（物理电子学专业论文）nd3yag激光器的研究及crlisaf激光器的理论分析.pdf

摘要 本文时输出1 3 2 p m 特殊波长的n d “：y a g 激光器的静态和动态特性进行 了理论分析和实验研究，同时从理论上对c r ：l i s a f 激光器作了分析。p 。 在n d “：y a g 激光器的理论研究部分，首先分析了选择1 3 2 1 t m 特殊波长 的理论基础、激光器电光调q 和声光调q 的基本原理，在此基础之上，利用 l a g r a n g e 乘数法分别对调q 激光器基于最大输出能量和基于最大峰值功率优 化条件下各个重要参数进行了具体的理论分析和计算，并对两种不同情况下输 出镜透过率的选择作了比较。附通过增大基频光功率提高外腔倍频效率的理论 进行了分析，获得了较好的外腔倍频效果。尸r ” 在n d 3 + ：y a g 激光器的实验研究部分，分别完成了脉冲和连续灯泵浦的静 态n 矿+ ：y a g 激光器的实验及声光调qn d 3 + ：y a g 激光器的实验研究 芏对 实验结果进行分析的基础上，提出了目前实验中存在的问题及改进方案。同时 对提高外腔倍频效率的理论进行了实验验证。卜7 7 一 在c r ：l i s a f 激光器的研究部分，首先对c r ：l i s a f 晶体特性进行了概述， 并分析了上转换效应对c r ：l i s a f 激光器小信号增益的影响。纵理论上对脉冲 c r ：l i s a f 激光器的阈值泵浦能量、最佳透过率的选择进行了计算。最后分析 计算了c r ：l i s a f 激光器中的像散问题，为今后的实验设计提供了一定的理论 、 一 依据。卜飞一一 关键词： 1 3 2 “m 盥：进金堂丛v 最佳化 c r ：l i s a f 激光器 小信号增益 像散 天津大学硕士论文 a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a ls t u d i e so f1 3 2 i t m n d “：y a gl a s e ra b o u ti t ss t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r si sp r e s e n t e di nd e t a i l m e a n w h i l e ，s o m et h e o r e t i c a ls t u d i e sh a v eb e e nd o n e i nt h ef i e l do fc r ：l i s a fl a s e r t h ep a r to fn d 3 + ：y a gl a s e rf i r s ti n t r o d u c e st h eb a s i ct h e o r yo fc h o o s i n g 1 3 2 9 ms p e c i a lw a v e l e n g t ha n dt h ep r i n c i p l eo fe l e c t r o - o p t i c a n da c o u s t o - o p t i c q s w i t c h i n g o nt h i sb a s e ，s i m p l ea n a l y t i ce x p r e s s i o n s f o ra l lo ft h ek e y p a r a m e t e r s o ft h eo p t i m a l l yc o u p l e dq s w i t c h e dl a s e ra r ed e r i v e db yu s i n gt h em a t h e m a t i c a l t e c h n i q u e o fl a g r a n g e m u l t i p l i e r ac o m p a r i s o n b e t w e e nt h e o p t i m i z a t i o n o f m a x i m u m o u t p u te n e r g ya n dp e a kp o w e r i sp r e s