（光学工程专业论文）ld泵浦nd：y（gd）vo4晶体cr4：yag被动调q激光特性研究.pdf

山东大学硕士学位论文 4 壳m p e 基频光的单光子能量 脉冲的峰值功率 单脉冲能量 山东大学硕士学位论文 摘要 半导体激光( l d ) 泵浦的固体激光器具有全固化、体积小、泵浦效率高等 特点，在激光通讯、遥感探测、工业加工、军事、医疗等领域有着广泛的应用前 景，受到人们极大的关注。 本论文采用光纤耦合输出的激光二极管作泵浦源，用n d ：y v 0 4 、 n d g d y v 0 4 晶体作激光工作物质，研究了饱和吸收体c r 4 + ：y a g 被动调q 激光的 特性。同时，运用速率方程对以上调q 激光的运转特性进行了理论分析。论文 的主要研究工作为： 实现了l d 泵浦n d ：y v 0 - 、n d ：g d v o l 4 晶体、c r 4 + ：y a g 被动调q l ，0 6 印l 激 光运转，研究了c r 4 + ：y a g 被动调q 激光特性。在理论分析中，考虑激活介质的 薄透镜效应，利用a b c d 矩阵理论，给出了振荡光光斑半径随泵浦功率、泵浦 光半径以及在激光腔内不同位置的变化关系，运用速率方程新模型直接获得了输 出激光的功率、脉冲宽度、峰值功率等随泵浦功率和c ，：y a g 小信号透过率的 依赖关系，理论计算与实验结果相符。 关键词：n d ：y v 0 4 、n d g d v 0 4 晶体，饱和吸收体c ，：y a g ，高斯分布，速率 方程模型，数值求解 山东大学硕士学位论文 第一章前言 半导体泵浦的固体激光器诞生于二十世纪六十年代。早在1 9 6 2 年世界上第 一支c r 4 + ：y a g 激光二极管( l 嬲c rd i o d e l d ) 问世后不久，美国m l t 实验室的 k c y e s 等人就将它用作固体激光器的泵浦源并实现了准连续激光输出【”。但由于 当时半导体激光器输出功率小、使用寿命短等缺点，一直没有得到大规模使用。 直到上世纪八十年代，半导体激光器制造工艺的飞速发展使得半导体激光器的输 出功率和使用寿命等参数都得到了很大的提高，加上半导体激光器自身发射线宽 窄、光谱可调谐范围宽等优点，使其非常适合作为固体激光器的泵浦源。随着固 体材料的革命性发展，半导体泵浦的固体激光器得到迅猛发展。进入九十年代以 来，半导体泵浦固体激光器的理论和实验研究取得了重要进展。半导体泵浦固体 激光器模式的最佳化分析为激光器的最佳化参数选择提供了重要依据刚，固体 激光器热效应模型及热焦距测量方法的提出为实现谐振腔的优化设计提供了参 考1 5 “，泵浦光耦合技术的提高及固体激光介质冷却问题的解决也为固体激光器 的泵浦效率、输出功率、光束质量的提高提供了可能。目前，半导体泵浦的全固 态激光器( d i o d e - p u m p e ds o l i d s 扭t el a 卜d p s s l ) 由于结构简单、转化效率高、 热效应小、稳定性高、寿命长、光束质量高、工作介质覆盖的波段范围广及运转 方式多样化等优势，外加上与非线性光学变频技术相结合，可以实现多种波长运 转，使其在空间通讯、光显示、光瓦联、光信息处理、激光加工、激光医疗和军 事武器装备等领域均有广泛的应用前景，从而使半导体泵浦的全固态激光器成为 当前激光器行业的丰流。 1 1 激光二极管泵浦的激光工作物质 固体激光材料的革命性发展有力地推动了半导体泵浦的固体激光器的迅速 发展。目前应用最为广泛的固体激光增益介质是搀杂了激活粒子的玻璃或晶体。 由于玻璃增益介质的自身缺陷比较严重，造成激光器阈值较高，而且玻璃的散热 性较差，因此人们多以激光晶体作为增益介质。在各式各样的激光晶体中，又以 山东大学硕士学位论文 搀杂n d 3 + 离子的晶体应用最为广泛。目前应用较广的有n d ：y a g 、n d ：y v 0 4 、 n d ：g d v c 4 、n d ：y x g d l - x v o l 、n d ：y l f 、n d ：y a p 和n d ：s v a p 等激光晶体。 n d ：y a g 是研究最成熟的激光材料，目前广泛应用于闪光灯泵浦和半导体泵 浦的y a g 激光器。其优点在于y a g 基质很硬、光学质量好、热导率高，此外 y a g 的立方结构有利于形成窄的荧光线宽，使激光器高增益和低阈值工作，是 适合半导体泵浦的理想固体材料之一。 n d ：w 0 4 晶体属于四方晶系，锆英石结构，单轴晶体。n d y v 0 4 晶体中激 活离子位置具有低的点群对称性，离子振荡强度大。y v 0 4 基质对n d 离子有敏 化作用，提高了它的吸收能力。在a 轴切割时，其兀偏振( e c ) 和。偏振( e 上c ) 的光谱特性具有明显差异，其最强吸收和晟强辐射都发生在兀偏振取向，有利于 腔内倍频效牢的提高。