NdYAG固体激光器谐振腔

1、课程设计报告课程名称：课程设计设计题目：Nd:YAG固体激光器谐振腔院 系：物理系班 级：09光信息科学与技术2班姓 名：黄国辉学 号：200930461371指导老师：李润华老师 完成时间：2012-05-05 设计要求 工作物质物理 固体工作物质基础 性质分析详述Nd3+:YAG晶体 理论依据 泵浦源 设计方案 课程设计 模块 聚光腔 基础理论 方案设计 谐振腔 基础理论 方案设计 方案评估 电光调Q冷却系统 总体设计 总结 附录 11设计要求对于给定一个长15cm, 直径6mm的Nd:YAG棒(折射率 n=1.82)和长3cm, 通光口径为8mm的KD*P电光调Q晶体(n=1.51),设

2、计一个完整的紧凑型谐振腔, 要求画出结构图, 给出谐振腔镜R1和R2的尺寸和总的腔长L,计算出光腰的位置,光斑尺寸大小和发散角,以及两个腔镜上的光斑尺寸. (忽略热透镜效应)要求：l 腔长尽量短l 要给各元件留一定的安放空间l 考察谐振腔的稳定性l 考察谐振腔的抗扰动的能力l 考察腔模的光学特征（比如发散角、束腰的半径等参数，并最佳化）l 最好能用图表来说明问题。评分就是根据这些参数来看设计的优劣。l 注意波长为1.064微米.2工作物质物理性质分析2.1固体工作物质基础l 综述固体激光工作物质由激活离子和基质组成，激活离子的能级结构决定了激光的光谱特性和荧光寿命等激光特性。基质主要决定了工作

3、物质的物理特性，化学特性。l 激活离子激活离子是发光中心，离子的电子阻态中，未被填满壳层的电子处于不同轨道和自旋运动状态，形成一系列能级。目前可用作激活离子的元素共有19种，可分为四类：（1）过渡族金属离子 如Cr3+,Ni3+,Co3+（2）三价稀土金属离子 如Nd3+,Pr3+,Sm3+（3）二阶稀土金属离子 如Sn2+,Dy2+,Tm3+（4）锕系离子 多为人工放射元素，不易制备l 基质材料工作物质的基质材料应能为激活离子提供合适的配位场，并具有优良的机械热性能及高光学质量，常用的基质材料分为晶体和玻璃两大类2.2详述Nd3+:YAG晶体l 物理与化学特性分子量硬度/莫氏熔点/oC密度/

4、(g/cm3)折射率/(lum室温)593.78-8.519504.551.82表1：YAG的基本理化特性温度/k热导率/(W.cm-1.k-1)比热/-1.k-1)热扩散系数/(cm2.s-1)热膨胀系数/(10-6.k-1)dn/dt1000.5881.10.924.252000.21270.50.15.85000.13371.20.0467.57.3*10-6表2：YAG的温度特性l 激光特性由图中能得出两个结论：1 Nd3+:YAG为4能级系统2 4F3/2为亚稳态能级1.064um的能级跃迁图1：Nd3+:YAG的能级结构室温下Nd3+:YAG有三条荧光谱线，中心波长和对应的能级跃迁

5、分支比为：0.94um (4F3/2 4I9/2)25%1.06um (4F3/2 4I11/2)60%1.35um (4F3/2 4I13/2)14%其中最强的是1.06um的荧光谱线。4F3/2向4I9/2跃迁属三能级系统，阀值高，只能在低温下才能实现激光震荡。4I11/2和4I13/2跃迁为四能级系统，阀值低，易实现激光震荡。由于1.06um谱线的荧光强度比1.35um的荧光强度强约为4赔，1.06um谱线首先起振，从而抑制了1.35um谱线。所以Nd3+:YAG激光器通常只产生1.06um的激光震荡。采用选频技术可以输出1.35um。对激光辐射有贡献的主要吸收带有5条：0.53um(4

6、I9/2 4G7/2+2G9/2)0.58um(4I9/24G5/2+2G7/2)0.75um(4I9/24F7/2+4S3/2)0.81um(4I9/24F5/2+2H9/2)0.87um(4I9/24F3/2)结论：1.064um的激光是由4F3/24I11/2产生的，故泵光源发出的光集中在0.75um0.87um附近图2：Nd3+:YAG晶体在300K的吸收光谱图3：由于晶格振动造成的在1.06um处的频谱展宽（300K）3泵浦源3.1理论依据泵浦激光器使用光源的主要目的是将电能有效地转换成辐射能，并在给定的光谱带上产生高的辐射通量。最有效的激光泵浦灯将使激光材料在激发荧光的波长上产生最

