饱和调Q开关特征及效果毕业论文
2020-04-01 11:04:12
摘 要
分析Cr4 ：YAG晶体的结构特性及其在1064nm附近的饱和吸收特性，从晶体能级结构及吸收粒子的浓度等参数，获得吸收系数随光强的变化，及其透过率与光强的关系。并从激光速率方程出发，研究饱和吸收晶体对输出激光脉冲特性的影响，从而得Cr4 ：YAG晶体对Nd：YAG激光器调Q后脉冲特性的理论值。
实验观察Cr4 ：YAG晶体在Nd：YAG激光器中的饱和吸收调Q效果。测得光学腔长为18.3cm，泵浦电流为1.5A时，调Q后单脉冲能量为
，脉冲宽度为
，峰值功率为4.33W，脉冲重复频率为
。泵浦功率的改变会影响峰值功率以及脉冲能量，存在使峰值功率最大的泵浦电流。脉冲重复频率和脉冲宽度随泵浦功率的增大而减小。
当饱和晶体在激光器中位置改变时，调Q脉冲特性随之变化，存在使调Q效果最佳的位置。
关键词：Cr4 ：YAG 晶体 晶体吸收特性 饱和吸收调Q 调Q脉冲特性
Abstract
This article analyzed the structural characteristics of Cr4 :YAG crystals and their saturation absorption near 1064 nm.The absorption coefficient changes with light intensity from the crystal energy level structure and the concentration of absorbing particles, and the relationship between the transmittance and the light intensity is obtained. From the laser rate equation, the effect of the saturable absorbing crystal on the characteristics of the output laser pulse is studied, and the theoretical value of the pulse characteristics of the Nd:YAG laser after Q-switched is obtained.
The effect of Cr4 ：YAG crystals on saturation absorption and Q-switched of Nd：YAG lasers was experimentally observed. When the measured optical cavity length is 18.3cm and the pump current is 1.5A, the single pulse energy after Q-switched is,the pulse width is,the peak power is 4.33W, and the pulse repetition frequency is. The change of the pump power affects the peak power and the pulse energy, and there is a pump current that maximizes the peak power. The pulse repetition frequency and pulse width decrease as the pump power increases.
It is proved that when the position of the saturated crystal changes in the laser, the characteristics of the Q-switched pulse change, and there is a position where the Q-switching effect is the best.
Keywords: Cr4 ：YAG crystals Crystal Absorption characteristics Saturation absorption Q-switched Q-switch pulse characteristics
目 录
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 本文的研究背景及意义 1
1.3 国内外研究现状 2
1.4 本论文研究内容 3
第2章 Cr4 ：YAG饱和吸收调Q 4
2.1 Cr4 ：YAG晶体特性 4
2.2 饱和吸收系数与透过率 5
2.3 调Q输出特性分析 8
2.3.1 调Q速率方程组 8
2.3.2 调Q脉冲峰值功率 9
