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1、. . . . 0 / 45畢業(yè)論文激光二極管抽運(yùn)的被動(dòng)調(diào) Q 微晶片激光器仿真研究院 別計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院專業(yè)名稱通信工程班級(jí)學(xué)號(hào)學(xué)生指導(dǎo)教師. . . . 1 / 452 20 01 15 5 年 6 6 月 8 8 日. . . . / 45激光二極管抽運(yùn)的被動(dòng)調(diào) Q 微晶片激光器仿真摘要激光二極管(LD)抽運(yùn)的微晶片激光器具有全固化、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。調(diào)Q 技術(shù)又叫 Q 開關(guān)技術(shù)，是將一般輸出的連續(xù)激光能量壓縮到寬度極窄的脈沖中發(fā)射，從而使光源的峰值功率可提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的一種技術(shù)，目的是獲得高峰值功率，窄脈寬脈沖激光。被動(dòng)調(diào) Q 是被激光輻射自身啟動(dòng)的，Q 開關(guān)是由光學(xué)器件構(gòu)成

2、的，此種光學(xué)器件裝滿有機(jī)染料或者是含有摻雜的晶體。本文首先介紹了激光二極管抽運(yùn)的被動(dòng)調(diào) Q 技術(shù)的目的，意義與其發(fā)展。首先分析被動(dòng)調(diào) Q 激光器的理論，就會(huì)得到一些相互作用的關(guān)系，其中，增益介質(zhì)中的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的密度、可飽和和吸收體中反轉(zhuǎn)粒子的密度以與諧振腔光子數(shù)密度是相互關(guān)聯(lián)的。調(diào) Q 過程有很多影響因素，配置不同，得到的結(jié)果就會(huì)不同。微晶片激光器的摻雜的濃度高，諧振腔不長，這些特點(diǎn)都會(huì)對(duì)調(diào) Q 產(chǎn)生影響。下面利用 Matlab 來仿真被動(dòng)調(diào) Q Nd:YAG 微晶片激光器的特性，再研究 Cr:YAG 可飽和吸收體處于激發(fā)狀態(tài)時(shí)的吸收情況，得到在二極管接連不斷的抽運(yùn)下，激光二極管的 Cr:YA

3、G 被動(dòng)調(diào) Q Nd:YAG 微晶片激光器的耦合方程，并據(jù)此對(duì)被動(dòng)調(diào) Q 的過程進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上，代入數(shù)值，進(jìn)行仿真，就可以得到不同參量下被動(dòng)調(diào) Q 脈沖輸出的精確結(jié)果。取微晶片激光器各物理量系數(shù)的典型取值，編程求解該微晶片激光器對(duì)應(yīng)的速率方程組，可以看出隨時(shí)間變化，光子數(shù)的密度，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的密度，處于基態(tài)的粒子數(shù)的密度都會(huì)變化，我們用曲線來形象表示。進(jìn)一步分析數(shù)值仿真可以得到被動(dòng)調(diào) Q 激光脈沖的重復(fù)頻率，脈沖寬度等值。關(guān)鍵詞：激光二極管，被動(dòng)調(diào) Q，耦合，抽運(yùn)A A passivelypassively Q-switchedQ-switched diodediode pumpedpum

4、ped microchipmicrochip LasersLasers simulationsimulation. . . . I / 45Author：Zheng Meng Tutor： Huang liqunAbstractAbstractA laser diode (LD) pumped microchip lasers have all solid, small size, simple structure features and so on.Q - known as Q-switch technology, continuous laser energy is compressed

5、 into the general output pulse width extremely narrow emission, so that the peak power of the light source can be increased several orders of magnitude of a technique, in order to obtain high peak power, narrow width pulse laser.Passively Q is activated by the laser radiation itself, Q switch is fil

6、led with organic dyes such as crystal or doped optical elements.This paper introduces the purpose of laser diode pumped passively Q technology,the significance and development.By passively Q-switched lasers theoretical analysis.we can got the equations that the gain medium inversion density, can be

7、saturated and the absorbent core population inversion density and cavity photon number density of the mutual coupling between .Microchip lasers have high doping concentration, cavity length features, will inevitably have an impact on the process and passively Q parameters.We will use Matlab to simul

8、ate the characteristics of passively Q-switched laser.Then consider the Cr:YAG rsaturable absorption excited state absorption body to obtain a continuous laser diode pumped Cr:YAG passively Q Nd: YAG microchip lasers coupled equations, and analysis passively Q-analysis process.On the basis of numeri

9、cal simulation, you can get different parameters of passively Q-switched output accurate results.Take microchip lasers typical values of each physical factor, programmed to solve the microchip laser rate equations corresponding to make the photon number density inversion density and particle number

10、density of the ground state of change over time curve.We can simulate to get passively Q-switched . . . . II / 45laser pulse repetition frequency, pulse width equivalent.Key Words: Laser diode,passively Q-switched, coupling, pumped目 錄1 緒論 11.1 激光器的發(fā)展簡(jiǎn)史 11.2 激光器的發(fā)展前景 22 激光調(diào) Q Q 技術(shù) 32.1 激光的基本理論 32.1.1

11、 自發(fā)輻射，受激輻射，受激吸收 32.1.2 閾值條件 42.2 調(diào) Q 原理 52.3 調(diào) Q 技術(shù) 72.3.1 主動(dòng)調(diào) Q 技術(shù) 72.3.2 被動(dòng)調(diào) Q 技術(shù) 113 激光二極管抽運(yùn)的微晶片激光器 143.1 激光二極管技術(shù) 143.1.1 激光二極管抽運(yùn)技術(shù)的發(fā)展 143.1.2 激光二極管抽運(yùn)的優(yōu)點(diǎn) 153.1.3 激光二極管的抽運(yùn)的方式 163.2 激光二極管抽運(yùn)微晶片激光器的發(fā)展概況 194 激光二極管抽運(yùn)的被動(dòng)調(diào) Q Q 微晶片激光器仿真研究 234.1 被動(dòng)調(diào) Q 耦合速率方程 234.2 被動(dòng)調(diào) Q 耦合速率方程組數(shù)值仿真 24結(jié) 論 29致 30參考文獻(xiàn) 31附錄 33

12、. . . . III / 45附錄 A 英譯漢 33附錄 B 仿真程序部分源代碼 38. . . . 0 / 451 緒論近年來激光二極管抽運(yùn)的微晶片激光器已成為全固態(tài)的激光二極管抽運(yùn)固體激光器(diode laser pumped solid-state laser，簡(jiǎn)稱 DPSSL)研究的一個(gè)熱門話題。本文先從理論 層面上對(duì)這種激光器進(jìn)行了探究，從激光的原理出發(fā)，依次分析了被動(dòng)調(diào) Q技術(shù)，用二極管進(jìn)行抽運(yùn)的方法和好處。最后再利用 Matlab 進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn) Cr: YAG-Nd: YAG 被動(dòng)調(diào) Q 微晶片激光器。1.1 激光器的發(fā)展簡(jiǎn)史1917 年，愛因斯坦首次提出并詳細(xì)分析了原子收到

13、激發(fā)時(shí)發(fā)生輻射的情況。他探討了有關(guān)輻射和分子之間動(dòng)量相互交換的課題，驗(yàn)證了受激輻射的非常重要的特性：分子被激勵(lì)后，就會(huì)發(fā)生輻射，這時(shí)會(huì)產(chǎn)生光量子。此類光量子的性質(zhì)很特殊，其頻率，傳播的方向，偏振的方向等特性都與輻射量子是一致的。這就是所謂的相干性1，為激光的提出作出鋪墊。1928 年，德國科學(xué)家萊德伯格進(jìn)行了關(guān)于氖氣的色散實(shí)驗(yàn)，在此試驗(yàn)中，證明了受激輻射是確實(shí)存在的。1939 年，聯(lián)的科學(xué)家法布里康特指出，可以通過做實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)受激輻射是否存在。他指出，要想實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，那么必須的條件是受激輻射，簡(jiǎn)言之就是粒子的數(shù)目在高能級(jí)上比在低能級(jí)上要多很多。1951年，美國的 Purcell 在實(shí)驗(yàn)中發(fā)