7、大的发射，而在有效吸收带之外的所有光谱范围内产生最小发射。由Nd3+:YAG的激光特性可知道，我们需要的光源就是0.75um0.87um的光源。3.2设计方案790-820nm泵浦带730-760nm泵浦带经过查找资料，最三斟酌，最终确定采用惰性气体连续弧光灯（氪弧光灯）。其发光光谱如图4所示860-890nm泵浦带图4典型氪弧灯的发射光谱氪的线性光谱能很好地与Dd3+:YAG的吸收光谱匹配，它的最强两条发射谱线（0.76um，811um）被晶体强烈地吸收。4聚光腔4.1基础理论l 聚光腔使用最多的聚光腔是一种内表面具有高反射率椭圆柱体，激光棒和泵光源分别配置在椭圆柱的两条焦线上。由椭圆发出的

8、一个焦点发出的光将反射到另一个焦点。因此，椭圆腔中的能量传递是从一条焦线上的直管光源传输到另一条焦线上的棒状吸收体。椭圆柱两端各用一块高反射率端板封住，练个断面相互平行。l 常见聚光腔(a)大偏心率但椭圆；（b）小偏心率单椭圆；（c）紧耦合单椭圆；（d）焦外的单椭圆；（e）半椭圆；（f）双椭圆；（g）多椭圆图5 椭圆聚光腔4.2方案设计l 总体方案铜片由于是紧凑型激光器，并且综合考虑体积和散热性能，可采用椭圆聚光腔，如下图图6 椭圆聚光腔体l 细节 2c 棒灯 棒2Rl 2RR 2b2a 图7 转配图首先，按下式确定棒与泵浦源的最小间距2C=s1+(dr+dl)/2式中，dr和dl分别为棒与灯

9、装配的相关直径，通常为12cm。s1是棒和灯之间的装配间隙。2a=s1+2s2+dr+dlS2为棒和灯装配件距椭圆表面的间隙。b=(a2-c2)1/2 由于涉及到具体工程操作，具体数值视实物而定。 涉及到的距离都为光程距离5谐振腔5.1基础理论l 谐振腔结构图8 用曲率半径不等的镜 构成的谐振腔的模参数理论计算公式如下：镜上的光束半径可以由下式给出：束腰半径由下式给出光腰的位置由下式确定发散角·各类型谐振腔：（a）平行谐振腔；（b）大曲率半径腔；（c）共焦腔；（d）共心腔；（e）凹凸腔；（f）半共心腔图9 腔结构l 稳定性稳定性判据：l 模式选择：模式选择原理：1一台激光器的谐振腔中

10、可能有若干个稳定的振荡模，只要某一单程益大于单程损耗，即满足激光振荡条件，该模式就有可能激发而起振。2谐振腔存在两种不同性质的损耗，一种是与横阶数无关的损耗，如腔镜的透射损耗，腔内元件的吸收，散射损耗等；另一种则是与横阶数密切相关的衍射损耗，在稳定腔中，基模的衍射损耗最小，随着横阶数的增高，其衍射损耗也逐渐增大。3谐振腔对不同阶横模有不同的衍射损耗的性能是实现横模选择的物理基础。公式描述：某个横模()的光在谐振腔内经过一次往返后，由于增益和损耗两种因数的影响，其光强变为 其中为某横模损耗系数故选择某横模：抑制某横模 ： 5.2方案设计谐振腔有四种类型，为简单起见，这里这研究其中的两种，一种是等

11、曲率半径腔，另一种是平凹腔，对比优劣，确定最终方案。影响结果的是变量R/L，归一化后直接用r代替5.2.1等曲率半径腔l 参数优化对于公式简化为：用L对其归一化 定义描述函数 考虑到稳定性问题，则下面利用matlab做出其曲线图（对应附录的程序1）图10由图知，不可能做到面面俱到，只能根据具体要求来做出选择。（腰半径与发散角是一对矛盾）5.2.3平凹腔l 参数优化对于用L对其归一化 定义描述函数 考虑其稳定性，下面利用matlab做出其曲线图（程序见附录2）图11 模式选择方案设计小孔光阑法选模是一种常用的固体激光选模，如在本设计中为方便起见也采用此方法，如下图所示工作物质小孔光阑图12 小孔

12、光阑选模 由于高阶横模的光腰比基模的大，如果光阑的孔径选择适当，就可以将高阶横模的光束遮着一部分，而基模可以顺利通过。利用了选择某横模：抑制某横模 ： 的物理机制5.3方案评估对半径R进行归一化后，如何选择适当的R变的与L无关，而L是要根据实际情况经行确定的，这里的L综合考虑所有的情况才能确定。上面的分析没有给出相对优的解，因为电光调Q对R是有限制的，因而要在考虑整体方案后才会得出相对优质的解。关于小孔光阑如何选出基模，小孔半径多大，小孔光阑应放置在什么地方最合适，这里不再详述，可查看相关文献。由5.2的分析可以看出光腰和发散角似乎是一对矛盾，出现矛盾的原因我想是应为这套装置太简单化了，装置复

