激光二極管抽運(yùn)的被動調(diào)Q微晶片激光器仿真研究畢業(yè)論文

1、畢業(yè)論文激光二極管泵浦的無源調(diào)Q微芯片激光仿真研究采用激光二極管泵浦的無源 Q 開關(guān)微芯片激光仿真摘要激光二極管（LD）泵浦微芯片激光器具有完全固化、體積小、結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)。調(diào)Q技術(shù)又稱調(diào)Q技術(shù)，是將一般輸出的連續(xù)激光能量壓縮成寬度很窄的脈沖，使光源的峰值功率提高幾個(gè)數(shù)量級的技術(shù)。 .目的是獲得高峰值功率、窄脈寬的脈沖激光。被動調(diào)Q由激光輻射本身啟動，調(diào)Q由填充有機(jī)染料或摻雜晶體的光學(xué)器件組成。本文首先介紹了激光二極管泵浦無源調(diào)Q技術(shù)的目的、意義和發(fā)展。首先分析無源調(diào)Q激光器的理論，得到增益介質(zhì)中反轉(zhuǎn)粒子密度、飽和吸收體中反轉(zhuǎn)粒子密度、諧振腔光子數(shù)密度的相互作用關(guān)系。是相互關(guān)聯(lián)的。影響調(diào)Q過程

2、的因素有很多。不同的配置會導(dǎo)致不同的結(jié)果。微芯片激光器的摻雜濃度高，諧振腔不長。這些特性會影響 Q 開關(guān)。接下來利用Matlab模擬被動調(diào)Q Nd:YAG微芯片激光器的特性，進(jìn)而研究了Cr:YAG可飽和吸收體在激發(fā)態(tài)的吸收，得到了激光二極管在激發(fā)態(tài)下的Cr:YAG二極管的連續(xù)泵浦。分析了被動調(diào)Q Nd:YAG微芯片激光器的耦合方程，并據(jù)此分析了被動調(diào)Q的過程。在此基礎(chǔ)上，通過數(shù)值代入和仿真，可以得到不同參數(shù)下無源調(diào)Q脈沖輸出的精確結(jié)果。取微芯片激光器物理量系數(shù)的典型值，編程求解微芯片激光器對應(yīng)的速率方程?？梢钥闯觯庾訑?shù)密度、倒置粒子數(shù)密度、基態(tài)粒子數(shù)密度隨時(shí)間變化。會變，我們用曲線來形象化。

3、進(jìn)一步分析數(shù)值模擬可以得到無源調(diào)Q激光脈沖的重復(fù)頻率和脈寬。關(guān)鍵詞：激光二極管，無源調(diào)Q ，耦合，泵浦目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc298580205 1簡介1 HYPERLINK l _Toc298580206 1.1激光器發(fā)展簡史1 HYPERLINK l _Toc298580206 1.2激光器發(fā)展前景2 HYPERLINK l _Toc298580207 2激光調(diào)Q技術(shù)3 HYPERLINK l _Toc298580206 2.1激光基礎(chǔ)理論3 HYPERLINK l _Toc298580206 2.1.1 自發(fā)發(fā)射、受激發(fā)射、受激吸收3 HYP

4、ERLINK l _Toc298580206 2.1.2閾值條件4 _ HYPERLINK l _Toc298580208 2.2 Q-開關(guān)原理5 HYPERLINK l _Toc298580208 2.3 Q-開關(guān)技術(shù)7 HYPERLINK l _Toc298580206 2.3.1有源Q開關(guān)技術(shù)7 _ _ HYPERLINK l _Toc298580206 2.3.2無源調(diào)Q技術(shù)11 HYPERLINK l _Toc298580210 3激光二極管泵浦微芯片激光器14 HYPERLINK l _Toc298580211 3.1激光二極管技術(shù)14 HYPERLINK l _Toc298580

5、206 3.1.1激光二極管泵浦技術(shù)發(fā)展14 HYPERLINK l _Toc298580211 3.1.2激光二極管泵浦的優(yōu)勢15 HYPERLINK l _Toc298580211 3.1.3激光二極管的泵浦方式16 HYPERLINK l _Toc298580211 3.2激光二極管泵浦微芯片激光器發(fā)展概況19 HYPERLINK l _Toc298580207 4激光二極管泵浦的被動調(diào)Q微芯片激光器的模擬23 HYPERLINK l _Toc298580208 4.1被動調(diào)Q耦合率方程23 HYPERLINK l _Toc298580208 調(diào)Q耦合速率方程的數(shù)值模擬24 HYPERL

6、INK l _Toc298580213 結(jié)論29 HYPERLINK l _Toc298580214 到30 HYPERLINK l _Toc298580215 參考文獻(xiàn)31 HYPERLINK l _Toc298580216 附錄33 HYPERLINK l _Toc298580217 附錄A英譯中33 HYPERLINK l _Toc298580217 附錄B仿真程序部分源碼381 簡介近年來，二極管泵浦微芯片激光器已成為全固態(tài)二極管泵浦固體激光器（DPSSL）研究的熱點(diǎn)。本文首先從理論層面對這種激光進(jìn)行了探索。從激光原理入手，依次分析了被動調(diào)Q技術(shù)以及用二極管泵浦的方法和好處。最后用Ma

7、tlab仿真Cr:YAG-Nd:YAG被動調(diào)Q微芯片激光器。1.1激光器發(fā)展簡史1917年，愛因斯坦首先提出并詳細(xì)分析了原子被激發(fā)時(shí)產(chǎn)生的輻射。他討論了輻射與分子之間的動量交換這一話題，并驗(yàn)證了受激輻射的一個(gè)非常重要的性質(zhì)：當(dāng)分子被激發(fā)時(shí)，就會發(fā)生輻射，此時(shí)就會產(chǎn)生光子。這種光量子的性質(zhì)非常特殊，其頻率、傳播方向、偏振方向等特性與輻射量子一致。這就是所謂的相干性1 ，它為激光鋪平了道路。 1928年，德國科學(xué)家萊德伯格對氖氣進(jìn)行了彌散實(shí)驗(yàn)，證明受激輻射確實(shí)存在。 1939年，聯(lián)盟科學(xué)家法布里坎特指出，受激輻射的存在可以通過做實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)。他指出，要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必要條件是受激輻射，簡而言之，高

8、能級的粒子數(shù)量遠(yuǎn)大于低能級的粒子數(shù)。 1951年，美國的珀塞爾在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在發(fā)夾型氟化物晶體中，用微波光譜的方法發(fā)現(xiàn)了核自旋的反轉(zhuǎn)分布。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，受激輻射出現(xiàn)了，而且它的頻率恰到好處。為 50kHz。這標(biāo)志著人們經(jīng)過不懈的努力，終于掌握了受激輻射的方法。在大量前期研究成果的基礎(chǔ)上，微波頻譜領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物湯斯一直在思考這樣一個(gè)問題：如何讓微波輻射源性能更好，使其線寬更窄，功率更小。高的。他嘗試了很多次，但都以失敗告終。最終，他選擇了采用諧振腔方式進(jìn)行模式選擇的思路，最終激發(fā)、振蕩、放大。 1950年代，他和戈登。 Zeiger成功研制出一種基于受激氨分子產(chǎn)生輻射原理的放大器2 ，并成功研制