e n t e d t oi n c r e a s et h ee f f i c i e n c yo f s h go u to ft h el a s e rr e s o n a n tc a v i t y ，t h er e l a t e dt h e o r yi sp r e s e n t e da n dt e s t e db y e x p e r i m e n t s e x p e r i m e n t so ff l a s h l a m pp u m p e db o t h s t a t i ca n da c o u s t o - o p t i cs w i t c h e d n + ：y a gl a s e r sh a v eb e e nc o m p l e t e d a c c o r d i n gt ot h e e x p e r i m e n t s r e s u l t p r o b l e m s a n d i m p r o v i n gp l a n sa r e d i s c u s s e d t h ep a r to fc r ：l i s a fl a s e rf i r s ti n t r o d u c e sc r ：l i s a fc r y s t a l sc h a r a c t e r s a t h e o r e t i c a lm o d e li s d e v e l o p e dt o c a l c u l a t es m a l ls i g n a l g a i n ，a n d i su s e dt o i n v e s t i g a t e t h ei n f l u e n c eo fu p - c o n v e r s i o ne f f e c t so i lt h es m a l l s i g n a lg a i nf o r l o n g i t u d i n a lp u m p e dc r ：l i s a fl a s e r t h el a s e rt h r e s h o l de n e r g ya n do p t i m u m t r a n s m i s s i o no f o u t p u tm i r r o ra r ec a l c u l a t e d i nt h ee n d , w 。e a l o u l a t e da n da n a l y z e d t h ea s t i g m a t i s mo fc r ：l i s a fl a s e r w h i c hc a np r o v i d eu st h eg u i d eo fo u rl a t t e r o p e r a t i o n k e yw o r d s ：1 3 2 p mn d 3 + ：y a g l a s e r o p t i m i z a t i o n c r ：l i s a fi a s e r s m a l ls i g n a lg a i n a s t i g m a t i s m 天津大学硕士论文 绪论 一、本课题的研究意义： 1 1 3 2 9 i nn d 3 十：y a g 激光器： 1 3 2 u m 波长位于大气窗口、石英光纤低损区，在光纤通讯和大气研究领 域中，是不可缺少的理想光源。在激光生物医疗领域中，1 3 2 “m 波长的激光 具有优良的生物医学效应：组织穿透深，凝固、止血效果好；手术切割效率高， 有着重要和广泛的临床应用价值【l l 。其倍频的红色激光取代氪离子激光也将有 相当的市场。在众多的激光器中，1 0 6 l x m n d 3 + w a g 激光器的相关技术已经成 熟，并以其体积小，稳定性高、价格低等优点得到广泛应用a 而1 3 2 p m 波长 的n d 3 + ：y a g 激光器由于效率低( ，时，其结果应作修正，但 这差别对于了解输出峰值功率、输出能量、脉宽等参量的变化关系并无妨 碍。图( 1 1 2 ) 表示一个三能级系统的能级简图。