YAG红外激光器谐振腔的设计物
YAG红外激光器谐振腔的设计物[20200406125504]
摘要
本次论文利用高浓度掺杂的Er：YAG晶体产生中心频率为2.94um的激光输出。首先在理论研究的基础上，从四能级速率方程出发，讨论了Er：YAG激光器的阈值和激光器各个参数之间的内在关系，粗略推算得出激光器的阈值反转粒子数，阈值抽运几率，输出功率，以及最佳透射率和最佳输出功率等解析表达式。其次，选择平行平面腔作为谐振腔的腔型，根据推导得到相应的解析式，激光器的谐振腔参数以及Er：YAG晶体特性参数，并在理论上计算了该谐振腔的束腰半径，阈值泵浦，输出功率等参数。
总体而言，通过对Er：YAG固体激光器的理论研究，设计的谐振腔基本满足激光峰值功率大，转换效率高，光束质量高的要求。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:ErYAG激光器谐振腔阈值
目录
第一章 文献综述 1
1.1固体激光器简介 1
1.1.1什么是固体激光器 1
1.1.2工作原理 1
1.1.3主要组合部分 1
1.2 Er:YAG固体激光器晶体特性 2
1.3课题提出的意义和目的 3
1.4 国内外研究现状 5
第二章 Er:YAG固体激光器理论研究 6
2.1Nd:YAG激光器的理论模型 6
2.2四能级激光系统的速率方程 6
2.3四能级激光器的阈值 8
2.4四能级系统的阈值泵浦功率 9
2.5四能级系统的输出功率 10
第三章 Er：YAG 光学谐振腔的设计 13
3.1腔型的设计 13
3.1.1 谐振腔的结构 13
3.1.2谐振腔腔型的选择 15
3.2平行平面腔的损耗 16
3.3 激光谐振腔的稳定性 17
3.4谐振腔的整体结构设计 18
结论 21
参考文献 22
致谢 23
第一章 文献综述
1.1固体激光器简介
1.1.1什么是固体激光器
工作物质是固体材料的激光器叫做固体激光器，比如说Er:YAG激光器等等。固体激光器应用广泛，它的优点很多，如：能量很大、功率较高以及牢固经用等。
1.1.2工作原理
激光器的工作原理基本上相同（除自由电子激光器）。激光器组成有：激励（也称为抽运）、工作介质（具有亚稳能级）以及谐振腔。
激励：能够让工作物质激发到激发态的外来能量，处于激发态的工作物质是实现和维持粒子数反转的前提。工作物质：可以实现光放大。谐振腔：可以使得光子以一定的相位、频率以及运行方向运动，这样可以保证激光具有比较好的相干性以及定向性。
1.1.3主要组合部分
固体激光器的组成主要有：泵浦源、光学谐振腔、工作物质、聚光腔、激光电源及冷却滤光等[1]。
?工作物质，核心部分，又称为激光增益介质，可以实现粒子数反转以及产生光的受激辐射放大作用。对于工作物质的要求就是尽可能多的实现粒子数反转。工作物质可以分成三能级以及四能级系统。其形状可以多种多样，如：棒型（即圆柱体）、板条型（即平板型）等等，一般我们会使用棒型。
?泵浦源，提供能量给为工作物质用来实现和维持粒子数反转。根据不同需要可以选择不同的泵浦源，经常使用的有惰性气体放电灯（最常用）、二极管激光器（目前发展方向之一）等等。
?聚光腔：将光能聚集到工作物质上，这样就会有更高的泵浦效率。
④谐振腔：激光器重要组成部分，基本形式有三种，稳定腔、非稳腔以及介稳腔。谐振腔是由两块有几何形状和光学反射特性的反射镜按一定规则组成的。
⑤冷却滤光系统：激光器的辅助装置。它的作用是为了降低激光器内部元件的温度，以及减少由于泵浦灯中紫外辐射而对工作物质产生的危害。
1.2 Er:YAG固体激光器晶体特性
YAG，是钇铝石榴石的简称，它的化学式是Y3Al5O12，由Y2O3和Al2O3发生反应生成的，具有石榴石结构特性，属于立方晶系。YAG具有很好的理化性质，适合各种各样离子的掺杂，总体而言是一种比较理想的基质晶体。Er3+作为激活离子掺入YAG晶格，Er3+离子掺杂浓度不同，可以激发不同的波长。
