【正文】 且其發(fā)射角度很小，在這樣的條件下，為新型激光器開(kāi)辟了道路。 (7)實(shí)用性和兼容性強(qiáng) 激光二極管抽運(yùn)的大多數(shù)材料可以用閃光燈代替二極管來(lái)抽運(yùn)。 激光二極管的抽運(yùn)方式 用稼和銘按照一定的比例，制作出的二極管，可以輸出接近 800nm 的波長(zhǎng)。特殊地，這種二極管陣列能夠產(chǎn)生出于多種基質(zhì)材料中鐵的吸收帶相匹配的光譜，寬度在 34nm。二極管抽運(yùn)源有一部分具有相干的特性，一種情況是產(chǎn)生的聚焦光斑小，另一種可能是通過(guò)調(diào)節(jié)，能夠與諧振腔模式匹配。 以二極管激光束的輸出為依據(jù)來(lái)劃分，二極管有兩類抽運(yùn)方式。 在側(cè)面抽運(yùn)結(jié)構(gòu)中，二極管陣列要與激光棒或激光板保持相同的方向，抽運(yùn)方向要與激光諧振腔模的傳播方向保持垂直。 (1)端面抽運(yùn) 小功率的激 光二極管抽運(yùn)的激光器常用的一種方式是端面抽運(yùn)。而且可以利用自身的耦合系統(tǒng)將二極管激光很好的射入固體介質(zhì)。選擇合適的元器件，使得光斑的大小與諧振腔的 TEM00模一致。 此類端面抽運(yùn)激光器是結(jié)構(gòu)是縱向的，激光器的激活的一部分與 TEM00模體積匹配性很好。 模式匹配度越好，激光器的設(shè)計(jì)就會(huì)越精巧。這種結(jié)構(gòu)的二極管能夠輸出功率為 200mW，波長(zhǎng)為 808nm 的激光。平凹鏡構(gòu)造的腔的抽運(yùn)端面鍍上了高反膜。 散熱器聚焦光器件激光二極管陣列后鏡對(duì) 1064 nm有高反射率對(duì) 810 nm有高透射率5 cm 曲率輸出鏡對(duì) 1064 nm 波長(zhǎng)的反射率為 95 %810 nm 的抽運(yùn)輻射TE 制冷器 圖 LD 端面抽運(yùn)的激光振蕩器 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 18 頁(yè) 這類系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生 TEM00模，總體來(lái)說(shuō)，效率是很高的。 這種抽運(yùn)方式的固體激光器在固體棒 (或片 )的前端面鍍雙色膜，這樣一來(lái)，固體激光器振蕩的波長(zhǎng)就會(huì)完全翻折，抽運(yùn)光波長(zhǎng)幾乎無(wú)損耗的透過(guò) 。 目前，越來(lái)越多的激光介質(zhì)都適用這種結(jié)構(gòu)的激光器。隨著研究的深入，目前激光器的端面可以摻雜多種元素，來(lái)改善激光器的性能，例如 Ho, Tm, Yb, Cr。現(xiàn)在，越來(lái)越多的單模光纖激光器進(jìn)入人們的視野，這類激光器的孔徑小，閾值較低，所以能量利用率很高。 (2)側(cè)面抽運(yùn) 高功率的二極管激光器就需要用固體列陣激光器從側(cè)向來(lái)抽運(yùn)。 40 個(gè)激光二極管次陣列構(gòu)成一個(gè)激光二極管， 5 個(gè) 1cm 長(zhǎng)的脈沖激光二極管構(gòu)成抽運(yùn)陣列。s，譜線的寬度近似為 4nm。 激光二極管抽運(yùn)的微晶片激光器的發(fā)展概況 微晶片的構(gòu)造很精巧，諧振腔面都是平的，腔長(zhǎng)短，因而系統(tǒng)整體較小，成本低，輸出性能很好，輸出為單一頻率，并且是高斯光束，特性 好，發(fā)展前景廣闊。微晶片與棒狀，片狀的介質(zhì)相比，具有很強(qiáng)的優(yōu)越性，用微晶片來(lái)替代，也是研究的一個(gè)熱點(diǎn)。其中， Nd3+: YAG 材料的微晶片激光器發(fā)展尤為迅速。這樣一來(lái)，諧振腔的腔長(zhǎng)會(huì)減小，腔長(zhǎng)減小會(huì)有益于單個(gè)縱模的輸出，激光器的體積也會(huì)隨之減小。解決這一問(wèn)題的方法有兩種，一種是令抽運(yùn)光被二次吸收，可以通過(guò)鍍反射膜來(lái)實(shí)現(xiàn)，第二種是提高抽運(yùn)效率，可通過(guò)提高功率或提高 YAG 中 Nd3+摻雜濃度來(lái)實(shí)現(xiàn)。 他們?cè)谳斎攵嗣驽兎瓷淠?，可以透過(guò)光束，在輸出端面同樣鍍反射膜來(lái)反射抽運(yùn)光。通過(guò)施加應(yīng)力來(lái)改變偏振方向，使之與 Nd3+: YAG 的腔長(zhǎng)相平行，進(jìn)而影響輸出的頻率。 