14、現(xiàn)在氟化釵晶體中，利用微波波譜學(xué)的方法發(fā)現(xiàn)了核自旋體的反轉(zhuǎn)分布，在這次的實(shí)驗(yàn)中，出現(xiàn)了受激輻射，其頻率恰好為 50kHz。這預(yù)示著人們通過不懈努力最后掌握了受激輻射的方法。在前人大量的研究成果上，Townes，微波頻譜界的泰斗，不斷考慮這樣一個(gè)問題：怎樣使微波輻射源性能更好，令其線寬較窄、功率很高。他多次嘗試，都以失敗告終，最后，他選取了用諧振腔的方法來進(jìn)行模式選擇的思路，最后被激發(fā)，發(fā)生震蕩，進(jìn)而放大。在 20 世紀(jì) 50 年代，他和 Gorden. Zeiger 成功研制出了利用氨分子受激產(chǎn)生輻射原理制成的放大器2，并研制成功第一批可應(yīng)用于實(shí)際的元器件。到 1955 年，人們對(duì)受激輻射振蕩

15、放大器進(jìn)行了更加準(zhǔn)確的定義，并不斷開發(fā)新的激活介質(zhì)。1956 年，科學(xué)家成功研制出了固體微波激光器，其采用了三能級(jí)方法來實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。之后，湯斯和肖洛一起研究，面對(duì)諧振腔的問題，肖洛提出用 F-P 干涉儀來代替諧振腔。湯斯認(rèn)為，這一點(diǎn)很關(guān)鍵，因?yàn)檫@樣不必要的震蕩會(huì)得到控制，他. . . . 1 / 45堅(jiān)信能夠制作出這樣的激光器。1958 年 12 月，肖洛和湯斯共同研究，發(fā)表了紅外與光激射器一文。這篇論文引起了強(qiáng)烈的反響，從此以后，越來越多的實(shí)驗(yàn)室都在加緊步伐研究，不斷探求新型的適用于激光器的材料和方法，爭(zhēng)相提出很多設(shè)計(jì)方案?？茖W(xué)家梅曼，一直致力于將紅寶石作為材質(zhì)的的受激實(shí)驗(yàn)研究，在 196

16、0 年 5 月 15 日終于觀測(cè)到光激勵(lì)紅寶石受激輻射信號(hào)，通過不懈努力，最終研制出了世界第一臺(tái)紅寶石固態(tài)激光器。1.2 激光器的發(fā)展前景激光器開辟了一個(gè)全然不同的世界，伴隨著第一批激光器的應(yīng)用，關(guān)于激光的研究迅速升溫，目前已成了一個(gè)熱門的課題。激光學(xué)科成為了一個(gè)交叉的學(xué)科，在軍事方面，激光在通信，目標(biāo)跟蹤，高能沖擊等方面都發(fā)揮了重要作用。在工業(yè)方面，二氧化碳激光器，半導(dǎo)體激光器，激光印刷，光盤讀取，光纖等方面都有很多應(yīng)用。在醫(yī)療方面，激光凝固器應(yīng)用廣泛，在婦科，腫瘤科，眼科等科都發(fā)揮了很大的作用。激光在人們生活的方方面面都起了重要作用，在今后的生活中，激光定會(huì)與其他學(xué)科密切聯(lián)系，充分發(fā)揮優(yōu)勢(shì)

17、，越來越普與。2 激光調(diào) Q 技術(shù)1960 年，T.H.Maiman 成功研制出由紅寶石作為抽運(yùn)材質(zhì)的激光器，這是激光器史上的一大進(jìn)步。若想實(shí)際應(yīng)用，急需解決的問題是將脈寬壓縮，增大峰值功率等等。1961 年，調(diào) Q 的概念被 Hellwarth 提出。在這一年，他在紅寶石激光器上，利用被動(dòng)調(diào) Q 技術(shù)，成功輸出了窄激光脈沖。不久，H.W.Mocker 用了一樣的方法，成功地把激光脈沖的脈寬降低到 10ns 以下。調(diào) Q 技術(shù)越來越成熟，脈沖的峰值功率不斷提升。這樣得到了脈沖寬度的最低值為(激光器諧振腔的長度為，光速是，因此通過2 /L CLC該技術(shù)，我們一般最多只能夠輸出納秒級(jí)別的激光脈沖)

18、。2.1 激光的基本理論2.1.1 自發(fā)輻射，受激輻射和受激吸收. . . . 2 / 45 19161917 年，愛因斯坦根據(jù)光量子論推導(dǎo)出了普朗克公式。在這次的計(jì)算推導(dǎo)中，他提出了兩個(gè)非常重要的概念，這兩個(gè)概念對(duì)以后的研究產(chǎn)生了極大影響，即受激和自發(fā)兩種輻射。他采用了新的模型：光和物質(zhì)相互作用的模型。在這種模型下，設(shè)定了原子只有兩個(gè)能級(jí)，能級(jí) 2 和能級(jí) 1，如下圖 2.1 所示。原子從高能態(tài) 2 向低能態(tài) 1躍遷輻射能量，由低能態(tài)向高能態(tài)躍遷，吸收能量。這個(gè)過程，由自發(fā)輻射光子和受激輻射光子組成。原子受到激勵(lì)激發(fā)到高能級(jí) E2時(shí)，它的狀態(tài)是不夠穩(wěn)定的，有一種向低能級(jí)躍遷的趨勢(shì)。即使沒有外

19、界因素，處于高能級(jí)的原子，也有可能發(fā)生躍遷。如果沒有外加條件，原子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷方式有兩種方式。只通過釋放熱能的方式來躍遷的，叫做無輻射躍遷。通過光輻射的形式來躍遷的，叫做自發(fā)輻射躍遷。輻射出的光子能量滿足玻爾條件： (2.1)2121EEhv一假設(shè)原子系統(tǒng)受到外加能量，如的光子照射時(shí)，如果滿足條件那21hv2121hvEE一么處于低能態(tài) E1 上的原子就會(huì)發(fā)生受激吸收，吸收此光子，得到能量，躍遷到高能態(tài)E2 上，如下圖 2. 1(b)所示。與此同時(shí)，在光的受激吸收過程的同時(shí)，還有一個(gè)相反的過程，受激輻射。此過程需收到光子照射，此光子需滿足條件：，那么處在高能級(jí)E2上的原子2121hvE

20、E一也會(huì)受到外來的能量的光子的激發(fā)，而從高能級(jí)E2躍遷到低能級(jí)E1上去。這時(shí)原21hv子就會(huì)輸出一個(gè)光子，它和外來光子具有一樣特性。激光的產(chǎn)生就是在收到激發(fā)，發(fā)生輻射這個(gè)過程中產(chǎn)生的。如圖 2.1(c)所示。. . . . 3 / 45圖 2.1 (a)自發(fā)輻射，(b)受激吸收，(c)受激輻射2.1.2 閾值條件從光子的觀點(diǎn)來看，在能級(jí)E2,E1之間添加介質(zhì)，使粒子數(shù)可以反轉(zhuǎn)分布，當(dāng)自發(fā)輻射時(shí)，腔頻率為 u 的模式的光，就能夠得到一個(gè)光子。介質(zhì)在這種狀態(tài)的光子感應(yīng)下受激輻射，就會(huì)輸出一個(gè)光子，其性質(zhì)與此光子性質(zhì)完全一致。這樣，在這種模式下，就會(huì)得到一個(gè)光子，與高能級(jí)的原子相互作用，就會(huì)發(fā)生受激

21、輻射，進(jìn)而再一次產(chǎn)生光子。通過這樣的一系列的雪崩式反應(yīng)，就會(huì)輸出大量的光子，在量子的狀態(tài)下，這些光子的性質(zhì)是一致的。最后產(chǎn)生的這種頻率為的形式的光，光子的數(shù)目積聚越來也多。激光產(chǎn)生就是這樣形成的。腔任何模式的光，只有至少存在一個(gè)光子，才能形成這樣一個(gè)過程。激光閾值的另外一種表達(dá)式可以表示為下面的式子：(2.2)21thchhvngA在同一個(gè)模式下，自發(fā)輻射幾率記作 A21/g，模式數(shù)目記作 g，在腔，光子的生存時(shí)間長度是，上面的式子還可以寫成這樣的表達(dá)式：C (2.3)211.CthgnA2.2 調(diào) Q 原理調(diào) Q 技術(shù)在激光的研究史上打開了一扇新的大門，使得激光器能夠在極短的時(shí)間. . .

