20091130-畢業(yè)設(shè)計(論文)任務(wù)書模板-266nm紫外DPL倍頻效率研究-王蘭

長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文)任務(wù)書題目名稱：266nm紫外DPL倍頻效率研究學(xué)生姓名：起止日期：題目要求(包括主要技術(shù)指標(biāo))：題目內(nèi)容：1、從倍頻基本理論出發(fā)，結(jié)合相位匹配原理，推導(dǎo)出連續(xù)LD側(cè)面抽運Nd:YAG/KTP/BBO倍頻轉(zhuǎn)換效率解析表達(dá)式，分析出影響二倍頻、四倍頻轉(zhuǎn)換效率高低的各相關(guān)因素。2、數(shù)值模擬研究連續(xù)LD側(cè)面抽運Nd:YAG/KTP/BBO紫外激光系統(tǒng)中各相關(guān)因素對二倍頻、四倍頻轉(zhuǎn)換效率的影響。3、設(shè)計與搭建連續(xù)LD側(cè)面抽運Nd:YAG/KTP/BBO紫外激光實驗裝置，定量研究各相關(guān)因素對二倍頻、四倍頻轉(zhuǎn)換效率的影響。具體要求及指標(biāo)：1、給出各相關(guān)因素對二倍頻、四倍頻轉(zhuǎn)換效率影響的數(shù)值模擬關(guān)系曲線。2、獲取各相關(guān)因素與二倍頻、四倍頻轉(zhuǎn)換效率的實驗關(guān)系曲線。3、對比分析實驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果，得出各相關(guān)因素對倍頻效率影響的相關(guān)結(jié)論。指導(dǎo)教師簽字：系主任簽字年月日論文開題報告（設(shè)計方案論證）1.本課題研究的目的、意義；2.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀；3.擬采取的研究路線；4.進(jìn)度安排；1.266nm紫外DPL倍頻效率研究的意義從高重頻266nm紫外激光產(chǎn)生的倍頻基本理論、相位匹配原理和倍頻轉(zhuǎn)換效率相關(guān)推導(dǎo)入手，分析出影響轉(zhuǎn)換效率高低的各相關(guān)因素，理論結(jié)合實驗，攻破獲取高功率、高光束質(zhì)量、高轉(zhuǎn)換效率266nm紫外激光輸出理論和技術(shù)上的難點，為研究266nm紫外光源提供理論與技術(shù)上的相關(guān)依據(jù)。2.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀（1）國外研究現(xiàn)狀：2000年，TetsuoKojima等人報道利用LD抽運的Nd:YAG調(diào)Q激光器產(chǎn)生105.8W的532nm綠光，在重復(fù)頻率10kHz時聚焦到長度15mm的CLBO晶體上，產(chǎn)生的266nm紫外激光平均輸出為20.5W，從綠光到紫外光的轉(zhuǎn)換效率為19.4%。2001年，SusumuKonno等人利用雙棒串接、雙聲光調(diào)Q技術(shù)，采用Z型折疊腔結(jié)構(gòu)，Ⅱ類相位匹配LBO晶體腔內(nèi)二倍頻，在重復(fù)頻率為1kHz時，獲得了53W的532nm綠光輸出，單脈沖能量53mJ，脈寬70ns。連續(xù)工作200小時情況下，沒有綠光功率下降的現(xiàn)象。將產(chǎn)生的綠光用透鏡會聚到15mm的CLBO晶體上進(jìn)行四倍頻實驗，采用聚焦透鏡，使晶體內(nèi)綠光光斑匯聚的大小為1.3mm，當(dāng)綠光功率為40W時，獲得了12W的紫外光輸出，相應(yīng)的綠光-紫外轉(zhuǎn)換效率為30%。2004年，Junsakuma報道了對全固態(tài)Nd:YVO4內(nèi)腔倍頻綠光激光器，利用布儒斯特角切割的CLBO晶體進(jìn)行外腔諧振倍頻，獲得的266nm連續(xù)紫外激光輸出功率達(dá)到5W，在晶體內(nèi)部則為6.1W，相應(yīng)的綠光-紫外光轉(zhuǎn)換效率高達(dá)61.80%。