《納秒級脈沖大功率固體激光器研究》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《納秒級脈沖大功率固體激光器研究（62頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、納秒級脈沖大功率固體激光器研究 劉深亮 中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 專業(yè)： 電路與系統(tǒng) 導(dǎo)師： 韓海 摘要 在現(xiàn)代國防和工業(yè)科技屮，固體激光器如果具有納秒級的脈沖寬度、千瓦級 的輸出功率、千赫茲的重復(fù)頻率，將在激光測距、跟蹤、目標(biāo)指示、激光探潛以 及對潛通訊等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。本文設(shè)計了適用于導(dǎo)彈近爆激光引信的? 種制造高功率、高重頻、窄脈寬、小型化固體激光器的技術(shù)方案。首先從泵浦源、 激光介質(zhì)、調(diào)Q方式、諧振腔結(jié)構(gòu)等方面對激光器進行了詳細分析，提出了一 種可實現(xiàn)激光引信功能的納秒級大功率脈沖固體激光器結(jié)構(gòu)，然后針對此結(jié)構(gòu)中 存在的組件材料參數(shù)問題進行了重點討論，從理論上給出了相關(guān)

2、參數(shù)對激光輸出 峰值功率、脈沖寬度和重復(fù)頻率的影響關(guān)系。在實驗中，根據(jù)前述分析理論，選 取半導(dǎo)體激光二極管作為泵浦源，Nd:YAG晶體作為激光介質(zhì)，采用貼近端面泵 浦方式，利用Cf+:YAG可飽和吸收體進行被動調(diào)Q,獲得了輸出峰值功率大于 lkW,單脈沖寬度小丁 lOns,重復(fù)頻率大于IokHZ的激光脈沖序列；并對泵浦 功率、輸出鏡反射率和Cr4+=YAG小信號透過率對輸出激光的影響關(guān)系進行了具 體驗證。 關(guān)鍵詞：激光技術(shù)導(dǎo)彈引信被動調(diào)0可飽和吸收 StUdy Orl NanOSeCOnd-SCale PUISeZ High-POWer SOlid-State LaSerS LlU S

3、henIiang InStitUte Of SemiCOnductorsz CAS MajOr in CirCUitS and SyStemS DireCted by HAN Hai AbStraCt Key Words: IaSer tech noIOgy PaSSiVe Q-SWitCh Irl moder n national defe nse and in dustrial tech no Iogy, SOlid-State IaSerS Will be Widely USed in IaSer ranging，tracing, target aimingz SUbma

4、nne detecting and COmmUniCatiOn if they have nanoSeCOnCl-SCale PUISe WidthZ kilowatt-scale OUtPUt POWer and kilohertz-scale repetitiOn frequency. In this thesis, A high-powet; high-R5 miniature SOlid-State IaSer mainly applied to missile PrOXimity fuze is designed. FirStlyZ PUmP SOUrCeZ IaSer medium

5、, Q-SWitCh method and COnCaVe StrUctUre as a IaSer SyStem are analyzed, a detailed SOIUtiOn Of fuze functions is PreSented, then the ParameterS Of the COmPOnentS and materials in this SyStem are discussed, the relatiOnShiPS between ParameterS and Peak PoWer) PUISe Width and RF Of OUtPUt are advanced

6、 theoretically. In following experiments, according to the theory, a SemiC On ductor IaSer diodez Nd:YAG crystal, adjace nt end? PUmPi ng and Cr4+:YAG CryStal are USed to PerfOrm PaSSiVe Q-SWitChZ OUtPUt PUISe SeqUences Of RF>lOkHz, Peak power>lkV SingIe PUlSe width< IonS are fin ally achieved; the

7、effects Of the reflectivity Of ConCaVe OUtPUt mirror and the SmaIl Signal t「anSmiSSiOn Of Cr4+:YAG CryStal On OUtPUt IaSer are also demonStrated? missile fuze SatUrabIe absorptiOn 1 第一章引言 目錄 目錄 3 第一章引言 5 1.1 激光原理與激光器結(jié)構(gòu) 5 1.1.1 激光的歷史 5 1.1.2 激光的原理 6 1.1.3 激光器的結(jié)構(gòu) 7 1.2 激光器的分類與固體激光器 8

8、1.2.1 氣體激光器 8 1.2.2 液體激光器 9 1.2.3 半導(dǎo)體激光器 9 .1.2.4 固體激光器 9 1.3 激光脈沖與調(diào)0技術(shù) 10 1.3.1 激光脈沖 10 1.3.2 調(diào)0技術(shù) 12 1.4 本論文主要內(nèi)容 13 1.4.1 應(yīng)用方向 13 1.4.2 應(yīng)用需求 14 1.4.3 技術(shù)方案 14 參考文獻 16 第二章結(jié)構(gòu)設(shè)計 17 2.1 泵浦源與泵浦方式的選擇 17 2.1.1 泵扌甫源 17 2.1.2 泵浦方式 18 2.2 激光介質(zhì)的選擇 20 2.2.1 摻牧鎧鋁石榴石(Nd:YAG) 20 2.2.2 摻錢帆酸輪(Nd=

9、YVO4) 22 2.3 調(diào)Q方式與可飽和吸收材料 24 2.3.1 調(diào)0方式 24 2.3.2 調(diào)0材料 26 2.4 選模與諧振腔設(shè)計 28 2.4.1 一般諧振腔 28 2.4.2 平凹1皆振腔 29 2.5 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計 30 參考文獻 31 第三章 參數(shù)選擇 34 3.1 被動調(diào)0過程 34 3.2 速率方程組 36 3.3 數(shù)值解法 38 3.4 本章小結(jié) 42 參考文獻 43 第四章實驗驗證 45 4.1 組件參數(shù) 45 4.2 成品外形 47 4.3 測試方法 48 4.4 第一組測試結(jié)果 49 4.4.1 脈沖波型 49 4.4.2

10、 平均功率與重復(fù)頻率的關(guān)系 50 4.4.3 重復(fù)頻率與泵浦功率的關(guān)系 51 4.5 兩組對比 52 4.6 本章小結(jié) 54 參考文獻 55 第五章總結(jié)與展望 57 學(xué)術(shù)成果 59 致謝 60 第一章引言 1.1 激光原理與激光器結(jié)構(gòu) 激光( LaSer)是 Ught AmPlifiCatiOn by StimUIated EmiSSiOn Of RadiatiOn (受 激輻射光放大)的首字母縮寫，又譯作鐳射，它指通過受激輻射放大和必要的反 饋，產(chǎn)生準(zhǔn)直、單色、相干光束的過程和儀器。激光是本世紀(jì)繼原子能和半導(dǎo)體 之后，在二十世紀(jì)六十年代迅速發(fā)展起來的又一項重大技術(shù)，它突破

