LD泵浦NdYVO4 Cr4+YAG被動調(diào)Q激光特性研究

1、LD泵浦Nd:YVO4 /Cr4+:YAG被動調(diào)Q激光特性研究光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè) 指導(dǎo)教師 摘要：半導(dǎo)體激光(LD)泵浦的固體激光器具有全固化、體積小、泵浦效率高等特點，在激光通訊、遙感探測、工業(yè)加工、軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，受到人們極大的關(guān)注。使用連續(xù)激光二極管泵浦Nd：YVO4 晶體，得到1064nm 的連續(xù)紅外激光輸出，在激光諧振腔中加入慢飽和吸收晶體Cr4+：YAG，得到了調(diào)Q脈沖激光輸出，從實驗上得到了泵浦功率、Cr4+：YAG小信號透過率以及輸出鏡透過率對輸出脈沖特別是脈沖寬度的影響，并通過數(shù)值求解速率方程對實驗結(jié)果進行了理論分析，實驗結(jié)果與理論模擬基本相符。關(guān)鍵詞：

2、LD 泵浦；NdYVO4； Cr4+YAG；被動調(diào)Q；脈沖寬度Characteristic of a laser diode pumped passively Q switched Nd:YVO4 laser with Cr4+:YAG saturable absorberStudent majoring in optics information science and technology Heng SunTutor Xiuqin YangAbstract： Laser-diode (LD) Pumped solid-state laser has wide applications in

3、 the fields such as laser telecommunication ,remote-sensing detection ,industry and military as well as health due to its advantages such as all solid state ,high pump efficiency ,small volume and long longevity ,and has been paid much attention on. Using continuous laser diode pumped Nd: YVO4 cryst

4、al gets 1064 nm infrared laser output continuously. Then adding slow saturable absorber crystals Cr4 + : YAG in the laser cavity to obtain the output of the Q-switched pulse laser. Study the influence of the pump power, output transmission and cavity length to the output pulse in particular the infl

5、uence of pulse width from experiments. Through the numerical solution of rate equation to carry on the theoretical analysis with the result of the experiment and the numerical solutions of the equations agree with the experimental results. Key words: LD pumped; Nd: YVO4; Cr4+:YAG; passively Q switch

6、ed; pulse width第一章 前言自上世紀六十年代世界上首臺激光器發(fā)明以來，各類激光器和激光技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，其中固體激光器的發(fā)展尤為突出。激光二極管(Laser Diode,簡稱LD)抽運的全固態(tài)激光器(DPSSL)相對于燈抽運的固體激光器有著結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)換效率高、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點，成為目前全固態(tài)激光器的研究熱點。采用激光器的調(diào)Q技術(shù)可以實現(xiàn)脈沖激光的輸出，可以獲得很高的單脈沖能量，由于有了這樣強的相干輻射光，當(dāng)它與物質(zhì)相互作用時，就產(chǎn)生了一系列具有重大意義的新現(xiàn)象，新技術(shù)和新方法。在物理范圍內(nèi)開辟了強光光學(xué)這一新的學(xué)科，成功的實現(xiàn)了光的倍頻、光的差頻與和頻、光的參量放大和振蕩，觀

7、察到光的受激拉曼散射、強光自聚焦等一系列非線性光學(xué)效應(yīng)。調(diào) Q 技術(shù)的出現(xiàn)還推動了激光測距、激光雷達、高速全息照相以及激光加工等應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。本章對論文中用到的激光晶體（Nd:YVO4）的特性、調(diào)Q 技術(shù)特別是被動調(diào) Q 技術(shù)、可飽和吸收晶體（Cr4+:YAG）以及速率方程理論等內(nèi)容進行了分析和說明。1.1 LD泵浦全固態(tài)激光器發(fā)展概況1917年，由愛因斯坦首先提出了“受激輻射” (Stimulated Emission)的概念，這就為激光器的發(fā)展打下了理論基礎(chǔ)1。1958年，A.Schawlaw和C.Townes等人第一次提出了激光產(chǎn)生的條件；1960年,T.Mainman等人就利用紅寶石

