应用物理学毕业论文：LD泵浦的蓝光激光器的特性研究.docx

1、本科毕业论文（20 届）LD 泵浦的蓝光激光器的特性研究所在学院 专业班级 应用物理学 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 LD 泵浦的蓝光激光器的特性研究摘要激光二极管（LD）全固态激光器已经成为了激光技术领域的极其重要的一个分支，如果想要实现大功率的蓝光激光器，LD 泵浦YAG 腔内倍频是一个非常实用的方法。目前，LD 泵浦的 473nm 全固态蓝光激光器已经基本成熟，本文就理论方面进行了进一步的研究，主要有以下几个方面的工作 ：1. 阐述Nd:YAG晶体作为激光晶体的准三能级激光器的运转原理。2. 比较实现激光倍频的非线性晶体以及分析其特性并选择LBO作为倍频晶体。3. 建

2、立准三能级倍频激光器的速率方程，解释速率方程中各项的物理意义。应用Matlab软件对该速率方程进行求解，得到了一组关于方程的通解与四个综合参量之间关系的普遍适用的曲线，这些得到的数值模拟图不只是钕离子激光器的专属，对于其他腔内倍频的准三能级激光器也是同样适用的。关键词 ： LD 泵浦，腔内倍频，蓝光激光器，准三能级激光器速率方程The investigations on laser diode pumped blue-light laserABSTRACTLaser diode (LD) pumped all-solid-state lasers have been a very import

3、ant branch in the field of laser technology. LD pumped Nd:YAG intracavity frequency-doubling is a very practical method to achieve high power blue lasers.So far, LD pumped 473nm all-solid-state blue laser has been basically mature. This paper study gives a further on the theoretical aspect, mainly h

4、as the following several aspects of the work:1. Describes the operating principle of quasi-three-level lasers with Nd:YAG crystal as the laser crystal .2. Compare the characteristics of different frequencydoubling nonlinear crystals and select LBO as the frequency-doubling crystal.3. The rate equati

5、on of quasi-three-level frequency-doubling laser is established. The physical meaning of each item of rate equation is explained. The Matlab software is applied to solve the rate equation. Several group curves are obtained which describe the relationships between the normalized parameters. The numer

6、ical simulations are not only applied for the lasers with Nd3+-doped crystal, but also for the other quasi-three-level intracavity frequency-doubling lasers.Key words: LD-pumped Intracavity frequency doubling， Blue laser Quasi-three-lever lasers Rate equation目录第一章绪论 .11.1LD 泵浦的全固态激光器.11.2 获得蓝光的方法及蓝光

7、激光器的应用.31.3 LD 泵浦蓝光激光器的研究进展.5第二章激光器的晶体器件 .72.1 激光晶体 .72.1.1 常用激光晶体.72.1.2 准三能级理论 .102.2 倍频晶体 .112.2.1 激光倍频技术 .112.2.2 蓝光常用倍频晶体 .13第三章 LD 泵浦蓝光激光器特性研究 .153.1 速率方程的建立 .153.2 数值模拟 .20第四章结论与展望 .26参考文献 .27致谢 .29第一章 绪论1960 年以后，伴随着世界上的第一台的红宝石激光器被发明，然后其它类型的激光器就如同雨后春笋般涌出。金属有机气相沉积技术等的出现使得激光二极管获得了新生。从此以后，LD 泵浦全

8、固体激光器技术也因此进入了全面发展阶段。现今研究的热点为激光二极管泵浦的连续蓝光激光器，它以高效等特点，吸引了大批科研人员投身该领域。1.1 LD 泵浦的全固态激光器在激光器开辟新纪元的初期，闪光灯被选为固体激光器的泵浦源，随着人们使用的增加，慢慢发现由于闪光灯的发射光谱宽，固体激光介质的吸收带很窄，导致了电光转换效率的低下，仅为百分之一到百分之五，这使得激光器的发展进入了第一个瓶颈。不久后在 1962 年，人们第一次研发出了同质结砷化镓半导体激光器。但是在当时，LD 的性能被其工作寿命，工作性能等缺点做掩盖。其技术的不成熟，使其没有引起大部分科研人员的注意，二极管泵浦固体激光器（Diode

9、Pump Solid State Laser，DPSSL）技术研究工作停滞不前。90 年代以后，外延生长技术的提高以及 LD 的发展使得 LD 的发射波长覆盖到了 600nm至 20m。相比于其他激光器，在适宜的条件下其小巧以及极高的效率是其他激光器所不能比拟的。以上说的优势令 DPSSL 的发展进入了一个大提速的时代。LD 泵浦全固态激光器采固体激光器以集 LD 之所长，并摒弃了其不利于优化的部分，使得各项性能指标实现了跨越式的突破，使其产业化的步伐极大的加快。总的来说有以下几点 ：1、 该类型激光器在其体积稳定性上都花费了大量的经历，并取得了一系列进展，成为了经济适用的激光器。技术使用恰当

