【正文】 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，他們又研究了 Nd3+: YAG 激光器的頻率調(diào)節(jié)的性能 [28]。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 19 頁(yè) 809nm PumpStressPZTNd:YAG Microchip Laser SingleFrequency Output圖 Nd3+: YAG 微晶片激光器m?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，這樣來構(gòu)成激光二極管抽運(yùn)的微晶片激光器。 80 年代，開始研究單頻的激光器?，F(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。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 18 頁(yè) 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,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：Nd 3+: 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)合適的透過率。端面抽運(yùn)的激光器構(gòu)造簡(jiǎn) 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 17 頁(yè) 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，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)(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:YVOYB: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)的激光器沒有紫外線的輻射，不會(huì)出現(xiàn)這類問題。(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，也沒有紫外線的輻射，所以不會(huì)對(duì)健康產(chǎn)生影響。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 15 頁(yè) (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)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)。所以激光sE二極管抽運(yùn)固體激光器比閃光燈抽運(yùn)的激光器有很大的優(yōu)越性。(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。激光二極管比閃光燈的效率低得多。 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。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(yùn)技術(shù)的繁榮。 (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(yùn) 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 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 14 頁(yè) 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(chǎng)。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。1964 年，來自美國(guó)的林肯實(shí)驗(yàn)室 [14]第一次實(shí)現(xiàn)了激光二極管抽運(yùn)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]。與傳統(tǒng)的閃光燈抽運(yùn)相比，具有很明顯的優(yōu)點(diǎn)。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。發(fā)展最迅速的是二極管抽運(yùn)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(diǎn)，效率很高，使用時(shí)間長(zhǎng)，可靠性好。因?yàn)樾什桓?，還存在熱效應(yīng)，傳統(tǒng)的燈抽運(yùn)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(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。上圖 可以看出，能級(jí) 2 向能級(jí) 4 躍遷，躍遷與能量相對(duì)應(yīng)。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： ()011sEsiETIneT???????????????近似的，若 和 時(shí)，上式可分別化簡(jiǎn)寫作 和 。在可飽和sl 0n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。gs1243 快慢快τ AB圖 A 為 ，B 為 ,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 ?gs?es 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 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 12 頁(yè) ()000exp()exp()sgslnlT??????可飽和的吸收體的厚度用 來表示。對(duì)于可飽和吸收體來說，吸收系數(shù)為如下，其與光線強(qiáng)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(huì)變成透明的。與此同時(shí)，上能態(tài)能級(jí) 2 存活時(shí)間必須足夠長(zhǎng)，才會(huì)大量消耗基能態(tài)的粒子數(shù)。3~2 能級(jí)躍遷很快。這樣一來，被動(dòng)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(zhǎng)段吸收面積很大，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。 0.8 透射率能 量 密 度 /(焦 耳 /平 方 厘 米 ) 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 11 頁(yè) 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(jì)簡(jiǎn)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(yùn)的被動(dòng)調(diào) Q 激光器有很多優(yōu)勢(shì)，優(yōu)點(diǎn)如下：(1)典型的腔長(zhǎng)數(shù)量級(jí)為毫米，亞毫米級(jí)別，甚至可以降低到皮秒級(jí)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(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，透射率很高。只有基于光譜躍遷的飽和，才會(huì)發(fā)生可飽和吸收體中的漂白過程。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。1 電光調(diào) Q 具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如響應(yīng)速度快，良好的調(diào) Q 時(shí)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(huì)旋轉(zhuǎn) 90 度。 經(jīng)過一段時(shí)間后，將數(shù)值為 的電壓附加在電光盒上，就會(huì)使光束發(fā)生變化，2V?會(huì)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 。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 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(gè)過程，諧振腔就會(huì)產(chǎn)生震蕩，經(jīng)過一小段時(shí)間的延遲，就會(huì)有脈沖輸出。光反饋會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生影響，但是4?此輻射通過起偏器，所以避免了這個(gè)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(diǎn)，最重要的是，能量等損耗很低。 粒子匯聚，高能級(jí)上會(huì)越來越多。此時(shí)就會(huì)有衍射和散射對(duì)其產(chǎn)生干擾。因而，在方向上的變化也是周期性的。在 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 8 頁(yè) 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(huì)發(fā)生超聲波震蕩了 [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(duì)激光波長(zhǎng)透明的條件。這些缺點(diǎn)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(yùn) 腔紅 寶 石 棒脈 沖電 機(jī)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(jiǎn)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(duì)的時(shí)候，才能輸出激光。在當(dāng)閃光燈脈沖將要截止的時(shí)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(gè)脈沖。(1)轉(zhuǎn)鏡調(diào) Q這是一種物理的調(diào) Q 方法。tttt燈的輸入電流0maxEin諧振腔損耗的能量 itnfmax?min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(dòng)調(diào) Q 技術(shù)主動(dòng)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(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。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(shí)間的函數(shù)關(guān)系。如下圖所示。在閃光燈抽運(yùn)脈沖的末端，如果反轉(zhuǎn)粒子的很多，當(dāng)?shù)竭_(dá)峰值時(shí)，相應(yīng)的 Q 值會(huì)到達(dá)最高值。這時(shí)，激光脈沖的峰值功率會(huì)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(jí)的粒子數(shù)大量積累，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，當(dāng)高能級(jí)的粒子數(shù)到最大值時(shí)，增大 Q 值，這樣一來，閾值也會(huì)突然降低，就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的激光的震蕩。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。 通過一定的方法，使之當(dāng)時(shí)間改變時(shí)，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(shí)，積聚的能量就會(huì)釋放，時(shí)間非常短暫，形成光脈沖。這樣就會(huì)遏制起振。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。品質(zhì)因數(shù) Q 可/ nLc?以用下面的式子來表示 ()0022WQvL??????品質(zhì)因數(shù) Q 越小，意味著能量損耗越大