【正文】 9 致 謝 ............................................................30 參考文獻 ............................................................31 附 錄 ............................................................33 附錄 A 英譯漢 ......................................................33 附錄 B 仿真程序部分源代碼 ...........................................38 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 1 頁 1 緒論 近 年來激光二極管抽運的微晶片激光器已成為全固態(tài)的激光二極管抽運固體激光器 (diode laser pumped solidstate laser，簡稱 DPSSL)研究的一個熱門話題。最后再利用 Matlab 進行仿真實驗 Cr ?4 : YAGNd ?3 : YAG被動調(diào) Q 微晶片激光器。他探討了有關(guān)輻射和分子之間動量相互交換的課題，驗證了受激輻射的非常重要的特性：分子被激勵后，就會發(fā)生輻射，這時會產(chǎn)生光量子。這就是所謂的相干性 [1]，為激光的提出作出鋪墊。 1939 年，蘇聯(lián)的科學家法布里康特指出，可以通過做實驗來檢驗受激輻射是否存在。 1951 年，美國的Purcell 在實驗中發(fā)現(xiàn)在氟化釵晶體中，利用微波波譜學的方法發(fā)現(xiàn)了核自旋體的反轉(zhuǎn)分布，在這次的實驗中，出現(xiàn)了受激輻射，其頻率恰好為 50kHz。 在前人大量的研究成果上， Townes，微波頻譜界的泰斗，不斷考慮這樣一個問題：怎樣使微波輻射源性能更好，令其線寬較窄、功率很高。 在 20 世紀 50 年代，他和 Gorden. Zeiger 成功研制出了利用氨分子受激產(chǎn)生輻射原理制成的放大器 [2]，并研制成功第一批可應(yīng)用于實際的元器件。 1956 年，科學家成功研制出了固體微波激光器，其采用了三能級方法來實現(xiàn)連續(xù)運轉(zhuǎn)。湯斯認為，這一點很關(guān)鍵，因為這樣不必要的震蕩會得到控制，他堅信能夠制作出這樣的激光器。 這篇論文引起了強烈的反響，從此以后，越來越多的實驗室都在加緊步伐研究，不斷探求新型的適用于激光器的材料和方法，爭相提出很多設(shè)計方案。 激光器的發(fā)展前景 激光器開辟了一個全然不同的世界，伴隨著第一批激光器的應(yīng)用，關(guān)于激光的研究迅速升溫，目前已成了一個熱門的課題。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。激光在人們生活的方方面面都起了重要作用，在今后的生活中，激光定會與其他學科密切聯(lián)系，充分發(fā)揮優(yōu)勢，越來越普及。若想實際應(yīng)用，急需解決的問題是將脈寬壓縮，增大峰值功率 等等。在這一年，他在紅寶石激光器上，利用被動調(diào) Q 技術(shù)，成功輸出了窄激光脈沖。調(diào) Q 技術(shù)越來越成熟，脈沖的峰值功率不斷提升。 激光的基本理論 自發(fā)輻射，受激輻射和受激吸收 1916~1917 年，愛因斯坦根據(jù)光量子論推導(dǎo)出了普朗克公式。他采用了新的模型：光和物質(zhì)相互作用的模型。原子從高能態(tài) 2 向低能態(tài) 1 躍遷輻射能量，由低能態(tài)向高能態(tài)躍遷，吸收能量。 原子受到激 勵激發(fā)到高能級 E2 時，它的狀態(tài)是不夠穩(wěn)定的，有一種向低能級躍遷的趨勢。如果沒有外加條件，原子從高能級向低能級躍遷方式有兩種方式。通過光輻射的形式來躍遷的，叫做自發(fā)輻射躍遷。 與此同時，在光的受激吸收過程的同時，還有一個相反的過程，受激輻射。這時原子就會輸出一個光子，它和外來光子具有相同特性。如圖 (c)所示。介質(zhì)在這種狀態(tài)的光子感應(yīng)下受激輻射，就會輸出一個光子，其性質(zhì)與此光子性質(zhì)完全一致。通過這樣的一系列的雪崩式反應(yīng)，就會輸出大量的光子，在量子的狀態(tài)下，這些光子的性質(zhì)是一致的。激光產(chǎn)生就是這樣形成的。激光閾值的另外一種表達式可以表示為下面的式子： 21th ch hvn gA ???? () 在同一個模式下，自發(fā)輻射幾率記作 A21/g，模式數(shù)目記作 g，在腔內(nèi)，光子的生存 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 5 頁 時間長度是 C? ，上面的式子還可以寫成這樣的表達式： 211.Cth gn A ??? () 調(diào) Q 原理 調(diào) Q 技術(shù)在激光的研究史上打開了一扇新的大門，使得激光器能夠在極短的時間內(nèi)輸出很大的能量，這樣就能夠產(chǎn)生峰值功率很高的脈沖，它的峰值功率與普通的長脈沖的功率有著數(shù)量級上的差異。