Cr4 :YAG晶体的吸收特性及其调Q作用毕业论文

 2021-11-22 10:11

论文总字数:17288字

摘 要

本文对LD泵浦的:YAG被动调Q激光器进行了讨论分析,了解到了调Q激光器的研究现状和发展,讨论了基本的固体激光器工作物质:YAG晶体的基本原理,分析了:YAG饱和吸收晶体的吸收特性及其与1064nm激光的耦合情况,并在此研究基础上建立了实验结构,测量并且分析了实现调Q的条件,测量了调Q前后激光的输出特性。所获得结果在光通信、遥感数据监测、激光雷达技术、激光微加工等领域发展具有很重要的指导研究意义。

论文研究::YAG晶体激光器的泵浦电流对输出功率的影响及其不同透过率对激光器输出参数的影响。

研究分析数据结果表明:可以在泵浦功率要求较高、输出镜透过率小于8%的条件下进行调Q,提高输出平均功率和脉冲重复频率。与此同时也可以结合谐振腔参数、:YAG晶体的初始透过率以及:YAG晶体在谐振腔中的位置等因素,优化调Q效果。

关键词:被动调Q 固体激光器 激光技术 :YAG 激光器 脉冲宽度 LD泵浦

Abstract

In this paper, the LD pumped :YAG passive tuning Q laser discussed, awareness of tuning Q laser research status and development, discusses the basic work of solid laser material :YAG crystal is the basic principle, analysis of the :YAG saturated absorption of crystal absorption characteristics and its coupling with 1064 nm laser, and established the experiment on the basis of studying the structure, the conditions of the measurement and analysis of the adjusted Q, measured before and after tuning Q laser output characteristics. The results obtained have important guiding significance in the development of optical communication, remote sensing data monitoring, laser radar technology, laser micromachining and other fields.

Research: crystal laser pump current on the output power and different transmittance on the laser output parameters. The results show that Q can be adjusted under the condition of high pump power requirement and less than 8% transmittance of the output mirror to improve the average output power and pulse repetition frequency. At the same time, the q-tuning effect can be optimized by combining the resonator parameters, the initial transmittance of crystal and the position of crystal in the resonator.

Key Words: passive q-switched solid-state laser technology laser pulse width LD pump

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究进展 1

1.3 研究目的和意义 2

1.4研究的基本内容和目标 2

1.4.1研究内容 2

1.4.2 研究目标 2

1.5拟采用技术方案及措施 3

1.5.1 分析 Nd-YAG激光器结构分析 3

1.5.2 分析晶体的调Q原理和特性 3

1.5.3调节并观察最佳的调Q效果实现条件 4

第 2 章 被动调 Q 理论 5

2.1 晶体 5

2.2 晶体的能级和吸收光谱 6

2.2.1 晶体的可饱和吸收特性 7

2.2.2 不同厚度的 晶体对中心波长 1064nm 的透过率 9

第 3 章 Cr4 :YAG 被动调 Q 激光器的实验研究 12

3.1 实验装置 12

3.2 泵浦电流对输出功率的影响 13

3.3 输出镜透过率对调 Q 激光输出参数的影响 16

3.4 特定情况下 LD 泵浦的 被动调 Q 激光 18

第 4章 结果与结论 18

第1章 绪论

1.1 研究背景

自1960年以后,世界上第一台激光器的出现,使得各种激光和激光技术的发展达到了一个质的飞跃,其中发展最为突出的则是固体激光器,激光二极管泵浦固体激光器相对于灯泵固体激光器方面来说有着转换效率高,结构设计简单,适用范围广等优点,而如今成为了我国全固态激光器研究的热门话题。在强光光学这一新的学科中我们可以使用高功率激光,使之成功的获得光的倍频、光的差频等的参量的振荡和放大的现象,可以观察到受激拉曼散射,强光自聚焦等一系列的非线性光学效应的现象。并且调Q技术的出现还让我国的各种激光和激光信息技术在它的应用领域和发展方面上升了一大台阶。自饱和被动式调Q激光装置主要由于器件的结构设计比较简单,对激光器的工作环境不会产生电磁干扰,所以适用于宽范围,但由于通常的染料调Q介质,它的导热性能不是很好,所以它的应用范围受到了一定的限制,仅仅适用于一些低重复率的脉冲调Q激光器中。就目前中国激光晶体技术的飞速发展情况来说,,我国早已成功地生产设计出了多掺YAG晶片用于高重复率调Q的激光技术中,制成了一种被动式的Q开关控制器件,同时具有声光和染料调Q技术的长处,在激光医疗、激光打标和非线性光学系统等领域获得极广泛的应用。