n d ：y v 0 4 晶体可以允许比传统的n d ：y a g 晶体掺入更多 的n d ”离子而不发牛浓度猝灭效应，而且与n d ：y a g 晶体相比，n d ：y v 0 4 晶体 具有更大的吸收系数和受激发射截面以及大的吸收带宽b 16 】，因此特别适合作半 导体泵浦固体激光器的增益介质。近年来，人们已经对n d ：y v 0 4 激光器及其倍 频激光特性进行了广泛的研列1 “。 表1 11 0 a t n d ：y v 0 4 晶体参数 6 山东大学硕士学位论文 1 2 2 主动调q 谐振腔内损耗的改变完全由外部驱动源控制，与腔内激光的强弱和泵浦能量 的大小无关。常用的主动调q 技术包括机械调q 技术、声光调q 技术和电光调 q 技术等。 1 2 2 1 机械调q 技术 第一台机械q 开关是由开有一个通光孔的旋转叠片构成【捌，这种方法不久 就被抛弃，取而代之的是开关频率比旋转叠片法更高的转镜或旋转棱镜瑚。有一 种机械调q 方式将谐振腔的反射镜安装在以机械谐振频琦乏驱动的扭曲棒的一端 例，利用反射镜的瞬时移动就可以改变谐振腔的q 值。还有一种技术是由两个 平板法布里珀罗谐振腔替代激光谐振腔的输出镜，用压电换能器调解两板之间 的距离，就能使器件的透射峰值转变为反射峰值【2 5 1 以实现腔内损耗的改变。另一 种技术利用的是受抑制的全内反射i 瑚，利用压电换能器改变屋脊棱镜和第二个棱 镜之间的距离，如果两个棱镜都处于屋脊棱镜表面反射出的一个波长的范围内， 就将抑制全内反射，因而屋脊棱镜的入射光被透射而不是被反射，这样就实现了 激光的输出。 在所有的机械调q 开关中，最常用的是转镜q 开关。摹本结构为电机驱动 的镜面或者棱镜，利用电机的高速旋转产生谐振腔损耗的周期性变化，当镜面或 棱镜旋转到与另一端镜面或棱镜平行时实现激光输出。转镜q 开关结构较为简 单，成本也不高，它们对偏振不灵敏，因而对双折射效应而不灵敏，所以在一定 条件下，机械q 开关激光输出的能量大于电光q 开关激光器的输出能量。但是 机械q 开关通过机械振动实现调q 运转，调q 重复率较低，并且受到发射多脉 冲趋向的影响，噪声也大，其轴承的寿命较短，所以需要经常维修。 1 2 2 2 声光调q 技术 声光调q 技术的基础理论为电声转换和声光效应。当超声波入射到一块通 常为熔融石英的透明光学材料时，材料的弹光效应将超声波的调制应变场耦合到 光学折射率上1 2 7 北】，实现折射率的周期性变化，这时材料就相当于光学相位光 栅，光栅周期与声波的波长相一致。入射到光学材料上的光被光栅衍射，部分透 射光偏离原传播方向，实现谐振腔的高损，激光晶体在此期间不断积累能量；当 超声波逝去时，谐振腔重新变为低损，产生激光输出。选择适当的参量，就能使 8 山东大学硕士学位论文 衍射光束较大程度地偏离出激光谐振腔，从而产生较佳的声光调q 效果。 现在声光调q 开关已经完全商用化，调q 重复率可达到几十k h z 甚至上百 k h z ，不过声光开关利用光线偏折原理不可能把入射光完全阻挡住，因而单程消 光比很低，一般小于1 0 ，所以声光开关不能运用在高增益大功率激光器中。 1 2 2 3 电光调q 技术 利用晶体或液体的电光效应，可以设计出调制速率非常快的电控光闸又称电 光开关。这种光闸的关键部件是电光元件，它受到外电场作用时具有双折射特性， 双折射以两个正交方向即所谓的“快”、“慢”轴向表征，这两个轴向具有不同的 折射率。光束在入射到晶体通光表面时与这些轴成4 5 。夹角，并垂直二j 。快”“慢” 轴构成的平面，光在晶体中传播时分解成方向相同但速度不同的两正交分量。正 是因为光在“快”轴和“慢”轴方向偏振所对应折射率的不同，才使得光通过晶 体后两正交分量之间产生相位差。相位差的产生把原来在平面内振动的线偏振光 变成在空间内振动的椭圆偏振光，当然根据所加电压的大小不同会合成不同形状 的偏振光，如圆偏振光或线偏振光。对于q 开关运转，只有引起 4 和 ，2 延 迟的两种特殊电压才是所感兴趣的，在 ，4 延迟时，入射的线偏振光通过电光盒 之后变成圆偏振光；在九2 延迟时，输出光束是线偏振的，但是偏振面旋转了 9 0 。在电光晶体的后端放置检偏器以实现对光的通断控制，当通过晶体后的合 成光偏振方向与检偏器的透振方向垂直时，光线被阻挡，谐振腔呈高损状态；反 之，当平行时，光线完全通过，产生激光振荡。 常用电光开关利用晶体的p o c k e t 电光效应1 3 3 】又称线性电光效应，即在外加 电场作用下，通过线性电光效应改变晶体的折射率，以此调节谐振腔内的q 值。 也有利用k e r r 电光效应即二阶电光效应做成电光开关，这种开关的材料通常为 液态电光晶体。电光开关的主要特点是发生“开关动作”的驰豫时间很短并且消 光比很高，用这种开关做成的调q 激光器可获得脉冲宽度极窄，峰值功率极高， 输出频率稳定的巨脉冲。传统电光开关( l n 、d k d p 等) 的工作重复率很低，一般 低于l k h z ，很难满足目前科研中对高重复率脉冲串的要求。值得庆孛的是，一 些相对较新的电光晶体( b b 0 、k t p 、r t p 等) 的不断涌现，使获得工作在远大于 1 k h z 频率范围的开关的希望不再仅仅是奢望。 