高功率聲光調(diào)Q532NM綠激光器設(shè)計(jì)摘要固體激光器在科研、生物醫(yī)療、工業(yè)、娛樂(lè)、通訊、軍事等方面有廣闊的應(yīng)用，因此成為激光器研究中的重要內(nèi)容。其中，532NM綠光激光器在國(guó)際激光研究領(lǐng)域受到廣泛的重視，它在彩色顯示、醫(yī)療和光存儲(chǔ)等方面占有十分重要的地位。此外，固體激光器相對(duì)于常用的染料激光器、半導(dǎo)體激光器具有輸出功率高、工作性能穩(wěn)定、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，因此本課題對(duì)532NM激光器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，具有一定的研究意義。本文分析了激光器的設(shè)計(jì)原理，利用聲光調(diào)Q，通過(guò)腔內(nèi)倍頻，得到了532NM的激光輸出。通過(guò)對(duì)四種倍頻晶體的性能進(jìn)行對(duì)比，最后選擇KTP作為倍頻晶體。最后，對(duì)激光器系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在電流為80A時(shí)，獲得24W穩(wěn)定輸出的基頻1064NM激光，獲得115W穩(wěn)定輸出的倍頻532NM綠光。關(guān)鍵詞532NM激光器聲光調(diào)Q磷酸氧鈦鉀倍頻ABSTRACTSOLIDSTATELASER，ONSCIENTIFICRESEARCH,BIOLOGYSMEDICALSERVICE,INDUSTRY,ENTERTAINMENT,COMMUNICATIONANDSOON,HASTHEBROADAPPLICATIONTHEREFOREITBECOMESTHEIMPORTANTCONTENTINTHESOLIDLASERRESEARCHAMONGTHEM,THE532NMGREENLASERRECEIVESTHEWIDESPREADVALUEINTHEINTERNATIONALLASERRESEARCHAREAINASPECTANDSOONCOLORDISPLAY,MEDICALSERVICEANDLIGHTMEMORY,ITHOLDSTHEEXTREMELYIMPORTANTSTATUSINADDITION,THESOLIDSTATELASERHASHIGHERPOWER,HIGHERSTABILITYANDLOWERCOSTTHANTHECOMMONLYUSEDDYELASERANDTHESEMICONDUCTORLASER,THEREFORETHETOPICHASRESEARCHSIGNIFICANCETHISARTICLEANALYZEDTHEPRINCIPLEOFTHEREDLASER,BYUSINGAOQSWITCHED，THROUGHTHECAVITYINTHEFREQUENCYMULTIPLICATIONOF1064NMLASER,WEOBTAINEDTHE532NMLASERBYCONTRASTINGTHETHREEKINDSOFCRYSTALSOFTHEFREQUENCYMULTIPLICATIONS,FINALLYWECHOOSETHEKTPASTHEFREQUENCYMULTIPLICATIONCRYSTALFINALLY,CARRYINGONTHEEXPERIMENTTOTHELASERSYSTEM,WHENTHEELECTRICCURRENTIS80A,WEOBTAINTHEBASEFREQUENCY1064NMLASEROF24W,THEFREQUENCYMULTIPLICATION532NMREDLASEROF115WKEYWORDS532NMLASERAOQSWITCHEDKTPSGH目錄摘要1ABSTRACT2目錄31緒論511532NM激光器的研究現(xiàn)狀及選題意義521064NM基頻光621原理與結(jié)構(gòu)522NDYAG激光器73聲光調(diào)Q931調(diào)Q原理932幾種Q開(kāi)關(guān)104532NM倍頻光1341倍頻原理1342影響倍頻效率的參量1343倍頻晶體的選擇1844倍頻方式205系統(tǒng)設(shè)計(jì)2151聚光腔2152諧振腔2153泵浦源2254冷卻裝置236總結(jié)247致謝258參考文獻(xiàn)261緒論激光具有亮度高、方向性好、單色性和相干性好等優(yōu)點(diǎn)。問(wèn)世至今只有四十多年，卻發(fā)展異常迅速，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、能源動(dòng)力、醫(yī)藥衛(wèi)生、國(guó)防軍事、科學(xué)技術(shù)、文化藝術(shù)和信息傳遞等各個(gè)領(lǐng)域，是正在走向?qū)嵱没母呖萍技夹g(shù)，和原子能、半導(dǎo)體、電子計(jì)算器一起被譽(yù)為當(dāng)代的四大發(fā)明1。激光器的種類(lèi)有很多，按生產(chǎn)激光的工作物質(zhì)的不同可分為氣體激光器（如CO2激光器）、固體激光器（如紅寶石激光器）、半導(dǎo)體激光器（如GAAS激光器）、液體激光器、化學(xué)激光器、自由電子激光器等2。其中，固體激光器由于體積小、儲(chǔ)能高和可靠性能高等優(yōu)點(diǎn)，從一開(kāi)始就處在激光研究的中心位置，發(fā)展極為迅速。