【正文】 忽略掉，但是當(dāng)光抽運(yùn)后，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)增加，當(dāng)數(shù)目達(dá)到一定程度時(shí)，激光器就發(fā)生震蕩，處于高能級(jí)的粒子受到輻射后，數(shù)目開始減少，這樣就會(huì)使高能級(jí)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)目不會(huì)很多。每秒鐘，光損失的能量可以表示為 WnLc? 。時(shí)間極短，而介質(zhì)儲(chǔ)存了巨大能量，與普通的相比，高出好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。 可以從圖 看出 Q 開關(guān)脈沖產(chǎn)生的經(jīng)典的時(shí)間順序 [3]，激光只能在高 Q 值腔內(nèi)產(chǎn)生。被動(dòng)調(diào) Q 可以細(xì)化為：色心晶體調(diào) Q 法， Cr ?4 晶體調(diào) Q 法，染料調(diào) Q 法。除此之外，不能夠產(chǎn)生震蕩，此時(shí)的 Q 值很低，自然也不能夠輸出激光。 將聲光介質(zhì)插入激光的諧振腔中，這種介質(zhì)需滿足對(duì)激光波長是透明的條件。換能器關(guān)閉，諧振腔約 Q 值恢復(fù)到之前的水平，得到激光輸出。電光效應(yīng)速率很快，可以利用特定的晶體來制作電控光閘，此種閘速率非?？?。在 (b)中，要達(dá)到光束透射的目的，就需要給光電盒子施加電壓。經(jīng)過這樣的過程，光束已經(jīng)旋轉(zhuǎn)了 180 度，就可以正好通過 1P 。在光譜躍遷的基礎(chǔ)上，可飽和吸收體會(huì)產(chǎn)生“漂白”。 在實(shí)際應(yīng)用中，有些領(lǐng)域需要穩(wěn)定的輸出，其穩(wěn) 定性差，故不能廣泛應(yīng)用。只有基能態(tài)的吸收截面很大，才適合作為被調(diào) Q 的材料?；軕B(tài)的粒子的密度用 0n 來表示。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 14 頁 3 激光二極管抽運(yùn)的微晶片 激光器 六十年代，固體的激光器獲得了迅速的發(fā)展。 激光二極管抽運(yùn)技術(shù) 激光二極管抽運(yùn)的固體激光器指的是用激光二極管作為激勵(lì)源去抽運(yùn)激光晶體的固體激光器。 早期，二極管必須在液氮下工作，主要用于實(shí)驗(yàn)，這個(gè)時(shí)期，二極管抽運(yùn)的激光器還很不成熟，采用的是同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，效率低下，波長范圍也很小 [17,18]。 OPC 公司生產(chǎn)的 60W 集成化光纖藕合已經(jīng)步入市場(chǎng)，麥道公司的峰值為 350kW 的激光器也得到了廣泛應(yīng)用。在連續(xù)工作時(shí)，閃光燈能夠使用時(shí)間是 500h，可以產(chǎn)生 sE 次脈沖。由于燈抽運(yùn)的系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生紫外線，那么就會(huì)導(dǎo)致抽運(yùn)腔和冷卻水發(fā)生衰變，系統(tǒng)就不會(huì)穩(wěn)定運(yùn)行。特殊地，這種二極管陣列能夠產(chǎn)生出于多種基質(zhì)材料中鐵的吸收帶相匹配的光譜，寬度在 34nm。 (1)端面抽運(yùn) 小功率的激 光二極管抽運(yùn)的激光器常用的一種方式是端面抽運(yùn)。 模式匹配度越好，激光器的設(shè)計(jì)就會(huì)越精巧。 這種抽運(yùn)方式的固體激光器在固體棒 (或片 )的前端面鍍雙色膜，這樣一來，固體激光器振蕩的波長就會(huì)完全翻折，抽運(yùn)光波長幾乎無損耗的透過 。 (2)側(cè)面抽運(yùn) 高功率的二極管激光器就需要用固體列陣激光器從側(cè)向來抽運(yùn)。微晶片與棒狀，片狀的介質(zhì)相比，具有很強(qiáng)的優(yōu)越性，用微晶片來替代，也是研究的一個(gè)熱點(diǎn)。 他們?cè)谳斎攵嗣驽兎瓷淠ぃ梢酝高^光束，在輸出端面同樣鍍反射膜來反射抽運(yùn)光。 