9 山东大学硕士学位论文 第二章l d 泵浦n d ：y v 0 4 晶体c r 4 + ：y a g 被动调q 激光 特性 半导体端面泵浦的全固态被动调q 激光器具有设计简单、结构紧凑、输出 稳定、成本低等优点，是获得高重复频率的纳秒、亚纳秒脉冲较理想的光源，在 科研和工业中不需要精确重复频率的领域具有广泛用途。 半导体激光( l d ) 泵浦的固体激光器，以体积小、效率高、结构简单、性 能稳定等特点近年来引起了人们的广泛关注【4 9 1 - 【5 ”，其产生的高峰值功率、高重 复率的纳秒及亚纳秒量级激光脉冲在非线性光学、光谱学、军事遥感探测等领域 有着广泛应用。 速率方程理论是分析调q 激光性能的基本理论。自从s z a b 0 等人首次给出 被动调q 激光速率方程以来”2 “5 ”，该速率方程或经适当修正的方程被广泛引用 哪卜5 。但上述速率方程对腔内光强均采用了平面波近似，并假定泵浦光分布、 腔内光子数密度分布及饱和吸收体的恢复都是均匀的。而对于l d 泵浦的被动调 q 激光，这些假定显然过于简单化。z h a n g 等人在处理闪光灯泵浦的被动调q 激 光速率方程中曾考虑了腔内光子数密度及初始反转粒予数密度的空间分布，但是 忽略了泵浦、激发态寿命及晶体热效应的影响“”。 本章从实验上对l d 泵浦的c ，：y a g 被动调qn d ：y v 0 4 激光进行了研究。 考虑泵浦光强和振荡光强的空间高斯分布、激活介质激发态寿命及晶体热效应的 影响，理论上给出了l d 泵浦n d ：w 0 4 晶体c r 4 + ：y a g 被动调q 激光的耦合速率 方程组，数值求解该方程组得到的理论结果与实验中测得的被动调q 激光输出 脉冲的脉宽、重复率及平均输出功率相符。 2 1实验 2 1 1 实验装置 实验装置如图l 所示，实验采用平凹腔结构。泵浦源激光器选用带光纤耦合 山东大学硕士学位论文 的半导体激光器( 队p is y s t e mc o h e 化n ti n c u s a ) ，最大输出8 0 8 n m 的功率 为t 6 瓦。腔镜m i 的曲率半径为1 5 0 m m ，镀8 0 8 n m 的高透膜、1 0 6 4 n m 的高反 膜。输出镜m 2 是1 0 6 4 n m 反射率分别为9 0 和8 5 的平面镜。激光工作物质是 4 4 5 m m 3 、搀杂浓度为1 o 的n d ：y v 0 4 晶体，晶体一端镀8 0 8 n m 和1 0 6 4 n m 增透膜，另一端镀1 0 6 4 n m 高透膜。n d ：y v 0 4 晶体用锡箔包紧置于紫铜块中通过 水循环和温控半导体致冷片致冷，温度控制在2 0 。饱和吸收体c r 4 + ：y a g 小信 号透过率t 0 = o 9 1 ，o 9 5 。采用l p e l b 型功率计( 中科院物理研究所) 测量 激光脉冲平均输出功率。采用t e d 6 2 0 b 存储示波器( t e k t r o r l i xi n c u s a ) 测量 激光脉冲脉宽、重复率等。由脉宽和重复率实验值，利用公式e = 匕f 和 = 彰f ，便可以计算出输出激光脉冲的峰值功率。其中，e 为单脉冲能量，名 为平均输出功率，f 为重复率，r 。为脉冲宽度。 删卧 h 咖p 叫f o s i n g l 硼a d i o d e0 p 图l 实验装置示意图 f i g 1s c h e m a t i co f e x p e r i m e n ts e t u p 2 1 2 实验结果 图2 图4 中的点给出了输出在不同的c r 4 + ：y a g 小信号透过率下测量的激光 平均输出功率、脉冲脉宽、重复率随泵浦功率的变化。图5 的点是由测量值计算 算出输出激光脉冲的峰值功率随泵浦功率的变化。当t 0 = o 9 l ，时，我们还测得 不同输出镜反射率下输出激光脉冲的脉宽，结果如图6 中的点所示。经计算得到 相应的脉冲峰值功率如图7 中的点所示。 山簪妾垒磊竿垄石茹等 蜜z ，盖| 晒擎。翳算幻荫”塑辇龛砖j 荔烂霉麓强嚣窬霾霜。婴鬃爵i 饼 嚆懂蒡醛哪i 裂丙要塞鹱懿； 蚕疆蘑i 藩譬蛙矧美雾脉挫耍暴宅；童i ，蒌| ：雅竭誉努娶g ；l 划两i 烈曛耧囊蘸靼 翼l x 1 4 山东大学硕士学位论文n 培口似粕r t图5 脉冲峰值功率与泉浦功率的关系f 皓5 pillscp c a l ( p o w c r v e r s u sp 哪p i n gp o w 盱p u 坤 r i图6 r = 8 5 和9 0 时脉冲宽度与象浦功率的关系( t o = o 9 1 )f i g 6 p u l 辩w i d t h v 雌p 啪p i n g p o w c r w 讣r _ 8 5 锄d9 0 f o r t o = 0 9 l鼍 羔2 ilwl“ntpp _ e r ，- 图7 r=85和90时脉冲峰值功率与泵浦功率的关系(t0=o91) f 唔7p u l p e a k p o w 盯v 粥嶙p 咖p i n gp o w 盯w i t hr = 8 5 卸d9 0 f o rt 0 = o 9 l -，-t 山东大学硕士学位论文 c 州d r = 3 l o - 矗k 一1 ( b = 4 4 3 x l o - 6 k 一，善= o 2 4 。 