LD泵浦NdYAG激光器谐振腔的设计
LD泵浦NdYAG激光器谐振腔的设计[20200406131236]
摘 要
本论文研究的是50W的LD泵浦Nd:YAG激光器。首先对Nd:YAG的历史现状及研究意义进行了讨论，之后对其所在的四能级结构进行了阐述，建立Nd:YAG的理论模型，通过其所在的四能级方程，推导出激光器的阈值方程，输出功率以及在最佳状态下的最大输出功率。理论阐述后，本文着重分析了LD泵浦的Nd：YAG谐振腔的设计，首先确定了谐振腔的工作物质，并对其物理与光学性质进行分析，确定并分析了谐振腔的类型，本文谐振腔类型采用平凹腔，对谐振腔的稳定性就行阐述并推导出谐振腔内的衍射损耗，完成了这些理论分析后，在本文的第四章，着重分析了谐振腔的结构设计，根据四能级方程，计算出阈值抽运几率和腔内总光子数，最后推导出最佳输出功率，在此基础上，我们再对谐振腔进行模式选择，激光器要想以TEM00模的情况下单模运转要满足条件。
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关键字:LD泵浦NdYAG激光器平凹腔谐振腔
目录
1.绪论 2
1.1引言 2
1.2 LD泵浦Nd：YAG激光器发展和研究现状 2
1.3课题的目的和意义 3
2. LD泵浦Nd:YAG激光器的关键技术 4
2.1 Nd：YAG晶体的能级结构 4
2.2.Nd:YAG激光器的理论模型： 6
2.2.1四能级激光器的速率方程 6
2.2.2四能级激光器的阀值 8
2.2.3四能级激光器的输出功率 10
2.3小结 12
3. Nd:YAG激光器的设计方案 13
3.1激光工作物质的选定 13
3.2谐振腔的设计 14
3.2.1谐振腔的类型及平凹谐振腔： 14
3.2.2谐振腔的稳定性 15
3.2.3谐振腔的衍射损耗 16
4.谐振腔的设计 18
4.1Nd:YAG谐振腔的设计 18
4.1.1谐振腔的结构 18
4.2.2 谐振腔的模式选择 22
结语 23
参考文献 24
致谢 25
1.绪论
1.1引言
激光二极管泵浦固体激光器（Diode Pumped Solid state Laser－DPSSL）有非常多的种类，比如连续的、脉冲的和调Q的，还有加倍频混频这些非线性转换的激光器。YAG的中文全称为钇铝石榴石，我们在钇铝石榴石YAG中掺入Nd3+（大约1%）既可以制得Nd：YAG,工业中，通过Y2O3、Al2O3和NdO3三种晶体放入单晶炉中结晶得到Nd：YAG，Nd:YAG属于立方体系，各向同性晶体，并且具有热学性能好，量子效率高的特点而被关注与广泛使用。自1964年世界上第一台Nd：YAG激光器的研制成功，Nd：YAG一直倍受关注，直到目前为止，依然是研究激光器的一大热点，Nd：YAG激光器也在军事、医疗、工业制造中发挥了越来越多的作用，所以Nd：YAG激光器的研究与发展仍然具有很多的挑战与突破的领域等待研究。而以半导体二极管激光器（LD）为激励源的固体激光器的研制也取得了突破，LD泵浦固体激光器也被称作DPSSL，正是因为其激光光源是固体半导体，又称做全固化激光器。DPSSL是一种高效率（＞10%）、长寿命（CW工作方式可达几万小时，脉冲工作方式达到10亿～1000亿次）的固体激光器，其优异的性能也超过传统的激光器，也正在被广泛的使用。
1.2 LD泵浦Nd：YAG激光器发展和研究现状
世界上第一台Nd：YAG激光器在1964年研制成功，Nd:YAG进入了三个发展时期，分别是20世纪70年代发展缓慢期。20世纪80年代的发展回暖期，20世纪90年代至今的持续发展期，在这三个期间，Nd:YAG研究也越来越深入，在工业、医疗、军事上的应用也越来越广泛。其中与Nd:YAG类似，只是掺杂Ho、Tm、Er等元素的激光器也得到了发展与应用，本文只要针对Nd：YAG激光器进行研究与阐述。