1990 年，英國研究出了構(gòu)造為半外腔的激光器，此二極管抽運(yùn)的 Nd3+: YAG 微晶片激光器可以對(duì) 單頻進(jìn)行調(diào)整。增大功率會(huì)改變?cè)鲆娼橘|(zhì)的溫度，從而改變折射率與諧振腔的長度。溫 度每提高 1℃，波長變化 。對(duì)電光晶體施加壓力，就會(huì)明顯改變晶體的折射率。 目前，激光二極管抽運(yùn)的 Nd3+: YAG 微晶片激光器展現(xiàn)出很大的優(yōu)勢(shì)，成為一個(gè)熱門話題，隨著研究的深入，此類激光器的性能將會(huì)大幅度提高。增益介質(zhì)，可飽和吸收體沿諧振腔的中心軸線，等效光程的長度分別用 l ， sl ， 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 24 頁 39。 ? ?? ?0012 2 2 ln1gs gs s e s s gs srpTags s gsgs gsgsdnl n l n n ldt Rtdn n nt c nRdt Ndn n ndt??????? ? ??????? ??? ? ? ? ? ????????????? ? ? ?????????????????? () 在上面的式子中，抽運(yùn)速率記作 ()ptR ；增益介質(zhì)的總粒子數(shù)密度用 TN 來表示；增益介質(zhì)的處于高能級(jí)的時(shí)間長度記作 a? ；可飽和吸收體恢復(fù)到原來狀態(tài)所需的時(shí)間 記作 gs? 。 表 各物理量系數(shù)的典型取值 物理值 典型值 單位 物理值 典型值 單位 ? 1023 m 2 gs? 1023 m 2 es? 1023 m 2 TN 1026 m 3 1n 2n ? l 1 mm a? 750 s? sl 1 mm gs? 3 s? ? 1 在 MATLAB 中，調(diào)用函數(shù) ode45()，這個(gè)函數(shù)是用 來求解常微分方程初值問題的，將上表中的各參數(shù)值代入上面的方程組，連續(xù)抽運(yùn)被動(dòng)調(diào) Q 速率方程組式，求解數(shù)值，附錄中附有程序的源代碼。當(dāng)時(shí)間增加時(shí)，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度也就跟著提高。程序代碼見附錄。光波導(dǎo)和激光是目前兩個(gè)很重要的研究門類。 本文第四章 在 Windows 平臺(tái)下利用 Matlab 進(jìn)行仿真 ，仿真展示出了不同參量下被動(dòng)調(diào) Q 脈沖的輸出，調(diào) Q 過程中光子數(shù)密度，增益介質(zhì)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度，可飽和吸收體基態(tài)粒子數(shù)密度隨時(shí)間的變化以及激光脈沖的產(chǎn)生過程，脈沖的重復(fù)頻率，脈沖寬度等值。當(dāng)我們?cè)趯W(xué)習(xí)生活中遇到困難時(shí)，老師們從來不會(huì)感到厭煩，而是抱著認(rèn)真求實(shí)的態(tài)度為我們一一解答，老師們亦師亦友，教會(huì)了太多太多，謝謝老師們把我培養(yǎng)成了對(duì)社會(huì)有用的人！ 同時(shí)，我還要感謝我的同學(xué)，感謝他們?yōu)槲姨岢龅挠幸娴慕ㄗh和意見 ，讓我更快的領(lǐng)悟?qū)W習(xí)方法，感謝同學(xué) 在生活中點(diǎn)點(diǎn)滴滴的幫助，讓我感受到溫暖，有了他們的支持、鼓勵(lì)和幫助，我才能充實(shí)的度過了四年的學(xué)習(xí)生活。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 30 頁 致 謝 大學(xué)四年的學(xué)習(xí)生涯已經(jīng)接近尾聲，值此答辯之際，我想對(duì)我的母校，我的老師們表示衷心的感謝 ！ 在這里， 首先， 我想由衷地對(duì)黃力群老師表達(dá)誠摯的謝意。 本文通過理論仿真來研究被動(dòng)調(diào) Q 微晶片激光器的特性，對(duì)被動(dòng)調(diào) Q 過程進(jìn)行分析，了解其特性。 