【正文】 第 26 頁(yè) 可以在 MATLAB 中調(diào)用 plotyy()函數(shù)，這樣，現(xiàn)象更清晰。下表給出的是各物理量系數(shù)的典型取值。參數(shù)值不同，得到的結(jié)果也就不同。這個(gè)方程組考慮到了影響因素，有抽運(yùn)的快慢、增益基質(zhì)上的處于高能級(jí)時(shí)間的長(zhǎng)度、可飽和吸收體回到初態(tài)的時(shí)間。 c 為光速；光在腔中往返一周的時(shí)間用 39。截面的表示有幾種形式：可飽和吸收體在基態(tài)，激發(fā)態(tài)，以及增益介質(zhì)被激發(fā)后的截面分別用 gs? ， es? ， ? 來(lái)表示。微晶片激光器的摻雜濃度很高、諧振腔的長(zhǎng)度不長(zhǎng)。 在 1994 和 1995 年，德國(guó)科學(xué)家研究出了將一種新型激光器，此種雙頻二極管抽運(yùn)Nd3+: YAG 微晶片激光器可應(yīng)用到外差干涉儀來(lái)進(jìn)行測(cè)速。腔長(zhǎng)為 450181。 E l e c t rodeNd : Y A GL a s e r D i odeL e a dO pt i c A xi sCo ppe r 圖 電光調(diào)諧的微片激光器 用 Nd3+: YAG 微晶片和電光晶體來(lái)組合成諧振腔。 1993 年，林肯實(shí)驗(yàn)室使用諧振腔長(zhǎng)度為 ，摻雜 t%的 Nd3+的二極管抽運(yùn)的微晶片激光器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行電光調(diào)節(jié)頻率的探究。特別的，當(dāng)溫度為 220℃時(shí)，對(duì)應(yīng)的抽運(yùn)的閾值是 43mW。要想增大 Nd3+的摻雜度，就需要降低抽運(yùn)閾值。 1992 年，林肯實(shí)驗(yàn)室使用了 的 Nd3+: YAG 微 晶片，系統(tǒng)大小為 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 21 頁(yè) lmmlmmlmm，來(lái)研究頻率，通過(guò)改變功率的大小來(lái)觀測(cè)頻率的變化。 PZT 控制耦合鏡和電壓，最高電壓為 1000V，可以得到 120 MHz/V 的調(diào)頻速率，其變化幅度是 120 GHz。若繼續(xù)提高頻率，那么調(diào)頻的速度會(huì)變化到 MHz/V。此實(shí)驗(yàn)所用的微晶片的尺寸是 。 809 nm P umpS tr e s sP Z TNd : YAG M i c r oc hi p L a s e r1 . 06 um S i ngl e F r e que nc y Output 圖 m? Nd3+: YAG 微晶片激光器 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 20 頁(yè) 1989 年，林肯實(shí)驗(yàn)室利用摻雜 %的 Nd3+的 Nd3+: YAG 微晶片激光器，將抽運(yùn)功率提高幾倍，成功觀測(cè)到了單縱模輸出，實(shí)現(xiàn)了 和 的 Nd3+: YAG 微晶片 激光器 [27]。在 Nd3+: YAG 的兩個(gè)端面均鍍光學(xué)膜構(gòu)成激光諧振腔，這樣來(lái)構(gòu)成激光二極管抽運(yùn)的微晶片激光器。 現(xiàn)在激光器研究的熱點(diǎn)一是使功率提升，二是優(yōu)化結(jié)構(gòu)，使其更簡(jiǎn)單。 當(dāng)二極管陣列的最大額定電流為 80A 時(shí)，一些參數(shù)如下：?jiǎn)蝹€(gè)脈沖的能量是 500mJ, 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 19 頁(yè) 脈沖寬度是 200181。二極管抽運(yùn)技術(shù)發(fā)展迅速，各種構(gòu)造新穎，功能更加完善，性能更加優(yōu)良的激光器正大量出現(xiàn)。例如： Nd3+: Bel, Nd3+: YAG上述材料的光譜是不一致的，重點(diǎn)影響到的是激光的閾值和斜率效率。