd:YVO4晶体(晶体掺钕离子质量分数为0.5%)时,在抽运端面中心获得499.5 K最高温度和0.99 μm最大热形变量.和将第三类热边界条件近似为第二类热边界条件的通用做法相比更准确.这种方法可以应用到其它激光晶体热问题研究中,为有效解决激光系统热问题提供了理论依据.     

LD端面泵浦Cr~4∶YAG被动调Q激光器输出特性研究

对激光二极管端面泵浦Cr4+∶YAG被动调Q Nd∶YAG激光器输出特性进行了实验研究.实验研究发现,激光器输出功率及脉冲重复频率随谐振腔长度增大而增大.为解释这一实验现象,测量了泵浦光斑在激光晶体内尺寸,同时计算了激光晶体及Cr4+∶YAG晶体内的基模激光光斑半径随谐振腔长度变化.分析结果表明:激光晶体内泵浦光斑尺寸远小于激光晶体内基模光斑半径,腔模间交叠效率较低;当腔长增加时,激光晶体内的基模激光光斑减小,腔模间交叠效率增加,从而导致输出功率及脉冲重复频率随腔长增加而增加;另外,Cr4+∶YAG晶体内光斑半径也随谐振腔长度减小,引起Cr4+∶YAG晶体漂白时间缩短,导致脉冲重复频率随腔长增加而增加.     

利用PPKTP晶体倍频产生397.5nm激光的实验研究

使用周期性极化(PPKTP)晶体进行了795nm激光倍频的实验研究.实验中,基频(795nm)激光通过锥形放大器(TPA)实现了激光功率放大(400mW),再经过光纤整形后功率输出达100mW以上.将该激光单次通过PPKTP晶体,我们测量了倍频效率随晶体温度的变化关系.再将PPKTP晶体放入红外谐振倍频腔内,在最佳匹配温度和红外光共振条件下,获得了近14mW的397.5nm紫外光,倍频效率为13%.     

掺镱钼酸锶激光晶体的光谱研究

通过晶体的吸收光谱和荧光光谱研究了Yb3+:SrMoO4激光晶体的光谱性能.由吸收光谱得到晶体在976 nm有最强吸收,该处的吸收截面为1.71×10-20cm2,吸收半峰宽为71 nm.由荧光光谱得到晶体的发射峰在1 021 nm,发射谱带半峰宽为44 nm.由倒易法计算了晶体的发射截面,计算得出晶体在1 021 nm处的发射截面为1.24×10-20cm2.通过拟合荧光寿命衰减曲线得到Yb3+:SrMoO4晶体的荧光寿命为878μs.由光谱数据计算了Yb3+:SrMoO4晶体的激光参数,计算得到饱和泵浦功率密度为4.35 kW/cm2,在激光输出波长处净透过所需要激发粒子的最小分数为10.08%,最小泵浦功率密度为O.44 kW/cm2.Yb3+:SrMoO4晶体具有较大的吸收和发射半峰宽,较长的荧光寿命和较低的激光阈值,可成为一种潜在的LD泵浦激光材料,可能应用于飞秒激光及可调谐激光领域.     

LD端面泵浦Cr4:YAG被动调Q激光器输出特性研究

对激光二极管端面泵浦Cr⁴⁺:YAG被动调QNd:YAG激光器输出特性进行了实验研究.实验研究发现,激光器输出功率及脉冲重复频率随谐振腔长度增大而增大.为解释这一实验现象,测量了泵浦光斑在激光晶体内尺寸,同时计算了激光晶体及Cr⁴⁺:YAG晶体内的基模激光光斑半径随谐振腔长度变化.分析结果表明:激光晶体内泵浦光斑尺寸远小于激光晶体内基模光斑半径,腔模间交叠效率较低;当腔长增加时,激光晶体内的基模激光光斑减小,腔模间交叠效率增加,从而导致输出功率及脉冲重复频率随腔长增加而增加;另外,Cr⁴⁺:YAG晶体内光斑半径也随谐振腔长度减小,引起Cr⁴⁺:YAG晶体漂白时间缩短,导致脉冲重复频率随腔长增加而增加.     

双色激光脉冲相位差对晶体发射高次谐波 的影响

通过数值求解双色激光场(基频场和二倍频场)与一维晶体相互作用的含时薛定谔方程,研究了晶体在双色激光脉冲驱动下发射高次谐波的特点.研究结果表明,晶体在双色激光脉冲驱动下发射的高次谐波第二平台强度相对于单色激光脉冲驱动下有显著提高,且随双色激光脉冲的相位差明显变化.进一步的研究发现,在双色激光脉冲其它参数保持不变的情况下,通过调节双色激光脉冲的相位差就能有效提高晶体发射高次谐波第二平台的产额,提高的幅度会随激光脉冲的宽度有所不同.     