9、出第一批實(shí)用元件。到1955年，受激輻射振蕩器放大器的定義更加準(zhǔn)確，新的活化介質(zhì)不斷開發(fā)。 1956年，科學(xué)家成功研制出固態(tài)微波激光器，采用三能級方式實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作。之后，唐斯和肖洛一起學(xué)習(xí)。面對諧振腔的問題，肖洛提出用FP干涉儀代替諧振腔。唐斯認(rèn)為，這很關(guān)鍵，因?yàn)檫@種不需要的振蕩被控制住了，他相信可以制造這樣的激光器。 1958年12月，肖洛與湯斯共同研究并發(fā)表了紅外線與激光一文。這篇論文引起了強(qiáng)烈反響。此后，越來越多的實(shí)驗(yàn)室加緊研究，不斷探索適用于激光的新材料和新方法，競相提出眾多設(shè)計(jì)方案?？茖W(xué)家 Maiman 一直致力于紅寶石作為材料的受激實(shí)驗(yàn)研究。 1960年5月15日，他終于觀測到光激

10、發(fā)紅寶石的受激發(fā)射信號。經(jīng)過不懈努力，他終于研制出世界上第一顆固態(tài)紅寶石。激光。1.2激光器發(fā)展前景激光開辟了一個(gè)完全不同的世界，隨著第一批激光的使用，激光的研究迅速升溫，成為了一個(gè)熱門話題。激光學(xué)科已成為一門交叉學(xué)科。在軍事方面，激光在通信、目標(biāo)跟蹤、高能沖擊等方面發(fā)揮了重要作用。在工業(yè)上，在二氧化碳激光器、半導(dǎo)體激光器、激光打印、光盤讀取、光纖等方面有很多應(yīng)用。在醫(yī)療上，激光凝固器應(yīng)用廣泛，在婦科、腫瘤科、眼科和其他部門。激光在人們生活的方方面面都發(fā)揮著重要作用。未來，激光將與其他學(xué)科緊密結(jié)合，發(fā)揮優(yōu)勢，越來越受歡迎。2 激光調(diào)Q技術(shù)1960年，TH Maiman成功研制出以紅寶石為泵浦材

11、料的激光器，這是激光器史上的一大進(jìn)步。對于實(shí)際應(yīng)用，迫切需要解決的問題是壓縮脈沖寬度、增加峰值功率等。 1961年，Hellwarth提出調(diào)Q的概念。這一年，他在紅寶石激光器上使用無源調(diào)Q技術(shù)成功地輸出了窄激光脈沖。很快，HWMocker 用同樣的方法成功地將激光脈沖的脈寬降低到了 10ns 以下。調(diào)Q技術(shù)日趨成熟，脈沖峰值功率不斷提高。這樣就得到了脈沖寬度的最小值（激光諧振腔的長度為，光速為，所以通過這種技術(shù)，我們一般最多只能輸出納秒級的激光脈沖）。2.1激光的基本理論2.1.1自發(fā)發(fā)射、受激發(fā)射和受激吸收1916年至1917年，愛因斯坦根據(jù)光的量子理論推導(dǎo)出普朗克公式。在這個(gè)計(jì)算推導(dǎo)中，他

12、提出了兩個(gè)非常重要的概念，對后來的研究產(chǎn)生了很大的影響，即受激輻射和自發(fā)輻射。他采用了一種新模型：光與物質(zhì)相互作用的模型。在這個(gè)模型中，原子被設(shè)置為只有兩個(gè)能級，能級 2 和能級 1，如下圖 2.1 所示。原子從高能態(tài)2輻射到低能態(tài)1，從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)，吸收能量。這個(gè)過程由自發(fā)發(fā)射光子和受激發(fā)射光子組成。原子被激發(fā)到高能級E2 = 2 * Arabic * MERGEFORMAT ，其狀態(tài)不夠穩(wěn)定，有向低能級躍遷的趨勢。即使沒有外部因素，高能級的原子也可能發(fā)生躍遷。如果沒有外部條件，原子從高能級躍遷到低能級有兩種方式。僅釋放熱能的躍遷稱為非輻射躍遷。光輻射形式的躍遷稱為自發(fā)發(fā)射躍遷。輻射光

13、子能量滿足玻爾條件：(2.1)照射下，如果滿足條件，處于低能態(tài)E1的原子受激吸收，吸收該光子，獲得能量，躍遷到高能態(tài)E2，如圖 = 2 * Arabic * MERGEFORMAT 2下面。 1(b)。同時(shí)，在光的受激吸收過程中，還有一個(gè)相反的過程，受激發(fā)射。這個(gè)過程需要光子的照射，光子必須滿足條件： ，那么高能級E = 2 * Arabic * MERGEFORMAT 2 的原子也會被外界能量的光子激發(fā)，從高能級E 2 躍遷到高能級 E = 2 * Arabic * MERGEFORMAT 2 。低能級E = 1 * Arabic * MERGEFORMAT 1 。然后原子輸出一個(gè)光子，該光

14、子具有與外來光子相同的特性。激光的產(chǎn)生是在接受激發(fā)和產(chǎn)生輻射的過程中產(chǎn)生的。如圖2.1(c)所示。圖 2.1 (a) 自發(fā)發(fā)射，(b) 受激吸收，(c) 受激發(fā)射2.1.2閾值條件從光子的角度來看，在能級E = 2 * Arabic * MERGEFORMAT 2和E = 1 * Arabic * MERGEFORMAT 1之間添加介質(zhì)會使粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)。當(dāng)自發(fā)輻射時(shí)，腔頻率為u的模式的光可以得到一個(gè)光子。當(dāng)介質(zhì)在這種狀態(tài)下的光子誘導(dǎo)下受到激發(fā)輻射時(shí)，會輸出一個(gè)光子，其性質(zhì)與該光子的性質(zhì)完全一致。這樣，在這種模式下，得到一個(gè)光子，它與更高能級的原子相互作用，發(fā)生受激發(fā)射，進(jìn)而再次產(chǎn)生光子。通過

15、這樣一系列的雪崩反應(yīng)，會輸出大量的光子，在量子態(tài)下，這些光子的性質(zhì)是一致的。由此產(chǎn)生的光以頻率的形式，累積的光子數(shù)量越來越多。這就是激光生成的形成方式。腔內(nèi)任何模式的光只有在至少有一個(gè)光子的情況下才能形成這樣的過程。激光閾值的另一個(gè)表達(dá)式可以表示為以下公式：(2.2)在同一個(gè)模態(tài)下，自發(fā)發(fā)射概率記為A = 21 * Arabic * MERGEFORMAT 21 /g，模態(tài)數(shù)記為g，在腔內(nèi)，光子的壽命為，上式也可以寫成這樣的表達(dá)式：(2.3)2.2調(diào)Q原理調(diào)Q技術(shù)在激光研究史上打開了一扇新的大門，使激光能夠在很短的時(shí)間內(nèi)輸出大量的能量，從而可以產(chǎn)生峰值功率非常高的脈沖，其峰值功率相近到普通的長

16、脈沖。功率有一個(gè)數(shù)量級的差異。脈沖激光的輸出由不規(guī)則尖峰形成，僅在閾值附近產(chǎn)生，寬度極窄。在這樣的一組脈沖中，峰值功率不會很大，因?yàn)榧す廨敵龅哪芰恳呀?jīng)分散。一般來說，激光諧振腔的損耗很低，可以近似忽略，但是當(dāng)光被泵浦時(shí)，反轉(zhuǎn)粒子的數(shù)量會增加。當(dāng)數(shù)量達(dá)到一定水平時(shí)，激光就會振蕩。高能級粒子照射后，數(shù)量開始減少，這樣高能級反轉(zhuǎn)粒子的數(shù)量就不會很多了。由于這個(gè)原因，傳統(tǒng)激光器的峰值功率無法增加。因此，如果我們想要積累更多的高能級粒子，就需要改變激光的閾值，使高能級粒子反轉(zhuǎn)的最大數(shù)量不受限制。為了產(chǎn)生振蕩，激光的閾值需要滿足以下公式：(2.4)并且有一個(gè)關(guān)系：(2.5) 所以得到以下公式：( 2.6