8、作為增益介質(zhì)，通過氙燈泵浦，獲得了歷史上第一臺激光器2；1961年，R.Newman提出了全固態(tài)激光器的概念； 1962年，GaAs作為激光增益介質(zhì)的激光器誕生；1968年，Ross等制成了第一臺在低溫環(huán)境下運轉(zhuǎn)的Nd:YAG激光器；1972年，第一臺在室溫下運轉(zhuǎn)的Nd:YAG激光器誕生；在隨后的十年之中，激光器進入了全面的發(fā)展時期。1983年，一個LD能夠輸出的功率超過了100mw；1988年，LD的最大輸出功率達到了3.7w；1989年，美國的SDL公司成功的研制出了LD陣列，在1cm長的LD陣列上能夠獲得76w的連續(xù)輸出，轉(zhuǎn)換效率為39%；1992年，美國又報道了1cm長的LD陣列上獲得

9、了12lw的連續(xù)輸出，轉(zhuǎn)換效率為45%；1993年，美國的里福摩爾實驗室通過微通道水冷法獲得了平均功率1O00w的LD輸出；1998年，Brand T H等人采取使用兩個泵浦源雙棒串接的方式，采用這種結(jié)構(gòu)可以獲得2000w左右的激光輸出；1999年,Kiriyama H等人在日本的大阪采用8組板條式的放大器結(jié)構(gòu)，使激光的輸出功率達到了1000w以上；2001年，由Akiyama等人使用3組泵浦模塊，在對激光器沒有進熱效應(yīng)補償?shù)那闆r下，成功的獲得了5400多瓦的激光。隨著LD技術(shù)的快速發(fā)展，全固態(tài)激光器必將成為今后發(fā)展的主流3。1.2 激光二極管泵浦的激光工作物質(zhì)固體激光材料的革命性發(fā)展有力地推

10、動了半導(dǎo)體泵浦的固體激光器的迅速發(fā)展。目前應(yīng)用最為廣泛的固體激光增益介質(zhì)是攙雜了激活粒子的玻璃或晶體，由于玻璃增益介質(zhì)的自身缺陷比較嚴重,造成激光器閾值較高,而且玻璃的散熱性較差,因此人們多以激光晶體作為增益介質(zhì)。在各式各樣的激光晶體中,又以攙雜Nd3+離子的晶體應(yīng)用最為廣泛。目前應(yīng)用較廣的有Nd:YAG、Nd:YV04、Nd:GdVO4、Nd:YLF、Nd:YAP和Nd:SVAP等激光晶體4。Nd:YVO4晶體屬于四方晶系, 鋯英石結(jié)構(gòu)，單軸晶體。Nd:YVO4晶體中激活離了位置具有低的點群對稱性，離子振蕩強度大。YVO4基質(zhì)對Nd離了有敏化作用，提高了它的泵浦吸收寬度。Nd:YVO4在軸切

11、割時，其偏振（E/C）和偏振（EC）的光譜特性具有明顯的差異，其最強吸收和最強的輻射都發(fā)生在偏振方向，因此常用軸切割晶體得到線偏振光輸出，更有利于腔內(nèi)倍頻。Nd:YVO4晶體的單軸和偏振輸出性質(zhì)避免了不必要的熱致雙折射效應(yīng)。Nd:YVO4晶體可以允許比傳統(tǒng)的Nd:YAG晶體摻入更多的Nd3+離子而不發(fā)生濃度碎滅效應(yīng)，而且與Nd:YAG晶體相比，Nd:YVO4晶體具有更大的吸收系數(shù)和受激發(fā)射截面以及大的吸收帶寬5。本論文實驗部分所使用的泵浦光的波長為808nm，與摻釹釩酸釔（Nd:YVO4）晶體的吸收帶相匹配，因此，Nd: YVO4能將808nm的泵浦光很好地吸收，轉(zhuǎn)變?yōu)?064nm 的激光輸出

