端面泵浦NdYAG激光器谐振腔的设计
端面泵浦NdYAG激光器谐振腔的设计[20200406143747]
摘 要
本论文研究的是50W的LD泵浦Nd:YAG激光器。首先通过对国内外LD泵浦激光器的历史、发展和现状进行了研究和讨论，了解了整个LD泵浦激光器这个行业的所有情况，同时也找到了LD泵浦Nd:YAG激光器技术中那些并不是十分完善的注意点。还有就是对我国国内的LD泵浦激光器行业做了一个简单的了解，通过对国内行业发展的现状的研究，发现国内的LD泵浦激光器行业需要寻求新的突破点，这样才能够保持自己的竞争力。通过研究LD泵浦Nd:YAG激光器的Nd:YAG晶体的四能级理论结构模型出发，一步步建立Nd:YAG激光器的理论模型，推导出速率方程、输出功率等。最后，通过前面已经得出的所有理论数据，建立一个合适的端面泵浦Nd:YAG激光器谐振腔的模型，设计出符合要求的激光器谐振腔，完成整个论文。
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关键字:LD激光器端面泵浦NdYAG高功率激光器
目录
1.绪论 1
1.1引言 1
1.2端面泵浦Nd：YAG激光器发展和研究现状 1
1.3课题的目的和意义 2
1.4端面泵浦Nd:YAG激光器的关键技术 3
2. LD泵浦Nd:YAG激光器的理论研究 4
2.1 Nd:YAG晶体的研究 4
2.1.1 Nd:YAG晶体的结构及特性 4
2.1.2 Nd:YAG晶体参数对输出的影响 4
2.2 LD泵浦Nd:YAG激光器的理论模型 5
2.2.1四能级激光器的速率方程 7
2.2.2四能级激光器的阈值与输出功率 8
2.3 本章小结 12
3. Nd:YAG激光器的设计方案 13
3.1 固体激光器的设计 13
3.1.1 谐振腔的类型 13
3.1.2 谐振腔的稳定性 15
3.1.3 谐振腔的衍射损耗 17
3.2 谐振腔的设计 17
3.2.1 Nd:YAG谐振腔的设计 17
3.2.2 谐振腔的模式选择 20
结语 21
参考文献 22
致谢 23
1.绪论
1.1引言
激光二极管泵浦固体激光器通过泵浦耦合方式的不同可以分为端面泵浦和侧面泵浦。
端面泵浦比侧面泵浦更加高效。之所以会这样，原因就是一方面在泵浦激光模式差不多的条件时，泵浦光经过一系列会聚光学系统的耦合，耦合到激光器的工作物质中，这种耦合方式的损失较少；而在另一方面，泵浦光激光器的工作物质对于泵浦光有着较高的利用率。
最近这些年端面泵浦的激光器在国际上都有着很好的发展，这和它的效率高、波长匹配还有模式匹配好的优点是分不开的。正如此，端面泵浦激光器才会有着比较广泛的应用，市场的潜力非常大。
而Nd：YAG晶体是综合性能最好的晶体，所以本文就端面泵浦Nd：YAG激光器为例，探讨激光器谐振腔的设计。
1.2端面泵浦Nd：YAG激光器发展和研究现状
1968年，Ross通过使用冷却到170K的LD成功的做出了泵浦Nd：YAG激光器，但是激光器虽然有输出，可是激光的输出功率太小，没有办法实现有效工作，这使得DPL的早期开发并没有一个良好的开端。不过随着工艺的发展，1971在Nd：YAG晶体的制作工艺上的进步让人们可以得到更加纤细的Nd：YAG晶体，甚至达到了纳米级，这一进展也成功的找到了适合YAG激光器的晶体，带动了激光器的升级。
1970年以后是YAG激光器的研究与应用的热潮，几种新的掺杂浓度高于Nd：YAG却并不会带来多少负面影响的材料给研究人员提供了更多的思路和方案。
1980年之后，二激光激光器与二激光器阵列的技术水平都有着卓越的进步，这些也给固体激光器的发展带来了新的活力。此时YAG激光器制造技术已经有着非常扎实的基础，YAG激光器的高性能让它成为激光器中最受欢迎的宠儿，它也在很多领域有着应用。但是固体激光器在其性能方面还是有着不少的弱势，在外部存在着CO激光器发展带来的威胁，自身的效率上圆棒形YAG激光器输出并没有多高效，甚至低于百分之三，这种尴尬的现状让人们只能继续努力开发出新的技术或者找到新的材料，正好这时候板条形、二极管泵浦YAG激光器技术的进步让人们终于找到了新的研究方向，它们也成了新的发展重点。