11532NM激光器的研究現(xiàn)狀及選題意義111研究現(xiàn)狀固體連續(xù)波綠光激光器在科研、生物、醫(yī)療、工業(yè)、娛樂(lè)、通訊、軍事等方面有廣闊的應(yīng)用，因此成為固體激光器件研究中的重要內(nèi)容。高功率532NM固體激光（綠激光）在近幾年得到迅速發(fā)展。因?yàn)楸额l技術(shù)的限制，以前綠激光輸出功率小，只用于眼科、皮膚、五官科等領(lǐng)域。隨著倍頻技術(shù)的發(fā)展，綠激光功率不斷增加。1998年，KUNTZMAN3等首次將綠激光用于治療前列腺增生的前列腺選擇性氣化手術(shù)。2002年LASERSCOPE公司推出平均功率80W、峰值功率280W的GREENLIGHTTMPVP激光治療系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于泌尿外科、婦科、血管外科等領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)也有科研單位正在開(kāi)展這方面的研究，如姚建銓4等采用80個(gè)20W激光二極管陣列側(cè)面泵浦和KTP腔內(nèi)倍頻，獲得104W的激光輸出。112選題意義（1）綠激光在信息處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、光譜技術(shù)、水下光探測(cè)、激光生物醫(yī)學(xué)、激光彩色顯示和激光加工等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。（2）綠光激光器具有高效率、輸出激光光束質(zhì)量好、較小體積和長(zhǎng)壽命等許多優(yōu)點(diǎn)。（3）全固態(tài)綠激光器由于其廣闊的應(yīng)用前景，而受到了人們的關(guān)注。綠光激光器在可見(jiàn)光激光器中，可以說(shuō)是發(fā)展最快和輸出功率最高的，其各項(xiàng)有關(guān)的理論基礎(chǔ)也是較為成熟和經(jīng)受許多檢驗(yàn)的。21064NM基頻光21原理與結(jié)構(gòu)211工作原理光頻輻射場(chǎng)和構(gòu)成物質(zhì)的原子，分子系統(tǒng)的相互作用是激光的物理基礎(chǔ)。若泵浦速率低于閾值，上的粒子數(shù)主要通過(guò)自發(fā)輻射和無(wú)輻射馳豫回到。當(dāng)泵浦速率2E1E足夠強(qiáng)，使一半以上的基態(tài)粒子抽運(yùn)到上，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，受激輻598,0射占主導(dǎo)地位而產(chǎn)生激光。212基本結(jié)構(gòu)固體激光器由工作物質(zhì)，泵浦源，聚光腔，光學(xué)諧振腔，冷卻系統(tǒng)及激光電源主要部分組成。1工作物質(zhì)是激光器的核心，它由摻雜離子型電介質(zhì)晶體或玻璃材料加工而成。工作物質(zhì)按激活離子能級(jí)結(jié)構(gòu)形式，可分為三能級(jí)和四能級(jí)系統(tǒng)。三能級(jí)系統(tǒng)主要是紅寶石晶體，四能級(jí)系統(tǒng)有釹玻璃和幾種摻入三價(jià)或二價(jià)離子的某些晶體材料。最有代表的是摻雜ND3YAG及ND3YAP晶體。工作物質(zhì)的形狀有圓主體，平板形與管狀。其中棒狀使用得最多。為改善熱效應(yīng)和提高輸出功率，出現(xiàn)了板條型，圓盤(pán)型及管狀激光器。2泵浦源為工作物質(zhì)中粒子數(shù)反轉(zhuǎn)提供光能。常用的泵浦源有惰性氣體放電燈，金屬蒸汽燈，鎢絲燈，太陽(yáng)能及發(fā)光二極管。其中惰性氣體放電燈時(shí)當(dāng)前最常用的，如有氙，氪閃光燈和氪狐燈等。太陽(yáng)能泵浦在小功率器件中常用，尤其在航天工作中的小激光器可用太陽(yáng)能作為永久能源。二極管泵浦是目前固體激光器發(fā)展方向之一，它的轉(zhuǎn)換效率高，結(jié)構(gòu)緊湊。3聚光腔的作用是將泵浦源輻射的光能有效均勻地會(huì)聚至工作物質(zhì)上，以獲得高的泵浦效率。4諧振腔是激光器的重要部分，由全反射鏡和部分反射鏡組成。受激輻射光通過(guò)反饋在其中形成放大與振蕩，并由部分反射鏡輸出。它可分為穩(wěn)腔，介穩(wěn)腔和非穩(wěn)腔等基本形式。5冷卻與濾光系統(tǒng)是固體激光器中必不可少的輔助裝置，其作用是防止聚光腔及內(nèi)部元件溫升過(guò)高，同時(shí)還減小泵浦燈中紫外輻射對(duì)工作物質(zhì)的有害影響。固體激光器無(wú)論連續(xù)或脈沖工作方式，其輸入泵浦燈的能量只有很小部分作為激光輸出，其余的能量都轉(zhuǎn)化為熱及輻射損耗等，總體效率低，因此在設(shè)計(jì)固體激光器時(shí)，對(duì)每個(gè)環(huán)節(jié)都應(yīng)充分重視，盡可能提高效率。22NDYAG激光器221基質(zhì)材料YAG釔鋁石榴石YAG是最常用的激光基質(zhì)材料，YAG的基本理化性質(zhì)如表3512YALO21，YAG溫度特性如表22。它具有激光基質(zhì)材料所要求的很多特性，它的性能穩(wěn)定、質(zhì)地堅(jiān)硬、光學(xué)各向同性、熱導(dǎo)率高，從而可使激光器在大平均功率條件下工作。同時(shí)考慮到該晶體價(jià)格便宜，應(yīng)用廣泛，故選擇了YAG作為基質(zhì)材料。