用水代替无水乙醇抛光磷酸二氘钾晶体

我们小组接受研制电光调制器这种激光器件,是用于大型精密激光测炬仪中.它是由几块透明的叫做磷酸二氘钾(简称DKDP)的电光晶体串联在一起构成舵.当激光通过这些晶体时,只要在晶体上加一个讯号电压,晶体中的折射率就会随电讯号作有规律的变北,从而使发射中的激光束变成带有随电讯号变化的光,这样的激光就可以为测距仪服务了. 电光调制晶体(图1)虽然只有火柴棍那么大,但它在激光应用中却占有极重要的地位,特别是在激光测距仪中它直接关系着仪器的精度和质量.这种晶体是一种硬度很小、易潮解的磷酸盐.要制造这种调制器,就必须首先解决晶体的…     

用光致发光研究不同通量辐照磷酸二氢钾晶体的缺陷

磷酸二氢钾晶体中的缺陷对晶体的激光诱导损伤起着重要作用.晶体的激光诱导损伤限制了大功率激光系统的发展.本文用真空紫外光致发光发射谱研究了不同通量辐照下磷酸二氢钾晶体的缺陷.与11.5 J/cm2辐照下的晶体及退役元件相比, 9 J/cm2辐照下晶体的荧光谱中在231.55 nm处出现了一个新峰.它可能源于自捕获激子的辐照湮灭. 9.0 J/cm2辐照晶体中主要是短链结构,而退役元件的损伤较复杂,有短链、中链和长链结构.短链中的P—O键比长链中的短,磷的3s轨道与氧的2p轨道重叠增加,则自捕获激子的辐照湮灭增强.结果显示出退役元件与9 J/cm2辐照下晶体的结构不同.对研究磷酸二氢钾晶体的激光诱导损伤机制有重要意义.     

激光晶体物理学的几个基本问题

人类观察和利用晶体的日子已经十分悠久,自然界中的晶体则已渡过了更加漫长的岁月.那么晶体又怎么会与年青的激光技术携超手来呢?这不能不归功于近一世纪来人们对物质(特别是单晶体)微观结构的深入研究.正是由于人们对各种晶体的空间结构和晶体中离子的光谱研究积累了丰富的实验数据和理论知识,对晶体中离子的能级分布和能级间的跃迁几率以及能级间跃迁发射的光谱波长,强度、线宽等参数有了深入的了解,才于1960年在红宝石晶体上实现激光发射,开创了一个崭新的科学领域——激光科学技术.到目前为止实现激光发射的晶体已超过两百种,人们在研制…     

LD双端端面泵浦的高功率连续单频Nd:YVO4激光器

通过研究Nd:YVO4晶体在不同Nd3+掺杂浓度下对泵浦激光的吸收特性,以及激光晶体因吸收泵浦光而产生的热效应,在理论上分析了大功率泵浦情况下全固体化单频Nd:YVO4激光器中激光晶体Nd3+掺杂浓度对激光输出特性的影响,得出了激光器的输出功率、泵浦阈值以及斜效率与晶体掺杂浓度的对应关系.在实验上对晶体掺杂浓度分别为0.2 at%、0.3 at%和0.5 at%的大功率全固体化单频Nd:YVO4激光器的输出功率进行了比较,实验结果和理论预测基本吻合.当Nd:YVO4晶体的Nd3+掺杂浓度为0.3 at%,在44.3 W泵浦光功率下,我们在实验室得到18 W单频连续1.064 μm激光输出,激光器的斜效率为49.4%.     

激光驱动晶体发射高次谐波的特性研究

通过数值模拟激光驱动下电子在周期性势阱中的动力学行为, 研究了晶体在激光场中发射高次谐波的特性. 研究发现在一定的激光波长和光强驱动下, 晶体发射的谐波谱会呈现出双平台结构, 经分析后得知第一个平台主要来自于最低导带与价带间的电流(电子-空穴对复合), 第二个平台主要来源于较高导带与价带间的电流(电子-空穴对复合), 且两个平台的截止位置处的能量都与激光场的振幅呈线性关系. 在少周期激光驱动下, 晶体谐波第二平台的截止位置与激光的载波相位呈单调变化, 由此我们提出可以利用晶体谐波第二平台的截止位置来确定少周期激光的载波相位. 进一步研究发现, 在啁啾激光驱动下, 晶体发射谐波谱的第二平台有较大变化, 第二平台的发射效率会随啁啾参数而改变, 能够通过改变啁啾激光场来提高晶体谐波第二平台的发射效率.     

紫翠宝石(BeAl_2O_4:Cr~(3 ))晶体生长与质量

用不同方法研究了生长晶体过程中得到的失透样品、透明晶体样品以及透明晶体中的夹杂物.研制出无散射中心的激光棒,其光学均匀性为0.25λ/时,激光阈值34j,色心晶体调Q后线宽为0.01(?).     

掺Nd锆石类激光晶体的Raman光谱研究

测量了Nd∶YVO4和Nd∶GdVO4两种激光晶体的高温拉曼光谱.根据空间群理论指认了测定的特征谱线,依据晶格动力学理论导出了晶体热导率与积分拉曼散射强度的关系.计算了不同方向的晶体热导率,得到了与实验符合的结果.把Nd∶GdVO4晶体的高热导率归因于授主离子的质量和半径的增大,以及由此导致的晶体场效应的显著增强. 关键词： Raman光谱 激光晶体 热导率 空间群