【正文】 黃老師在學(xué)術(shù)上孜孜以求的態(tài)度，在生活上認(rèn)真負(fù)責(zé)的態(tài)度深深感染了我，對(duì)我以后的 工作學(xué)習(xí)有很好的指引作用。 本文第二章介紹了激光調(diào) Q 原理，給出了主動(dòng)調(diào) Q 和被動(dòng)調(diào) Q 的方法。在以后的發(fā)展中，光學(xué)必 將在能源，公共事業(yè)，教育等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。0 . 0 1 5 2 0 . 0 1 5 2 0 . 0 1 5 2 0 . 0 1 5 2 0 . 0 1 5 2 0 . 0 1 5 205x 1 023時(shí)間 ( s )光子數(shù)密度(m3)0510x 1 024反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度(m3) 圖 一個(gè)激光脈沖產(chǎn)生過程中的光子數(shù)密度和反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度隨時(shí)間變化 運(yùn)行上述代碼，繼續(xù)代入數(shù)值，進(jìn)行仿真，可以看出被動(dòng)調(diào) Q 激光脈沖發(fā)生重復(fù)的頻率以及脈沖的寬度等數(shù)值。我們可以放大第四個(gè)光脈沖的產(chǎn)生過程， 可以得到比較清晰明了的情況，如圖 所示。 在 MATLAB 中進(jìn)行編程，可以求解該 微晶片激光器對(duì)應(yīng)的速率方程組，可仿真出 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 25 頁 當(dāng)時(shí)間變化時(shí)，光子數(shù)密度，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的密度和基態(tài)粒子數(shù)密度變化的曲線。在連續(xù)抽運(yùn)時(shí)，可飽和吸收體吸收時(shí)，有以下關(guān)系式。此情況是在一般情況下，可飽和吸收體在處于激發(fā)態(tài)的狀態(tài)： 0l1n2 2 2 ( )gs gs s e s e s srgsgs gsesgs gsgs e s sdnl n l n ld t Rtdndtdnc ndtd nc ndtn n n??????? ? ???????? ? ? ? ??????????????????????????? () 在上面的式子里，下面參數(shù)光子數(shù)，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，基態(tài)粒子數(shù)，激發(fā)態(tài)粒子數(shù)，可飽和吸收體總粒子數(shù)的密度分別用 esn ， n ， gsn , esn ， 0sn 來表示。用一個(gè) 1W的激光二極管抽運(yùn)得到了功率為 120mW 的輸出，用兩個(gè)激光二極管抽運(yùn)獲得了功率為 210mW的輸出。此類激光器的構(gòu)造如下圖 所示。m，抽運(yùn)波長為 。不穩(wěn)定時(shí)，譜線寬度為 5MHz，穩(wěn)定后，譜線寬度降到 88kHz。若提高頻率，增 加到 80kHz mf ，則相應(yīng)的，調(diào)頻頻率發(fā)生變化，為 。解決這一問題的方法有兩種，一種是令抽運(yùn)光被二次吸收，可以通過鍍反射膜來實(shí)現(xiàn)，第二種是提高抽運(yùn)效率，可通過提高功率或提高 YAG 中 Nd3+摻雜濃度來實(shí)現(xiàn)。 激光二極管抽運(yùn)的微晶片激光器的發(fā)展概況 微晶片的構(gòu)造很精巧，諧振腔面都是平的，腔長短，因而系統(tǒng)整體較小，成本低，輸出性能很好，輸出為單一頻率，并且是高斯光束，特性 好，發(fā)展前景廣闊?，F(xiàn)在，越來越多的單模光纖激光器進(jìn)入人們的視野，這類激光器的孔徑小，閾值較低，所以能量利用率很高。 散熱器聚焦光器件激光二極管陣列后鏡對(duì) 1064 nm有高反射率對(duì) 810 nm有高透射率5 cm 曲率輸出鏡對(duì) 1064 nm 波長的反射率為 95 %810 nm 的抽運(yùn)輻射TE 制冷器 圖 LD 端面抽運(yùn)的激光振蕩器 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 18 頁 這類系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生 TEM00模，總體來說，效率是很高的。 此類端面抽運(yùn)激光器是結(jié)構(gòu)是縱向的，激光器的激活的一部分與 TEM00模體積匹配性很好。 在側(cè)面抽運(yùn)結(jié)構(gòu)中，二極管陣列要與激光棒或激光板保持相同的方向，抽運(yùn)方向要與激光諧振腔模的傳播方向保持垂直。 激光二極管的抽運(yùn)方式 用稼和銘按照一定的比例，制作出的二極管，可以輸出接近 800nm 的波長。帶有此種二極管的固體激光器可以運(yùn)轉(zhuǎn)在幾百赫茲到幾千赫茲的重復(fù)率范圍內(nèi)。但是，釹吸收帶不一樣，只能吸收極小的一部分燈的輻射能量，而激光二極管可以自行選擇輸出波長，若選定某種固體激光器，我們能夠自行設(shè)定，達(dá)到完全處于吸收帶的狀態(tài)。成本降低，價(jià)格隨之降低，有些已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)，被人們廣泛使用。 1968 年，麥道公司成功運(yùn)行二極管抽運(yùn)的 Nd ?3 : YAG 的激光器 [15]。微晶片激光器都能夠保證輸出單頻的理想的光束，為高斯型?；鶓B(tài)的粒子數(shù)逐漸減少，消耗殆盡，能級(jí) 2 與 4 之間吸收會(huì)增加。速率方程如下式： 0() 1SE E E?? ? ? () 式中， 0? 為小信號(hào)吸收系數(shù)， sE 為飽和能量密度， s gshvE ?? () 能級(jí) 1→ 3 躍遷的吸收截面用 gs? 來表示。 可飽和的吸收材料可以用下圖的能級(jí)結(jié)構(gòu)來表示，在能級(jí) 13 中發(fā)生躍遷。 (2)系統(tǒng)的體積小，可以到達(dá)毫米量級(jí)。 被動(dòng)調(diào) Q 技術(shù) 利用可飽和的吸收體的性質(zhì)來改變 Q 值。 后續(xù)接連發(fā)生連鎖反應(yīng)，就會(huì)又通過檢偏器 2P 和 電光盒。在脈沖將要消失的時(shí)候，將電壓斷掉，就可以避免偏振光的消耗。 假若熔融狀的石英處于未被通過的狀態(tài)，即高透射率時(shí)，在無超聲波通過時(shí)，激光器就輸出脈沖 [6~9]。這種效果會(huì)使得相應(yīng)的一小部分入射光線溢出腔， Q 值就會(huì)變得不高。此種介質(zhì)經(jīng)過特殊處理，一面有轉(zhuǎn)換器，是一個(gè)壓電薄片。如下圖 所示，一個(gè)快速轉(zhuǎn)動(dòng)的全反射棱鏡和和輸出鏡一起組成諧振腔 [4]。到現(xiàn)在為止，我們一般用兩種調(diào) Q 方式：一種是主動(dòng)式，另一種是被動(dòng)式。發(fā)生躍遷，高能級(jí)的粒子躍遷到低能級(jí)。 在高能級(jí)，反轉(zhuǎn)的粒子數(shù)會(huì)大量積聚。