由象差的衍射理论可知，晶体热效应引起的衍射损耗为5 9 ： 叫等矧 ( 2 ) 其中妒( ，) 为晶体中心到边缘的剩余象差， 且有： 训= 署 ：鬻z 窭胪麓蜀 为晶体的有效半径尺寸，为振荡光的模式半径，根据图l 实验装置可由 a b c d 矩阵理论求得。 2 2 2 速率方程 对光纤耦合输出的泵浦光，若以有效泵浦光束半径吼2 代替空间各处的泵浦光 束半径，则泵浦光空间分布0 ( ，z ) 可以写为6 1 ： ( ，z ) = 车e x p ( 位) e x p ( - 2 ) 驴牙，) ( 4 ) a 毋pq q西p = o ( ，万p ) 为泵浦能量的有效吸收率。 假定l ( r ，z ) 沿纵向均匀分布，则有： 似) = ；j 似，撇 ：型! 二! ! ! ! 二型塑竺丛二! ! ：! ! ! !( 5 ) = ：- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 、- ， 耳毋jr l i 如果激光器工作在基横模状态，腔内光子数密度p ( ，f ) 可以写为： 伊( r ，f ) = 妒( o ，f ) e x p ( 2 ，2 m ，2 ) ( 6 ) 其中r 表示空间某点到激光器纵向轴的距离，t 为时间，妒( 0 ，f ) 为激光器纵向轴 上的光子数密度。 山东大学硕士学位论文 i 卿，f ) 刎【等f 州寺+ 。吖州一等) i 妒( o ，f ) 魂) 出+ 】 一2 c r 。以。- l n ( 去) 一西饼胁 ( 1 4 ) 令( 1 4 ) 式等于0 ，可得初始反转粒子数密度聆( o ，0 ) 为： 一半争 ( 1 5 ) 其中，瓦= c x p ( - 盯。行。) 为饱和吸收体小信号透过率。 利用t a b l e1 中的数据，数值求解( 1 6 ) 式我们可以从理论上模拟c r ：y a g 被动调qn d ：y v 0 4 激光器的输出脉冲特性。图2 一图5 中实线分别给出了输出 激光脉冲的平均输出功率、脉冲宽度、重复率和峰值功率的理论计算结果。图6 一图7 中实线分别给出了当c ，：y a g 小信号透过率t 0 = o 9 l 时，不同输出镜反 射率下输出激光脉冲的脉冲宽度和峰值功率的理论计算结果。在3 8 w 的泵浦功 率下，我们理论上得到t o = 0 9 5 的c r 4 + ：y a g 被动调q 脉冲脉宽为1 4 9 n s 、重复 率为3 “k h z ，峰值功率为1 2 3 w ，得到的脉冲波形如图8 中虚线所示。从图2 图8 可以看出，理论模拟结果与实验结果吻合较好。 t a im h 倒p a 憎m e t e 幅f o r t h e 黜t e 州a 伽钟 n ( t ，f o ) ( 1 + q 2 盯，2 ) 【l n ( 1 r 茛騛伽钟 山东大学硕士学位论文 第三章l d 泵浦n d ：g d v 0 4 晶体c ，：y a g 被动调q 激光 特性研究 3 1实验 3 1 1 实验装置 实验装置如图9 所示，除了输出镜m 2 是l o “n r n 反射率为8 5 ，激光工作 物质是4 4 5m m 3 ( 搀杂浓度为1 0 ) 的n d ：g d v 0 4 晶体、c ，：y a g 小信号 透过率分别为o 9 l 和o 8 7 外，结构与图l 基本类似。 屯m 1 3 1 2 实验结果 删叶 f i b e - u p l e df u 蛳n g k b 州i o d eo p l | 图9 实验装置示意图 f i g 9s c h 咖“co f e x p 鲥m e n 诅ls e t u p 图1 0 图1 4 中的点给出了输出在不同的c ，：y a g 小信号透过率下测量的激 光平均输出功率、脉冲脉宽、重复率、单脉冲能量、峰值功率随泵浦功率的变化。 图5 的点是由测量值计算算出输出激光脉冲的峰值功率随泵浦功率的变化。当 c r 4 + ：y a g 小信号透过率为野印9 l ，泵浦功率为3 4w 时，实验获得脉宽为5 6 2 n s ，重复率为”2k h z ，峰值功率为1 7 5w 的输出脉冲，脉冲波形如图1 5 中的 实线所示。 2 i 山东大学硕士学位论文 由图l o 一图1 4 可以看出，随泵浦功牢的增加，输出激光脉冲的平均输出功 率、峰值功率、单脉冲能量增加，而脉冲宽度变窄。在泵浦功率一定时，随 c r 4 十：y a g 小信号透过率的增加，输出激光脉冲的平均输出功率、脉冲宽度增加， 而峰值功率下降。