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完成期限2012.2.27〜2012.3.2
指导教师
专业负责人
第1章概述1
第2章光倍频原理与技术2
2.1光倍频原理2
第3章脉冲紫外激光器的设计4
3.1被动调Q基础4
3.2被动调Q获得基频光7
结论8
参考文献9
第偉概述
在被动调Q理论的指导下,充分考虑了被动调Q晶体Cr:
YAG的激发态吸收效应对脉冲激光器性能的影响,延伸了Degnan的被动调Q优化理论,直接给出了优化设计过程中我们最关心的被动调Q晶体的小信号透过率与输出耦合镜的透过率关系,简化了设计程序。
在高斯光束倍频理论的指导下,改进了传统的聚焦方式,使结构更为紧凑下,获得了更高的紫外功率输出,并且该结构可同时满足三倍频,四倍频的要求。
在连续紫外的研究中,充分考虑到激光器输出镜的最佳透过率与倍频转换效率之间的关系,并由此优化倍频晶体长度。
采用简单的两镜腔结构,将二倍频、三倍频频率变换晶体同时放在腔内,还实现了355nm连续激光的输出。
LD泵浦全固态激光器从二十世纪八十年代以來获得长足的进步,紫外激光器因其在人眼安全波段,光刻的主要光源等重要应用,一直以來就是人们研究的热点。
第2章光倍频原理与技术
2.1光倍频原理
由于晶体中存在色散现象,所以在借频晶体中的通光方向上,基频光与倍频光所经历的折射率儿与'
也是不同的。
在倍频激光器的功能表中实线代表了寻常光的折射率,点划线代表了非常光的折射率,中间的点线则代表了非常光在改变入射光角度时得到的折射率。
由图中可以看出,当改变晶体中入射光的角度,中间的非常光折射率曲线随之变化,在如图的位置上,可以实现10641UH的倍频。
即在特定的通光方向上,5321U11的倍频光与1064mn的基频光折射率可以实现相等,实现倍频的相位匹配。
对于双轴晶体其相位匹配的计算较为复杂,这里不详细论述。
其相位匹配原理都是相同的。
在光倍频中,三个光场(,叫)中:
叫二叫二W,而叫二2w,此时有
其中
(2.2)
从=心一2旳)
为了简化分析,假设角频率为w的输入光场装环岛倍频光场所引起的功率衰减是微弱的,既可以近似认为⑵是常数严匕同时假设无2w的光场输入,则基频光通过长
度为/的非线性晶体后,在输出端的倍频光振幅为
臼呵(/)=「竺卫2边=「眞/[刖分兰9(2.3)
J。
dzVsiAk
输出的倍频光强正比于
式中,利用了折射率n2=E/e.的关系。
若输入基频光束的截面积为A,光功率为,则基频光强/⑴“即基频光功率密度与
场强有如下关系
(2.5)
从而得到倍频光的光强转换效率为
m=r/2:
;
『=r2/2sinC(AH/2)(2.6)
式(1.6)是从基频光的场强衰弱很小的条件下推得的。
高转换情况下的转换效率,当M=0时可以推导得如下结果
皿=幕罟七山5)(2.7)
兀()u.m)
图1单轴晶体色散曲线及倍频原理示意图
图1中的实线代表了寻常光的折射率,点划线代表了非常光的折射率,中间的点线则代表了非常光在改变入射光角度时得到的折射率。
由图中可以看出,当改变晶体中入射光的角度,中间的非常光折射率曲线随之变化,在如图的位置上,可以实现1064nm的倍频。
即在特定的通光方向上,532nm的倍频光与1064nm的基频光折射率可以实现相等,实现倍频的相位匹配。
根据式(2.5)进一步分析,当"
H0时,倍频光输出功率PW®
将沿晶体长度方向呈周期性变化。
当入射基波进行至距离龙/从处,倍频输出功率达到第一个极大值,这个距离定义为相干长度则有
如果基波在单轴晶中存在两个偏振态,其寻常光折射率为〃。
创,非常光折射率为代%),则实现相位匹配的条件是
〃严(0)](2.10)
满足上式的相位匹配方式为2类相位匹配。
常用的相位匹配方式有角度相位匹配和90°
相位匹配。
第3章脉冲紫外激光器设计
3.1被动调Q基础
在近似的情况下,速率方程是分析激光器性能的最重要的手段,1965年,Szaboand
Stein推导出了被动调Q激光器的速率方程,表述如下:
牛一(in中+厶)
dn丄
-—=-yoc(pt\at
图2Cr:
YAG被动调Q晶体能级简图
当用Cr:
YAG作被动调Q晶体的时候,由于其同时存在基态和激发态吸收(能级示意图如图2所示),因此我们还必须考虑激发态吸收,这时速率方程变为:
dt
(3.7)
%+nes=”0
(3.8)
式中0为光子数密度,〃为激光晶体的粒子数反转密度,乙,、,匕、“。
分别为调Q晶体基态、激发态、和总的粒子数密度,/为激光晶体长度,0为调Q晶体沿光轴长度,□■为激光晶体的受激发射截面,%、6$分别为调Q晶体的基态和激发态吸收截面,R为输出耦合镜的反射率,厶为未饱和时腔内往返损耗,厂为激光晶体的反转衰减因子(发射一个光子导致的激光上能级的粒子减少数),儿为饱和吸收体衰减因子(吸收一个光子导致饱和吸收体下能级的粒子减少数,通常为1),tr=2/'
/c为光在腔内传输的往返时间,广为谐振腔的光学长度,c为真空中光速。
(3.5)除以(3.6)式,我们得
(3.9)
这儿,心为激光晶体最初反转粒子数密度,力定义如下:
ay
(3.10)
(3.4)除以(3.5),且将(3.7)带入所的式中得
对(3.11)式积分得
师)=*¥
(1-空)心(1-(上)“)-血屮+:
也"
°
)
X/%nt2d
因此,Q脉冲的总能量可表述为如下形式:
E=『dtP⑴=響ln(#『dt恢)=鈴111
(1)畤)(3.13)
(3.14)
(3.15)
定义
.1FOM
y==
”1久FOM-1
其中FOM=空,为优化因子,被用来比较不同的被动调Q晶体的优越性。
6
当调Q结束,光子数为0,即(3.12)为0,并用(3.14)、(3.15)我们获得调Q结束时反转粒子数的表达式为
(3.16)
,―禺(―与)-型踽心)=。
lys2ofnf
被动调Q激光器中,当反转粒子数密度超过最初阈值时(激光腔往返增益刚好等于往返损耗),脉冲开始建立,此时,光子数为0,且激发态光子数为0,由(3.4)得
207?