12、。因此特別適合作半導(dǎo)體泵浦固體激光器的增益介質(zhì)近年來，人們已經(jīng)對Nd:YVO4激光器及其倍頻激光特性進行了廣泛的研究6。 1.3 調(diào) Q 技術(shù)調(diào)Q技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，是激光發(fā)展史上的一次重要突破，其特點是把激光能量壓縮在納秒量級的脈沖中發(fā)射，使激光的單色亮度提高了幾個數(shù)量級。通常我們用品質(zhì)因數(shù)Q值來衡量激光中光學(xué)諧振腔的質(zhì)量優(yōu)劣，它是對腔內(nèi)損耗的一種量度，品質(zhì)因數(shù)Q7定義為： Q 1式中為激光的中心頻率，用L表示腔長，n為折射率，為光在一個單程內(nèi)能量的損耗量(包括輸出的能量），則Q值可以表示為： Q 2由此可見，Q值與損耗成反比，即損耗大，Q值就越低，損耗小，Q 值就越大。固體激光器由于存在弛豫

13、振蕩，產(chǎn)生了能量在閾值附近起伏的尖峰脈沖系列，從而阻礙了激光脈沖峰值功率的提高。如果我們設(shè)法在泵浦開始時使諧振腔的損耗增大，即提高振蕩閾值，使振蕩不能形成，上能級的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)有可能大量積累，當(dāng)積累到最大值時，突然使諧振腔的損耗變小，Q值突然增大，這時腔內(nèi)就像雪崩一樣以極快的速度建立起極強的激光振蕩，在極短的時間內(nèi)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)大量被消耗，轉(zhuǎn)變?yōu)榍粌?nèi)的光能量，同時在透射反射鏡端耦合輸出一個極強的激光脈沖，在這個過程中，弛豫振蕩一般是不會發(fā)生的。所以，輸出是窄脈寬（一般ns量級）、高峰值功率（一般大于mw）的脈沖，通常把這種脈沖稱為巨脈沖。上述調(diào)節(jié)腔內(nèi)的損耗實際上就是調(diào)節(jié)Q值，這就是調(diào)Q技術(shù)，又稱為Q

14、突變技術(shù)或Q開關(guān)技術(shù)。調(diào)Q技術(shù)又分為主動調(diào)Q和被動調(diào)Q兩種。1.31主動調(diào)Q技術(shù) 諧振腔內(nèi)損耗的改變完全由外部驅(qū)動源控制，與腔內(nèi)激光的強弱和泵浦能量的大小無關(guān)。常用的主動調(diào)Q技術(shù)包括聲光調(diào)Q技術(shù)和電光調(diào)Q技術(shù)等。聲光調(diào)Q利用光通過介質(zhì)中超聲場發(fā)生衍射而造成光的偏折，以此來控制激光諧振腔內(nèi)的Q值。由于聲光開關(guān)的調(diào)制電壓比較低（幾十伏），容易與連續(xù)激光器配合而獲得 160KHz 甚至上百KHz的高重復(fù)率且穩(wěn)定性好的巨脈沖。電光調(diào) Q 就是利用晶體的普克爾效應(yīng)來實現(xiàn) Q 值突變的方法。電光調(diào) Q 屬于快開關(guān)類型，它能產(chǎn)生窄脈沖，同步性能好，使用壽命長，輸出巨脈沖穩(wěn)定。Q 開關(guān)的選擇會嚴重影響激光器的

