激光技術(shù)課程設(shè)計(jì)-MATLAB編程-聚光腔設(shè)計(jì)

1、武漢工程大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)課程設(shè)計(jì)名稱： 激光技術(shù)課程設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)題目： YAG固體激光器設(shè)計(jì) 學(xué) 院 名 稱： 理 學(xué) 院 專 業(yè) 班 級(jí)： 光通 學(xué) 生 學(xué) 號(hào)： 學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 生 成 績(jī)： 指 導(dǎo) 教 師： 戴 智 剛 課程設(shè)計(jì)時(shí)間： 2016.6.27 至 2016.7.1 13格式說(shuō)明（打印版格式，手寫(xiě)版不做要求）（1）任務(wù)書(shū)三項(xiàng)的內(nèi)容用小四號(hào)宋體，1.5倍行距。（2）目錄（黑體，四號(hào)，居中，中間空四格），內(nèi)容自動(dòng)生成，宋體小四號(hào)。（3）章的標(biāo)題用四號(hào)黑體加粗（居中排）。（4）章以下的標(biāo)題用小四號(hào)宋體加粗（頂格排）。（5）正文用小四號(hào)宋體，1.5倍行距；段落兩端

2、對(duì)齊，每個(gè)段落首行縮進(jìn)兩個(gè)字。（6）圖和表中文字用五號(hào)宋體，圖名和表名分別置于圖的下方和表的上方，用五號(hào)宋體（居中排）。（7）頁(yè)眉中的文字采用五號(hào)宋體，居中排。頁(yè)眉統(tǒng)一為：武漢工程大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)。（8）頁(yè)碼：封面、扉頁(yè)不占頁(yè)碼；目錄采用希臘字母、排列，正文采用阿拉伯?dāng)?shù)字1、2、3排列；頁(yè)碼位于頁(yè)腳，居中位置。（9）標(biāo)題編號(hào)應(yīng)統(tǒng)一，如：第一章，1，1.1，；論文中的表、圖和公式按章編號(hào)，如：表1.1、表1.2；圖1.2、圖1.2；公式（1.1）、公式（1.2）。課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)一、 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)和基本要求（1）諧振腔參數(shù)自再現(xiàn)模式分析：利用MATLAB編程計(jì)算圖示諧振腔的穩(wěn)定性與光焦度1/F的

3、關(guān)系。可取R1=, R2=, l1=250mm, l2=200mm。進(jìn)行光線追跡，計(jì)算從M1出發(fā)，光線參數(shù)為(r0, q0)的光線在腔內(nèi)往返傳播的軌跡。 （2）根據(jù)上述諧振腔參數(shù)，確定所用激光棒與泵浦燈的尺寸，并依據(jù)其尺寸設(shè)計(jì)聚光腔及所用材料，聚光腔聚光效率至少80%以上。 （3）繪制出所設(shè)計(jì)激光器的結(jié)構(gòu)剖面圖。二、進(jìn)度安排6.27，查找資料，確定設(shè)計(jì)方案。6.28-6.29，編程模擬6.30，計(jì)算聚光腔尺寸，繪制整體結(jié)構(gòu)圖7.01，修改設(shè)計(jì)論文，準(zhǔn)備PPT進(jìn)行答辯三、參考資料或參考文獻(xiàn)1 周炳琨, 高以智, 陳倜嶸, 陳家驊, 激光原理,國(guó)防工業(yè)出版社, 2004。2歐攀 高等光學(xué)仿真（ma