1971年拉制成功了直径为40mm、长度200mm的Nd:YAG晶体也标志着大尺寸的YAG晶体的出现，在Nd:YAG的材料上的性能也得到了大幅度的提升，同时，为了提高Nd：YAG的工作效率与性能，研究者们将之前使用的灯泵浦方式改变成半导体激光器（LD）泵浦，LD泵浦比起灯泵浦，具有更高的泵浦效率，更高的光束质量，更长的寿命与更小的体积等优点。于是在20世纪80年代以来LD泵浦已经成为YAG激光器的一个重要发展领域。
LD泵浦Nd:YAG激光器是目前应用非常广泛的激光器之一，其优异的性能在军事领域中可用于激光制导与激光雷达等，在工业领域可应用于材料的加工，焊接、打孔都具有很高的效率并且使用方便，在医疗中，只要应用于手术刀，其优异的性能能够完成一般手术刀所不能完成的医疗工作。所以LD泵浦的Nd：YAG激光器已经成为激光器研究中的一大热点，其优异的特性与其所带来的科研成果也是激光器研究中诱人的领域。
1.3课题的目的和意义
激光的产生和传输控制的不同环节都会激光的输出功率，光束质量对这两个参数产生影响。由于LD泵浦Nd:YAG 50W的应用激光器是非常广泛的，它具有良好的市场潜力，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。
2. LD泵浦Nd:YAG激光器的关键技术
2.1 Nd：YAG晶体的能级结构
Nd:YAG因为其上文已经提到过的多种基本优异性能而被广泛使用，因为Nd:YAG激光器的能级结构是四能级系统跃迁，固体激光器四能级系统能级跃迁图见图2.1.1，Nd:YAG的吸收光谱如图2.1.2所示，在Nd:YAG吸收光谱中，有五条吸收带是真正对激光是有作用的，下面的公式展示了它们的中心波长与其所对应的能级跃迁：
～0.53μm → G + G
～0.58μm → G + G
～0.75μm → F + S
～0.81μm → F + H
图2.1.1四能级系统
图2.1.2Nd:YAG能级图
Nd:YAG的吸收光谱如图2.1.3所示，各吸收带的带宽约为300A，由图中也可以看出在0.75μm与0.81μm为中心的两个吸收带的吸收最强。光泵浦下的Nd3+从基态跃迁到各能级后，短时间内由于无辐射弛豫跃迁至亚稳态4F2/3，因为4F2/3向下能级自发辐射而产生荧光。Nd:YAG在室温下近红外区的三条显著的荧光谱线，它们的中心波长与所对应的能级跃迁公式如下：
～0.96μm4F2/3→4I9/2
～1.06μm4F2/3→4I11/2
～1.35μm4F2/3→4I13/2
可见在1.06μm处的荧光谱线最强，其中4F2/3→4I9/2的跃迁是三能级系统的跃迁，因为其阈值高，所以只能在低温下才能成功实现激光振荡，剩下的4F2/3→4I11/2，4F2/3→4I13/2的跃迁都属于四能级系统的跃迁，这两种跃迁的阈值低，容易实现激光振荡。同时，1.06μm处荧光强度大约是1.35μm的四倍，在时间发面，1.06μm处的光强要先于1.35μm处起振，从而抑制1.35处的光强起振。
由此可得，大约在808nm处有一个强吸收峰，此处非常适合用LD泵浦。LD的光波波长可以通过调节温度来控制在808nm周围，从而得到合适的光谱匹配来提高泵浦的效率。
图2.1.3Nd:YAG的吸收光谱
2.2.Nd:YAG激光器的理论模型：
对于多数的激光工作物质来说，四能级系统更加具有代表性，因为四能级系统更容易实现集居数的反转，Nd:YAG固体激光器就属于四能级系统。所以Nd:YAG的理论模型是一个四能级系统，有四个能级参与到激光的产生，分别是E0（抽运过程中的低能级）、E0（抽运过程中的高能级）、激光上能级E2（亚稳能级）与E1（激光下能级）。此系统的主要特点为，激光下能级E1不再为基态能级，所以此系统在热平衡的状态下处在激光下能级E1的粒子数非常少，有助于在E2与E1之间形成集居数的反转状态。