17、)式中，模數(shù)表示為g ，自發(fā)發(fā)射概率表示為，光子在腔內(nèi)的壽命表示為，品質(zhì)因數(shù)可以用Q值表示，Q 值定義為以下公式：(2.7)其中是存儲在空腔中的能量，是每秒損失的能量。式中以中心頻率表示?？涨坏哪芰糠e累用于儲存后的表達(dá)。光將在空腔傳播中丟失。每次傳播消耗的能量用于表示在一次傳播中，光會損失一定量的能量。我們分別用來表示諧振腔的長度、介質(zhì)的折射率和光速。因此，光通過腔一次，持續(xù)時(shí)間為。光每秒損失的能量可以表示為。品質(zhì)因數(shù)Q可以用以下公式表示(2.8)品質(zhì)因數(shù)Q越小，能量損失越大。如果要提高閾值，可以通過降低 Q 值來實(shí)現(xiàn)。在調(diào)Q的操作中，首先存儲能量，然后通過光泵浦降低品質(zhì)因數(shù)Q以減少激光振蕩的

18、產(chǎn)生。雖然活性介質(zhì)可以儲存大量能量，但空腔會損失大量能量，閾值非常高，遠(yuǎn)高于產(chǎn)生激光的臨界閾值。這將停止振動。在高能級，倒置粒子群大量積累。當(dāng)品質(zhì)因數(shù)Q變?yōu)楦咧禃r(shí)，積累的能量會在很短的時(shí)間內(nèi)釋放出來，形成光脈沖。時(shí)間極短，介質(zhì)儲存著巨大的能量，比普通的高出幾個(gè)數(shù)量級。通過一定的方法，當(dāng)時(shí)間變化時(shí)，品質(zhì)因數(shù)Q值發(fā)生變化。它隨著時(shí)間的推移定期變化。泵浦開始時(shí)，激光不能振蕩，因?yàn)镼值低，能量損失太大。此時(shí)，高能級粒子大量堆積。通過增加外部條件，例如增加激發(fā)功率，高能級粒子的數(shù)量會大量積累。隨著時(shí)間的推移，當(dāng)高能級粒子數(shù)達(dá)到最大值時(shí)，Q值增大，使閾值也突然減小，產(chǎn)生強(qiáng)烈的激光振蕩。發(fā)生躍遷，較高能級的

19、粒子躍遷到較低能級。此時(shí)，激光脈沖的峰值功率會非常高。從圖 2.2 可以看出，經(jīng)典的調(diào)Q脈沖產(chǎn)生時(shí)序3 ，激光只能在高Q 腔中產(chǎn)生。在閃光燈泵浦脈沖結(jié)束時(shí)，如果有很多粒子反向，當(dāng)達(dá)到峰值時(shí)，相應(yīng)的Q值將達(dá)到最大值。這時(shí)，會有一個(gè)Q開關(guān)的脈沖。如下所示。許久后，輸出激光脈沖。該圖顯示了燈的輸入電流、諧振器耗散的能量、反轉(zhuǎn)種群和光子通量隨時(shí)間的變化。到目前為止，我們一般使用兩種調(diào)Q方式：一種是主動的，一種是被動的。有源型可細(xì)化為幾種方法：電光調(diào)Q法、鏡面調(diào)Q法、聲光調(diào)Q法。被動調(diào)Q可細(xì)化為：色心晶體調(diào)Q法、Cr晶體調(diào)Q法、染料調(diào)Q法。圖 2.2 調(diào)Q脈沖的形成過程2.3調(diào)Q技術(shù)2.3.1 有源調(diào)Q

20、技術(shù)主動調(diào)Q技術(shù)的概念是人們通過某種物理手段控制激光腔的能量損失。因此，Q 值會發(fā)生變化。(1) 轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q這是一種物理調(diào)Q方法。這種方法是通過阻擋光的通過或通過使腔鏡未對準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)閃光燈脈沖快要被切斷時(shí)，如果激光棒中有很多能量，它可以有一個(gè)很高的品質(zhì)因數(shù)Q，可以使激光輸出一個(gè)脈沖。如下圖 2.3 所示，一個(gè)快速旋轉(zhuǎn)的全反射棱鏡和輸出鏡共同形成一個(gè)諧振腔4 。只有當(dāng)腔體處于高Q值且棱鏡與反射鏡相對時(shí)，才能輸出激光。另外，不能產(chǎn)生振蕩，此時(shí)的Q值很低，自然不能輸出激光。圖2.3 旋轉(zhuǎn)棱鏡調(diào)Q紅寶石激光器示意圖轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q操作不復(fù)雜，成本低。但是，也有一些缺點(diǎn)。一旦速度不符合要求，就會產(chǎn)生多個(gè)脈沖序

21、列，噪聲大，可靠性不強(qiáng)，容易出現(xiàn)故障。這些缺點(diǎn)使得人們采用聲光調(diào)Q技術(shù)。(2)聲光調(diào)Q通過在諧振腔中放置介質(zhì)，可以形成 Q 開關(guān)。這種介質(zhì)需要滿足對激光波長透明的條件。這種介質(zhì)經(jīng)過特殊處理，一側(cè)有一個(gè)轉(zhuǎn)換器，它是一塊壓電片。在聲光晶體中，使用這種轉(zhuǎn)換器可以輸出超聲波振蕩。聲光介質(zhì)插入激光器的諧振腔，介質(zhì)需要對激光波長透明。換能器連接在聲光介質(zhì)上，換能器由壓電片制成，使晶體發(fā)生超聲波振蕩5 。如下所示：圖 2.4 聲光 Q 開關(guān)光介質(zhì)會因超聲波的作用而發(fā)生變化，而且這種變化是周期性的。因此，方向的變化也是周期性的。如果條件得到很好的控制，這種變化可以用來產(chǎn)生光柵效應(yīng)。這時(shí)，衍射和散射就會對其產(chǎn)生

22、干擾。這種效應(yīng)會導(dǎo)致相應(yīng)部分的入射光溢出腔體，Q值就會變低。粒子會聚，在高能級會越來越多。換能器關(guān)閉，諧振腔的Q值恢復(fù)到之前的水平，得到激光輸出。這種調(diào)制方式有很多優(yōu)點(diǎn)，最重要的是能量等損耗低。但也會有一些其他的干擾因素。例如，在傳播過程中，聲波在介質(zhì)中的傳播速度會降低，因此應(yīng)用條件也會受到限制。 .使用帶有壓電換能器的激光器，能量被轉(zhuǎn)換，電能被轉(zhuǎn)換成超聲波能量。超聲波通過 Q 開關(guān)注入到石英體中。斷開電壓，激光器恢復(fù)到更高的 Q 狀態(tài)。如果熔融石英不通過，即透射率較高時(shí)，激光在沒有超聲波通過時(shí)會輸出脈沖69 。(3) 電光調(diào)Q電光調(diào)Q技術(shù)是目前應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)。電光效應(yīng)非?？?，可以用特定的

23、晶體制作電控快門，速度非?？?。如下圖 2.5 所示10 ，該設(shè)備配備了一個(gè)電光盒。閃光燈工作時(shí)，給電光盒加一個(gè)電壓，數(shù)值為，經(jīng)過偏光片后，偏光發(fā)生變化。從線性轉(zhuǎn)換為圓形。輻射被反射后，再次通過電光盒，經(jīng)過一段時(shí)間的延遲后，變成角度偏轉(zhuǎn)90度的線偏振光。光反饋會對實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生影響，但是這種輻射會通過偏振器，因此可以避免這個(gè)因素。當(dāng)脈沖即將消失時(shí)，切斷電壓以避免偏振光的消耗。經(jīng)過這樣一個(gè)過程，諧振腔會發(fā)生振蕩，經(jīng)過短暫的延遲后，就會有脈沖輸出。在(b)中，為了達(dá)到光束傳輸?shù)哪康?，需要對光電箱施加電壓。這種Q開關(guān)由這種脈沖控制。偏光片中間有一個(gè)電光盒。與之前的結(jié)構(gòu)一致，如果偏振光從介質(zhì)中輸出，則不再需要

