LD泵浦固体激光器的谐振腔设计
LD泵浦固体激光器的谐振腔设计[20200406135515]
摘 要
本文主要的研究对象是Nd:YAG晶体产生的1.06um激光波长。首先介绍了国内外LD泵浦固体激光器的发展，解释LD泵浦的固体激光器研究的目的，分析了LD泵浦固体激光器中Nd:YAG晶体结构和激光泵的特点，对比激光器的泵浦方式，研究分析谐振腔的稳定性条件及衍射损耗，再从四能级速率方程出发，详细的描述Nd:YAG激光器的阈值同其他特征参数之间的关系，粗略推算得到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的表达式。参照平行平面腔的形式得出解析式，谐振腔参数以及Nd:YAG晶体特性参数，设计了一种符合要求的Nd:YAG激光器谐振腔，以克服不宜实现粒子数反转的缺点，实现激光峰值功率大，转换效率高，光束质量高的Nd:YAG激光器的设计，并计算了该谐振腔的光斑半径，阈值泵浦，输出功率参数。
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关键字:NdYAG激光器泵浦谐振腔
目 录
1.绪论1
1.1引言1
1.2 半导体泵浦固体激光器的发展1
1.3 课题研究的目的和意义2
1.4 课题的内容2
2.LD泵浦Nd:YAG激光器的理论研究3
2.1 LD泵浦Nd:YAG激光器晶体的研究3
2.1.1 Nd:YAG晶体的结构及特性3
2.1.2 Nd:YAG晶体的参数对输出参数的影响4
2.2 LD泵浦Nd:YAG激光器的泵浦模式的研究4
2.2.1端面泵浦固体激光器4
2.2.2侧面泵浦固体激光器5
2.3 LD泵浦Nd:YAG激光器的热透镜效应的研究5
2.4 LD泵浦Nd:YAG激光器的谐振腔的研究5
2.4.1 谐振腔的构成和分类6
2.4.2 不同种类的谐振腔的参数方程7
2.4.3 谐振腔的稳定性11
2.4.4 谐振腔的衍射损耗11
2.5 本章小结12
3.LD侧泵Nd:YAG激光器的设计13
3.1 LD侧泵Nd:YAG激光器晶体的选择13
3.2 LD侧泵Nd:YAG激光器的谐振腔的设计14
3.3 谐振腔的模式选择
结语17
参考文献17
致谢19
1.绪论
1.1引言
近些年来，国际上发展速度最快,被广泛应用的一种激光器叫做半导体泵浦固体激光器（Diode Pump Solid State Laser）。这类新型的激光器用的是半导体激光器作为泵浦源。Nd:YAG激光器，中文名为掺钕钇铝石榴石激光器，是上个世纪改革开放时期的兴新产品。钕激光器经过30多年的发展及研究，很多理论已经被实践，其未知领域越来越小，钕激光器得到长足的发展。这是一种效率高，使用寿命长，高光束质量，结构紧凑，性能稳定的新型第二代固体激光器。它已在空间通信，光纤通信，环境科学，大气研究，医疗设备，激光打印，光学图象处理等高新科技领域有着更加广阔的未来。
1.2半导体泵浦固体激光器的发展
最早出现的固体激光器的泵浦源是一个闪光灯，该激光器的泵浦光谱很宽，激光晶体的吸收带很窄，因此导致该激光器只有很低的的转换效率。1962年，世界上首次出现了同质结砷化嫁半导体激光器，它的出现使DPSSL的研究有了物质基础；1963年，纽曼第一次提出了把半导体二极管当做激光器的泵浦源的设想，同时以砷化镓二极管的808nm激光辐射泵浦Nd:CaW4，产生了1.06μm受激荧光输出。1964年，美国麻省理工学院林肯实验室的凯斯和奎斯特成功实现了这一概念。开发出了世界上第一部泵浦的固体激光器，该激光器的激光晶体是U3+:GaF2 [1] 。1968年，丹麦航空公司的罗斯制作了世界上第一部砷化镓二极管泵浦的Nd:YAG激光器。