到了1990以后，半导体激光的工艺提升让半导体激光器的成本不断下降，相反功率则渐渐提升，连续激光输出的LD泵浦Nd:YAG激光器也得到了迅速发展。
有了技术上的提升，研发人员自然有了更加好的开发环境，于是一些中、大功率的激光器也被相继开发出来。1995年，Spectra Physics Laser Inc 生产了通过光纤耦合LD叠堆技术泵浦的高功率Nd:YAG激光器，不仅泵浦功率达到了40W，更有着2.5W到9.5W的连续输出功率。
LD泵浦Nd:YAG激光器比起传统的泵浦灯有着几大优点：（1）寿命长，LD寿命可以达到几万小时，甚至更长，这样就不需要经常更换。（2）泵浦效率可以达到20%左右远大于灯泵浦效率（仅百分之几）（3）重量轻，体积小，结构简单。（4）光束的质量好。
1.3课题的目的和意义
目前，国内在YAG激光器领域发展并不是很全面，高功率二极管泵浦Nd:YAG激光器基本没有研究，只有中、低功率方面研究比较多。
虽然国内的很多大学、企业都已经能够研制开发出不少在中、低功率的二极管泵浦Nd:YAG激光器，但是这并不能掩盖我国国内技术体系不完善的劣势，高功率二极管泵浦激光器技术方面的缺失带来的可不仅仅是一个研究方向的停滞，更不可能赶得上别的国家发展的速度。
当然，就现在而言国内的低功率激光器研究也算是跟上了世界的脚步，制造技术也比较完善。同时，靠着国内制造成本低廉的优势，已经在国际市场上展现出了自己的竞争力，占据了大部分的份额，但是为了能够给进一步巩固自己在世界市场上的地位，我们必须更加努力的开发出更加方便、成本更加低廉的激光器，只有这样才是稳固自己地位的最好方法。
1.4端面泵浦Nd:YAG激光器的关键技术
端面泵浦固体激光器的技术虽然发展了很多年，技术已经趋于完善，但是在实际过程当中还存在有一些问题。像是在高功率端面泵浦固体激光器，泵浦光并不能够完全的穿透激光晶体，还是会有一小部分的光会被激光晶体所吸收。吸收了这些光，激光晶体就接收到了热量，因此会产生让激光器不稳定的后果，也会影响到激光器的输出功率及光束质量等方面。
但是热效应并不是全是坏的影响，它所带来的直接后果--热透镜效应和退偏，在很大程度上完全可以通过优化谐振腔的设计加以消除。由于激光制造技术和激光器设计效果的提升，国内也有了许多技术可以让激光器变得更加的高效，这些技术相结合改变了端面泵浦固体激光器研发进展，提升了进步的速度。
2. LD泵浦Nd:YAG激光器的理论研究
2.1 Nd:YAG晶体的研究
2.1.1 Nd:YAG晶体的结构及特性
钇铝石榴石的化学式为Y3Al5O12，其中Y2O3高达57.06%，Al2O3占据42.94%，它是光学性能、力学性能和热学性能都非常优良的可以用作激光基质的物质。同时，它还拥有优越的理化特性，它不仅能够激活离子，还能提供合适的配合场，对于各种离子的掺杂都拥有良好的适合性，所以是一种非常优秀的基质晶体。Nd3+作为激活离子掺入到处于氧十二面体中的YAG晶格Y3+的格位。Nd3+的离子半径为0.1323nm，而Y3+的离子半径为0.1281nm，Nd3+的离子半径比Y3+的离子半径要大，所以Nd3+取代Y3+会引起YAG晶格的畸变。
2.1.2 Nd:YAG晶体参数对输出的影响
我们主要研究的是圆柱形Nd:YAG晶体，根据激光的输出功率结果，Nd:YAG晶体需要考虑三种不同的参数：Nd3+离子的掺杂浓度和Nd:YAG晶体的长度、直径。只有在完整考虑不同的泵浦方式才能够很好的通过比较得出激光晶体Nd:YAG的参数是否会对激光器的输出有影响或者有着怎样的影响。这是因为Nd3+离子掺杂浓度不仅会影响到荧光的寿命还会影响晶体到对于泵浦光的吸收和反射系数；激光晶体Nd:YAG长度不同、直径不一样，那么它吸收泵浦光的效果也不同，有着很大的区别。