11、了非相干光 源單色、亮度低、在介質(zhì)中傳播時因吸收而不斷減弱的缺陷，當(dāng)泵浦能量通過激 光介質(zhì)并有適當(dāng)?shù)闹C振腔時，發(fā)生受激輻射，形成出射光強遠大于入射光強、相 位整齊、亮度高、方向性好的相干光。 1.1.1 激光的歷史 激光的理論基礎(chǔ)是偉大的物理學(xué)家Albert EinStein在1916年發(fā)表的《關(guān)于 輻射的量子理論》(On the QUantUm MeChaniCS Of Radiation),該論文揭示了光 與物質(zhì)相互作用的本質(zhì)，提出了受激輻射放大的概念，指明了獲得激光的原則和 途徑。1954年，美國的CharleSTOWneS根據(jù)這一假設(shè)，以制冷的氨分子作為工 作物質(zhì)，成功研制出了微波

12、激射器(MiCrOWaVe AmPlifiCatiOn by StimUIated EmiSSiOn Of Radiation,簡稱 MASER)Q 1958年，TDWneS 和另一位美國科學(xué)家 ArthUr SChaWIOW發(fā)表了題為《紅外和光學(xué)振蕩器》的論文，指出了以受激輻射 為主的發(fā)光的可能性；同時，前蘇聯(lián)學(xué)者NikOIay BaSOV和AIeXander PrOkhOrOV 發(fā)表了《實現(xiàn)三能級粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和半導(dǎo)體激光器的建議》的論文。1960年5月 15日，美國加州休斯實驗室(HUgheS ReSearCh LabOratOrieS)的科學(xué)家TheOdOre Maiman首先用紅寶石晶體

13、獲得了波長為694.3nm的高單色亮度光，這是人類有 史以來獲得的第一束激光。1964年，Townes> BaSOV和卩「0如0^^由于對激光 研究的貢獻分享了諾貝爾物理學(xué)獎。 從此以后，氨?氛氣體激光器、半導(dǎo)體激光器等相繼問世，進入八十年代后, 又出現(xiàn)了等離子體激光器、超晶格量子阱激光器、光纖激光器、分布反饋半導(dǎo)體 激光器、分布布拉格反射半導(dǎo)體激光器、超快激光器等等類型，波長覆蓋了紫外、 可見、紅外等光譜范圍，最高峰值功率超過100太瓦量級，最高平均功率超過 兆瓦量級，調(diào)諧范圍從200nm 一直延伸到4μmm0 1.1.2 激光的原理 物質(zhì)由原子組成,原子中的電子可以通過吸收或釋放

14、能量從一個能級躍遷至 另一個能級，電子吸收或釋放的光子能量總是與這兩能級的能量差相等。 當(dāng)原子內(nèi)所有電子處于可能的最低能級時，整個原子的能量最低，原子處于 基態(tài)；當(dāng)一個或多個電子處于較高的能級時，原子處于受激態(tài)。能級之間的躍遷 可分為三種形式： ?自發(fā)吸收：電子通過吸收光子從低能級躍遷到高能級（見圖l.la）o ?自發(fā)輻射：電子自發(fā)地通過釋放光子從高能級躍遷到低能級（見圖l.lb）o ?受激輻射：外來光子所帶的能量正好為某一對能級之差時，能夠誘發(fā)電子從 高能級躍遷到低能級，同時釋放出光子，這種被激勵出的光子與外來光子全 同，即頻率、方向、偏振、相位完全一樣。于是，入射一個光子，就

15、會出射 兩個完全相同的光子。（見圖l.lc） [2]o 激光基本上就是由第三種躍遷機制所產(chǎn)生的。 產(chǎn)生激光還要實現(xiàn)所謂的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)⑶。以圖1.2中的三能級系統(tǒng)為 例,原子首先通過吸收泵浦源的能量躍遷至受激態(tài),原子在受激態(tài)的壽命非常短, 很快便會弛豫到一個稱為亞穩(wěn)態(tài)的中間狀態(tài)，而原了在亞穩(wěn)態(tài)的壽命很長，導(dǎo)致 在亞穩(wěn)態(tài)的原子數(shù)目多于在基態(tài)的原子數(shù)目，這種現(xiàn)象就稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。粒子 數(shù)反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生激光的關(guān)鍵，因為它使通過受激輻射由亞穩(wěn)態(tài)冋到基態(tài)的原子，比 由基態(tài)躍遷至亞穩(wěn)態(tài)的原子更多，從而保證了輻射超過吸收，激光介質(zhì)內(nèi)的光子 可以持續(xù)地增多。 壽命短 1.1.3 激光器的結(jié)構(gòu) 激

16、光器大多由泵浦源、激光介質(zhì)和諧振腔三部分組成（見圖1.3） [4]o ? 激光介質(zhì)：激光的產(chǎn)生必須選擇合適的工作介質(zhì)，可以是氣體、液體或固體。 這種介質(zhì)可以實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，是獲得激光的必要條件。顯然，亞穩(wěn)態(tài)能級 iA^w^Rf^Ptf^hAfd α QC m ?泵浦源：為了使激光介質(zhì)中出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須用一定的能量去激勵原子 體系，增加處于上能級的粒子數(shù)。泵浦源就是產(chǎn)生光能、電能或化學(xué)能的激 勵裝置。 ?諧振腔：有了合適的激光介質(zhì)和泵浦源后，可以實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，但這樣產(chǎn) 生的受激輻射強度很弱，無法實際應(yīng)用，需要通過光學(xué)諧振腔進行放大。諧 振腔實際是在激光器兩端，相對地裝上兩面反射鏡，一

17、面幾乎全反射，一面 是大部分反射、少量透射的耦合鏡，以使激光可以透過它射出，被反射冋激 光介質(zhì)的光，繼續(xù)誘發(fā)新的受激輻射，從而在諧振腔中來回振蕩放大，最后 從耦合鏡的一端輸出。 圖1?3激光器結(jié)構(gòu)示意圖 1. 激光介質(zhì) 2. 泵浦能量 3. 反射鏡 4?耦合鏡 5.輸出光束 1.2 激光器的分類與固體激光器 激光器的分類方法有許多種，按產(chǎn)生激光的工作介質(zhì)不同，主要可分為氣體 激光器、液體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器等⑸，這些介質(zhì)所具有的共同 特點是：必須具有尖銳的熒光線、強吸收帶和針對所需熒光躍遷的相當(dāng)高的量子 效率。 uywbp^9y CjlCjC^IΓ | C^rJ

18、 IJ1 氣體激光器以氣體或金屬蒸氣為激光介質(zhì)，可以是原子、離子、分子或準(zhǔn)分 子。氣體激光器大多數(shù)能連續(xù)工作，其激勵過程中涉及的能級比較固定，一般采 用氣體放電中的電子碰撞來激發(fā)，它的優(yōu)點是：激光波長分布區(qū)域?qū)?，從乂射線 到遠紅外遍布整個光譜區(qū)；氣體工作物質(zhì)均勻性較好，所以其輸出光束的質(zhì)量較 高，容易實現(xiàn)大功率連續(xù)輸出；此外還有轉(zhuǎn)換效率高、工作介質(zhì)豐富、結(jié)構(gòu)簡單、 造價低廉等優(yōu)點，因而被廣泛應(yīng)用于準(zhǔn)直導(dǎo)向、計量、材料加工、全息照相以及 醫(yī)學(xué)、育種等各個方面，但由于氣體濃度低，一般不適合制成小尺寸大能量的脈 沖激光器。 1.2.2 液體激光器 液體激光器以有機化合物液體（染料）或無機化合物

