【正文】 最后，感謝我的母校，給了我這樣一個(gè)平臺(tái)，給了我學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，給我樹(shù)立了正確的人生觀，價(jià)值觀，世界觀，為我一生的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)！ 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 31 頁(yè) 參考 文獻(xiàn) [1] 周炳琨 ,高以智 ,陳倜嶸 ,等 .激光原理 [M].北京 :國(guó)防工業(yè)出版社 ,2020. [2] Koechner [M]. 北京 :科技出版社 ,2020. [3] 周城 ,張仲 ,趙朋 ,等 .LD泵浦 Nd3+∶ GVO4/ Cr4 +∶ YAG固體激光器 [J].光子學(xué)報(bào) ,2020 ,35(6):801803 . [4] 杜晨林 ,劉均海 ,王正平等 .LD抽運(yùn)聲光調(diào) Q高重復(fù)頻率短脈寬 Nd3+∶ YVO4激光器 [J] .中國(guó)激光 ,2020 , A29(6):489~491 [5] 潘雷 ,侯學(xué)元 ,李宇飛等 .氙燈抽運(yùn) Nd3+∶ GdVO4晶體的脈沖激光性能 [J].中國(guó)激光 , 2020 , 31(3):262264 [6] 漆云鳳 ,樓祺洪 ,張影華等 .Cr4+∶ YAG被動(dòng)調(diào) Q Nd3+∶ YAG陶瓷激光器的研究 [J].中國(guó)激光 ,2020 ,32(11):1449~。 同時(shí)，我還要感謝大學(xué)四年所有教過(guò)我的老師們，是你們， 循循善誘，教會(huì)了我專(zhuān)業(yè)知識(shí)，鍛煉了動(dòng)手能力等專(zhuān)業(yè)技能，培養(yǎng)了正確的學(xué)習(xí)方法以及良好的思維方式，老師們以身作則，我耳濡目染，也這一言一行中感受到了濃濃的學(xué)術(shù)氛圍，以及做人的準(zhǔn)則。本文的選題及課題研究都是在黃老師的指導(dǎo)下完成的，在黃老師耐心而又細(xì)心的指導(dǎo)下，我才得以完成本文。下一步的研究工作有： 二極管抽運(yùn)的激光器可靠性的研究，新激光激發(fā)方式研究以提高激光器效率的研究。通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到的激光脈沖波形 形狀大體相同。 本文第三章介紹了激光二極管抽運(yùn)的微晶片激光器，針對(duì)此激光器，介紹了其基本構(gòu)成，特定的抽運(yùn)方式，最后，展示了近年來(lái)的發(fā)展概況。 本文第一章首先對(duì)激光的發(fā)展做了一個(gè)綜述 ，介紹了激光的基本理論，并詳細(xì)分析了吸收和光學(xué)增益。激光二極管抽運(yùn)的被動(dòng)調(diào) Q 微晶片激光器在遠(yuǎn)程測(cè)量，公共設(shè)施，醫(yī)學(xué)外科，環(huán)境等很多領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。激光在生產(chǎn)實(shí)踐迫切需要的背景下產(chǎn)生，它一進(jìn)入大眾的視野，就獲得了飛速發(fā)展。 21 世紀(jì)是信息時(shí)代，信息學(xué)科和信息產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，在光電信息學(xué)科方面發(fā)展尤為迅速。在許許多多的問(wèn)題上，光學(xué)都發(fā)揮了巨大的作用。 從 MATLAB 命令窗口中可以得到脈沖發(fā)生重復(fù)的頻率數(shù)值是為 ，激光脈 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 28 頁(yè) 沖的寬度 (FWHM)是 。仿真后，可以得到若干重疊的激光脈沖的圖像，見(jiàn)圖 。 編寫(xiě)程序，在 MATLAB 中運(yùn)行，可以確定激光脈沖（光子數(shù)密度）的峰值所處的位置，繼續(xù)仿真分析，可以得出發(fā)生重復(fù)的頻率、脈沖的寬度等數(shù) 值。 (5)接下來(lái)，隨著時(shí)間的增加，增益介質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度逐漸減小，最后達(dá)到最小值，整個(gè)激光脈沖過(guò)程就結(jié)束了。 (4)光子數(shù)的密度開(kāi)始降低，但是脈沖依舊存在，所以反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度依然在極具降低。 (2)隨著時(shí)間的增加，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度越來(lái)越大，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)方程右邊大于零時(shí)，脈沖出現(xiàn)，光子數(shù)密度持續(xù)增長(zhǎng)，這樣一來(lái)，方程組中的第 2， 3 個(gè)方程的右邊就會(huì)小于零，即反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度和基態(tài)粒子數(shù)的密度發(fā)生變化，表現(xiàn)為降低。