摘 要
本论文研究的是50W的LD泵浦Nd:YAG激光器。首先通过对国内外LD泵浦激光器的历史、发展和现状进行了研究和讨论，了解了整个LD泵浦激光器这个行业的所有情况，同时也找到了LD泵浦Nd:YAG激光器技术中那些并不是十分完善的注意点。还有就是对我国国内的LD泵浦激光器行业做了一个简单的了解，通过对国内行业发展的现状的研究，发现国内的LD泵浦激光器行业需要寻求新的突破点，这样才能够保持自己的竞争力。通过研究LD泵浦Nd:YAG激光器的Nd:YAG晶体的四能级理论结构模型出发，一步步建立Nd:YAG激光器的理论模型，推导出速率方程、输出功率等。最后，通过前面已经得出的所有理论数据，建立一个合适的端面泵浦Nd:YAG激光器谐振腔的模型，设计出符合要求的激光器谐振腔，完成整个论文。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:LD激光器端面泵浦NdYAG高功率激光器
目录
1.绪论 1
1.1引言 1
1.2端面泵浦Nd：YAG激光器发展和研究现状 1
1.3课题的目的和意义 2
1.4端面泵浦Nd:YAG激光器的关键技术 3
2. LD泵浦Nd:YAG激光器的理论研究 4
2.1 Nd:YAG晶体的研究 4
2.1.1 Nd:YAG晶体的结构及特性 4
2.1.2 Nd:YAG晶体参数对输出的影响 4
2.2 LD泵浦Nd:YAG激光器的理论模型 5
2.2.1四能级激光器的速率方程 7
2.2.2四能级激光器的阈值与输出功率 8
2.3 本章小结 12
3. Nd:YAG激光器的设计方案 13
3.1 固体激光器的设计 13
3.1.1 谐振腔的类型 13
3.1.2 谐振腔的稳定性 15
3.1.3 谐振腔的衍射损耗 17
3.2 谐振腔的设计 17
3.2.1 Nd:YAG谐振腔的设计 17
3.2.2 谐振腔的模式选择 20
结语 21
参考文献 22
致谢 23
1.绪论
1.1引言
激光二极管泵浦固体激光器通过泵浦耦合方式的不同可以分为端面泵浦和侧面泵浦。
端面泵浦比侧面泵浦更加高效。之所以会这样，原因就是一方面在泵浦激光模式差不多的条件时，泵浦光经过一系列会聚光学系统的耦合，耦合到激光器的工作物质中，这种耦合方式的损失较少；而在另一方面，泵浦光激光器的工作物质对于泵浦光有着较高的利用率。
最近这些年端面泵浦的激光器在国际上都有着很好的发展，这和它的效率高、波长匹配还有模式匹配好的优点是分不开的。正如此，端面泵浦激光器才会有着比较广泛的应用，市场的潜力非常大。
而Nd：YAG晶体是综合性能最好的晶体，所以本文就端面泵浦Nd：YAG激光器为例，探讨激光器谐振腔的设计。
1.2端面泵浦Nd：YAG激光器发展和研究现状
1968年，Ross通过使用冷却到170K的LD成功的做出了泵浦Nd：YAG激光器，但是激光器虽然有输出，可是激光的输出功率太小，没有办法实现有效工作，这使得DPL的早期开发并没有一个良好的开端。不过随着工艺的发展，1971在Nd：YAG晶体的制作工艺上的进步让人们可以得到更加纤细的Nd：YAG晶体，甚至达到了纳米级，这一进展也成功的找到了适合YAG激光器的晶体，带动了激光器的升级。
1970年以后是YAG激光器的研究与应用的热潮，几种新的掺杂浓度高于Nd：YAG却并不会带来多少负面影响的材料给研究人员提供了更多的思路和方案。
1980年之后，二激光激光器与二激光器阵列的技术水平都有着卓越的进步，这些也给固体激光器的发展带来了新的活力。此时YAG激光器制造技术已经有着非常扎实的基础，YAG激光器的高性能让它成为激光器中最受欢迎的宠儿，它也在很多领域有着应用。但是固体激光器在其性能方面还是有着不少的弱势，在外部存在着CO激光器发展带来的威胁，自身的效率上圆棒形YAG激光器输出并没有多高效，甚至低于百分之三，这种尴尬的现状让人们只能继续努力开发出新的技术或者找到新的材料，正好这时候板条形、二极管泵浦YAG激光器技术的进步让人们终于找到了新的研究方向，它们也成了新的发展重点。