輸入功率為 20~30mW 的抽運(yùn)光，獲得了 1~2mW 的單個(gè)頻率的光束。若提高頻率，增 加到 80kHz mf ，則相應(yīng)的，調(diào)頻頻率發(fā)生變化，為 。 1990 年，英國(guó)研究出了構(gòu)造為半外腔的激光器，此二極管抽運(yùn)的 Nd3+: YAG 微晶片激光器可以對(duì) 單頻進(jìn)行調(diào)整。一個(gè)端面是輸入鏡，輸出鏡是耦合的。 LD O P TY A GOCO upu tP Z T 圖 半外腔結(jié)構(gòu)的可調(diào)節(jié) 單頻 LD 抽運(yùn) Nd3+: YAG 微片激光器 1991 年，英國(guó)的科學(xué)家又利用 FP 穩(wěn)頻的特性，調(diào)諧腔長(zhǎng)，從而研究二極管抽運(yùn)的 Nd ?3 : YAG 微晶片激光器的穩(wěn)定性。不穩(wěn)定時(shí)，譜線寬度為 5MHz，穩(wěn)定后，譜線寬度降到 88kHz。增大功率會(huì)改變?cè)鲆娼橘|(zhì)的溫度，從而改變折射率與諧振腔的長(zhǎng)度。 1992 年，為了增大實(shí)驗(yàn)初始階段抽運(yùn)燈的效率，貝爾實(shí)驗(yàn)室制造出了 Nd3+摻雜率為 3%的 Nd3+:YCeAG 激光器。此 1. 06181。m，抽運(yùn)波長(zhǎng)為 。溫 度每提高 1℃，波長(zhǎng)變化 。系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性較好。此抽運(yùn)光是 810nm ,可以輸出的光為 ，抽運(yùn)閾值大小是 100mW，效率是 10%。此類激光器的構(gòu)造如下圖 所示。對(duì)電光晶體施加壓力，就會(huì)明顯改變晶體的折射率。 1994 年，美國(guó)的寶麗來(lái)公司和貝爾實(shí)驗(yàn)室合作研究了出了 二極管抽運(yùn) Nd3+: YAG 微晶片激光器的特性，單片 Nd3+: YAG 是用助熔劑法生長(zhǎng)的， Nd3+的摻雜濃度為 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 22 頁(yè) 4. 2 ~ %。m，為平行平面腔。用一個(gè) 1W的激光二極管抽運(yùn)得到了功率為 120mW 的輸出，用兩個(gè)激光二極管抽運(yùn)獲得了功率為 210mW的輸出。 目前，激光二極管抽運(yùn)的 Nd3+: YAG 微晶片激光器展現(xiàn)出很大的優(yōu)勢(shì)，成為一個(gè)熱門(mén)話題，隨著研究的深入，此類激光器的性能將會(huì)大幅度提高。 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，諧振腔里的光子數(shù)的密度，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的密度，可飽和和吸收體中反轉(zhuǎn)粒子的密度是共同變化的 。 下面將利用 Matlab 來(lái)仿真被動(dòng)調(diào) Q 微晶片激光器的特性，接下來(lái)討論研究可飽和吸收體處于激發(fā)的狀態(tài)時(shí)的吸收，就會(huì)得到連續(xù)激光二極管抽運(yùn)的被動(dòng)調(diào) Q 微晶片方程，此方程是耦合的，根據(jù)上述過(guò)程，對(duì)此被動(dòng)調(diào) Q 的過(guò)程進(jìn)行分析。此情況是在一般情況下，可飽和吸收體在處于激發(fā)態(tài)的狀態(tài)： 0l1n2 2 2 ( )gs gs s e s e s srgsgs gsesgs gsgs e s sdnl n l n ld t Rtdndtdnc ndtd nc ndtn n n??????? ? ???????? ? ? ? ??????????????????????????? () 在上面的式子里，下面參數(shù)光子數(shù)，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，基態(tài)粒子數(shù)，激發(fā)態(tài)粒子數(shù)，可飽和吸收體總粒子數(shù)的密度分別用 esn ， n ， gsn , esn ， 0sn 來(lái)表示。增益介質(zhì)，可飽和吸收體沿諧振腔的中心軸線，等效光程的長(zhǎng)度分別用 l ， sl ， 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 24 頁(yè) 39。 激光腔體的耗散性的損耗用 ? 