（光学专业论文）长脉冲中红外er：yag激光器的研制.pdf

长脉冲中红外e r ：y a g 激光器的研制 论文题目：长脉冲中红外e r ：y a g 激光器的研制 专业：光学 硕士生：金涛 指导教师：江绍基教授 摘要 近年来出现的一种新型激光器掺稀土铒的钇铝石榴石( e r ：岖) 固体 激光器在脉冲氙灯泵浦的条件下可以发出波长为2 9 4 | lm 的中红外激光光束，这 个波长恰好位于水对光的吸收主峰处，因此被水以及含水丰富的人体组织强烈吸 收，并且不会产生烧灼结痂。e r ：y a g 的这一特性使得该种激光器十分适合用于 穿透手指皮肤进行无接触采血。但经过近年来人们对e r ：y a g 激光器的研究发现， 这种工作在中红外波段的激光器的腔镜十分容易损坏，低损伤阈值腔镜也成为了 限制高脉冲能量e r ：y a g 激光器应用的瓶颈。本文通过理论与实践相结合的方式 实现了长脉冲高能量的e r ：y a g 激光器的研制，并使其达到了激光采血的要求。 本论文首先阐述了中红外e r ：y a g 激光的发光机理和激光器设计原理，而后 介绍了其在采血中的应用。分析了这种技术的可实现性以及能量转换效率和限制 因素。针对这种限制因素，文章着重研究了中红外高损伤阈值激光腔镜的相关特 性以及制作工艺。 论文继而在光学薄膜的理论基础上论述了中红外高损伤阈值薄膜的光学特 性以及制各工艺，详细地论述了影响薄膜损伤阈值的各种因素和解决方案，并使 用实验的方法统计了一套有效地制备低成本、高损伤阈值的中红外激光腔镜的工 艺。 最后，制作了长脉冲e r ：y a g 激光器，并在1 h z 的脉冲频率下成功实现了大 于o 8 j 脉冲的激光输出。此外，还进行了端面镀膜的内腔e r ：y a g 激光实验，成 功输出稳定的脉冲激光。实验证明，本工作中的e r ：y a g 脉冲激光可以有效的穿 透人体皮肤组织，这也验证了本设计理论和方法的有效性。 关键词：e r ：y a g 、激光器、损伤阈值、腔镜、镀膜 长脉冲中红外e r ：y a g 激光器的研制 t h es t u d ya n df a b r i c a t i o no fl o n gp u l s em i d i n f r a r e d e r ：、限gl a s e r t h e s i sf o rm s t a oj i n d i r e e t e db yp r o f s h a o j ij i a n g a b s t r a c t e r b i u m - d o p e dy a g ( e r 、，a g ) l sa na c t i v el a s e rm e d i u ml a s i n ga t2 9 4 0n m 1 i sa b s o r p t i o nb a n d ss u i t a b l ef o rp u m p i n ga r ew i d ea n di o c a t e db e t w e e n 4 0 0 9 0 0n m a l l o w i n gf o re 忻c i e n tf l a s h l a m pp u m p i n g t h ee r ：y a gl a s e rb e a m c o u p l e sw e l ii n t ow a t e ra n db o d yf l u i d s m a k i n gt h e me s p e c i a l l yu s e f u if o r m e d i c i n ea n dd e n t i s t r yu s e s ；i tj su s e df o rt r e a t m e n to ft o o t he n a m e ia n di n c o s m e t i cs u r g e r y h i g hp u l s ee n e r g ye n y a gl a s e ro nt h eo t h e rh a n di su s e d f o rn o n i n v a s i v eb l o o ds a m p l i n g h o w e v e nr e s e n ts t u d i e ss h o wt h a ti a s e f m i r r o r so fh i g hp u l s ee n e r g ye r ：y a gi a s e rh a sv e r yi o wi a s e ri n d u c e dd a m a g e t h r e s h o l dw h i c hc a nc a u s es e n o u sc o n s e q u e n c e sa n ds t o pl a s e rf r o mw o r k i n g f o ri o n gt i m e i nt h i sw o r k w ea n a l y z e da n ds o l v e dt h i sp r o b l e mw i t h f a b d c a t