激光二极管抽运的被动调q微晶片激光器仿真研究毕业论文(编辑修改稿)

激光二极管抽运的被动调q微晶片激光器仿真研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

使得相应的一小部分入射光线溢出腔， Q 值就会变得不高。 粒子汇聚，高能级上会越来越多。 换能器关闭，谐振腔约 Q 值恢复到之前的水平，得到激光输出。 这种调制方式有许多优点，最重要的是，能量等损耗很低。 但是也会有一些其他的干扰因素，例如在传播中，声波在介质中，速度会降低，所以，应用条件也会有限制，应用最多的方面在低增益介质的连续抽运激光器的重复调 Q。 通过带有压电换能器的激光 器，能量发生转换，电能转换成超声波能。 将超声波射入石英体中，此石英体带有 Q 开关。 将电压断开，激光器就又恢复到 Q 值较高的形态。 假若熔融状的石英处于未被通过的状态，即高透射率时，在无超声波通过时，激光器就输出脉冲 [6~9]。 (3)电光调 Q 电光调 Q 技术是当下适用面最多的技术。 电光效应速率很快，可以利用特定的晶体来制作电控光闸，此种闸速率非常快。 如下图 所示 [10]，此装置装有电光盒。 当闪光灯工作时，在电光盒上加一个电压，数值为 4V ，经过起偏器以 后，偏振光发生变化。 由线性转变为圆形。 辐射经过反射之后，又一次经过电光盒，间隔 4 的延时后，变化为角度偏转 90 度的线性偏振光。 光反馈会对实验产生影响，但是此辐射通 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 10 页 过起偏器，所以避免了这个因素。 在脉冲将要消失的时候，将电压断掉，就可以避免偏振光的消耗。 经过这样的一个过程，谐振腔就会产生震荡，经过一小段时间的延迟，就会有脉冲输出。 在 (b)中，要达到光束透射的目的，就需要给光电盒子施加电压。 这样的 Q 开关是由这样的脉冲控制的。 在偏振器中间有电光盒。 与前面的 结构一致，如果偏振光由介质输出了，起偏器 1P 就不再需要了。 在没有电压的情况下，偏振器不会发生变化，此时，Q 值是最小的。 经过一段时间后，将数值为 2V 的电压附加在电光盒上，就会使光束发生变化，会旋转一定的角度，精确来讲为 90 度，这样一来，光束正好通过检偏器 2P。 后续接连发生连锁反应，就会又通过检偏器 2P 和 电光盒。 又会旋转 90 度。 经过这样的过程，光束已经旋转了 180 度，就可以正好通过 1P。 电光调 Q 具有很多优点，例如响应速度快，良好的调 Q 时刻的掌控，可以获取极窄的脉冲宽度，能够获得的峰值功率也非常高。 激光棒输出镜输出镜激光棒偏振器泡克尔斯盒后镜检偏器外加电压引起 λ / 4 延迟外加电压引起 λ / 2 延迟( a )( b ) 偏振器泡克尔斯盒 图 (a)工作在  /4, (b)工作在  /2 延迟电压的电光 Q 开关 被动调 Q，是建立在 具有某些特定的可饱和吸收体的激光器上， Q 值自动发生变化的一种方法。 被动 Q 开关是光学器件，其装满有机染料，或者掺杂晶体，随着能量的提高，光学器件就会越来越趋近饱和，透明性越来越高。 在能量密度达到某一很高的值时，材料就会饱和，透射率就会比较高。 只有基于光谱跃迁的饱和，才会发生可饱和吸收体 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 11 页 中的漂白过程。 被动调 Q 技术 利用可饱和的吸收体的性质来改变 Q 值。 增加谐振腔的光强，当到达一定程度时，饱和吸收体就会变得透明起来，透射率很高。 在光谱跃迁的基础上，可饱和吸收体会产生“漂白”。 若在谐振腔中放置一种高吸 收率的材料，那么激光的震荡急剧降低， Q 开关关闭。 介质中的反转粒子数增加，光通量迅速增加，这时就会使被动 Q 开关到达饱和状态 [11]。 谐振腔的损耗下降， Q 开关脉冲就建立起来了。 Q 开关是由激光辐射自身启动的，不用外加电压，等设备。 与传统的激光器相比，激光二极管抽运的被动调 Q 激光器有很多优势，优点如下： (1)典型的腔长数量级为毫米，亚毫米级别，甚至可以降低到皮秒级别，使得易产生单纵模的激光。 (2)系统的体积小，可以到达毫米量级。 (3)设计简单，便于调整，易于维护。 在实际应用中，有些领域需要稳定的输出，其稳 定性差，故不能广泛应用。 0 . 0 0 . 2 0 . 4 0 . 8 1 . 00.9 0.8 0.7 0.6 0.5透射率能量密度 /( 焦耳 / 平方厘米 ) 图 厚度为 的 Cr 4 : YAG 吸收体的透射率和能量密度之间的关系 为了增加耐用性和可靠性，人们采取了两种方法，一种是掺杂吸收性离子，另外一种是加入色心。 现在应用最广泛的材料是 Cr 4 : YAG。 Cr 4 离子在激光的波长段吸收面 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 12 页 积很大，能够很好地吸收，有较小的吸收残余 YAG 晶体的物理，化学特性都很稳定。 吸收带宽高，掺杂度高，导热率较高，性能很好。 这样一来，被动调 Q 固体激光器的性能有很大提升，效率提高，因而得到了 很广泛的应用。 可饱和的吸收材料可以用下图的能级结构来表示，在能级 13 中发生跃迁。 3~2 能级跃迁很快。 只有基能态的吸收截面很大，才适合作为被调 Q 的材料。 与此同时，上能态能级 2 存活时间必须足够长，才会大量消耗基能态的粒子数。 若光通量不足以排空基态能级的粒子数，那么激光器谐振腔中的吸收体就不会透过激光辐射。 反之，如果粒子数目达到一定数量，那么吸收体就会变成透明的。 可饱和吸收体的能级图如图 所示。 对于可饱和吸收体来说，吸收系数为如下，其与光线强度有关 [12]。 速率方程如下式： 0() 1SE E E   () 式中， 0 为小信号吸收系数， sE 为饱和能量密度， s gshvE  () 能级 1→ 3 跃迁的吸收截面用 gs 来表示。 1243快慢快τ AB 图 A 为 gs ， B 为 es ,分别是基态和激发态的吸收，激发态的寿命记作  可饱和的吸收体的参量有以下：初始的透射率为 0T ， 使得饱和吸收体变为透明的能量密度 SE ，将可饱和吸收体漂白后，可以得到小信号的透射率是 0 00e x p ( ) e x p ( )s g s sl n lT     () 可饱和的吸收体的厚度用 sl 来表示。 基能态的粒子的密度用 0n 来表示。 在可饱和的吸收体介质中，位置不一样，则光通量和粒子密度也不同。 所以要想算出参数是能量密 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 13 页 度的透射率，需要就必须考虑这两项因素。 理想情况下，可饱和的吸收体对应不同的入射光能量，透射率可以表示为： 011sE EsiET In e TE    () 近似的，若 sEl 和 sEE 时 ， 上式可分别化简写作 0iTT 和 1iT。 然而实际情况中，即使调 Q 材料能够在基能态表现出饱和的特性，仍旧不可能达到完全的透射，因为光子会被受激原子吸收。 上图 可以看出，能级 2 向能级 4 跃迁，跃迁与能量相对应。 基态的粒子数逐渐减少，消耗殆尽，能级 2 与 4 之间吸收会增加。 当基态达到饱和的状态时，激发能态会发生吸收，激光腔内就会发生残余损耗。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 14 页 3 激光二极管抽运的微晶片 激光器 六十年代，固体的激光器获得了迅速的发展。 因为效率不高，还存在热效应，传统的灯抽运的固体激光器并未获得深入的发展。 随着研究的深入，到了 80 年代后期，出现了全固态的激光二极管的固体激光器。 这种激光器有许多优点，效率很高，使用时间长，可靠性好。 全固态的激光器扬长避短，在各个领域获得了广泛的应用。 发展最迅速的是二极管抽运的微晶片激光器，是激光的重要发展方向。 微晶片激光器都能够保证输出单频的理想的光束，为高斯型。 因为微晶片激光器的谐振腔的截面都是平面，腔长不长，这种激光器的构造不复杂，成本低，发展前景很好。 激光二极管抽运技术 激光二极管抽运的固体激光器指的是用激光二极管作为激励源去抽运激光晶体的固体激光器。 