表21YAG的基本理化性質(zhì)分子量莫氏硬度熔點(diǎn)密度/（G/CM3）折射率（1M室溫）59378851950455132表22YAG溫度特性溫度/K熱傳導(dǎo)率/WCM1K1比熱/418JG1K1熱擴(kuò)散系數(shù)/CM2S1熱膨脹系數(shù)/106K1DN/DT100200500058021013811270537120920100464255875_73106222NDYAG物理光學(xué)特性摻有釹的釔鋁石榴石NDYAG幾乎獲得了固體激光材料的壟斷地位。目前，它是一種對(duì)ND最具商業(yè)價(jià)值的激光基質(zhì)材料，其閾值低、增益高。NDYAG的激光特33性主要取決于釹離子的特性7。純是無(wú)色、光學(xué)各向同性的晶體，它有石榴石一般的立方結(jié)構(gòu)特征。在3512YALONDYAG中，大約1的被ND3替代。兩種稀土離子的半徑差大約為3。YAG棒3Y1319NM附近的熒光光譜如圖21。圖21NDYAG棒1319NM附近的熒光光譜圖3聲光調(diào)Q為了改善激光脈沖的輸出特性，以得到高峰值功率，窄脈寬的激光輸出，調(diào)Q技術(shù)就是一個(gè)重要手段。調(diào)Q技術(shù)也叫Q開(kāi)關(guān)技術(shù)，是一種獲得高峰值功率，窄脈寬激光脈沖的技術(shù)。通常，將這種高峰值功率的窄脈沖叫做巨脈沖。31調(diào)Q原理由于脈沖激光器的輸出是由若干無(wú)規(guī)則的尖峰脈沖構(gòu)成的，而每一個(gè)尖峰脈沖都是在閾值附近發(fā)生的，并且脈寬又非常短（只是微秒量級(jí)），激光輸出的能量分散在這樣一串脈沖中，因而不可能有很高的峰值功率。這是因?yàn)橥ǔ５募す馄髦C振腔的損耗是不變的，一旦光泵浦使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達(dá)到或略超過(guò)閾值時(shí)，激光器便開(kāi)始振蕩，于是激光上能級(jí)的粒子數(shù)因受激輻射而減少，致使上能級(jí)不能積累很大的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，只能被限制在閾值反轉(zhuǎn)數(shù)附近。這是普通激光器峰值功率不能提高的原因。Q值定義為每秒損耗的激光能量腔內(nèi)存儲(chǔ)的激光能量O2式中，為激光的中心頻率，用W表示腔內(nèi)存儲(chǔ)的能量；表示光在腔內(nèi)傳播一0個(gè)單程時(shí)能量的損耗率。那么光在一個(gè)單程中的能量損耗則為，設(shè)L為諧振W腔腔長(zhǎng)，N為介質(zhì)折射率，C為光速，則光在腔內(nèi)走一單程所需的時(shí)間為，/NC由此，光在腔內(nèi)每秒鐘損耗的能量為，這樣，Q值可表示為OONLWCQ22（31）式中，為真空中激光中心波長(zhǎng)。Q值與諧振腔的損耗成反比。即損耗大，Q值就低，0閾值高，不易起振；損耗小，Q值就高，則閾值低，易于起振。調(diào)Q技術(shù)就是通過(guò)某種方法使腔的Q值隨時(shí)間按一定程序變化的技術(shù)。在泵浦開(kāi)始時(shí)使腔處于低Q值狀態(tài)，即提高振蕩的閾值，使振蕩不能形成，上能級(jí)的反轉(zhuǎn)粒子NL數(shù)就可以大量積累，當(dāng)積累到最大值飽和值時(shí)，突然使腔的損耗小，Q值突增，激光振蕩迅速建立起來(lái)。在極短的時(shí)間內(nèi)上能級(jí)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)被消耗，轉(zhuǎn)變?yōu)榍粌?nèi)的光能量，在腔的輸出端以單一脈沖形式將能量釋放出來(lái)，于是就獲得峰值功率很高的巨脈沖激光輸出。32幾種Q開(kāi)關(guān)321電光調(diào)Q電光調(diào)Q是指在激光諧振腔內(nèi)置加一塊偏振片和一塊KDP晶體。光經(jīng)過(guò)偏振片后成為線偏振光，如果在KDP晶體上外加電壓，由于泡克爾斯效應(yīng)，使往返通過(guò)晶體的線偏振光的振動(dòng)方向改變。如果KDP晶體上未加電壓，往返通過(guò)晶體的線偏振光的振動(dòng)方向不變。所以當(dāng)晶體上有電壓時(shí)，光束不能在諧振腔中通過(guò)，諧振腔處于低Q狀態(tài)，從而產(chǎn)生激光巨脈沖。電光調(diào)Q的速率快，可以在秒時(shí)間內(nèi)完成一次開(kāi)關(guān)作用，使激光的峰值功率達(dá)到千兆瓦量級(jí)。如果原來(lái)諧振腔內(nèi)的激光已經(jīng)是線偏振光，在裝置電光調(diào)Q措施時(shí)不必放置偏振片。322轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q是指使諧振腔的一個(gè)反射鏡高速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)該反射鏡面與另一反射鏡不互相平行時(shí)，Q值低，上能級(jí)粒子數(shù)迅速積累。當(dāng)該反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)到與另一反射鏡相平行的位置時(shí)，Q值升高，從而產(chǎn)生激光巨脈沖。