i n gal o n gp u l s eh i g he n e r g ye r ：y a gl a s e ra n de x p e n m e n t a l l yp r o v e d t h a ti tc a nb eu s e di nb l o o ds a m p l i n g f i r s t l y , am a t h e m a t i c a lm o d e l i n g b a s e do nr a t ee q u a t i o n s w a su s e dt o e s t i m a t et h et h e o r e t i c a ll i m i to ft h ee m i s s i o ne f f i c i e n c yo f3 p me r ：y a gl a s e ri n f r e e - g e n e r a t i o nr e g i m e s s e c o n d l y , as t u d yh a d b e e nc a r r i e do u tt od e s i g na n df a b r i c a t et h em i r r o r s f o rl a s e r so p e r a t i n gi nt h em i d - i n f r a r e d ( s p e c i f i c a l l yf o r2 9 4 m ) b yc h e c k i n ga v a d e wo fc o a t i n g sa n ds u b s t r a t em a t e r i a l s s e v e r a im i r r o r sw e r em a d eo u tf o r t h el a s e r 们a tp a r t i c u l a r l yw o r k i n ga t2 9 4 p m b yc o m p a r i n gd a m a g ed a t u mo f b o t hw a v e l e n g t ho f i 0 6 p ma n d2 9 4 p ms h o o t i n go nt h es a m p l e s ，w ef i n a l l y r e s o l v e dt h ep r o b l e no ft h er e l a t i v e l yi o wd a m a g et h r e s h o l do fm i d i n f r a r e d c o a t i n g sa n d f i n do u taf e a s i b l ea n de f f i c i e n tw a yt om a k em i r r o r sw o r k i n ga t m i d i n f r a r e dw i t hh i g hd a m a g et h r e s h o l d s o m eo ft h em i r r o r sa r et e s t e db ya n er = 、，a gi a s e rw o r k i n ga tl o n gw a v em o d ea n df o u n do u tt ob eg o o d a tl a s t 鹏e x p e r i m e n t a l l yb u i l tal o n gp u l s ee r ：y a gl a s e rw i t h0 8 j p l u s e u n d e rp u m p i n gf r e q u e n c yo f1h z 。t h i ss c a l eo fe n e r g yi sa l r e a d ye n o u g ht o p e n e t r a t eh u m a n s k i nw i t ho n l yo n ep u l s e w h a t sm o r e 。w ea l s om a d ei n t e m a l l a s e rm i r r o r sw i t ht h ec o a t i n go nb o t he n ds i d e so fs m a l ld i m e n s i o n a ll a s e rr o d ， a no u tp u to f8 0 m j ，d u l s ew a s s t e a d i l yo b t a i n e d k c y w o r d s ：e r ：y a c ia s e f d a m a g et h r e s h o l d ，l a s e rm i r r o r , c o a t i n g 埘 长脉冲中红外e r ：y a g 激光器的研制 1 e r ：y h g 激光与激光医疗 刖声 e r ：y a g 激光器在六十年代中期已经出现，但是由于其单程增益较小，直到 九十年代才在医学应用中受到重视，各先进国家相继报道了e r ：y a g2 9 4 1 1 m 激 光在牙科、皮肤美容、眼科、骨科、t l , d n 管及验血采样等方面的研究工作。