NdYAG固體激光器諧振腔

1、課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程名稱：課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目：Nd:YAG固體激光器諧振腔院 系：物理系班 級(jí)：09光信息科學(xué)與技術(shù)2班姓 名：黃國輝學(xué) 號(hào)：200930461371指導(dǎo)老師：李潤華老師 完成時(shí)間：2012-05-05 設(shè)計(jì)要求 工作物質(zhì)物理 固體工作物質(zhì)基礎(chǔ) 性質(zhì)分析詳述Nd3+:YAG晶體 理論依據(jù) 泵浦源 設(shè)計(jì)方案 課程設(shè)計(jì) 模塊 聚光腔 基礎(chǔ)理論 方案設(shè)計(jì) 諧振腔 基礎(chǔ)理論 方案設(shè)計(jì) 方案評(píng)估 電光調(diào)Q冷卻系統(tǒng) 總體設(shè)計(jì) 總結(jié) 附錄 11設(shè)計(jì)要求對(duì)于給定一個(gè)長15cm, 直徑6mm的Nd:YAG棒(折射率 n=1.82)和長3cm, 通光口徑為8mm的KD*P電光調(diào)Q晶體(n=1.51),設(shè)

2、計(jì)一個(gè)完整的緊湊型諧振腔, 要求畫出結(jié)構(gòu)圖, 給出諧振腔鏡R1和R2的尺寸和總的腔長L,計(jì)算出光腰的位置,光斑尺寸大小和發(fā)散角,以及兩個(gè)腔鏡上的光斑尺寸. (忽略熱透鏡效應(yīng))要求：l 腔長盡量短l 要給各元件留一定的安放空間l 考察諧振腔的穩(wěn)定性l 考察諧振腔的抗擾動(dòng)的能力l 考察腔模的光學(xué)特征（比如發(fā)散角、束腰的半徑等參數(shù)，并最佳化）l 最好能用圖表來說明問題。評(píng)分就是根據(jù)這些參數(shù)來看設(shè)計(jì)的優(yōu)劣。l 注意波長為1.064微米.2工作物質(zhì)物理性質(zhì)分析2.1固體工作物質(zhì)基礎(chǔ)l 綜述固體激光工作物質(zhì)由激活離子和基質(zhì)組成，激活離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)決定了激光的光譜特性和熒光壽命等激光特性。基質(zhì)主要決定了工作

3、物質(zhì)的物理特性，化學(xué)特性。l 激活離子激活離子是發(fā)光中心，離子的電子阻態(tài)中，未被填滿殼層的電子處于不同軌道和自旋運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，形成一系列能級(jí)。目前可用作激活離子的元素共有19種，可分為四類：（1）過渡族金屬離子 如Cr3+,Ni3+,Co3+（2）三價(jià)稀土金屬離子 如Nd3+,Pr3+,Sm3+（3）二階稀土金屬離子 如Sn2+,Dy2+,Tm3+（4）錒系離子 多為人工放射元素，不易制備l 基質(zhì)材料工作物質(zhì)的基質(zhì)材料應(yīng)能為激活離子提供合適的配位場(chǎng)，并具有優(yōu)良的機(jī)械熱性能及高光學(xué)質(zhì)量，常用的基質(zhì)材料分為晶體和玻璃兩大類2.2詳述Nd3+:YAG晶體l 物理與化學(xué)特性分子量硬度/莫氏熔點(diǎn)/oC密度/

4、(g/cm3)折射率/(lum室溫)593.78-8.519504.551.82表1：YAG的基本理化特性溫度/k熱導(dǎo)率/(W.cm-1.k-1)比熱/(4.18J.g-1.k-1)熱擴(kuò)散系數(shù)/(cm2.s-1)熱膨脹系數(shù)/(10-6.k-1)dn/dt1000.5881.10.924.252000.21270.50.15.85000.13371.20.0467.57.3*10-6表2：YAG的溫度特性l 激光特性由圖中能得出兩個(gè)結(jié)論：1 Nd3+:YAG為4能級(jí)系統(tǒng)2 4F3/2為亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)1.064um的能級(jí)躍遷圖1：Nd3+:YAG的能級(jí)結(jié)構(gòu)室溫下Nd3+:YAG有三條熒光譜線，中心波長