端面抽運(yùn)的激光器構(gòu)造簡(jiǎn)潔，而且抽運(yùn)面積與 TEM00 激光模之間有很好的 重疊，這樣一來(lái)，效率就會(huì)提高很多。經(jīng)過(guò)光學(xué)器件的耦合，聚焦，最終射到端面上。這樣的激光器，即使沒(méi)有光圈隔膜，也能夠輸出基模。 這種端面抽運(yùn)的二極管激光器，發(fā)射出的激光，會(huì)在激光棒的端面聚焦，形成一個(gè)斑點(diǎn)。在端面抽運(yùn)結(jié)構(gòu)中，可以利用激光二極管的空間和光譜特征優(yōu)良的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出抽運(yùn)輻射的方向，是準(zhǔn)直的，縱向聚焦，最終會(huì)聚到與諧振腔在同一條水平線上的激光材料中。 二極管與閃光燈相對(duì)比，光譜特性和空間特性優(yōu)勢(shì)明顯，二極管的抽運(yùn)源，抽運(yùn)輻射傳輸效率 都很高，在抽運(yùn)區(qū)和諧振腔之間，空間交疊比較大。這種二極管具有很高的適用性，與幾種激光發(fā)射 離子的強(qiáng)吸收帶能夠很好地匹配?？梢栽跈C(jī)構(gòu)和設(shè)計(jì)構(gòu)造作出改變，設(shè)計(jì)出端面抽運(yùn)的系統(tǒng)，微芯片激光器以及光纖激光器。 (5)有利于健康 激光二極管抽運(yùn)的系統(tǒng)避免了高壓的脈沖，高溫，也沒(méi)有紫外線的輻射，所以不會(huì)對(duì)健康產(chǎn)生影響。 (3)改善了光束質(zhì)量 將激光二極管抽運(yùn)固體激光器的發(fā)射與長(zhǎng)波長(zhǎng)釹吸收帶之間的光譜進(jìn)行合理匹配，就會(huì)降低激光材料積累熱損耗，這樣就會(huì)減小熱透鏡的效應(yīng)，提高光束品質(zhì)。 (2)延長(zhǎng)了元件的壽命 在處于連續(xù)工作的 狀態(tài)時(shí)，激光二極管陣列可以使用時(shí)間是 104h，可以產(chǎn)生 109次脈沖。 激光二極管抽運(yùn)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) (1)提高了工作效率 在 808nm 時(shí)，跟傳統(tǒng)的閃光燈的發(fā)射帶相比，激光二極管的發(fā)射帶能夠與釹吸收帶進(jìn)行很好的光譜匹配，因而其產(chǎn)生的抽運(yùn)速率很高。 勞倫斯 .利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室 (LLNL)已經(jīng)成功輸出了 70W,273W, 1050W 的功率，其采用微通道冷卻激光二極管陣列來(lái)抽運(yùn) Nd ?3 : YAG 晶體板條。尤其是分子束外 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 15 頁(yè) 延，金屬化學(xué)氣相淀積這類技術(shù)的快速發(fā)展，量子阱結(jié)構(gòu)等技術(shù)的發(fā)展，使閾值電流降低成為可能。 1971 年， Qstermeys[16]稱利用二極管抽運(yùn)，獲取了功率為 ，寬度為 1064nm 的激光。 激光二極管抽運(yùn)技術(shù)的發(fā)展 在 1960 年，紐曼第一次提出激光二極管抽運(yùn)的固體激光器的設(shè)想，隨后通過(guò)不斷地實(shí)驗(yàn)研究，最終在 1962 年制造出了激光二極管，這也是世界上最早的激光二極管 [13]。因?yàn)槲⒕す馄鞯闹C振腔的截面都是平面，腔長(zhǎng)不長(zhǎng)，這種激光器的構(gòu)造不復(fù)雜，成本低，發(fā)展前景很好。這種激光器有許多優(yōu)點(diǎn)，效率很高，使用時(shí)間長(zhǎng)，可靠性好。當(dāng)基態(tài)達(dá)到飽和的狀態(tài)時(shí)，激發(fā)能態(tài)會(huì)發(fā)生吸收，激光腔內(nèi)就會(huì)發(fā)生殘余損耗。 理想情況下，可飽和的吸收體對(duì)應(yīng)不同的入射光能量，透射率可以表示為： 011sE EsiET In e TE ????? ? ????????? () 近似的，若 sEl? 和 sEE? 時(shí) ， 上式可分別化簡(jiǎn)寫作 0iTT? 