因此若利用c r ：y a g 饱和吸收体获得窄脉宽、高峰值功率的 激光脉冲，所选择的c ，：y a g 小信号透过率要小。 3 2理论分析 3 2 1 晶体热效应引起的腔模尺寸变化和损耗 由于在激活介质内温度场分布不均匀，导致了光通过激活介质的相位差不均 匀，相位差以抛物线型分布，这样使得激活介质产牛薄透镜效应，其焦距为 疗：百娑l 箬：卢箬 ( 1 6 ) 4 妇 姐一孥棚jp 。翔 j 其中为晶体的热导率，如d r 为晶体的热色散系数，卿为晶体的热膨胀系 数，为激活介质的折射率，孝为热负荷比，即晶体吸收的泵浦能量转换为热能 量的比例，k 为晶体端面处的泵浦功率，为泵浦光在晶体中的有效泵浦光束 半径，产l 啦p ( 叻是长度为，、吸收系数为口钓晶体的吸收率。 对于a 切割的 n d ：g d v 0 4 晶体： 疋= 1 1 7 l o - 3 w m m 一1 k 一，d 形d ，= 4 7 1 0 - 6 k ，口r = 3 5 x l o “k 一，掌= o 2 4 。 由象差的衍射理论可知，晶体热效应引起的衍射损耗为m 耻卜愕警 1 2 ( 1 7 ) 其中积，) 为晶体中心到边缘的剩余象差，且有 鲁 ：荔警胪麓习 呷， 为晶体的有效半径尺寸，表示空间某点到激光器纵向轴的距离，五为振荡 光的波长，劬为振荡光的模式半径，可以由a b c d 矩阵理论求得。在如图1 实 验装置中，前端镜与激光晶体间距离很近，可以忽略其距离，传输矩阵可以表示 山东大宇坝士宇1 立论文 为 r = 瞄匀 = 墨o ： 一l ；力： 一另焉o c t 其中l = m m 彬一( o 厶d 表示激光腔的光学长度，栉l 、地分别表示n d ：g d v 0 4 和c r 4 + ：y a g 的折射率，、0 分别表示n d ：g d v 0 4 和c ，：y a g 的长度，厶表示谐 振腔长度，胄1 为凹透镜的曲率半径。 由a b c d 传输理论，可得卿为砸0 1 旷t 桫i 口i ”卅( 半吖 ( 2 0 ) 由以上分析可知，模式半径卿及热效应引起的衍射损耗西均为p m 的函数， 随着输入泵浦功率的不同，曲和务也发生变化。 3 2 2 速率方程 如果激光器工作在基横模状态，腔内光子数密厦妖，f ) 可以写为 伊( ，f ) = 矿( o f ) e x p ( 2 ，2 国，2 ) ( 2 1 ) 其中，表示空间某点到激光器纵向轴的距离，f 为时间，烈0 ，f ) 为激光器纵向 轴上的光子数密度。 在这里我们除了考虑增益介质反转粒子数密度及饱和吸收体的基态粒子数 密度的空间分布外，为保证烈，f ) 始终为高斯形式，还应对妣力随时间f 变化的 微分方程在光束横截面内对面积积分，可得到速率方程1 6 5 闹 广! 翌! ! ：尘2 删， h d f = f 掣姗( ， 州砌州，f 虮砌。 【飞灯力卜l 畦) 一西叫2 础 ( 2 2 ) 蚴 山东大学硕士学位论文 玎j l i r u j = 玎j 0 将( 2 1 ) 、( 2 5 ) 、( 2 6 ) 式代入( 2 2 ) 式可得 d 矿( o ，) d f 2 等f 2 d c x p 卜詈一m e 砸一箸) 如( o ，f 灿】 f 印，日 j e 畦+ z 啭 胁删州一】 一z ( 一以地e 即卜丢一c r g c “( - p ( o ，砂等f 州寺+ 吖州一净 ( 2 8 ) 。驴( o ，f ) d f ) d ，+ ”，0 1 2 吼 。一1 嗉) 一西一) 4 胁 ( 2 9 ) 令( 2 9 ) 式等于o ，可得激光器轴上的初始反转粒子数密度以o ，o ) 一掌”旁 ， 其中榔p ( - 吩d 为饱和吸收体小信号透过率。 利用表1 中的数据，数值求解( 2 9 ) 式我们可以从理论上得到c r 4 + ：y a g 被 动调qn d ：g d v 0 4 激光输出脉冲的宽度和重复率。单脉冲能量e 和峰值功率p 可表示为【6 5 】 e = 气争- n ( 挑 p = 警心h 卦他 ( 3 1 ) ( 3 2 ) 山东大学硕士学位论文 其中 y 是振荡光的光子能量，是烈o ，0 从单脉冲的起始时间f 1 到终止 时间龟对f 的积分，南是缓o ，f ) 的最大值。 图l l 一图1 4 中实线分别给出了输出激光脉冲的脉冲宽度、重复率、单脉冲 能量和峰值功率的理论计算结果。在3 4w 的泵浦功率下，我们理论上得到死 = o 9 l 的c r 4 + ：y a g 被动调q 脉冲宽度为5 6 4n s 、重复率为7 2k h z ，峰值功率为 1 7 3w ，得到的脉冲波形如图7 中虚线所示。图示表明，理论计算与实验结果相 符。 本章在考虑泵浦光强、腔内振荡光强的空间高斯分布以及激光晶体热效应引 起的腔模半径变化、热损耗的基础上，给出了c r 4 + ：y a g 被动调qn d ：g d v 0 4 晶 体耦合速率方程组，数值求解输出激光特性的理论结果与实验值相符。 