19、液體為激光介質(zhì)，其中 最重要的的一類是染料激光器。染料激光器的優(yōu)點是：激光波長可調(diào)諧且調(diào)諧范 圍廣；可獲得較窄的譜線寬度；可產(chǎn)生極短的超短脈沖；此外還有價格低、增益 高、效率高、輸出激光均勻性好、染料制備容易、可循環(huán)操作、利于冷卻的優(yōu)點, 所以被廣泛應(yīng)用到光生物學(xué)、光譜學(xué)、光化學(xué)、同位素分離、全息照相等技術(shù)中， 但其致命的問題在于作為激光介質(zhì)的染料壽命有限,容易分解,致使輸出線寬增 大，光束相干性變差。 1.2.3 半導(dǎo)體激光器 半導(dǎo)體激光器以半導(dǎo)體材料（主要是化合物半導(dǎo)體）為激光介質(zhì)，以電流注 入作為泵浦方式。1962年，第一只同質(zhì)結(jié)63人$半導(dǎo)體激光器問世，而直到1978 年量子阱半導(dǎo)

20、體激光器概念的提出，以及八I，年代初期MOCVD技術(shù)的使用及應(yīng) 變量子阱激光器的出現(xiàn)，才使半導(dǎo)體激光器的發(fā)展步上了一個嶄新的臺階⑹。進 入九十年代以來，大功率半導(dǎo)體激光器及其陣列技術(shù)也逐步成熟，如今己從最初 的低溫（77K）下運轉(zhuǎn)發(fā)展到室溫下連續(xù)工作，由小功率型向高功率型轉(zhuǎn)變，輸 出功率由幾毫瓦提高到千瓦級（陣列器件），其結(jié)構(gòu)從同質(zhì)結(jié)發(fā)展成異質(zhì)結(jié)、量 子阱、布拉格反射和分布反饋型等二百余種形式，而閾值電流密度從105A∕cm2 下降到102A∕cm2,工作電流最小達到幾毫安。半導(dǎo)體激光器具有輸入能量低、 效率高、超小型、重量輕、價格低、壽命長、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等…系列優(yōu)點, 而且制造工藝-與

21、現(xiàn)有集成電路生產(chǎn)完全兼容，目前銷售總數(shù)量已占各種激光器的 99%,成為世界激光器市場上的絕對主流；其最大的缺點是激光性能受溫度的影 響，光束的發(fā)散角較大，在方向性、單色性和相干性等方而較差。 1.2.4 固體激光器 固體激光器將產(chǎn)牛激光的金屬離子作為激活劑，摻于固體基質(zhì)中，以這種基 質(zhì)作為激光介質(zhì)。激光介質(zhì)的物理、化學(xué)性能主要取決于基質(zhì)材料，而光譜特性 則主要由摻雜的激活離子的能級結(jié)構(gòu)決定。從這個原理上來說，半導(dǎo)體激光器也 屬于一種特殊的固體激光器，兩者的不同點在于半導(dǎo)體激光器采用電流注入作為 泵浦方式，激光介質(zhì)是半導(dǎo)體薄膜；而其他固體激光器一般使用光源泵浦，激光 介質(zhì)是激活離子?基質(zhì)材料

22、。由于兩者的結(jié)構(gòu)有很大不同，所以木文所指的固體 激光器主要是后一種。 固體激光器的突出特點是將激活離子摻于固體基質(zhì)中，其濃度比氣體大，因 而可以獲得較大的能量輸出，另外它還具有結(jié)構(gòu)緊湊、牢固耐用、易于維護等優(yōu) 點，但由于固體的熱效應(yīng)嚴(yán)重，泵浦源發(fā)出的大量無用熱會使激光介質(zhì)產(chǎn)生熱透 鏡、應(yīng)力、退偏、雙折射等不良效應(yīng)，造成輸出光束質(zhì)量和功率的下降，甚至破 壞激光介質(zhì)。 即便如此，口世界上第一臺紅宋石激光器問世以來，固體激光器已經(jīng)廣泛應(yīng) 用于工業(yè)、國防、醫(yī)療、科研等各個方面，并且一直是國際激光技術(shù)的主要發(fā)展 方向之一。 1.3 激光脈沖與調(diào)0技術(shù) 調(diào)Q技術(shù)的出現(xiàn)是激光發(fā)展史上的一個重要突破，

23、它可以將能量壓縮到寬 度極窄的脈沖中發(fā)射，從而使激光的峰值功率提高幾個數(shù)量級。 1.3.1 激光脈沖 不加任何特殊裝置的固體脈沖激光器，在一次輸出中，激光脈沖的寬度大約 是毫秒數(shù)品級，經(jīng)過仔細的觀察和分析會發(fā)現(xiàn)，這個脈沖并不是平滑的，而是包 含寬度更窄的短脈沖系列，其中每一個短脈沖的寬度約在微秒數(shù)量級，并且泵浦 越強，短脈沖的時間間隔越小，這種現(xiàn)象稱作弛豫振蕩效應(yīng)或尖峰振蕩效應(yīng)。弛 豫振蕩效應(yīng)是激光器的一種基本特性，是由于諧振腔內(nèi)的輻射與激光介質(zhì)存儲能 量之間的動態(tài)相互作用而引起的，具有增益不大、脈寬較大、脈沖不平滑等幾個 特點。 如圖1.4所示，產(chǎn)生弛豫振蕩的主要原因是：當(dāng)激光介質(zhì)被泵

24、浦，上能級的 反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度超過閾值時，即產(chǎn)生激光振蕩，使腔內(nèi)光了數(shù)密度增加，從而發(fā) 射激光；隨著激光的發(fā)射，上能級粒子被大量消耗，導(dǎo)致反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度降低，當(dāng)?shù)陀陂y值時，激光振蕩就停止；這時由于繼續(xù)泵浦，上能級的反轉(zhuǎn)粒子重新積 累，當(dāng)超過閾值時，又產(chǎn)生第二個脈沖，如此不斷重復(fù)上述過程，直到泵浦停止 才結(jié)束。由于每個尖峰都是在閾值附近產(chǎn)生的，因此脈沖的峰值功率較低，增大 泵浦能量也無助于峰值功率的提高，而只會使小尖峰的個數(shù)增加。 圖1.4反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度和腔內(nèi)光子數(shù)密度隨時間的變化 對于一個激光脈沖來說，如果能量越高，寬度越窄，則可望獲得的峰值功率 就越大，而因弛豫振蕩引起的這種脈沖