15、體積和系統(tǒng)的復(fù)雜程度。電光 Q 開關(guān)需要外部高壓系統(tǒng)和腔內(nèi)光學(xué)偏振元件，聲光Q開關(guān)需要高頻驅(qū)動，系統(tǒng)較為復(fù)雜，在某些情況下應(yīng)用不太方便。而采用飽和吸收體被動調(diào)Q方法則免去了高壓或射頻信號源以及開關(guān)電路，結(jié)構(gòu)相對簡單，造價低，從而可使得激光二極管泵浦得調(diào)Q激光器拓展其應(yīng)用范圍8。1.32 被動調(diào)Q技術(shù)根據(jù)某些物質(zhì)對入射光有強烈的非線性吸收效應(yīng)而制成的可飽和吸收體，將其作為損耗片來調(diào)節(jié)激光諧振腔Q值的開關(guān)技術(shù)。飽和吸收體有著低成本、體積小、操作方便等優(yōu)點被廣泛用來產(chǎn)生納秒量級、高重復(fù)率的脈沖串。目前主要有染料調(diào)Q、色心晶體調(diào)Q、Cr4+:YAG調(diào)Q和半導(dǎo)體材料GaAS調(diào)Q等9。1.33 Cr4+

16、:YAG被動調(diào)Q技術(shù)原理Cr4+：YAG 在 0.91.2具有寬的吸收帶和良好的可飽和吸收特性，特別適合作1.064m 釹激光器的被動Q開關(guān)，與染料及色心 LiF2F2 晶體相比, Cr4+：YAG具有熱導(dǎo)性能好，,吸收截面大,摻雜濃度高，飽和光強小，,損傷閾值高，光化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，無退化現(xiàn)象，使用方便，壽命長，易實現(xiàn)高峰值輸出功率和高脈沖重復(fù)頻率等優(yōu)點，是一種理想的被動調(diào)Q開關(guān)材料。 圖 1， Cr4+：YAG 的四能級結(jié)構(gòu)模型圖Cr4+：YAG 晶體的飽和吸收特性可用“圖 1”所示得四能級模型描述。在 13，32，21，42，和 24 能級之間都能發(fā)生躍遷。32，42 躍遷速度快，而 21

17、躍遷速度慢。Cr4+ ：YAG 晶體對波長 1.064m光的吸收，一個顯著的特點就是除很強的基態(tài)吸收外，還存在較強的激發(fā)態(tài)吸收。Cr4+：YAG晶體得飽和吸收的另一個特點是恢復(fù)時間較長，達到微妙量級。這主要是由于第一激發(fā)態(tài)（能級 2）得壽命較長，約為 3.43.5 微妙，更高激發(fā)態(tài)的壽命為 50ps。由于激發(fā)態(tài)壽命比調(diào)Q脈寬長很多，Cr4+：YAG屬于慢飽和吸收體。Cr4+：YAG 得吸收譜如“圖 2”所示：圖2，室溫下 Cr4+：YAG 的吸收譜Cr4+：YAG 主要有三個吸收帶： 0.48, 0.64, 1 。其中1的紅外吸收帶是A32T32的吸收躍遷，是一個很寬的吸收帶。在此吸收范圍內(nèi)，

18、Cr4+:YAG具有良好的可飽和吸收特性，并且和1064nm波長的激光發(fā)射躍遷很好重疊，因此特別適合作該波長激光器的Q開關(guān)。圖3 Cr4+:YAG晶體被動調(diào)Q過程Cr4+:YAG晶體被動調(diào)Q過程如圖3所示。在泵浦初期，工作物質(zhì)處于儲能階段,腔內(nèi)自發(fā)熒光很弱，光子數(shù)較少，Cr4+:YAG晶體的吸收系數(shù)很大，腔內(nèi)處于低Q值(高損耗)狀態(tài)，故不能形成激光振蕩。設(shè)此時對應(yīng)激光器閾值的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度為nt1 ,隨著光泵的繼續(xù)作用，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的積累，腔內(nèi)熒光逐漸變強，當(dāng)光強能與飽和吸收光強相比擬時，晶體的吸收系數(shù)變小 ,透過率逐漸增大，當(dāng)工作物質(zhì)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度到達nmax時, Cr4+:YAG晶體的吸收達