22、. 4 / 45輸出很大的能量，這樣就能夠產(chǎn)生峰值功率很高的脈沖，它的峰值功率與普通的長脈沖的功率有著數(shù)量級(jí)上的差異。無規(guī)則的尖峰脈沖形成脈沖激光器的輸出，這種尖峰脈沖只產(chǎn)生在閾值附近，寬度極窄。在這樣的一組脈沖中，峰值功率不會(huì)很大，因?yàn)榧す馄鬏敵龅哪芰恳呀?jīng)被分散開來，一般而言，激光諧振腔的損耗很低，可以近似忽略掉，但是當(dāng)光抽運(yùn)后，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)增加，當(dāng)數(shù)目達(dá)到一定程度時(shí)，激光器就發(fā)生震蕩，處于高能級(jí)的粒子受到輻射后，數(shù)目開始減少，這樣就會(huì)使高能級(jí)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)目不會(huì)很多。由于這樣的原因，普通的激光器的峰值功率一直不能提高。所以我們要想使得高能級(jí)積累數(shù)目較多的粒子，就需要改變激光器的閾值，使得高能級(jí)

23、的最大粒子反轉(zhuǎn)數(shù)不受限制。要想產(chǎn)生震蕩，激光器的閾值需滿足以下的式子： (2.4)211.CthgnA并且已有關(guān)系式： (2.5)所以得到下面的式子：2CQv(2.6)212.thgvnQA式中，模式的數(shù)目表示為g，自發(fā)輻射的概率表示為，光子在腔的生命長度表A21示為，品質(zhì)因數(shù)可以用Q值來表達(dá)，它用下面的式子來定義： c 02()Qf mv(2.7) 其中，為腔存儲(chǔ)的能量，為每秒損耗的能量。fm式中，中心頻率用來表示。腔的能量積累，存儲(chǔ)后用來表達(dá)，光在腔傳播都會(huì)有0vW損失，每次傳播的消耗的能量用來表示，在一次的傳播中，光就會(huì)損耗數(shù)量為的W能量。我們分別用來表示諧振腔的長度，介質(zhì)的折射率，光速

24、。因此，光通過腔, ,L n c一次，歷時(shí)是。每秒鐘，光損失的能量可以表示為。品質(zhì)因數(shù) Q 可以用下/nL cWnL c面的式子來表示. . . . 5 / 45 (2.8)0022WnLQvWc nL品質(zhì)因數(shù) Q 越小，意味著能量損耗越大。若想提高閾值，可以通過降低 Q 值來實(shí)現(xiàn)。在 Q 開關(guān)運(yùn)轉(zhuǎn)中，先將能量存儲(chǔ)，通過光抽運(yùn)的方式，然后降低品質(zhì)因數(shù) Q 來降低激光震蕩的產(chǎn)生。盡管激活介質(zhì)能夠儲(chǔ)存巨大的能量，但是腔會(huì)損失很大的能量，閾值會(huì)非常高，比產(chǎn)生激光的臨界閾值高出很多。這樣就會(huì)遏制起振。在高能級(jí)，反轉(zhuǎn)的粒子數(shù)會(huì)大量積聚。當(dāng)品質(zhì)因數(shù) Q 變化為高數(shù)值時(shí)，積聚的能量就會(huì)釋放，時(shí)間非常短暫，形

25、成光脈沖。時(shí)間極短，而介質(zhì)儲(chǔ)存了巨大能量，與普通的相比，高出好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。 通過一定的方法，使之當(dāng)時(shí)間改變時(shí)，品質(zhì)因數(shù) Q 值發(fā)生變化。隨時(shí)間按一定規(guī)律發(fā)生變化。在抽運(yùn)開始的時(shí)候，激光不能震蕩，因?yàn)?Q 值較低，能耗損失太大。這時(shí)，高能級(jí)的粒子就大量積累。通過增加外在條件，例如添加激發(fā)功率，處于高能級(jí)的粒子數(shù)大量積累，隨著時(shí)間延長，當(dāng)高能級(jí)的粒子數(shù)到最大值時(shí)，增大 Q 值，這樣一來，閾值也會(huì)突然降低，就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的激光的震蕩。發(fā)生躍遷，高能級(jí)的粒子躍遷到低能級(jí)。這時(shí)，激光脈沖的峰值功率會(huì)非常高?？梢詮膱D 2.2 看出 Q 開關(guān)脈沖產(chǎn)生的經(jīng)典的時(shí)間順序3，激光只能在高 Q 值腔產(chǎn)生。在閃光燈抽運(yùn)

26、脈沖的末端，如果反轉(zhuǎn)粒子的很多，當(dāng)?shù)竭_(dá)峰值時(shí)，相應(yīng)的 Q 值會(huì)到達(dá)最高值。這時(shí)，就會(huì)有 Q 開關(guān)的脈沖產(chǎn)生。如下圖所示。經(jīng)過很長時(shí)間，才會(huì)輸出一個(gè)激光脈沖。圖中示出了燈的輸入電流，諧振腔損耗的能量，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)和光子通量與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系。到現(xiàn)在為止，我們一般用兩種調(diào) Q 方式：一種是主動(dòng)式，另一種是被動(dòng)式。主動(dòng)式可以細(xì)化為幾種方法：電光調(diào) Q 法，轉(zhuǎn)鏡調(diào) Q 法，聲光調(diào) Q 法。被動(dòng)調(diào) Q 可以細(xì)化為：色心晶體調(diào) Q 法，Cr 晶體調(diào) Q 法，染料調(diào) Q 法。. . . . 6 / 45tttt燈 的 輸 入 電 流0maxEminE諧 振 腔 損 耗 的 能 量intnfnmaxmin光子通量

27、反 轉(zhuǎn) 粒 子 數(shù)圖 2.2 Q 開關(guān)脈沖的形成過程2.3 調(diào) Q 技術(shù)2.3.1 主動(dòng)調(diào) Q 技術(shù)主動(dòng)調(diào) Q 技術(shù)的概念是人們通過一些物理手段，進(jìn)而掌控激光腔的能量的損耗。這樣一來，Q 值就會(huì)發(fā)生變化。(1)轉(zhuǎn)鏡調(diào) Q. . . . 7 / 45這是一種物理的調(diào) Q 方法。這種方法是利用阻擋光的通道方式實(shí)現(xiàn)的，或者是令腔的鏡片不對(duì)準(zhǔn)。在當(dāng)閃光燈脈沖將要截止的時(shí)候，假若激光棒中存在大量的能量，那就可以有很高的品質(zhì)因數(shù) Q，就能夠使得激光器輸出一個(gè)脈沖。如下圖 2.3 所示，一個(gè)快速轉(zhuǎn)動(dòng)的全反射棱鏡和和輸出鏡一起組成諧振腔4。當(dāng)滿足腔處于高 Q 值，并且棱鏡與反射鏡相對(duì)的時(shí)候，才能輸出激光。除此

28、之外，不能夠產(chǎn)生震蕩，此時(shí)的 Q 值很低，自然也不能夠輸出激光。固定的反射鏡（部分透光）閃光燈抽運(yùn)腔紅寶石棒脈沖電機(jī)旋轉(zhuǎn)反射鏡（Porrol棱鏡）圖 2.3 旋轉(zhuǎn)棱鏡 Q 開關(guān)的紅寶石激光器的簡(jiǎn)圖 轉(zhuǎn)鏡調(diào) Q 操作不復(fù)雜，成本較低。但是也有一些弊端，一旦轉(zhuǎn)速達(dá)不到要求，就會(huì)產(chǎn)生多個(gè)脈沖序列，會(huì)有較強(qiáng)的噪音，可靠性不強(qiáng)，易發(fā)生故障。這些缺點(diǎn)使得人們采取聲光調(diào) Q 技術(shù)。(2)聲光調(diào) Q通過在諧振腔中放置介質(zhì)，就可以組成調(diào) Q 開關(guān)。此介質(zhì)需滿足對(duì)激光波長透明的條件。此種介質(zhì)經(jīng)過特殊處理，一面有轉(zhuǎn)換器，是一個(gè)壓電薄片。在聲光晶體中，利用這種轉(zhuǎn)換器就能夠輸出超聲波震蕩。將聲光介質(zhì)插入激光的諧振腔中，