25、多尖峰結(jié)構(gòu)嚴(yán)重地限制了它的應(yīng)用范圍。 如果把激光應(yīng)用到諸如測距、雷達、制導(dǎo)、高速攝影、激光加工和核聚變等技術(shù) 中，都要求激光器輸出高峰值功率的脈沖，但泵浦能量的增加無助于激光峰值功 率的大幅度提高，只會使小尖峰脈沖的個數(shù)增加，相應(yīng)地，尖峰脈沖序列分布的 吋間范圍更寬了。因此，必須設(shè)法控制激光器，使其分散在各個小尖峰序列脈沖 中輻射出的能量，集中在時間極短的一個脈沖內(nèi)釋放，調(diào)Q技術(shù)就是為了適應(yīng) 這種需要而發(fā)展起來的⑺。 1.3.2 調(diào)0技術(shù) 調(diào)Q (Q-Switch),又稱0開關(guān)，是通過某種方法使諧振腔的0值按一定 程序隨時間變化的技術(shù)。(2值是諧振腔的光學(xué)品質(zhì)因數(shù)，其定義是腔內(nèi)儲能與每 個

26、周期的能量損耗之比，所以0值越大，腔內(nèi)損耗5就越小。 既然激光介質(zhì)的上能級最大反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度受到閾值的限制，那么，要使上 能級積累大量的反轉(zhuǎn)粒子，可以設(shè)法通過提高激光器的閾值來實現(xiàn)。在調(diào)Q運 轉(zhuǎn)中，以光泵浦的方式將能量存儲在激光介質(zhì)中，同時降低腔內(nèi)的0值，阻止 了激光振蕩的發(fā)生。雖然激光介質(zhì)的儲能大、增益高，但腔內(nèi)損耗也大，故閾值 很高，遠遠超出產(chǎn)生激光的通常閾值，從而遏制了起振，使得上能級反轉(zhuǎn)粒了大 量積累，能量存儲的時間為激光介質(zhì)的上能級壽命。當(dāng)突然恢復(fù)到高Q值時， 儲能以非常短的光脈沖形式釋放出來，由于激光介質(zhì)的儲能建立了高增益，所以 在極短的時間里可以釋放出巨大的能量，所產(chǎn)生脈沖的峰

27、值功率比普通脈沖的峰 值功率要高幾個數(shù)量級。 圖1.5調(diào)0激光脈沖建立過程 圖1.5示出了產(chǎn)生調(diào)Q脈沖的典型時間次序⑻，其中（中的虛線表示諧振 腔的（2值是時間的階躍函數(shù)。在泵浦過程的大部分時間里，諧振腔處于低0值 狀態(tài)，故閾值很高不能起振，上能級反轉(zhuǎn)粒子不斷積累，直到^時刻，反轉(zhuǎn)粒子 數(shù)密度達到最大值A(chǔ)rη, 0值突然升高，腔內(nèi)損耗6下降，振蕩閾值隨之降低， 于是激光振蕩開始建立。由于厶門j>>? nt （閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度），因此受激輻 射增強非常迅速，激光介質(zhì)存儲的能量在極短的時間內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)槭芗ぽ椛鋱龅哪?量，結(jié)果產(chǎn)生了…個峰值功率很高的窄脈沖。 綜上所述，諧振腔的0值與腔內(nèi)

28、損耗6成反比，如果按照一定的規(guī)律改變 諧振腔的6值，就可以使0值發(fā)生相應(yīng)的變化。諧振腔的損耗一般包括有：反 射損耗、衍射損耗、吸收損耗、散射損耗、透射損耗等，用不同的方法控制不同 類型的損耗，就可以形成不同的調(diào)0技術(shù)。 1.4 本論文主要內(nèi)容 1.4.1 應(yīng)用方向 本文在查閱大量文獻的基礎(chǔ)上，確定主要研究方向和重點解決問題，形成適 用于導(dǎo)彈近爆激光引信的一種制造高功率、高重頻、窄脈寬、小型化固體激光器 的技術(shù)方案。 激光引信具有無與倫比的抗電子干擾能力以及較無線電引信易于實現(xiàn)方位 識別的優(yōu)點，在近距格斗和中遠程的空空導(dǎo)彈中，激光引信受到了極大的重視并 得到發(fā)展，幾乎80%~90%的空空

29、導(dǎo)彈配備激光引信，而國外反坦克導(dǎo)彈引信的 主要型號也幾乎全部是激光引信。由于導(dǎo)彈面臨的作戰(zhàn)環(huán)境復(fù)朵、戰(zhàn)術(shù)使用要求 高，并受到彈頭口旋、質(zhì)量、體積等條件的限制，因此裝備在其上的激光引信需 要具有很高的技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)要求‘其主要特點如下⑼： ?重復(fù)頻率高：由于激光引信的脈沖信號需要借助機械掃描裝置向周圍進行掃 描發(fā)射，而彈頭攻擊目標(biāo)時的速度非常快，若重復(fù)頻率太低，則空間中脈沖 的分布稀疏，測量的間隔過大，可能錯過最佳的爆炸時機，達不到應(yīng)有的戰(zhàn) 術(shù)效果。 ? 峰值功率高：現(xiàn)代的隱形飛機通過采用特殊材料外殼、改變機身外形等方法 降低機體的反射率，從而減小了反射信號的強度，提高發(fā)射脈沖的峰值功率 起到了

30、主動增大反射信號的作用，從而提高了導(dǎo)彈的識別能力。 ?脈沖寬度?。簩?dǎo)彈發(fā)射的激光信號在經(jīng)過高空大氣中云霧的多層散射之后， 其反射信號的脈沖寬度會有顯著增大，因而窄脈寬的發(fā)射信號可以使空中固 體目標(biāo)的窄帶反射信號與云霧的寬帶反射信號區(qū)分開來。 另外，激光器還需要具備體積小、重量輕、抗振動、耐高溫、抗干擾、結(jié)構(gòu) 簡單、易于維護等特點。由于導(dǎo)彈的激光引信具有這樣一些特殊性質(zhì)，普通激光 器難以滿足其要求，必須根據(jù)其特點，采用新方法設(shè)計更為先進合理的激光器。 1.4.2 應(yīng)用需求 本文設(shè)計的激光器希望滿足如下兩項0的技術(shù)要求。 ? 解放軍某部的電子元器件科研項目，其中要求的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

31、 輻射波長：1064nr∏; 峰值功率：＞3kW； 重復(fù)頻率：＞12kHz； 脈沖寬度：vlOns。 ?國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃），其中要求的主要技術(shù)指標(biāo)如下： 輻射波長：1064nrτ∣; 峰值功率：＞lkW； 重復(fù)頻率：＞lOkHz； 脈沖寬度：vlOns。 1.4.3 技術(shù)方案 在眾多激光器中，半導(dǎo)體激光器具有體積小、重量輕、功耗小等優(yōu)點，但其 峰值功率太小，且光斑質(zhì)量較差，很難整形，因此作用距離冇限，無法滿足導(dǎo)彈 的引信測稈。液體激光器的輸出特性較好，但有機染料的不穩(wěn)定性會人人增加日 常維護和保養(yǎng)的難度。氣體激光器具有功率大、光束質(zhì)量高、發(fā)散角小、穿透云