2006年，由GuilingWang等人，采用自制M2因子為6.24，脈沖寬度80ns，重復(fù)頻率為10kHz，輸出功率120W的高亮綠光激光器，通過透鏡聚焦成大約0.5mm的光斑，瑞利長度達(dá)到370mm，選用長度為40mmⅠ類相位匹配θ=62°的CLBO晶體，獲得高達(dá)28.4W的266nm紫外激光輸出，相對應(yīng)的轉(zhuǎn)換效率為24.7%。2008年，索尼公司的ThomasSüdmeyer等人報道了通過功率為20W，M2因子為1.1的1064nm主振蕩放大器系統(tǒng)；利用LBO二倍頻和BBO腔外倍頻，在腔外倍頻上都采用了功率增強腔結(jié)構(gòu)。為了提高轉(zhuǎn)換效率，選用了嚴(yán)格相位匹配、損耗低、長20mm，鍍增透膜的LBO晶體，并且保持在25°C恒溫下，獲得了高達(dá)82%的倍頻轉(zhuǎn)換效率；又選用了嚴(yán)格相位匹配、長6mm的BBO晶體，保持在40°C恒溫下，獲得功率為12.2W的266nm紫外激光輸出，四倍頻的轉(zhuǎn)換效率大于50%。（2）國內(nèi)研究現(xiàn)狀：2000年，山東師范大學(xué)何景良等人，采用15W的半導(dǎo)體激光器經(jīng)過準(zhǔn)直聚焦系統(tǒng)，將泵浦光耦合到Nd:YVO4晶體上，在平平腔結(jié)構(gòu)中，聲光調(diào)Q產(chǎn)生1.064μm準(zhǔn)連續(xù)波輸出，腔外分別用Ⅱ類相位匹配KTP和Ⅰ類相位匹配BBO晶體進(jìn)行二倍頻和四倍頻，每次倍頻前加-50mm的聚焦透鏡，在注入功率為7.9W，重復(fù)頻率為12.5kHz下，獲得了輸出功率570mW，脈寬25ns，二次諧波轉(zhuǎn)換效率46%，266nm紫外激光輸出功率63W，綠光-紫外單次通過功率轉(zhuǎn)換效率為11%。2003年，中國科學(xué)院周城等人采用國產(chǎn)1.3W的LD作為泵浦源，經(jīng)過自聚焦透鏡耦合到Nd:YAG晶體上，通過Cr4+:YAG被動調(diào)Q，采用Ⅰ類相位匹配LBO腔內(nèi)倍頻，通過調(diào)節(jié)制冷器的制冷電流改變激光晶體、調(diào)Q晶片和倍頻晶體的工作溫度。得到平均功率27mW綠光輸出。通過30mm的聚集透鏡后用腔外Ⅰ類臨界相位的BBO晶體四倍頻，得到了平均功率為1.2mW的266nm紫外激光輸出，其光-光轉(zhuǎn)換效率為4.4%。2005年，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所譚成橋等人，利用最大輸出功率為15W的LDA和一種新的聚焦方式，用透鏡一次聚焦，在其焦點附近直接放二倍頻(KTP)和四倍頻(BBO)晶體，通過調(diào)節(jié)晶體放置角度、晶體溫度來達(dá)到優(yōu)化取值。采用腔外KTP二倍頻，BBO四倍頻，紫外激光輸出平均功率高達(dá)215mW，綠光-紫外光轉(zhuǎn)換效率為25.2%，紅外-紫外總的光光轉(zhuǎn)換效率為9.8%。2007年，中科院物理所耿愛叢等人首次報道了瓦級實用化全固態(tài)266nrn紫外激光器的設(shè)計和應(yīng)用。在簡單緊湊的平平直腔內(nèi)，使用聲光Q進(jìn)行調(diào)制，采用Ⅱ類臨界相位匹配的KTP晶體進(jìn)行腔內(nèi)倍頻，I類臨界相位匹配CLBO晶體進(jìn)行腔外四倍頻，產(chǎn)生平均功率1.3W、脈寬約11ns和重復(fù)頻率20kHz的266nm紫外激光，紅外-紫外總的光光轉(zhuǎn)換效率為16.25%。2009年，清華大學(xué)Q.Liu等人報道了采用大功率LD光纖模塊雙端抽運復(fù)合Nd:YVO4聲光調(diào)Q作種子光源，通過MOPA技術(shù)，對1064nm種子光源進(jìn)行4級放大，利用I類相位匹配的LBO晶體進(jìn)行二倍頻，獲得了87W的TEM00模綠光輸出。