29、這種介質(zhì)需滿足對(duì)激光波長是透明的條件。在聲光介質(zhì)貼上一種換能器，這種換能器是由壓電薄片作的，這樣晶體就會(huì)發(fā)生超聲波震蕩了5。如下圖所示：. . . . 8 / 45輸出鏡激光棒吸收體衍射光束2 W L換能器后鏡圖 2.4 聲光 Q 開關(guān) 光介質(zhì)會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，是超聲波的作用，這種變化還是周期性的。因而，在方向上的變化也是周期性的。如果控制好條件，那么可以利用這種變化產(chǎn)生光柵的效果。此時(shí)就會(huì)有衍射和散射對(duì)其產(chǎn)生干擾。這種效果會(huì)使得相應(yīng)的一小部分入射光線溢出腔，Q 值就會(huì)變得不高。 粒子匯聚，高能級(jí)上會(huì)越來越多。換能器關(guān)閉，諧振腔約 Q 值恢復(fù)到之前的水平，得到激光輸出。這種調(diào)制方式有許多優(yōu)點(diǎn)，最重要

30、的是，能量等損耗很低。但是也會(huì)有一些其他的干擾因素，例如在傳播中，聲波在介質(zhì)中，速度會(huì)降低，所以，應(yīng)用條件也會(huì)有限制，應(yīng)用最多的方面在低增益介質(zhì)的連續(xù)抽運(yùn)激光器的重復(fù)調(diào) Q。通過帶有壓電換能器的激光器，能量發(fā)生轉(zhuǎn)換，電能轉(zhuǎn)換成超聲波能。將超聲波射入石英體中，此石英體帶有 Q 開關(guān)。將電壓斷開，激光器就又恢復(fù)到 Q 值較高的形態(tài)。假若熔融狀的石英處于未被通過的狀態(tài)，即高透射率時(shí)，在無超聲波通過時(shí)，激光器就輸出脈沖69。(3)電光調(diào) Q 電光調(diào) Q 技術(shù)是當(dāng)下適用面最多的技術(shù)。電光效應(yīng)速率很快，可以利用特定的晶體來制作電控光閘，此種閘速率非?？?。如下圖 2.5 所示10，此裝置裝有電光盒。當(dāng)閃光燈

31、工作時(shí)，在電光盒上加一個(gè)電壓，數(shù)值為，經(jīng)過起偏器以后，偏振4V光發(fā)生變化。由線性轉(zhuǎn)變?yōu)閳A形。輻射經(jīng)過反射之后，又一次經(jīng)過電光盒，間隔的延時(shí)后，變化為角度偏轉(zhuǎn) 90 度的線性偏振光。光反饋會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生影響，但是4. . . . 9 / 45此輻射通過起偏器，所以避免了這個(gè)因素。在脈沖將要消失的時(shí)候，將電壓斷掉，就可以避免偏振光的消耗。 經(jīng)過這樣的一個(gè)過程，諧振腔就會(huì)產(chǎn)生震蕩，經(jīng)過一小段時(shí)間的延遲，就會(huì)有脈沖輸出。在(b)中，要達(dá)到光束透射的目的，就需要給光電盒子施加電壓。這樣的 Q 開關(guān)是由這樣的脈沖控制的。在偏振器中間有電光盒。與前面的結(jié)構(gòu)一致，如果偏振光由介質(zhì)輸出了，起偏器就不再需要了。在沒

32、有電壓的情況下，偏振器不會(huì)發(fā)生變化，1P此時(shí)，Q 值是最小的。 經(jīng)過一段時(shí)間后，將數(shù)值為的電壓附加在電光盒上，就會(huì)使光束發(fā)生變化，2V會(huì)旋轉(zhuǎn)一定的角度，精確來講為 90 度，這樣一來，光束正好通過檢偏器。后續(xù)接連2P發(fā)生連鎖反應(yīng)，就會(huì)又通過檢偏器和電光盒。又會(huì)旋轉(zhuǎn) 90 度。經(jīng)過這樣的過程，2P光束已經(jīng)旋轉(zhuǎn)了 180 度，就可以正好通過。1P 電光調(diào) Q 具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如響應(yīng)速度快，良好的調(diào) Q 時(shí)刻的掌控，可以獲取極窄的脈沖寬度，能夠獲得的峰值功率也非常高。激光棒輸出鏡輸出鏡激光棒偏振器泡克爾斯盒后鏡檢偏器外加電壓引起/4延遲外加電壓引起/2延遲(a)(b)偏振器泡克爾斯盒圖 2.5 (a

33、)工作在/4, (b)工作在/2 延遲電壓的電光 Q 開關(guān)被動(dòng)調(diào) Q，是建立在具有某些特定的可飽和吸收體的激光器上，Q 值自動(dòng)發(fā)生變化的一種方法。被動(dòng) Q 開關(guān)是光學(xué)器件，其裝滿有機(jī)染料，或者摻雜晶體，隨著能量的提高，光學(xué)器件就會(huì)越來越趨近飽和，透明性越來越高。在能量密度達(dá)到某一很高的值時(shí)，材料就會(huì)飽和，透射率就會(huì)比較高。只有基于光譜躍遷的飽和，才會(huì)發(fā)生可飽. . . . 10 / 45和吸收體中的漂白過程。2.3.2 被動(dòng)調(diào) Q 技術(shù)利用可飽和的吸收體的性質(zhì)來改變 Q 值。增加諧振腔的光強(qiáng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定程度時(shí)，飽和吸收體就會(huì)變得透明起來，透射率很高。在光譜躍遷的基礎(chǔ)上，可飽和吸收體會(huì)產(chǎn)生“漂白

34、”。若在諧振腔中放置一種高吸收率的材料，那么激光的震蕩急劇降低，Q開關(guān)關(guān)閉。介質(zhì)中的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)增加，光通量迅速增加，這時(shí)就會(huì)使被動(dòng) Q 開關(guān)到達(dá)飽和狀態(tài)11。諧振腔的損耗下降，Q 開關(guān)脈沖就建立起來了。Q 開關(guān)是由激光輻射自身啟動(dòng)的，不用外加電壓，等設(shè)備。與傳統(tǒng)的激光器相比，激光二極管抽運(yùn)的被動(dòng)調(diào) Q 激光器有很多優(yōu)勢(shì)，優(yōu)點(diǎn)如下：(1)典型的腔長數(shù)量級(jí)為毫米，亞毫米級(jí)別，甚至可以降低到皮秒級(jí)別，使得易產(chǎn)生單縱模的激光。(2)系統(tǒng)的體積小，可以到達(dá)毫米量級(jí)。(3)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，便于調(diào)整，易于維護(hù)。在實(shí)際應(yīng)用中，有些領(lǐng)域需要穩(wěn)定的輸出，其穩(wěn)定性差，故不能廣泛應(yīng)用。0.0 0.2 0.4 0.8 1.0

35、0.9 0.8 0.7 0.6 0.5透 射 率能量密度/(焦耳/平方厘米)圖 2.6 厚度為 2.65mm 的 Cr: YAG 吸收體的透射率和能量密度之間的關(guān)系為了增加耐用性和可靠性，人們采取了兩種方法，一種是摻雜吸收性離子，另外一種是加入色心?，F(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的材料是 Cr: YAG。Cr 離子在激光的波長段吸收面積很大，能夠很好地吸收，有較小的吸收殘余 YAG 晶體的物理，化學(xué)特性都很穩(wěn)定。. . . . 11 / 45吸收帶寬高，摻雜度高，導(dǎo)熱率較高，性能很好。這樣一來，被動(dòng)調(diào) Q 固體激光器的性能有很大提升，效率提高，因而得到了很廣泛的應(yīng)用?？娠柡偷奈詹牧峡梢杂孟聢D的能級(jí)結(jié)構(gòu)來表示

