【正文】 )改善了光束質(zhì)量 將激光二極管抽運固體激光器的發(fā)射與長波長釹吸收帶之間的光譜進(jìn)行合理匹配，就會降低激光材料積累熱損耗，這樣就會減小熱透鏡的效應(yīng)，提高光束品質(zhì)。所以激光二極管抽運固體激光器比閃光燈抽運的激光器有很大的優(yōu)越性。 (2)延長了元件的壽命 在處于連續(xù)工作的 狀態(tài)時，激光二極管陣列可以使用時間是 104h，可以產(chǎn)生 109次脈沖。激光二極管比閃光燈的效率低得多。 激光二極管抽運技術(shù)的優(yōu)點 (1)提高了工作效率 在 808nm 時，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)生的抽運速率很高。 二極管的快速發(fā)展，帶來了新型固體激光材料和二極管抽運技術(shù)的繁榮。 勞倫斯 .利弗莫爾實驗室 (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抽運 Nd ?3 : YAG 晶體板條。加之微通道制冷 [21]技術(shù)的發(fā)展，使得大功率激光器成為可能。尤其是分子束外 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（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。 隨著研究的深入， 激光二極管可以不必在液氮下工作，可以在室溫進(jìn)行，但是性能不夠完備，輸出功率和效率比較低 [19,20]，還不能進(jìn)入市場。 1971 年， Qstermeys[16]稱利用二極管抽運，獲取了功率為 ，寬度為 1064nm 的激光。 1964 年，來自美國的林肯實驗室 [14]第一次實現(xiàn)了激光二極管抽運的激光。 激光二極管抽運技術(shù)的發(fā)展 在 1960 年，紐曼第一次提出激光二極管抽運的固體激光器的設(shè)想，隨后通過不斷地實驗研究，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]。與傳統(tǒng)的閃光燈抽運相比，具有很明顯的優(yōu)點。因為微晶片激光器的諧振腔的截面都是平面，腔長不長，這種激光器的構(gòu)造不復(fù)雜，成本低，發(fā)展前景很好。發(fā)展最迅速的是二極管抽運的微晶片激光器，是激光的重要發(fā)展方向。這種激光器有許多優(yōu)點，效率很高，使用時間長，可靠性好。因為效率不高，還存在熱效應(yīng)，傳統(tǒng)的燈抽運的固體激光器并未獲得深入的發(fā)展。當(dāng)基態(tài)達(dá)到飽和的狀態(tài)時，激發(fā)能態(tài)會發(fā)生吸收，激光腔內(nèi)就會發(fā)生殘余損耗。上圖 可以看出，能級 2 向能級 4 躍遷，躍遷與能量相對應(yīng)。 理想情況下，可飽和的吸收體對應(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 ， 上式可分別化簡寫作 0iTT? 和 1iT? 。在可飽和的吸收體介質(zhì)中，位置不一樣，則光通量和粒子密度也不同。 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 來表示。 對于可飽和吸收體來說，吸收系數(shù)為如下，其與光線強度有關(guān) [12]。反之，如果粒子數(shù)目達(dá)到一定數(shù)量，那么吸收體就會變成透明的。與此同時，上能態(tài)能級 2 存活時間必須足夠長，才會大量消耗基能態(tài)的粒子數(shù)。 3~2 能級躍遷很快。這樣一來，被動調(diào) Q 固體激光器的性能有很大提升，效率提高，因而得到了 很廣泛的應(yīng)用。 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（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。 0 . 0 0 . 2 0 . 4 0 . 8 1 . 00.9 0.8 0.7 0.6 0.5透射率能量密度 /( 焦耳 / 平方厘米 ) 圖 厚度為 的 Cr ?4 : YAG 吸收體的透射率和能量密度之間的關(guān)系 為了增加耐用性和可靠性，人們采取了兩種方法，一種是摻雜吸收性離子，另外一種是加入色心。 (3)設(shè)計簡單，便于調(diào)整，易于維護(hù)。與傳統(tǒng)的激光器相比，激光二極管抽運的被動調(diào) Q 激光器有很多優(yōu)勢，優(yōu)點如下： (1)典型的腔長數(shù)量級為毫米，亞毫米級別，甚至可以降低到皮秒級別，使得易產(chǎn)生單縱模的激光。諧振腔的損耗下降， Q 開關(guān)脈沖就建立起來了。若在諧振腔中放置一種高吸 收率的材料，那么激光的震蕩急劇降低， Q 開關(guān)關(guān)閉。增加諧振腔的光強，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定程度時，飽和吸收體就會變得透明起來，透射率很高。只有基于光譜躍遷的飽和，才會發(fā)生可飽和吸收體 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 11 頁 中的漂白過程。被動 Q 開關(guān)是光學(xué)器件，其裝滿有機染料，或者摻雜晶體，隨著能量的提高，光學(xué)器件就會越來越趨近飽和，透明性越來越高。 電光調(diào) Q 具有很多優(yōu)點，例如響應(yīng)速度快，良好的調(diào) Q 時刻的掌控，可以獲取極窄的脈沖寬度，能夠獲得的峰值功率也非常高。又會旋轉(zhuǎn) 90 度。 經(jīng)過一段時間后，將數(shù)值為 2V? 的電壓附加在電光盒上，就會使光束發(fā)生變化，會旋轉(zhuǎn)一定的角度，精確來講為 90 度，這樣一來，光束正好通過檢偏器 2P 。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。這樣的 Q 開關(guān)是由這樣的脈沖控制的。 經(jīng)過這樣的一個過程，諧振腔就會產(chǎn)生震蕩，經(jīng)過一小段時間的延遲，就會有脈沖輸出。