LD侧泵Er：YAG激光器谐振腔的研究
LD侧泵Er：YAG激光器谐振腔的研究[20200406135524]
摘要
本文主要研究的对象是Er:YAG晶体产生的2.94um激光波长。大部分的推导是在现有的理论基础得到的，先从四能级速率方程出发，详细的讲述了Er: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解析表达式。参照平行平面腔的形式得到的解析式，谐振腔参数以及Er:YAG集体特性参数，设计了一种符合要求的Er: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Er: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:ErYAG激光器泵浦谐振腔
目录
1．绪论 1
1.1引言 1
1.2掺Er:YAG激光器的发展及研究现状 1
1.3课题的提出及意义 2
2.Er：YAG固体激光器的理论研究基础 4
2.1 Er：YAG晶体能级结构特性 4
2.2Er：YAG激光器的理论模型 5
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阈值 7
2.2.3四能级激光器的输出功率 8
2.3小结 10
3.Er：YAG固体激光器的设计方案 11
3.1激光工作物质的选定 11
3.2谐振腔的设计 12
3.2.1谐振腔的类型 12
3.2.2谐振腔的稳定性 14
3.2.3谐振腔的衍射损耗 15
4.谐振腔的设计 16
4.1 Er：YAG谐振腔的结构设计 16
4.2 谐振腔的模式选择 18
结论 19
参考文献 20
致谢 21
1．绪论
1.1引言
Er:YAG激光器，中文名为掺铒钇铝石榴石激光器，在上个世纪改革开放的兴新产品。铒激光器经过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，铒激光器得到长足的发展。铒是稀土族中的一种三价金属元素,在金属元素排列中较靠前，其原子序数为68,原子量为167.26，它的物理特征不溶于水,但溶于酸,质软。由于Er3+离子的能级结构特点决定了铒激光器相对于其余的半导体激光器而言，效率和输出能量并不十分理想。但是铒所发出的两种波长十分特殊。研究表明铒惨杂两种物质可以发射不同的波长，一种掺杂到YAG晶体,另一种掺加到磷酸盐玻璃。这两种发出波长分别为2.9um和1.54um。这两种波长有个共通点：都能被水吸。Er：YAG激光
1.2掺Er:YAG激光器的发展及研究现状
1965年，R.Pappalarodo详细的分析Er3+：YAG晶体中光谱和能级，为日后铒激光器的开发做了理论基础。1967年，M.J.webe计算了Er3+:YAG吸收光谱参数，进一步的了解了Er3+：YAG的物理基础。1975年，E.V.Zhavikov在实验中发现，20。C的室温环境下，铒的浓度为50%的惨铒YAG晶体中能发射2.94um左右的波段，首次经过实验得到2.94um的波长，开启了Er3+：YAG激光器的发展时代。从上个世纪90年代以来，关于铒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，不断改进铒激光器也成为国内外热门的课题。英国南安普顿大学率首创大功率铒激光器，这时第一次得到输出比较高的铒激光器，铒激光器得到进一步的发展。而后美国的Photonics、亚利桑那大学，以及中国的南开大学、华南理工大学等研究机构也先后独立开发出了大功率掺铒激光器，铒激光器得到了各个地方的普及。
铒激光器发射2.94um波长的效率不高，是因为跃迁的上能级是由光泵浦产生的，而该泵浦波长要短于600nm。由此，该材料的泵浦效率不高。2.94um波长发生在Er3+离子的4I11/2态和4I15/2态之间。泵浦效率的高低与能级之间的时间寿命相关，低能级的寿命是2ms，而上能级的寿命是0.1ms，两者之间存在时间相差很大。因此，增加4I11/2态的离子数来阻止该跃迁。Er:YAG激光器有很多缺点，它的低能级的寿命十分长，从而影响了跃迁发射过程，造成了泵浦效率低，所以不能采用Q开关的方式产生激光。但是，它的波长于水的吸收线重合，可以很好的被谁吸收，因此Er:YAG激光器还是以它特有的优势得到这个领域的专家的肯定。这种波长对细胞组织的伤害较小，而且恢复较快，所以Er:YAG激光器常用于外科手术，这样一来，手术操作简便，对病人的伤害也有限度的降低了。还有掺Er:YAG固体激光器对于眼科治疗被称为未来最具完善的医疗手段。Er:YAG固体激光器也运用其他各个领域。俄罗斯和美国先后成功开发了无接触采血激光装置并在医学界得到应用[1]。
1.3课题的提出及意义