323染料調(diào)Q染料調(diào)Q是指在諧振腔中插入染料盒，當(dāng)激光器剛運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)射光強(qiáng)很小時(shí)，染料的強(qiáng)烈吸收作用使Q值很低，上能級(jí)粒子數(shù)便能迅速積累；當(dāng)腔內(nèi)光強(qiáng)增加到一定程度時(shí)，染料突然達(dá)到吸收飽和，對(duì)該波長(zhǎng)的光成為媒質(zhì)，從而諧振腔的Q值突然升高，產(chǎn)生激光巨脈沖。染料成為光透明的過(guò)程稱(chēng)為染料漂白。由于漂白時(shí)暫時(shí)的，故染料可以重復(fù)使用。324聲光調(diào)Q1在了解聲光調(diào)Q之前,我們先要了解一下聲光衍射。當(dāng)聲波頻率較高時(shí)，聲光作用長(zhǎng)度較大，而且光束與聲波波面間以一定的角度斜入射時(shí)，光波在介質(zhì)中要穿過(guò)多個(gè)聲波面，故介質(zhì)具有“體光柵”的性質(zhì)。我們可以按照衍射光柵公式得到衍射的極大值出現(xiàn)的條件為（32SIN/M2）式中為聲波波長(zhǎng)，為光在真空中的波長(zhǎng)，為入射光與折射率層的夾角，式中已S假設(shè)衍射方向相對(duì)于入射方向?yàn)閷?duì)稱(chēng)的，即，為整數(shù)。ID我們可以從聲光的量子特性來(lái)理解聲場(chǎng)與光波的相互作用，光束可以看成是能量為。動(dòng)量為的光子流，其中和分別為光波的角頻率和波矢；同樣，聲波也IHIHKIIK可以看成是能量為，動(dòng)量為的聲子流，其中和分別是聲波的角頻率和波SSHSK矢。聲光互作用可以看成是光子和聲子的一系列碰撞，根據(jù)碰撞前后的能量和動(dòng)量守恒，我們可以得到（3ISDHK3）因?yàn)楸却蠛芏?，所以上式又可?xiě)為IO（3DIK4）式33中的（）號(hào)表示吸收一個(gè)聲子，（）號(hào)表示放出一個(gè)聲子。另外在式（34）中對(duì)應(yīng)的是，若為大于1的整數(shù)時(shí)，則上面兩式改寫(xiě)為1M（3DISMK5）上式表示入射光子吸收（或放出）M個(gè)聲子而成為衍射光子的守恒關(guān)系。當(dāng)聲波是純正弦的無(wú)限平面波時(shí)，其波矢的方向和大小都是固定不變的，因此K若用0表示入射光的波矢，1表示吸收一個(gè)聲子后的衍射光的波矢。若要再吸收一個(gè)具有相同波矢聲子，這是不能滿足能量和動(dòng)量同時(shí)守恒的，所以M只能為1時(shí)才能K同時(shí)滿足，這種衍射稱(chēng)之為布拉格聲光衍射。當(dāng)聲波不是純正弦的無(wú)限平，而是具有頻率為，波矢為的M個(gè)平面波的線性組合，從而成為局域的聲波?？梢钥闯?，在S這種情況下，吸收（或放出）多個(gè)光子就是可能的，這種衍射我們稱(chēng)之為拉曼納斯衍射。根據(jù)上面對(duì)兩種聲光衍射的討論，我們知道在適當(dāng)?shù)倪x擇材料和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)，布拉格衍射的衍射效率可以達(dá)到100，而喇曼納斯衍射的衍射效率是比較低的，所以在聲光調(diào)Q中，我們一般選用布拉格衍射。那在布拉格衍射條件下，我們可以得到光波的入射角與其波長(zhǎng)的關(guān)系。所以對(duì)于聲光器件我們往往把聲光介質(zhì)SIN/2BS的通光面與超聲波面（即換能器接觸面）之間的夾角磨成（）角，以便在滿90B足布拉格入射條件的同時(shí)，又能保證光束垂直光面入射（這時(shí)介質(zhì)表面SI/BS的反射損耗最?。?。2把超聲電源的高頻振蕩電信號(hào)輸入聲光器件中的換能器，從而產(chǎn)生超聲振動(dòng)波傳入聲光介質(zhì)。由于超聲波是一種機(jī)械應(yīng)力波，它會(huì)使介質(zhì)產(chǎn)生機(jī)械變形，在它的前進(jìn)方向引起聲光介質(zhì)各部位的折射率作周期變化。這樣便形成一種相位光柵。當(dāng)光束通過(guò)相位光柵時(shí)就會(huì)發(fā)生衍射。若把聲光器件放在連續(xù)泵浦YAG激光器的諧振腔內(nèi)，由于衍射效應(yīng)將使一部分激光偏離軸線方向，造成腔損耗增大，亦既使激光器的Q值下降。如果衍射足夠強(qiáng)，使損耗大于增益，激光器就會(huì)停止振蕩。這時(shí)，增益介質(zhì)上的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度將由于光泵作用而聚集到很高的數(shù)值。之后，在脈寬為310US的矩形調(diào)制脈沖控制下超聲電源的高頻電信號(hào)將會(huì)有短暫時(shí)間間隙，在此時(shí)間間隔內(nèi)超聲場(chǎng)也會(huì)消失，激光器的諧振腔又回復(fù)到低損耗，高Q值，激光振蕩迅速形成，以雪崩的形式輸出激光矩脈沖。如圖31圖31聲光調(diào)Q聲光Q開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)所需調(diào)制電壓低；消光比好；聲光器件插入損耗?。患す鈸p傷閾值高；重復(fù)頻率高；振幅穩(wěn)定性好。缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)時(shí)間慢，一般脈沖寬度為幾百UMS，因此主要用于中等強(qiáng)度峰值功率千瓦級(jí)的高重復(fù)頻率器件。本實(shí)驗(yàn)采用聲光調(diào)Q。