我們分別用 ,Lnc 來表示諧振腔的長度，介質(zhì)的折射率，光速。激光閾值的另外一種表達(dá)式可以表示為下面的式子： 21th ch hvn gA ???? () 在同一個(gè)模式下，自發(fā)輻射幾率記作 A21/g，模式數(shù)目記作 g，在腔內(nèi)，光子的生存 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 5 頁 時(shí)間長度是 C? ，上面的式子還可以寫成這樣的表達(dá)式： 211.Cth gn A ??? () 調(diào) Q 原理 調(diào) Q 技術(shù)在激光的研究史上打開了一扇新的大門，使得激光器能夠在極短的時(shí)間內(nèi)輸出很大的能量，這樣就能夠產(chǎn)生峰值功率很高的脈沖，它的峰值功率與普通的長脈沖的功率有著數(shù)量級(jí)上的差異。如圖 (c)所示。如果沒有外加條件，原子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷方式有兩種方式。 激光的基本理論 自發(fā)輻射，受激輻射和受激吸收 1916~1917 年，愛因斯坦根據(jù)光量子論推導(dǎo)出了普朗克公式。激光在人們生活的方方面面都起了重要作用，在今后的生活中，激光定會(huì)與其他學(xué)科密切聯(lián)系，充分發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，越來越普及。湯斯認(rèn)為，這一點(diǎn)很關(guān)鍵，因?yàn)檫@樣不必要的震蕩會(huì)得到控制，他堅(jiān)信能夠制作出這樣的激光器。 1951 年，美國的Purcell 在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在氟化釵晶體中，利用微波波譜學(xué)的方法發(fā)現(xiàn)了核自旋體的反轉(zhuǎn)分布，在這次的實(shí)驗(yàn)中，出現(xiàn)了受激輻射，其頻率恰好為 50kHz。最后再利用 Matlab 進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn) Cr ?4 : YAGNd ?3 : YAG被動(dòng)調(diào) Q 微晶片激光器。調(diào) Q 過程有很多影響因素，配置不同，得到的結(jié)果就會(huì)不同。被動(dòng)調(diào) Q 是被激光輻射自身啟動(dòng)的， Q 開關(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。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。 1928 年，德國科學(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。 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，并不斷開發(fā)新的激活介質(zhì)。 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。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。這個(gè)過程，由自發(fā)輻射光子和受激輻射光子組成。此過程 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 4 頁 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。最后產(chǎn)生的這種頻率為的形式的光，光子的數(shù)目積聚越來也多。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)的生命長度表示為 ?c ，品質(zhì)因數(shù)可以用 Q 值來表達(dá)，它用下面的式子來定義： 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。在 Q 開關(guān)運(yùn)轉(zhuǎn)中，先將能量存儲(chǔ)，通過光抽運(yùn)的方式，然后降低品質(zhì)因數(shù) Q 來降低激光震蕩的產(chǎn)生。在抽運(yùn)開始的時(shí)候，激光不能震蕩，因?yàn)?Q 值較低，能耗損失太大。如下圖所示。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 8 頁 (1)轉(zhuǎn)鏡調(diào) Q 這是一種物理的調(diào) Q 方法。這些缺點(diǎn)使得人們采取聲光調(diào) Q 技術(shù)。因而，在方向上的變化也是周期性的。 通過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。由線性轉(zhuǎn)變?yōu)閳A形。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。被動(dòng) Q 開關(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)越來越趨近飽和，透明性越來越高。諧振腔的損耗下降， Q 開關(guān)脈沖就建立起來了。 Cr ?4 離子在激光的波長段吸收面 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 12 頁 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。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。 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) ， 上式可分別化簡寫作 0iTT? 和 1iT? 。這種激光器有許多優(yōu)點(diǎn)，效率很高，使用時(shí)間長，可靠性好。 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]。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 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。 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。 (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)射與長波長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)。可以在機(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。 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)。經(jīng)過光學(xué)器件的耦合，聚焦，最終射到端面上。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。 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：單個(gè)脈沖的能量是 500mJ, 東北大學(xué)秦皇島分校