24、偏振片。在沒有電壓的情況下，偏振器不會改變，此時(shí) Q 值最小。一段時(shí)間后，在電光盒上加一個(gè)值的電壓，會使光束發(fā)生變化并旋轉(zhuǎn)一定的角度，準(zhǔn)確地說是90度，使光束剛好通過檢偏器。隨后的連鎖反應(yīng)一個(gè)接一個(gè)地發(fā)生，將通過分析儀和電光箱。它將再次旋轉(zhuǎn) 90 度。經(jīng)過這樣一個(gè)過程，光束已經(jīng)旋轉(zhuǎn)了180度，可以準(zhǔn)確地通過。電光調(diào)Q具有響應(yīng)速度快、調(diào)Q時(shí)序控制好、脈寬極窄、峰值功率極高等優(yōu)點(diǎn)。圖 2.5 (a) 電光 Q 開關(guān)工作在/4，(b) 在/2 延遲電壓被動調(diào)Q是一種在具有某些特定可飽和吸收體的激光器上自動改變Q值的方法。無源 Q 開關(guān)是填充有有機(jī)染料或摻雜晶體的光學(xué)器件。隨著能量的增加，光學(xué)器件會越

25、來越飽和，透明度會越來越高。當(dāng)能量密度達(dá)到一定的高值時(shí)，材料就會飽和，透光率會比較高?？娠柡臀掌髦械钠走^程僅基于光譜躍遷的飽和度而發(fā)生。2.3.2 無源調(diào)Q技術(shù)利用可飽和吸收體的特性來改變 Q 值。當(dāng)諧振腔的光強(qiáng)增加，達(dá)到一定程度時(shí)，可飽和吸收體變得透明，透光率非常高。在光譜躍遷的基礎(chǔ)上，可飽和吸收體產(chǎn)生“漂白”。如果在諧振腔中放置高吸收率的材料，激光的振蕩會大大降低，Q 開關(guān)會關(guān)閉。當(dāng)介質(zhì)中倒置粒子數(shù)增加，光通量迅速增加時(shí)，無源Q開關(guān)將達(dá)到飽和狀態(tài)11 。諧振器中的損耗下降，Q 開關(guān)脈沖增加。調(diào)Q由激光輻射本身激活，無需外加電壓等。與傳統(tǒng)激光器相比，激光二極管泵浦的無源調(diào)Q激光器具有諸多

26、優(yōu)勢。優(yōu)點(diǎn)如下：(1) 典型的腔長在毫米、亞毫米量級，甚至可以低至皮秒級，很容易產(chǎn)生單縱模激光器。(2)系統(tǒng)體積小，可達(dá)毫米量級。(3)設(shè)計(jì)簡單，調(diào)整方便，維護(hù)方便。在實(shí)際應(yīng)用中，一些領(lǐng)域需要穩(wěn)定的輸出，其穩(wěn)定性較差，因此不能廣泛使用。的透過率與能量密度的關(guān)系：厚度為2.65mm的YAG吸收體為了提高耐用性和可靠性，采用了兩種方法，一種是摻雜吸收離子，另一種是添加色心?，F(xiàn)在使用最廣泛的材料是Cr ：YAG。 Cr離子在激光的波段內(nèi)有較大的吸收面積，可以很好地被吸收，吸收殘差很小的YAG晶體的物理化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定。吸收帶寬高，摻雜度高，導(dǎo)熱系數(shù)高，性能非常好。這樣一來，無源調(diào)Q固態(tài)激光器的性能和

27、效率得到了很大的提高，因此得到了廣泛的應(yīng)用?？娠柡臀詹牧峡梢杂孟聢D中的能級結(jié)構(gòu)表示，其中躍遷發(fā)生在能級1-3。 32能級躍遷非?？臁Ｖ挥谢軕B(tài)的吸收截面很大，所以適合作為調(diào)Q材料。同時(shí)，上能態(tài)2級的生存時(shí)間必須足夠長，以消耗大量處于基能態(tài)的粒子。如果光通量不足以耗盡基態(tài)能級，則激光腔中的吸收體將不會傳輸激光輻射。相反，如果粒子的數(shù)量達(dá)到一定數(shù)量，吸收體就會變得透明。可飽和吸收體的能級圖如圖 2.7 所示。對于可飽和吸收體，其吸收系數(shù)如下，與光強(qiáng)有關(guān)12 。速率方程如下：(2.9)其中是小信號吸收系數(shù)，是飽和能量密度，(2.10)用能級13躍遷的吸收截面來表示。圖 2.7 A 是基態(tài)和激發(fā)態(tài)的

28、吸收， B 是激發(fā)態(tài)的吸收，激發(fā)態(tài)的壽命記為t可飽和吸收體的參數(shù)如下：初始透射率是使可飽和吸收體透明的能量密度，將可飽和吸收體漂白后，可以得到小信號的透射率：(2.11)指示了可飽和吸收體的厚度。用基能態(tài)粒子的密度來表示。在可飽和吸收介質(zhì)中，不同位置的光通量和粒子密度也不同。因此，為了計(jì)算能量密度作為參數(shù)的透射率，需要考慮這兩個(gè)因素。理想情況下，可飽和吸收體對應(yīng)不同的入射光能量，透射率可表示為：(2.12)近似地，如果和，上式可以分別簡化為sum 。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，即使調(diào)Q材料在基態(tài)能表現(xiàn)出飽和特性，由于光子會被激發(fā)的原子吸收，仍無法實(shí)現(xiàn)完全透射。從上圖2.7可以看出，能級2躍遷到能級4，

29、躍遷對應(yīng)于能量?；鶓B(tài)粒子的數(shù)量逐漸減少和耗盡，能級2和4之間的吸收會增加。當(dāng)基態(tài)達(dá)到飽和時(shí)，激發(fā)能態(tài)將被吸收，激光腔將有剩余損耗。3 激光二極管泵浦微芯片激光器1960年代，固態(tài)激光器發(fā)展迅速。由于效率低和熱效應(yīng)，傳統(tǒng)的燈泵浦固態(tài)激光器尚未得到深入發(fā)展。隨著研究的深入，在1980年代后期，出現(xiàn)了帶有全固態(tài)激光二極管的固態(tài)激光器。這種激光器具有效率高、使用壽命長、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。全固態(tài)激光器廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。發(fā)展最快的是二極管泵浦微芯片激光器，它是激光器的一個(gè)重要發(fā)展方向。所有微芯片激光器都可以保證輸出單頻理想光束，即高斯光束。由于微芯片激光器諧振腔截面平坦，腔長不長，激光器結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，成本低

30、廉，發(fā)展前景很好。3.1激光二極管泵浦技術(shù)激光二極管泵浦固體激光器是指以激光二極管為激發(fā)源，對激光晶體進(jìn)行泵浦的固體激光器。與傳統(tǒng)閃抽相比，優(yōu)勢明顯。工作效率高、體積小、激光輸出性能好、使用壽命長，使其成為固態(tài)激光器的重要發(fā)展方向之一。3.1.1激光二極管泵浦技術(shù)發(fā)展1960年，紐曼首先提出了激光二極管泵浦固態(tài)激光器的想法，隨后通過不斷的實(shí)驗(yàn)研究，終于在1962年生產(chǎn)出激光二極管，這也是世界上最早的激光二極管13 。由于激光晶體（Nd摻雜）的輸出波長與吸收帶吻合良好，理論上可以制造出泵浦效率高、體積小、使用壽命長的激光器。 1964年，美國林肯實(shí)驗(yàn)室14首次實(shí)現(xiàn)了激光二極管泵浦激光。 1968