掺入Er3+离子后，形成Er:YAG晶体。由下图1.1可以看出，Er3+离子的吸收跃迁光谱主要处在213nm（紫外波长）~1500nm（近红外波长）之间，Er3+离子的跃迁主要是从4I15/2（基态）到上能级4G11/2、2H11/2、4S3/2、4F9/2、4I9/2、4I11/2以及4I13/2的跃迁。
图1.1 Er:YAG晶体的吸收光谱
在Er:YAG晶体中量子荧光效率为1.5%，发射截面积σ21为2.6×10-20cm2,发射能级图如图1.2所示。
图1.2 Er:YAG发射能级图
由图1.2可知，Er:YAG晶体可以发射2.94um和1.646um波长的两种激光。Er:YAG激光发射波长与Er3+离子浓度有密切关系，在Er3+离子浓度比较低的时候（大约在0.05%~2%），离子由4I13/2跃迁到4I15/2能级，发射出1.646um波长的激光； 离子浓度在比较高范围时，从4I11/2~4I13/2能级跃迁，发射出2.94um波长的激光。低浓度是发出的1.646um波长的激光是三能级系统，但是在较高浓度下发出激光（波长2.94um）是属于四能级系统的，这是因为当Er3+离子浓度为50wt%时4I13/2~4I15/2和4I13/2~4I9/2跃迁的能量特别的接近，可以发生能量的共振转移，同时共振转移能够因为自吸收以及能级间的交叉弛豫过程得到加强。当Er3+离子浓度增加时，自吸收过程和能级间的交叉弛豫加速了4I13/2能级粒子数的淬灭，从而使Er3+离子受激跃迁成为四能级系统。在4I11/2~4I13/2能级跃迁时，能级4I11/2（即上能级）寿命大约在50~100us之间，而能级4I13/2（即下能级）寿命约在4~6us之间，这就出现了上能级寿命比下能级短的情况，这种情况我们称它为自终态现象。这种现象的存在使得粒子束反转变的实现变得比较困难，但是值得开心的是在Er:YAG激光晶体中，还有许多能量的转移存在于Er3+离子的能级间，这些转移能够有效的削弱这种自终态现象。
1.3课题提出的意义和目的
激光科学技术这一门学科是与许多其他学科都有关联，它应用极其的广泛，经济、军事、社会发展以及科学等领域都会涉及到激光的使用。红宝石激光器作为世界第一台固态激光器从1960年问世到现如今，已经过去了几十年了，在这期间，激光技术得到了不断的更新，更多类型、用途的激光器和激光控制技术为人类所掌握及为人类服务。激光应当是20世纪最重大的发明之一，它具有其独有的特点：亮度高、相干性强、单色性好以及方向性好。现在，由于激光技术在生活中使用广泛已经变得特别的重要了。
Er:YAG（全名为掺铒钇铝石榴石）激光器，如果以它的输出能量和效率和其他激光器来作比较的话，掺铒激光器是没有什么优势的，但它在医学领域的应用范围却非常广泛，因为它能发出两种比较特别的波长。从上世纪80年代开始,Er:YAG激光器开始被广泛应用到医疗卫生行业,属于新兴发展的激光器之一。Er:YAG激光主要输出的波长有2.94um, 1.645 um，1.7um，2．94um波长和水吸收光谱的峰值恰巧相吻合,吸收系数达到 13000cm ,这个吸收系数是到目前为止是医疗激光器械中最高的。此吸收系数所对应的光学穿透深度是1um,和其他的医用激光器械相比较,这个穿透深度很浅,所以很适合用在精密医疗设备领域，比如：眼科、血管等。除此之外,Er:YAG激光对含水组织作用时不会留下灼伤疤痕，也不会有基因突变的潜在危险，因为Er：YAG激光是利用水蒸气来对水组织进行切割治疗的，是很安全实用的医疗设备激光光源。
从目前的研究可以看出Er：YAG激光器很有发展前景，但是，也存在一些阻碍其发展的因素有待研究人员解决，如：
（1）2．94um Er：YAG晶体激光的粒子寿命上能级比下能级短的多（上能级大约是50~100um，下能级长达2~4um），故而不利于粒子数反转的形成，因为需要设计一种特殊的激光电源来提高泵浦速率。
摘要