我国 上海、北京、合肥等地的光学工作者及医生也在近年开展了e r 激光医疗应用研 究。 2 9 4 i l m 激光的生物作用机理 激光与生物组织的作用基本类型大致分为五类：光致发光作用、光致发热作 用、光致化学作用、光致压强作用和光致生物刺激作用。波长为2 9 4 1 1 m 激光与 生物组织的作用以光致发热作用为主。 2 9 4 “m 激光与生物组织作用特点： 1 2 9 4l lm 激光被水分子强烈吸收。从图l 中可以看出，水的吸收率与波长 的关系在2 0 l a m 附近有一吸收峰，在3 0 u m 有一最大吸收峰，2 9 4 u m 的e r 激 光菲常接近3 o i m 的吸收蜂，能够被水分子强烈地吸收。通过表1 比较可知，水 对2 9 4 u me r 激光的吸收比对2 1 0 u mh o 激光的吸收要大两百多倍，而比波长 为1 0 6l lm 的n d ：y a g 激光的吸收要大一万多倍。生物细胞中7 0 以上( 有的高 达9 0 ) 均为水分，2 9 4un l 的e r ：y a g 激光是极易为水分子吸收的激光品种，可 以用较小的能量取得较大的作用效果。这一优越性是其它波长所不及的，利用它 可以进行极为精确的切割和软组织切除手术。 图1 水的吸收谱图 激光器n d ：y a gh o ：y a gc o ：e r ：y a g 激光波长( i n 1 ) 1 0 62 1 0i o 62 9 4 吸收系数( c m l ) l5 07 9 0 1 3 0 0 0 2 组织穿透作用 表1 水对不同激光的吸收系数比较表 表2 为不同波长激光在水中的透射深度比较。可见2 9 4i tm 激光在被生物 组织强烈吸收的同时，穿透深度非常浅，只有2 1 0 弘i l lh o 激光的约1 3 0 0 。因 此2 9 4um 的e r 激光极易被体液吸收，同时对邻近组织的热扩散和机械损伤 均很小。 表2 不同激光在水中的透射深度比较表 2 长脉冲中红外e r ：y a g 激光器的研制 i激光波长( i i m )2 1 02 o l2 9 4 i l 水中的1 e 射入深度( “m ) 4 8 02 0 01 4 i 3 2 9 4i am 的e r 激光除了被骨胶原周围水分强烈地吸收外，也被坚固的生 物物质中的有机物和无机羟磷灰石强烈吸收，因此可用于皮肤精细作业及切割， 切除牙齿珐琅质及骨头等硬组织。 4 e r 激光具有特殊的生物物理效应：3pm 辐射与水饱和的生物组织相互作 用的性质相当于有限体积的瞬时加热，在该体积内压强升高，伴随物质( 如血液) 由切口处涌出，不产生血凝现象，不能够止血，正是这一与其他激光器不同的特 点使得e r ：y a g 激光器被用来研制替代柳叶刀或刺血针的激光采血装置。 2 高能脉冲e r ：y a g 激光在激光采血方面的应用及发展瓶颈 近期，国内外一些专家提出利用铒激光易被水吸收和可在极短时间内使皮肤 瞬间温度达到1 0 0 0 y 3 且不会因为热效应导致伤口结痂这一特点，提出研制代替 传统针采的采血仪器。在采血过程中，仪器中的激光发射器在不超过5 0 0ps 时 间内发出一束波长为2 9 4 l lm 的激光，在导光系统的引导下，聚焦的光束打在采 血者手指的表皮处，在li ls 时间内使皮肤瞬间温度达到1 0 0 0 摄氏度左右，组织 溶解、挥发，出现一个o 3 _ o 5 毫米的小孔，从而实现采集血液样本的目的。标 本广泛运用于血常规、血型、各类干化学测试等一切使用适量末梢血的分析项目， 其结果客观、准确，更避免了因采血而产生的交叉感染。 然而，多年来铒激光器在国内得不到普遍使用的关键原因之一是中红外水吸 收峰波段的镀膜技术没有得到足够的重视和发展，特别是高损伤阈值的中红外镀 膜技术，一直是限制e r ：y a g 激光器广泛应用的瓶颈。 由于e r ：y a g 激光采血仪属于中红外激光医疗设备，其激发光波长为2 9 4 1 a m 。 该波长的光与水分子的震动频率相吻合，因此在水中被极强烈的吸收，吸收系数 达到i x a - - - - 1 3 0 0 0 c m 。这一特点决定了e r ：y a g 激光器在医疗领域的广泛应用性， 同时但也导致了该激光器腔镜镀制的困难。反射腔镜作为激光器最脆弱的部件， 对环境湿度的反应也最为灵敏。从商用激光腔镜提供参数来看，这一波段的薄膜 损伤阈值( 亚毫秒脉冲辐照下的典型值为2 0 0 4 0 0 j c m 2 ) 通常比可见一近红外 波段的薄膜( 1 0 n s 脉冲辐照下的典型值为1 0 4 0 j c m 2 ) 低一个数量级。 国外针对中红外波段薄膜受环境的影响问题“1 以及部分薄膜材料在2 8 p m 和 3 8 蛳波段的损伤阈值进行了一定的研究1 2 - - 6 1 但由于国外不同研究所得出的结 论并不完全一致，且相比于可见一近红外薄膜的研究，仍然十分不完备，因此其 参考性和实用性有待提高。