1.2 研究进展

在二十世纪八十年代我国电子工业部第十一研究所首次发现了晶体的饱和吸收特性,并且还用于自调Q和被动调Q激光器;激光二极管泵浦的被动调Q微片激光器因其高重复频率、短脉宽、高峰值功率等优点,在激光微加工等激光和激光技术领域方面它都有着极其重要的应用意义。然而我国目前被动调Q激光器脉冲信号输出相对较差的稳定性,并且它具有相对比较窄的重复频率调谐范围,这就使得它在气溶胶的荧光技术分析领域中的推广应用、还有测距方法以及发展空间光通信等的开发方面受到了非常大的限制。

1.3 研究目的和意义

晶体不但具有较宽的吸收带和较好的饱和吸收特性,并且通过光化学性质进行比较系统稳定,导热性能相对而言也比较好。因此,它是一个理想的高功率、高重复频率以及小型全固化激光器的被动调Q开关元件。被动调Q激光器虽然具有结构设计简单、体积小、重量轻等的优点,但是我们始终无法控制脉冲产生时刻、重复频率和峰值功率,因此它在有些应用中还是会受到很大的局限。本文对被动调Q激光器冲输出性能进行了研究,理论分析了参数、谐振腔长度等对激光输出调Q脉冲特性的影响,可用于激光探测、激光测距、激光加工等应用领域。

1.4研究的基本内容和目标

1.4.1研究内容

在本设计中主要是为了分析饱和吸收调Q的特点及其实现方法;分析饱和吸收晶体的吸收特性及其与1064nm激光的耦合情况;测量并分析实现饱和吸收调Q的条件,观测激光在调Q前后输出特性的变化。

1.4.2 研究目标

研究被动调Q激光器脉冲输出的特性,通过跃迁吸收的速率方程模型,模拟分析初始透过率对激光输出脉冲宽度的影响,使用泵浦Nd:YAG被动Q开关激光器的实验中,以了解可饱和吸收调Q的特点和实现方法; 分析吸收晶体的特性及其与激光的耦合情况;分析实现调Q激光的输出特性及调Q的条件;分析最佳调Q效果实现条件。

1.5拟采用技术方案及措施

1.5.1 分析 Nd-YAG激光器结构分析

饱和吸收调Q激光器结构如下:

工作物质:钇铝石榴石晶体为其激活物质,晶体内Nd原子的含量为0.6~1.1%,发射激光为红外波长1.064um.属于四能级系统。

激励能源:采用不同激光二极管可以作为泵浦源,使粒子数发生反转从而产生激光,它本身具有体积小、重量轻等优点,而且还不需要进行冷却,这样的特点让它为系统的小型化技术的发展创新创造了非常便利的条件。LD泵浦Nd:YAG激光器的结构形式可以分为端面泵浦和侧面泵浦两种。端面泵浦灵活方便的方式,通过一个光纤耦合的泵浦光发散角小,可以匹配与固体激光器的基模。本论文中即采用端面泵浦方式。

光学谐振腔:把激活物质放在两个相互平行的反射镜(其中一块为平面镜,另一块为凹面镜)之间就可以构成光学谐振腔。它的作用是提供光学正反馈,对激光的模式进行限制。

被动调Q激光器的增益介质是掺杂浓度为1.5at%,尺寸为Φ8mm×120mm的Nd:YAG晶体棒。凹镜M1和输出镜M2构成激光器谐振腔,M2的透过率为90%,谐振腔的腔长是500mm,激光器中平面镜是晶体渡膜的表面,凹面镜曲率半径可以是1m或2m,谐振腔长度可调。

1.5.2 分析晶体的调Q原理和特性

调 Q 的基本工作原理是:在泵浦开始时使谐振腔结构处于高损耗的状态,此时谐振腔内的振荡阈值比较大,振荡不能产生,这样上能级的反转粒子数就进行大量的积累,当积累到最大值时,突然减小腔的损耗,也就是增大 Q 值,降低阈值,激光振荡便可以得到迅速的建立,上能级的反转粒子数在很短的时间内被消耗掉,光子数密度不断增加,谐振腔内的光能量也增加。最终将能量释放通过谐振腔的输出镜,实现高峰值功率脉冲的建立与断开,并获得巨脉冲。