32、霧能力強等優(yōu)點，但由于其體積大、質(zhì)量大，不適于做成小尺寸大能量的脈沖激 光器。經(jīng)過綜合考慮，只有固體激光器具有能量大、峰值功率高、結(jié)構(gòu)緊湊、牢 固耐用等優(yōu)點，因而最適宜用作激光引信上的發(fā)射器[10][U][12]o 半導(dǎo)體激光二極管泵浦的固體激光器是近年來激光技術(shù)研究領(lǐng)域中的一個 熱點，與燈泵浦的固體激光器相比，它具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、全固化、 效率高、壽命長、發(fā)熱小等優(yōu)點，這些對提高固體激光器的輸出功率和效率、改 善光束質(zhì)量是非常有利的。 端面泵浦和側(cè)面泵浦是通常采用的兩種泵浦方式。側(cè)面泵浦可以得到大能 量、高功率的激光輸出，但泵浦的均勻性、輸出激光的模式都明顯不及端面泵浦。 端

33、面泵浦具有效率高、模式好、腔長小等優(yōu)點，相對側(cè)面泵浦而言，它能得到更 窄的調(diào)Q脈沖寬度和較小的激光器體積。 目前，適合半導(dǎo)體激光二極管泵浦的工作介質(zhì)有很多種，其中Nd:YAG和 Nd:YVO4是較為成熟的兩種⑴〕。Nd:YAG激光器是目前使用最廣泛的激光介質(zhì), 其工作波長在25吋為1064nm,美國多次航天試驗均采用半導(dǎo)體激光二極管 泵浦的“d:YAG激光器，說明這種材料可以滿足航天要求；Nd:YVO4具有較低的 泵浦閾值和較寬的吸收帶，對環(huán)境溫度的變化具有良好的適應(yīng)性。 調(diào)Q激光器根據(jù)工作方式的不同可分為主動調(diào)Q和被動調(diào)0兩種。主動調(diào) 0的設(shè)計方法多樣，常見的有機械轉(zhuǎn)鏡調(diào)0、聲光調(diào)0、電

34、光調(diào)。等；被動調(diào)0 利用某些有機染料或摻雜晶體的本身特性，具有設(shè)計簡單、功耗低、體積小、成 ?^F^?fV WV ■ U VX J11 I ■ JUI I I 諧振腔是由兩個或兩個以上光學(xué)反射鏡面組成的、能提供光學(xué)正反饋作用的 裝置。如果光束在腔內(nèi)傳播任意長時間而不會逸出腔外，則稱該腔為穩(wěn)定腔，否 則稱為不穩(wěn)定腔。諧振腔的另…功能是對激光波型加以選擇‘使輸出激光具有一 定的縱模和橫模。 本文第二章首先結(jié)合國內(nèi)外最新技術(shù)動態(tài)和現(xiàn)有科研條件進行了組件分析， 尤其注重了短期可操作性和系統(tǒng)簡化程度，并于最后提出了一種可實現(xiàn)激光近爆 引信功能的納秒級大功率脈沖固體激光器結(jié)構(gòu)。第三章針對此結(jié)構(gòu)屮存在的

35、組件 材料參數(shù)問題進行了重點討論，從理論上給出了相關(guān)組件材料參數(shù)的匹配關(guān)系， 從而滿足對輸出激光的峰值功率、脈沖寬度和重復(fù)頻率的要求。第四章根據(jù)前兩 章的設(shè)計規(guī)范進行了實驗，得到了設(shè)計成品及其技術(shù)指標(biāo)，并驗證了前章理論。 第五章對全文工作進行了總結(jié)，并對納秒級脈沖大功率固體激光器在設(shè)計和應(yīng)用 等方面的前景進行了展望。 參考文獻 [1] 朱京平?光電子技術(shù)基礎(chǔ)[“]?科學(xué)出版社Z 2003:41-42 [2] W-戴姆特瑞德.激光光譜學(xué)[“]?科學(xué)出版?, 1989:8-10 [3] ^7?克希耐爾?固體激光工程[“]?科學(xué)出版?, 2002:12-16 [4] 趙凱華‘鐘錫華?光學(xué)(

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38、千瓦、重復(fù)頻率約千赫茲、脈沖寬度幾 納秒至幾十納秒的固體激光器的方法，其中的重點是泵浦源、激光介質(zhì)和調(diào)Q 方式的選擇以及光學(xué)諧振腔的設(shè)計，本章將對這幾點分節(jié)進行討論并提出相應(yīng)的 解決方案。 2.1 泵浦源與泵浦方式的選擇 2.1.1 泵浦源 固體激光器目前一般采取燈泵浦和半導(dǎo)體激光二極管(LaSer Diode,簡稱 LD)泵浦兩種方式，在二十世紀(jì)八十年代出現(xiàn)的LD以及在此基礎(chǔ)上出現(xiàn)的全固 化固體激光器因為體積小、重量輕、效率高、性能穩(wěn)定、可靠性好和壽命長等優(yōu) 點,逐漸成鍛電召業(yè)城最具菴展前途的領(lǐng)域..気Y] 二極管泵浦固體激光器(Diode PUmPed SOlid-State La

39、ser,簡稱 DPSSL) 利用輸出固定波長的1。代替了傳統(tǒng)的氟燈或氤燈來對激光介質(zhì)進行泵浦，它與 燈泵浦激光器比較具有以下豔『人 ■ y?z ?性能可靠，壽命長；氟燈或氤燈的壽命只有兒百小時，最長的不超過幾千小 時，而LD的壽命高達上萬小時，且能量穩(wěn)定性好，尤其適用于大規(guī)模生產(chǎn) 線。 ? 轉(zhuǎn)換效率高，功耗低：燈泵浦激光器的光?光轉(zhuǎn)換效率大約只有3%左右，泵 浦燈發(fā)出的大部分能量轉(zhuǎn)換成了熱能。而DPSSL所用的LD發(fā)出固定波長的 激光，與激光介質(zhì)的吸收峰相吻合，加之泵浦光模式可以很好地與激光振蕩 模式相匹配，光?光轉(zhuǎn)換效率可高達40%以上。 ? 結(jié)構(gòu)緊湊，體積?。篋PSSL可省去笨重的水

40、冷系統(tǒng)，一臺DPSSL的體積大 約只有燈泵浦激光器體積的l∕3o 表2.1 DPSSL和燈泵浦固體激光器的特性比較 特性 DPSSL 燈泵浦固體激光器 工作方式 連續(xù)或脈沖 連續(xù)或脈沖 輸出功率/能量 2kW / 60mJ 2kW / IOOJ 光束質(zhì)量 基?；蚨嚯A模 基模或多階模 功率/能量穩(wěn)定性 < 3% < 3% 冷卻方式 風(fēng)冷或水冷 水冷 可靠性 較好 較差 維護周期 無需維護 300小時 使用壽命 >1.5萬小吋 >5千小吋 系統(tǒng)體積 較小 J 較大 成本 較高 較低 因此本文選用輸出連續(xù)波長808nm的半導(dǎo)