當(dāng)重復(fù)頻率為100kHz、脈寬為10ns時采用BBO晶體四倍頻，獲得了14.8W的266nm紫外光輸出，綠光到紫外光的轉(zhuǎn)換效率為18.3%。綜上所述，國內(nèi)外266nmDPL紫外激光器研究近況如下表所示：國外：研究單位（人）TetsuoKojima日本大阪大學(xué)JunsakumaGuilingWang索尼公司研究年份20002001200420062008主要技術(shù)指標(biāo)重復(fù)頻率10kHz1kHz10kHz輸出功率20.5W12W5W28.4W12W轉(zhuǎn)換效率532nm-266nm19.4%532nm-266nm30%532nm-266nm61.8%532nm-266nm24.7%532nm-266nm大于50%變頻方式腔外腔內(nèi)腔外腔外腔外CLBO四倍頻LBO(I)+CLBO(II)CLBO四倍頻CLBO(I)四倍頻LBO+BBO國內(nèi)：研究單位（人）山東師范大學(xué)中國科學(xué)院中科院長春光機所中科院物理所清華大學(xué)研究年份20002003200520072009主要技術(shù)指標(biāo)重復(fù)頻率12.5kHz16kHz25kHz20kHz100kHz脈沖寬度25ns15ns18ns11ns10ns輸出功率570mW1.2mW215mW1.3W14.8W轉(zhuǎn)換效率532nm-266nm11%532nm-266nm4.4%532nm-266nm25.2%532nm-266nm25.8%532nm-266nm18.3%技術(shù)特點抽運方式端面抽運端面抽運端面抽運端面抽運端面抽運調(diào)Q方式聲光調(diào)Q被動調(diào)Q被動調(diào)Q聲光調(diào)Q聲光調(diào)Q變頻方式腔外腔內(nèi)腔外腔內(nèi)腔外KTP(II)+BBO(I)LBO(I)+BBO(I)KTP(I)+BBO(II)KTP(II)+BBO(I)LBO(I)+BBO(II)由上表看出，國內(nèi)266nm紫外激光器研究方面，在輸出功率、倍頻效率等方面都與國外有明顯差距。因此，加強266nm紫外激光器的研究力度非常必需。3.擬采取的研究路線查閱資料查閱資料對比分析數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果并進(jìn)行修正相關(guān)結(jié)論數(shù)值模擬各相關(guān)因素與轉(zhuǎn)換效率率關(guān)系曲線獲取各相關(guān)因素與轉(zhuǎn)換效率實驗關(guān)系曲線搭建實驗（1）通過閱讀相關(guān)文獻(xiàn)及碩博論文，對論文研究內(nèi)容、具體要求及指標(biāo)進(jìn)行深刻的了解；以倍頻理論為基礎(chǔ)，結(jié)合相位匹配原理及所選用的倍頻晶體特性，通過推導(dǎo)穩(wěn)態(tài)三次耦合波方程，得出連續(xù)LD側(cè)面抽運Nd:YAG/KTP/BBO倍頻轉(zhuǎn)換效率的解析表達(dá)式，根據(jù)所得倍頻轉(zhuǎn)換效率解析表達(dá)式所含參數(shù)，分析出影響倍頻轉(zhuǎn)換效率高低的各相關(guān)因素，并利用數(shù)值模擬的形式，依次研究其對倍頻轉(zhuǎn)換效率的影響情況，得出相關(guān)的數(shù)值模擬理論曲線。（2）在理論分析的基礎(chǔ)上，依據(jù)實驗室現(xiàn)有條件，對連續(xù)LD側(cè)面抽運Nd:YAG/KTP/BBO紫外激光實驗裝置進(jìn)行設(shè)計與搭建；對理論分析中得出的影響倍頻轉(zhuǎn)換效率的各相關(guān)因素進(jìn)行測量，通過對測量數(shù)據(jù)的整理分析，建立在實驗中各相關(guān)因素與倍頻轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系曲線。