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，取得不错的效果，但还有很多不足的地方。准分子激光器的照射可能致使人体染色体基因突变，二氧化碳激光器存在热报伤和机械损伤的劣势。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。Er：YAG 激光随之诞生，它以独特的优势改变了医学界。因为水的的吸收峰是3um，波长为2.94um的Er:YAG激光
国外对各种新兴技术的研究比较早，Er:YAG激光器作为战略性技术，已经被国外作为重点发展了。早在上个世纪60年代就对Er:YAG激光器进行了研究。在90年代，俄罗斯科学院的专家在对Er:YAG激光对生物细胞有何影响的研究中发现，被激光弄伤手指后的恢复迅速，便想到了对Er:YAG激光刺破人体组织的思想。不久之后，该研究小组发明了世界首个激光采血划痕器，并获得了俄罗斯专利。该方法采血时间很短，不超过1min，可以很大的提高工作效率。美国和德国也依次对这项技术的发展。
我国对Er:YAG激光器发展比较晚，但经过这十几年的发展，我国对Er:YAG激光器技术得到长足的发展。1987年，中科院李粉玉等人应用 技术，通过高频感应加热，分别得到了Er3+离子浓度为30wt%,50wt%,70wt%,100wt%的晶体，尺寸为 。实验中50wt%浓度的Er:YAG晶体产生的波长被证明波长为2.94um。1990年，华东师大林远齐等人经分光计对2nm厚的光学实验品测得 0的吸收光谱。1991年李枚、于亚勤等专家成功合成Er：YAG晶体，并测定了晶体的晶胞参数，首次阐述了与铒离子浓度有关的晶胞体积之间的关系 。两年后，经于亚勤等人不断的研究，于1993年，绘制了Er:YAG激光晶体的光谱图，了解了Er3+晶体的特性。李兆璋、邵其均成功的实施了铒激光器激光切除骨组织手术。由于我国对铒激光器的认识的比发达国家晚，对铒激光器的理论基础了解不充分，培养经费远不及国外多，2.94um的铒激光在医学领域的突破更是少之又少。由于我国硬件技术的限制，2.94um的激光传导及介质膜片的制造工艺的核心技术问题，我国到目前前为止还没有完整的医用Er：YAG激光治疗器生产。
2.Er：YAG固体激光器的理论研究基础
首要我们要熟悉工作物质的能带理论知识，要了解铒能级跃迁的特征，这样我们就有根据选择什么样的泵浦源。要熟悉四能级系统整个原理和熟练应用每个速率方程，知道速率方程与四能级系统的联系。这是Er:YAG激光器两个十分重要的理论知识，为我们后面的研究做准备。
摘要
本文主要研究的对象是Er:YAG晶体产生的2.94um激光波长。大部分的推导是在现有的理论基础得到的，先从四能级速率方程出发，详细的讲述了Er: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解析表达式。参照平行平面腔的形式得到的解析式，谐振腔参数以及Er:YAG集体特性参数，设计了一种符合要求的Er: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Er: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:ErYAG激光器泵浦谐振腔
目录
1．绪论 1
1.1引言 1
1.2掺Er:YAG激光器的发展及研究现状 1
1.3课题的提出及意义 2
2.Er：YAG固体激光器的理论研究基础 4
2.1 Er：YAG晶体能级结构特性 4
2.2Er：YAG激光器的理论模型 5
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阈值 7
2.2.3四能级激光器的输出功率 8
2.3小结 10
3.Er：YAG固体激光器的设计方案 11
3.1激光工作物质的选定 11
3.2谐振腔的设计 12
3.2.1谐振腔的类型 12
3.2.2谐振腔的稳定性 14
3.2.3谐振腔的衍射损耗 15
4.谐振腔的设计 16
4.1 Er：YAG谐振腔的结构设计 16
4.2 谐振腔的模式选择 18
结论 19
参考文献 20
致谢 21
1．绪论
1.1引言
Er:YAG激光器，中文名为掺铒钇铝石榴石激光器，在上个世纪改革开放的兴新产品。铒激光器经过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，铒激光器得到长足的发展。铒是稀土族中的一种三价金属元素,在金属元素排列中较靠前，其原子序数为68,原子量为167.26，它的物理特征不溶于水,但溶于酸,质软。由于Er3+离子的能级结构特点决定了铒激光器相对于其余的半导体激光器而言，效率和输出能量并不十分理想。但是铒所发出的两种波长十分特殊。研究表明铒惨杂两种物质可以发射不同的波长，一种掺杂到YAG晶体,另一种掺加到磷酸盐玻璃。这两种发出波长分别为2.9um和1.54um。这两种波长有个共通点：都能被水吸。Er：YAG激光