4532NM倍頻光光學(xué)倍頻也稱(chēng)為二次諧波產(chǎn)生（SECONDHARMONICGENERATION，SGH），它是指頻率為的單色光波入射到非線性介質(zhì)后產(chǎn)生頻率為2的光學(xué)現(xiàn)象。1961年FRANKEN等人在用紅寶石激光器和石英晶體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)倍頻現(xiàn)象，這是人們?cè)趯?shí)驗(yàn)上第一次觀察到的非線性光學(xué)現(xiàn)象。在光學(xué)倍頻現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)以后，人們分別從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面深入研究了光學(xué)倍頻的原理和技術(shù)，目前已實(shí)現(xiàn)了從紫外到紅外的多種連續(xù)和脈沖激光的倍頻，極大地拓展了激光輸出的波長(zhǎng)范圍。41倍頻原理411非線性效應(yīng)光通過(guò)晶體進(jìn)行傳播時(shí)，會(huì)引起晶體的電極化。當(dāng)光強(qiáng)不太大時(shí)，晶體的電極化強(qiáng)度與光頻電場(chǎng)之間呈線性關(guān)系，其非線性關(guān)系可以被忽略；但是，當(dāng)光強(qiáng)很大時(shí)，如激光通過(guò)晶體進(jìn)行傳播時(shí)，電極化強(qiáng)度與光頻電場(chǎng)之間的非線性關(guān)系變得十分顯著而不能忽略，這種與光強(qiáng)有關(guān)的光學(xué)效應(yīng)稱(chēng)為非線性光學(xué)效應(yīng)，具有這種效應(yīng)的晶體就稱(chēng)為非線性光學(xué)晶體。非線性光學(xué)晶體與激光緊密相連，是實(shí)現(xiàn)激光的頻率轉(zhuǎn)換、調(diào)制、偏轉(zhuǎn)和Q開(kāi)關(guān)等技術(shù)的關(guān)鍵材料。412激光倍頻的基本原理利用非線性晶體在強(qiáng)激光作用下的二次非線性效應(yīng)，使頻率為的激光，通過(guò)晶體后，變成頻率為2的倍頻光。如本實(shí)驗(yàn)就是通過(guò)1064NM的激光通過(guò)KTP倍頻晶體后獲得532NM的激光。42影響倍頻效率的參量高效率的二次諧波轉(zhuǎn)換取決于有關(guān)激光源和諧波發(fā)生器的一些參量前者如功率密度，光束發(fā)散角和譜線寬度等；后者如非線性系數(shù)，晶體長(zhǎng)度，角度和溫度對(duì)于最佳工作點(diǎn)的偏移，晶體的吸收和不均勻性等。421影響倍頻效率的激光源的參量1功率密度根據(jù)式子22SIN/PKLLA可知，轉(zhuǎn)換效率與基波光束的功率密度成正比，而諧波功率本身卻與基波功率的平方成正比。若轉(zhuǎn)換效率大于20，二次諧波的產(chǎn)生將因?yàn)榛ü馐暮谋M而開(kāi)始顯著偏離上式給出的線性關(guān)系，在高轉(zhuǎn)換效率的情況下，應(yīng)采用式子1/2221/SIN/TANHWPPKLLKA（2）光束發(fā)散角當(dāng)采用共線相位匹配的二次諧波產(chǎn)生時(shí)，光波將有一個(gè)確定的反散角。如果偏離相位匹配方向的角度小，就有必要考慮波矢失配。如果方向接近最好的相位匹KA配方向，展開(kāi)，得012EMN012012EEMN（1）式給出的與晶體中角度方向的關(guān)系可近似地表示01/2220SINCOSEEN2EN為0222SINEEN（2）將式（2）代入式（1），得00122SINEEMN（3）注意，此時(shí)有和。01/02/將式（3）代入式，得14KNAK（4）式中，,為材料常數(shù)，表示晶體的角靈敏度。因?yàn)榇藭r(shí)0214SINEMN的是從晶體外測(cè)得不對(duì)準(zhǔn)角度。所以將的表達(dá)式除以。01N如果存在1392KL（5）則根據(jù)式22SIN/PKLLA求得的轉(zhuǎn)換效率將降到其峰值的一半。如果聯(lián)立式（4）和（5），就得到角度容限的表達(dá)式，從晶體外測(cè)得的全角2，它決定了轉(zhuǎn)換過(guò)程的半峰全寬56L（6）在非臨界相位匹配條件下，設(shè)，則所得到的不是式（6），90MSIN2902而是1/20126ENL（7）（3）譜線寬度對(duì)于在相位匹配的中心波長(zhǎng)附近波長(zhǎng)的微小變化，展開(kāi)，得0012EN012120EENN（8）若2，且當(dāng)倍頻頻率下降一半時(shí)，偏離的相位匹配波長(zhǎng)值為，0從式，（5）和（8），得124KNA01204/ENL（9）（4）光譜亮度從上述討論顯然可知，為得到最大的二次諧波功率，激光源應(yīng)該有高的功率密度，小的光束發(fā)散角和窄的線寬，激光的這些性能可以用一個(gè)參量即光譜亮度表示。為產(chǎn)生高效率的二次諧波，激光必須有高的光譜亮度，通過(guò)選擇橫?；蚩v模就可實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。一般地說(shuō)，NDYAG激光器對(duì)于有效產(chǎn)生諧波而言，其線寬相當(dāng)窄。在這些激光器中，主要是要獲得衍射極限的光束，即TEM00運(yùn)轉(zhuǎn)。