摘 要
本论文研究的是50W的LD泵浦Nd:YAG激光器。首先对Nd:YAG的历史现状及研究意义进行了讨论，之后对其所在的四能级结构进行了阐述，建立Nd:YAG的理论模型，通过其所在的四能级方程，推导出激光器的阈值方程，输出功率以及在最佳状态下的最大输出功率。理论阐述后，本文着重分析了LD泵浦的Nd：YAG谐振腔的设计，首先确定了谐振腔的工作物质，并对其物理与光学性质进行分析，确定并分析了谐振腔的类型，本文谐振腔类型采用平凹腔，对谐振腔的稳定性就行阐述并推导出谐振腔内的衍射损耗，完成了这些理论分析后，在本文的第四章，着重分析了谐振腔的结构设计，根据四能级方程，计算出阈值抽运几率和腔内总光子数，最后推导出最佳输出功率，在此基础上，我们再对谐振腔进行模式选择，激光器要想以TEM00模的情况下单模运转要满足条件。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:LD泵浦NdYAG激光器平凹腔谐振腔
目录
1.绪论 2
1.1引言 2
1.2 LD泵浦Nd：YAG激光器发展和研究现状 2
1.3课题的目的和意义 3
2. LD泵浦Nd:YAG激光器的关键技术 4
2.1 Nd：YAG晶体的能级结构 4
2.2.Nd:YAG激光器的理论模型： 6
2.2.1四能级激光器的速率方程 6
2.2.2四能级激光器的阀值 8
2.2.3四能级激光器的输出功率 10
2.3小结 12
3. Nd:YAG激光器的设计方案 13
3.1激光工作物质的选定 13
3.2谐振腔的设计 14
3.2.1谐振腔的类型及平凹谐振腔： 14
3.2.2谐振腔的稳定性 15
3.2.3谐振腔的衍射损耗 16
4.谐振腔的设计 18
4.1Nd:YAG谐振腔的设计 18
4.1.1谐振腔的结构 18
4.2.2 谐振腔的模式选择 22
结语 23
参考文献 24
致谢 25
1.绪论
1.1引言
激光二极管泵浦固体激光器（Diode Pumped Solid state Laser－DPSSL）有非常多的种类，比如连续的、脉冲的和调Q的，还有加倍频混频这些非线性转换的激光器。YAG的中文全称为钇铝石榴石，我们在钇铝石榴石YAG中掺入Nd3+（大约1%）既可以制得Nd：YAG,工业中，通过Y2O3、Al2O3和NdO3三种晶体放入单晶炉中结晶得到Nd：YAG，Nd:YAG属于立方体系，各向同性晶体，并且具有热学性能好，量子效率高的特点而被关注与广泛使用。自1964年世界上第一台Nd：YAG激光器的研制成功，Nd：YAG一直倍受关注，直到目前为止，依然是研究激光器的一大热点，Nd：YAG激光器也在军事、医疗、工业制造中发挥了越来越多的作用，所以Nd：YAG激光器的研究与发展仍然具有很多的挑战与突破的领域等待研究。而以半导体二极管激光器（LD）为激励源的固体激光器的研制也取得了突破，LD泵浦固体激光器也被称作DPSSL，正是因为其激光光源是固体半导体，又称做全固化激光器。DPSSL是一种高效率（＞10%）、长寿命（CW工作方式可达几万小时，脉冲工作方式达到10亿～1000亿次）的固体激光器，其优异的性能也超过传统的激光器，也正在被广泛的使用。
1.2 LD泵浦Nd：YAG激光器发展和研究现状
世界上第一台Nd：YAG激光器在1964年研制成功，Nd:YAG进入了三个发展时期，分别是20世纪70年代发展缓慢期。20世纪80年代的发展回暖期，20世纪90年代至今的持续发展期，在这三个期间，Nd:YAG研究也越来越深入，在工业、医疗、军事上的应用也越来越广泛。其中与Nd:YAG类似，只是掺杂Ho、Tm、Er等元素的激光器也得到了发展与应用，本文只要针对Nd：YAG激光器进行研究与阐述。
