【正文】 E hv?一 () 假設(shè)原子系統(tǒng)受到外加能量， 如 21hv 的光子照射時(shí)，如果滿足條件 21 2 1hv E E? 一 那么處于低能態(tài) E1 上的原子就會(huì)發(fā)生受激吸收，吸收此光子，得到能量，躍遷到高能態(tài)E2 上，如下圖 2. 1(b)所示。只通過釋放熱能的方式來躍遷的，叫做無輻射躍遷。即使沒有外界因素，處于高能級(jí)的原子，也有可能發(fā)生躍遷。這個(gè)過程，由自發(fā)輻射光子和受激輻射光子組成。在這種模型下，設(shè)定了原子只有兩個(gè)能級(jí)，能級(jí) 2 和能級(jí) 1，如下圖 所示。在這次的計(jì)算推導(dǎo)中，他提出了兩個(gè)非常重要的概念，這兩個(gè)概念對(duì)以后的研究產(chǎn)生了極大影響，即受激和自發(fā)兩種輻射。這樣得到了脈沖寬度的最低值為 2/LC(激光器諧振腔的長度為 L ，光速是 C ，因此通過該技術(shù)，我們一般最多只能夠輸出 納秒級(jí)別的激光脈沖 )。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。 1961年，調(diào) Q 的概念被 Hellwarth 提出。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3 頁 2 激光調(diào) Q 技術(shù) 1960 年， 成功研制出由紅寶石作為抽運(yùn)材質(zhì)的激光器，這是激光器史上的一大進(jìn)步。在醫(yī)療方面，激光凝固器應(yīng)用廣泛，在婦科，腫瘤科，眼科等科都發(fā)揮了很大的作用。 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?？茖W(xué)家梅曼，一直致力于將紅寶石作為材質(zhì)的的受激實(shí)驗(yàn)研究，在 1960 年 5 月 15 日終于觀測到光激勵(lì)紅寶石受激輻射信號(hào)，通過不懈努力，最終研制出了世界第一臺(tái)紅寶石固態(tài)激光器。 1958 年 12 月，肖洛和湯斯共同 研究，發(fā)表了《紅外與光激射器》一文。之后，湯斯和肖洛一起研究，面對(duì)諧振腔的問題，肖洛提出用 FP 干涉儀來 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 2 頁 代替諧振腔。 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)。他多次嘗試，都以失敗告終，最后，他選取了用諧振腔的方法來進(jìn)行模式選擇的思路，最后被激發(fā)，發(fā)生震蕩，進(jìn)而放大。這預(yù)示著人們通過不懈努力最后掌握了受激輻射的方法。他指出，要想實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，那么必須的條件是 受激輻射，簡言之就是粒子的數(shù)目在高能級(jí)上比在低能級(jí)上要多很多。 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。此類光量子的性質(zhì)很特殊，其頻率，傳播的方向，偏振的方向等特性都與輻射量子是一致的。 激光器的發(fā)展簡史 1917 年，愛因斯坦首次提出并 詳細(xì)分析了原子收到激發(fā)時(shí)發(fā)生輻射的情況。本文先從理論 層面上對(duì)這種激光器進(jìn)行了探究，從激光的原理出發(fā)，依次分析了被動(dòng)調(diào) Q 技術(shù)，用二極管進(jìn)行抽運(yùn)的方法和好處。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。 在此基礎(chǔ)上，代入數(shù)值，進(jìn)行仿真，就可以得到不同參量下被動(dòng)調(diào) Q 脈沖輸出的精確結(jié)果。微晶片激光器的摻雜的濃度高，諧振腔不長，這些特點(diǎn)都會(huì)對(duì)調(diào) Q 產(chǎn)生影響。首先分析被動(dòng)調(diào) Q 激光器的理論，就會(huì)得 到一些相互作用的關(guān)系，其中，增益介質(zhì)中的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的密度、可飽和和吸收體中反轉(zhuǎn)粒子的密度以及諧振腔內(nèi)光子數(shù)密度是相互關(guān)聯(lián)的。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。 畢業(yè)論文 激光二極管抽運(yùn)的被動(dòng)調(diào) Q 微晶片 激光器仿真研究 院 別 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院 專 業(yè)名稱 通信工程 班級(jí) 學(xué)號(hào) 學(xué)生 姓名 指導(dǎo)教師 2020 年 6 月 8 日 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 I 頁 激光二極管抽運(yùn)的被動(dòng)調(diào) Q 微晶片激光器仿真 摘 要 激光二極管 (LD)抽運(yùn)的微晶片激光器具有全固化、體積小、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)。調(diào) Q技術(shù)又叫 Q 開關(guān)技術(shù)，是將一般輸出的連續(xù)激光能量壓縮到寬度極窄的脈沖中發(fā)射，從而使光源的峰值功率可提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的一種技術(shù)，目的是獲得高峰值功率，窄脈寬脈沖激光。 本文首先介紹了激光二極管抽運(yùn)的被動(dòng)調(diào) Q 技術(shù)的目的，意義及其發(fā)展。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。 下面 利用 Matlab 來仿真被動(dòng)調(diào) Q Nd ?3 :YAG 微晶片激光器的特性，再研究Cr ?4 :YAG 可飽和吸收體處于激發(fā)狀態(tài)時(shí)的吸收情況，得到在二極管接連不斷的抽運(yùn)下，激光二極管的 Cr ?4 :YAG 被動(dòng)調(diào) Q Nd ?3 :YAG 微晶片激光器的耦合方程，并據(jù)此對(duì)被動(dòng)調(diào) Q 的過程進(jìn)行分析 。