19、到飽和值，突然被漂白而變得透明，這時腔內(nèi)Q值猛增，激光振蕩的閾值粒子數(shù)反轉(zhuǎn)密度降為nt2，而nmax便成為這個低振蕩閾值條件下的初始粒子數(shù)反轉(zhuǎn)密度ni, ni nt2，于是激光器輸出一個調(diào)Q脈沖，腔內(nèi)光場迅速減弱，因而晶體又恢復(fù)了吸收特性，起到將腔關(guān)閉的作用，為下一個脈沖的輸出做準備10。 1.4 速率方程理論激光器理論包括經(jīng)典理論、半經(jīng)典理論、量子理論和速率方程理論。速率方程理論可以認為是量子理論的一種簡化形式，因為它是從光子（即量子化的輻射場）與物質(zhì)原子的相互作用出發(fā)的。但是，由于忽略了光子的相位特性和光子數(shù)的起伏特性而使該理論具有特別簡單的形式。速率方程理論對光場和激光介質(zhì)都作了某些近似

20、和簡化。一方面視介質(zhì)由彼此不相關(guān)的激活粒子所組成，因此可以把整個原子系統(tǒng)的輻射和吸收看成對各個原子的輻射和吸收的簡單求和。另一方面，把每個模看作由大量的全同光子所組成。認為每個粒子受激發(fā)射和吸收躍遷幾率，只與腔內(nèi)振蕩模數(shù)和每一個模的平均光子數(shù)有關(guān)。腔內(nèi)的激光振蕩過程可以理解為一群粒子數(shù)確定的原子系統(tǒng)和一群振蕩的光子系統(tǒng)之間的相互作用。這樣，由速率方程理論得到原子系統(tǒng)各個有關(guān)能級上原子數(shù)隨時間的變化率方程和光場光子數(shù)隨時間的變化率方程11。速率方程是分析調(diào)Q激光器運轉(zhuǎn)特性的有效理論工具。1963 年，A. A. Vuylsteke 12和W. G. Wagner 13首先給出了描述快速調(diào) Q 激

21、勵的速率方程組，用兩個方程分別描述腔內(nèi)光子數(shù)密度和激活介質(zhì)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度隨時間的變化。之后，A. Szabo 等人給出了被動調(diào) Q 激光的速率方程組，用第三個方程來描述飽和吸收體粒子數(shù)密度隨時間的變化，到目前為止，該方程組已經(jīng)被廣泛引用和適當(dāng)修正。在上述這些文獻中，速率方程均采用了平面波近似，即假定泵浦光分布、腔內(nèi)光子數(shù)密度分布及飽和吸收體的恢復(fù)都是均勻的。本論文就采用了平面波近似，寫出了 Nd：YVO 4/ Cr4+：YAG 被動調(diào)Q激光器的速率方程，并用mathcad程序?qū)λ俾史匠踢M行了數(shù)值求解，從理論上模擬解釋了一些實驗結(jié)果。第二章 LD 泵浦 Nd:YVO4/Cr4+:YAG 被動調(diào)

22、Q的實驗研究2.1 實驗裝置實驗中使用連續(xù)激光二極管泵浦 Nd:YVO4晶體，得到了1064nm 的連續(xù)紅外激光輸出，然后在激光諧振腔中加入慢飽和吸收晶體Cr4+:YAG，得到了調(diào)Q脈沖激光輸出，實驗裝置如下圖 4 所示：圖4 Nd：YVO4/ Cr4+：YAG 被動調(diào)Q激光器示意圖 實驗用最大輸出功率為30W，波長為 808nm 的LD作為泵浦源。采用尺寸為 448 mm 的摻雜為 0.27 at.% 的Nd:YVO4 晶體作為激光工作物質(zhì)，其通光面為平行平面(44 mm)，晶體兩端均鍍有1064nm的增透膜。Cr4+：YAG 的2個通光面也為平行平面，均鍍有1064nm的增透膜。M1為 R