4、tlab版） 北京航空航天大學(xué)出版社，2011。3 呂百達(dá)，激光光學(xué)-光束描述、傳輸變換與光腔技術(shù)物理，高等教育出版社，2003。4 李適民，激光器件原理與設(shè)計(jì)，科學(xué)國(guó)防工業(yè)出版社，1998四、課程設(shè)計(jì)摘要（中文）摘要：本文主要利用MATLAB編程計(jì)算諧振腔的穩(wěn)定性與光焦度1/F的關(guān)系。同時(shí)進(jìn)行光線追跡，計(jì)算從M1出發(fā)，光線參數(shù)為(r0, q0)的光線在腔內(nèi)往返傳播的軌跡。根據(jù)諧振腔參數(shù)確定激光棒與泵浦燈尺寸，設(shè)計(jì)聚光腔，最終得出所設(shè)計(jì)激光器的結(jié)構(gòu)剖面圖。關(guān)鍵詞：諧振腔，聚光腔，激光器，泵浦 五、課程設(shè)計(jì)摘要（英文）Abstract : In this paper, MATLAB is use

5、d to calculate the stability of the resonators relationship with focal power 1 / F. Ray tracing, at the same time is calculated from the M1, the ray parameters (r0, q 0) for the light round in the cavities in the spread of the track. According to the laser rod resonator parameters and pump lamp size

6、, the condensing cavity design, finally it is concluded that the designed structure of the laser profile. Key words : resonant cavity, condensing cavity, laser, pump 本科生課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表姓名專業(yè)班級(jí)學(xué)號(hào)課程設(shè)計(jì)題目：課程設(shè)計(jì)答辯記錄：（手寫(xiě)）成績(jī)?cè)u(píng)定依據(jù)：項(xiàng)目得分比例考勤記錄設(shè)計(jì)結(jié)果報(bào)告撰寫(xiě)答辯成績(jī)備注：成績(jī)?cè)u(píng)定依據(jù)的項(xiàng)目?jī)?nèi)容和項(xiàng)目分值比例可以由老師按指導(dǎo)的專業(yè)進(jìn)行調(diào)整，但成績(jī)?cè)u(píng)定依據(jù)的項(xiàng)目數(shù)不得少于3項(xiàng)。最終評(píng)定成績(jī)： 指導(dǎo)

7、教師簽名： 年 月 日目 錄一、前言二、典型激光器介紹2.1 固體激光器2.1.1 紅寶石固體激光器2.1.2 YAG固體激光器2.1.3 新型固體激光器2.2 氣體激光器2.3 染料激光器2.4 半導(dǎo)體激光器三、YAG固體激光器設(shè)計(jì)3.1諧振腔參數(shù)自再現(xiàn)模式分析3.2聚光腔設(shè)計(jì)3.3 結(jié)構(gòu)剖面圖四、總結(jié)五、參考文獻(xiàn)一、前言激光是20世紀(jì)以來(lái)，繼原子能、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體之后，人類的又一重大發(fā)明，被稱為“最快的刀”、“最準(zhǔn)的尺”、“最亮的光”。激光器能發(fā)射激光的裝置。1960年T.H.梅曼等人制成了第一臺(tái)紅寶石激光器。1961年A.賈文等人制成了氦氖激光器。1962年R.N.霍耳等人創(chuàng)制了砷化鎵半

8、導(dǎo)體激光器。自此以后，激光器的種類就越來(lái)越多。按照工作介質(zhì)來(lái)分，激光器可分為氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器和染料激光器4大類。近來(lái)還發(fā)展了自由電子激光器，大功率激光器通常都是脈沖式輸出。在同一類型的激光器中又包括有許多不同材料的激光器。如固體激光器中有紅寶石激光器、釔鋁石榴石（Nd3+：YAG）激光器。氣體型的激光器主要有He-Ne（氦氖）、CO2及氬離子激光器等。由于工作物質(zhì)不同，產(chǎn)生的光波波長(zhǎng)不同，因而應(yīng)用范圍也不相同。應(yīng)用范圍最廣的有CO2激光器以及Nd3+：YAG激光器。二、典型激光器介紹2.1 固體激光器 用固體激光材料作為工作物質(zhì)的激光器叫做固體激光器。固體激光器的工作物質(zhì)，