随着半导体激光器的发展，在1971年，奥斯特梅耶提出，室温下激光二极管泵浦Nd:YAG晶体，可以产生1.4mW的l064nm激光输出的结论[2];1972年，丹尼尔梅耶实现了常温下半导体激光器泵浦Nd:YAG;1974年，柯南特等人首先提出了激光二极管阵列泵浦Nd:YAG的理论。但是在那个时候，由于各方面条件的不足，例如激光二极管的使用寿命比闪光灯还短，而且它的工作稳定性又差，电光转换效率又低，还需要液氮来实现冷却，它与其他泵浦源相比没有非常突出的优越性，因此在最近20年里，激光二极管阵列泵浦Nd:YAG并没有引起人们的注意。
20世纪90年代以后，关于钕固体激光器的研究不断的深入，盲点被不断攻破，关于能产生1.5 um波长的光纤激光器的研制已经成熟，不断改进钕激光器也成为国内外热门的课题。各种功率大、效率高和稳定性好的激光二极管阵列纷纷出现，特别是在激光二极管的冷却技术得到突破后，半导体泵浦固体激光器开始高速发展，不同构型、不同工作方式、不同工作介质的激光二极管泵浦的固体激光器进入实用阶段。
进入21世纪后，因为泵浦源亮度的提高，晶体棒的线性常数的增大，激光工作介质增益的提升，出现了各类光束质量好，输出功率高，的半导体泵浦固体激光器。
1.3课题的目的和意义
目前，基本的医用激光器的发射的波长大致集中在近红外区，中远红外区和紫外区。其中的激光器有波长为193nm的Arf准分子激光器，694.3nm的红宝石激光器和用于皮肤美容的10.6um的二氧化碳激光器。虽然这些激光器在很大程度上减缓痛苦，但还有很多不足的地方。在这种情况下，医学界急需一种新的激光技术来改变其他激光器带来的不足之处。Nd:YAG 激光随之诞生，它以独特的优势改变了医学界。在之后的十多年里，医学领域涌现出大量不同波长的激光器。激光医学是激光技术与医疗科学有机结合的产物。在70年代初，激光就被广泛用于临床。90年代，随着新型的激光器问世，激光与医学、生物学紧密联系，研究范围不断扩大。
Nd:YAG被称为迄今为止最重要的激光晶体，是目前世界上最为成熟、最为主流的激光晶体材料，在固体激光应用领域占据十分重要的地位。全世界固体激光器中50%以上都采用掺钕YAG激光晶体，掺钕YAG激光晶体也是高功率固体激光器的首选。
由于LD泵浦Nd:YAG 50W的激光器的应用是非常广泛的，它有良好的市场潜力，因此本文是围绕50W的LD泵浦Nd:YAG晶体激光器的设计而展开的。
1.4课题的内容
本论文研究的内容包括：
（1）LD泵浦Nd:YAG激光器谐振腔的设计，包含有Nd:YAG晶体的能级结构特性和晶体参数对激光输出的影响；LD泵浦的模式选择；热透镜效应对激光输出的影响；谐振腔的构成和分类，谐振腔的稳定性条件，及谐振腔的衍射损耗，这为谐振腔模型的设计提供了理论依据。
(2) 50W LD侧面泵浦Nd:YAG激光器的设计，根据四能级激光器的速率方程，计算出谐振腔的阈值反转总粒子数，输出功率，最佳透射率和最佳输出功率。结合生产实际，选择合适的激光晶体，最终完成谐振腔的设计。
2. LD泵浦Nd:YAG激光器谐振腔的理论研究
2.1 LD泵浦激光器晶体的研究
固体基质材料和少量的掺杂离子一起形成激光工作介质。其中固体的基质材料体现工作介质的物理性能，而掺杂的离子浓度则决定了输出激光的光谱特性。我们要掌握工作物质的能带理论知识，要了解钕能级跃迁的特征，这样就可以选择合适的泵浦源。我们要了解四能级系统原理并熟练使用它的速率方程，清楚速率方程和四能级系统之间的联系。只有掌握了以上的理论知识，才能更好的为我们后面的研究设计做准备。
2.1.1 Nd:YAG晶体的结构及特性
钇铝石榴石（YAG）的化学式是Y3Al5O12，或者可以写成3Y2O3·5Al2O3，其中Y2O3占57.06%，Al2O3占42.94%，它是一种光学性能、力学性能和热学性能都十分优秀的激光基质。Nd:YAG具有十分稳定的理化性质，可以用其他离子的掺杂，保持十分稳定的状态。而激光器需要稳定的输出，所以Nd:YAG是比较合适的基质晶体。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[3]。