36、，在能級(jí) 1-3 中發(fā)生躍遷。32 能級(jí)躍遷很快。只有基能態(tài)的吸收截面很大，才適合作為被調(diào) Q 的材料。與此同時(shí)，上能態(tài)能級(jí) 2 存活時(shí)間必須足夠長，才會(huì)大量消耗基能態(tài)的粒子數(shù)。若光通量不足以排空基態(tài)能級(jí)的粒子數(shù)，那么激光器諧振腔中的吸收體就不會(huì)透過激光輻射。反之，如果粒子數(shù)目達(dá)到一定數(shù)量，那么吸收體就會(huì)變成透明的?？娠柡臀阵w的能級(jí)圖如圖 2.7所示。對(duì)于可飽和吸收體來說，吸收系數(shù)為如下，其與光線強(qiáng)度有關(guān)12。速率方程如下式： (2.9)0( )1SEEE式中，為小信號(hào)吸收系數(shù)，為飽和能量密度，0sE(2.10)sgshvE能級(jí) 13 躍遷的吸收截面用來表示。gs1243快慢快 AB圖 2.

37、7 A 為，B 為,分別是基態(tài)和激發(fā)態(tài)的吸收，激發(fā)態(tài)的壽命記作 tgses可飽和的吸收體的參量有以下：初始的透射率為，使得飽和吸收體變?yōu)橥该鞯哪芰棵芏龋瑢⒖娠柡臀阵w漂白后，可以得到小信號(hào)的透射率是 (2.11)000exp()exp()sgs slnlT可飽和的吸收體的厚度用來表示?；軕B(tài)的粒子的密度用來表示。在可飽和sl0n的吸收體介質(zhì)中，位置不一樣，則光通量和粒子密度也不同。所以要想算出參數(shù)是能量密度的透射率，需要就必須考慮這兩項(xiàng)因素。. . . . 12 / 45理想情況下，可飽和的吸收體對(duì)應(yīng)不同的入射光能量，透射率可以表示為：(2.12)011sEEsiETIneTE近似的，若和時(shí)，

38、上式可分別化簡(jiǎn)寫作和。sElsEE0iTT1iT 然而實(shí)際情況中，即使調(diào) Q 材料能夠在基能態(tài)表現(xiàn)出飽和的特性，仍舊不可能達(dá)到完全的透射，因?yàn)楣庾訒?huì)被受激原子吸收。上圖 2.7 可以看出，能級(jí) 2 向能級(jí) 4 躍遷，躍遷與能量相對(duì)應(yīng)。基態(tài)的粒子數(shù)逐漸減少，消耗殆盡，能級(jí) 2 與 4 之間吸收會(huì)增加。當(dāng)基態(tài)達(dá)到飽和的狀態(tài)時(shí)，激發(fā)能態(tài)會(huì)發(fā)生吸收，激光腔就會(huì)發(fā)生殘余損耗。3 激光二極管抽運(yùn)的微晶片激光器六十年代，固體的激光器獲得了迅速的發(fā)展。因?yàn)樾什桓?，還存在熱效應(yīng)，傳統(tǒng)的燈抽運(yùn)的固體激光器并未獲得深入的發(fā)展。隨著研究的深入，到了 80 年代后期，出現(xiàn)了全固態(tài)的激光二極管的固體激光器。這種激光器有

39、許多優(yōu)點(diǎn)，效率很高，使用時(shí)間長，可靠性好。全固態(tài)的激光器揚(yáng)長避短，在各個(gè)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。發(fā)展最迅速的是二極管抽運(yùn)的微晶片激光器，是激光的重要發(fā)展方向。微晶片激光器都能夠保證輸出單頻的理想的光束，為高斯型。因?yàn)槲⒕す馄鞯闹C振腔的截面都是平面，腔長不長，這種激光器的構(gòu)造不復(fù)雜，成本低，發(fā)展前景很好。3.1 激光二極管抽運(yùn)技術(shù)激光二極管抽運(yùn)的固體激光器指的是用激光二極管作為激勵(lì)源去抽運(yùn)激光晶體的固體激光器。與傳統(tǒng)的閃光燈抽運(yùn)相比，具有很明顯的優(yōu)點(diǎn)。工作效率很高，體積較小，激光輸出性能好，使用壽命長，使得其成為固體激光器的重要發(fā)展方向之一。3.1.1 激光二極管抽運(yùn)技術(shù)的發(fā)展 在 1960

40、年，紐曼第一次提出激光二極管抽運(yùn)的固體激光器的設(shè)想，隨后通過不斷地實(shí)驗(yàn)研究，最終在 1962 年制造出了激光二極管，這也是世界上最早的激光二極管13。由于其輸出的波長和激光晶體(Nd 摻雜)的吸收帶的吻合性較好，所以，從理論上講，可以生產(chǎn)出激光二極管抽運(yùn)的效率高，體積小，使用時(shí)間長的激光器。1964 年，來自美國的林肯實(shí)驗(yàn)室14第一次實(shí)現(xiàn)了激光二極管抽運(yùn)的激光。1968 年，麥道公司成功運(yùn). . . . 13 / 45行二極管抽運(yùn)的 Nd: YAG 的激光器15。1971 年，Qstermeys16稱利用二極管抽運(yùn)，獲取了功率為 1.4mW，寬度為 1064nm 的激光。 早期，二極管必須在液

41、氮下工作，主要用于實(shí)驗(yàn)，這個(gè)時(shí)期，二極管抽運(yùn)的激光器還很不成熟，采用的是同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，效率低下，波長圍也很小17,18。隨著研究的深入，激光二極管可以不必在液氮下工作，可以在室溫進(jìn)行，但是性能不夠完備，輸出功率和效率比較低19,20，還不能進(jìn)入市場(chǎng)。 八十年代后，物理，化學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)的進(jìn)步也促進(jìn)了激光的發(fā)展。尤其是分子束外延，金屬化學(xué)氣相淀積這類技術(shù)的快速發(fā)展，量子阱結(jié)構(gòu)等技術(shù)的發(fā)展，使閾值電流降低成為可能。這樣一來，二極管的輸出功率以與轉(zhuǎn)化效率得到極大的提高，波長圍展寬，使用時(shí)間也增長很多。加之微通道制冷21技術(shù)的發(fā)展，使得大功率激光器成為可能。成本降低，價(jià)格隨之降低，有些已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)，被人們

42、廣泛使用。 勞倫斯.利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室(LLNL)已經(jīng)成功輸出了 70W,273W, 1050W 的功率，其采用微通道冷卻激光二極管陣列來抽運(yùn) Nd: YAG 晶體板條。OPC 公司生產(chǎn)的 60W 集成化光纖藕合已經(jīng)步入市場(chǎng)，麥道公司的峰值為 350kW 的激光器也得到了廣泛應(yīng)用。二極管的快速發(fā)展，帶來了新型固體激光材料和二極管抽運(yùn)技術(shù)的繁榮。全固體激光二極管應(yīng)用到各行各業(yè)，在 DPSSL 鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)22,23單頻運(yùn)轉(zhuǎn)24和頻率轉(zhuǎn)換25等方面獲得很大進(jìn)步，已經(jīng)能夠?qū)嶋H應(yīng)用。3.1.2 激光二極管抽運(yùn)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)(1)提高了工作效率 在 808nm 時(shí)，跟傳統(tǒng)的閃光燈的發(fā)射帶相比，激光二極管的發(fā)射帶能夠