41、體激光二極管作為泵浦源。 2.1.2 泵浦方式 DPSSL的簡單泵浦耦合方式可分為端面泵浦（見圖2.1）和側(cè)面泵浦（見圖 2.2） [3]o J I I I ■ VZvJ I I I 在端面泵浦中，泵浦所用的LD或1。陣列出射的泵浦光，經(jīng)由會聚光學(xué)系 統(tǒng)耦合到激光介質(zhì)上，在激光介質(zhì)的泵浦耦合面上為減少損失而鍍有對LD波長 的增透膜，同時該端面還鍍有對輸出波長的反射膜，作為諧振腔的全反端，起振 后產(chǎn)生的激光曲輸出鏡耦合輸出。 LD 會聚光學(xué)系統(tǒng) 激光介質(zhì) 輸出鏡 33 圖2.1 端面泵浦示意圖 由于［。陣列有時發(fā)光面較大，為了提高泵浦效率，大多采用側(cè)面

42、泵浦方式: 在工作板條的一側(cè)用1。陣列泵浦，另一側(cè)是反射板，它使泵浦光盡量集中到激 光介質(zhì)上，這樣，激光的光程就大于激光介質(zhì)的外形長度，從而較易獲得大功率 的輸出。 反射板 輸出鏡 全反鏡 與側(cè)面泵浦相比，端面泵浦的優(yōu)點是轉(zhuǎn)換效率高，模式匹配好，能夠獲得理 想的光束質(zhì)量，其關(guān)鍵問題是大泵浦功率下激光介質(zhì)的熱效應(yīng)以及振蕩光和泵浦 光之間的模式匹配，這會影響到光-光轉(zhuǎn)換效率、輸出激光的功率和光束質(zhì)量⑷。 由于側(cè)面泵浦方式系統(tǒng)復(fù)雜，而且不利于調(diào)0脈沖輸出，本文選擇直接端 面泵浦方式，并使［。盡暈貼近激光介質(zhì)的端面中心。通常，［。發(fā)出的光空間分 布不對稱且存在像散，需要經(jīng)過圓化整形和聚焦

43、后耦合到激光介質(zhì)上，否則會因 為模式匹配不好而影響輸出光束的質(zhì)量。但貼近端面泵浦方式使泵浦光直接入射 到緊鄰的激光介質(zhì)上，這主要基于以后的被動調(diào)Q考慮，具體地說，由于振蕩 光朿在屮心軸線附近具有最高的強度，在遠離軸線的位置因功率密度低而損耗 大，這樣，被動調(diào)Q的可飽和吸收材料就相當(dāng)于一個光闌，導(dǎo)致高階橫模不易 形成振蕩，從而改善了輸出光束的空間分布。另外，貼近端面泵浦避免了光束傳 輸和整形過程中能量的損失，使器件結(jié)構(gòu)更加簡單緊湊，降低了成本⑸⑹。 2.2 激光介質(zhì)的選擇 DPSSL要求激光介質(zhì)具有如下特性： ? 較寬的吸收峰：LD的發(fā)射波長一般處于797~810nm. 670-690nm

44、和 940-990nm,它們分別處在⑷叭 Tm3+> Ho3+. &并和已嚴(yán)的主吸收帶， 半寬為2~3nm,波長隨溫度的變化率為0.2~0.3nm∕C,較寬的吸收帶不僅 有利于激光介質(zhì)對泵浦能量的吸收，而且降低了對器件溫度控制的要求。 ?長的熒光壽命（丁）：熒光壽命長的激光介質(zhì)能在上能級積累更多的反轉(zhuǎn)粒子, 增加了儲能，冇利于器件輸出功率和能量的提高。 ? 人的受激發(fā)射截面（0）:脈沖和連續(xù)激光的閾值分別與0和0下成反比，O 和σ?τ大的材料容易實現(xiàn)激光振蕩，在連續(xù)激光器中能夠得到較大的輸出； 但對大功率的脈沖激光器來說，。大不利于儲能，反而限制了器件功率和能 量的提高。 ?嚴(yán)肌揄和慫

45、持性都要適合大功率工作的要求。 * _^ Nd:YAG和“小"04是滿足上述條件的最常用的兩種激光介質(zhì)，它們都適 用于808nm波長的LD泵浦源，輸出波長為1064nm的紅外不可見激光。 2.2.1 摻斂鎧鋁石榴石（Nd:YAG） Nd:YAG的激活離子為Ndt 基質(zhì)是YAG晶體（即輪鋁石榴石，Y3AI5O12 的簡稱），聞3+部分取代丫人6中的丫3+便成為Nd:YAGo它屬于立方晶系，是各 向同性晶體，一般含聞3+的量為1.0%原子比，此時晶體呈淡紫色⑺⑻。 Nd:YAG的能級圖見圖2.3,可見,若以4113/2和％1/2為激光下能級時,Nd:YAG 為四能級系統(tǒng)，閾值低，易于實現(xiàn)

46、激光振蕩；若以％9/2為激光下能級時，Nd:YAG 為三能級系統(tǒng)，閾值高，只有低溫下才能實現(xiàn)激光振蕩，所以一般認(rèn)為“d:YAG 激光器仍屬于四能級系統(tǒng)，1.06μm的譜線先起振，進而抑制1.35卩口譜線起振, 所以Nd:YAG激光器通常只產(chǎn)生1.06μm的激光[9][10]o 表2.2 Nd:YAG的物理和光學(xué)特性 化學(xué)式 Nd=Y3AI5Oi2 晶體結(jié)構(gòu) 立方晶系 Nd原子比 1.0% 密度 4.56g/cm3 熱導(dǎo)率 11.4W/(m*K) 莫氏硬度 8.5 受激發(fā)射截面 6.51019cm2 熒光壽命 230μs 線寬 0.45nm f?

47、- 2G?^ 4F7^+4S3^ ? ^4F5?2H9^ 4F^Γ^ UJn90?I UJΓM6?0 總 5 1 I 4 Z2 3 4A I 4 O 8 2 1 6 4 2 O 8 T-H HX r*4 ix ^Qd、 6 4 2 11502cm^1 11414cm1 激光躍遷 約 6000cm-1 約 4000cm1 2526cn∩?1 2473cm?1 61 91 22 22 848crτι1 311cm?1 197cr∩?1 134cr∩1 O 圖2?3 Nd:YAG的能級圖 Nd:YAG的吸收譜如圖2.4所示，其吸收峰在

48、808nm左右⑴】。 O 9 8 7 6 5 4 3 2 1 700 720 740 760 780 800 820 840 菠長(nm) 圖2?4 Nd:YAG (1% Nd)的吸收譜 Nd:YAG晶體除了具有優(yōu)良的光學(xué)性能之外，還具有其他材料無法媲美的兩 個因素：晶體容易生長，而且具有很高的光學(xué)質(zhì)量、大尺寸和非常少的缺陷；基 質(zhì)硬、熱導(dǎo)率高，具備良好的機械性能和熱性能衛(wèi)]。目前世界范圍內(nèi)銷售的商 品固體激光器已有五百余種，但從1998年開始，其ψ Nd:YAG激光器的市場占 有率和銷售額已升為第一位。 2.2.2 摻敘銳酸軌（Nd:YVCU）