取微晶片激光器各物理量系數(shù)的典型取值，編程求解該微晶片激光器對(duì)應(yīng)的速率方程組，可以看出隨時(shí)間變化，光子數(shù)的密度，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的密度，處于基態(tài)的粒子數(shù)的密度都會(huì)變化，我們用曲線來形象表示。 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,the significance and passively Qswitched lasers theoretical can got the equations that the gain medium inversion density, can be saturated and the absorbent core population inversion density and cavity photon number density of the mutual coupling between .Microchip lasers have high doping concentration, cavity length features, will inevitably have an impact on the process and passively Q parameters. We will use Matlab to simulate the characteristics of passively Qswitched consider the Cr ?4 :YAG rsaturable absorption excited state absorption body to obtain a continuous laser diode pumped Cr ?4 :YAG passively Q Nd ?3 : YAG microchip lasers coupled equations, and analysis passively Qanalysis the basis of numerical simulation, you can get different parameters of passively Qswitched output accurate microchip lasers typical values of each physical factor, programmed to solve the microchip laser rate equations corresponding to make the photon number density inversion density and particle number density of the ground state of change over time can simulate to get passively Qswitched laser pulse repetition frequency, pulse width equivalent. Key Words: Laser diode,passively Qswitched, coupling, pumped 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 III 頁 目 錄 1 緒論 ..............................................................1 激光器的發(fā)展簡史 ..............................................1 激光器的發(fā)展前景 ...............................................2 2 激光調(diào) Q 技術(shù) ......................................................3 激光的基本理論 .................................................3 自發(fā)輻射，受激輻射，受激吸收 ................................3 閾值條件 ....................................................4 調(diào) Q 原理 ......................................................5 調(diào) Q 技術(shù) ......................................................7 主動(dòng)調(diào) Q 技術(shù) ...............................................7 被動(dòng)調(diào) Q 技術(shù) ..............................................11 3 激光二極管抽運(yùn)的微晶片激光器 .....................................14 激光二極管技術(shù) ................................................14 激光二極管抽運(yùn)技術(shù)的發(fā)展 ..................................14 激光二極管抽運(yùn)的優(yōu)點(diǎn) .......................................15 激光二極管的抽運(yùn)的方式 .....................................16 激光二極管 抽運(yùn)微晶片 激光器的發(fā)展概況 ..........................19 4 激光二極管抽運(yùn)的被動(dòng)調(diào) Q 微晶片激光器仿真研究 .....................23 被動(dòng)調(diào) Q 耦合速率方程 .........................................23 被動(dòng)調(diào) Q 耦合速率方 程組數(shù)值仿真 ...............................24 結(jié) 論 ............................................................2