在工作粒子与光子相互作 用时，将会存在吸收、自发辐射和受激辐射等三种过程。因此在图中的能级之 天津大学硕士论文 间有 2 图1 1 2 三能级系统示意图 ( 1 ) 在外界激励下，基态e - 能级的粒子部分被泵浦到能级e 3 上，w j 3 表 示受激吸收跃迁几率。 ( 2 ) 到达高能级3 的粒子数将主要以无辐射跃迁( 热弛豫) 的形式极为 迅速地转移到能级上2 ，其几率为s 3 2 0 ( 3 ) 在未形成粒子数反转之前，能级2 的粒子主要经自发跃迁回到能级l ， 用a 2 1 表示自发跃迁几率。在粒子数反转的状态下，能级2 和能级l 之间的受 激辐射和吸收跃迁( w 2 i 和w 1 2 ) 将占绝对优势。 当q 开关打开时，三能级系统反转粒子数密度n 和光子数密度m 的速率 方程为】： 掣= 2 g ，m ，一n 2 a ：。一仃：，v 蛳) 警= ( 觚w ：一吉弘 “， 这就是反映激光器系统腔内振荡光予密度和工作物质反转粒子数密度随时 问变化的速率方程。其中n 一、n 2 分别为能级l 和能级2 上的粒子数；t r 为光子 寿命，o - 2 l 为发射截面，v 为工作物质中的光速。 三、电光调q 的基本原理： 某些晶体在外加电场的作用下，其折射率发生变化，使通过晶体的不同偏 振方向的光之间产生相位差，从而使光的偏振面旋转的现象称为电光效应。其 中折射率的变化和电场成正比的效应称为普克尔效应。电光调q 就是利用晶体 的普克尔效应来实现q 突变的方法暇l 。 实际装置如图( 1 1 3 ) 所示。这是一种发展较早，应用较广的电光调q 装置。本课题中用k d * p 晶体作调q 晶体，它是z o o 切割的。 未加电场前晶体的折射率主轴为x ，y ，z 。沿晶体光轴方向z 施加一外电场 9 天津大学硕士论文 e ，由于普克尔效应，主轴变为x ，y 。，z 。令光束沿轴z 方向传播，经偏振器后 变为平行于x 轴的线偏振光，入射到晶体表面时分解为等幅的x 和y 方向的偏 振光，在晶体中二者具有不同的折射率n ：和，l j 。经过晶体长度d 距离后，二偏 振分量产生了相位差a q f l l 2 1 ： 妒= 孕n ：) = 等眠3 尉= z 矾n m ( 1 1 - - 7 ， 式中疗。为o 光折射率；y 6 3 为晶体的电光系数；旯为光波波长：v = e d 是沿z 轴的外加 图1 1 3 电光调q 装置原理图 式( 1 1 7 ) 表明，对于k d p 晶体的y 。纵向电光效应，在外加电场作用 下引起的相位差正比于加在晶片上的电压v ，而与晶片的厚度d 无关。若相位 差妒= 万2 时，则所需要的四分之一波电压可以由( 1 1 7 ) 计算得出来，即： 4 = 州4 n ： ( 1 1 8 ) k d * p 晶体q 开关的半波电压随所用的波长不同而不同，根据计算，四分 之一波电压约对1 3 2 p r o 大约5 0 0 0 伏，对1 0 6 4 # m 大约3 8 0 0 伏。 图( 1 1 3 ) 中，在电光晶体上施加1 4 波电压时，线偏振光通过晶体后， 沿x 和y 方向的偏振分量就产生了州2 相位差，或者说偏振面旋转了4 5 0 ，随 后经过全反镜再通过晶体时，偏振面就会发生9 0 0 的旋转，偏振光此时就不能 通过偏振片。这时相当于“开关”处于关闭状态，故q 值很低，不能形成激光 振荡。在光泵的不断激励下，工作物质的上能级反转粒子数将不断积累并达到 o 天津大学硕士论文 最大值。若瞬间退除电光晶体上的电压，则偏振光的振动方向不再被旋转而能 通过检偏器，相当于“开关”迅速打开，使q 值猛增，激光振荡得以形成，从 而产生雪崩式的激光发射，输出一个巨脉冲。这就是电光调q 的基本作用过程。 四、声光调q 的基本原理： 如图( 1 1 4 ) 所示为声光调q 激光器的原理图。声光调q 的物理基础 是声光效应。声光效应是指光波在介质中传播时，被超声波场衍射或散射的现 象。把声光q 开关器件插入谐振腔内，使其工作于布拉格衍射状态，则1 级衍 射光相对于零级光有2 0 角的偏离，这一角度由2 0 = ：t n ：t , 确定，其中五和a 。分 别为光波波长和声波波长，n 为介质折射率。这一角度完全可以使l 级衍射光 偏离出谐振腔外。