43、與釹吸收帶進(jìn)行很好的光譜匹配，因而其產(chǎn)生的抽運(yùn)速率很高。從表面上看，激光二極管的輻射輸出能量與輸入能量相比，即效率，只能夠到達(dá)25%50%，而閃光燈的輻射輸出能量與輸入能量相比，即轉(zhuǎn)換效率，能夠到達(dá) 70%。激光二極管比閃光燈的效率低得多。但是，釹吸收帶不一樣，只能吸收極小的一部分燈的輻射能量，而激光二極管可以自行選擇輸出波長，若選定某種固體激光器，我們能夠自行設(shè)定，達(dá)到完全處于吸收帶的狀態(tài)。(2)延長了元件的壽命在處于連續(xù)工作的狀態(tài)時(shí)，激光二極管陣列可以使用時(shí)間是 104h，可以產(chǎn)生 109次脈沖。在連續(xù)工作時(shí)，閃光燈能夠使用時(shí)間是 500h，可以產(chǎn)生次脈沖。所以激光sE. . . . 14

44、 / 45二極管抽運(yùn)固體激光器比閃光燈抽運(yùn)的激光器有很大的優(yōu)越性。其系統(tǒng)的壽命長很多，可靠性也高許多。(3)改善了光束質(zhì)量 將激光二極管抽運(yùn)固體激光器的發(fā)射與長波長釹吸收帶之間的光譜進(jìn)行合理匹配，就會(huì)降低激光材料積累熱損耗，這樣就會(huì)減小熱透鏡的效應(yīng)，提高光束品質(zhì)。另外，合理利用激光輻射的方向性，那么抽運(yùn)輻射與低階模的光譜就會(huì)很好的匹配，就可能輸出亮度極高的激光。(4)增大脈沖重復(fù)率準(zhǔn)連續(xù)激光二極管不但能像傳統(tǒng)的閃光燈一樣有較低的重復(fù)率，而且能像連續(xù)的弧光燈一樣連續(xù)運(yùn)行。帶有此種二極管的固體激光器可以運(yùn)轉(zhuǎn)在幾百赫茲到幾千赫茲的重復(fù)率圍。(5)有利于健康 激光二極管抽運(yùn)的系統(tǒng)避免了高壓的脈沖，高溫

45、，也沒有紫外線的輻射，所以不會(huì)對(duì)健康產(chǎn)生影響。由于燈抽運(yùn)的系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生紫外線，那么就會(huì)導(dǎo)致抽運(yùn)腔和冷卻水發(fā)生衰變，系統(tǒng)就不會(huì)穩(wěn)定運(yùn)行。激光二極管抽運(yùn)的激光器沒有紫外線的輻射，不會(huì)出現(xiàn)這類問題。(6)很好的發(fā)展空間 激光二極管輸出的光束有方向性，而且其發(fā)射角度很小，在這樣的條件下，為新型激光器開辟了道路?？梢栽跈C(jī)構(gòu)和設(shè)計(jì)構(gòu)造作出改變，設(shè)計(jì)出端面抽運(yùn)的系統(tǒng)，微芯片激光器以與光纖激光器。(7)實(shí)用性和兼容性強(qiáng) 激光二極管抽運(yùn)的大多數(shù)材料可以用閃光燈代替二極管來抽運(yùn)。但是，很多非常有用的材料如 ND:YVO4、YB:YAG 和 Tm:YAG 等，只能夠用激光二極管抽運(yùn)。3.1.3 激光二極管的抽運(yùn)方式用

46、稼和銘按照一定的比例，制作出的二極管，可以輸出接近 800nm 的波長。這種二極管具有很高的適用性，與幾種激光發(fā)射離子的強(qiáng)吸收帶能夠很好地匹配。特殊地，這種二極管陣列能夠產(chǎn)生出于多種基質(zhì)材料中鐵的吸收帶相匹配的光譜，寬度在 3-4nm。 這種完美的匹配，使得抽運(yùn)源能夠高效率地產(chǎn)生反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，而且二極管陣列輸出具有方向性，能夠高效的將抽運(yùn)輻射傳輸?shù)矫荞詈辖Y(jié)構(gòu)的材料，或者利用. . . . 15 / 45光學(xué)系統(tǒng)，將抽運(yùn)的輻射傳到增益介質(zhì)當(dāng)中。二極管抽運(yùn)源有一部分具有相干的特性，一種情況是產(chǎn)生的聚焦光斑小，另一種可能是通過調(diào)節(jié)，能夠與諧振腔模式匹配。 二極管與閃光燈相對(duì)比，光譜特性和空間特性優(yōu)勢(shì)明

47、顯，二極管的抽運(yùn)源，抽運(yùn)輻射傳輸效率都很高，在抽運(yùn)區(qū)和諧振腔之間，空間交疊比較大。 以二極管激光束的輸出為依據(jù)來劃分，二極管有兩類抽運(yùn)方式。一種是端面抽運(yùn)(End-pumping )，另外一種是側(cè)面抽運(yùn)(Side-pumping )。 在側(cè)面抽運(yùn)結(jié)構(gòu)中，二極管陣列要與激光棒或激光板保持一樣的方向，抽運(yùn)方向要與激光諧振腔模的傳播方向保持垂直。在端面抽運(yùn)結(jié)構(gòu)中，可以利用激光二極管的空間和光譜特征優(yōu)良的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出抽運(yùn)輻射的方向，是準(zhǔn)直的，縱向聚焦，最終會(huì)聚到與諧振腔在同一條水平線上的激光材料中。(1)端面抽運(yùn) 小功率的激光二極管抽運(yùn)的激光器常用的一種方式是端面抽運(yùn)。這種二極管系統(tǒng)較小，布局緊湊。而

48、且可以利用自身的耦合系統(tǒng)將二極管激光很好的射入固體介質(zhì)。 這種端面抽運(yùn)的二極管激光器，發(fā)射出的激光，會(huì)在激光棒的端面聚焦，形成一個(gè)斑點(diǎn)。選擇合適的元器件，使得光斑的大小與諧振腔的 TEM00模一致。所以，這種結(jié)構(gòu)可以很高效的利用激光器發(fā)出的能量。此類端面抽運(yùn)激光器是結(jié)構(gòu)是縱向的，激光器的激活的一部分與 TEM00模體積匹配性很好。這樣的激光器，即使沒有光圈隔膜，也能夠輸出基模。模式匹配度越好，激光器的設(shè)計(jì)就會(huì)越精巧。席佩斯26設(shè)計(jì)出了如下圖所示的激光器結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的二極管能夠輸出功率為 200mW，波長為 808nm 的激光。經(jīng)過光學(xué)器件的耦合，聚焦，最終射到端面上。平凹鏡構(gòu)造的腔的抽運(yùn)端面

49、鍍上了高反膜。高反膜的波長是 1064nm，反射性很強(qiáng)，反射率能夠到達(dá) 90%以上。. . . . 16 / 45散熱器聚焦光器件激光二極管陣列后鏡對(duì)1064nm有高反射率對(duì)810nm有高透射率5cm曲率輸出鏡對(duì)1064nm波長的反射率為95%810nm的抽運(yùn)輻射TE制冷器圖 3.1 LD 端面抽運(yùn)的激光振蕩器這類系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生 TEM00模，總體來說，效率是很高的。端面抽運(yùn)的激光器構(gòu)造簡(jiǎn)潔，而且抽運(yùn)面積與 TEM00激光模之間有很好的重疊，這樣一來，效率就會(huì)提高很多。這種抽運(yùn)方式的固體激光器在固體棒(或片)的前端面鍍雙色膜，這樣一來，固體激光器振蕩的波長就會(huì)完全翻折，抽運(yùn)光波長幾乎無損耗的透過;

50、輸出面具有對(duì)所需的固體激光波長合適的透過率。目前，越來越多的激光介質(zhì)都適用這種結(jié)構(gòu)的激光器。例如：Nd3+: Bel, Nd3+: YAG 上述材料的光譜是不一致的，重點(diǎn)影響到的是激光的閾值和斜率效率。隨著研究的深入，目前激光器的端面可以摻雜多種元素，來改善激光器的性能，例如 Ho, Tm, Yb, Cr。上面所述的激光器的介質(zhì)形狀大多是片狀或者棒狀，唯一例外的是光纖激光器?，F(xiàn)在，越來越多的單模光纖激光器進(jìn)入人們的視野，這類激光器的孔徑小，閾值較低，所以能量利用率很高。二極管抽運(yùn)技術(shù)發(fā)展迅速，各種構(gòu)造新穎，功能更加完善，性能更加優(yōu)良的激光器正大量出現(xiàn)。(2)側(cè)面抽運(yùn) 高功率的二極管激光器就需要