10、的话，可以在众多极端天气中作2、 转换效率的提高是显著的，达到了 15，同比与上一代的传统的产品，其总效率也提高了 5 10 倍。这一现象的实现是有众多推手的，LD 的发射波长和固体激光晶体的吸收峰上得到了高度的拟合，如图 1-1 所示，这样泵浦光反转粒子数得到了极大的增加。图 1-1： Nd： YAG 的吸收光谱与闪光灯 、 LD 发射光谱的比较Fig.1-1 The comparisons of the absorption spectrum of Nd:YAG and the emission spectrum of flash lamp and LD.3、 有着更高的稳定性。线宽得以免

11、除泵浦功率的影响都要在于激光器本身的稳定性发挥着不可替代的作用；另一方面，因为热效应得到了很好的控制，其噪声特性也收到了很好的成效。4、 光束质量高。光束质量的提高可以归功于晶体热负载的减少。当激光器的功率达到了千瓦级别，其光束发散角的极限也变成了原来的 50 倍。与此同时，当 LD 泵浦达到了如此高的功率的时候，其发散角也只是翻了一倍。5、 可靠性好，寿命长。同灯泵浦相比，后者的使用寿命只是前者的百分之一。6、 经济适用型；用更为环保的电源驱动，并且极为方便，使得全固化变得极其容易。全固态激光器将二极管激光器以及固体激光器优势互补，使得其在激光发展中独树一帜。热管理技术的突破迫在眉睫，这极大

12、的阻碍了对传统激光器的光束质量以及平均功率的改进。以上的优点都表明了，LD 泵浦固体激光器能够很好的替代传统激光器并在可靠性稳定性上得到了极大的突破。这是激光器的一场及其重大的“革命”。1.2 获得蓝光的方法及蓝光激光器的应用I 获得蓝光的方法现在的科研工作中人们通常有以下的几种方法可以获得蓝光激光器 ：1、 直接用半导体材料发射蓝光。这一方法的因其操作简单，效率又高，注定会受到人们极大的关注。在1990 年时，ZnSe 这一半导体材料便被人们开始研究了 1，1996 年，索尼公司采用单量子阱激活层分别限制双异质结结构，实现了在常温下的 515nm 的蓝光发射，在连续工作的 100h 中，输出

13、功率达到了 1mW 2 。然而，PN 结在生长的过程中会形成缺陷，在高阈值电流 、 高温结环境下迅速扩散，使其寿命在这种情况下一直无法得到有效提高，但是只有在 10000h 才能达到商品化，与这个目标差的甚远。日本的日亚化学工业公司推进了半导体蓝光二极管的商品化进程，其公司的产品寿命达到了 1000h 3 。2、 对激光二极管输出光直接倍频。这种方法，光光的转换效率可以得到极大的提高。但是这种情况对 LD输出光的要求也很高，首先得要求较高的输出功率，其次必须得单管 、 单频运转。J.A.Trail 采用了实时闭环反馈，有效的控制力光束质量 、 抑制了噪声，改善了激光器工作稳定性，得到了 40m

14、W、 430nm 激光输出 4。但是从实用性的角度考虑，应用该技术的激光器虽然得到了较高的效率，但是其工艺流程的复杂性以及对泵浦光极高的要求使得这一方法很难普及。3、 频率上转换蓝光激光器。该激光器是其上转换材料对光子进行了二次吸收，若是向下跃迁，便会产生很高的辐射频率，这样使得抽运光子的能量比辐射的光子能量低了很多。如果光场中存在三个频率 ，此时若是满足 + = ，便会产生和频，1， 2， 3 123这时应该满足能量守恒 ： 2 h +2 h， =2 h ，同时也满足动量守恒 h +h1 2 3 1=h 。频率为 的两个光子相互作用后湮没的同时也会产生一个新频率2 3 1， 2为 的光子，发

15、射和频激光。3a) 和频频率上转换蓝光激光器。和频激光器分行波型和驻波型两种腔体结构是其中较为典型的，如下图就是一种典型的驻波型实验装置。图 1-2 驻波腔和频蓝光激光实验装置Fig.1-2 Experimental installation of standing-wave-cavity sum-frequency blue laser这种类型的激光器从技术层面上来讲一定得满足三个最基础的条件 ： 两束入射光的波长，在空间上和光谱上与谐振腔相匹配，这样就要求单纵膜和单横膜。阻抗匹配。就是说耦合反射镜 M1 的透射率必须与腔内往返一次的所有损耗相匹配。两入射光的频率必须分别锁定。激光谐振腔的长度还必须得保持不变。该激光器因其复杂的结构使得其实用化变得及其不易。