在這樣的一組脈沖中，峰值功率不會很大，因為激光器輸出的能量已經(jīng)被分散開來，一般而言，激光諧振腔的損耗很低，可以近似忽略掉，但是當光抽運后，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)增加，當數(shù)目達到一定程度時，激光器就發(fā)生震蕩，處于高能級的粒子受到輻射后，數(shù)目開始減少，這樣就會使高能級的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)目不會很多。 所以我們要想使得高能級積累數(shù)目較多的粒子，就需要改變激光器的閾值，使得高能級的最大粒子反轉(zhuǎn)數(shù)不受限制。 式中，中心頻率用 0v 來表示。我們分別用 ,Lnc 來表示諧振腔的長度，介質(zhì)的折射率，光速。每秒鐘，光損失的能量可以表示為 WnLc? 。若想提高閾值，可以通過降低 Q 值來實現(xiàn)。盡管激活介質(zhì)能夠儲存巨大的能量，但是腔會損失很大的能量，閾值會非常高，比產(chǎn)生激光的臨界閾值高出很多。 在高能級，反轉(zhuǎn)的粒子數(shù)會大量積聚。時間極短，而介質(zhì)儲存了巨大能量，與普通的相比，高出好幾個數(shù)量級。隨時間按一定規(guī)律發(fā)生變化。這時，高能級的粒子就大量積累。發(fā)生躍遷，高能級的粒子躍遷到低能級。 可以從圖 看出 Q 開關(guān)脈沖產(chǎn)生的經(jīng)典的時間順序 [3]，激光只能在高 Q 值腔內(nèi)產(chǎn)生。這時，就會有 Q 開關(guān)的脈沖產(chǎn)生。經(jīng)過很長時間，才會輸出一個激光脈沖。到現(xiàn)在為止，我們一般用兩種調(diào) Q 方式：一種是主動式，另一種是被動式。被動調(diào) Q 可以細化為：色心晶體調(diào) Q 法， Cr ?4 晶體調(diào) Q 法，染料調(diào) Q 法。這樣一來， Q 值就會發(fā)生變化。這種方法是利用阻擋光的通道方式實現(xiàn)的，或者是令腔內(nèi)的鏡片不對準。如下圖 所示，一個快速轉(zhuǎn)動的全反射棱鏡和和輸出鏡一起組成諧振腔 [4]。除此之外，不能夠產(chǎn)生震蕩，此時的 Q 值很低，自然也不能夠輸出激光。但是也有一些弊端，一旦轉(zhuǎn)速達不到要求，就會產(chǎn)生多個脈沖序列，會有較強的噪音，可靠性不強，易發(fā)生故障。 (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)。此種介質(zhì)經(jīng)過特殊處理，一面有轉(zhuǎn)換器，是一個壓電薄片。 將聲光介質(zhì)插入激光的諧振腔中，這種介質(zhì)需滿足對激光波長是透明的條件。如下圖所示： 輸出鏡激光棒吸收體衍射光束2 Θ W L換能器后鏡 圖 聲光 Q 開關(guān) 光介質(zhì)會發(fā)生轉(zhuǎn)變，是超聲波的作用，這種變化還是周期 性的。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。這種效果會使得相應(yīng)的一小部分入射光線溢出腔， Q 值就會變得不高。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。但是也會有一些其他的干擾因素，例如在傳播中，聲波在介質(zhì)中，速度會降低，所以，應(yīng)用條件也會有限制，應(yīng)用最多的方面在低增益介質(zhì)的連續(xù)抽運激光器的重復(fù)調(diào) Q。將超聲波射入石英體中，此石英體帶有 Q 開關(guān)。 假若熔融狀的石英處于未被通過的狀態(tài)，即高透射率時，在無超聲波通過時，激光器就輸出脈沖 [6~9]。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?？?。 當閃光燈工作時，在電光盒上加一個電壓，數(shù)值為 4V? ，經(jīng)過起偏器以 后，偏振光發(fā)生變化。輻射經(jīng)過反射之后，又一次經(jīng)過電光盒，間隔 4? 的延時后，變化為角度偏轉(zhuǎn) 90 度的線性偏振光。在脈沖將要消失的時候，將電壓斷掉，就可以避免偏振光的消耗。在 (b)中，要達到光束透射的目的，就需要給光電盒子施加電壓。在偏振器中間有電光盒。在沒有電壓的情況下，偏振器不會發(fā)生變化，此時，Q 值是最小的。 后續(xù)接連發(fā)生連鎖反應(yīng)，就會又通過檢偏器 2P 和 電光盒。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 。 激光棒輸出鏡輸出鏡激光棒偏振器泡克爾斯盒后鏡檢偏器外加電壓引起 λ / 4 延遲外加電壓引起 λ / 2 延遲( a )( b ) 偏振器泡克爾斯盒 圖 (a)工作在 ? /4, (b)工作在 ? /2 延遲電壓的電光 Q 開關(guān) 被動調(diào) Q，是建立在 具有某些特定的可飽和吸收體的激光器上， Q 值自動發(fā)生變化的一種方法。在能量密度達到某一很高的值時，材料就會飽和，透射率就會比較高。 被動調(diào) Q 技術(shù) 利用可飽和的吸收體的性質(zhì)來改變 Q 值。