而国内虽然对2 9 4 帅的e r ：y a g 激光器有一些研究” ”，激光采血仪也已经在实验上得到实现，但其相对的激光腔镜镀膜技术仍然是 应用的瓶颈，且非常少有针对中红外薄膜做系统研究的文章。目前，全国还找不 到一家类似的镀膜生产单位。正在研究试镀的科研单位全国也只有一、二家，而 且大多使用昂贵的镀膜材料。本文的目的和研究重点就是研究设计2 9 4 u m 这一 中红外波段的高损伤闽值镀膜工艺和损伤阙值检测技术，一旦包括晶体端面镀膜 的试验全部成功，将突破瓶颈，推动铒激光器的大力发展。 在以下的各个章节中，将会系统的论述e r ：y a g 激光器的能级理论、激光器 的设计方案、膜材料的选配和参数测量、高损伤阂值e r ：y a g 激光腔镜的设计原 理和制备工艺方法以及模拟采血实验和讨论分析。 4 长脉冲中红外e r ：y a g 激光器的研钥 本节参考文献 【1 】jr p a l m e r ”e n v j r o n m e n t a ls t u d yo f s i n 舀ea n d m u l t i l a y e rd i e l e c t r i cf i l m sf o r2 8 t t ms u b j e c t e d t oh u m i d 时，e t h a n o l ，h fa n dh 2 s ”，p r o cb o u l d e rd a m a g es y m p o s i u mn b s s p6 6 9 ，3 2 2 3 4 8 ( 1 9 s 2 ) 【2 】j i lm i l w a r d , k l l e w 咄a m p i t ta n dj k i r t o n , i l b o v e r e n da n dd i lg i b s o n , j l e o n a r d a n da h e n d r y “l a s e rd a m a g ei s s u e sf o rm i d - i ro p t i c a lp a r a m e t r i co s c i l l a t o rm i n o r s , s p i e v 0 1 2 l1 4 2 2 0 - 2 3 0 【3 】kll e w i s , amp i t t , mc o r b e t t , rb l a c k e ra n djs i m p s o n “p r o g r e s si no p t i c a lc o a t i n g sf o r t h em i d - i n f r a r e d , s p i ev 0 1 2 9 6 6 ，1 6 6 - 1 7 7 【4 】s jh o l m e s “d i e l e c t r i c - e n h a n c e dm i r r o r sf o r2 - 6 p r or e g i o n , p r o cb o u l d e rd a m a g e s y m p o s i u mn b ss p5 0 9 3 8 5 3 9 8 r 1 9 7 7 ) 【5 1 jop o r t e n s ，tmd o n o v a n , jlj e r n i g a na n dwnf a i t h ”m u l t i t h r e s h o l de v a l u a t i o no f l 0 0 p u l s e dl a s e rd a m a g et oc o a t i n gm a t e r i a l sa t2 7a n d3 8 p mw a v e l e n g t h s ”p r o cb o u l d e r d a m a g es y m p o s i t m ab i b ss p5 4 1 ，2 0 2 2 11 ( 1 9 7 8 ) 【6 】jad e t r i oa n dr dp e t t y 。c wl a s e rd a m a g ei na rc o a t e da l k a l i n ee a r t hf l u o r i d e sa t3 8 p m ” p r o cb o u l d e rd a m a g es y m p o s i u mn b ss p7 8 8 5 ( 1 9 7 8 ) 【7 1 张秀容，吴光照，马笑山等。2 9 4 p m y a g ：e r 3 + 激光器的研究”中国激光，1 9 9 1 ，1 8 ( 8 ) ：6 3 m 6 3 2 【8 1 鲍良弼，叶兵，袁自钧，程萍，刘福峡等，“er ：y a g 激光器及其应用研究”， 2 0 0 i 。2 4 ( 1 ) ：2 3 - 2 7 长脉冲中红外e r ：y a g 激光器的研制 第一章e r ：y a g 激光器的理论研究 i ie r ：y a g 晶体能带的理论研究 对e r ：y a g 晶体能带理论的研究是研究激光器工作物质的第一步，铒能级跃 迁的特点是选择泵浦源的依据。四能级系统和速率方程是了解激光器的理论基 础，对后面的研究具有指导作用。 