1.2掺Er:YAG激光器的发展及研究现状
1965年，R.Pappalarodo详细的分析Er3+：YAG晶体中光谱和能级，为日后铒激光器的开发做了理论基础。1967年，M.J.webe计算了Er3+:YAG吸收光谱参数，进一步的了解了Er3+：YAG的物理基础。1975年，E.V.Zhavikov在实验中发现，20。C的室温环境下，铒的浓度为50%的惨铒YAG晶体中能发射2.94um左右的波段，首次经过实验得到2.94um的波长，开启了Er3+：YAG激光器的发展时代。从上个世纪90年代以来，关于铒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，不断改进铒激光器也成为国内外热门的课题。英国南安普顿大学率首创大功率铒激光器，这时第一次得到输出比较高的铒激光器，铒激光器得到进一步的发展。而后美国的Photonics、亚利桑那大学，以及中国的南开大学、华南理工大学等研究机构也先后独立开发出了大功率掺铒激光器，铒激光器得到了各个地方的普及。
铒激光器发射2.94um波长的效率不高，是因为跃迁的上能级是由光泵浦产生的，而该泵浦波长要短于600nm。由此，该材料的泵浦效率不高。2.94um波长发生在Er3+离子的4I11/2态和4I15/2态之间。泵浦效率的高低与能级之间的时间寿命相关，低能级的寿命是2ms，而上能级的寿命是0.1ms，两者之间存在时间相差很大。因此，增加4I11/2态的离子数来阻止该跃迁。Er:YAG激光器有很多缺点，它的低能级的寿命十分长，从而影响了跃迁发射过程，造成了泵浦效率低，所以不能采用Q开关的方式产生激光。但是，它的波长于水的吸收线重合，可以很好的被谁吸收，因此Er:YAG激光器还是以它特有的优势得到这个领域的专家的肯定。这种波长对细胞组织的伤害较小，而且恢复较快，所以Er:YAG激光器常用于外科手术，这样一来，手术操作简便，对病人的伤害也有限度的降低了。还有掺Er:YAG固体激光器对于眼科治疗被称为未来最具完善的医疗手段。Er:YAG固体激光器也运用其他各个领域。俄罗斯和美国先后成功开发了无接触采血激光装置并在医学界得到应用[1]。
1.3课题的提出及意义
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，取得不错的效果，但还有很多不足的地方。准分子激光器的照射可能致使人体染色体基因突变，二氧化碳激光器存在热报伤和机械损伤的劣势。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。Er：YAG 激光随之诞生，它以独特的优势改变了医学界。因为水的的吸收峰是3um，波长为2.94um的Er:YAG激光
国外对各种新兴技术的研究比较早，Er:YAG激光器作为战略性技术，已经被国外作为重点发展了。早在上个世纪60年代就对Er:YAG激光器进行了研究。在90年代，俄罗斯科学院的专家在对Er:YAG激光对生物细胞有何影响的研究中发现，被激光弄伤手指后的恢复迅速，便想到了对Er:YAG激光刺破人体组织的思想。不久之后，该研究小组发明了世界首个激光采血划痕器，并获得了俄罗斯专利。该方法采血时间很短，不超过1min，可以很大的提高工作效率。美国和德国也依次对这项技术的发展。
我国对Er:YAG激光器发展比较晚，但经过这十几年的发展，我国对Er:YAG激光器技术得到长足的发展。1987年，中科院李粉玉等人应用 技术，通过高频感应加热，分别得到了Er3+离子浓度为30wt%,50wt%,70wt%,100wt%的晶体，尺寸为 。实验中50wt%浓度的Er:YAG晶体产生的波长被证明波长为2.94um。1990年，华东师大林远齐等人经分光计对2nm厚的光学实验品测得 0的吸收光谱。1991年李枚、于亚勤等专家成功合成Er：YAG晶体，并测定了晶体的晶胞参数，首次阐述了与铒离子浓度有关的晶胞体积之间的关系 。两年后，经于亚勤等人不断的研究，于1993年，绘制了Er:YAG激光晶体的光谱图，了解了Er3+晶体的特性。李兆璋、邵其均成功的实施了铒激光器激光切除骨组织手术。由于我国对铒激光器的认识的比发达国家晚，对铒激光器的理论基础了解不充分，培养经费远不及国外多，2.94um的铒激光在医学领域的突破更是少之又少。由于我国硬件技术的限制，2.94um的激光传导及介质膜片的制造工艺的核心技术问题，我国到目前前为止还没有完整的医用Er：YAG激光治疗器生产。
2.Er：YAG固体激光器的理论研究基础
首要我们要熟悉工作物质的能带理论知识，要了解铒能级跃迁的特征，这样我们就有根据选择什么样的泵浦源。要熟悉四能级系统整个原理和熟练应用每个速率方程，知道速率方程与四能级系统的联系。这是Er:YAG激光器两个十分重要的理论知识，为我们后面的研究做准备。
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