從這張圖中可以看出，我們可以將被動(dòng)調(diào) Q 過(guò)程中的激光脈沖的產(chǎn)生分為幾個(gè)階段： (1)自發(fā)輻射可以提供激光腔中的光子，光子數(shù)的密度不大，（在數(shù)值仿真程序中設(shè)定為 1）。 0 0 . 0 0 5 0 . 0 1 0 . 0 1 5 0 . 0 2 0 . 0 2 5 0 . 0 3 0 . 0 3 5 0 . 0 4 0 . 0 4 5 0 . 0 50510x 1 023時(shí)間 ( s )光子數(shù)密度(m3)051015x 1 024反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度(m3) 圖 被動(dòng)調(diào) Q 中光子數(shù)密度和反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度隨時(shí)間變化 我們放大來(lái)看情況，在同一個(gè)過(guò)程中，可以觀察到伴隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，反轉(zhuǎn)粒子數(shù) ，光子數(shù)都有不會(huì)保持不變，而是發(fā)生了變化。 0 0 . 0 0 5 0 . 0 1 0 . 0 1 5 0 . 0 2 0 . 0 2 5 0 . 0 3 0 . 0 3 5 0 . 0 4 0 . 0 4 5 0 . 0 50510x 1 023時(shí)間 ( s )光子數(shù)密度(m3)0 0 . 0 0 5 0 . 0 1 0 . 0 1 5 0 . 0 2 0 . 0 2 5 0 . 0 3 0 . 0 3 5 0 . 0 4 0 . 0 4 5 0 . 0 5010x 1 024時(shí)間 ( s )反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度(m3)0 0 . 0 0 5 0 . 0 1 0 . 0 1 5 0 . 0 2 0 . 0 2 5 0 . 0 3 0 . 0 3 5 0 . 0 4 0 . 0 4 5 0 . 0 505x 1 024時(shí)間 ( s )基態(tài)粒子數(shù)密度(m3) 圖 被動(dòng)調(diào) Q 仿真分析結(jié)果 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 26 頁(yè) 可以在 MATLAB 中調(diào)用 plotyy()函數(shù)，這樣，現(xiàn)象更清晰。 運(yùn)行程序即可得到被動(dòng)調(diào) Q 的仿真情況，如下圖。下表給出的是各物理量系數(shù)的典型取值。 查閱文獻(xiàn)，結(jié)合實(shí)際，就可以得到微晶片激光器各物理量系數(shù)的典型取值， Nd3+:YAG和 Cr4+: YAG 的折射率分別記作 1n 和 2n 。參數(shù)值不同，得到的結(jié)果也就不同。 若按照上面的式子，與實(shí)際情況是有差別的，在實(shí)際情況中，通常將晶片的摻雜濃度提高，因而增大了增益介質(zhì)的最大粒子反轉(zhuǎn)數(shù)，所以，在抽運(yùn)項(xiàng)中添加了因子(1 / )Tn N? 來(lái)模擬實(shí)際情況 [29]。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。 若想研究連續(xù)脈沖的情況，就要用到調(diào) Q 速率方程，此方程適用于激發(fā)態(tài)的狀態(tài)。 c 為光速；光在腔中往返一周的時(shí)間用 39。cl 來(lái)表示。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。 被動(dòng)調(diào) Q 耦合速率方程 被動(dòng)調(diào) Q 的脈寬很窄，受抽運(yùn)源的 影響極小可以忽略不計(jì)，那么可以得到下列的方程，此方程是被動(dòng)調(diào) Q 方程。微晶片激光器的摻雜濃度很高、諧振腔的長(zhǎng)度不長(zhǎng)。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 23 頁(yè) 4 二極管抽運(yùn)的被動(dòng)調(diào) Q 微晶片激光器仿真研究 在前幾章，我們研究了激光調(diào) Q 技術(shù)，詳細(xì)分析了激光二極管抽運(yùn)的微晶片激 光器的基本構(gòu)成，抽運(yùn)技術(shù)的發(fā)展及優(yōu)勢(shì)。 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。抽運(yùn)光波長(zhǎng)為 。腔長(zhǎng)為 450181。最后得到，在電壓為 1kV 左右時(shí)，調(diào)頻速率為 14MHz/V，調(diào)頻范圍變化是 0~1. 3GHz，范圍可達(dá) 30GHz。 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。當(dāng)抽運(yùn)功率數(shù)值達(dá)到閾值的幾倍時(shí)，可以輸出 10mW 的單縱模偏振。 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。可以獲得 180GHz 的調(diào)節(jié)范圍。