摘 要
本文主要的研究对象是Nd:YAG晶体产生的1.06um激光波长。首先介绍了国内外LD泵浦固体激光器的发展，解释LD泵浦的固体激光器研究的目的，分析了LD泵浦固体激光器中Nd:YAG晶体结构和激光泵的特点，对比激光器的泵浦方式，研究分析谐振腔的稳定性条件及衍射损耗，再从四能级速率方程出发，详细的描述Nd:YAG激光器的阈值同其他特征参数之间的关系，粗略推算得到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的表达式。参照平行平面腔的形式得出解析式，谐振腔参数以及Nd:YAG晶体特性参数，设计了一种符合要求的Nd:YAG激光器谐振腔，以克服不宜实现粒子数反转的缺点，实现激光峰值功率大，转换效率高，光束质量高的Nd:YAG激光器的设计，并计算了该谐振腔的光斑半径，阈值泵浦，输出功率参数。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:NdYAG激光器泵浦谐振腔
目 录
1.绪论1
1.1引言1
1.2 半导体泵浦固体激光器的发展1
1.3 课题研究的目的和意义2
1.4 课题的内容2
2.LD泵浦Nd:YAG激光器的理论研究3
2.1 LD泵浦Nd:YAG激光器晶体的研究3
2.1.1 Nd:YAG晶体的结构及特性3
2.1.2 Nd:YAG晶体的参数对输出参数的影响4
2.2 LD泵浦Nd:YAG激光器的泵浦模式的研究4
2.2.1端面泵浦固体激光器4
2.2.2侧面泵浦固体激光器5
2.3 LD泵浦Nd:YAG激光器的热透镜效应的研究5
2.4 LD泵浦Nd:YAG激光器的谐振腔的研究5
2.4.1 谐振腔的构成和分类6
2.4.2 不同种类的谐振腔的参数方程7
2.4.3 谐振腔的稳定性11
2.4.4 谐振腔的衍射损耗11
2.5 本章小结12
3.LD侧泵Nd:YAG激光器的设计13
3.1 LD侧泵Nd:YAG激光器晶体的选择13
3.2 LD侧泵Nd:YAG激光器的谐振腔的设计14
3.3 谐振腔的模式选择
结语17
参考文献17
致谢19
1.绪论
1.1引言
近些年来，国际上发展速度最快,被广泛应用的一种激光器叫做半导体泵浦固体激光器（Diode Pump Solid State Laser）。这类新型的激光器用的是半导体激光器作为泵浦源。Nd:YAG激光器，中文名为掺钕钇铝石榴石激光器，是上个世纪改革开放时期的兴新产品。钕激光器经过30多年的发展及研究，很多理论已经被实践，其未知领域越来越小，钕激光器得到长足的发展。这是一种效率高，使用寿命长，高光束质量，结构紧凑，性能稳定的新型第二代固体激光器。它已在空间通信，光纤通信，环境科学，大气研究，医疗设备，激光打印，光学图象处理等高新科技领域有着更加广阔的未来。
1.2半导体泵浦固体激光器的发展
最早出现的固体激光器的泵浦源是一个闪光灯，该激光器的泵浦光谱很宽，激光晶体的吸收带很窄，因此导致该激光器只有很低的的转换效率。1962年，世界上首次出现了同质结砷化嫁半导体激光器，它的出现使DPSSL的研究有了物质基础；1963年，纽曼第一次提出了把半导体二极管当做激光器的泵浦源的设想，同时以砷化镓二极管的808nm激光辐射泵浦Nd:CaW4，产生了1.06μm受激荧光输出。1964年，美国麻省理工学院林肯实验室的凯斯和奎斯特成功实现了这一概念。开发出了世界上第一部泵浦的固体激光器，该激光器的激光晶体是U3+:GaF2 [1] 。1968年，丹麦航空公司的罗斯制作了世界上第一部砷化镓二极管泵浦的Nd:YAG激光器。
随着半导体激光器的发展，在1971年，奥斯特梅耶提出，室温下激光二极管泵浦Nd:YAG晶体，可以产生1.4mW的l064nm激光输出的结论[2];1972年，丹尼尔梅耶实现了常温下半导体激光器泵浦Nd:YAG;1974年，柯南特等人首先提出了激光二极管阵列泵浦Nd:YAG的理论。但是在那个时候，由于各方面条件的不足，例如激光二极管的使用寿命比闪光灯还短，而且它的工作稳定性又差，电光转换效率又低，还需要液氮来实现冷却，它与其他泵浦源相比没有非常突出的优越性，因此在最近20年里，激光二极管阵列泵浦Nd:YAG并没有引起人们的注意。