49、 Nd:YVO4是一種低閾值、高效率的激光晶體，它的受激發(fā)射截面比“d:YAG 大幾倍，對808門口波長存在很寬的吸收帶，但是上能級壽命比“d:YAG短，導(dǎo) 熱性和機械性能均不如Nd:YAGW][i4]。 表2.3 Nd: YVO4的物理和光學(xué)特性 化學(xué)式 Nd=YVO4 晶體結(jié)構(gòu) 四方晶系 Nd原子比 1.0% 密度 4.22g/cm3 熱導(dǎo)率 5.1W/(m-K) 莫氏硬度 4-5 受激發(fā)射截面 1610-19cm2 熒光壽命 100μs 線寬 0.8nm Nd=YVO4在808nm左右的泵浦波長時，吸收譜比Nd:YAG的較寬而且光滑 （見

50、圖2.5）,所以它更能適應(yīng)1。的溫度變化［15］。 (ME) M^≡≡ 0.803 0.806 0.809 0.812 波長(nm) 圖2.5 Nd:YAG與Nd:YVO4吸收效率的比較 Nd=YVO4的缺點是熒光壽命過短，由于閾值與σ和σ?τ成反比，NckYVCU 的大截面o —定程度上被較短的熒光壽命T補償，這意味著Nd:YVO4激光器在 調(diào)0運轉(zhuǎn)中無法儲存更多的能量，與“d:YAG激光器相比，它雖然能夠得到更高 的重復(fù)頻率，但同時會犧牲脈沖寬度，提高泵浦源的要求；就熱導(dǎo)率而言， Nd:YVO4只是Nd:YAG的一半；且”d:YVO4的硬度很低,在操作過程中極易碎裂。

51、因此本文選擇原子比為1%的Nd:YAG晶體作為激光介質(zhì)。 2.3 調(diào)Q方式與可飽和吸收材料 2.3.1 調(diào)0方式 調(diào)Q激光器依靠能量的存儲和快速釋放來獲得大脈沖，根據(jù)工作方式的不 同可分為主動調(diào)Q和被動調(diào)Q兩種［問。 ? 主動調(diào)^ 人為地利用某些物理效應(yīng)來控制激光諧振腔的損耗，從而達到0 值的突變，常見的有機械轉(zhuǎn)鏡調(diào)（?、聲光調(diào)0、電光調(diào)（?等。主動調(diào)。的設(shè) 計方法多樣，能夠得到理想而精確的輸出，但技術(shù)復(fù)雜、成本高。V ?被動調(diào)利用某些有機染料或摻雜晶體的本身特性，自動改變0值的方法。 由于0開關(guān)是被激光輻射自身啟動的，只需要…種可飽和吸收材料，無需高 壓、電光驅(qū)動器或射頻調(diào)制器，具

52、有設(shè)計簡單、體積小、功耗低、成本低等 優(yōu)點叫 由于主動調(diào)Q方式難以用簡單結(jié)構(gòu)實現(xiàn)納秒級的脈沖寬度，因此本文選擇 被動調(diào)Q方式生成激光脈沖。 作為被動調(diào)Q材料必須具有可飽和吸收特性，即其吸收系數(shù)并不是常數(shù)， 當(dāng)在較強激光作用下，其吸收系數(shù)隨光強的增加而減小直至材料變得飽和〃或 、、漂白〃［18］,其吸收系數(shù) α = ∕j （2.1） ιl Λ 式中，厲為光強很?。↖fo）時的吸收系數(shù)，1為入射光強，1$為飽和時的吸收 光強, 式中，礎(chǔ)為基態(tài)吸收截面，2為光子的能量。 由上式可以看出，當(dāng)11$時，吸收系數(shù)趨于零，材料對通過的光束變得透 明(圖2.6示出了材料透過率與能量密度的關(guān)

53、系，透過率=1-吸收率)。如果將這 種材料安裝在激光器的諧振腔中，它會在最開始時阻止激光振蕩的發(fā)生，隨著增 益在泵浦期間的增大并超過損耗吋，腔內(nèi)的光通量會急劇增大，導(dǎo)致材料透明", 從而建立起脈沖。 圖2.6可飽和吸收材料透過率與能量密度的關(guān)系 H??≡F (2.3) (2.4) 可飽和吸收材料的小信號透過率為 To=exp(-noσgls), 式中，1$為材料厚度，門0為基態(tài)的粒子數(shù)密度。 理想的可飽和吸收材料的透過率Ti為 ^ I ~ I 7 Ti =^ln l + To(els -1)。 當(dāng)1<<1$和1>>1$時，上式可簡化為Ti=TO和1>1。

54、 2.3.2 調(diào)Q材料 傳統(tǒng)的被動調(diào)Q材料主要是有機染料和無機色心晶體F2 =LiF,然而有機染 料的熱導(dǎo)率低、損壞閾值低、易分解等缺點，限制了其在高功率下的應(yīng)用；色心 晶體F2 iF雖然展現(xiàn)出比有機染料好的機械和熱特性，但它具有色心濃度低、 激發(fā)態(tài)壽命短、損耗大的缺點，而且其性能隨時間衰退的現(xiàn)象也限制了它的長期 穩(wěn)定工作[19][20]o摻鎔鎧鋁石榴石（Cr*:YAG）在1994年實現(xiàn)了對于Nd:YAG激 光器的被動調(diào)＜2，由于"6晶體和珞離子的優(yōu)良特性，Cr4+=YAG在許多方面都 優(yōu)于傳統(tǒng)材料，它的主要特點是囚]： ?機械和熱特性得到改善，適合于高平均功率工作； ? 可獲得高的摻雜

55、濃度（~10i8ατΓ3）,有利于器件的小型化； ? lμm附近吸收截面大； ?合適的激發(fā)態(tài)壽命（~3.4μs）; ?損傷閾值高達500MW∕cm2o 表2.4 Cr4+=YAG的物理和光學(xué)特性 化學(xué)式 Cr4+=Y3AI5O12 ∣^^. ^-J ’ 立方晶系 | ??v^τv VV\ ^l 1 4.56g/cm3 熱導(dǎo)率 12.1W/(m*K) 莫氏硬度 8.5 基態(tài)吸收截面 4310-19cm2 激發(fā)態(tài)吸收截面 8.210-19cm2 熒光壽命 3.4μs 對于Cr4+:YAG的基態(tài)吸收截面內(nèi)和激發(fā)態(tài)吸收截面σe,不同研究人員測試 的結(jié)果差異較大