31、 年，McDonnell Douglas 成功操作了二極管泵浦 Nd: YAG 激光器15 。 1971 年，Qstermeys 16聲稱使用二極管泵浦來獲得功率為 1.4 mW、寬度為 1064 nm 的激光器。早期，二極管必須在液氮下工作，主要用于實(shí)驗(yàn)。在這一時(shí)期，二極管泵浦激光器還不成熟，采用同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，效率低，波長范圍小17,18 。隨著研究的深入，激光二極管可以在室溫下工作，而不必在液氮下工作，但性能不完善，輸出功率和效率都比較低19,20 ，無法進(jìn)入市場。1980年代以后，物理、化學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)的進(jìn)步也推動了激光的發(fā)展。特別是分子束外延、金屬化學(xué)氣相沉積等技術(shù)的快速發(fā)展，以及量子阱結(jié)

32、構(gòu)等技術(shù)的發(fā)展，使得降低閾值電流成為可能。這樣，二極管的輸出功率和轉(zhuǎn)換效率大大提高，波長范圍變寬，使用時(shí)間也大大增加。再加上微通道制冷21技術(shù)的發(fā)展，大功率激光器成為可能。降低了成本，降低了價(jià)格，有的已經(jīng)進(jìn)入市場，被人們廣泛使用。Lawrence Livermore 實(shí)驗(yàn)室 (LLNL) 使用微通道冷卻激光二極管陣列成功輸出 70W、273W、1050W 的功率來泵浦 Nd:YAG 晶體板。 OPC生產(chǎn)的60W一體化光纖耦合器已經(jīng)進(jìn)入市場，麥道公司的峰值350kW的激光器也得到了廣泛應(yīng)用。二極管的快速發(fā)展帶來了新型固態(tài)激光材料和二極管泵浦技術(shù)的繁榮。全固態(tài)激光二極管已經(jīng)應(yīng)用到各行各業(yè)，在DPS

33、SL鎖模操作22,23單頻操作24和變頻25方面取得了長足的進(jìn)步，實(shí)際應(yīng)用。3.1.2 激光二極管泵浦技術(shù)優(yōu)勢（一）提高工作效率與傳統(tǒng)閃光燈的發(fā)射帶相比，激光二極管的發(fā)射帶在 808 nm 處與釹吸收帶在光譜上非常匹配，從而產(chǎn)生高泵浦速率。從表面上看，激光二極管的輻射輸出能量與輸入能量相比只能達(dá)到25%-50%，即效率，而閃光燈的輻射輸出能量與輸入能量相比可以達(dá)到70% ，即轉(zhuǎn)化效率。激光二極管的效率遠(yuǎn)低于手電筒。但釹的吸收帶不同，它只能吸收極少部分的燈輻射能，激光二極管可以自行選擇輸出波長。 .(2) 延長組件的壽命在連續(xù)工作狀態(tài)下，激光二極管陣列可使用10 4 h，可產(chǎn)生10 9 個(gè)脈沖。

34、連續(xù)工作時(shí)，閃光燈可使用500h，并可產(chǎn)生子脈沖。因此，二極管泵浦固體激光器比手電筒泵浦激光器具有很大的優(yōu)勢。該系統(tǒng)具有更長的壽命和更高的可靠性。(3) 提高光束質(zhì)量將激光二極管泵浦固體激光器的發(fā)射光譜與長波長釹吸收帶的光譜進(jìn)行適當(dāng)匹配，將減少激光材料的累積熱損失，從而降低熱透鏡效應(yīng)，提高光束質(zhì)量。此外，如果合理利用激光輻射的方向性，泵浦輻射的光譜與低次模的光譜將很好地匹配，可以輸出非常亮的激光。(4)提高脈沖重復(fù)率準(zhǔn)連續(xù)激光二極管不僅可以像傳統(tǒng)閃光燈那樣具有較低的重復(fù)率，而且可以像連續(xù)弧光燈一樣連續(xù)工作。帶有這種二極管的固態(tài)激光器可以在幾百赫茲到幾千赫茲的重復(fù)頻率下工作。(5) 有益健康激光

35、二極管泵浦系統(tǒng)避免了高壓脈沖、高溫和無紫外線輻射，因此對健康沒有影響。由于燈泵系統(tǒng)會產(chǎn)生紫外線，導(dǎo)致泵腔和冷卻水衰減，系統(tǒng)無法穩(wěn)定運(yùn)行。激光二極管泵浦激光器不發(fā)射紫外線輻射，也不存在這些問題。（六）良好的發(fā)展空間激光二極管輸出的光束是定向的，其發(fā)射角很小，為這種條件下的新型激光器開辟了道路。可以通過改變機(jī)制和設(shè)計(jì)配置來設(shè)計(jì)末端泵浦系統(tǒng)、微芯片激光器和光纖激光器。(7) 實(shí)用性和兼容性強(qiáng)大多數(shù)由激光二極管泵浦的材料都可以用閃光燈代替二極管來泵浦。然而，許多非常有用的材料，如 ND:YVO 4 、 YB:YAG和 Tm:YAG 只能由激光二極管泵浦。3.1.3 激光二極管的泵浦方式佳明按一定比例生

36、產(chǎn)的二極管可以輸出接近800nm的波長。該二極管適用性高，與多種激光發(fā)射離子的強(qiáng)吸收帶匹配良好。特別是，這種二極管陣列能夠產(chǎn)生與各種基質(zhì)材料中鐵的吸收帶相匹配的光譜，寬度為 3-4 nm。這種完美匹配使泵浦源能夠高效地產(chǎn)生倒置粒子群，并且二極管陣列輸出具有方向性，可以將泵浦輻射高效傳輸?shù)矫芗詈辖Y(jié)構(gòu)的材料上，或者使用光學(xué)系統(tǒng)將泵浦輻射傳輸?shù)絺鬏數(shù)皆鲆娼橘|(zhì)。部分二極管泵浦源具有相干特性。一是產(chǎn)生的聚焦光斑小，二是可以調(diào)整以匹配諧振腔的模式。與閃光燈相比，二極管在光譜特性和空間特性上具有明顯優(yōu)勢。二極管的泵浦源具有較高的泵浦輻射傳輸效率，泵浦區(qū)與諧振腔的空間重疊較大。根據(jù)二極管激光束的輸出來劃分，

37、二極管有兩種泵浦方式。一種是端抽，另一種是側(cè)抽。在側(cè)面泵浦結(jié)構(gòu)中，二極管陣列應(yīng)與激光棒或激光板同向，泵浦方向應(yīng)與激光腔模的傳播方向垂直。在端面泵浦結(jié)構(gòu)中，可以利用激光二極管優(yōu)異的空間和光譜特性來設(shè)計(jì)泵浦輻射的方向，使其經(jīng)準(zhǔn)直、縱向聚焦，最后在與激光材料相同的水平線上會聚。諧振器。中間。(1) 端面泵送低功率激光二極管泵浦激光器的常用方法是末端泵浦。該二極管系統(tǒng)體積小，布局緊湊。此外，二極管激光器可以通過其自身的耦合系統(tǒng)很好地注入固體介質(zhì)中。這種端部泵浦二極管激光器發(fā)出的激光聚焦在激光棒的端面上，形成一個(gè)光點(diǎn)。選擇適當(dāng)?shù)慕M件，使光斑尺寸與諧振器的 TEM 00模式一致。因此，這種結(jié)構(gòu)可以非常有效