1971年拉制成功了直径为40mm、长度200mm的Nd:YAG晶体也标志着大尺寸的YAG晶体的出现，在Nd:YAG的材料上的性能也得到了大幅度的提升，同时，为了提高Nd：YAG的工作效率与性能，研究者们将之前使用的灯泵浦方式改变成半导体激光器（LD）泵浦，LD泵浦比起灯泵浦，具有更高的泵浦效率，更高的光束质量，更长的寿命与更小的体积等优点。于是在20世纪80年代以来LD泵浦已经成为YAG激光器的一个重要发展领域。
LD泵浦Nd:YAG激光器是目前应用非常广泛的激光器之一，其优异的性能在军事领域中可用于激光制导与激光雷达等，在工业领域可应用于材料的加工，焊接、打孔都具有很高的效率并且使用方便，在医疗中，只要应用于手术刀，其优异的性能能够完成一般手术刀所不能完成的医疗工作。所以LD泵浦的Nd：YAG激光器已经成为激光器研究中的一大热点，其优异的特性与其所带来的科研成果也是激光器研究中诱人的领域。
1.3课题的目的和意义
激光的产生和传输控制的不同环节都会激光的输出功率，光束质量对这两个参数产生影响。由于LD泵浦Nd:YAG 50W的应用激光器是非常广泛的，它具有良好的市场潜力，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。
2. LD泵浦Nd:YAG激光器的关键技术
2.1 Nd：YAG晶体的能级结构
Nd:YAG因为其上文已经提到过的多种基本优异性能而被广泛使用，因为Nd:YAG激光器的能级结构是四能级系统跃迁，固体激光器四能级系统能级跃迁图见图2.1.1，Nd:YAG的吸收光谱如图2.1.2所示，在Nd:YAG吸收光谱中，有五条吸收带是真正对激光是有作用的，下面的公式展示了它们的中心波长与其所对应的能级跃迁：
～0.53μm → G + G
～0.58μm → G + G
～0.75μm → F + S
～0.81μm → F + H
图2.1.1四能级系统
图2.1.2Nd:YAG能级图
Nd:YAG的吸收光谱如图2.1.3所示，各吸收带的带宽约为300A，由图中也可以看出在0.75μm与0.81μm为中心的两个吸收带的吸收最强。光泵浦下的Nd3+从基态跃迁到各能级后，短时间内由于无辐射弛豫跃迁至亚稳态4F2/3，因为4F2/3向下能级自发辐射而产生荧光。Nd:YAG在室温下近红外区的三条显著的荧光谱线，它们的中心波长与所对应的能级跃迁公式如下：
～0.96μm4F2/3→4I9/2
～1.06μm4F2/3→4I11/2
～1.35μm4F2/3→4I13/2
可见在1.06μm处的荧光谱线最强，其中4F2/3→4I9/2的跃迁是三能级系统的跃迁，因为其阈值高，所以只能在低温下才能成功实现激光振荡，剩下的4F2/3→4I11/2，4F2/3→4I13/2的跃迁都属于四能级系统的跃迁，这两种跃迁的阈值低，容易实现激光振荡。同时，1.06μm处荧光强度大约是1.35μm的四倍，在时间发面，1.06μm处的光强要先于1.35μm处起振，从而抑制1.35处的光强起振。
由此可得，大约在808nm处有一个强吸收峰，此处非常适合用LD泵浦。LD的光波波长可以通过调节温度来控制在808nm周围，从而得到合适的光谱匹配来提高泵浦的效率。
图2.1.3Nd:YAG的吸收光谱
2.2.Nd:YAG激光器的理论模型：
对于多数的激光工作物质来说，四能级系统更加具有代表性，因为四能级系统更容易实现集居数的反转，Nd:YAG固体激光器就属于四能级系统。所以Nd:YAG的理论模型是一个四能级系统，有四个能级参与到激光的产生，分别是E0（抽运过程中的低能级）、E0（抽运过程中的高能级）、激光上能级E2（亚稳能级）与E1（激光下能级）。此系统的主要特点为，激光下能级E1不再为基态能级，所以此系统在热平衡的状态下处在激光下能级E1的粒子数非常少，有助于在E2与E1之间形成集居数的反转状态。
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