9、由光學(xué)透明的晶體或玻璃作為基質(zhì)材料，摻以激活離子或其他激活物質(zhì)構(gòu)成。這種工作物質(zhì)一般應(yīng)具有良好的物理化學(xué)性質(zhì)如窄的熒光譜線、強(qiáng)而寬的吸收帶和高的熒光量子效率。固體激光器具有體積小、使用方便、輸出功率大的特點(diǎn)。固體激光器一般連續(xù)功率在100瓦以上，脈沖峰值功率可高達(dá)109 W。但由于工作介質(zhì)的制備較復(fù)雜，所以價(jià)格較貴。固體激光器以光為激勵(lì)源。常用的脈沖激勵(lì)源有充氙閃光燈；連續(xù)激勵(lì)源有氪弧燈、碘鎢燈、鉀銣燈等。在小型長(zhǎng)壽命激光器中，可用半導(dǎo)體發(fā)光二極管或太陽(yáng)光作激勵(lì)源。一些新的固體激光器也有采用激光激勵(lì)的。固體激光器由于光源的發(fā)射光譜中只有一部分為工作物質(zhì)所吸收，加上其他損耗，因而能量轉(zhuǎn)換效率不高

10、，一般在千分之幾到百分之幾之間。固定激光器的結(jié)構(gòu)由三個(gè)主要部分組成：工作物質(zhì)，光學(xué)諧振腔、激勵(lì)源。聚光腔是使光源發(fā)出的光都會(huì)聚于工作物質(zhì)上。工作物質(zhì)吸收足夠大的光能，激發(fā)大量的粒子，促成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。當(dāng)增益大于諧振腔內(nèi)的損耗時(shí)產(chǎn)生腔內(nèi)振蕩并由部分反射鏡一端輸出一束激光。工作物質(zhì)有兩個(gè)主要作用：一是產(chǎn)生光；二是作為介質(zhì)傳播光束。因此，不管哪一種激光器，對(duì)其發(fā)光性質(zhì)及光學(xué)性質(zhì)都有一定要求。2.1.1 紅寶石固體激光器紅寶石激光器的工作物質(zhì)是紅寶石棒。已經(jīng)成為在醫(yī)學(xué)、工業(yè)以及眾多科研領(lǐng)域不可或缺的基本儀器設(shè)備。紅寶石激光器產(chǎn)生的是暗紅色的694.3nm光，效率雖然不高，只有0.1%，但是它的結(jié)構(gòu)極其簡(jiǎn)

11、單，有代表性，跟我們現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的YAG激光器結(jié)構(gòu)一致，能級(jí)（3能級(jí)系統(tǒng)）更加簡(jiǎn)單，分析起來(lái)比較好理解。筆芯粗細(xì)，手指長(zhǎng)的紅寶石棒就可以輕松的產(chǎn)生打穿鐵皮、從月面上反射回來(lái)被檢測(cè)到的激光束，這些激光器在沒(méi)有發(fā)明效率高得多的YAG激光棒（1%-3%）的時(shí)候，被廣泛的用在激光切割機(jī)、鉆孔機(jī)上，許多軍用的非致命性武器也采用更小的紅寶石棒。2.1.2 YAG固體激光器是以釔鋁石榴石晶體為基質(zhì)的一種固體激光器。釔鋁石榴石的化學(xué)式是Y3 Al5 O15 ,簡(jiǎn)稱為YAG。在YAG基質(zhì)中摻入激活離子Nd3+ (約1%)就成為Nd3+：YAG。實(shí)際制備時(shí)是將一定比例的Al2 O3、Y2 O3 和NdO3在單晶