51、用固體列陣激光器從側(cè)向來抽運(yùn)。結(jié)構(gòu)如下： . . . . 17 / 45平移裝置散熱器二極管陣列釹玻璃棒棒散熱器圖 3.2 LD 側(cè)面抽運(yùn)固體激光器的實(shí)驗(yàn)裝置側(cè)面抽運(yùn)的二極管陣列有很大應(yīng)用圍，僅通過耦合，二極管陣列排布到介質(zhì)上。40 個(gè)激光二極管次陣列構(gòu)成一個(gè)激光二極管，5 個(gè) 1cm 長的脈沖激光二極管構(gòu)成抽運(yùn)陣列。 當(dāng)二極管陣列的最大額定電流為 80A 時(shí)，一些參數(shù)如下：?jiǎn)蝹€(gè)脈沖的能量是 500mJ,脈沖寬度是 200s，譜線的寬度近似為 4nm。由于結(jié)構(gòu)的原因，抽運(yùn)的激活區(qū)域在棒部和片部的邊界部分，不能與 TEM00模體積很好的耦合，所以，多模會(huì)提高工作效率。3.2 激光二極管抽運(yùn)的微晶

52、片激光器的發(fā)展概況微晶片的構(gòu)造很精巧，諧振腔面都是平的，腔長短，因而系統(tǒng)整體較小，成本低，輸出性能很好，輸出為單一頻率，并且是高斯光束，特性好，發(fā)展前景廣闊?，F(xiàn)在激光器研究的熱點(diǎn)一是使功率提升，二是優(yōu)化結(jié)構(gòu)，使其更簡(jiǎn)單。微晶片與棒狀，片狀的介質(zhì)相比，具有很強(qiáng)的優(yōu)越性，用微晶片來替代，也是研究的一個(gè)熱點(diǎn)。 80 年代，開始研究單頻的激光器。其中，Nd3+: YAG 材料的微晶片激光器發(fā)展尤為迅速。在 Nd3+: YAG 的兩個(gè)端面均鍍光學(xué)膜構(gòu)成激光諧振腔，這樣來構(gòu)成激光二極管抽運(yùn)的微晶片激光器。這樣一來，諧振腔的腔長會(huì)減小，腔長減小會(huì)有益于單個(gè)縱模的輸出，激光器的體積也會(huì)隨之減小。但由于作為增益

53、介質(zhì)的 Nd3+: YAG 變薄，必然會(huì)降低抽運(yùn)光的吸收率。解決這一問題的方法有兩種，一種是令抽運(yùn)光被二次吸收，可以通過鍍反射膜來實(shí)現(xiàn)，第二種是. . . . 18 / 45提高抽運(yùn)效率，可通過提高功率或提高 YAG 中 Nd3+摻雜濃度來實(shí)現(xiàn)。809nm PumpStressPZTNd:YAG Microchip Laser1.06um Single-Frequency Output圖 3.3 1.064Nd3+: YAG 微晶片激光器m1989 年，林肯實(shí)驗(yàn)室利用摻雜 l.lWt%的 Nd3+的 Nd3+: YAG 微晶片激光器，將抽運(yùn)功率提高幾倍，成功觀測(cè)到了單縱模輸出，實(shí)現(xiàn)了 1.06

54、m 和 1.3m 的 Nd3+: YAG 微晶片激光器27。他們?cè)谳斎攵嗣驽兎瓷淠ぃ梢酝高^光束，在輸出端面同樣鍍反射膜來反射抽運(yùn)光。接下來，他們又研究了 1.064m Nd3+: YAG 激光器的頻率調(diào)節(jié)的性能28。通過施加應(yīng)力來改變偏振方向，使之與 Nd3+: YAG 的腔長相平行，進(jìn)而影響輸出的頻率。此實(shí)驗(yàn)所用的微晶片的尺寸是 0.65mm1.0mm2.0mm。輸入功率為 2030mW 的抽運(yùn)光，獲得了 12mW 的單個(gè)頻率的光束。對(duì) PZT 施加1000V 左右的電壓，當(dāng)調(diào)制頻率為 0 80kHz 時(shí)，調(diào)頻的速度是 30.3MHz/V。若提高頻率，增加到 80kHz 1.0MHz，則相

55、應(yīng)的，調(diào)頻頻率發(fā)生變化，為 1.5MHz/V。若繼mf續(xù)提高頻率，那么調(diào)頻的速度會(huì)變化到 13.2 MHz/V。 1990 年，英國研究出了構(gòu)造為半外腔的激光器，此二極管抽運(yùn)的 Nd3+: YAG 微晶片激光器可以對(duì) 1.3m 單頻進(jìn)行調(diào)整。此激光器的參數(shù)如下：晶體大小為3mm0.7mm，諧振腔長是 1.57mm，抽運(yùn)閾值是 100mW，最大功率是 10mW。一個(gè)端面是輸入鏡，輸出鏡是耦合的。PZT 控制耦合鏡和電壓，最高電壓為 1000V，可以得到 120 . . . . 19 / 45MHz/V 的調(diào)頻速率，其變化幅度是 120 GHz。LDOPTYAGOCOuputPZT圖 3.4 半外

56、腔結(jié)構(gòu)的可調(diào)節(jié) 1.3m 單頻 LD 抽運(yùn) Nd3+: YAG 微片激光器 1991 年，英國的科學(xué)家又利用 F-P 穩(wěn)頻的特性，調(diào)諧腔長，從而研究二極管抽運(yùn)的Nd: YAG 微晶片激光器的穩(wěn)定性。其選取的頻率為 1.3m 的波長。不穩(wěn)定時(shí)，譜線寬度為 5MHz，穩(wěn)定后，譜線寬度降到 88kHz。 1992 年，林肯實(shí)驗(yàn)室使用了 1.32m 的 Nd3+: YAG 微晶片，系統(tǒng)大小為lmmlmmlmm，來研究頻率，通過改變功率的大小來觀測(cè)頻率的變化。增大功率會(huì)改變?cè)鲆娼橘|(zhì)的溫度，從而改變折射率與諧振腔的長度。研究表明，電壓變化 10mV，功率隨之變化 8mW。1992 年，為了增大實(shí)驗(yàn)初始階段

57、抽運(yùn)燈的效率，貝爾實(shí)驗(yàn)室制造出了 Nd3+摻雜率為 3%的 Nd3+:YCeAG 激光器。要想增大 Nd3+的摻雜度，就需要降低抽運(yùn)閾值。此 1. 06m 單頻的二極管抽運(yùn)激光器的參數(shù)如下：諧振腔為 540m，抽運(yùn)波長為 0.809m。特別的，當(dāng)溫度為 220時(shí)，對(duì)應(yīng)的抽運(yùn)的閾值是 43mW。溫度每提高 1，波長變化1.2nm?？梢垣@得 180GHz 的調(diào)節(jié)圍。系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性較好。1993 年，林肯實(shí)驗(yàn)室使用諧振腔長度為 0.5mm，摻雜 1.8w t%的 Nd3+的二極管抽運(yùn)的微晶片激光器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行電光調(diào)節(jié)頻率的探究。此抽運(yùn)光是 810nm ,可以輸出的光為 1.064m，抽運(yùn)閾值大

58、小是 100mW，效率是 10%。當(dāng)抽運(yùn)功率數(shù)值達(dá)到閾值的幾倍時(shí)，可以輸出 10mW 的單縱模偏振。此類激光器的構(gòu)造如下圖 3.5 所示。. . . . 20 / 45ElectrodeNd:YAGLaser DiodeLeadOptic AxisCopper圖 3.5 電光調(diào)諧的微片激光器用 Nd3+: YAG 微晶片和電光晶體來組合成諧振腔。對(duì)電光晶體施加壓力，就會(huì)明顯改變晶體的折射率。最后得到，在電壓為 1kV 左右時(shí)，調(diào)頻速率為 14MHz/V，調(diào)頻圍變化是 01. 3GHz，圍可達(dá) 30GHz。 1994 年，美國的寶麗來公司和貝爾實(shí)驗(yàn)室合作研究了出了 1.3m 二極管抽運(yùn) Nd3+

59、: YAG 微晶片激光器的特性，單片 Nd3+: YAG 是用助熔劑法生長的，Nd3+的摻雜濃度為 4. 2 4.5%。腔長為 450m，為平行平面腔。抽運(yùn)光波長為 0.81m。用一個(gè) 1W 的激光二極管抽運(yùn)得到了功率為 120mW 的輸出，用兩個(gè)激光二極管抽運(yùn)獲得了功率為 210mW 的輸出。 在 1994 和 1995 年，德國科學(xué)家研究出了將一種新型激光器，此種雙頻二極管抽運(yùn) Nd3+: YAG 微晶片激光器可應(yīng)用到外差干涉儀來進(jìn)行測(cè)速。目前，激光二極管抽運(yùn)的 Nd3+: YAG 微晶片激光器展現(xiàn)出很大的優(yōu)勢(shì)，成為一個(gè)熱門話題，隨著研究的深入，此類激光器的性能將會(huì)大幅度提高。. . .