调Q特性进行分析:结合物质性能和速率方程组分析饱和吸收调Q过程中Q元件的相关吸收系数,光腔内光子数密度和输出光腔的变化情况。

1.5.3调节并观察最佳的调Q效果实现条件

我们在特定的激光泵浦及激光与调Q晶体作用条件下可以得到效果较好的调Q激光:如高的重复频率或高的单脉冲功率。对 被动调Q端面泵浦Nd-YAG激光器来说,为了得到重频脉冲激光输出,需要合理的选择被动调Q晶体的初始透过率,来得到满足应用要求的高重频激光输出。因此,在进行选取谐振腔元件参数的时候,应该可以根据使用技术要求通过调节激光器的相关工作参数,获得所需要的重复频率和脉冲功率的调Q激光。

第 2 章 被动调 Q 理论

被动调 Q 是将一个饱和吸收体添加到谐振腔内,该吸收体对某些波长的激光具有可饱和吸收特征性能,非线性吸收材料可被用于调节激光腔的损耗和阈值的特性,来达到调节谐振腔 Q 值的要求,被动地改变激光谐振腔的 Q 值。具有高度吸收性离子的晶体结构可以较好地改善被动 Q的耐用性及可靠性。Nd:YAG 固体激光器中的调 Q关用得比较多的材料就是掺铬钇铝石榴石晶体,离子对 1064nm的基态吸收截面,且具有饱和吸收的特性[1]

2.1 晶体

①晶体结构。

晶体激活离子为离子,基质为钇铝石榴石晶体(YAG),分子式为Y3Al5O12,它的机械性能比较地稳定,损伤阈值也比较地高,它的物理和化学性质良好,所以可以作为一种非常理想的基质晶体,YAG属于立方晶系,有百分之四十在八面体位置上,百分之六十在四面体位置上。晶体是在YAG基质中掺入了,用替代四面体上的,晶体属于三能级系统,的能级分裂演化,就形成了能级结构图。在晶体中取代有两个位置,但是只有四面体位置上的会对1400纳米的荧光现象起作用,而八面体位置上的是不起作用的。

由于大量的碱基离子存在于晶体中且可以形成碱基离子以及双中心,同时在八面体位置上存在着大量的和,这些影响因素都可以使得晶体的激光阈值增加。如果对晶体进行处理在一个高温的氧化环境中100~200h退火,的浓度可以得到增大,并且可以增加晶体内四面体上和八面体上的比率,增加晶体的光学质量,同时提高晶体的有效性。

②晶体的物理光学性质。晶体在工作一段时间之后,它的阈值就会不断升高,效率就会出现下降,激光就会发生衰减。造成这种现象的主要原因是晶体在泵浦光辐射下,会发生色心吸收和掺杂离子变价,晶体发热导致了热应力、应力双折射和热透镜效应等现象,以及晶体本身的缺陷和光学谐振腔的腔型所引起的在晶体内部形成聚焦和自聚焦等现象。

2.2 晶体的能级和吸收光谱

的化学式是:,即掺四价铬离子的钇铝石榴石,它属于立方晶系。几何结构为圆柱形或棱柱形。晶体具有饱和吸收特性的根本原因在于离子。

晶体结构一般为暗褐色,它的物理和化学性质很稳定、掺杂浓度高、导热性能好、寿命长。因为它的许多优异性能,且作为调 Q 开关的条件均能满足,并可以增大脉冲的峰值功率和重复重率。

图2.1 为 的能级结构图,描绘了在激光输出波长为1.06um的条件下晶体能级结构,同时清晰地表示了它能级之间的跃迁过程。该晶体中同时存在两种可饱和吸收,分别为基态吸收(GSA)和激发态吸收(ESA)。在泵浦刚刚开始的时候,谐振腔内的光相对而言比较弱,粒子可以吸收进行振荡光的能量,就会从基态 1 开始不断发生电子跃迁至激发态 3,而激发态 3 的寿命也是非常短,它会以无辐射作用快速发生跃迁回到激发态 2,激发态 2 是亚稳态,它的寿命比激发态的寿命相对而言比较的长。由于基态吸收截面 σgs 远比激发态吸收截面 σes 大。因此,一开始粒子主要从基态向激发态跃迁,而在这个跃迁过程中,Cr4 离子吸收了大部分的光子,造成了巨大的损耗,使得输出的光很小。

随着泵浦的继续作用,以及通过激光进行工作的物质自发的辐射,大部分粒子已经到达激发态 2,此时,极大的光强又会使激发态 2 之间的粒子发生跃迁,到激发态 4,光子又被吸收其中一部分。但与基态吸收相比这次吸收会小的多,所以总体表现出晶体的透过率随光强的增大增强,但透过率又不可能是 100%,其主要原因就是激发态吸收的存在。这样, 晶体的可饱和吸收性就形成了。

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