如图1 i 所示，2 9 4 1 1 me r ：y a g 激光晶体的工作方式是四能级泵浦，其主要 工作能级是4 ，l 。_ 4 ，：这两个工作能级中上能级寿命明显比下能级寿命短， 这给实现粒子数反转带来很大困难，这种现象被称为自终态现象。但是尽管具有 这样的限制，高效的准连续激光和自由震荡脉冲激光仍然可以获得”刃。这主要 是因为e r ：y a g 激光晶体中的交叉弛豫现象造成的【3 】。这种现象在高搀杂的晶体 中更容易出现。在高搀杂的e r ：y a g 晶体中，除了一般的4 厶。哼4 ，：能级泵浦以 外，在其他能级还有很多不同的的能量转移过程，这些能量转移过程中，有些会 47 削弱粒子数反转，例如上能级1 1 1 2 的激发 4 1 使得该能级粒子数倒空；而有些过程 会削弱这种倒空现象，如来自4 最，：能级和4 厶，：的交叉弛豫。这些能量转移过程 的综合效果使得e r ：y a g 激光上下能级之间的循环激发更加有效。在调q 的e r ：y a g 激光器中，上述交叉弛豫过程由于过于缓慢而无法起作用，因此e r ：y a g 的调q 非常难于实现，本工作中也没有涉及到这方面的工作，所以这里不加以详细说明。 7 笺二至垦! 坠鱼墼堂墅塑型笙堡窒 2 0 0 0 0 1 5 0 0 0 1 0 0 0 0 5 0 0 0 o ( 5 ) ( 4 ) ( 3 ) ( 2 ) ( 1 ) ( a )( b ) 4 f 7 2 4 控2 h 2 0 3 2 4 ： 4 1 9 2 4 1 1 1 ，2 4 i 1 3 2 图1 1 e r ：y a g 激光晶体能级图，其中包括了( a ) 4 ，l m 能级的激发 ( b ) 4 i ，2 能级的激发；( c ) 4 墨2 能级的交叉弛豫。 为了理解2 9 4 p r oe r ：y a g 激光器的工作过程和特性，我们有必要建立e r ：y a g 晶体能级之间的动力学过程，也即激光速率方程。下面将详细地介绍e r ：y a g 激 光晶体能级的相关特性。 1 2e r ：y a g 晶体的吸收光谱及荧光光谱 e r ：y a g 晶体的吸收光谱如图i 2 所示，铒离子从基态4 ，。：到4 。，4 。， 4 厶，2 ，4 ，：和4 墨，：的跃迁吸收谱都可以观察得到。 8 7luo一客j。c山 长脉冲中红外e r ：y a g 激光器的研制 垂址 o5 0 0l o o o 1 5 0 02 0 0 02 5 0 03 0 0 0 w a v e l e n g t h ，n m ( a ) 墓 3 0 0 3 5 04 0 0 4 5 0 5 0 05 5 0 6 0 0 w a v e l e n g t h ，n m ( b ) 零 乏 旦 巴 c q 皂 o d 1 4 0 01 4 5 01 5 1 5 5 01 6 1 6 1 7 w a v e l e n g t h ，n m ( c ) 图1 2e r ：y a g 晶体吸收光谱，其中( a ) 为3 3 0 n a - 3 0 0 0 n m 的吸收谱； ( b ) 为3 3 0 n = 一7 0 0 n = 的吸收谱；( c ) 为1 4 0 0 r n a - 1 7 0 0 n m 的吸收谱 e r ：y a g 的荧光光谱如图1 3 所示，由于本工作中只分析2 9 4 t i m 的e r ：y a g 激 光输出，因此只给出了能级4 厶。专4 i i 。之间的跃迁荧光光谱。 2 6 02 6 8 刍7 62 b 垂2 9 z3 ；o o w a v e l e n g t h p r o 图1 3e r ：y a g 晶体荧光光谱【5 l 9 零、旦理collqjod 第一章e r ：y a g 激光器的理论研究 1 3e r ：y a g 激光器的理论模型 本节中我们建立一个简单的数学模型来描述2 9 4 胁e r ：y a g 激光的速率方程。 这个模型里包含了两个泵浦过程，分别是同能级4 。和能级4 i 。：相关( 泵浦速 率分别是q ，和m ：) 。模型中还包含了一个能级4 岛，与能级4 1 1 ，2 之间的交叉弛 豫过程( 交叉弛豫速率为出。) 。另一个关于4 厶，：的交叉弛豫过程在y a g 晶体中 可以忽略1 6 1 。另外，能级4 易，2 专2 h 2 l l ，2 以及能级4 1 9 ，2 寸4 i t l ，2 之间的能量传递属 于强烈的多光子传递，这种效应使得这两组跃迁的上能级粒子数很快下降，从而 促进了与能级4 ，：和能级4 i n , 2 相关的两个泵浦过程。至此，速率方程可以写为： 等一n b 5 _ 0 5 0 n o n s + 2 n g + r p 5 n o 警一百n 4 + 等屿。o 耋一号+ 扣m 地朋屿 “。， 警= 专+ n _ 兀a 3 - 2 ( 0 2 2 n ；一盯一烈弦屿：o 一 譬一鲁+ 等一z q ，研坞。o 以+ 盯一矾弦+ o 害= 看b ( 鹕一矾) 一p 1 + 后鲁 式1 1 中，n o ，n i ，n 2 ，j ，4 和儿分别表示能级4 l l m ，4 i i m ，4 1 ，2 ，4 ，2 ， 4 焉，：和4 s 。上的粒子数，对应的荧光寿命为z ，各能级上的泵浦速率为尺。