于是，当声光q 开关中存在超声场时，谐振腔处于高损耗、 低q 值状态；撤去换能器的驱动电源时超声场消失，于是谐振胶又恢复高q 值状态。q 值交替变化一次，就会使激光器发射一个调q 脉冲。 高频振荡电源 1 y a g 。 il 辛三；。 图1 1 4 声光调q 撒光器原理图 声光q 开关用于连续激光器时，需要用脉冲调制器产生频率为f 的信号来 调制高频振荡器的信号，因此声光介质中超声场出现的频率便为脉冲调制信号 的频率，于是激光器输出重复率为f 的调q 序列脉冲。为了能使工作物质激光 上能级积累足够多的粒子，并且避免过多的自发辐射损耗，以便激光器在保证 一定的峰值功率下得到最大的反转粒子数利用率，相邻两个脉冲的时间间隔1 f 大致要与激光工作物质的上能级寿命相等。对于n d ：y a g 激光器，其上能级 寿命约为2 3 0 n s ，因此，选取调q 重复率在4 5 k i - i z 为宜，在这种情况下，反 转粒子数的利用率最高。重复频率过高或过低都会影响调q 效果。 天津大学硕士论文 1 3 获得最佳输出时调q 参数的理论分析 人们在不断研究新的调q 方法的同时，也对调q 激光器提出了多种优化 原理。快速q 开关激光器问题涉及到解反转粒子数密度和腔内光子数密度随时 间变化的微分方程组。相应的文献中给出了设计激光器时一些重要参数如激光 能量、峰值功率、脉冲宽度的近似表达式。但是，这些表达式是由初始和末态 反转粒子数表达的，而这二者不只和耦合输出镜的选择有关，还是通过复杂的 超越方程联系起来的。因此，要想优化激光器使之获得最大的能量( 或峰值功 率) 输出，通常需要借助计算机给出数值解。这就增加了工作的复杂程度。 在给定初始反转粒子数密度的前提下，选择适当的输出镜的反射率以提高 调q 激光器的输出能量( 或峰值功率) 进而提高效率是十分有意义的。根据文 献【1 3 l ，从基本的调q 激光器速率方程出发，利用l a g r a n g e 乘数法，可以推导 出如激光能量、峰值功率、脉冲宽度这些重要参数的精确表达式。两在本课题 中，我们分别对如何尽可能优化激光脉冲的最大能量( 或峰值功率) 作了分析， 以便为优化谐振腔参数提供一定的理论基础。 一、基本理论公式： 设中o 。) 为t 。= m t ，时刻谐振腔内空间均匀分布的光子数密度，i n 为整数。 其中f ，= 2 形为光予在激光腔内往返时间，。为谐振腔长，c 为光速。光子数 密度实际上是腔内沿轴线方向相向传输和相反方向传输的两柬光光子数的总 和。因此在f 。= + l ，时刻腔内的光子数由【1 3 j ： o o 。) = 由( f 。k 2 。“e 。2 “r r i - i 互2 ( 1 1 - - 9 ) 给出。其中r 为输出耦合镜的反射率，r + 为反射镜的反射率。r 为腔内第i 个 器件的透过率。盯为受激发射截面。n ( t 。) 为瞬时的反转粒子数密度，以下简 写为n 。l 为激光棒的长度。a 为棒内总的损耗系数，它是线性吸收和散射损耗 r1 黼在煳煺姚域绷黼或扒h f 赤i ( 1 1 - - 1 0 ) 1 2 天津大学硕1 论义 对( 1 1 - - 9 ) 取对数，得到： 龇= ，n 毗。乩毗) = z 吨) 一 1 n ( 抄q 因为整数m 是由腔内渡越时间归一化的时间刻度，即肌= t t ，所以光子数随 时间变化率可以写成： 塑d t = 中螋d t m 詈等a = 詈p 十( 舻 r 。 聊 ，1irj ：型m 一里 舯刻门舣将懒洲肭_ 2 向 由速率方程知，反转粒子数密度随时间变化的速率方程为如下形式【l l 】： 塑。一肼中” 西 。 其中0 s ，2 与由单个光子的受激发射引起的反转粒子数的净损耗一致，称为 反转消耗因子【1 舢。，不只由水平简并度决定，它还由与调q 脉冲建立时间有关 的激光介质的各种弛豫机制的速度决定。 将( 1 1 一1 2 ) 和( 1 1 一1 4 ) 相除以消去时间项，得到微分方程： 坐一专(-一韵(11-15)dn f，i 疗j 其中珂，为闽值反转粒子数密度，将( 1 1 一1 2 ) 的左端取零得到，即： 驴击+ 刁 ( 1 1 - - 1 5 ) ) = 孙硼h ，- n 啪 h ，为初态反转粒子数密度，r l ( t ) 为t 时刻的反转粒子数密度。