5、和對(duì)應(yīng)的能級(jí)躍遷分支比為：0.94um (4F3/2 4I9/2)25%1.06um (4F3/2 4I11/2)60%1.35um (4F3/2 4I13/2)14%其中最強(qiáng)的是1.06um的熒光譜線。4F3/2向4I9/2躍遷屬三能級(jí)系統(tǒng)，閥值高，只能在低溫下才能實(shí)現(xiàn)激光震蕩。4I11/2和4I13/2躍遷為四能級(jí)系統(tǒng)，閥值低，易實(shí)現(xiàn)激光震蕩。由于1.06um譜線的熒光強(qiáng)度比1.35um的熒光強(qiáng)度強(qiáng)約為4賠，1.06um譜線首先起振，從而抑制了1.35um譜線。所以Nd3+:YAG激光器通常只產(chǎn)生1.06um的激光震蕩。采用選頻技術(shù)可以輸出1.35um。對(duì)激光輻射有貢獻(xiàn)的主要吸收帶有5條：

6、0.53um(4I9/2 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)結(jié)論：1.064um的激光是由4F3/24I11/2產(chǎn)生的，故泵光源發(fā)出的光集中在0.75um0.87um附近圖2：Nd3+:YAG晶體在300K的吸收光譜圖3：由于晶格振動(dòng)造成的在1.06um處的頻譜展寬（300K）3泵浦源3.1理論依據(jù)泵浦激光器使用光源的主要目的是將電能有效地轉(zhuǎn)換成輻射能，并在給定的光譜帶上產(chǎn)生高的輻射通量。最有效的激光泵浦燈將使激光材料在激發(fā)熒

7、光的波長上產(chǎn)生最大的發(fā)射，而在有效吸收帶之外的所有光譜范圍內(nèi)產(chǎn)生最小發(fā)射。由Nd3+:YAG的激光特性可知道，我們需要的光源就是0.75um0.87um的光源。3.2設(shè)計(jì)方案790-820nm泵浦帶730-760nm泵浦帶經(jīng)過查找資料，最三斟酌，最終確定采用惰性氣體連續(xù)弧光燈（氪弧光燈）。其發(fā)光光譜如圖4所示860-890nm泵浦帶圖4典型氪弧燈的發(fā)射光譜氪的線性光譜能很好地與Dd3+:YAG的吸收光譜匹配，它的最強(qiáng)兩條發(fā)射譜線（0.76um，811um）被晶體強(qiáng)烈地吸收。4聚光腔4.1基礎(chǔ)理論l 聚光腔使用最多的聚光腔是一種內(nèi)表面具有高反射率橢圓柱體，激光棒和泵光源分別配置在橢圓柱的兩條焦線

8、上。由橢圓發(fā)出的一個(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，練個(gè)斷面相互平行。l 常見聚光腔(a)大偏心率但橢圓；（b）小偏心率單橢圓；（c）緊耦合單橢圓；（d）焦外的單橢圓；（e）半橢圓；（f）雙橢圓；（g）多橢圓圖5 橢圓聚光腔4.2方案設(shè)計(jì)l 總體方案銅片由于是緊湊型激光器，并且綜合考慮體積和散熱性能，可采用橢圓聚光腔，如下圖圖6 橢圓聚光腔體l 細(xì)節(jié) 2c 棒燈 棒2Rl 2RR 2b2a 圖7 轉(zhuǎn)配圖首先，按下式確定棒與泵浦源的最小間距2C=s1+(dr+dl)/2式中，dr和

9、dl分別為棒與燈裝配的相關(guān)直徑，通常為12cm。s1是棒和燈之間的裝配間隙。2a=s1+2s2+dr+dlS2為棒和燈裝配件距橢圓表面的間隙。b=(a2-c2)1/2 由于涉及到具體工程操作，具體數(shù)值視實(shí)物而定。 涉及到的距離都為光程距離5諧振腔5.1基礎(chǔ)理論l 諧振腔結(jié)構(gòu)圖8 用曲率半徑不等的鏡 構(gòu)成的諧振腔的模參數(shù)理論計(jì)算公式如下：鏡上的光束半徑可以由下式給出：束腰半徑由下式給出光腰的位置由下式確定發(fā)散角·各類型諧振腔：（a）平行諧振腔；（b）大曲率半徑腔；（c）共焦腔；（d）共心腔；（e）凹凸腔；（f）半共心腔圖9 腔結(jié)構(gòu)l 穩(wěn)定性穩(wěn)定性判據(jù)：l 模式選擇：模式選擇原理：1一臺(tái)