在光譜躍遷的基礎(chǔ)上，可飽和吸收體會產(chǎn)生“漂白”。介質(zhì)中的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)增加，光通量迅速增加，這時就會使被動 Q 開關(guān)到達飽和狀態(tài) [11]。 Q 開關(guān)是由激光輻射自身啟動的，不用外加電壓，等設(shè)備。 (2)系統(tǒng)的體積小，可以到達毫米量級。 在實際應(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?，F(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的材料是 Cr ?4 : YAG。吸收帶寬高，摻雜度高，導(dǎo)熱率較高，性能很好。 可飽和的吸收材料可以用下圖的能級結(jié)構(gòu)來表示，在能級 13 中發(fā)生躍遷。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。若光通量不足以排空基態(tài)能級的粒子數(shù)，那么激光器諧振腔中的吸收體就不會透過激光輻射。可飽和吸收體的能級圖如圖 所示。速率方程如下式： 0() 1SE E E?? ? ? () 式中， 0? 為小信號吸收系數(shù)， sE 為飽和能量密度， s gshvE ?? () 能級 1→ 3 躍遷的吸收截面用 gs? 來表示?；軕B(tài)的粒子的密度用 0n 來表示。所以要想算出參數(shù)是能量密 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 13 頁 度的透射率，需要就必須考慮這兩項因素。 然而實際情況中，即使調(diào) Q 材料能夠在基能態(tài)表現(xiàn)出飽和的特性，仍舊不可能達到完全的透射，因為光子會被受激原子吸收。基態(tài)的粒子數(shù)逐漸減少，消耗殆盡，能級 2 與 4 之間吸收會增加。 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 14 頁 3 激光二極管抽運的微晶片 激光器 六十年代，固體的激光器獲得了迅速的發(fā)展。隨著研究的深入，到了 80 年代后期，出現(xiàn)了全固態(tài)的激光二極管的固體激光器。全固態(tài)的激光器揚長避短，在各個領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。微晶片激光器都能夠保證輸出單頻的理想的光束，為高斯型。 激光二極管抽運技術(shù) 激光二極管抽運的固體激光器指的是用激光二極管作為激勵源去抽運激光晶體的固體激光器。工作效率很高，體積較小，激光輸出性能好，使用壽命長，使得其成為固體激光器的重要發(fā)展方向之一。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)出激光二極管抽運的效率高，體積小，使用時間長的激光器。 1968 年，麥道公司成功運行二極管抽運的 Nd ?3 : YAG 的激光器 [15]。 早期，二極管必須在液氮下工作，主要用于實驗，這個時期，二極管抽運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]。 八十年代后，物理，化學等基礎(chǔ)科學的進步也促進了激光的發(fā)展。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，使用時間也增長很多。成本降低，價格隨之降低，有些已經(jīng)進入市場，被人們廣泛使用。 OPC 公司生產(chǎn)的 60W 集成化光纖藕合已經(jīng)步入市場，麥道公司的峰值為 350kW 的激光器也得到了廣泛應(yīng)用。全固體激光二極管應(yīng)用到各行各業(yè)，在 DPSSL 鎖模運轉(zhuǎn) [22,23]單頻運轉(zhuǎn) [24]和頻率轉(zhuǎn)換 [25]等方面獲得很大進步，已經(jīng)能夠?qū)嶋H應(yīng)用。 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 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 70%。但是，釹吸收帶不一樣，只能吸收極小的一部分燈的輻射能量，而激光二極管可以自行選擇輸出波長，若選定某種固體激光器，我們能夠自行設(shè)定，達到完全處于吸收帶的狀態(tài)。在連續(xù)工作時，閃光燈能夠使用時間是 500h，可以產(chǎn)生 sE 次脈沖。其系統(tǒng)的壽命長很多，可靠性也高許多。另外，合理利用激光輻射的方向性，那么抽運輻射與低階模的光譜 就會很好的匹配，就可能輸出 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 16 頁 亮度極高的激光。帶有此種二極管的固體激光器可以運轉(zhuǎn)在幾百赫茲到幾千赫茲的重復(fù)率范圍內(nèi)。由于燈抽運的系統(tǒng)會產(chǎn)生紫外線，那么就會導(dǎo)致抽運腔和冷卻水發(fā)生衰變，系統(tǒng)就不會穩(wěn)定運行。 (6)很好的發(fā)展空間 激光二極管輸出的光束有方向性，而