由( 1 1 1 7 ) 可知，腔内光子数密度的最大值为： 天津大学硕士论文 中。= 专，一_ + n ( 詈 此时反转粒子数密度达到闽值( n ( f ) = ”，) 。 在脉冲结束时，光子数密度又变为零。因此令( 1 1 1 7 ) 的左端为零，可得到 将初态和末态反转粒子数密度n ，、n ，联系起来的超越方程，即： 旷旷n 它必须数值求解。由( 1 1 - - 1 2 ) ，可得从输出镜输出的瞬时功率： 删一蒯- 枥t f i r 删t 螋, 其中a l 为激光腔内光子占据的体积， d 为单光子能量。 将( 1 1 - - 1 8 ) 代入( 1 1 - - 2 0 ) ，得到峰值输出功率，即l = 警t 姗，叫m 枷 要计算激光输出能量，我们首先将( 1 1 2 0 ) 式对时间从零到无穷积分，再利 用( 1 1 1 4 ) 式将积分变量由时间t 变为反转粒子数密度，计算得： e ：p m 竺掣卜舻等烈片 = 筹n ( 州剖 e = 昙砌u g ，一 y 。 其中，v = a i 为激光棒内的有效模体积。 如果我们假设输出脉冲的波形可以用非对称的三角形来近似，其高为峰值功率 p m 。，底边为“，面积为e ，则f w h m 脉宽为： 1 4 天津大学硕_ 论史 铲鲁= 吐 二 m 戕 二、求解调q 问题中的重要参数 0 ，一n ，) ”小俐 ( 1 1 2 4 ) 调q 开关问题最终简化为解关于光子数密度m 和反转粒子数密度”的微 分方程组 塑2 0 n l ( i ) 皇 d t t ，t 。 塑：一肌锄 出 ( 1 1 2 5 ) ( 1 1 2 6 ) 采用l a g r a n g e 乘数法，可得到最佳耦合输出激光的各个参数的简单数值表达 式。引入新变量： x= - n ( 爿 y ：竺 肝1 ( 1 1 2 7 a ) ( 1 1 2 7 b ) 将( 1 1 - - 2 7 a ) 和( 1 1 2 7 b ) 代入( 1 1 2 2 ) ，得： e 一舄地y - _ s ， 利用( 1 1 1 6 ) ，( 1 1 一1 9 ) 可得 妒g ，y ) = l - y + 学= 。 c 1 1 - - 2 9 ) 再将x ，y 代入( 1 1 _ 2 1 ) ，得 驯= 丽a h v 机三怊一h 黝) 1 基于最大输出能量的优化： 利用l a g r a n g e 乘数法，解方程组： 丝+ a 丝：0 丝+ 兄塑：o 其中旯为l a g r a n g e 乘数。解得 五：堡堕 1 5 ( 1 1 3 0 ) ( 1 1 3 l a ) ( 1 1 3 1 b ) ( 1 1 3 2 a ) 天津大学硕士论文 三三 1 u = 一= 一 。 2 册，l 2 9 0 ，z 其中，9 0 = 0 7 7 ，为未饱和小信号增益系数。这里，定义了一个新的标量z 反映往返小信号增益与被动损耗的比。将( 1 1 3 2 b ) 代入( 1 1 2 9 ) 解出z 矿n ( 冉4 警 x 。是输出耦合镜最佳反射率的函数，且仅与、z 有关。如图( 1 1 5 ) 所示。其中，横坐标为z ，纵坐标为。么。 r 州= e x p ( - ) ( 1 1 3 3b ) 由此，我们可以获得最优化调q 激光器的其它重要参数。 图( 1 1 5 ) 最佳反射率r o p t 与z 的关系 图( 1 1 6 ) 曩大输出能量e m a x 与z 的关系 将( 1 1 3 2 b ) 和( 1 1 a ) 代入( 1 1 2 8 ) ，得： = 筹【：- l - l n , 如帅- q ，腻肌横坐标龇纵坐标为e 吣( 等弘 由最大值的限制，接近于将棒内全部贮存能量耗尽的输出能量为： 耻l i m e 。= 等z = 等- o ， 可定义能量提取效率为：g ) ：冬竖：1 一旦型趔 e 。 z 1 6 垄堡查兰堡主堡苎 由图( 1 1 7 ) 可知，在选择了最佳耦合镜的情况下，激光器的效率只能通过 增大z 值来提高，可以减小l ：增大或进一步集中在激活模体积内的泵浦 能量。 