23、100 的凹面鏡，它的平面鍍808nm 增透膜，凹面鍍有對1064nm高反的膜。M2 為平行平面鏡，作為耦合輸出鏡。實驗中采用的 Cr4+：YAG 的小信號透過率分別為 75，90，耦合輸出鏡的透過率分別為 40，27。 實驗中Nd:YVO4用銦箔包緊置于紫銅塊中，采用循環(huán)水冷，Cr4+：YAG 沒有采取冷卻措施。實驗用光功率計（Coherent，F(xiàn)ieldMaxIITo）測量輸出功率，實驗光電二極管 (New focus, model 1611) 對輸出脈沖進行探測，并在示波器(Tektronix Dpo7104) 上顯示波形。 2.2 實驗步驟和結(jié)果本實驗采用圖 4 的實驗裝置：1）改變泵

24、浦功率，得到輸出脈沖序列的重復(fù)頻率、輸出功率和脈沖寬度隨泵浦功率變化的曲線，如圖 57 所示:圖 5 輸出脈沖序列的脈沖寬度隨泵浦功率的變化圖6 輸出脈沖序列的重復(fù)頻率隨泵浦功率的變化圖 7 輸出脈沖序列平均輸出功率隨泵浦功率的變化由圖 57可以看到，在較低泵浦功率下，隨著泵浦功率的增加，輸出脈沖的重復(fù)頻率明顯增加，輸出功率明顯增大，而脈沖寬度減小。2）改變耦合輸出鏡的透過率，得到輸出脈沖的脈沖寬度在不同輸出鏡透過率下的變化曲線，如圖 8 所示:圖8 T0=70%和T0=90%時輸出脈沖的脈沖寬度隨泵浦功率的變化曲線由圖8 可以發(fā)現(xiàn)，輸出鏡透過率T0=90%比T0=70%具有更大的脈沖寬度，隨

25、著輸出鏡透過率的減小，脈沖寬度減小3）改變 Cr4+：YAG 的小信號透過率，得到輸出脈沖的脈沖寬度隨 Cr4+：YAG 小信號透過率變化的曲線，如圖 7所示:圖 9 TC=27%和TC=40%時輸出脈沖的脈沖寬度隨泵浦功率的變化曲線由圖 9可以發(fā)現(xiàn)，小信號透過率TC=40%比TC=27%具有更大的脈沖寬度，隨著小信號透過率的減小，脈沖寬度減小。2.3 實驗分析2.3.1泵浦功率對輸出脈沖的影響實驗中得到隨著泵浦功率的增加，輸出脈沖序列的重復(fù)頻率逐漸增大。其主要原因是當(dāng)泵浦功率增加時，抽運速率增加，從而使Nd:YVO4晶體的激發(fā)態(tài)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)聚集的速度增加，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度增大，腔內(nèi)凈增益系數(shù)增大

26、，從而使增益到閾值所需要的時間變短。因此，2 次漂白可飽和吸收體的時間間隔變短,縮短了調(diào) Q 的周期，從而增大了脈沖序列的重復(fù)頻率。根據(jù)相關(guān)文獻中的方程組14 ，被動調(diào) Q 激光器的速率方程可變?yōu)椋?3 式中為光子數(shù)密度，n為增益介質(zhì)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度，為增益介質(zhì)的受激發(fā)射截面，l為增益質(zhì)長度，為飽和吸收體長度，為飽和吸收體基態(tài)吸收截面，為飽和吸收體激發(fā)態(tài)吸收截面， L表示諧振腔總的無用損耗,R為耦合輸出鏡的反射率，為光子在諧振腔內(nèi)往返一周內(nèi)的渡越時間， L1為諧振腔的腔長， ， ， 分別為飽和吸收體基態(tài)，激發(fā)態(tài)和總的粒子數(shù)密度，為抽運速率，為增益介質(zhì)的上能級壽命，為可飽和吸收體激發(fā)態(tài)壽命。重復(fù)頻