然而在釹玻璃激光器中，如果沒(méi)有選擇縱模，就會(huì)有很寬的激光線寬，這會(huì)嚴(yán)重限制獲取高的轉(zhuǎn)換效率。對(duì)于全脈沖而言，如果有非常高的轉(zhuǎn)換效率，則所有入射到非線性晶體上的輻射都必須被有效轉(zhuǎn)換，無(wú)論其強(qiáng)度，帶寬，偏振或振幅和相位變化如何。高效率的強(qiáng)度范圍特別重要。因?yàn)閺?qiáng)度在光束的空間和時(shí)間邊緣降為0，所以其強(qiáng)度必然是不均勻的，而且其幅度也可能不均勻。對(duì)于倍頻來(lái)說(shuō)，頻率轉(zhuǎn)換得標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)是使用單塊的非線性晶體材料。若使用單快非線性晶體，其高效能范圍就需要限定在適當(dāng)?shù)闹怠?22影響倍頻效率的諧波發(fā)生器的參量（1）溫度晶體在相位匹配溫度T0時(shí)的折射率，對(duì)周?chē)臏囟纫蕴├占?jí)數(shù)展開(kāi)為21120DNNT（10）借助于式和（5），可得倍頻晶體產(chǎn)生二次諧波的溫度靈敏度的表達(dá)124KNA式為1024/ETLDNT（11）式中，為特定晶體內(nèi)可能產(chǎn)生二次諧波的溫度范圍的半峰寬度。倍頻晶體的溫度TA變化可能是環(huán)境溫度變化的結(jié)果，也可能是晶體的吸收損耗造成的。（2）相位匹配角倍頻晶體的角度調(diào)整及維持其對(duì)準(zhǔn)的靈敏度。最大吸收角，也是晶體在二次諧波功率降至一半以下之前允許傾斜的角度。（3）吸收晶體中的吸收將導(dǎo)致熱應(yīng)力和熱梯度。相關(guān)折射率的不均勻性嚴(yán)重限制了實(shí)現(xiàn)相位匹配的晶體體積。在高功率連續(xù)光束的倍頻實(shí)驗(yàn)中，非線性晶體由于吸收而發(fā)熱的現(xiàn)象尤其應(yīng)引起重視。非線性晶體材料中的自感應(yīng)熱分布可能是基波或諧波光束的吸收造成的，也可能是多光子過(guò)程造成的。（4）光學(xué)均勻性由于在光束的整個(gè)相互作用光路中不能滿足相位匹配條件，所以非線性晶體的折射率不均勻性是產(chǎn)生二次諧波的重要限制因素。（5）非線性系數(shù)如果僅從理論因素考慮，似乎在倍頻實(shí)驗(yàn)中非線性系數(shù)最高的晶體就是最理想的。然而實(shí)踐證明，損傷閾值，光學(xué)質(zhì)量，角度及溫度調(diào)節(jié)范圍，接受角等都是同等重要的參數(shù)?？梢杂梅蔷€性系數(shù)D代替相互作用長(zhǎng)度。非線性系數(shù)小但具有能夠產(chǎn)生長(zhǎng)相互作用光路的材料，其效率等同于非線性系數(shù)大的短晶體。（6）品質(zhì)因素影響倍頻效率的因數(shù)還有激光源或晶體或兩者特征的品質(zhì)因素。例如認(rèn)為，非線性倍頻器的性能只是取決于泵浦激光的亮度和非線性材料的品質(zhì)因素。此外，分析還表明，最大轉(zhuǎn)換效率只取決于材料的光學(xué)特性和泵浦激光的亮度，而與非線性晶體的幾何尺寸無(wú)關(guān)。改變晶體的尺寸，以避免材料的光學(xué)損傷。但其制約因素是，所考慮的材料必須要有足夠大的尺寸，以滿足激光系統(tǒng)的要求。所以非線性倍頻晶體的特性是由非線性折射率，以及對(duì)相位匹配條件的角度，波長(zhǎng)和溫度失諧的容限確定的參量。在上述分析中，二次諧波轉(zhuǎn)換是由轉(zhuǎn)換效率，泵浦強(qiáng)度和材料的非線性有關(guān)的兩個(gè)參量表證的，它們是非線性“驅(qū)動(dòng)”和失諧，前者是二次諧波電場(chǎng)產(chǎn)生的，后者是二次諧波間在晶體進(jìn)出平面處的相位失諧。驅(qū)動(dòng)由下式給出20CIL（12）式中，C正比于材料的非線性系數(shù)，I為泵浦強(qiáng)度，L為晶體的長(zhǎng)度。如果和的EFD單位分別為PM/V和M，則有3/275EFDCN下式給出了解調(diào)諧05KL（13）式中，為式（4）給出的波矢失配。驅(qū)動(dòng)和失諧參量決定了轉(zhuǎn)換效率20SIN/（14）43倍頻晶體的選擇431倍頻晶體材料實(shí)現(xiàn)激光倍頻技術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ)，按空間對(duì)稱(chēng)性的要求，從21種沒(méi)有反演對(duì)稱(chēng)中心的點(diǎn)群中選取，倍頻晶體主要由無(wú)機(jī)氧化物和半導(dǎo)體材料構(gòu)成前者常用于近紅外、可見(jiàn)和紫外波段，后者則用于中、遠(yuǎn)紅外波段。具備實(shí)用價(jià)值的倍頻晶體應(yīng)滿足以下要求1具有非中心對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)；2有適當(dāng)大小的非線性系數(shù)；3在工作波段范圍內(nèi)有高的透明度；4在工作波段上能實(shí)現(xiàn)相位匹配；5能得到足夠尺寸的，光學(xué)均勻性好的，物化性能穩(wěn)定和易于加工的晶體；6有較高的損傷閾值10。432倍頻晶體的選取用于產(chǎn)生倍頻的晶體主要有KDP、KTP、LBO、BBO。1KDP及其同晶型體本族晶體已被證明是用于二次諧波發(fā)生器的重要晶體類(lèi)型。