此 速率方程是一个通用的一般方程，考虑了所有的泵浦情况。是光学谐振腔里的 光通量，仃是激光发射截面，系数k 代表自发辐射对光通量的贡献，系数瑾和系 数分别代表了激光跃迁中斯塔克分裂能级的波尔兹曼系数，和，分别表 1 0 长脉冲中红外e r ：y a g 激光器的研制 示激活介质长度、泵浦长度和谐振腔长，p 则表示单程总损耗。因此，这个方程 同样适用于大多数泵浦长度与激光晶体长度不相等的情况。 在一般的泵浦速率下，基态能级是不会倒空的，甚至可以认为基态能级粒子 数恒定并且等于晶体中的激发态铒离子数。此外，在y a g 晶体中，多光子跃迁 是十分活跃的，这使得部分小问隔能级变得连续。式1 1 中所涉及的所有光度学 参数数据均在表1 1 中， 表1 1e r ：y a g 激光速率方程中所涉及的光度学参数 参数 数值 参考文献 正 6 4 0 0 u s 【7 】 五 1 0 0 p s【7 】 瓦 0 0 5 1 _ l s1 7 1 瓦 1 5 t t s【刀 五 1 6 7 u s 【7 】 q i 1 3 1 0 1 5 凹l 。3 j 一1 【3 】 0 7 2 2 3 7 1 0 1 5 c f f o s 一 【3 】 0 ) 5 01 0 6 x1 0 1 5 c m 4 s 。1 【8 】 口 o 2 2 f 7 】 b o 0 5 阴 o r 2 6 l o - 2 e c m 2 【3 】 考虑到五，瓦五，瓦，瓦，又考虑到在高搀杂的e r ：y a g 晶体中能级4 马，： 的交叉弛豫效应十分强烈，速率方程式1 1 可以简写为 第一章e r ：y a g 激光器的理论研究 警一等讽研- - ( ) 2 2 n ；一仃一矾弦竭“ 譬= 一等+ 等一z q ，1 2 + 奶：孵+ 盯一烈弦仙0 z ， 等= 看b 一卜p 】+ 七鲁 其中r i = r p l + r p 5 ，r 2 = 彤2 + 巳3 + 月，4 + r 芦。 根据泵浦速率局和r 2 的定义，可以将泵浦方式分为三种；1 r i o ，r 2 = o ， 且矗川蕾o ，r p 2 = r 一= r ，4 = r ，5 = 0 ，这种泵浦方式为宜接泵浦到2 9 4 p me r ：y a g 激光下能级的泵浦；2 ，r 1 = o ，r 2 o 且r 川= r 彤= o ，r 砧或r 耶或r p 4 0 ，此方 式为直接泵浦到激光上能级的激光二极管泵浦；3 r i = r 2 o ，且r 。，o ， r ，1 = r ，2 = r 芦= r 州= 0 ，该方式为泵浦到能级4 s 3 ，2 上的脉冲氙灯泵浦。 由于0 5 6 5 1 a m 是能级4 到能级跃4 墨，：迁吸收的长波极限【9 】，因此氙灯发 射的辐射能量中被吸收的部分有8 0 是发生在0 2 3 p r o 到o 5 6 5 l a m 波长范围的。 此外，由于能级4 s ，：之上的各能级迅速的多光子交叉弛豫现象，使得4 s ，：能级 以上的激发态粒子很快的回落到4 s 。能级上，因此在能级4 只，：上我们可以设定 r 。；* o 8 r ，其中r 为系统的总泵浦速率。因此，我们可以认为在一级近似条件 下，有r 5 “r 2zr ，5 * r 。这也是氙灯泵浦条件下的一般假设 9 1 。 在稳定泵浦( 准连续泵浦) 条件下，公式1 2 具有解析解，谐振腔内的稳定 光通量的解为【1 0 1 ： 妒= 等k 地+ 疋x l ) 】一壶一筹一皓+ 鲁 1 - 并， 其中t：二!巫亚2m磁t， 1 2 ( 1 4 ) 长脉冲中红外e r ：y a g 激光器的研制 此外，p = 咖t ；：了瓦为品质因数u 1 1 对于商搀杂的e r ：y a g 激光晶体，粒子数反转条件主要依赖于泵浦速翠，而 不再依赖于上下能级寿命。虽然e r ：y a g 激光器可以工作在任意的泵浦能级上t s l ， 但效率最高的泵浦发生在能级4 。上( 置= 0 , r 2 o ) 1 0 1 。而本工作中所研究的 脉冲氙灯泵浦情况下的e r ：y a g 晶体中，泵浦是发生在能级4 墨，：上的 ( r i = r 2 0 ) 。由于泵浦速率r 2 的值非常高，因此式1 3 中第一项起了主导地 位，式1 3 可以写为 西：塾堡垒二三旦：!( 1 5 ) 率。 利用这个近似，我们可以计算e r ：y a g 激光晶体中泵浦到4 是，：能级的极限效 设p 是激光输出功率： = 面l ，l n l ( ，2 lj 、i 屯h c i 酬。妒 又设匕。是激光总吸收功率： p 咖胡z 0 筹 ( 1 6 ) ( 1 7 ) 其中。为激光介质体积，为泵浦长度，p ；。为泵浦介质体积，而吃、屯和以 则分别代表激光输出腔镜反射率、输出激光波长和泵浦波长。这样激光效率就为 r = f 乙于k 。我们利用式1 5 就可以得到稳定条件下激光的极限泵浦效率为： 第一章e r ：y a g 激光器的理论研究 叩= 笋2 p 2 烩 p y ? 其中岛= ( 1 2 ) l n ( 1 吒) 代表激光输出损耗。 ( 1 8 ) 在理想状态下，成= d 。= 。于是1 8 式中，激光输出效率只是泵 浦波长与输出波长比的函数。