./-2bJoi、-(山(丄)+厶)=0(3.17)
R
在等式左边加上2aesnQls-2aesnQls,然后除以厶'
,并利用元的定义,式(3.17)表述
26"
2比〃仏呱》
厶’厶冗匸"
当学=0时,光子数密度达最大值,an
峰值功率为
hvAl1
P^=—4(万)0m找
I.K
1.(3.20)
/?
/1)+厶]nIyn
=――{心-n,+———-——111(—)-y—7?
0[l-(.—)a]}
九R2aiIYsnt.
脉冲宽度为
E
tp=pf
max
in/Lr
n.1Ysn.
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小丿
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hi-+L(、1」+"
丿In町ni26订[nJ
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s心
(3.21)
我们用格朗日多项式(Lagrangemultiplier)技术來决定。
值(?
值给定)以使脉冲能量最大。
3.2被动调Q获得基频光
如图3所示。
这是一台内腔倍频、连续氟灯(单灯)泵浦、被动调Q的YAG激光器。
不加倍频元件可以输出1064nm波长的近红外高功率激光。
当腔内放置倍频晶体时,如釆
用倍频效率较高的KTP(磷酸二氢钾)晶体,就可以产生532nm波长的倍频绿光输出。
图3被动调Q连续YAG倍频激光器示意图
由于倍频效率与基频激光的峰值功率平方成正比,所以为了有效地产生高效率的倍频输出,在YAG腔内采用了声光调Q装置,其作用可以将连续振荡的1064nm基频光变换成lOKHz左右的高重复频率脉冲激光,脉冲宽度在150nS左右。
由于具有重复频率和峰值功率高的特点,所以可以获得高平均功率的倍频绿光输出。
上图中采用5mW的氨氛激光器做为准直光源。
谐振腔后面釆用的全反镜为1064nm高反。
倍频输出镜为1064nm高反和532nm高透双色镜。
1064nm基频光在腔内形成振荡且不直接输出到腔外。
在腔内放置KTP晶体做为倍频器件,将1064nm基频光转换为532nm倍频光,并通过倍频输出镜获得输出。
在腔内还放置了一块谐波反射镜,上面镀有1064nm高透、532nm高反,使获得的后向倍频光再次反射回倍频输出镜处并得到输出,从而进一步提高了倍频输出效率。
总结
由于倍频晶体的阈值很高,因此要获得高的倍频效率,基频波的功率密度要足够高。
这样对连续或者高重复频率的激光器,一般均采用腔内倍频方式。
如PhotonicsIndustries采用LD泵浦的Nd:
YV04绿光激光器,两个谐振腔镜对基频波(波长为1064nm)都镀高反膜,而对二次谐波(波长为532nm)有一定的耦合输出,这样腔内的基频波功率密度就非常高,就能获得极高的二次谐波转换效率。
当LD泵浦功率为80W时,可获得16W的100kHz532nm绿光输出。
尽管目前在紫外激光的研究很多,但离产业化、实用化的目标很远,通过对激光器的整体优化设计,旨在提高全固态紫外激光器的性能并产业化,
因此本文主要做了以下儿个方面的工作:
1、在被动调Q理论的指导下,充分考虑了被动调Q晶体Cr:
YAG的激发态吸收效应对脉冲激光器性能的影响,延伸了Degnan的被动调Q优化理论,直接给出了优化设计过程中我们最关心的被动调Q晶体的小信号透过率与输出耦合镜的透过率关系,简化了设计程序.
2、在频率变化晶体的优化选取的总前提下,详细计算倍频晶体的各主要参数,优化选取了各倍频晶体及长度,在高斯光朿频率变换理论的指导下,改进了传统的聚焦方式,使结构更为紧凑下,获得了更高的紫外功率输出,并且该结构可同时满足三倍频,四倍频的要求。
3、充分考虑到激光器输出镜的最佳透过率与倍频转换效率之间的关系,详细计算了一定泵浦功率时的最佳输出镜透过率,并由此优化倍频晶体(KTP)长度的选取。
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东北石油大学课程设计成绩评价表
课程名称
光电子技术基础课程设计
题目名称
学生姓名
屮口指导教
了r师姓名
职称
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度和出勤率
按期圆满的完成了规定的任务,难易程度和工作量符合教学要求,工作努力,遵守纪律,出勤率高,工作作风严谨,善于与他人合作。
20
2
课程设计质量
课程设计选题合理,计算过程简练准确,分析问题思路清晰,结构严谨,文理通顺,撰写规范,图表完备正确。
45
3
创新
工作中有创新意识,对前人工作有一些改进或有一定应用价值。
5
4
答辩
能正确回答指导教师所提出的问题。
30
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