60、. 21 / 454 二極管抽運(yùn)的被動(dòng)調(diào) Q 微晶片激光器仿真研究在前幾章，我們研究了激光調(diào) Q 技術(shù)，詳細(xì)分析了激光二極管抽運(yùn)的微晶片激光器的基本構(gòu)成，抽運(yùn)技術(shù)的發(fā)展與優(yōu)勢(shì)。首先分析被動(dòng)調(diào) Q 激光器的理論，就會(huì)得到一些相互作用的關(guān)系，其中，諧振腔里的光子數(shù)的密度，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的密度，可飽和和吸收體中反轉(zhuǎn)粒子的密度是共同變化的。微晶片激光器的摻雜濃度很高、諧振腔的長度不長。下面將利用 Matlab 來仿真被動(dòng)調(diào) Q 微晶片激光器的特性，接下來討論研究可飽和吸收體處于激發(fā)的狀態(tài)時(shí)的吸收，就會(huì)得到連續(xù)激光二極管抽運(yùn)的被動(dòng)調(diào) Q 微晶片方程，此方程是耦合的，根據(jù)上述過程，對(duì)此被動(dòng)調(diào) Q 的過程進(jìn)行分

61、析。4.1 被動(dòng)調(diào) Q 耦合速率方程被動(dòng)調(diào) Q 的脈寬很窄，受抽運(yùn)源的影響極小可以忽略不計(jì)，那么可以得到下列的方程，此方程是被動(dòng)調(diào) Q 方程。此情況是在一般情況下，可飽和吸收體在處于激發(fā)態(tài)的狀態(tài)：(4.1)0l1n222()gsgs seses srgsgsgsesgsgsgsessdnln ln ldtRtdnc ndtdncndtdncndtnnn 在上面的式子里，下面參數(shù)光子數(shù)，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，基態(tài)粒子數(shù)，激發(fā)態(tài)粒子數(shù)，可飽和吸收體總粒子數(shù)的密度分別用，,，來表示。截面的表示esnngsnesn0sn有幾種形式：可飽和吸收體在基態(tài)，激發(fā)態(tài)，以與增益介質(zhì)被激發(fā)后的截面分別用，gses來表示。增

62、益介質(zhì)，可飽和吸收體沿諧振腔的中心軸線，等效光程的長度分別用 ，l. . . . 22 / 45，來表示。slcl激光腔體的耗散性的損耗用來表示，輸出鏡的反射率用來表示。 為光速；光Rc在腔中往返一周的時(shí)間用來表示；反轉(zhuǎn)因子記作，1 對(duì)應(yīng)于四能級(jí)系統(tǒng)，2/rcctl對(duì)應(yīng)于三級(jí)系統(tǒng)。若想研究連續(xù)脈沖的情況，就要用到調(diào) Q 速率方程，此方程適用于激發(fā)態(tài)的狀態(tài)。在連續(xù)抽運(yùn)時(shí)，可飽和吸收體吸收時(shí)，有以下關(guān)系式。這個(gè)方程組考慮到了影響因素，有抽運(yùn)的快慢、增益基質(zhì)上的處于高能級(jí)時(shí)間的長度、可飽和吸收體回到初態(tài)的時(shí)間。 (4.2) 001222ln1gsgs sessgssrpTagssgsgsgsgsdn

63、ln lnnldtRtdnnntc nRdtNdnnnc ndt 在上面的式子中，抽運(yùn)速率記作；增益介質(zhì)的總粒子數(shù)密度用來表示；( )ptRTN增益介質(zhì)的處于高能級(jí)的時(shí)間長度記作；可飽和吸收體恢復(fù)到原來狀態(tài)所需的時(shí)間a記作。gs若按照上面的式子，與實(shí)際情況是有差別的，在實(shí)際情況中，通常將晶片的摻雜濃度提高，因而增大了增益介質(zhì)的最大粒子反轉(zhuǎn)數(shù)，所以，在抽運(yùn)項(xiàng)中添加了因子來模擬實(shí)際情況29。(1/)TnN4.2 被動(dòng)調(diào) Q 耦合速率方程組數(shù)值仿真將數(shù)值代入上述的耦合方程組，仿真得到被動(dòng)調(diào) Q 脈沖輸出的情況。參數(shù)值不同，得到的結(jié)果也就不同。連續(xù)抽運(yùn)下的調(diào) Q 脈沖序列建立過程的耦合方程組，然后仿真

64、，可以看出在參量不同時(shí)，被動(dòng)調(diào) Q 脈沖輸出的情況。查閱文獻(xiàn)，結(jié)合實(shí)際，就可以得到微晶片激光器各物理量系數(shù)的典型取值，Nd3+:YAG 和 Cr4+: YAG 的折射率分別記作和。1n2n. . . . 23 / 45在 MATLAB 中進(jìn)行編程，可以求解該微晶片激光器對(duì)應(yīng)的速率方程組，可仿真出當(dāng)時(shí)間變化時(shí)，光子數(shù)密度，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的密度和基態(tài)粒子數(shù)密度變化的曲線。下表給出的是各物理量系數(shù)的典型取值。表表 4.14.1 各物理量系數(shù)的典型取值各物理量系數(shù)的典型取值物理值物理值典型值典型值單位單位物理值物理值典型值典型值單位單位5.410-232mgs8.710-232mes2.210-232mT

65、N1.6810263m1n1.822n1.800.02l1mma750ssl1mmgs3s1在 MATLAB 中，調(diào)用函數(shù) ode45()，這個(gè)函數(shù)是用來求解常微分方程初值問題的，將上表中的各參數(shù)值代入上面的方程組，連續(xù)抽運(yùn)被動(dòng)調(diào) Q 速率方程組式，求解數(shù)值，附錄中附有程序的源代碼。運(yùn)行程序即可得到被動(dòng)調(diào) Q 的仿真情況，如下圖。從圖中可以看出，在被動(dòng)調(diào) Q過程中，隨著時(shí)間的增加，光子數(shù)密度，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度和可飽和吸收體中處于基態(tài)的粒子數(shù)密度都會(huì)隨之變化。00.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.050510 x 1023光 光 (s)光 光 光

66、光 光 (m-3)00.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.05010 x 1024光 光 (s)光 光 光 光 光 光 光 (m-3)00.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.0505x 1024光 光 (s)光 光 光 光 光 光 光 (m-3). . . . 24 / 45圖 4.1 被動(dòng)調(diào) Q 仿真分析結(jié)果可以在 MATLAB 中調(diào)用 plotyy()函數(shù)，這樣，現(xiàn)象更清晰。隨時(shí)間變化，將被動(dòng)調(diào)Q 過程中光子數(shù)密度和反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度在同一個(gè)圖中作出，可以看出，在此過程中，新的脈沖產(chǎn)生就會(huì)伴隨增益介質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度的劇烈下降。00.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.050510 x 1023光 光 (s)光 光 光 光 光 (m-3)00.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.05051015x 1024光 光 光 光 光 光 光 (m-3)圖 4.2 被動(dòng)調(diào) Q 中光子數(shù)密度和反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度隨時(shí)間