12、爐中熔化結(jié)晶而成。Nd3+：YAG屬于立方晶系, 是各向同性晶體。由于Nd3+：YAG屬四能級(jí)系統(tǒng), 量子效率高, 受激輻射面積大, 所以它的閾值比紅寶石和釹玻璃低得多。又由于Nd3+：YAG晶體具有優(yōu)良的熱學(xué)性能, 因此非常適合制成連續(xù)和重頻器件。它是目前在室溫下能夠連續(xù)工作的唯一固體工作物質(zhì)，在中小功率脈沖器件中, 目前應(yīng)用Nd3+：YAG的量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他工作物質(zhì)。 和其他固體激光器一樣, YAG激光器基本組成部分是激光工作物質(zhì)、泵浦源和諧振腔。不過(guò)由于晶體中所摻雜的激活離子種類不同, 泵浦源及泵浦方式不同, 所采用的諧振腔的結(jié)構(gòu)不同,以及采用的其他功能性結(jié)構(gòu)器件不同,YAG激光器又可分為

13、多種, 例如按輸出波形可分為連續(xù)波YAG激光器、重頻YAG激光器和脈沖 激光器等；按工作波長(zhǎng)分為1.06mYAG 激光器 、倍頻YAG激光器、拉曼頻移YAG激光器 (=1.54m)和可調(diào)諧YAG激光器 (如色心激光器)等; 按摻雜不同可分為Nd3+：YAG激光器、摻Ho、Tm、Er等的YAG激光器; 以晶體的形狀不同分為棒形和板條形YAG激光器；根據(jù)輸出功率(能量)不同, 可分為高功率和中小功率YAG激光器等。形形色色的YAG 激光器，成為了固體激光器中最重要的一個(gè)分支。2.1.3 新型固體激光器20世紀(jì)80年代以來(lái)，固體激光器的發(fā)展較快，出現(xiàn)了幾種帶有方向性的新型固體激光器，如半導(dǎo)體激光器泵

14、浦的固體激光器，可調(diào)諧固體激光器和高功率固體激光器。半導(dǎo)體泵浦固體激光器（英文全稱：Diode Pump Solid State Laser），是近年來(lái)國(guó)際上發(fā)展最快，應(yīng)用較廣的新型激光器。該類型的激光器利用輸出固定波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器代替了傳統(tǒng)的氪燈或氙燈來(lái)對(duì)激光晶體進(jìn)行泵浦，從而取得了嶄新的發(fā)展，被稱為第二代的激光器。這是一種高效率、長(zhǎng)壽命、光束質(zhì)量高、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)緊湊小型化的第二代新型固體激光器，已在空間通訊，光纖通信，大氣研究，環(huán)境科學(xué)，醫(yī)療器械，光學(xué)圖象處理，激光打印機(jī)等高科技領(lǐng)域有著獨(dú)具特色的應(yīng)用前景?？烧{(diào)諧固體激光器主要有兩類，一類是色心激光器，一類是用摻過(guò)渡族金屬的激光晶體制作

15、的可調(diào)諧激光器。高功率固體激光器主要指輸出平均功率在幾百瓦以上的各種連續(xù)，準(zhǔn)連續(xù)及脈沖固體激光器，它一直是軍事應(yīng)用和激光加工應(yīng)用所追求的目標(biāo)。2.2 氣體激光器 氣體激光器利用氣體作為工作物質(zhì)產(chǎn)生激光的器件。它由放電管內(nèi)的激活氣體、一對(duì)反射鏡構(gòu)成的諧振腔和激勵(lì)源等三個(gè)主要部分組成（圖1）。主要激勵(lì)方式有電激勵(lì)、氣動(dòng)激勵(lì)、光激勵(lì)和化學(xué)激勵(lì)等。其中電激勵(lì)方式最常用。在適當(dāng)放電條件下，利用電子碰撞激發(fā)和能量轉(zhuǎn)移激發(fā)等，氣體粒子有選擇性地被激發(fā)到某高能級(jí)上，從而形成與某低能級(jí)間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生受激發(fā)射躍遷。氣體激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低，操作方便，工作介質(zhì)均勻，光束質(zhì)量好以及能長(zhǎng)時(shí)間較穩(wěn)定地連續(xù)工作。是