20世纪90年代以后，关于钕固体激光器的研究不断的深入，盲点被不断攻破，关于能产生1.5 um波长的光纤激光器的研制已经成熟，不断改进钕激光器也成为国内外热门的课题。各种功率大、效率高和稳定性好的激光二极管阵列纷纷出现，特别是在激光二极管的冷却技术得到突破后，半导体泵浦固体激光器开始高速发展，不同构型、不同工作方式、不同工作介质的激光二极管泵浦的固体激光器进入实用阶段。
进入21世纪后，因为泵浦源亮度的提高，晶体棒的线性常数的增大，激光工作介质增益的提升，出现了各类光束质量好，输出功率高，的半导体泵浦固体激光器。
1.3课题的目的和意义
目前，基本的医用激光器的发射的波长大致集中在近红外区，中远红外区和紫外区。其中的激光器有波长为193nm的Arf准分子激光器，694.3nm的红宝石激光器和用于皮肤美容的10.6um的二氧化碳激光器。虽然这些激光器在很大程度上减缓痛苦，但还有很多不足的地方。在这种情况下，医学界急需一种新的激光技术来改变其他激光器带来的不足之处。Nd:YAG 激光随之诞生，它以独特的优势改变了医学界。在之后的十多年里，医学领域涌现出大量不同波长的激光器。激光医学是激光技术与医疗科学有机结合的产物。在70年代初，激光就被广泛用于临床。90年代，随着新型的激光器问世，激光与医学、生物学紧密联系，研究范围不断扩大。
Nd:YAG被称为迄今为止最重要的激光晶体，是目前世界上最为成熟、最为主流的激光晶体材料，在固体激光应用领域占据十分重要的地位。全世界固体激光器中50%以上都采用掺钕YAG激光晶体，掺钕YAG激光晶体也是高功率固体激光器的首选。
由于LD泵浦Nd:YAG 50W的激光器的应用是非常广泛的，它有良好的市场潜力，因此本文是围绕50W的LD泵浦Nd:YAG晶体激光器的设计而展开的。
1.4课题的内容
本论文研究的内容包括：
（1）LD泵浦Nd:YAG激光器谐振腔的设计，包含有Nd:YAG晶体的能级结构特性和晶体参数对激光输出的影响；LD泵浦的模式选择；热透镜效应对激光输出的影响；谐振腔的构成和分类，谐振腔的稳定性条件，及谐振腔的衍射损耗，这为谐振腔模型的设计提供了理论依据。
(2) 50W LD侧面泵浦Nd:YAG激光器的设计，根据四能级激光器的速率方程，计算出谐振腔的阈值反转总粒子数，输出功率，最佳透射率和最佳输出功率。结合生产实际，选择合适的激光晶体，最终完成谐振腔的设计。
2. LD泵浦Nd:YAG激光器谐振腔的理论研究
2.1 LD泵浦激光器晶体的研究
固体基质材料和少量的掺杂离子一起形成激光工作介质。其中固体的基质材料体现工作介质的物理性能，而掺杂的离子浓度则决定了输出激光的光谱特性。我们要掌握工作物质的能带理论知识，要了解钕能级跃迁的特征，这样就可以选择合适的泵浦源。我们要了解四能级系统原理并熟练使用它的速率方程，清楚速率方程和四能级系统之间的联系。只有掌握了以上的理论知识，才能更好的为我们后面的研究设计做准备。
2.1.1 Nd:YAG晶体的结构及特性
钇铝石榴石（YAG）的化学式是Y3Al5O12，或者可以写成3Y2O3·5Al2O3，其中Y2O3占57.06%，Al2O3占42.94%，它是一种光学性能、力学性能和热学性能都十分优秀的激光基质。Nd:YAG具有十分稳定的理化性质，可以用其他离子的掺杂，保持十分稳定的状态。而激光器需要稳定的输出，所以Nd:YAG是比较合适的基质晶体。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[3]。
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