這類(lèi)非線性晶體最主要的成員有磷酸二氫鉀KH2PO4（符號(hào)KDP），磷酸二氘鉀KD2PO4（符號(hào)KDP），砷酸二氘銫CSD2ASO4（符號(hào)CDA），磷酸二氫銨NH4H2PO4（符號(hào)ADP），它們都是負(fù)單軸晶體，屬于42MM點(diǎn)群，因而成四方對(duì)稱(chēng)。晶體在室溫下的水溶液中生長(zhǎng)，可得到大塊的無(wú)畸變單晶。本族晶體最重要的優(yōu)點(diǎn)是其耐激光損傷，光學(xué)質(zhì)量好。但它們也有缺點(diǎn)，如材料的折射率相當(dāng)?shù)停湫椭翟?50155之間，因此他們的非線性系數(shù)低。所有的KDP同晶體型都是水溶性的，最大安全工作溫度為100攝氏度左右，晶體對(duì)熱沖擊波敏感應(yīng)小于5/MIN的速度緩慢加熱。C2磷酸氧鈦鉀（KTP）KTP磷酸氧鈦鉀是一種很獨(dú)特的非線性光學(xué)材料，它被廣泛應(yīng)用于發(fā)射1UM左右波長(zhǎng)的ND激光器二次諧波的發(fā)生。KTP也對(duì)各種和頻，差頻以及在03540的整個(gè)透光波段的光參量應(yīng)用也具有很強(qiáng)的吸引力。雖然其他材料的的某些特定參量?jī)?yōu)于KTP，但是KTP各種性能的組合仍使其成為二階非線性光學(xué)應(yīng)用，特別是ND激光器發(fā)生二次諧波的最好材料。這種晶體的非線性系數(shù)大，在大的波長(zhǎng)范圍內(nèi)更適合于匹配過(guò)程，在YZ和XZ平面內(nèi)足夠大的雙折射使相位匹配成為可能。該晶體具有大的吸收角，通常情況下大的溫度帶寬，較好的熱特性和高的損傷閾值。所以KTP晶體是近年來(lái)出現(xiàn)的適合于ND激光器最好的非線性材料11。其主要的不足是，這種晶體的生長(zhǎng)過(guò)程很困難，因而晶體的成本高，體積小?，F(xiàn)在，從高質(zhì)量的激光束泵浦的KTP通常能夠得到超過(guò)65的倍頻效率。不過(guò)，KTP在長(zhǎng)時(shí)間受到二次諧波和基波兩種光的累積照射后，將產(chǎn)生緩慢的光化學(xué)退化（格雷軌跡），導(dǎo)致晶體增加吸收，最終引起晶體失效。如果使KTP在溫度升高的條件下工作，就使光化學(xué)效應(yīng)逆轉(zhuǎn)。晶體工作在150MW/平方厘米的磁通量和80的溫度時(shí)，顯示出超過(guò)200萬(wàn)次脈沖的壽命，其轉(zhuǎn)換效率大于60。然而，當(dāng)工作在65或者更低的溫度時(shí)，將由于體損傷而失效。3LBO（三硼酸鋰）是一種非線性光學(xué)晶體，它具有紫外透光性好，光學(xué)損傷閾值較高和非線性光學(xué)系數(shù)適中等特點(diǎn)。另外，該晶體的化學(xué)性能穩(wěn)定，機(jī)械硬度高，不潮解，對(duì)于某些非線性光學(xué)加工具有吸收力。因?yàn)長(zhǎng)BO的雙折射小于BBO的，所以有助于限制相位匹配的光譜范圍。但是，它也會(huì)在可見(jiàn)光和紅外光的頻率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中導(dǎo)致產(chǎn)生非臨界相位匹配和大的接受角。這種晶體的商業(yè)用途非常有限。4BBO（硼酸鋇）材料是一種非線性光學(xué)晶體，它從紫外到中紅外范圍內(nèi)的非線性頻率轉(zhuǎn)換的特性非常好，有較大的非線性系數(shù)，大的溫度容限，小的吸收以及很高的損傷閾值。其主要的不足是角容限小，僅為05MRAD/CM，因此，對(duì)有效的倍頻要求有衍射極限光束。BBO對(duì)于將頻率倍頻到藍(lán)色頻域特別有吸引力。BBO在紫外的透射帶寬擴(kuò)展至200NM，因此，這種材料的單光子或多光子吸收已經(jīng)不是什么問(wèn)題。BBO已經(jīng)被用于鈦藍(lán)寶石激光的倍頻，其效率高達(dá)60。44倍頻方式一般來(lái)講，倍頻晶體既可以放在激光諧振腔之外，也可以放在諧振腔內(nèi)。這兩種方式分別稱(chēng)為腔外倍頻和腔內(nèi)倍頻。對(duì)于基頻光重復(fù)頻率低而峰值功率很高的情形，通常采用腔外倍頻方式；而在基頻光重復(fù)頻率高而峰值功率較低時(shí)，一般采用腔內(nèi)倍頻方式。腔內(nèi)倍頻的轉(zhuǎn)換效率較高。451腔外倍頻腔外倍頻基頻光源一般采用脈沖調(diào)Q激光器，為了獲得較高的轉(zhuǎn)化效率，有時(shí)還采用多級(jí)放大，提高基頻光的峰值功率以便得到大的倍頻強(qiáng)光。在腔外倍頻實(shí)驗(yàn)中，有時(shí)也采用聚焦的方法來(lái)提高基頻光在倍頻晶體中的光功率密度。452腔內(nèi)倍頻腔內(nèi)倍頻將非線性倍頻晶體放置在激光諧振腔內(nèi)，使腔內(nèi)的基頻光往返通過(guò)倍頻晶體。在適當(dāng)?shù)臈l件下，可獲得較高的轉(zhuǎn)換效率。設(shè)激光器輸出鏡對(duì)基頻光的反射率為R，則腔內(nèi)基頻光的功率比腔外的要大倍，則腔內(nèi)倍頻效率將很可觀。對(duì)于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)和準(zhǔn)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的高重復(fù)率調(diào)Q的激光器，通常采用腔內(nèi)倍頻方式。