56、，但總的看來，吸收消光比（Og/Oe）約為5~10左右[22][23][24], 本文中取 σg=4310^19cm2, σe=8.210^19cm2o 描述Cf+:YAG晶體的可飽和吸收特性一般采用圖2.7所示的四能級模型 [25][26],在這種情況下，最大透過率丁冋為 Tmax=exp(-nbglJ。 (2.5) 在低光強照射下，波長的吸收發(fā)生在能級1-3的躍遷中，基態(tài)粒子吸收光子到 達態(tài)3后迅速弛豫到態(tài)2；隨著光強的增加，基態(tài)吸收趨于飽和，大量處于激發(fā) 態(tài)的粒子會引起激發(fā)態(tài)吸收，即2→4的躍遷，由于態(tài)4的壽命非常短，2-4的 躍遷并不影響態(tài)2的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度。激發(fā)態(tài)吸收使得Cr

57、4+=YAG飽和透過率小 于100%,但由于其基態(tài)吸收截面遠大于激發(fā)態(tài)吸收截面，所以粒子主要還是從 基態(tài)向激發(fā)態(tài)躍遷[2刀[28][29]。 對類似于Cf+:YAG的不理想可飽和吸收材料，透過率Tn可近似表示為 τn=τ0+^(τmax-τ0), (2.6) 1?丄0 式中，丁為式(2.4)給出的理想可飽和吸收材料的透過率，6和丁計分別是透 過率的上、下限。 由于可以計算出不同能量密度下透過率的大小，在設(shè)計屮能夠大致推斷出諧 振腔內(nèi)損耗和能量的情況，因此本文選擇質(zhì)量比為1%的Cf+:YAG晶體作為被 動調(diào)Q材料。 2.4 選模與諧振腔設(shè)計 激光器的光譜特性，如譜線寬度和

58、相干長度等，主要取決于縱模，而光束發(fā) 散角、光束直徑和能量分布等則取決于橫模。激光器輸出的具有高斯強度分布的 光束稱為基模,z^TEM00?,最常見的激光諧振腔是由相對的兩個球面鏡或平面 鏡構(gòu)成的，如果已知基模的參量，則可以通過鏡參數(shù)求出所有的高階模，從而實 現(xiàn)選模[30][31]o 2.4.1 一般諧振腔 圖2.8所示的高斯曲線在距離束腰心處的波前曲率為Rι,如果在心處放一 面曲率半徑為心的鏡子，模的形狀就不會發(fā)生變化。在乙軸上基模的曲率半徑 R2的另一點上2處,放一面曲率半徑為R2的鏡子，使只2等于球面波前的曲率半徑， 圖2.8腔鏡曲率不同吋的模參量 因此，當(dāng)兩反射鏡的間距為匕

59、平面位置乙=0時，如果裝配一個諧振腔，只 要能夠調(diào)節(jié)參量值30,使腔鏡的曲率半徑與波前相符合，就可以得到諧振腔模。 下面列出的推導(dǎo)公式，說明了模參量31、002、3、心和上2同諧振腔的參量心、 只2和1之間的關(guān)系。 在腔鏡上的光束半徑為 4 CO2 = R2 - L( L 、 RI — L 、Rl + T?2 — L ‘ 2 RX -L λR2y < 71 丿八2 在諧振腔內(nèi)外所形成的束腰半徑為 厶（心-厶）（7?2-厶）（尺+心-厶）1 兀） (Ri + R2 - 2L)2 測得束腰與兩鏡的距離心、上2為正值, L(R2 - L) Z(AI -L) R\ +

60、 R2 - 2厶，J _ & + & - 2L (27) (2.8) (2.9) (2.10) 這些方程適用于最一般的諧振腔，目前，有很多典型的光學(xué)諧振腔結(jié)構(gòu)。例 如等曲率反射鏡諧振腔：當(dāng)Ri=R2=R時，從式（2.7） （2.8）得 (2.11) (2?12) L IR-L 當(dāng)tι=t2=R∕2吋，在諧振腔中心的束腰半徑為 況=^-dL(2R-L) o 2π V 如果再假設(shè)腔鏡的曲率半徑大于諧振腔長，即R>>L,則式（2.11） （2.12）可 簡化為 (2.13) 對于由大曲率半徑的鏡子構(gòu)成的諧振腔，從式（2?13）可知光束的直徑變化與距 離的關(guān)系很小

61、。 等曲率諧振腔是最常用的結(jié)構(gòu)2—，它對激光介質(zhì)的利用率很高，諧振腔的 對準(zhǔn)穩(wěn)定性也非?？煽浚捎谛枰獌擅姘肩R組成諧振腔，使結(jié)構(gòu)復(fù)雜、腔長變 大，反而會降低反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度，造成輸出功率的下降。 2?4?2 平凹諧振腔 對于一個由平面鏡（Rι=8）和一個凹面鏡構(gòu)成的諧振腔，有 2 = 69θ = —JL(Rr - L) 9 ( 2≡14) π ωl=-R2 /^—. (2.15) 71 y RO _ L 在這種腔中，束腰出現(xiàn)在平面鏡上(即心=0, t2 = D,其衍射損耗相當(dāng)小戌］。 這種諧振腔結(jié)構(gòu)的對準(zhǔn)穩(wěn)處性相當(dāng)好，而且只需要一面凹鏡，平面鏡可以用 反射膜來代替，結(jié)構(gòu)相對

62、簡單。 由于凸凹諧振腔和平型平面諧振腔的結(jié)構(gòu)很不穩(wěn)龍，對準(zhǔn)性過于靈敏，不適 合手工操作對準(zhǔn)，因而本文選用平凹諧振腔方式，將一面凹鏡置于諧振腔內(nèi)，在 Nd:YAG晶體的一面鍍1064nm反射膜來代替平面鏡，另外為了減少損耗，降低 激光起振閾值，在晶體的另一面鍍1064nm增透膜。 2.5 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計 按照前面選擇的泵浦源、激光介質(zhì)和調(diào)Q方式，以及設(shè)計的光學(xué)諧振腔， 結(jié)合文獻資料，得到該LD泵浦Cr4+=YAG被動調(diào)Q Nd:YAG激光器的結(jié)構(gòu)如圖 2.9所示。 LD Nd:YAG Cr4+:YAG 輸出鏡 圖2?9整體結(jié)構(gòu)示意圖 經(jīng)過查閱文獻發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外現(xiàn)在研究的1。泵浦C

63、f+:YAG被動調(diào)QNd:YAG 激光器水平普遍如下：重復(fù)頻率5-100kHz,脈寬2-50ns,峰值功率l-10kW, 光-光轉(zhuǎn)換效率約 5%-40%[33][34][35][36] o 參考文獻 [1] 血克希耐爾?固體激光工程[“]?科學(xué)出版?, 2002:251-291 [2] T. Y. Fan. PUmP SOUrCe ReqUirements for End-Pumped Lasers[J]? IEEEJ. Quam EleCV 1990, 26(2):311-316 [3] 陳義紅‘蘇勇.大功率二極管泵浦固體激光器的研究卩]?中國激光，2007, 34(suppl):

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