38、地利用激光器發(fā)出的能量。這種端部泵浦激光器在結(jié)構(gòu)上是縱向的，激光器的激活部分與 TEM 00模式體積很好地匹配。即使沒有孔徑光闌，這種激光器也可以輸出基模。模式匹配越好，激光器的設(shè)計(jì)就越復(fù)雜。 Sipes 26設(shè)計(jì)了如下圖所示的激光器結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的二極管可以輸出功率為200mW、波長為808nm的激光。光學(xué)器件耦合后，經(jīng)過聚焦，最終發(fā)射到端面。平凹鏡結(jié)構(gòu)的腔體泵端面涂有高反射膜。高反射膜的波長為1064nm，反射率非常強(qiáng)，反射率可達(dá)90%以上。圖 3.1 LD 端泵浦激光振蕩器此類系統(tǒng)產(chǎn)生 TEM 00模式，通常非常有效。端部泵浦激光器結(jié)構(gòu)簡單，泵浦區(qū)域和 TEM 00激光模式之間有良好的重

39、疊，從而提高了效率。這種泵浦方式的固體激光器在固體棒（或片）的正面鍍上一層雙色膜，使固體激光振蕩的波長完全折疊，波長為泵浦光幾乎無損耗地傳輸；輸出表面對于所需的固態(tài)激光波長具有適當(dāng)?shù)耐干渎省Ｄ壳?，越來越多的激光介質(zhì)適用于這種結(jié)構(gòu)的激光器。例如：Nd 3+ : Bel, Nd 3+ : YAG 以上材料的光譜并不一致，關(guān)鍵影響激光的閾值和斜率效率。隨著研究的深入，目前激光器的端面可以摻雜各種元素來提高激光器的性能，如Ho、Tm、Yb、Cr。上面提到的大多數(shù)激光器都是片狀或棒狀的，唯一的例外是光纖激光器?，F(xiàn)在，越來越多的單模光纖激光器進(jìn)入了人們的視野。此類激光器孔徑小，閾值低，因此能量利用率非常高

40、。隨著二極管泵浦技術(shù)的飛速發(fā)展，各種結(jié)構(gòu)新穎、功能更完善、性能更優(yōu)的激光器大量涌現(xiàn)。(2) 側(cè)抽高功率二極管激光器需要使用固態(tài)陣列激光器進(jìn)行橫向泵浦。結(jié)構(gòu)如下：圖 3.2 LD 側(cè)泵浦固體激光器實(shí)驗(yàn)裝置側(cè)面泵浦二極管陣列具有廣泛的應(yīng)用。通過僅耦合，二極管陣列被布置在介質(zhì)上。四十個(gè)激光二極管子陣列構(gòu)成一個(gè)激光二極管，五個(gè)1cm長的脈沖激光二極管構(gòu)成泵浦陣列。當(dāng)二極管陣列的最大額定電流為80A時(shí)，一些參數(shù)如下：單脈沖能量為500mJ，脈沖寬度為200s ，譜線寬度約為4nm。由于結(jié)構(gòu)的原因，泵浦有源區(qū)位于棒和片之間的邊界，不能很好地與 TEM 00模式體積耦合。因此，多模式將提高工作效率。3.2

41、激光二極管泵浦微芯片激光器發(fā)展概況微芯片結(jié)構(gòu)非常精細(xì)，諧振腔面平整，腔長短，因此整個(gè)系統(tǒng)體積小，成本低，輸出性能好，輸出為單頻，是一種高斯光束，具有良好的特性和廣闊的發(fā)展前景。目前激光研究的重點(diǎn)是提高功率，二是優(yōu)化結(jié)構(gòu)，使其更簡單。與棒狀和片狀介質(zhì)相比，微芯片具有很強(qiáng)的優(yōu)勢，用微芯片代替它們也是一個(gè)研究熱點(diǎn)。1980 年代，開始了對單頻激光器的研究。其中以Nd 3+ : YAG材料制成的微芯片激光器的發(fā)展尤為迅速。 Nd 3+ :YAG的兩端面均鍍有光學(xué)薄膜，形成激光諧振腔，從而形成由激光二極管泵浦的微芯片激光器。這樣，諧振腔的腔長就會減小，有利于單縱模的輸出，激光器的體積也會相應(yīng)減小。3+：

42、YAG作為增益介質(zhì)，泵浦光的吸收率必然降低。解決這個(gè)問題的方法有兩種，一是使泵浦光吸收兩次，可以通過鍍一層反射膜來實(shí)現(xiàn)，二是提高泵浦效率，可以通過增加功率或增加功率來實(shí)現(xiàn)。 YAG中的Nd 3+。達(dá)到摻雜濃度。圖 3.3 1.064 Nd 3+ : YAG 微芯片激光器1989年，林肯實(shí)驗(yàn)室利用摻有1.1Wt% Nd 3+的Nd 3+ : YAG微芯片激光器多次提高泵浦功率，并成功觀察到單縱模輸出，分別達(dá)到1.06 m和1.3 m。 m Nd 3+ ：YAG 微芯片激光器27 。它們在輸入端表面涂有反射膜，可以透射光束，輸出端表面也涂有反射膜，以反射泵浦光。接下來，他們研究了 1.064 m

43、Nd 3+ : YAG 激光器的頻率調(diào)諧性能28 。通過施加應(yīng)力改變極化方向，使其平行于 Nd 3+ : YAG 的腔長，進(jìn)而影響輸出的頻率。本實(shí)驗(yàn)中使用的微芯片尺寸為 0.65 mm 1.0 mm 2.0 mm。獲得輸入功率為2030mW的泵浦光，獲得12mW的單頻光束。當(dāng)對PZT施加1000V左右的電壓時(shí)，調(diào)制頻率為080kHz時(shí)，調(diào)頻速度為30.3MHz/V。如果頻率增加到 80kHz 1.0MHz，則相應(yīng)的 FM 頻率變?yōu)?1.5MHz/V。如果繼續(xù)增加頻率，頻率調(diào)制的速度將變?yōu)?13.2 MHz/V。1990 年，英國研制出一種半外腔激光器。這種二極管泵浦 Nd 3+ : YAG 微

44、芯片激光器可以調(diào)諧到 1.3m 的單一頻率。該激光器的參數(shù)如下：晶體尺寸為3mm 0.7mm，腔長為1.57mm，泵浦閾值為100mW，最大功率為10mW。一個(gè)端面是輸入鏡，輸出鏡是耦合的。 PZT控制耦合鏡和電壓，最大電壓為1000V，可獲得120MHz/V的頻率調(diào)制率，變化范圍為120GHz。圖 3.4 可調(diào) 1.3m 單頻 LD 泵浦 Nd 3+ ：半外腔結(jié)構(gòu)的 YAG 微芯片激光器1991年，英國科學(xué)家利用FP穩(wěn)頻的特性來調(diào)整腔長來研究二極管泵浦。Nd:YAG 微芯片激光器的穩(wěn)定性。選擇的頻率是 1.3m 的波長。不穩(wěn)定時(shí)譜線寬度為5 MHz，穩(wěn)定后譜線寬度減小到88 kHz。1992

45、年，林肯實(shí)驗(yàn)室采用1.32m Nd 3+ : YAG微芯片，系統(tǒng)尺寸為lmm lmm lmm來研究頻率，通過改變功率來觀察頻率變化。增加功率會改變增益介質(zhì)的溫度，進(jìn)而改變折射率和腔的長度。研究表明，電壓變化 10mV 后，功率變化 8mW。1992年，為了提高實(shí)驗(yàn)初期泵浦燈的效率，貝爾實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)了Nd 3+ :YCeAG激光器，Nd 3+摻雜率為3%。為了提高Nd 3+的摻雜水平，需要降低泵浦閾值。該款1.06m單頻二極管泵浦激光器的參數(shù)如下：腔體為540m，泵浦波長為0.809m。特別是，當(dāng)溫度為 220C 時(shí)，對應(yīng)的泵浦閾值為 43mW。溫度每升高 1C，波長變化 1.2nm?？梢垣@得18