16、目前品種最多、應(yīng)用最廣泛的一類激光器，市場(chǎng)占有率達(dá)60%。氦氖激光器是其中最常見(jiàn)的一種。產(chǎn)生的激光波長(zhǎng)是632.8nm。最小的氦-氖激光管已經(jīng)做到長(zhǎng)14.6cm、直徑2.5cm，重70g，功率為0.5mW。氣體激光器分為原子氣體激光器、離子氣體激光器、分子氣體激光器和準(zhǔn)分子激光器。它們工作在很寬的波長(zhǎng)范圍，從真空紫外到遠(yuǎn)紅外,既可以連續(xù)方式工作,也可以脈沖方式工作。2.3 染料激光器 工作物質(zhì)是有機(jī)染料，其能級(jí)由單重態(tài)(S)和三重態(tài)(T)組成。S和T又分裂成許多振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)能態(tài)，在溶液中這些能態(tài)還要明顯加寬，因此能發(fā)出很寬的熒光。 一般染料激光器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)廉，輸出功率和轉(zhuǎn)換效率都比較高。環(huán)形染

17、料激光器的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但性能優(yōu)越，可以輸出穩(wěn)定的單縱模激光。 染料激光的調(diào)諧范圍為0.31.2微米，是應(yīng)用最多的一種可調(diào)諧激光器。2.4 半導(dǎo)體激光器 在1962年被成功激發(fā)，在1970年實(shí)現(xiàn)室溫下連續(xù)輸出。后來(lái)經(jīng)過(guò)改良，開(kāi)發(fā)出雙異質(zhì)接合型激光及條紋型構(gòu)造的激光二極管（Laser diode）等，廣泛使用于光纖通信、光盤(pán)、激光打印機(jī)、激光掃描器、激光指示器（激光筆），是目前生產(chǎn)量最大的激光器。半導(dǎo)體激光器在基本構(gòu)造上，它屬于半導(dǎo)體的P-N接面，但激光二極管是以金屬包層從兩邊夾住發(fā)光層（有源層），是“雙異質(zhì)結(jié)接合構(gòu)造”。而且在激光二極管中，將界面作為發(fā)射鏡（諧振腔）使用。在使用材料方面，有鎵(

18、Ga)、砷(As)、銦(In)、磷(P)等。此外在多量子阱型中，也使用GaAlAs等。由于具有條狀結(jié)構(gòu)，即使是微小電流也會(huì)增加活性區(qū)域的電子數(shù)反轉(zhuǎn)密度，優(yōu)點(diǎn)是激發(fā)容易呈現(xiàn)單一形式，而且，其壽命可達(dá)10100萬(wàn)小時(shí)。三、YAG固體激光器設(shè)計(jì)3.1諧振腔參數(shù)自再現(xiàn)模式分析利用MATLAB編程計(jì)算圖示諧振腔的穩(wěn)定性與光焦度1/F的關(guān)系?？扇1=, R2=, l1=250mm, l2=200mm。進(jìn)行光線追跡，計(jì)算從M1出發(fā)，光線參數(shù)為(r0, q0)的光線在腔內(nèi)往返傳播的軌跡。光學(xué)諧振腔的穩(wěn)定性可以用光線往返一周后的【A B C D】矩陣來(lái)描述，根據(jù)諧振腔穩(wěn)定性條件可以判斷，當(dāng)1時(shí)為非穩(wěn)腔，當(dāng)=1

19、時(shí)為臨界腔。計(jì)算諧振腔穩(wěn)定性與光焦度1/F的關(guān)系的程序如下：clear;clc;R1=inf;R2=inf;L1=250;L2=200;i=0;for d=0:0.0002:0.012 i=i+1; TR1=1 0;-2/R1 1; TR2=1 0;-2/R2 1; TL1=1 L1; 0 1; TL2=1 L2; 0 1; TF=1 0; -d 1; T=TR1*TL1*TF*TL2*TR2*TL2*TF*TL1; A=T(1,1); B=T(1,2); C=T(2,1); D=T(2,2); y(i)=(A+D).2/4; x(i)=d;end;plot(x,y);xlabel(透鏡光焦度