山东大学硕士学位论文 第四章全文总结 本论文采用光纤耦合输出的激光二极管作泵浦源，用n d ：y v 0 4 和 n d g d y v 0 - 晶体作激光工作物质，研究了饱和吸收体c r 4 + ：y a g 被动调q 激光特 性。同时，运用速率方程对以上调q 激光的运转特性进行了理论分析。论文的 主要研究工作为： 实现了l d 泵浦n d ：y v 0 _ 、n d g d y v 0 4 晶体、c ，：y a g 被动调q 1 0 6 岬激 光运转，研究了c r 4 + ：y a g 被动调q 激光特性。在理论分析中，考虑激活介质的 薄透镜效应，利用a b c d 矩阵理论，给出了振荡光光斑半径随泵浦功率、泵浦 光半径以及在激光腔内不同位置的变化关系，运用速率方程新模型直接获得了输 出激光的功率、脉冲宽度、峰值功率等随泵浦功率和c r 4 + ：y a g 小信号透过率的 依赖关系，理论计算与实验结果相符。 山东大学硕士学位论文 i a 体u s i n gp r i m a r yd e g e n e m t i o nm o d e s ，a p p l p h y s l e n ，7 l ( 1 8 ) ：2 5 9 0 一2 5 9 2 ( 1 9 9 7 ) 【l l 】j h l i u ，j r l u ，z s s h ，e t c ，吓h e 帅a l l e n sd e t e m i n a t i o no fe n d p u m p e d l i d s t a t el a 璐b yas i m p l ed i r e c ta p p d o a c h ”，c h i n p h y s l e t t ，1 6 ( 3 ) ：1 8 l 1 8 3 ( 1 9 9 9 ) 【1 2 】j a z h e n 岛s z z h a o ，q p w a n ga i l dx y z h a n g ，“m e 硒u m m e n to fb e a mq u a l t ) ， f a c t o r ( m 2 ) b ys l “一s c a n n i n gm e t h o d ，”o p t & l 髂盯t e c h n o l o g y3 3 ：2 1 3 2 1 7 ( 2 0 0 1 ) 【1 3 】r f e l o l m a n ， y s h i m o n y a n dz b u r s h t e i 几 “p a s s i v e q s w i t c h i n g i n n d ：y a g c r 4 + ：y a gm o n o l j t i l i c m i c r o c h i pl 撇r ，o p t m a t ，2 4 ：3 9 3 - 3 9 9 ( 2 0 0 3 ) 【14 】何京良，“大功率全固态激光器，”博士论文，中国科学院物理研究所( 1 9 9 8 ) 【1 5 】r a f i e l d s ，m b i m b a u m 锄dc l f i n c h “h i 曲l ye 衔c i e mn d ：y v 0 4 d i o d e l 豳e r e n d p u m p e d l a r ，”a p p l p h y s l 眦，5 1 ( 2 3 ) ：1 8 8 5 一1 8 8 6 ( 1 9 8 7 ) 【1 6 】j j z a y h o w s k j 锄dc d i l li i i ，“c o u p l e d c a v 时e l e c t r o - 0 p t i c a l l yq - s w i t c h e d n d ：y v 0 4m i c r o c h i pl a 辩r s ，”o p t l e t t ，2 0 ( 7 ) ：7 1 6 - 7 1 8 ( 1 9 9 5 ) 【1 7 】g j f r i e l ，r s c o n r o y a j k e m p ，b d s i n c l a i ra n dj m 地“q - s w i t c h i n go fa d i o d e - p u m p e dn d ：y v 0 4l 船e ru s i n gaq u a d m p o l ee l e c n d _ 0 p t i cd e f l e c t o ra p p l p h y s b ，6 7 ：2 6 7 - 2 7 0 ( 1 9 9 8 ) 【1 8 】y f c h e n ，t m h u a n g 锄dc l w 锄g ，“p 船s i v e l yq s w i t c h e dd i o d e 巾u m p e d n d ：y v 0 4 c r 4 + ：y a g s i n 9 1 e 舶q u 朗c ym i c r o c h i p l a s e r e l e c t r o n l e t t ，。 