因此，对于e r ：y a g 激光来说，泵浦到4 s 。能级的 外部量子效率为7 8 一1 9 2 ( 丸= 2 3 0 n m 5 6 5 n m ) 。结合表1 1 中的数据，得 到4 s 3 2 能级在稳定( 准连续) 泵浦条件下的极限泵浦效率为2 0 7 5 1 1 。 本工作中采用的e r ：y a g 激光器为脉冲氙灯泵浦，在脉冲泵浦条件下，设上 能级的受激发射效率为蚀，聚光腔的偶合效率叩。咿通常为0 4 到o 52 _ f 自j ，而 充电电路也具有一定程度的能量损失。在最优的条件下，可以认为电路的充电效 率r “= 9 0 。 脉冲氤灯光谱的色散分布十分复杂，但总的来说，我们可以将其看做是温度 介于1 0 0 0 0 k - 1 4 0 0 0 k 的黑体辐射源【1 。在泵浦过程中，大多数的辐射都是被能 级4 s ，：以上的各个能级吸收，然后再通过非辐射过程转移到4 墨，：能级。这个过 程中也具有一定的能量损失，其转移效率可设为叩。在黑体辐射中，平均辐射 能量可以计算如下： ( 1 9 ) 其中砌以) = ( 8 刀x 驯( e x p 仍五如，) 一1 ) ) 代表波长介于( 五，a + 以) 之间的黑体 辐射。平均辐射能量中被能级跃迁4 i | s 2 寸4 s 3 2 吸收的部分是介于0 2 3pi n 到 0 5 6 5 p i n 的辐射，因此转移效率瑁“为： 鲤m 肪= 兄 长脉冲中红外e r ：y a g 激光器的研制 ：盟h c 2 由此我们就可以得到总的泵浦效率为 ( 1 1 0 ) 玎= 告丽g m o d f 旯p 伽一 m 其中为泵浦到4 墨，2 能级的量子效率，其数值与泵浦光功率密度有关，理论 极限值为3 2 p 2 = 2 6 6 。 设输出腔镜的反射率为8 6 5 ，全反射腔镜的反射率为9 8 5 ，介质泵浦长 度l p = l o c m ，晶体中的无源损耗为p o = 1 8 x 1 0 4 1 1 2 , 则由1 8 式可得 成= ( 1 z 1 0 ) ，n o 。筋s ) = 7 3 x 0 - 3 硎一，玎= 告丧身锄 并且p = ( 赤 - n ( 一1 ) + 1 8 x 1 0 - 3 = 9 8 1 x 1 0 - 3 俐- l 。 式1 1 1 中r q 5 = 1 4 3 阴，以屯= 0 5 4 2 9 4 = 0 1 8 6 ，唧= o 4 5 ，r d = o 9 ， r 詹的最大值可估笋为0 5 6 川，在1 0 0 0 0 k 多j1 4 0 0 0 k 的黑体辐射中，7 和的值介 于6 7 到7 0 * 6 之间，另外由于本章意在计算e r ：y a g 激光晶体的本征泵浦效率， 对外部条件设置不需要十分严格，因此可以设定y o 。，匕。= 1 。由此，最终泵 浦效率为r * 3 1 。考虑到本工作中的实际条件与上述计算的差别，如谐振腔的 散射损耗、聚光腔形状( 单灯、双灯) 、非均匀的泵浦脉冲形状、泵浦均匀性等， 实际的泵浦效率会低于上述计算值。 第一章e r ：y a g 激光器的理论研究 本节参考文献 【1 】b j d i n e r m a na n dp f m o u l t o n , “3 p mc wl a s e ro p e r a t i o n si ne r b i u m d o p e dy s g g g g g a n d y a g ，”o p t l e t t ，v 0 1 1 9 ，p p 11 4 3 - 11 4 5 1 9 9 4 【2 1d w c h e n , c l - f i n c h e r , t s r o s e , f l v e r n o n , a n dr a f i e l d s “d i o d e - p u m p e d1 - w c o n t i n u o n s - w a v ee r ：y a g3 岬l a s e r ，”o p t l e t t ，v 0 1 2 4 ，p p 3 8 5 - 3 8 7 ，1 9 9 9 【3 1v i z h e k o v , t m m u r i n a ，a m p r o k h o r o v ，m i s t u d e n i k i n , s g e o r g e s e n , v l u p e i a n di u r s u , “c o o p e r a t i v ep r o c e s s e si nya io ：e rc r y s t a l s ，”s o v j q u a n t u me l e c t r o n ，v 0 1 1 6 ，p p 2 7 4 - 2 7 6 ， 1 9 8 6 【4 】p x i ea n ds c r a n d ，“c o n t i n u o u s w a v e ，p a i r - p u m p e dl a s e r ，”o p t l e t t ，v 0 1 1 5 ，p p 4 8 - 8 5 0 ，1 9 9 0 【5 