2.3.3 输出脉冲能量 10
2.3.4 调Q脉冲脉宽 11
2.3.5 晶体与激光参数 12
第3章 饱和吸收调Q实验 14
3.1 Nd:YAG饱和调Q激光器 14
3.2 调Q激光特性分析 15
3.2.1 调Q脉冲峰值功率与能量 16
3.2.2 泵浦电流对输出脉冲的影响 18
3.2.3 Cr4 ：YAG晶体位置对输出激光特性影响 20
3.3 影响实验因素及改进 20
第4章 总结 22
致谢 24
参考文献 25
绪论
引言
自1960年梅曼制造出第一台红宝石激光器以来，固体激光器技术得到迅速的提升。50多年来，固体激光器不断开辟新的领域，日渐被各国各行业所重视。我国在医疗、科研、能源、国防等领域对激光及其元器件有着庞大的市场需求。而固体激光工作物质是发展固体激光器技术的重心所在。目前为止，固体激光工作物质已经有数百种之多，而激光晶体仍然是其中的主要组成部分。
三大激光晶体：Nd：YAG，Nd：YVO4，Ti：AlO3应用最为普遍。其中Nd：YAG晶体主要应用于中、高功率的激光，其产生的激光波长为1064nm。但是由于泵浦光的光谱峰和Nd离子吻合程度不高，故需要采用添加掺杂离子或者利用调Q的方式，来获得高功率和高稳定的激光脉冲。
Cr4 ：YAG晶体是一种重要的可饱和吸收体，对腔内激光吸收程度随着光强的变化而随之变化。以Cr4 ：YAG晶体作为Nd：YAG激光器的饱和调Q材料，研究调Q后的激光脉冲特性，从而更好对激光器进行改进，得到更高峰值功率的输出激光。
本文的研究背景及意义
Y3Al5O13简称YAG，在YAG中掺入Nd3 将其制成Nd：YAG晶体。Nd：YAG晶体是一种低阈值、高效率的晶体，具有良好的热学性质，被广泛应用于各种固体激光器之中。然而，这种激光器的输出功率以及光束质量等都较差。在此基础上，人们发现利用LD作为泵浦光，对Nd：YAG晶体进行泵浦，可以提高泵浦效率，由此光束质量得到改善，输出功率也得到提高，但其结构复杂，成本较高，仍然需要改进。
而一般固体激光器为了获得高功率以及单个窄带脉冲，采用调Q开关技术。常见的调Q方式分为主动调Q和被动调Q。主动调Q谐振腔损耗受外部驱动源控制，而被动调Q的损耗取决于激光器腔内光强。饱和调Q又被称之为饱和吸收调Q，相对于主动调Q，被动调Q成本低、结构简单并且实用性更加广泛。
将Cr掺杂进YAG内，可以制成Cr4 ：YAG晶体。Cr4 ：YAG是一种理想的调Q材料。其作为饱和吸收材料，被用于被动调Q时，能够输出高峰值功率的脉冲，并且输出波段可调谐，波长范围在1335~1635nm之间。在Nd：YAG激光器中加入Cr4 ：YAG晶体实现调Q，这样的激光器不仅体积小，结构简单，同时又保证了激光的高功率、窄脉冲以及高转换效率输出。故通过研究Cr4 和Nd3 掺杂的YAG晶体的饱和调Q ，了解激光器输出脉冲特性，从而获取高峰值功率、高稳定以及窄带脉冲。对于推动发展固体激光器技术具有重要意义。
国内外研究现状
1993年，Spariosu K 等人首先发现Cr4 ：YAG晶体既可用作激光器，也可以用作泵浦激光器腔内Q开关，并能适用于于Nd：YAG激光器[1]。
1995年，Yehoshua Shimony等人对Cr4 ：YAG晶体用于Nd：YAG激光器调Q时进行定量研究。发现Q开关信号的脉冲宽度可以通过改变可饱和吸收体的厚度或其掺杂水平来增加腔体中的有用损耗来控制[2]。
1996年，中科院上海光学精密机械研究所的欧阳斌等人研究发现， 由于Cr4 ：YAG晶体对激光吸收的饱和光强小且导热性好，故适合于连续激光器的饱和调Q，并可实现高重复率激光调Q。得到激光脉冲宽度为8ns[3]。
1998年，四川大学的范安辅等人报道了，利用Cr4 ：YAG作为准连续板条Nd：YAG激光器的被动调Q的性能。研究发现，调Q后的激光输出和泵浦脉冲有密切关系。调Q脉冲宽度随泵浦功率的增大而变窄；提高泵浦水平，调Q脉冲功率也得到增强[4]。
2000年，Jie Song等人提出了一种高输出被动调Q二极管泵浦的Nd：YAG激光器的Cr4 ：YAG晶体作为饱和吸收体的理论和实验研究。得到激光脉冲平均输出功率为7~12W，脉冲持续时间为100~250ns，实现千赫兹的重复频率，最高峰值功率和脉冲能量分别为30kW和3.4mJ[5]。
2006年，武汉军械士官学校光电技术研究所的王小兵等人分析了Cr4 ：YAG调Q激光器的参数方程和优化参数值，并研究了Cr4 ：YAG晶体在调Q过程中的特性[6]。
2014年，北京工业大学的苏艳丽等人利用预泵浦方式，实现Cr4 ：YAG被动调Q连续可调，获得激光输出脉冲的脉冲宽度为2.431ns，单脉冲能量为17.6μJ。利用激光二极管进行泵浦[7]。
2016年，河南科技大学的马海祥等人对Nd: YAG激光器的 Cr4 ：YAG可饱和吸收调Q进行了研究，对脉冲的脉宽进行压缩，且探索泵浦电流与脉冲激光的关系。