圈( 1 1 7 ) n e 与z 的关系 将( 1 1 3 3 a ) 代入( 1 1 1 6 ) ，可以得到在选取了最佳耦合镜时，阐值 反转粒子数密度的简单表达式：疗，= 刍 i z - 期1 ( 1 1 - - 3 7 ) 棚j ( 1 1 q 7 ) ，( 1 1 3 2 ) ，( 1 1 _ 3 3 ) ，( 1 1 _ 2 1 ) ，( 1 1 _ 2 4 ) ，还可以 得到激光峰值功率的解析表达式： = 筹 警怍 型l n z 等11 j 1 j 1 “ 2 叫，l l n 2 ji 。l 且 l ：一 j f w h m 脉宽为：= 兰 瑶辆 图( 1 1 8 ) 峰值功率p m “与z 的关系圈( 1 1 q ) 脉宽t p 与z 的关系 ( 1 1 3 8 ) 和( 1 1 3 9 ) 的图形分别为图( 1 1 8 ) 、( 1 1 9 ) ，其中横 1 7 rf=ooil 堕： 。l 天津大学硕士论文 坐标龇，纵坐删蚍。x ( 筹卜( 针 2 基于最大峰值功率的优化【1 5 】： 解l a g r a n g e 方程组： 型+ 旯鲤：o a p ( x , y ) + 五塑：o 砂砂 消去九并整理得： l n ( 鬲2 0 n ，1 ( 他) 一z 州“枷 2 0 n ，( 1 一y ) + g + l ) l n y = 0 l( 1 1 _ 4 0 ) f j ( 1 1 _ 4 1 ) 考虑到z = 2 0 n ，i l 为往返小信号增益与往返被动损耗之比，则( 1 1 4 1 ) 可 化为：吐一g 圳舡柚- n ( 盖 ( 1 1 _ 4 2 a ) l n y = x z + l 三一1 ) ( 1 i - - 4 2 b ) 对于给定的l 和z ，解方程( 1 1 - - 4 2 a ) 可以求出x 关于z 的数值解，再 利用关系式x = k ( 去 ，即可求出最佳化的胄叫关于z 的数值解，同理可以求 出此时y 的数值解。将x 、y 的值代入方程( 1 1 2 8 ) 、( 1 1 - - 3 0 ) 就可以求出此 时经过最佳化得到的最高的峰值功率和输出能量。 图( 1 - 1 一l o ) 最大化能量和最大化峰值功率优化得到的r 0 和置0 随z 的变化曲线 1 8 天津大学硕士论文 图( 1 1 一l o ) 分别给出了l = 0 0 4 ，l = 0 0 8 时，分别由最大化能量和最 大化峰值功率进行优化而得到的最佳输出镜反射率矗孟和月舄随z 的变化曲线。 可以看出：当z r ；当z 2 0 时，r 刍 9 5 2 m 2 2 2 2 5 9 2 m 2 3 _ 3 4 0 9 5 以m 2 为例，由公式( 1 1 1 ) 和公式( 1 1 - - 2 ) 可以得出， e 1 o d e , 3 2 2 7 因此1 0 6 i - t m 波长的光可以被很好地抑制了。由于1 3 2 i _ t m 波长和1 3 4 t u n 波长 的增益截面大小几乎相同，因此只要使输出镜对1 3 4 t m 波长的透过率稍大于 对1 3 2 b t m 波长的透过率，就可以抑制1 3 4 p m 波长的起振。 实验结果证明这种镀特殊膜系数的方法可以获得1 3 2 u m 单一波长的运 转。考虑到1 3 2 i - t m n d 3 + ：y a g 激光器由于效率低将产生比1 0 6 1 a m n d “：y a g 激光器更多的废热，我们对y a g 晶体、泵浦氤灯和聚光腔采用水箱内循环和 外循环双重水冷。能量计探头采用以色列o p h i r 公司生产的探头，能量量程 在2 0 b t l 2 j 。 二、实验结果及分析 采用图( 1 3 1 ) 所示的实验装置，我们得到1 3 2 肛m 波长的激光输出。 测得的实验结果如图( 1 3 2 ) 所示。其中当输出镜采用m 2 时效果最佳。 激光输出的阈值能量为8 6 4 8 j 。在泵浦电压1 1 5 0 v ，重复频率1 h z 时获得0 9 7 8 j 脉冲输出，斜率效率1 7 0 1 。 m 1x el a m p m 2 图1 3 11 3 2 i l n l y a g 脉冲激光 器的实验装置图 _ 二 一 e n e r g ym e t e r 图1 3 2 不同透过率时输出能量与输入能量的 其中闪光灯的泵浦波形和脉冲波形如图( 1 3 3 ) 所示。图( 1 3 4 ) 为 输出激光光斑随泵浦电压的变化情况。 