】鲍良弼，叶兵，袁自钧，程萍，刘福峡，“er ：y a g 激光器及其应用研究”，合肥工业大学 学报，第2 4 卷第l 期，2 4 2 7 ，2 0 0 1 年2 月 【6 】s g e o r g e s c u , t j g l y n n , r s h e r l o c k , a n dv l u p e i ，“c o n c e n t r a t i o nq u e n c h i n go f t h eil e v e lo f e r i nl a s e rc r y s t a l s ，”o p t c o m m u n ，v 0 1 1 0 6 ，p p 7 5 - 7 8 ，1 9 9 4 【7 】7s e r b a ng e o r g e s c u , o c t a v i a nt o m a , a n dh t o t i a , “i n t r i n s i cl i m i t so f t h ee f f i c i e n c yo f e r b i u m3 p m l a s e r s ，i e e ej o u r n a lo fq u a n t u me l e c t r o n i c s ，v o l 3 9 ，n o 6 ，7 2 2 7 3 1 ，j u n e 2 0 0 3 【8 】v i z h e k o v , t m m u r i n a , a m p r o k h o r o v , m ls t u d e n i k i n , s g e o r g e s c n , a l u p e i a n dv l u p e i ，“n o n r a d i a t i v et r a n s f e ro f e x c i t a t i o ne n e r g yi nc r y s t a l sw i t ht h ei n t e r a c t i o no f t h r e e o p t i c a l l y a c t i v ec e n t e r s , ”j e l l ph ：t l ，v 0 1 5 2 ，p p - 6 7 0 - 6 7 4 ，1 9 9 0 【9 】9s g e o r g e s c ua n dv l u p e i ，“q - s w i t c hr e g i m eo f 3 1 t me r ：y a gl a s e r s , i e e ej q u a n t u me l e c t r o n v 0 1 q e 一3 4 ，p p 1 0 3 1 - 1 0 4 0 ，1 9 9 8 【1 0 】v l u p e i ，s g e o r g e s e u , a n dv f l o r e a ，“o nt h ed y n a m i c so f p o p u l a t i o ni n v e r s i o nf o r3 1 x m e rl a s e r s , ” i e e ej q u a n t u me l e c t r o n , v 0 1 2 9 p p 4 2 6 _ 4 3 4 1 9 9 3 【11 1m a n o g i n o v , s g s e m e n k o v , v a s m i m o v , a n dla s h c h e r b a k o v , “e f f e c to f i n t e r a c t i o n b e t w e e n e x c i t e d e r b i u m i o n s o n t h e f o r m a t i o n o f i n v e r s e p o p u l a t i o n o n t i m ，2 _ ，2t r a n s i t i o n i nay a g ：c r ，e rc r y s t a lu n d e rs t a t i o n a r ye x c i t a t i o n , ”o p t s p e k t r o s k ，v 0 1 6 9 。p p 1 2 0 - 1 2 7 ，1 9 9 0 【1 2 1v n b u d n i k , a d g o n d r a , v i z h e k o v , v a l o b a e h e v , t m m u r i n a ，y u i t e r e n t e v , a n da a s h c h e r b a k o v , “m a t h e m a t i c a lm o d e l i n go f e n e r g yp r o c e s s e si ny a g ：e rl a s e r s ，”s o y j q u a n t u m e l e c t r o n ，v 0 1 1 9 ，p p 1 0 7 6 - 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