可调谐固体激光器历史、现状、发展

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1、可调谐激光和全固态激光的进展中科院物理所许祖彦2002.7.16现状激光—高亮度相干光源固体高功率、光束质量好、微型/大型、超宽调谐、超高功率、超短脉冲、效率低、寿命短半导体高效率、长寿命、宽波段、小体积、小功率、光束质量差激光器主要类型气体高功率、体积大、寿命短、调谐窄液体短脉冲、宽调谐、高分辨、寿命短、有污染、中功率自由电子超宽调谐、高功率、大体积、造价高激光器主要类型可调谐固体激光器—激光技术发展重要方向之一“三超”——超宽调谐，超高功率，超短脉冲全固化——小体积、长寿命、高效率、高可靠固体可调谐激光源具代表性可调谐激光发展方向发展可调谐固体激光的产生宽光谱带激光效

2、应——色心晶体，终端声子激光晶体非线性变频效应——非线性光学晶体，准相位匹配芯片历史现状可调谐激光器倍频和频差频短波调谐短波调谐长波调谐激光源光参量振荡/放大倍频和频差频宽调谐基础和关键技术基础：综合性能优良晶体，高亮度，高光束质量激光泵源关键：可调谐激光产生和扩展结构历史现状超宽调谐宽调谐固体激光的产生终端声子激光器—最佳宽光谱带激光器光泵固体激光器Nd:YAG能级结构Nd离子能级结构（Nd:YAG）宽光谱带固体激光器终端声子激光器能级图速率方程ΔN－反转粒子数密度；Wp(t)－泵浦速率；σ32－晶体受激辐射截面；c－光速；n－晶体的折射率；τs－激光上能级寿命；P－光

3、子密度；τp－腔内光子寿命；β－自发辐射因子。(1)(2)光泵四能级准连续激光器速率方程：固体激光器动力学过程输出功率与泵浦光功率关系201510PP(W)最佳输出耦合率50100150FOM200激光晶体最佳长度FOM:晶体品质因数终端声子激光器Cr2+,Cr3+,Cr4+,Ti3+,Ce3+,V2+,Co2+,Ni2+8种发光中心Al2O3,BeAl2O4,LiSrAlF6,MgSiO4等几十种基质晶体历史现状终端声子激光器历史现状Ti3+:Al2O3(掺钛蓝宝石),660~1200nmCr3+:BeAl2O3(紫翠宝石),700~850nmCr3+:LiSrAlF6

4、(氟化铝锶锂),780~1020nmCr4+:MgSiO4(镁橄榄石),1130~1370nm掺钛蓝宝石激光器1980年林肯实验室P.F.MouLton首次演示晶体具有优良的综合性能宽荧光谱和吸收谱，大发射截面，低激发态吸收，优良的物化性能，晶体生长，光学质量高。——“三超”激光和高光谱分辨激光基础光源历史现状掺钛蓝宝石激光器现状吸收谱和发射谱调谐输出：720~1080nm（四对腔镜）CW：最高43W，W级单频（单模），谐波→252nm，全固化µs脉冲：6.5J/脉冲，200W平均功率，灯泵。ns脉冲：~50W平均功率，谐波7W（430~460），全固化Fs脉冲：脉宽4.

5、5fs，峰功率100TW，19fs，10Hz，平均功率（9W）焦点功率密度：~3×1020W/cm2钛宝石-钕玻璃混合系统：1.5PW峰功率—强场光物理关键设备。掺钛蓝宝石激光器现状20–200fs~100MHz0.1–1W0.68–1.1mf掺钛蓝宝石自锁模掺钛蓝宝石飞秒激光器—CW及自锁模全固态钛宝石激光器现状掺钛蓝宝石激光器全固态飞秒钛宝石激光器产品照片输出功率：300mW调谐范围：750-820nm模式：TEM00连续器件平均功率：200mW脉冲宽度：30fs重复频率：77MHz飞秒器件中科院物理所—TW峰功率飞秒钛宝石激光器全固态Nd:YVO4激光器自锁模Ti:

6、Al2O3激光器脉冲展宽器脉冲压缩器调啾脉冲放大器nsNd:YAG激光器TW,20~40fs,10Hz,800nm.天津大学、香港科大、中科院上海光机所、中科院西光所、中科院物理所现状掺钛蓝宝石激光器非线性变频效应—宽调谐产生优良技术倍频、和频、差频、参量相互作用的光波在介质中传播具有相同的相速度相位匹配技术双折射匹配。准相位匹配。双折射匹配匹配条件:能量守恒:动量守恒:即:显然，通过适当的选择折射率n，可以实现相位匹配。单轴晶体折射率椭球折射率椭球方程:nx=ny=no,nz=ne双轴晶体折射率椭球折射率椭球方程:nxnynz三波耦合方程：E－场振幅；w－圆频率；d

7、eff－倍频系数；n－折射率；c－真空中的光速；Dk－相位失配量；三波非线性相互作用过程典型的参量振荡过程脉冲波形泵光剩余泵光信号光闲频光准相位匹配（QPM）—原理匹配条件:能量守恒:动量守恒:其中:，Λ是极化周期。准相位匹配（QPM）—原理κm—三波耦合方程其中:这里Λ为畴周期长度，m为匹配阶数，deff为有效非线性系数现状发展准相位匹配（QPM）κm，现状两种匹配方法的比较双折射匹配孔径大，材料光损伤阈值高，有利于大功率发展寿命长适用波段宽(0.3—20μm)优势问题有效非线性系数低，效率不高，不利于小型及连续波器件实用