光反饋會對實驗產(chǎn)生影響，但是此輻射通 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 10 頁 過起偏器，所以避免了這個因素。由線性轉(zhuǎn)變?yōu)閳A形。如下圖 所示 [10]，此裝置裝有電光盒。 (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)。將電壓斷開，激光器就又恢復(fù)到 Q 值較高的形態(tài)。 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。這種調(diào)制方式有許多優(yōu)點，最重要的是，能量等損耗很低。 粒子匯聚，高能級上會越來越多。此時就會有衍射和散射對其產(chǎn)生干擾。因而，在方向上的變化也是周期性的。在聲光介質(zhì)貼上一種換能器，這種換能器是由壓電薄片作的，這樣晶體就會發(fā)生超聲波震蕩 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 9 頁 了 [5]。在聲光晶體中，利用這種轉(zhuǎn)換器就能夠輸出超聲波震蕩。此介質(zhì)需滿足對激光波長透明的條件。這些缺點使得人們采取聲光調(diào) Q 技術(shù)。 固定的反射鏡 （ 部分透光 ）閃光燈抽運腔紅寶石棒脈沖電機旋轉(zhuǎn)反射鏡（ Porrol 棱鏡 ） 圖 旋轉(zhuǎn)棱鏡 Q 開關(guān)的紅寶石激光器的簡圖 轉(zhuǎn)鏡調(diào) Q 操作不復(fù)雜，成本較低。當(dāng)滿足腔處于高 Q 值，并且棱鏡與反射鏡相對的時候，才能輸出激光。在當(dāng)閃光燈脈沖將要截止的時候，假若激光棒中存在大量的能量，那就可以有很高的品質(zhì)因數(shù) Q，就能夠使得激光器輸出一個脈沖。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 8 頁 (1)轉(zhuǎn)鏡調(diào) Q 這是一種物理的調(diào) Q 方法。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 7 頁 tttt燈的輸入電流0m a xEm inE諧振腔損耗的能量intnfnm a x?m in?光子通量反轉(zhuǎn)粒子數(shù) 圖 Q 開關(guān)脈沖的形成過程 調(diào) Q 技術(shù) 主動調(diào) Q 技術(shù) 主動調(diào) Q 技術(shù)的概念是人們通過一些物理手段，進(jìn)而掌控激光腔內(nèi)的能量的損耗。主動式可以細(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。 圖中示出了燈的輸入電流，諧振腔損耗的能量，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)和光子通量與時間的函數(shù)關(guān)系。如下圖所示。在閃光燈抽運脈沖的末端，如果反轉(zhuǎn)粒子的很多，當(dāng)?shù)竭_(dá)峰值時，相應(yīng)的 Q 值會到達(dá)最高值。這時，激光脈沖的峰值功率會非常高。 通過增加外在條件，例如添加激發(fā)功率，處于高能級的粒子數(shù)大量積累，隨著時間延長，當(dāng)高能級的粒子數(shù)到最大值時，增大 Q 值，這樣一來，閾值也會突然降低，就會產(chǎn)生強烈的激光的震蕩 。在抽運開始的時候，激光不能震蕩，因為 Q 值較低，能耗損失太大。 通過一定的方法，使之當(dāng)時間改變時，品質(zhì)因數(shù) Q 值發(fā)生變化。當(dāng)品質(zhì)因 數(shù) Q 變化為高數(shù)值時，積聚的能量就會釋放，時間非常短暫，形成光脈沖。這樣就會遏制起振。在 Q 開關(guān)運轉(zhuǎn)中，先將能量存儲，通過光抽運的方式，然后降低品質(zhì)因數(shù) Q 來降低激光震蕩的產(chǎn)生。品質(zhì)因數(shù) Q 可以用下面的式子 來表示 0 022 W n LQ v W c n L ?? ????? () 品質(zhì)因數(shù) Q 越小，意味著能量損耗越大。因此，光通過腔一次，歷時是 /nLc 。腔內(nèi)的能量積累，存儲后用 W 來表達(dá)，光在腔內(nèi)傳播都 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 6 頁 會有損失，每次傳播的消耗的能量用 ? 來表示，在一次的傳播中，光就會損耗數(shù)量為 W?的能量。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)存儲的能量， m 為每秒損耗的能量。由于這樣的原因，普通的激光器的峰值功率一直不能提高。 無規(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。腔內(nèi)任何模式的光，只有至少存在一個光子，才能形成這樣一個過程。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。這樣，在這種模式下，就會得到一個光子，與高能級的原子相互作用，就會發(fā)生受激輻射，進(jìn)而再一次產(chǎn)生光子 。 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 從光子的觀點來看，在能級 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，腔內(nèi)頻率為 ? 的模式的光，就能夠得到一個光子。激光的產(chǎn)生就是在收到激發(fā)，發(fā)生輻射這個過程中產(chǎn)生的。此過程 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（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 E2上的原子也會受到外來的能量 21hv 的光子的激發(fā)，而從高能級 E2躍遷到低能級 E1上去。輻射出的光子能量滿足玻爾條件： 2 1 21E