46、0GHz的調(diào)整范圍。系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性好。使用具有0.5 mm腔長并摻雜1.8 wt% Nd 3+ 的二極管泵浦微芯片激光器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以探索電光頻率調(diào)制。泵浦光為810nm，輸出光為1.064m，泵浦閾值尺寸為100mW，效率為10%。當(dāng)泵浦功率值達(dá)到閾值的數(shù)倍時(shí)，可以輸出10mW的單縱模偏振。這種激光器的結(jié)構(gòu)如下圖 3.5 所示。圖 3.5 電光調(diào)諧微芯片激光器諧振腔由Nd 3+ : YAG微芯片和電光晶體組成。對電光晶體施加壓力會顯著改變晶體的折射率。最后，當(dāng)電壓為1kV左右時(shí)，調(diào)頻率為14MHz/V，調(diào)頻范圍為01.3GHz，范圍可達(dá)30GHz。1994年，美國寶麗來公司與貝爾實(shí)驗(yàn)室合作研究

47、了1.3m二極管泵浦Nd 3+ : YAG微芯片激光器的特性。單片Nd 3+ ：采用助熔劑法生長YAG，Nd 3+摻雜濃度為4.24.5%。腔長為 450 m ，是一個(gè)平行平面腔。泵浦光波長為 0.81 m 。用一個(gè) 1W 激光二極管泵浦產(chǎn)生 120mW 的輸出，用兩個(gè)激光二極管泵浦產(chǎn)生 210mW 的輸出。1994年和1995年，德國科學(xué)家研制出一種新型激光器，這種雙頻二極管泵浦Nd 3+ : YAG微芯片激光器可應(yīng)用于外差干涉儀進(jìn)行速度測量。目前，激光二極管泵浦Nd 3+ :YAG微芯片激光器顯示出巨大優(yōu)勢，成為熱門話題。隨著研究的深入，這類激光器的性能將大大提高。4.二極管泵浦被動調(diào)Q微

48、芯片激光器的仿真研究在前面的章節(jié)中，我們研究了激光調(diào)Q技術(shù)，分析了激光二極管泵浦微芯片激光器的基本結(jié)構(gòu)，泵浦技術(shù)的發(fā)展和優(yōu)勢。首先，通過分析無源調(diào)Q激光器的理論，得到一些相互作用關(guān)系。其中，諧振腔中光子數(shù)的密度、反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的密度、飽和吸收體中反轉(zhuǎn)粒子的密度是常見的變化。的。微芯片激光器的摻雜濃度很高，諧振腔的長度也不長。接下來，我們將使用Matlab來模擬被動調(diào)Q微芯片激光器的特性。接下來，我們將討論和研究可飽和吸收體在激發(fā)態(tài)的吸收，得到CW激光二極管泵浦的被動調(diào)Q微芯片方程。這個(gè)方程是耦合的，根據(jù)上述過程，分析了這個(gè)無源調(diào)Q的過程。4.1 被動調(diào)Q耦合率方程無源調(diào)Q的脈寬很窄，泵浦源的影響很

49、小，可以忽略不計(jì)。那么可以得到下面的等式。該方程是無源 Q 開關(guān)方程。這是可飽和吸收體在一般情況下處于激發(fā)態(tài)的情況：(4.1)上式中，以下參數(shù)，光子數(shù)、反轉(zhuǎn)粒子數(shù)、基態(tài)粒子數(shù)、激發(fā)態(tài)粒子數(shù)、可飽和吸收體總數(shù)的密度用 表示， , , , 分別。截面的表示有幾種形式：基態(tài)的可飽和吸收體，激發(fā)態(tài)，增益介質(zhì)被激發(fā)后的截面，分別為, , ,來代表。增益介質(zhì)、沿諧振器中心軸的可飽和吸收體、等效光路長度分別用、表示。用激光腔的耗散損耗來表示，用輸出鏡的反射率來表示。是光速；用光在腔內(nèi)往返的時(shí)間來表示；反演因子寫為，1對應(yīng)四能級系統(tǒng)，2對應(yīng)三能級系統(tǒng)。為了研究連續(xù)脈沖的情況，使用了 Q 開關(guān)速率方程，該方程適

50、用于激發(fā)態(tài)的狀態(tài)。在連續(xù)泵送的情況下，當(dāng)可飽和吸收體吸收時(shí)，獲得以下關(guān)系表達(dá)式。該方程組考慮了影響因素，例如泵浦速度、增益矩陣上處于高能級的時(shí)間長度以及可飽和吸收體返回其初始狀態(tài)所需的時(shí)間。(4.2)在上述等式中，泵送速率表示為；表示增益介質(zhì)的總粒子密度；表示增益介質(zhì)處于高能級的時(shí)間長度；可飽和吸收體返回其原始狀態(tài)所需的時(shí)間表示為。根據(jù)上述公式，與實(shí)際情況有所不同。在實(shí)際情況下，通常會增加晶片的摻雜濃度，從而增加增益介質(zhì)的最大粒子反轉(zhuǎn)數(shù)。因此，加入泵送項(xiàng)因子來模擬實(shí)際情況29 。4.2被動調(diào)Q耦合速率方程的數(shù)值模擬將數(shù)值代入上述耦合方程，模擬無源調(diào)Q脈沖的輸出。不同的參數(shù)值給出不同的結(jié)果。對連

51、續(xù)泵浦下調(diào)Q脈沖序列建立過程的耦合方程組進(jìn)行仿真，可以看出參數(shù)不同時(shí)輸出的是無源調(diào)Q脈沖。通過查閱文獻(xiàn)，結(jié)合實(shí)際情況，可以得到微芯片激光器物理量系數(shù)的典型值。 Nd 3+ : YAG 和Cr 4+ : YAG的折射率分別表示為sum 。通過MATLAB編程，求解微芯片激光器對應(yīng)的速率方程，模擬出光子數(shù)密度、反向粒子數(shù)密度和基態(tài)粒子數(shù)密度隨時(shí)間變化的曲線。下表顯示了各種物理量的系數(shù)的典型值。表4.1各種物理量系數(shù)的典型值物理價(jià)值典型值單元物理價(jià)值典型值單元5.4 10-2328.7 10-2322.2 10-2321.6810 2631.821.800.021毫米7501毫米31在MATLAB中

52、調(diào)用函數(shù)ode45()，用于求解常微分方程的初值問題。將上表中的參數(shù)值代入上述方程，連續(xù)泵浦無源調(diào)Q速率方程，求解數(shù)值，程序源碼見附件。運(yùn)行程序得到被動調(diào)Q的仿真，如下圖。從圖中可以看出，在被動調(diào)Q過程中，可飽和吸收體中的光子數(shù)密度、反演粒子數(shù)密度和基態(tài)粒子數(shù)密度都會隨著時(shí)間的增加而變化。圖 4.1 無源調(diào)Q仿真分析結(jié)果MATLAB中可以調(diào)用plotyy()函數(shù)，所以現(xiàn)象比較明顯。隨著時(shí)間的變化，被動調(diào)Q過程中的光子數(shù)密度和反演粒子數(shù)密度繪制在同一張圖中?？梢钥闯?，在這個(gè)過程中，新脈沖的產(chǎn)生會伴隨著增益介質(zhì)的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)。急劇下降。圖 4.2 被動調(diào)Q中光子數(shù)密度和反演粒子數(shù)密度隨時(shí)間的變化