与传统的闪光灯抽运相比，具有很明显的优点。 工作效率很高，体积较小，激光输出性能好，使用寿命长，使得其成为固体激光器的重要发展方向之一。 激光二极管抽运技术的发展 在 1960 年，纽曼第一次提出激光二极管抽运的固体激光器的设想，随后通过不断地实验研究，最终在 1962 年制造出了激光二极管，这也是世界上最早的激光二极管 [13]。 由于其输出的波长和激光晶体 (Nd 3 掺杂 )的吸收带的吻合性 较好，所以，从理论上讲，可以生产出激光二极管抽运的效率高，体积小，使用时间长的激光器。 1964 年，来自美国的林肯实验室 [14]第一次实现了激光二极管抽运的激光。 1968 年，麦道公司成功运行二极管抽运的 Nd 3 : YAG 的激光器 [15]。 1971 年， Qstermeys[16]称利用二极管抽运，获取了功率为 ，宽度为 1064nm 的激光。 早期，二极管必须在液氮下工作，主要用于实验，这个时期，二极管抽运的激光器还很不成熟，采用的是同质结结构，效率低下，波长范围也很小 [17,18]。 随着研究的深入， 激光二极管可以不必在液氮下工作，可以在室温进行，但是性能不够完备，输出功率和效率比较低 [19,20]，还不能进入市场。 八十年代后，物理，化学等基础科学的进步也促进了激光的发展。 尤其是分子束外 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 15 页 延，金属化学气相淀积这类技术的快速发展，量子阱结构等技术的发展，使阈值电流降低成为可能。 这样一来，二极管的输出功率以及转化效率得到极大的提高，波长范围展宽，使用时间也增长很多。 加之微通道制冷 [21]技术的发展，使得大功率激光器成为可能。 成本降低，价格随之降低，有些已经进入市场，被人们广泛使用。 劳伦斯 .利弗莫尔实验室 (LLNL)已经成功输出了 70W,273W, 1050W 的功率，其采用微通道冷却激光二极管阵列来抽运 Nd 3 : YAG 晶体板条。 OPC 公司生产的 60W 集成化光纤藕合已经步入市场，麦道公司的峰值为 350kW 的激光器也得到了广泛应用。 二极管的快速发展，带来了新型固体激光材料和二极管抽运技术的繁荣。 全固体激光二极管应用到各行各业，在 DPSSL 锁模运转 [22,23]单频运转 [24]和频率转换 [25]等方面获得很大进步，已经能够实际应用。 激光二极管抽运技术的优点 (1)提高了工作效率 在 808nm 时，跟传统的闪光灯的发射带相比，激光二极管的发射带能够与钕吸收带进行很好的光谱匹配，因而其产生的抽运速率很高。 从表面上看，激光二极管的辐射输出能量与输入能量相比，即效率，只能够到达 25%— 50%，而闪光灯的辐射输出能量与输入能量相比，即转换效率，能够到达 70%。 激光二极管比闪光灯的效率低得多。 但是，钕吸收带不一样，只能吸收极小的一部分灯的辐射能量，而激光二极管可以自行选择输出波长，若选定某种固体激光器，我们能够自行设定，达到完全处于吸收带的状态。 (2)延长了元件的寿命 在处于连续工作的 状态时，激光二极管阵列可以使用时间是 104h，可以产生 109次脉冲。 在连续工作时，闪光灯能够使用时间是 500h，可以产生 sE 次脉冲。 所以激光二极管抽运固体激光器比闪光灯抽运的激光器有很大的优越性。 其系统的寿命长很多，可靠性也高许多。 (3)改善了光束质量 将激光二极管抽运固体激光器的发射与长波长钕吸收带之间的光谱进行合理匹配，就会降低激光材料积累热损耗，这样就会减小热透镜的效应，提高光束品质。 另外，合理利用激光辐射的方向性，那么抽运辐射与低阶模的光谱 就会很好的匹配，就可能输出 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 16 页 亮度极高的激光。 (4)增大脉冲重复率 准连续激光二极管不但能像传统的闪光灯一样有较低的重复率，而且能像连续的弧光灯一样连续运行。 带有此种二极管的固体激光器可以运转在几百赫兹到几千赫兹的重复率范围内。 (5)有利于健康。