來(lái)表示，輸出鏡的反射率用 R 來(lái)表示。 /rcctl? 來(lái)表示；反轉(zhuǎn)因子 記作 ? ， 1 對(duì)應(yīng)于四能級(jí)系統(tǒng)， 2對(duì)應(yīng)于三級(jí)系統(tǒng)。在連續(xù)抽運(yùn)時(shí)，可飽和吸收體吸收時(shí)，有以下關(guān)系式。 ? ?? ?0012 2 2 ln1gs gs s e s s gs srpTags s gsgs gsgsdnl n l n n ldt Rtdn n nt c nRdt Ndn n ndt??????? ? ??????? ??? ? ? ? ? ????????????? ? ? ?????????????????? () 在上面的式子中，抽運(yùn)速率記作 ()ptR ；增益介質(zhì)的總粒子數(shù)密度用 TN 來(lái)表示；增益介質(zhì)的處于高能級(jí)的時(shí)間長(zhǎng)度記作 a? ；可飽和吸收體恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)所需的時(shí)間 記作 gs? 。 被動(dòng)調(diào) Q 耦合速率方程組數(shù)值仿真 將數(shù)值代入上述的耦合方程組，仿真得到被動(dòng)調(diào) Q 脈沖輸出的情況。 連續(xù)抽運(yùn)下的調(diào) Q 脈沖序列建立過(guò)程的耦合方程組，然后仿真，可以看出在參量不同時(shí)，被動(dòng)調(diào) Q 脈沖輸出的情況。 在 MATLAB 中進(jìn)行編程，可以求解該 微晶片激光器對(duì)應(yīng)的速率方程組，可仿真出 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 25 頁(yè) 當(dāng)時(shí)間變化時(shí)，光子數(shù)密度，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的密度和基態(tài)粒子數(shù)密度變化的曲線。 表 各物理量系數(shù)的典型取值 物理值 典型值 單位 物理值 典型值 單位 ? 1023 m 2 gs? 1023 m 2 es? 1023 m 2 TN 1026 m 3 1n 2n ? l 1 mm a? 750 s? sl 1 mm gs? 3 s? ? 1 在 MATLAB 中，調(diào)用函數(shù) ode45()，這個(gè)函數(shù)是用 來(lái)求解常微分方程初值問(wèn)題的，將上表中的各參數(shù)值代入上面的方程組，連續(xù)抽運(yùn)被動(dòng)調(diào) Q 速率方程組式，求解數(shù)值，附錄中附有程序的源代碼。從圖中可以看出，在被動(dòng)調(diào) Q過(guò)程中，隨著時(shí)間的增加，光子數(shù)密度，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度和可飽和吸收體中處于基態(tài)的粒子數(shù)密度都會(huì)隨之變化。隨時(shí)間變化，將被動(dòng)調(diào)Q 過(guò)程中光子數(shù)密度和反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度在同一個(gè)圖中作出，可以看出，在此過(guò)程中，新的脈沖產(chǎn)生就會(huì) 伴隨增益介質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度的劇烈下降。我們可以放大第四個(gè)光脈沖的產(chǎn)生過(guò)程， 可以得到比較清晰明了的情況，如圖 所示。當(dāng)時(shí)間增加時(shí)，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度也就跟著提高。 (3)當(dāng)諧振腔中的光子數(shù)密度逐步增加，最后使得可飽和吸收體的基態(tài)粒子數(shù)密度以及反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度降低，恰好使得耦合方程組 ()中的第一個(gè)方程式的右邊等于零時(shí)， 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 27 頁(yè) 此時(shí)就會(huì)使得激光器腔中的光子數(shù)密度數(shù)值達(dá)到最大。在抽運(yùn)速率的作用 下方程 ()中的第二個(gè)微分方程右邊變化為零的時(shí)候，增益介質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度會(huì)降低到最小數(shù)值。