到了1990以后，半导体激光的工艺提升让半导体激光器的成本不断下降，相反功率则渐渐提升，连续激光输出的LD泵浦Nd:YAG激光器也得到了迅速发展。
有了技术上的提升，研发人员自然有了更加好的开发环境，于是一些中、大功率的激光器也被相继开发出来。1995年，Spectra Physics Laser Inc 生产了通过光纤耦合LD叠堆技术泵浦的高功率Nd:YAG激光器，不仅泵浦功率达到了40W，更有着2.5W到9.5W的连续输出功率。
LD泵浦Nd:YAG激光器比起传统的泵浦灯有着几大优点：（1）寿命长，LD寿命可以达到几万小时，甚至更长，这样就不需要经常更换。（2）泵浦效率可以达到20%左右远大于灯泵浦效率（仅百分之几）（3）重量轻，体积小，结构简单。（4）光束的质量好。
1.3课题的目的和意义
目前，国内在YAG激光器领域发展并不是很全面，高功率二极管泵浦Nd:YAG激光器基本没有研究，只有中、低功率方面研究比较多。
虽然国内的很多大学、企业都已经能够研制开发出不少在中、低功率的二极管泵浦Nd:YAG激光器，但是这并不能掩盖我国国内技术体系不完善的劣势，高功率二极管泵浦激光器技术方面的缺失带来的可不仅仅是一个研究方向的停滞，更不可能赶得上别的国家发展的速度。
当然，就现在而言国内的低功率激光器研究也算是跟上了世界的脚步，制造技术也比较完善。同时，靠着国内制造成本低廉的优势，已经在国际市场上展现出了自己的竞争力，占据了大部分的份额，但是为了能够给进一步巩固自己在世界市场上的地位，我们必须更加努力的开发出更加方便、成本更加低廉的激光器，只有这样才是稳固自己地位的最好方法。
1.4端面泵浦Nd:YAG激光器的关键技术
端面泵浦固体激光器的技术虽然发展了很多年，技术已经趋于完善，但是在实际过程当中还存在有一些问题。像是在高功率端面泵浦固体激光器，泵浦光并不能够完全的穿透激光晶体，还是会有一小部分的光会被激光晶体所吸收。吸收了这些光，激光晶体就接收到了热量，因此会产生让激光器不稳定的后果，也会影响到激光器的输出功率及光束质量等方面。
但是热效应并不是全是坏的影响，它所带来的直接后果--热透镜效应和退偏，在很大程度上完全可以通过优化谐振腔的设计加以消除。由于激光制造技术和激光器设计效果的提升，国内也有了许多技术可以让激光器变得更加的高效，这些技术相结合改变了端面泵浦固体激光器研发进展，提升了进步的速度。
2. LD泵浦Nd:YAG激光器的理论研究
2.1 Nd:YAG晶体的研究
2.1.1 Nd:YAG晶体的结构及特性
钇铝石榴石的化学式为Y3Al5O12，其中Y2O3高达57.06%，Al2O3占据42.94%，它是光学性能、力学性能和热学性能都非常优良的可以用作激光基质的物质。同时，它还拥有优越的理化特性，它不仅能够激活离子，还能提供合适的配合场，对于各种离子的掺杂都拥有良好的适合性，所以是一种非常优秀的基质晶体。Nd3+作为激活离子掺入到处于氧十二面体中的YAG晶格Y3+的格位。Nd3+的离子半径为0.1323nm，而Y3+的离子半径为0.1281nm，Nd3+的离子半径比Y3+的离子半径要大，所以Nd3+取代Y3+会引起YAG晶格的畸变。
2.1.2 Nd:YAG晶体参数对输出的影响
我们主要研究的是圆柱形Nd:YAG晶体，根据激光的输出功率结果，Nd:YAG晶体需要考虑三种不同的参数：Nd3+离子的掺杂浓度和Nd:YAG晶体的长度、直径。只有在完整考虑不同的泵浦方式才能够很好的通过比较得出激光晶体Nd:YAG的参数是否会对激光器的输出有影响或者有着怎样的影响。这是因为Nd3+离子掺杂浓度不仅会影响到荧光的寿命还会影响晶体到对于泵浦光的吸收和反射系数；激光晶体Nd:YAG长度不同、直径不一样，那么它吸收泵浦光的效果也不同，有着很大的区别。
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