10、激光器的諧振腔中可能有若干個(gè)穩(wěn)定的振蕩模，只要某一單程益大于單程損耗，即滿足激光振蕩條件，該模式就有可能激發(fā)而起振。2諧振腔存在兩種不同性質(zhì)的損耗，一種是與橫階數(shù)無關(guān)的損耗，如腔鏡的透射損耗，腔內(nèi)元件的吸收，散射損耗等；另一種則是與橫階數(shù)密切相關(guān)的衍射損耗，在穩(wěn)定腔中，基模的衍射損耗最小，隨著橫階數(shù)的增高，其衍射損耗也逐漸增大。3諧振腔對(duì)不同階橫模有不同的衍射損耗的性能是實(shí)現(xiàn)橫模選擇的物理基礎(chǔ)。公式描述：某個(gè)橫模()的光在諧振腔內(nèi)經(jīng)過一次往返后，由于增益和損耗兩種因數(shù)的影響，其光強(qiáng)變?yōu)?其中為某橫模損耗系數(shù)故選擇某橫模：抑制某橫模 ： 5.2方案設(shè)計(jì)諧振腔有四種類型，為簡單起見，這里這研究其中

11、的兩種，一種是等曲率半徑腔，另一種是平凹腔，對(duì)比優(yōu)劣，確定最終方案。影響結(jié)果的是變量R/L，歸一化后直接用r代替5.2.1等曲率半徑腔l 參數(shù)優(yōu)化對(duì)于公式簡化為：用L對(duì)其歸一化 定義描述函數(shù) 考慮到穩(wěn)定性問題，則下面利用matlab做出其曲線圖（對(duì)應(yīng)附錄的程序1）圖10由圖知，不可能做到面面俱到，只能根據(jù)具體要求來做出選擇。（腰半徑與發(fā)散角是一對(duì)矛盾）5.2.3平凹腔l 參數(shù)優(yōu)化對(duì)于用L對(duì)其歸一化 定義描述函數(shù) 考慮其穩(wěn)定性，下面利用matlab做出其曲線圖（程序見附錄2）圖115.2.3 模式選擇方案設(shè)計(jì)小孔光闌法選模是一種常用的固體激光選模，如在本設(shè)計(jì)中為方便起見也采用此方法，如下圖所示工

12、作物質(zhì)小孔光闌圖12 小孔光闌選模 由于高階橫模的光腰比基模的大，如果光闌的孔徑選擇適當(dāng)，就可以將高階橫模的光束遮著一部分，而基?？梢皂樌ㄟ^。利用了選擇某橫模：抑制某橫模 ： 的物理機(jī)制5.3方案評(píng)估對(duì)半徑R進(jìn)行歸一化后，如何選擇適當(dāng)?shù)腞變的與L無關(guān)，而L是要根據(jù)實(shí)際情況經(jīng)行確定的，這里的L綜合考慮所有的情況才能確定。上面的分析沒有給出相對(duì)優(yōu)的解，因?yàn)殡姽庹{(diào)Q對(duì)R是有限制的，因而要在考慮整體方案后才會(huì)得出相對(duì)優(yōu)質(zhì)的解。關(guān)于小孔光闌如何選出基模，小孔半徑多大，小孔光闌應(yīng)放置在什么地方最合適，這里不再詳述，可查看相關(guān)文獻(xiàn)。由5.2的分析可以看出光腰和發(fā)散角似乎是一對(duì)矛盾，出現(xiàn)矛盾的原因我想是應(yīng)為

13、這套裝置太簡單化了，裝置復(fù)雜化的話，這對(duì)矛盾可能就可以解決了，例如加上聚焦鏡頭。有總體思路就可以了，這里不再深入，因?yàn)闆]有實(shí)操經(jīng)驗(yàn)，說的太理論化也不好，而且容易迷惘。（一直都在紙上談兵）。6電光調(diào)Q利用某些晶體的電光效應(yīng)可以做成電光Q開關(guān)器件。電光調(diào)Q具有開關(guān)時(shí)間短，效率高，調(diào)Q時(shí)刻可以精確控制，輸出脈沖寬度窄，峰值功率高等優(yōu)點(diǎn)。圖13如圖所示是電光晶體調(diào)Q裝置的工作原理圖。激光工作物質(zhì)是Nd:YAG晶體，偏振器采用方解石空氣隙格蘭付克棱鏡，調(diào)制晶體用KD*P(磷酸二氘 鉀)晶體，它是z-00切割的(使通光面與z軸垂直)，利用其63的縱向電光效應(yīng)。將調(diào)制晶體兩端的環(huán)狀電極與調(diào)Q電源相接。如果在