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5x 1 010012345678910x 1 023 圖 數(shù)值計(jì)算得到的多個(gè)激光脈沖波形的疊加 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 29 頁 結(jié) 論 聯(lián)合國把 2020 年確立為國際光年，希望以此來引領(lǐng)人們認(rèn)識(shí)到數(shù)年來人類在光學(xué)領(lǐng)域取得的重要成果。在抽運(yùn)速率的作用 下方程 ()中的第二個(gè)微分方程右邊變化為零的時(shí)候，增益介質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度會(huì)降低到最小數(shù)值。隨時(shí)間變化，將被動(dòng)調(diào)Q 過程中光子數(shù)密度和反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度在同一個(gè)圖中作出，可以看出，在此過程中，新的脈沖產(chǎn)生就會(huì) 伴隨增益介質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度的劇烈下降。 連續(xù)抽運(yùn)下的調(diào) Q 脈沖序列建立過程的耦合方程組，然后仿真，可以看出在參量不同時(shí)，被動(dòng)調(diào) Q 脈沖輸出的情況。 /rcctl? 來表示；反轉(zhuǎn)因子 記作 ? ， 1 對(duì)應(yīng)于四能級(jí)系統(tǒng)， 2對(duì)應(yīng)于三級(jí)系統(tǒng)。 下面將利用 Matlab 來仿真被動(dòng)調(diào) Q 微晶片激光器的特性，接下來討論研究可飽和吸收體處于激發(fā)的狀態(tài)時(shí)的吸收，就會(huì)得到連續(xù)激光二極管抽運(yùn)的被動(dòng)調(diào) Q 微晶片方程，此方程是耦合的，根據(jù)上述過程，對(duì)此被動(dòng)調(diào) Q 的過程進(jìn)行分析。m，為平行平面腔。此抽運(yùn)光是 810nm ,可以輸出的光為 ，抽運(yùn)閾值大小是 100mW，效率是 10%。此 1. 06181。 LD O P TY A GOCO upu tP Z T 圖 半外腔結(jié)構(gòu)的可調(diào)節(jié) 單頻 LD 抽運(yùn) Nd3+: YAG 微片激光器 1991 年，英國的科學(xué)家又利用 FP 穩(wěn)頻的特性，調(diào)諧腔長，從而研究二極管抽運(yùn)的 Nd ?3 : YAG 微晶片激光器的穩(wěn)定性。 輸入功率為 20~30mW 的抽運(yùn)光，獲得了 1~2mW 的單個(gè)頻率的光束。這樣一來，諧振腔的腔長會(huì)減小，腔長減小會(huì)有益于單個(gè)縱模的輸出，激光器的體積也會(huì)隨之減小。s，譜線的寬度近似為 4nm。隨著研究的深入，目前激光器的端面可以摻雜多種元素，來改善激光器的性能，例如 Ho, Tm, Yb, Cr。平凹鏡構(gòu)造的腔的抽運(yùn)端面鍍上了高反膜。選擇合適的元器件，使得光斑的大小與諧振腔的 TEM00模一致。 以二極管激光束的輸出為依據(jù)來劃分，二極管有兩類抽運(yùn)方式。 (7)實(shí)用性和兼容性強(qiáng) 激光二極管抽運(yùn)的大多數(shù)材料可以用閃光燈代替二極管來抽運(yùn)。另外，合理利用激光輻射的方向性，那么抽運(yùn)輻射與低階模的光譜 就會(huì)很好的匹配，就可能輸出 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 16 頁 亮度極高的激光。 從表面上看，激光二極管的輻射輸出能量與輸入能量相比，即效率，只能夠到達(dá) 25%— 50%，而閃光燈的輻射輸出能量與輸入能量相比，即轉(zhuǎn)換效率，能夠到達(dá) 70%。這樣一來，二極管的輸出功率以及轉(zhuǎn)化效率得到極大的提高，波長范圍展寬，使用時(shí)間也增長很多。由于其輸出的波長和激光晶體 (Nd ?3 摻雜 )的吸收帶的吻合性 較好，所以，從理論上講，可以生產(chǎn)出激光二極管抽運(yùn)的效率高，體積小，使用時(shí)間長的激光器。全固態(tài)的激光器揚(yáng)長避短，在各個(gè)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。 