3 3 ( 2 2 ) ：1 8 8 0 - 1 8 8 1 ( 1 9 9 7 ) 【1 9 】y b a i ，n w u ，j z h 锄舀j l i ，s l i ，j x u 柚dp d e n g ，“p 嬲s i v e l yq - s w t c h c d n d ：w 0 4l 黜rw i mac ，：y a gc r y s 协ls a t u m b l e 曲s o r b c r ， a p p l o p t ， 3 6 ( 1 2 ) ：2 4 6 8 2 4 7 2 ( 1 9 9 7 ) 【2 0 】j z h 朋g ，s z h a o ，q w a n g ，x z h 柚ga n dl c h e n ，“l a i o d e 朗d p u m p e d p a s s i v e i yq - s w i t c h e dn d ：y v 0 4j a s e rw t hc r 4 + ：y a gs a t u r a b l ea b s o r b e r ，”o p t e n g ，4 1 ( 9 ) ：2 2 7 l - 2 2 7 5 ( 2 0 0 2 ) 2 l 】j z h e n g ，s z h 锄dl c h e n ，“l a 辩r - d i o d ee n d p u m p e dp a s s i v e l yq - s w i t c h e d i n t m c a v i t yd o u b l i n gn d ：y v 0 4 依t pl 嬲e rw i t hc r ：y a gs a t u m b l ea b s o r b e r ，” 3 l 山东大学硕士学位论文 o p t e n g ，4 l ( 8 ) ：1 9 7 0 - 1 9 7 5 ( 2 0 0 2 ) 【2 2 1r j c o l l - n s ，p k i s l i u k ，c o m m lo fp o p u l a t i o ni n v e r s i o ni np u l s e do p t i c a lm 船e r s b yf b e d b a c km o d u l a t i o n j 】j o u m a lo fa p p l i e dp h y s i c s ，1 9 6 2 ，3 3 ( 6 ) ：2 0 0 9 【2 3 】r c b e n s o n ，m r m i 舢h i t h es p i n n j n gr e f l e 咖rt e c h n i q u ef o rm b yi 髂e r p u l s ec o n n o l 【j 】i e e et r a n s o nm i l t a r ye l e c t m n i c s ，1 9 6 4 ，8 ：1 3 2 4 】w b u c h m 锄，w k o c h n e r ，d r i c e v i b r a t i n gm i n - 0 r 嬲ar e p e t i t i v eq - s w i t c h 【j 】 i e e ej 叫m a lo f q u 卸t u me l e c t r o n i c s ，1 9 7 0 ，6 ：7 4 7 【2 5 】i w m a c k i n t o s h d o u b l ee t a l o nq s w i t c h i n go fac o n t i n u o u s l yp u m p e dn d ： y a g l a 船r 【j 】a p p i i e do p t i c s ，1 9 6 9 ，8 ：1 9 9 1 【2 6 】e l _ s t e e l e ，w c ，d a v i s ，r ，l 讯u t l l a n al a s e ro u t p u tc o u p l e ru s i n gf m s t r a t e d t o t a li n t c m a lr e n e c t i o n 【j 】a p p l i e d0 p t i c s ，1 9 6 6 ，5 ：5 【2 7 】e lg o f d o n a c o u s t i cb e 锄d e n e c t i o nd e v i c e s 【j 】p r o c s p i e ，1 9 6 6 ，5 4 ：1 3 9 1 【2 8 】r a d l 既i n t c m c t i o nb e t w e c l li i 曲ta n ds o u n d 【j 】匝e es p e c t n i m ，l9 6 7 ，4 ：4 2 【2 9 】c f q u 蹴，c d w i l k i n s o n ，d k w i n s l o w i m 锄c t i o no fl i g h ta i l dm i c r o 、a v e u