和 1iT? 。 1243快慢快τ AB 圖 A 為 gs? ， B 為 es? ,分別是基態(tài)和激發(fā)態(tài)的吸收，激發(fā)態(tài)的壽命記作 ? 可飽和的吸收體的參量有以下：初始的透射率為 0T ， 使得飽和吸收體變?yōu)橥该鞯哪芰棵芏?SE ，將可飽和吸收體漂白后，可以得到小信號(hào)的透射率是 0 00e x p ( ) e x p ( )s g s sl n lT ??? ? ? ? () 可飽和的吸收體的厚度用 sl 來(lái)表示。反之，如果粒子數(shù)目達(dá)到一定數(shù)量，那么吸收體就會(huì)變成透明的。 3~2 能級(jí)躍遷很快。 Cr ?4 離子在激光的波長(zhǎng)段吸收面 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 12 頁(yè) 積很大，能夠很好地吸收，有較小的吸收殘余 YAG 晶體的物理，化學(xué)特性都很穩(wěn)定。 (3)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，便于調(diào)整，易于維護(hù)。諧振腔的損耗下降， Q 開(kāi)關(guān)脈沖就建立起來(lái)了。增加諧振腔的光強(qiáng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定程度時(shí)，飽和吸收體就會(huì)變得透明起來(lái)，透射率很高。被動(dòng) Q 開(kāi)關(guān)是光學(xué)器件，其裝滿有機(jī)染料，或者摻雜晶體，隨著能量的提高，光學(xué)器件就會(huì)越來(lái)越趨近飽和，透明性越來(lái)越高。又會(huì)旋轉(zhuǎn) 90 度。與前面的 結(jié)構(gòu)一致，如果偏振光由介質(zhì)輸出了，起偏器 1P 就不再需要了。 經(jīng)過(guò)這樣的一個(gè)過(guò)程，諧振腔就會(huì)產(chǎn)生震蕩，經(jīng)過(guò)一小段時(shí)間的延遲，就會(huì)有脈沖輸出。由線性轉(zhuǎn)變?yōu)閳A形。 (3)電光調(diào) Q 電光調(diào) Q 技術(shù)是當(dāng)下適用面最多的技術(shù)。 通過(guò)帶有壓電換能器的激光 器，能量發(fā)生轉(zhuǎn)換，電能轉(zhuǎn)換成超聲波能。 粒子匯聚，高能級(jí)上會(huì)越來(lái)越多。因而，在方向上的變化也是周期性的。在聲光晶體中，利用這種轉(zhuǎn)換器就能夠輸出超聲波震蕩。這些缺點(diǎn)使得人們采取聲光調(diào) Q 技術(shù)。當(dāng)滿足腔處于高 Q 值，并且棱鏡與反射鏡相對(duì)的時(shí)候，才能輸出激光。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 8 頁(yè) (1)轉(zhuǎn)鏡調(diào) Q 這是一種物理的調(diào) Q 方法。主動(dòng)式可以細(xì)化為幾種方法：電光調(diào) Q 法，轉(zhuǎn)鏡調(diào) Q 法 ，聲光調(diào) Q 法。如下圖所示。這時(shí)，激光脈沖的峰值功率會(huì)非常高。在抽運(yùn)開(kāi)始的時(shí)候，激光不能震蕩，因?yàn)?Q 值較低，能耗損失太大。當(dāng)品質(zhì)因 數(shù) Q 變化為高數(shù)值時(shí)，積聚的能量就會(huì)釋放，時(shí)間非常短暫，形成光脈沖。在 Q 開(kāi)關(guān)運(yùn)轉(zhuǎn)中，先將能量存儲(chǔ)，通過(guò)光抽運(yùn)的方式，然后降低品質(zhì)因數(shù) Q 來(lái)降低激光震蕩的產(chǎn)生。因此，光通過(guò)腔一次，歷時(shí)是 /nLc 。要想產(chǎn)生震蕩，激光器的閾值 需滿足以下的式子： 211.Cth gn A ??? () 并且已有關(guān)系式： 2C Qv?? ? () 所以得到下面的式子： 21 gvn QA ??? () 式中，模式的數(shù)目表示為 g，自發(fā)輻射的概率表示為 A21 ，光子在腔內(nèi)的生命長(zhǎng)度表示為 ?c ，品質(zhì)因數(shù)可以用 Q 值來(lái)表達(dá)，它用下面的式子來(lái)定義： 02 ( )Q f mv?? () 其中， f 為腔內(nèi)存儲(chǔ)的能量， m 為每秒損耗的能量。 