本次论文利用高浓度掺杂的Er：YAG晶体产生中心频率为2.94um的激光输出。首先在理论研究的基础上，从四能级速率方程出发，讨论了Er：YAG激光器的阈值和激光器各个参数之间的内在关系，粗略推算得出激光器的阈值反转粒子数，阈值抽运几率，输出功率，以及最佳透射率和最佳输出功率等解析表达式。其次，选择平行平面腔作为谐振腔的腔型，根据推导得到相应的解析式，激光器的谐振腔参数以及Er：YAG晶体特性参数，并在理论上计算了该谐振腔的束腰半径，阈值泵浦，输出功率等参数。
总体而言，通过对Er：YAG固体激光器的理论研究，设计的谐振腔基本满足激光峰值功率大，转换效率高，光束质量高的要求。
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关键字:ErYAG激光器谐振腔阈值
目录
第一章 文献综述 1
1.1固体激光器简介 1
1.1.1什么是固体激光器 1
1.1.2工作原理 1
1.1.3主要组合部分 1
1.2 Er:YAG固体激光器晶体特性 2
1.3课题提出的意义和目的 3
1.4 国内外研究现状 5
第二章 Er:YAG固体激光器理论研究 6
2.1Nd:YAG激光器的理论模型 6
2.2四能级激光系统的速率方程 6
2.3四能级激光器的阈值 8
2.4四能级系统的阈值泵浦功率 9
2.5四能级系统的输出功率 10
第三章 Er：YAG 光学谐振腔的设计 13
3.1腔型的设计 13
3.1.1 谐振腔的结构 13
3.1.2谐振腔腔型的选择 15
3.2平行平面腔的损耗 16
3.3 激光谐振腔的稳定性 17
3.4谐振腔的整体结构设计 18
结论 21
参考文献 22
致谢 23
第一章 文献综述
1.1固体激光器简介
1.1.1什么是固体激光器
工作物质是固体材料的激光器叫做固体激光器，比如说Er:YAG激光器等等。固体激光器应用广泛，它的优点很多，如：能量很大、功率较高以及牢固经用等。
1.1.2工作原理
激光器的工作原理基本上相同（除自由电子激光器）。激光器组成有：激励（也称为抽运）、工作介质（具有亚稳能级）以及谐振腔。
激励：能够让工作物质激发到激发态的外来能量，处于激发态的工作物质是实现和维持粒子数反转的前提。工作物质：可以实现光放大。谐振腔：可以使得光子以一定的相位、频率以及运行方向运动，这样可以保证激光具有比较好的相干性以及定向性。
1.1.3主要组合部分
固体激光器的组成主要有：泵浦源、光学谐振腔、工作物质、聚光腔、激光电源及冷却滤光等[1]。
?工作物质，核心部分，又称为激光增益介质，可以实现粒子数反转以及产生光的受激辐射放大作用。对于工作物质的要求就是尽可能多的实现粒子数反转。工作物质可以分成三能级以及四能级系统。其形状可以多种多样，如：棒型（即圆柱体）、板条型（即平板型）等等，一般我们会使用棒型。
?泵浦源，提供能量给为工作物质用来实现和维持粒子数反转。根据不同需要可以选择不同的泵浦源，经常使用的有惰性气体放电灯（最常用）、二极管激光器（目前发展方向之一）等等。
?聚光腔：将光能聚集到工作物质上，这样就会有更高的泵浦效率。
④谐振腔：激光器重要组成部分，基本形式有三种，稳定腔、非稳腔以及介稳腔。谐振腔是由两块有几何形状和光学反射特性的反射镜按一定规则组成的。
⑤冷却滤光系统：激光器的辅助装置。它的作用是为了降低激光器内部元件的温度，以及减少由于泵浦灯中紫外辐射而对工作物质产生的危害。
1.2 Er:YAG固体激光器晶体特性
YAG，是钇铝石榴石的简称，它的化学式是Y3Al5O12，由Y2O3和Al2O3发生反应生成的，具有石榴石结构特性，属于立方晶系。YAG具有很好的理化性质，适合各种各样离子的掺杂，总体而言是一种比较理想的基质晶体。Er3+作为激活离子掺入YAG晶格，Er3+离子掺杂浓度不同，可以激发不同的波长。