（3）將所得理論數(shù)值模擬曲線與實驗測量數(shù)據(jù)繪制曲線進(jìn)行對比分析，找出存在誤差原因，通過實驗結(jié)論對理論模型進(jìn)行修正，獲得實驗優(yōu)化方案及各相關(guān)因素對倍頻效率影響的相關(guān)結(jié)論。進(jìn)度安排第1周－第2周熟悉論文研究內(nèi)容、具體要求及指標(biāo)，完成相關(guān)內(nèi)容外文文獻(xiàn)翻譯。第3周－第4周查閱相關(guān)資料，完成文獻(xiàn)綜述和論文開題報告的撰寫。第5周－第6周推導(dǎo)出連續(xù)LD側(cè)面抽運Nd:YAG/KTP/BBO倍頻轉(zhuǎn)換效率解析表達(dá)式，分析出影響二倍頻、四倍頻轉(zhuǎn)換效率高低的各相關(guān)因素。第7周－第8周在建立的理論模型基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬研究各相關(guān)因素對二倍頻、四倍頻轉(zhuǎn)換效率的影響，并給出數(shù)值模擬關(guān)系曲線。第9周－第10周完成連續(xù)LD側(cè)面抽運Nd:YAG/KTP/BBO紫外激光實驗裝置的設(shè)計與搭建。第11周－第12周對影響轉(zhuǎn)換效率的各相關(guān)因素進(jìn)行實驗測量，定量研究各相關(guān)因素對二倍頻、四倍頻轉(zhuǎn)換效率的影響，獲取各相關(guān)因素與二倍頻、四倍頻轉(zhuǎn)換效率的實驗關(guān)系曲線。第13周－第14周整理實驗數(shù)據(jù)，通過對比分析實驗結(jié)果與模擬仿真結(jié)果，得出連續(xù)LD側(cè)面抽運Nd:YAG/KTP/BBO紫外激光系統(tǒng)中各相關(guān)因素對二倍頻、四倍頻轉(zhuǎn)換效率影響的相關(guān)結(jié)論。第15周－第16周完成論文撰寫工作，準(zhǔn)備答辯。指導(dǎo)教師評語（意見）指導(dǎo)教師簽字：年月日5.文獻(xiàn)綜述（2000字以上，列出主要參考文獻(xiàn)）（1）國內(nèi)外研究對比分析縱觀國內(nèi)外有關(guān)266nm紫外激光器的研究現(xiàn)狀，目前對266nm紫外激光的獲得，最直接的方法是通過晶體的非線性倍頻技術(shù)，將大功率1064nm基頻光和532nm綠光進(jìn)行腔內(nèi)或腔外四倍頻是實現(xiàn)高功率高重頻266nm紫外激光輸出。下面我們將從以下幾方面進(jìn)行具體分析：1）獲得高效四倍頻轉(zhuǎn)換效率的途徑目前在激光四倍頻過程中為了獲得更大的紫外倍頻轉(zhuǎn)換效率主要有兩種方式:第一，使用峰值功率和單脈沖能量較高的綠脈沖激光(如采用鎖模激光器、電光調(diào)Q激光器等)；第二，對入射到四倍頻晶體中的綠光光束進(jìn)行會聚。對于前者，雖然輸出的紫外光束質(zhì)量較好且脈沖峰值功率較高；但是由于脈沖重復(fù)頻率較低，整體紫外輸出功率較低。所以國內(nèi)外對其研究比較少。目前國內(nèi)研究較多的是單脈沖能量較低，重復(fù)頻率較高、輸出功率較大的準(zhǔn)連續(xù)紫外脈沖激光器。2000年，山東師范大學(xué)何景良等人利用BBO晶體對聲光調(diào)Q的Nd:YVO4；激光脈沖四倍頻，每次倍頻前加-50mm的聚焦透鏡，獲得功率為63mw準(zhǔn)連續(xù)紫外激光，綠光-紫外光單次通過功率轉(zhuǎn)換效率為11%。2005年，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所譚成橋等人采用一種新的聚焦方式，用透鏡一次聚焦,在其焦點附近直接放二倍頻(KTP)和四倍頻(BBO)晶體，532nm綠光平均功率為850mW；紫外脈沖輸出平均功率高達(dá)215mW，綠光—紫外光光轉(zhuǎn)換效率為25.2%。由于紫外轉(zhuǎn)換效率與綠光功率密度相關(guān)，如何提高綠光功率密度相關(guān)是獲得高轉(zhuǎn)換效率紫外光輸出的關(guān)鍵。