14、調(diào)制晶體上施加4電壓，由于縱向電光效應(yīng)，當(dāng)沿x方向的線偏振光通過晶體后，兩分量之間便產(chǎn)生2的相位差，則從晶體出射后合成為相當(dāng)于圓偏振光；經(jīng)全反射鏡反射回來，再次通過調(diào)制晶體，又會(huì)產(chǎn)生 2的相位差，往返一次總共累積產(chǎn)生 相位差，合成后得到沿y方向振動(dòng)的線偏振光，相當(dāng)于偏振面相對(duì)于入射光旋轉(zhuǎn)了，顯然，這種偏振光不能再通過偏振棱鏡，此時(shí)，電光Q開關(guān)處于“關(guān)閉”狀態(tài)。因此，如果在氙燈剛開始點(diǎn)燃時(shí)，事先在調(diào)制晶體上加上 4電壓，使諧振腔處于“關(guān)閉”的低Q值狀態(tài)，阻斷激光振蕩的形成。待激光上能級(jí)反轉(zhuǎn)的粒子數(shù)積累到最大值時(shí)，突然撤去晶體上的 4電壓，使激光器瞬間處于高Q值狀態(tài)，產(chǎn)生雪崩式的激光振蕩，就可輸出

15、一個(gè)巨脈沖。由電光調(diào)Q基本原理可知，要獲得高效率調(diào)Q的關(guān)鍵之一是精確控制Q開關(guān)“打開”的延遲時(shí)間，即從氙燈點(diǎn)燃開始延遲一段時(shí)間，當(dāng)工作物質(zhì)上能級(jí)反轉(zhuǎn)的粒子數(shù)達(dá)到最大時(shí)，立即“打開”開關(guān)的效果最好。如果Q開關(guān)打開早了，上能級(jí)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)尚未達(dá)到最大時(shí)就開始起振，顯然輸出的巨脈沖功率會(huì)降低，而且還可能出現(xiàn)多脈沖。如果延時(shí)過長，即Q開關(guān)打開得遲了，則由于自發(fā)輻射等損耗，也會(huì)影響巨脈沖的功率。7冷卻裝置(略)8總體設(shè)計(jì)8.1總體框圖小孔光闌，或許放的位置不好凹透鏡電光調(diào)Q晶體Nd:YAG棒起振片1/4玻片，預(yù)防燒孔效應(yīng)平面鏡，其存在一個(gè)最佳透射率圖14 總體設(shè)計(jì)（元器件與元器件之間的距離都取1cm）經(jīng)過

16、觀察matlab的曲線圖，最終決定選擇平凹腔。光 程： 由于在電光調(diào)Q晶體和Nd3+:YAG左端存在限制條件其中W為光束半徑，D為限制物直徑，則有最后解的在Nd3+:YAG左端在電光調(diào)Q左端 分別代入解的因?yàn)樾枰氖欠€(wěn)定腔體所以 8.2最終方案確定由于已經(jīng)的出了的范圍，結(jié)合平凹腔的matlab曲線圖，根據(jù)需要就可以選擇不同的，在這里我把發(fā)散角看做是一個(gè)很重要的因素，忽略其他次要的因數(shù)，所以應(yīng)該盡量的小，在這里我取=1.45m，從而得到一下一張參數(shù)表。腔體長26cm1.45m26cm0468um549um468um0.00145rad9總結(jié)l 收獲雖然是紙上談兵，不過收獲還是挺多的。l 不足1只

17、考慮了等曲率腔和平凹腔，沒有考慮其他腔，如何做到參數(shù)優(yōu)化，其實(shí)心里沒底，如果能實(shí)操一下，效果可能會(huì)好很多。2在這個(gè)簡單的裝置中，光腰和發(fā)散角始終是一對(duì)矛盾，魚與熊掌不可兼得，只能視具體情況作出抉擇，增加裝置的復(fù)雜程度這對(duì)矛盾可能就解決了，這個(gè)一個(gè)改進(jìn)的方向。3關(guān)于小孔光闌選模，小孔光闌的直徑大小及放置都沒有給出具體的理論數(shù)值，這涉及到高階模光腰的計(jì)算，能力不足呀。4部分反射鏡存在一個(gè)最佳透射率，這里也沒有給出具體的數(shù)值，這也是一個(gè)應(yīng)該改進(jìn)的地方。5涉及到能量的問題基本上沒有涉及。附錄參考文獻(xiàn)：激光器件原理與設(shè)計(jì) 李適民編激光技術(shù) 藍(lán)信炬編課程設(shè)計(jì) 06級(jí)光信息鄧焯泳師兄程序：r=1:0.1:1

18、0;y1=r.*sqrt(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')