0 . 0 1 5 2 0 . 0 1 5 2 0 . 0 1 5 2 0 . 0 1 5 2 0 . 0 1 5 2 0 . 0 1 5 205x 1 023時(shí)間 ( s )光子數(shù)密度(m3)0510x 1 024反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度(m3) 圖 一個(gè)激光脈沖產(chǎn)生過(guò)程中的光子數(shù)密度和反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度隨時(shí)間變化 運(yùn)行上述代碼，繼續(xù)代入數(shù)值，進(jìn)行仿真，可以看出被動(dòng)調(diào) Q 激光脈沖發(fā)生重復(fù)的頻率以及脈沖的寬度等數(shù)值。程序代碼見(jiàn)附錄。從圖中可以得出結(jié)論，與通過(guò)數(shù)值來(lái)計(jì)算得到的激光脈沖波形的形狀相對(duì)比，基本是吻合的。 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5x 1 010012345678910x 1 023 圖 數(shù)值計(jì)算得到的多個(gè)激光脈沖波形的疊加 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 29 頁(yè) 結(jié) 論 聯(lián)合國(guó)把 2020 年確立為國(guó)際光年，希望以此來(lái)引領(lǐng)人們認(rèn)識(shí)到數(shù)年來(lái)人類在光學(xué)領(lǐng)域取得的重要成果。在以后的發(fā)展中，光學(xué)必 將在能源，公共事業(yè)，教育等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。光波導(dǎo)和激光是目前兩個(gè)很重要的研究門(mén)類。利用新技術(shù)，使得激光在大眾生活中發(fā)揮重要作用。 本文通過(guò)理論仿真來(lái)研究被動(dòng)調(diào) Q 微晶片激光器的特性，對(duì)被動(dòng)調(diào) Q 過(guò)程進(jìn)行分析，了解其特性。 本文第二章介紹了激光調(diào) Q 原理，給出了主動(dòng)調(diào) Q 和被動(dòng)調(diào) Q 的方法。 本文第四章 在 Windows 平臺(tái)下利用 Matlab 進(jìn)行仿真 ，仿真展示出了不同參量下被動(dòng)調(diào) Q 脈沖的輸出，調(diào) Q 過(guò)程中光子數(shù)密度，增益介質(zhì)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度，可飽和吸收體基態(tài)粒子數(shù)密度隨時(shí)間的變化以及激光脈沖的產(chǎn)生過(guò)程，脈沖的重復(fù)頻率，脈沖寬度等值。 本文對(duì)被動(dòng)調(diào) Q 的方法進(jìn)行 了較為深入的研究，但是依然 還有很多問(wèn)題值得研究 。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 30 頁(yè) 致 謝 大學(xué)四年的學(xué)習(xí)生涯已經(jīng)接近尾聲，值此答辯之際，我想對(duì)我的母校，我的老師們表示衷心的感謝 ！ 在這里， 首先， 我想由衷地對(duì)黃力群老師表達(dá)誠(chéng)摯的謝意。黃老師在學(xué)術(shù)上孜孜以求的態(tài)度，在生活上認(rèn)真負(fù)責(zé)的態(tài)度深深感染了我，對(duì)我以后的 工作學(xué)習(xí)有很好的指引作用。當(dāng)我們?cè)趯W(xué)習(xí)生活中遇到困難時(shí)，老師們從來(lái)不會(huì)感到厭煩，而是抱著認(rèn)真求實(shí)的態(tài)度為我們一一解答，老師們亦師亦友，教會(huì)了太多太多，謝謝老師們把我培養(yǎng)成了對(duì)社會(huì)有用的人！ 同時(shí)，我還要感謝我的同學(xué)，感謝他們?yōu)槲姨岢龅挠幸娴慕ㄗh和意見(jiàn) ，讓我更快的領(lǐng)悟?qū)W習(xí)方法，感謝同學(xué) 在生活中點(diǎn)點(diǎn)滴滴的幫助，讓我感受到溫暖，有了他們的支持、鼓勵(lì)和幫助，我才能充實(shí)的度過(guò)了四年的學(xué)習(xí)