掺入Er3+离子后，形成Er:YAG晶体。由下图1.1可以看出，Er3+离子的吸收跃迁光谱主要处在213nm（紫外波长）~1500nm（近红外波长）之间，Er3+离子的跃迁主要是从4I15/2（基态）到上能级4G11/2、2H11/2、4S3/2、4F9/2、4I9/2、4I11/2以及4I13/2的跃迁。
图1.1 Er:YAG晶体的吸收光谱
在Er:YAG晶体中量子荧光效率为1.5%，发射截面积σ21为2.6×10-20cm2,发射能级图如图1.2所示。
图1.2 Er:YAG发射能级图
由图1.2可知，Er:YAG晶体可以发射2.94um和1.646um波长的两种激光。Er:YAG激光发射波长与Er3+离子浓度有密切关系，在Er3+离子浓度比较低的时候（大约在0.05%~2%），离子由4I13/2跃迁到4I15/2能级，发射出1.646um波长的激光； 离子浓度在比较高范围时，从4I11/2~4I13/2能级跃迁，发射出2.94um波长的激光。低浓度是发出的1.646um波长的激光是三能级系统，但是在较高浓度下发出激光（波长2.94um）是属于四能级系统的，这是因为当Er3+离子浓度为50wt%时4I13/2~4I15/2和4I13/2~4I9/2跃迁的能量特别的接近，可以发生能量的共振转移，同时共振转移能够因为自吸收以及能级间的交叉弛豫过程得到加强。当Er3+离子浓度增加时，自吸收过程和能级间的交叉弛豫加速了4I13/2能级粒子数的淬灭，从而使Er3+离子受激跃迁成为四能级系统。在4I11/2~4I13/2能级跃迁时，能级4I11/2（即上能级）寿命大约在50~100us之间，而能级4I13/2（即下能级）寿命约在4~6us之间，这就出现了上能级寿命比下能级短的情况，这种情况我们称它为自终态现象。这种现象的存在使得粒子束反转变的实现变得比较困难，但是值得开心的是在Er:YAG激光晶体中，还有许多能量的转移存在于Er3+离子的能级间，这些转移能够有效的削弱这种自终态现象。
1.3课题提出的意义和目的
激光科学技术这一门学科是与许多其他学科都有关联，它应用极其的广泛，经济、军事、社会发展以及科学等领域都会涉及到激光的使用。红宝石激光器作为世界第一台固态激光器从1960年问世到现如今，已经过去了几十年了，在这期间，激光技术得到了不断的更新，更多类型、用途的激光器和激光控制技术为人类所掌握及为人类服务。激光应当是20世纪最重大的发明之一，它具有其独有的特点：亮度高、相干性强、单色性好以及方向性好。现在，由于激光技术在生活中使用广泛已经变得特别的重要了。
Er:YAG（全名为掺铒钇铝石榴石）激光器，如果以它的输出能量和效率和其他激光器来作比较的话，掺铒激光器是没有什么优势的，但它在医学领域的应用范围却非常广泛，因为它能发出两种比较特别的波长。从上世纪80年代开始,Er:YAG激光器开始被广泛应用到医疗卫生行业,属于新兴发展的激光器之一。Er:YAG激光主要输出的波长有2.94um, 1.645 um，1.7um，2．94um波长和水吸收光谱的峰值恰巧相吻合,吸收系数达到 13000cm ,这个吸收系数是到目前为止是医疗激光器械中最高的。此吸收系数所对应的光学穿透深度是1um,和其他的医用激光器械相比较,这个穿透深度很浅,所以很适合用在精密医疗设备领域，比如：眼科、血管等。除此之外,Er:YAG激光对含水组织作用时不会留下灼伤疤痕，也不会有基因突变的潜在危险，因为Er：YAG激光是利用水蒸气来对水组织进行切割治疗的，是很安全实用的医疗设备激光光源。
从目前的研究可以看出Er：YAG激光器很有发展前景，但是，也存在一些阻碍其发展的因素有待研究人员解决，如：
（1）2．94um Er：YAG晶体激光的粒子寿命上能级比下能级短的多（上能级大约是50~100um，下能级长达2~4um），故而不利于粒子数反转的形成，因为需要设计一种特殊的激光电源来提高泵浦速率。
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