n d 【j 】p r o c 1 e e e ，1 9 6 5 ，5 3 ：1 6 0 4 【3 0 】r w d i x o n a c o u s t i cd i 仃r a c t i o no fl i g i l ti n 粕i s o t p 叩i cm e d i a 【j 】i e e ej ， q u a n t u me l e c 臼o n i c s ，1 9 6 7 ，3 ：8 5 【3 l 】n u c h i d a ，n n i i z e k i a c o u s t 0 o p t i c 出f i e c t i o nm a t e r i a i sa n dt e c h n i q u e s 【j 1 p r o c i e e e ，1 9 7 3 ，6 l ：1 0 7 3 【3 2 】d m a y d 锄a c o u s t o - o p t i c a lp u l s em o d u l a t o r s 【j 】i e e ej q u a i l t u me l t r o n i c s ， 1 9 7 0 6 ：1 5 【3 3 】y a r i v ，a ，y 矾，p o p t i c a l 、a v e si nc r y s t a l 【m 】，n e w y o r k ：w 1 e y ，1 9 8 4 【3 4 】a a v u y l s t e k c ，吼e o r yo fl 撇rf e g e n e 均l i o ns w j 劬i n g ，”j a p p l p h y s ， 3 4 ( 6 ) ：1 6 1 5 - 1 6 2 2 ( 1 9 6 3 ) 【3 5 】w gw a g l l e r 锄db a l e n g y e l ，“e v o l u t i o no f t h eg i 锄tp u l s ei nal 邪e r ，”j a p p l _ p h y s ，3 4 ( 7 ) ：2 0 4 0 一2 0 4 6 ( 1 9 6 3 ) 【3 6 】a s z a b o 孤dr a s t e i l l ，锄e o r yo f l 黜rg i 锄tp u l s i n gb ya s a t u r a b i ea b s o r b e r ， j a p p l p h y s ，3 6 ( 5 ) ：1 5 6 2 一1 5 6 6 ( 1 9 6 5 ) 【3 7 】l e e r i c k s o n 锄da s z a b 0 ，“e f f 乱o fs a t u r a b l e 曲s o r b e rl i 触i m e0 nt h e p e 晌n i i 狮c co f g i a t i t p u i 辩i a s e 体，”j a p p i p h y s ，3 7 ( 1 3 ) ：4 9 5 3 - 4 9 6 i ( 1 9 6 6 ) 3 2 山东大学硕士学位论文 e n d - p u m p e d b yas e m i c o n d u c t o r l 嬲e ra r r a y 【j 】a p p lp h y sl e t t 1 9 8 5 ( 4 7 ) ：7 4 7 6 【5 0 】过振，王石语，文建国等高重复率二管泵浦激光器窄脉宽调q 技术【j 】红 外与激光工程，2 0 0 l ，3 0 ( 4 ) ：2 0 8 2 i o 【5 l 】b e 学rj ，w j l c hdf ，s c r i f e rdk c ta 1 h i 曲p o w e r h i 曲e f f i c i e n tn e o d y m i u m ： y t l r i u ma l u m i n u mg a m e tl a s e re n d - p u m p e db yad i o d e 棚y 【j 】a p p lp h y sl e t t ， 1 9 8 7 ( 5 1 ) ：1 2 1 2 一1 2 1 4 【5 2 】s z a b oa ，s t e i nra t h c o r yo fi a rg i 锄tp u l s i n gb yas a t u r a b l ea b s o f b e r 【j 】j a p p lp h y s ，1 9 6 5 ( 3 6 ) ：5 6 2 一1 5 6 6 【5 3 】e r i c i 【s o nle ，s z a b oa e 施c to f s a t i l f a b l ea b s o r b e r l i 觎i m e o nt h ep e r f o m a n c e o f g i a n t - p u l s el 嬲e r s j j j a p p lp h y s ，1 9 6 6 ( 3 7 ) ：4 9 5