再查閱國外大量文獻(xiàn)，不難發(fā)現(xiàn)日本早已研制出高功率，高轉(zhuǎn)換效率的266nm紫外激光器，美國相干公司和光譜物理公司也已經(jīng)研制出高重頻高達(dá)50kHz的產(chǎn)品化266nm紫外激光器。而造成這一差距的原因2）四倍頻晶體的研究目前常用的非線性倍頻材料如BBO，CLBO，LBO，BIBO和KTP中，LBO，BIBO，KTP在266nm的紫外四倍頻中沒有合適的相位匹配角。因此在考慮上述必要條件之后僅剩下BBO和CLBO適用于四倍頻的倍頻過程。CLBO晶體非線性系數(shù)大，倍頻轉(zhuǎn)換效率高，損傷閾值高，接收角、溫度帶寬和光譜寬度范圍大，離散角小，雙折射適中，可以做到較大尺寸，容易產(chǎn)生高次諧波。特別適用于大功率全固態(tài)紫外激光器件，其輸出功率也大大超出了同等條件下使用其它晶體的結(jié)果，但是室溫下該晶體在空氣中容易吸收水分而開裂，而且價格較為昂貴；雖然BBO晶體四倍頻的接收角較小且走離角大，但它的有效非線性系數(shù)很大，損傷閡值較高；所以在國內(nèi)，我們都選用BBO晶體作為晶體，它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于四次諧波的產(chǎn)生。BBO晶體走離角效應(yīng)大，可以通過溫控裝置在一定程度上補償了倍頻晶體相位失配。但是現(xiàn)階段，由于溫度匹配技術(shù)對晶體控溫精度要求比較嚴(yán)格，這就造成需要較龐大的控溫裝置，嚴(yán)重影響了整機結(jié)構(gòu)緊湊性，因此國外針對市場研發(fā)的產(chǎn)品幾乎很少采用這種方案。我國清華大學(xué)、中科院物理所等幾家科研機構(gòu)近年來通過不懈的努力，已經(jīng)通過實驗驗證了溫度匹配技術(shù)的可行性，并取得了一系列令人矚目的成果。3）腔型結(jié)構(gòu)的研究腔形式與結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響激光器的轉(zhuǎn)換效率，光束發(fā)散角、光束質(zhì)量、激光模式、光斑大小和諧振頻率，因此合理選擇諧振腔的結(jié)構(gòu)，便于提高倍頻轉(zhuǎn)換效率。通過對國內(nèi)外關(guān)于266nm紫外激光器文獻(xiàn)查閱和分析。目前應(yīng)用比較廣泛的諧振腔腔型主要有直腔、V型腔Z型腔等等。傳統(tǒng)直腔的倍頻激光器易于調(diào)整，倍頻效率高，比較穩(wěn)定且有較小的體積，更有利于形成整機，適合產(chǎn)品化。國內(nèi)，2007年，中科院物理所耿愛叢等人首次報道了瓦級實用化全固態(tài)266nrn紫外激光器的設(shè)計和應(yīng)用。在簡單緊湊的平平直腔內(nèi)，產(chǎn)生平均功率1.3W、脈寬約11ns和重復(fù)頻率20kHz的266nm紫外激光。用該紫外激光器清洗發(fā)光二極管(LED)基板，結(jié)果表明：激光器性能穩(wěn)定，清洗效果良好。近兩年，外腔諧振技術(shù)得到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，外腔諧振倍頻就是在激光腔之外用倍頻晶體再建立一個專門用來倍頻的諧振腔，它的主要優(yōu)點是激光腔和外諧振腔最大限度地分立,把倍頻過程與基波振蕩分開,二者可分別優(yōu)化,以得到高的轉(zhuǎn)換效率。2008年，索尼公司的ThomasSüdmeyer等人采用了外腔諧振技術(shù)獲得了二倍頻轉(zhuǎn)換效率高達(dá)82%，四倍頻的轉(zhuǎn)換效率大于50%的12.2W的連續(xù)266nm紫外激光的輸出。（2）研究趨勢從目前國內(nèi)外研究情況來看，通過LD抽運技術(shù)和非線性頻率變換技術(shù)的不斷創(chuàng)新，結(jié)合新型、高效的非線性倍頻晶體獲取266nm波長紫外激光是今后研究和發(fā)展的重點，其研究成果為高轉(zhuǎn)換效率、高光束質(zhì)量、高峰值功率、窄脈沖266nm紫外激光獲取技術(shù)的研究提供理論及實驗依據(jù)。