图1 3 3 8 闪光灯的泵浦波形 天津大学硕士论文 图1 3 4 激光光斑随泵浦电压的变化 此外我们选定输出镜m 2 ( d ( t = 1 7 3 1 3 2 i t m ) ，测出了不同重复频率时 激光器的输出能量。图( 1 3 5 ) 所示为泵浦电压分别为5 0 0 v 、9 0 0 v 、1 1 5 0 v 时，输出能量与重复频率的关系。同时我们测出了重复频率分别为1 h z 和1 0 h z 时输出能量和输入能量的关系曲线，如图( 1 3 6 ) 所示。 图1 3 5 输出能量与重复频率的关系 + ”一一一1 一 图1 3 6 不同薰复搴下输出能量 b 输入能黛的荚系 从以上的实验数据可以看出1 3 2 t t mn d 3 + ：y a g 激光器效率远低于1 0 6 ”m n d 3 十：y a g 激光。这是由于其受激发射截面系数小，增益低的缘故。从图( 1 3 2 ) 、( 1 3 5 ) 、( 1 3 6 ) 中可以看出，在低重复率的情况下，激光输出能量 与泵浦能量成线性关系，且输出能量随泵浦能量的增加而增加。这说暇继续增 天津大学硕士论文 大泵浦电压，还可以增大输出激光能量。但是由于器件的限制，我们没有测出 泵浦电压大于1 1 5 0 v 时的输出能量。此外曲线的不饱和，说明输出镜在1 3 2 p m 处的透过率还可以增加，以获得更高的效率。 而在商重复率下，如图( 1 3 5 ) 、( 1 3 6 ) 所示，输出能量随泵浦能量 的增长不再是线性的。此时，随泵浦能量的增加，输出能量的增加速度逐渐降 低，且当泵浦能量达到一定值时，输出的能量值低于相同泵浦能量下低重复率 时的值。这是由于当激光器工作在高重复频率时，其冷却效率降低，泵浦能量 的分布不均导致激活介质内部温度场的分布形成中心和外缘温度高，中间有一 个较低的温度环。因此光波的等相位面变化不良，造成衍射损耗的增加【2 ”。由 于1 3 2 1 t m n d 3 + ：y a g 激光器效率比1 0 6 1 t m n d ”：y a g 激光器低，产生了更多 的废热，如果可以增冷却水的流量和流速，或者通过制冷机更有效的降低冷却 水的温度，则可以提高反转效率。 二、动态1 3 2 t t m n d 鼾：y a g 激光器的实验结果： 本实验在插入电光调q 晶体和偏振片后，经过仔细的调整，“关门”效果 始终不够理想。在“关门”相对较好的位置( 1 4 波电压约为5 0 0 0 v ，静态出 光比较微弱) 我们对晶体进行退压，同时调节延时，输出的动态激光将像纸打 出的光斑比不加晶体和偏振片时强，但光斑大小比较小，证明调q 现象的存在， 但效果不好。调q 结果不理想的原因主要是因为放置偏擐片的调攘架是针对 1 0 6 儿m 波长的布儒斯特角加工的，因此不能满足1 3 2 1 m 波长的布儒斯特角i 而且偏振片的厚度太厚，造成入射端面和出射端面不平行度的增加，这样就会 使入射光线与出射光线不平行，难以调攘；另外由于波长的特殊性和加工工艺 的限制，存在1 3 2 t m 镀膜不符合要求的可能此外，调整絮的精度不够高和 偏振片通光口径太小也是实验不理想的原因。 3 21 3 2 1 a m 连续n d “：y a g 激光器的实验研究 一、静态1 3 2 t t m 连续n d “ly a g 激光器的实验装置： 采用如图( 1 3 8 ) 所示的实验装置，我们进行了1 3 2 肚m 连续n d 3 + ：y a g 激光器的实验研究。其中全反镜m 1 的曲率半径r = o o ，对1 3 2 p _ m 波长的反射 丕堡盔兰堡主堡兰 率r = 1 0 0 ，对1 0 6 p m 波长高透；输出镜m 2 在1 3 2 m 波长处的输出率为4 ， 在1 0 6 i ，t m 波长的透过率为9 5 。采用连续氪灯泵浦。y a g 棒、水冷装置、准 直装置与脉冲实验时相同。 卜竺叫 m 1 k r l a m p m 2 _ 二卜 p o w e rm e t e r 图1 3 81 3 2 p m n d ：y a g 连续激光嚣的实验装置 由公式( 1 1 一1 ) 和( 1 1 3 ) 可得：p to d p l3 2 1 2 5 ，同样，1 0 6 t t m 波长的光 可以被很好地抑制了。 二、静态1 3 2 t