13、杂化的话，这对矛盾可能就可以解决了，例如加上聚焦镜头。有总体思路就可以了，这里不再深入，因为没有实操经验，说的太理论化也不好，而且容易迷惘。（一直都在纸上谈兵）。6电光调Q利用某些晶体的电光效应可以做成电光Q开关器件。电光调Q具有开关时间短，效率高，调Q时刻可以精确控制，输出脉冲宽度窄，峰值功率高等优点。图13如图所示是电光晶体调Q装置的工作原理图。激光工作物质是Nd:YAG晶体，偏振器采用方解石空气隙格兰付克棱镜，调制晶体用KD*P(磷酸二氘 钾)晶体，它是z-00切割的(使通光面与z轴垂直)，利用其63的纵向电光效应。将调制晶体两端的环状电极与调Q电源相接。如果在调制晶体上施加4电压，由于

14、纵向电光效应，当沿x方向的线偏振光通过晶体后，两分量之间便产生2的相位差，则从晶体出射后合成为相当于圆偏振光；经全反射镜反射回来，再次通过调制晶体，又会产生 2的相位差，往返一次总共累积产生 相位差，合成后得到沿y方向振动的线偏振光，相当于偏振面相对于入射光旋转了，显然，这种偏振光不能再通过偏振棱镜，此时，电光Q开关处于“关闭”状态。因此，如果在氙灯刚开始点燃时，事先在调制晶体上加上 4电压，使谐振腔处于“关闭”的低Q值状态，阻断激光振荡的形成。待激光上能级反转的粒子数积累到最大值时，突然撤去晶体上的 4电压，使激光器瞬间处于高Q值状态，产生雪崩式的激光振荡，就可输出一个巨脉冲。由电光调Q基本

15、原理可知，要获得高效率调Q的关键之一是精确控制Q开关“打开”的延迟时间，即从氙灯点燃开始延迟一段时间，当工作物质上能级反转的粒子数达到最大时，立即“打开”开关的效果最好。如果Q开关打开早了，上能级反转粒子数尚未达到最大时就开始起振，显然输出的巨脉冲功率会降低，而且还可能出现多脉冲。如果延时过长，即Q开关打开得迟了，则由于自发辐射等损耗，也会影响巨脉冲的功率。7冷却装置(略)8总体设计8.1总体框图小孔光阑，或许放的位置不好凹透镜电光调Q晶体Nd:YAG棒起振片1/4玻片，预防烧孔效应平面镜，其存在一个最佳透射率图14 总体设计（元器件与元器件之间的距离都取1cm）经过观察matlab的曲线图，

16、最终决定选择平凹腔。光 程： 由于在电光调Q晶体和Nd3+:YAG左端存在限制条件其中W为光束半径，D为限制物直径，则有最后解的在Nd3+:YAG左端在电光调Q左端 分别代入解的因为需要的是稳定腔体所以 8.2最终方案确定由于已经的出了的范围，结合平凹腔的matlab曲线图，根据需要就可以选择不同的，在这里我把发散角看做是一个很重要的因素，忽略其他次要的因数，所以应该尽量的小，在这里我取=1.45m，从而得到一下一张参数表。腔体长26cm1.45m26cm0468um549um468um0.00145rad9总结l 收获虽然是纸上谈兵，不过收获还是挺多的。l 不足1只考虑了等曲率腔和平凹腔，没

17、有考虑其他腔，如何做到参数优化，其实心里没底，如果能实操一下，效果可能会好很多。2在这个简单的装置中，光腰和发散角始终是一对矛盾，鱼与熊掌不可兼得，只能视具体情况作出抉择，增加装置的复杂程度这对矛盾可能就解决了，这个一个改进的方向。3关于小孔光阑选模，小孔光阑的直径大小及放置都没有给出具体的理论数值，这涉及到高阶模光腰的计算，能力不足呀。4部分反射镜存在一个最佳透射率，这里也没有给出具体的数值，这也是一个应该改进的地方。5涉及到能量的问题基本上没有涉及。附录参考文献：激光器件原理与设计 李适民编激光技术 蓝信炬编课程设计 06级光信息邓焯泳师兄程序：r=1:0.1:10;y1=r.*sqrt(

18、1./(2*r-1);y0=sqrt(2*r-1);sita=1./sqrt(y0);figure;plot(r,y1);title('y1/r');xlabel('r');ylabel('y1');hold on;figure;plot(r,y0);title('y0/r');xlabel('r');ylabel('y0');hold on;figure;plot(r,sita);title('sita/r');xlabel('r');ylabel('sita');hold on;/-r=1.1:0.1:10;y1=r.*sqrt(1./(r-1);y2=sqrt(r-1);y0=sqrt(r-1);sita=1./sqrt(y0);figure;plot(r,y1);title('y1/r')