论文摘要
二十世纪八十年代激光二极管（LD）的出现,使得LD泵浦固体激光器成为人们研究的热点,它具有低阈值、高光束质量、高功率密度、效率高、稳定性好、结构紧凑、寿命长的优点,目前已经广泛应用到工业、军事、医学、光通讯、遥感探测等领域。光波导在波导激光、波导倍频、光放大器、光交换器件、无源器件等方面有重要的应用,人们一直在探索制备有优良性能光波导的方法。一些方法已经被证实可以形成波导结构,如钛扩散、质子交换技术。这些制造技术是通过增加波导层的折射率来限制光的传输。离子注入作为一种有效制备光波导的新技术,引起了人们的广泛关注。迄今为止,人们已经利用离子注入方法在光学晶体、玻璃、半导体、有机聚合物等大量材料中形成了光波导结构。铌酸锂（LiNbO3）晶体因其出色的电光、声光、非线性性能而在集成非线性光学中有着广泛的应用。广泛的应用于表面滤波器、光通信调制器、电光开关、声光器件、传感器和高密度信息存储等方面,并且成为重要的光波导材料,是光电子领域最基本和最重要的功能材料。紧凑可靠的短波长光源有着很广泛的应用范围,比如高密度存储,图像处理,医疗激光,海底光通信系统等。倍频技术在取得短波长上有着很好的效果,而对切伦科夫二次谐波,非线性极化引起的谐波辐射会以一个角度入射到基底来保证波矢分量平行于分界面,相位匹配自动得到满足,从而极大地降低了对一些参数的要求,而被认为是一种很好的实现有效二次谐波的方法。以半导体激光器作为泵浦源的波导激光由于其高功率密度,较长的相干长度,有着极其重要的应用,近年来吸引了人们的兴趣。波导中光束保持很小的光斑面积,因此有着很高的功率密度。如果波导中掺杂进入激活离子,激光的效率会得到增强,因此可以达到极低的泵浦阈值及很高的斜效率。因此,LD泵浦离子注入光波导晶体的倍频特性和激光特性的研究具有重要的意义。我们建立了模型来计算平板、通道波导中伦科夫型二次谐波转换效率。通过公式的推导得出转换效率与波导参数之间的关系。并理论模拟了铌酸锂晶体波导转换效率情况。x切、沿y方向传输的3×3×10mm3 Nd:YVO4晶体,光学抛光并清洁后,在室温下注入3.0MeV、浓度为1×1015ions/cm2的Si+。注入过程中,离子束采用电子扫描的方式,来确保注入的均匀性。为了最大限度地降低沟道效应,样品与离子束间有一个7°的倾斜角。注入完成后样品在240℃温度下,在空气中退火60分钟。注入的结果导致波导的寻常光折射率（no）形成了相对于衬底的折射率增高的区域,而异常光折射率（ne）则比衬底折射率低。本论文采用光纤耦合输出的半导体激光器作泵浦源,用Nd:YVO4波导激光晶体作激光工作物质,利用声光开关、饱和吸收体Cr4+:YAG和GaAs分别作为腔内调制元件,研究了主动和被动调Q激光的脉冲输出特性。论文的主要内容包括以下几点：Ⅰ.研究了离子注入LiNbO3晶体平板波导切伦科夫（Cerenkov）型二次谐波的特性：当泵浦波长一定时,二次谐波转换效率随着离子注入深度的变化呈现出周期性振荡的特点；当注入深度一定时,二次谐波转换效率随着泵浦波长的变化同样呈现出了周期性振荡。切伦科夫角随着注入深度的增加会发生小角度的减小。分别对x切,z切的LiNbO3晶体在TE、TM模下进行了讨论,并得出了二次谐波转换效率具体的数学公式。Ⅱ.研究了离子注入LiNbO3晶体通道波导Cerenkov型二次谐波的特性：当光的传播在两个方向受到限制时,发现Cerenkov型二次谐波转换效率随着泵浦波长、注入深度的改变而周期性的振荡。切伦科夫角随着注入深度的增加会发生小角度的减小。分别对x切,z切的LiNbO3晶体在TE、TM模下进行了讨论,并得出了二次谐波转换效率具体的数学公式。Ⅲ.研究了LD泵浦离子注入Nd:YVO4平板波导1.064gm连续激光输出特性,得到了输出功率随着吸收的泵浦功率的变化规律。与一般体激光相比,波导激光的泵浦阈值因其高增益而得到极大的降低,斜效率也得到很大的提高。泵浦阈值低至17.3mW。当输入功率为191.2mW时,我们观测到最大的输出功率为125.2mW。同时,从理论上对波导的形成,存在的模式及在波导层中形成连续激光的可能性进行了相应的研究。Ⅳ.研究了LD泵浦离子注入Nd:YVO4平板波导的声光主动调Q激光输出特性。测量了激光平均输出功率、脉宽随着泵浦功率的变化关系。在重复率为10kHz、泵浦功率为65mW时,我们得到了最窄脉宽为7.4ns。Ⅴ.研究了LD泵浦离子注入Nd:YVO4平板波导的GaAs被动调Q激光输出特性。在不同输出镜透过率下测量了激光平均输出功率、脉宽、重复率、单脉冲能量和峰值功率随着泵浦功率的变化关系。当输出镜透过率为20%时,泵浦阈值低至40mW,而斜效率高达64.5%,并且当泵浦功率为78.8mW时,实现了脉宽最低3.88ns的输出。Ⅵ.研究了LD泵浦离子注入Nd:YVO4平板波导的Cr4+:YAG被动调Q激光输出特性。测量了激光平均输出功率、脉宽、重复率、单脉冲能量和峰值功率随着泵浦功率的变化关系。泵浦阈值在47mW左右,在泵浦功率为70mW时,得到了最大平均输出功率为21.5mW,此时对应的最窄脉宽为54.8ns,重复率为416kHz。论文的主要创新工作包括：Ⅰ.首次从理论上阐明了离子注入LiNbO3晶体平板波导Cerenkov型二次谐波随着泵浦波长及波导参数变化的规律。通过公式的推导,得出了Cerenkov型二次谐波转换效率公式。Ⅱ.首次从理论上阐明了离子注入LiNbO3晶体通道波导Cerenkov型二次谐波随着泵浦波长及波导参数变化的规律。通过公式的推导,得出了Cerenkov型二次谐波转换效率公式。Ⅲ.首次实现了LD泵浦离子注入Nd:YVO4平板波导的1.064μm连续激光运转,并从理论上对波导的形成,存在的模式及在波导层中形成连续激光的可能性进行了相应的研究。Ⅳ.首次实现了LD泵浦离子注入Nd:YVO4平板波导声光主动调Q、GaAs及Cr4+:YAG被动调Q激光运转,研究了激光平均输出功率、脉宽、重复率、单脉冲能量和峰值功率随泵浦功率的变化关系。
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