上述文献均为在Nd：YAG激光器中加入Cr4 ：YAG晶体实现被动调Q，而Li S等人[9]将Cr4 和Nd3 共同加入YAG中形成晶体，作为激光工作物质，制成Cr，Nd：YAG自调Q激光器。Cr，Nd：YAG在可见光的吸收带比单独的Nd：YAG晶体更宽。此类激光器输出脉冲模式单一，稳定性更好。
但是这种激光器没有Cr4 ：YAG调Q方式运用广泛，原因在于加入的离子比例在形成晶体的时候就已经固定了，使得激光可调性没有Cr4 ：YAG调Q高，故本文采取的研究对象是Cr4 ：YAG晶体作为饱和吸收体进行调Q。
本论文研究内容
本文主要研究的对象是Cr4 ：YAG晶体，它的光学性质以及作为被动调Q材料加入Nd：YAG激光器时输出激光的特性。包括调Q后的激光脉冲频率，激光脉冲能量及激光脉冲的峰值功率等。通过对上述特性分析，将初始实验装置进行优化，使输出激光脉冲达到最佳。
第一章是绪论部分，主要介绍本文的研究背景、意义以及国内外研究现状
第二章是理论部分，首先对Cr4 ：YAG晶体的物理以及化学特性进行了分析，着重对晶体的光学性质进行阐述，包括吸收特性以及能级结构。其次对饱和调Q的工作原理进行说明。然后通过分析调Q速率方程，求解出调Q脉冲的峰值功率、能量以及脉宽的表达式，找出影响因子。给出实际参数，求出输出脉冲理论值。根据理论公式分析，给出理论与实验的结合点。
第三章是实验部分，其中包括实验系统的搭建以及原理图，对未调Q之前的激光器进行研究。对实验结果进行计算，得出输出脉冲实际值，与理论值进行比较。研究两种光学腔长下，激光器泵浦电流对调Q后输出脉冲的影响，以及 Cr4 ：YAG晶体在激光器中位置不同时输出脉冲特性。最后给出影响实验的因素，将实验中存在的不足予以说明，并提出合理的设想尝试解决。。
第四章是总结部分，对整个文章进行系统性的总结，对论文的结论进行整理。根据现阶段的研究内容，做出对下阶段研究的展望。
Cr4 ：YAG饱和吸收调Q
Cr4 ：YAG晶体特性
Cr在元素周期表中的位置为Ⅵ族，是硬度最大的金属。常见的化合价为 2、 3和 6价。而YAG的化学式为Y3Al5O13，属于立方晶系。将Cr掺杂在YAG中共同熔化结晶形成晶体。此时YAG中Cr的离子状态为Cr3 ，需要通过加入Ca2 或Mg2 离子进行电荷补偿，从而形成Cr4 ：YAG晶体。
由于在形成晶体时加入了Ca2 或Mg2 离子，并且晶体中依旧存在Cr3 状态，所以导致晶体的激光阈值增加。而Cr4 ：YAG晶体呈暗褐色，故Cr4 ：YAG晶体颜色越深，证明其中的Cr4 浓度越高。
Cr4 占据四面体Al3 的格位，Cr4 ：YAG同样属于立方晶系，具有偏振性。Cr4 ：YAG晶体的热性能良好，其导热性能好，熔点为1970℃，适合在高功率状态下工作。晶体密度为，化学性质稳定。不溶解于水，微溶于普通酸。
Cr4 ：YAG晶体在室温时的吸收谱线与发射谱线如图2.1所示[10]。
从中2.1.a可看出，Cr4 ：YAG晶体存在三个吸收峰，分别在0.48μm、0.65μm以及1.01μm附近。故对于激光波长为1.064μm的Nd: YAG激光器有着很好的吸收峰，适合在此波段进行调Q。
从中2.1.b可发现，Cr4 ：YAG晶体的发射谱线中心波长为1.4μm附近，且发射谱线范围较宽，故此晶体也可作激光工作物质。
图 2.1 Cr4 ：YAG晶体吸收与发射谱
Cr4 ：YAG晶体拥有四能级结构，如图2.2所示，由此可分析其吸收特性。
图 2.2 Cr4 ：YAG晶体四能级结构
吸收过程开始于基态能级1向激发态能级3的跃迁，其基态吸收截面为
； 然后能级3衰退到激发态能级2；激发态吸收发生在能级2向能级4跃迁的过程中，通过吸收激光波长而实现，激发态吸收截面为
。而激发态能级2会因为自发辐射到基态能级1，此过程被称之为弛豫，弛豫时间
，也称之为激发态寿命。
随着腔内泵浦功率的增强，激发态能级2向能级4跃迁也逐渐增强，并在最终达到饱和。此时再增加泵浦功率，会引起跃迁过程残余损耗，反而使输出峰值功率下降，即Cr4 ：YAG调Q激光输出与泵浦能量关系为非线性。
而当Cr4 ：YAG作为激光工作物质时，产生的激光脉冲峰值功率高，并且稳定性好。Cr4 ：YAG激光器可以产生孤子脉冲，是量子通信中的重要光源。
饱和吸收系数与透过率
当激励源对工作物质进行泵浦时，将粒子从E1能级上泵浦到E2能级，实现粒子数反转，从而实现光的受激辐射放大，腔内光信号得到增益而不断加强。
此时的激光系统还不能保证出光，这是因为谐振腔内的损耗会使光衰减。即在满足增益不小于损耗的情况下，才能使得谐振腔内发生自激振荡，从而输出激光。
当光通过增益介质时，单位光强的变化量为
式中，
表示在
长度下的光强大小，
称为介质的增益系数，
称为介质的损耗系数。由于激光器谐振腔内初始光强很小，可认为此时的介质增益系数与入射光强无关，用
表示。对式(2.1)进行积分得
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