53、讓我們放大看看情況。在同樣的過程中，可以觀察到隨著時(shí)間的增加，反轉(zhuǎn)的粒子數(shù)和光子數(shù)不會保持不變，而是會發(fā)生變化。我們可以放大第四個(gè)光脈沖的產(chǎn)生，可以得到更清晰的畫面，如圖 4.3 所示。從這個(gè)圖中可以看出，我們可以將被動調(diào)Q過程中激光脈沖的產(chǎn)生分為幾個(gè)階段：(1)自發(fā)發(fā)射可以在激光腔內(nèi)提供光子，光子數(shù)的密度不大（數(shù)值模擬程序中設(shè)置為1）。隨著時(shí)間的增加，反演粒子數(shù)密度也隨之增加。(2)隨著時(shí)間的增加，反演粒子數(shù)密度越來越大。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)方程右邊大于零時(shí)，出現(xiàn)脈沖，光子數(shù)密度繼續(xù)增加。這樣，方程中的第二個(gè)和第三個(gè)方程右邊會小于零，即反演粒子數(shù)的密度和基態(tài)粒子數(shù)的密度會發(fā)生變化，會減少.(3) 當(dāng)諧振

54、腔中的光子數(shù)密度逐漸增大時(shí)，可飽和吸收體的基態(tài)粒子數(shù)密度最終隨著反演粒子數(shù)密度的減小而減小，恰好使耦合方程(4.2)中第一個(gè)方程的右邊) 等于零時(shí)，此時(shí)激光腔內(nèi)的光子數(shù)密度將最大。(4) 光子數(shù)的密度開始減小，但脈沖仍然存在，因此反演粒子數(shù)的密度仍然極度減小。當(dāng)式（4.2）中二階微分方程的右邊在泵浦率的作用下變?yōu)榱銜r(shí)，增益介質(zhì)的反人口密度將減小到最小值。(5)接下來，隨著時(shí)間的增加，增益介質(zhì)的反演粒子密度逐漸減小，最終達(dá)到最小值，整個(gè)激光脈沖過程結(jié)束。圖 4.3 激光脈沖產(chǎn)生過程中光子數(shù)密度和反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度隨時(shí)間的變化運(yùn)行上述代碼，繼續(xù)代入數(shù)值，進(jìn)行仿真?？梢钥闯?，被動調(diào)Q激光脈沖的重復(fù)頻率等

55、于脈沖寬度。編寫程序在MATLAB中運(yùn)行，可以確定激光脈沖峰值的位置（光子數(shù)密度），繼續(xù)仿真分析，可以得到重復(fù)頻率、脈沖寬度等數(shù)值。程序代碼見附錄。仿真后，可以獲得多個(gè)重疊激光脈沖的圖像，見圖 4.4。從圖中可以得出，它與數(shù)值計(jì)算得到的激光脈沖波形的形狀基本一致。從MATLAB命令窗口可以得到脈沖重復(fù)頻率的頻率值為670.66Hz，激光脈沖寬度（FWHM）為95.899ps。圖 4.4 數(shù)值計(jì)算得到的多個(gè)激光脈沖波形的疊加綜上所述聯(lián)合國將2015年定為國際光年，希望引領(lǐng)人們認(rèn)識光學(xué)領(lǐng)域多年來取得的重要成就。在很多很多問題中，光學(xué)都發(fā)揮了巨大的作用。在未來的發(fā)展中，光學(xué)將在能源、公用事業(yè)、教育等

56、領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。 21世紀(jì)是信息時(shí)代，信息科學(xué)和信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，尤其是光電信息領(lǐng)域。光波導(dǎo)和激光器是目前非常重要的兩個(gè)研究類別。激光是在生產(chǎn)實(shí)踐迫切需要的背景下產(chǎn)生的。一進(jìn)入大眾視野，就獲得了飛速的發(fā)展。新技術(shù)的使用使激光能夠在公共生活中發(fā)揮重要作用。激光二極管泵浦的無源調(diào)Q微芯片激光器在遙感測量、公共設(shè)施、醫(yī)療外科、環(huán)境等諸多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本文通過理論仿真研究了無源調(diào)Q微芯片激光器的特性，分析了無源調(diào)Q過程以了解其特性。論文第一章首先概述了激光的發(fā)展概況，介紹了激光的基本理論，并詳細(xì)分析了激光的吸收和光學(xué)增益。本文第二章介紹了激光調(diào)Q的原理，給出了有源調(diào)Q和無源調(diào)Q的方法。本文

57、第三章介紹了激光二極管泵浦微芯片激光器。介紹了該激光器的基本結(jié)構(gòu)和具體的泵浦方式。最后，展示了近年來的發(fā)展概況。本文第四章使用Matlab在Windows平臺下進(jìn)行仿真。仿真顯示了不同參數(shù)下被動調(diào)Q脈沖的輸出、調(diào)Q過程中的光子數(shù)、增益介質(zhì)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度、可飽和吸收體基態(tài)粒子數(shù)。密度隨時(shí)間的變化與激光脈沖的產(chǎn)生過程、脈沖的重復(fù)頻率和脈沖寬度有關(guān)。通過數(shù)值計(jì)算得到的激光脈沖波形的形狀大致相同。本文對被動調(diào)Q的方法進(jìn)行了深入研究，但仍有許多問題值得研究。下一步的研究工作包括：二極管泵浦激光器可靠性的研究，提高激光器效率的新型激光激發(fā)方法的研究。至四年的大學(xué)學(xué)習(xí)生涯即將結(jié)束。值此答辯之際，向母校和老師

58、們表示衷心的感謝！在此，首先對黃立群先生表示衷心的感謝。本文的選題和課題研究是在黃老師的指導(dǎo)下完成的。在黃老師耐心細(xì)致的指導(dǎo)下，我完成了這篇文章。黃老師勤奮的學(xué)業(yè)態(tài)度和認(rèn)真負(fù)責(zé)的生活態(tài)度深深地感染了我，對我以后的工作學(xué)習(xí)有很好的指導(dǎo)作用。同時(shí)，我還要感謝所有在大學(xué)四年里教過我的老師們。是你們教會了我專業(yè)知識，實(shí)踐了實(shí)踐技能和其他專業(yè)技能，培養(yǎng)了正確的學(xué)習(xí)方法和良好的思維方式。老師們以身作則，我耳目一新，在這些言行中也感受到了濃厚的學(xué)術(shù)氛圍，符合做人的道理。當(dāng)我們在學(xué)習(xí)和生活中遇到困難時(shí)，老師們從不覺得無聊，而是以認(rèn)真的態(tài)度一一解答。老師也是老師和朋友。培養(yǎng)對社會有用的人！同時(shí)，我也要感謝同學(xué)們

59、對我的有益建議和意見，讓我更快的了解學(xué)習(xí)方法，感受同學(xué)們在生活中給予幫助的溫暖。在他們的支持、鼓勵(lì)和幫助下，我能夠充分利用四年的學(xué)習(xí)和生活。最后，感謝母校，給了我這樣一個(gè)平臺，給了我學(xué)習(xí)的機(jī)會，樹立了正確的人生觀、價(jià)值觀、世界觀，為我的人生發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)！參考文獻(xiàn)_1周炳坤，高以智，于榮，等。激光原理M ：國防工業(yè)， 2000。2 Koechner W.固體激光工程M。 :科學(xué)技術(shù)， 2002 。3周成，鐘，彭，等。 LD泵浦Nd 3+ : GVO4/ Cr 4 + : YAG固體激光器J.光子學(xué)報(bào), 2006 , 35(6):801-803。4杜辰林,君海,王正平. LD泵浦聲光調(diào)Q高

60、重復(fù)頻率短脈寬Nd 3+ : YVO4激光器 J.中國激光, 2002 , A29(6):489 4915雷，侯學(xué)元，宇飛等。 Nd 3+的脈沖激光性能：氙燈泵浦的GdVO4晶體J.中國激光, 2004, 31(3) : 262-2646 Qi Yunfeng , Lou Qihong , Yinghua et al . Research on Cr 4+ : YAG passively Q - switched Nd 3+ : YAG porcelain laser J. China Laser, 2005, 32(11): 1449 1454 7趙德源，志天憲義激光二極管泵浦Nd 3+ :