27、率15： 4對PRF對求導(dǎo)得到： 5其中 = 6所以上式可知：隨泵浦速率的增加輸出脈沖序列的重復(fù)頻率隨之明顯增加。單脈沖輸出能量16： 7上式中，是產(chǎn)生調(diào) Q 脈沖過程中消耗的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度，是消耗的總的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，消耗個反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，所以為消耗反轉(zhuǎn)粒子數(shù)產(chǎn)生的光子的總能量，它再乘以輸出耦合系數(shù)就是被動調(diào) Q 激光器輸出的脈沖能量。所以泵浦功率越大，越大，越大。而平均輸出功率，所以隨泵浦功率的增加，輸出脈沖的平均功率增加。脈沖寬度與（ 為激光振蕩的閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度）成反比，隨著增大，脈沖的前沿和后沿同時變窄17 ，脈沖的建立及熄滅時間就越短。隨著泵浦功率的增加，增大，所以減小，即：脈沖寬度隨泵

28、浦功率的增加而減小。實驗中這種傾向在閾值附近比較明顯，這是因為在抽運功率較小時，隨著抽運功率的增加，腔內(nèi)凈增益系數(shù)變大，腔內(nèi)光子數(shù)的增加和反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的減小更加迅速，所以脈沖的建立和熄滅過程就更短，脈沖更窄。在較高的抽運功率下 ， Cr4+：YAG 激發(fā)態(tài)吸收和熱效應(yīng)使得它更不容易漂白，相當(dāng)于 Cr4+：YAG 得小信號透過率減小和腔內(nèi)插入損耗的增大，這就造成激光脈沖變窄。利用表 1 中的數(shù)據(jù)，數(shù)值求解速率方程組18 3可以從理論上模擬 Cr4+:YAG 被動調(diào) Q Nd：YVO4 激光器的輸出脈沖特性。圖10為理論上輸出脈沖的脈沖寬度，脈沖重復(fù)頻率和平均輸出功率隨泵浦功率的變化。表 1 Cr4

29、+：YAG 被動調(diào) Q Nd：YVO 4 激光器速率方程的相關(guān)參數(shù)s2.5 10-18 cm2n12.183sg4.0 10-18 cm2n21.83ses8.2 10- 19 cm2l0.8cmns02.0 1017 cm-3L0.13298 usTc27，40，10s3.2 usT060，75，85 ，90L139cm圖 10 輸出脈沖序列的脈沖寬度、重復(fù)頻率和平均輸出功率隨泵浦功率的關(guān)系圖 11 脈沖寬度與輸出鏡透過率的關(guān)系 圖 12脈沖寬度與小信號透過率的關(guān)系2.3.2 輸出鏡透過率對輸出脈沖脈沖寬度的影響圖 11 為數(shù)值求解速率方程組3得到的輸出脈沖的脈沖寬度隨輸出鏡透過率變化的曲線

30、。圖 11中輸出脈沖的脈沖寬度隨輸出鏡透過率的增加而增大。實驗結(jié)果圖8中輸出鏡透過率T0=90%比 T0=70%的脈沖寬度要大，對比可以看出實驗得到的結(jié)果與理論模擬的結(jié)果相吻合。2.3.3 Cr4+：YAG 的小信號透過率對輸出脈沖脈沖寬度的影響腔內(nèi)光子壽命與光子損耗成反比，而脈沖寬度與光子壽命成正比，所以脈沖寬度與腔內(nèi)損耗成反比19，較低的初始透過率對應(yīng)較高的腔內(nèi)損耗，于是初始透過率越低，脈沖寬度越窄，即脈沖寬度隨 Cr4+：YAG 小信號透過率的降低而減小。圖 12 為數(shù)值求解速率方程組3得到的輸出脈沖的脈沖寬度隨 Cr4+：YAG 小信號透過率變化的曲線，輸出脈沖的脈沖寬度隨小信號透過率