20、1/F);ylabel(A+D)2/4);axis(0 0.012 0 2);title(諧振腔穩(wěn)定性與光焦度關(guān)系);grid on 圖1光線追跡原理設(shè)從R1上射出的光線位置參數(shù)為【r ；】,則傳播到透鏡上的位置參數(shù)為【rF；F】則二者存在關(guān)系式：【rF；F】=TF*Tl1*【r ；】，在左腔鏡中，X=0：l1;Y= rF+XF 根據(jù)X，Y的關(guān)系就可以做出光線在左腔鏡中的傳播軌跡，經(jīng)過(guò)透鏡和被R2反射的光線也可以利用相同方法求出，重復(fù)上述過(guò)程，可以得到從某一范圍發(fā)出的光線在諧振腔內(nèi)的軌跡圖。MATLAB程序如下clear,clcn=10;R1=inf;R2=inf;L1=250;L2=200;

21、F=150;d=1/F;r=0.15;theta=0.3;I=r;theta; TR1=1 0;-2/R1 1; TR2=1 0;-2/R2 1; TL1=1 L1; 0 1; TL2=1 L2; 0 1; TF=1 0; -d 1; x1=linspace(0,L1,L1);x2=linspace(L1,L1+L2,L2);for i=1:n y=I(1,1)+I(2,1)*x1; plot(x1,y),hold on I=TF*TL1*I; y=I(1,1)+I(2,1)*(x2-L1); plot(x2,y),hold on I=TR2*TL2*I; y=I(1,1)+I(2,1)*(L

22、2-(x2-L1); plot(x2,y),hold on I=TF*TL2*I; y=I(1,1)+I(2,1)*(L1-x1); plot(x1,y),hold on I=TR1*TL1*I;endtitle(光線追跡);xlabel(z（mm）);ylabel(光束位置)取r=0.15,=0.3,F=150時(shí)軌跡模擬n=10次圖2軌跡模擬n=100次圖3軌跡模擬n=1000次圖4取r=0.15,=0.3,F=250時(shí)軌跡模擬n=10次圖5軌跡模擬n=100次圖6軌跡模擬n=1000次圖7軌跡模擬n=5000次圖83.2聚光腔設(shè)計(jì)：根據(jù)上述諧振腔參數(shù)，確定所用激光棒與泵浦燈的尺寸，并依據(jù)其

23、尺寸設(shè)計(jì)聚光腔及所用材料，聚光腔聚光效率至少80%以上。 聚光腔的功能主要有：保證泵浦光最大限度地為工作物質(zhì)吸收；冷卻液通道；燈棒等的固定場(chǎng)所。本次設(shè)計(jì)選用單橢圓玻璃聚光腔，激光棒和泵浦燈分別配置在橢圓柱的兩條焦線上。由橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)發(fā)出的光將反射到另一個(gè)焦點(diǎn)。因此橢圓腔中的能量傳遞，是從一條焦線上的直管光源傳輸?shù)搅硪粭l焦線上的棒狀吸收體。橢圓柱兩端各用一塊高反射率端板封住，兩個(gè)端板是互相平行的。這就使橢圓柱在光學(xué)上等效為無(wú)限長(zhǎng)。其聚光效率為： c=opge，其中op為光學(xué)效率op=rwg(1-rr)(1-f)(1-c)（rw光譜帶上的反射率，rr棒和冷卻管上的反射率，f-非反射面積比例，c濾光玻璃，冷卻液的吸收），ge為幾何傳輸效率為簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)燈在圓截面上對(duì)稱均勻發(fā)光；不考慮軸向傾斜光線；只考慮一次反射光線，焦點(diǎn)上泵