無(wú)規(guī)則的尖峰脈沖形成脈沖 激光器的輸出，這種尖峰脈沖只產(chǎn)生在閾值附近，寬度極窄。最后產(chǎn)生的這種頻率為的形式的光，光子的數(shù)目積聚越來(lái)也多。 E 2E 1E 2E 2E 2E 2 E 2E 1E 1 E 1E 1 E 1( a )( b )( c ) 入射光入射光自發(fā)輻射受激輻射 圖 (a)自發(fā)輻射， (b)受激吸收， (c)受激輻射 閾值條件 從光子的觀點(diǎn)來(lái)看，在能級(jí) E2,E1之間添加介質(zhì)，使粒子數(shù)可以反轉(zhuǎn)分布，當(dāng)自發(fā)輻射時(shí)，腔內(nèi)頻率為 ? 的模式的光，就能夠得到一個(gè)光子。此過(guò)程 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 4 頁(yè) 需收到光子照射，此光子需滿足條件：21 2 1hv E E? 一，那么處在高能級(jí) E2上的原子也會(huì)受到外來(lái)的能量 21hv 的光子的激發(fā)，而從高能級(jí) E2躍遷到低能級(jí) E1上去。只通過(guò)釋放熱能的方式來(lái)躍遷的，叫做無(wú)輻射躍遷。這個(gè)過(guò)程，由自發(fā)輻射光子和受激輻射光子組成。在這次的計(jì)算推導(dǎo)中，他提出了兩個(gè)非常重要的概念，這兩個(gè)概念對(duì)以后的研究產(chǎn)生了極大影響，即受激和自發(fā)兩種輻射。不久， 用了相同的方法，成功地把激光脈沖的脈寬降低到 10ns 以下。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3 頁(yè) 2 激光調(diào) Q 技術(shù) 1960 年， 成功研制出由紅寶石作為抽運(yùn)材質(zhì)的激光器，這是激光器史上的一大進(jìn)步。 激光學(xué)科成為了一個(gè)交叉的學(xué)科，在軍 事方面，激光在通信，目標(biāo)跟蹤，高能沖擊等方面都發(fā)揮了重要作用。 1958 年 12 月，肖洛和湯斯共同 研究，發(fā)表了《紅外與光激射器》一文。 到 1955 年，人們對(duì)受激輻射振蕩放大器進(jìn)行了更加準(zhǔn)確的定義，并不斷開(kāi)發(fā)新的激活介質(zhì)。這預(yù)示著人們通過(guò)不懈努力最后掌握了受激輻射的方法。 1928 年，德國(guó)科學(xué)家萊德伯格進(jìn)行了關(guān)于氖氣的色散實(shí)驗(yàn)，在此試驗(yàn)中，證明了受激輻射是確實(shí)存在的。 激光器的發(fā)展簡(jiǎn)史 1917 年，愛(ài)因斯坦首次提出并 詳細(xì)分析了原子收到激發(fā)時(shí)發(fā)生輻射的情況。進(jìn)一步分析數(shù)值仿真可以得到被動(dòng)調(diào) Q 激光脈沖的重復(fù)頻率，脈沖寬度等值。微晶片激光器的摻雜的濃度高，諧振腔不長(zhǎng)，這些特點(diǎn)都會(huì)對(duì)調(diào) Q 產(chǎn)生影響。被動(dòng)調(diào) Q 是被激光輻射自身啟動(dòng)的， Q 開(kāi)關(guān)是由光學(xué)器件構(gòu)成的，此種光學(xué)器件裝滿有機(jī)染料或者是含有摻雜的晶體。調(diào) Q技術(shù)又叫 Q 開(kāi)關(guān)技術(shù)，是將一般輸出的連續(xù)激光能量壓縮到寬度極窄的脈沖中發(fā)射，從而使光源的峰值功率可提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的一種技術(shù)，目的是獲得高峰值功率，窄脈寬脈沖激光。調(diào) Q 過(guò)程有很多影響因素，配置不同，得到的結(jié)果就會(huì)不同。取微晶片激光器各物理量系數(shù)的典型取值，編程求解該微晶片激光器對(duì)應(yīng)的速率方程組，可以看出隨時(shí)間變化，光子數(shù)的密度，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)