31、的增加而增大。實驗結(jié)果圖9中小信號透過率 TC=40%比TC=27%的脈沖寬度大，實驗結(jié)果與理論模擬的結(jié)果相符。第三章 總結(jié)激光二極管(Laser Diode)泵浦的全固態(tài)激光器(DPSSL)相對于燈泵浦的固體激光器有著結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)換效率高、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點，成為目前全固態(tài)激光器的研究熱點。Cr4+：YAG 晶體具有寬的吸收帶和良好的飽和吸收特性，并且光化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，導(dǎo)熱性能也很好，因此，它是高功率、高重復(fù)頻率及小型全固化激光器的被動 Q 開關(guān)的理想元件。最近幾年，在脈沖寬度、重復(fù)頻率、峰值功率等方面都有很大的進展。LD 泵浦固體激光技術(shù)的發(fā)展,不但使 Cr4+：YAG 被動調(diào) Q 激光器脈沖寬

32、度、重復(fù)頻率等指標有了很大提高，而且使器件更加小型化。本論文采用光纖藕合輸出的激光二極管作泵浦源，用Nd:YVO4晶體作激光工作物質(zhì)，研究了飽和吸收體Cr4+:YAG被動調(diào)Q激光特性。實驗實現(xiàn)了LD泵浦Nd:YVO4晶體Cr4+:YAG被動調(diào)Q 1064nm激光運轉(zhuǎn)。實驗中改變泵浦功率（1W-10W）得到了泵浦功率、輸出鏡透過率，飽和吸收體的小信號透過率對輸出脈沖特別是脈沖寬度的影響。 在較低泵浦功率下， 隨著泵浦功率的增加，輸出脈沖的重復(fù)頻率明顯增加，輸出功率明顯增大，而脈沖寬度減?。惠敵雒}沖的脈沖寬度隨輸出鏡透過率以及飽和吸收體小信號透過率的增加而增大。通過數(shù)值求解速率方程從理論上模擬輸出

33、激光脈沖的輸出特性對實驗結(jié)果進行了理論分析，實驗結(jié)果與理論模擬基本相符。參考文獻：1 周炳餛,高以智,陳家弊,等.激光原理M.北京:國防工業(yè)出版社,1996:1472 李相銀,姚敏玉,李卓等編著.激光原理技術(shù)及應(yīng)用M.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2004:68-713 張韌劍. 端泵Nd:YVO4主被動雙調(diào)Q激光器實驗研究 .碩士學(xué)位論文,西北大學(xué)，20114 張中士. LD泵浦Nd:Y(Gd)V04晶體Cr4+:YAG被動調(diào)Q激光特性研究 .碩士學(xué)位論文,山東大學(xué)，20075 何京良. “大功率全固態(tài)激光器”,博士論文,中國科學(xué)院物理研究所(1998).6 楊克建，趙圣之，趙宏明，李桂秋. LD泵浦 Nd:YVO4 晶體 Cr4+：YAG 被動調(diào)Q激光特性研究.紅外與激光工程，2004，V33（6）： 5675717 王青圃，張行愚，劉澤金，李平.激光原理M.濟南：山東大學(xué)出版社 ,2003：918 藍信鉅等.激光原理M.北京：科學(xué)出版社2009：1119 張中士. LD泵浦Nd:Y(Gd)V04晶體Cr4+:YAG被動調(diào)Q激光特性研究.碩士學(xué)位論文，山東大學(xué)，200710 減競存,隋寧菠,鄒玉林等. Cr4+:YAG晶體及調(diào)Q激光器研究進展.激光雜志,2005,26:4-6