特別的，當(dāng)溫度為 220℃時(shí)，對(duì)應(yīng)的抽運(yùn)的閾值是 43mW。m單頻的二極管抽運(yùn)激光器的參數(shù)如下：諧振腔為 540181。要想增大 Nd3+的摻雜度，就需要降低抽運(yùn)閾值。研究表明，電壓變化 10mV，功率隨之變化 8mW。 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。其選取的頻率為 的波長(zhǎng)。 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。此激光器的參數(shù)如下：晶體大小為 3mm，諧振腔長(zhǎng)是 ，抽運(yùn)閾值是 100mW，最大功率是 10mW。若繼續(xù)提高頻率，那么調(diào)頻的速度會(huì)變化到 MHz/V。對(duì) PZT 施加1000V 左右的電壓，當(dāng)調(diào)制頻率為 0 ~ 80kHz 時(shí)，調(diào)頻的速度是 。此實(shí)驗(yàn)所用的微晶片的尺寸是 。接下來(lái)，他們又研究了 Nd3+: YAG 激光器的頻率調(diào)節(jié)的性能 [28]。 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]。 但由于作為增益介質(zhì)的 Nd3+: YAG 變薄，必然會(huì)降低抽運(yùn)光的 吸收率。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。 80 年代，開(kāi)始研究單頻的激光器。 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。 由于結(jié)構(gòu)的原因，抽運(yùn)的激活區(qū)域在棒部和片部的邊界部分，不能與 TEM00模體積很好的耦合，所以，多模會(huì)提高工作效率。 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：?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。 結(jié)構(gòu)如下： 平移裝置散熱器二極管陣列釹玻璃棒棒散熱器 圖 LD 側(cè)面抽運(yùn)固體激光器的實(shí)驗(yàn)裝置 側(cè)面抽運(yùn)的二極管陣列有很大應(yīng)用范圍，僅通過(guò)耦合，二極管陣列排布到介質(zhì)上。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)。上面所述的激光器的介質(zhì)形狀大多是片狀或者 棒狀，唯一例外的是光纖激光器。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。輸出面具有對(duì)所需的固體激光波長(zhǎng)合適的透過(guò)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。高反膜的波長(zhǎng)是 1064nm，反射性很強(qiáng)，反射率能夠到達(dá) 90%以上。經(jīng)過(guò)光學(xué)器件的耦合，聚焦，最終射到端面上。席佩斯 [26]設(shè)計(jì)出了如下圖所示的激光器結(jié)構(gòu)。這樣的激光器，即使沒(méi)有光圈隔膜，也能夠輸出基模。所以，這種結(jié)構(gòu)可以很高效的利用激光器發(fā)出的能量。 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)。這種二極管系統(tǒng)較小，布局緊湊。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。一種是端面抽運(yùn) 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 17 頁(yè) (Endpumping )，另外一種是側(cè)面抽運(yùn) (Sidepumping )。 二極管與閃光燈相對(duì)比，光譜特性和空間特性?xún)?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。 這種完美的匹配，使得抽運(yùn)源能夠高效率地產(chǎn)生反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，而且二極管陣列輸出具有方向性，能夠高效的將抽運(yùn)輻射傳輸?shù)矫荞詈辖Y(jié)構(gòu)的材料，或者利用光學(xué)系統(tǒng)，將抽運(yùn)的輻射傳到增益介質(zhì)當(dāng)中。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。但是，很多非常有用的材料如 ND:YVO YB:YAG 和 Tm:YAG 等，只能夠用激光二極管抽運(yùn)?？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。激光二極管抽運(yùn)的激光器沒(méi)有紫外線的輻射，不會(huì)出現(xiàn)這類(lèi)問(wèn)題。 (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。 (4)增大脈沖重復(fù)率 準(zhǔn)連續(xù)激光二極管不但能像傳統(tǒng)的閃光燈一樣有較低的重復(fù)率，而且能像連續(xù)的弧光燈一樣連續(xù)運(yùn)行。 (3