腔內(nèi)倍頻對(duì)倍頻晶體的光學(xué)均勻性和透明度要求高，在高平均功率使用的場(chǎng)合，對(duì)倍頻晶體的導(dǎo)熱性能也有較高的要求，必要時(shí)需采用溫控方式12。通過(guò)比較，由于腔內(nèi)倍頻將非線性倍頻晶體放置在激光諧振腔內(nèi)，使腔內(nèi)的基頻光往返通過(guò)倍頻晶體，可獲得較高的轉(zhuǎn)換效率。因此，我們采用腔內(nèi)倍頻。5系統(tǒng)設(shè)計(jì)51聚光腔從泵浦光源發(fā)出的輻射能傳輸?shù)郊す夤ぷ魑镔|(zhì)上的效率，在很大程度上決定了激光系統(tǒng)的總效率，聚光腔除了給泵浦光源和工作物質(zhì)之間提供良好耦合之外，還決定激光物質(zhì)上泵浦光密度的分布，從而影響到輸出光束的均勻性，發(fā)散角和光學(xué)畸變。由于激光工作物質(zhì)和泵浦燈都安裝在聚光腔內(nèi)，合理設(shè)計(jì)聚光腔是決定固體激光器工作性能的重要條件之一。聚光腔種類(lèi)繁多，常用的有以下幾種類(lèi)型橢圓柱聚光腔、緊耦合非聚焦聚光腔、漫反射腔等。橢圓柱聚光腔是最常用的一種類(lèi)型。單橢圓聚光腔，圓的偏心率可大也可小。在大偏心率情況下，激光棒和燈間的距離較長(zhǎng)；對(duì)小偏心率情況，兩者靠得比較近。緊耦合橢圓柱腔，這種腔型有很高的光傳輸效率。對(duì)于焦外泵浦方式，會(huì)大為增加腔壁反射次數(shù)，因此系統(tǒng)的效率依賴于壁反射率。對(duì)于雙橢圓和多橢圓的多燈泵浦方式，可以增加注入到工作物質(zhì)上的能量。在緊耦合非聚焦聚光腔中，它可以得到與橢圓聚光腔一樣的效率，但泵浦光均勻性比較差。漫反聚光腔具有較好的泵浦均勻度，但泵浦效率不及橢圓腔。綜上所述，為了提高泵浦效率，同時(shí)考慮到泵浦均勻度，我們選擇了單橢圓聚光腔。52諧振腔最常用的固體激光器的諧振腔由相向放置的兩球面鏡或平面鏡構(gòu)成。平平腔可以看作的情況，若沒(méi)有熱透鏡效應(yīng)，即，則，由1R2F121G可知，此時(shí)平平腔為臨界腔，但由于工作物質(zhì)的熱透鏡效應(yīng)可以近似作為腔2G內(nèi)含有焦距為的透鏡考慮，為有限值，則，F(xiàn)F120/GLF，則，由穩(wěn)定腔的判據(jù)式可知，平平腔可以等價(jià)為穩(wěn)210/L102G定腔13。平行平面腔的主要優(yōu)點(diǎn)是光束發(fā)散角小,模體積較大,比較容易獲得單橫模振蕩14。基于要獲得較大的模體積、較好的光束質(zhì)量及有效的發(fā)揮聲光Q開(kāi)關(guān)的作用等綜合因素，本系統(tǒng)選用平一平腔結(jié)構(gòu)。裝置如圖51圖51諧振腔的結(jié)構(gòu)53泵浦源泵浦激光器使用光源的主要目的是將電能有效地轉(zhuǎn)換成輻射能，并能在給定的光譜帶上產(chǎn)生高的輻射通量。最有效的泵浦燈將使激光材料在激發(fā)熒光的波長(zhǎng)上產(chǎn)生最大的輻射，而在有效吸收帶之外的所有光譜范圍內(nèi)產(chǎn)生最小的輻射。由于惰性氣體燈價(jià)格便宜，應(yīng)用較為廣泛，實(shí)驗(yàn)中我們選擇用惰性氣體燈作為泵浦源。惰性氣體燈包括氪燈和氙燈。氪燈應(yīng)用于連續(xù)泵浦的工作方式，氙燈工作于脈沖方式下，由于我們實(shí)驗(yàn)室里的電源系統(tǒng)工作在脈沖方式下，所以我們選用氙燈作為泵浦源。脈沖氙燈的光譜分布近似太陽(yáng)光,如圖52。由圖中曲線可以看出,在紫外和可見(jiàn)區(qū)域,連續(xù)光譜占優(yōu)勢(shì)。而在800NM附近有較強(qiáng)的光譜射線。從圖52可看出NDYAG激光晶體的吸收譜線,一共有五個(gè)吸收峰,因此,我們可以采取某些制作方法,使脈沖氙燈在NDYAG晶體吸收強(qiáng)的光譜區(qū)域輻射光譜能量增強(qiáng),從而可以提高燈的泵浦效率。圖52NDYAG吸收光譜圖54冷卻裝置固體激光器工作時(shí)通常都要采取冷卻措施，主要是對(duì)激光工作物質(zhì)，泵浦燈和聚光腔進(jìn)行冷卻，以保證激光器安全正常運(yùn)行。這里我們一般采用液體冷區(qū)的方法。液體的主要用途是要消除激光棒，泵浦燈和激光腔中產(chǎn)生的熱量。有時(shí)冷卻液也有其它作用。如作折射率匹配用以減少泵浦的內(nèi)反射，或作濾光液用以消除不需要的泵浦輻射。而固體激光器最好的冷卻液是水。因?yàn)樗c其它冷卻液相比較，比熱和熱導(dǎo)率最高，粘度最低。除了這些優(yōu)點(diǎn)水還具有其它冷卻液沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)，即它在強(qiáng)紫外輻射下化學(xué)性能穩(wěn)定。激光器除直接用流動(dòng)水冷卻外，都采用閉合回路冷卻系統(tǒng)，它包括液體泵，熱交換器和容器。一般冷卻器除上述部件外，還包括粒子過(guò)濾器，水軟化器流量計(jì)以及監(jiān)控液流溫度和壓力的傳感器。本實(shí)驗(yàn)采用的是液體液體熱交換器。水從容器流到離心泵，通過(guò)熱交換器，進(jìn)入激光頭，再回到容器。這種元件排列順序可以使激光頭中的靜壓減至最小。由外供應(yīng)線中的控外制閥調(diào)節(jié)閉合回路的水溫，閥的探頭位于容器內(nèi)，當(dāng)容器溫升高時(shí)，閥就打開(kāi)，使更多的外部冷卻水流過(guò)熱交換器。該系統(tǒng)包括內(nèi)線的蜂窩狀過(guò)濾器，以消除顆粒狀物質(zhì)；軟化裝置可使水保持低電導(dǎo)率，腐蝕性減至最低