然而實(shí)際情況中，即使調(diào) Q 材料能夠在基能態(tài)表現(xiàn)出飽和的特性，仍舊不可能達(dá)到完全的透射，因?yàn)楣庾訒?huì)被受激原子吸收?？娠柡臀阵w的能級(jí)圖如圖 所示。吸收帶寬高，摻雜度高，導(dǎo)熱率較高，性能很好。 Q 開關(guān)是由激光輻射自身啟動(dòng)的，不用外加電壓，等設(shè)備。在能量密度達(dá)到某一很高的值時(shí)，材料就會(huì)飽和，透射率就會(huì)比較高。在沒有電壓的情況下，偏振器不會(huì)發(fā)生變化，此時(shí)，Q 值是最小的。輻射經(jīng)過反射之后，又一次經(jīng)過電光盒，間隔 4? 的延時(shí)后，變化為角度偏轉(zhuǎn) 90 度的線性偏振光。將超聲波射入石英體中，此石英體帶有 Q 開關(guān)。如果控制好條件，那么可以利用這種變化產(chǎn)生光柵的效果。 (2)聲光調(diào) Q 通過在諧振腔中放置介質(zhì)，就可以組成調(diào) Q 開關(guān)。這種方法是利用阻擋光的通道方式實(shí)現(xiàn)的，或者是令腔內(nèi)的鏡片不對(duì)準(zhǔn)。經(jīng)過很長時(shí)間，才會(huì)輸出一個(gè)激光脈沖。這時(shí)，高能級(jí)的粒子就大量積累。盡管激活介質(zhì)能夠儲(chǔ)存巨大的能量，但是腔會(huì)損失很大的能量，閾值會(huì)非常高，比產(chǎn)生激光的臨界閾值高出很多。 式中，中心頻率用 0v 來表示。激光產(chǎn)生就是這樣形成的。這時(shí)原子就會(huì)輸出一個(gè)光子，它和外來光子具有相同特性。 原子受到激 勵(lì)激發(fā)到高能級(jí) E2 時(shí)，它的狀態(tài)是不夠穩(wěn)定的，有一種向低能級(jí)躍遷的趨勢(shì)。調(diào) Q 技術(shù)越來越成熟，脈沖的峰值功率不斷提升。在工業(yè)方面，二氧化碳激光器，半導(dǎo)體激光器，激光印刷，光盤讀取，光纖等方面都有很多應(yīng)用。 1956 年，科學(xué)家成功研制出了固體微波激光器，其采用了三能級(jí)方法來實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。 1939 年，蘇聯(lián)的科學(xué)家法布里康特指出，可以通過做實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)受激輻射是否存在。 關(guān)鍵詞： 激光二極管，被動(dòng)調(diào) Q， 耦合 ， 抽運(yùn) 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 II 頁 A passively Qswitched diode pumped microchip Lasers simulation Author： Zheng Meng Tutor： Huang liqun Abstract A laser diode (LD) pumped microchip lasers have all solid, small size, simple structure features and so known as Qswitch technology, continuous laser energy is pressed into the general output pulse width extremely narrow emission, so that the peak power of the light source can be increased several orders of magnitude of a technique, in order to obtain high peak power, narrow width pulse Q is activated by the laser radiation itself, Q switch is filled with anic dyes such as crystal or doped optical elements. This paper introduces the purpose of laser diode pumped passively Q technology,