雖然目前266nm紫外DPL激光器的研究還面臨著諸多問題及難點，但是相信隨著整個激光行業(yè)的蓬勃發(fā)展，激光科研工作者的不懈努力，高性能、低成本非線性晶體的研發(fā)成功，全固態(tài)LD抽運技術(shù)的日趨成熟，266nm紫外激光器的研究必將向更廣闊的領(lǐng)域發(fā)展。參考文獻(xiàn):[1]T.Katsura,etal.High-power,high-repetitionUVbeamgenerationwithanall-solid-statelaser[J].ProceedingsonAdvancedSolid-StateLaser,2007,Vol.24:223~226[2]Y.K.Yap,etal.Highpowerall-solid-stateultravioletlaserbyCLBOcrystal[J].OSATOPSVol.10,AdvancedSolidStateLasers,1997.10~13[3]A.H.Kung,etal.Anefficientall-solid-stateultravioletlasersource[J].AppliedPhysicsLetters,Vol.72,1998.1542~1544[4]Y.K.Yap,etal.High-powerfourth-andfifth-harmonicgenerationofaNd:YAGlaserbymeansofaCsLiB6O10[J].OpticsLetters,Vol.21,September1,1996[5]SuasmuKonno,etal.Efficiethigh-Pulse-energygreen-beamgenerationbyintracavityfrequencydoublingofaquasi-eontinuous-wavelaser-diode-pumpedNd:YAGlaser[J].AppI.OPt,2001,40(24):4341~4343.[6]KojimaT.KonnoS.FujikawaS.etal.High-reliablehigh-power266nmall-solid-stateUVlaser[J].Proe.SPIE,2002,4426:468~71.[7]T.Kojima,etal.20-Wultraviolet-beamgenerationbyfourth-harmonicgenerationofanall-solid-statelaser[J].OpticsLetters,Vol.25,January1,2000[8]M.Nishioka,etal.Improvementoflaser-induceddamagetoleranceinCsLiB6O10forhigh-powerUVlasersource[J].LasersandElectro-Optics,2003.3[9]WangGuiling,etal.28.4W266nmultraviolet-beamgenerationbyfourth-harmonicgenerationofanall-solid-statelaser[J].OpticsCommunications259,2006.820~822[10]耿愛叢，等.實用化全固態(tài)266nm激光器的研究[J].光電子·激光,2007,18(7)：767~769[11]周城，葉子青，鄭權(quán)等.Cr4+:YAG被動調(diào)Q四倍頻全固態(tài)紫外激光器的研究[J].激光技術(shù),2003,27(4):339~341[12]何京良，盧興強，賈玉磊等.BBO四倍頻全固態(tài)Nd:YVO4紫外激光器[J].物理學(xué)報,2000,49(10):2106~2108[13]程光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