调制脉冲晶体激光器输出特性研究Word格式.docx
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固体激光器的工作物质
由光学透明玻璃或晶体组成,用作与活性离子或其他活性物质混合的基本材料。
这种工作材料通常应具有良好的理化性质,荧光线比较窄,强而宽的吸收带和荧光量子效率比较高。
玻璃激光工作材料很容易为高能激光或大功率激光器制作均匀的大尺寸材料。
但它的荧光光谱线宽,热性能方面较低,不适合在大功率条件下工作。
我们经常见的钕玻璃是硅酸盐,磷酸盐。
晶体激光工作材料往往具有良好的热和机械性能,荧光光谱窄,但将晶体生长技术相结合,得到高质量、大尺寸的材料的过程是比较复杂的。
固体激光器分类
1可调谐近红外固体激光器
1988年,Petricev等人发现4价铬(Cr)可掺入4价四方Mg2SiO4晶格(Cr:
Mg2SiO4称为镁橄榄石)。
镁橄榄石通常由Nd:
YA型G激光器泵浦,可在1,1301,367nm之间调节,以锁模方式输出几瓦功率。
Cr:
YAG也是非活性调Q钕激光器的良好介质。
Cr:
LiSAF由LaborLivemor于1988年开发,主要用于780nm到990nm超短脉冲的发生和放大。
可调的优点和良好的热力学性质。
为材料加工、组织融合、化学和生物工艺研究提供了重要的组成部分。
利用腔内倍频蓝光输出和Q开关,Cr:
LiSAF也可用于水蒸汽遥感。
2可调谐紫外Ce3+激光器
由于Ce:
LiSAF具有独特的特性,所以它的基本激光物理性质和染料激光器比较相似。
可横向和端部抽运,波长在280320nm之间,可调谐平均功率大于100mW
3可调谐中红外Cr2+激光器
在室温条件下,非辐射延迟的增加是因为工作波长变长,频带变宽,中红外可调谐固体激光器的发射(泵浦光转化为热而不是激光辐射)。
在室温条件下,首次获得了不受非辐射延迟影响的中红外可调谐激光发射器是Cr2+:
ZnSe激光器。
4掺钛蓝宝石激光器
以TiAl2O3晶体为激光介质(简称Ti:
S激光器)的激光器是掺钛蓝宝石激光器,它的调谐范围比较宽,输出功率比较高,高的转换效率,多种多样的工作方式。
固体激光器的发展和应用
固体激光器广泛应用于加工、军事、卫生和科学领域。
它广泛应用于跟踪,测距,打孔,制导,切割和焊接,电子器件微加工,半导体材料退火,光谱研究,大气探测,外科和眼科手术,脉冲全息照相,等离子体诊断和激光核聚变等领域。
固体激光器通常被用来当作可调谐染料激光器的激励源。
器件和材料的多样化为固体激光器的发展趋势,它包含了寻找新的波长以及工作波长可调的工作介质,同时可以提高激光转换效率,增加输出功率,提高光束质量,可以达到压缩脉宽,提高可靠性,使用寿命延长等优点。
固体激光器以光作为激励源。
一般我们所经常使用的脉冲激励源都充满了氦气闪光;
连续激励源包括了碘钨灯,氦弧灯,在体积比较小,寿命比较长的激光器中,激励源可以是半导体发光二极管或太阳光。
一些新型固体激光器也受到激光的激励。
固体激光器的能量转换频率不高,通常在千分之几到百分之几区间内,造成这种结果的原因是光源的发射光谱只有一部分被工作物质吸收,加上其他损耗。
高能量,高功率的相干光源可以是固体激光器。
红宝石脉冲激光器的输出能量十分高,可以高达千焦耳。
调Q和多级放大的钕玻璃激光光学系统,它的最大脉冲频率可以达到10瓦。
钇铝石榴石连续激光器的输出功率可以达到百瓦,相应的多级串联电路的输出功率十分的高,最高可以达到千瓦。
通常固体激光器采用的是Q开关(电光调制)技术,这种技术通常可以获得纳秒至百纳秒的短脉冲,如果想要获取皮秒至百皮秒量级的超短脉冲可以使用锁模技术。
因为工作材料的光学不均匀性等方面的因素,所以固体激光器的输出一般为多模。
如果选择工作材料时,选择光学均匀性较好的,并运用设计腔体等方面的技术措施,可以获得光束发散角更靠近于衍射极限的基横模(TEM00)激光;
也可以得到单纵模激光。
二极管泵浦固体激光器
二极管泵浦固体激光器的优点
DPSSL是二极管泵浦固态激光器。
它是应用最广泛,近年来世界上发展最快的新型激光器。
第二代激光器的激光晶体的产生就是这种激光器利用一定波长半导体激光器代替传统的氪灯或氙灯进行泵浦。
DPSSL与闪光灯泵浦固体激光器进行比较,DPSSL的独到之处是:
(1)能量转换效率更高。
半导体激光二极管的电光转换效率能够达到30%以上,比一般的闪光灯的转换频率高很多。
转换效率高的原因还包含了半导体激光二极管的输出谱线相对较窄,通过改变它的有源区的结构和组成或改变它在工作时的温度,可以使吸收峰与固体工作材料的输出激光发射波长进行精确匹配。
通过进行实验表明,它的端面泵浦效率最高(总效率约为7%)。
如果想进一步提高泵浦光的利用率,可以在采用半导体激光器在进行端面泵浦时,固体激光器与泵浦光在空间上可以有一个很好的匹配。
DPSSL与闪光泵浦固体激光器进行比较,DPSSL的整体效率可以提高一个数量级。
(2)DPSSL和半导体激光二极管进行比较,DPSSL所对应的输出频谱要窄几个数量级,激光发散角也比较小,时-空相干性相对于较高,比较容易获得相对较高的输出功率。
因为上述原因的存在,所以在许多情况下,使用的是DPSSL,半导体激光二极管不可以直接使用。
(3)良好的频率稳定性。
DPSSL在工作过程中生成的反应热能比较少,工作材料的温度是稳定的,所以具有良好的频率稳定性。
并且由于DPSSL可以制造所有的固态器件,所以可以消除振动的影响。
一般的固体激光频率稳定度不优于17kHz,但是采用了YAG和有效稳定方法的DPSSL,频率为30Hz。
(4)体积比较小,寿命相对于较长,结构比较简单,使用起来比较方便。
因为在工作过程中不可避免的热效应,所以LD泵浦总是与灯泵浦固体激光器产生相同的量子损耗,尤其是大功率二极管泵浦固体激光器产生的量子损耗更相似。
通常利用国产和进口的激光二极管泵浦多种多样的激光固体,包括Nd:
YAG,Nd:
YLF,Nd:
BGO,Nd:
玻璃,Nd:
LMA,Nd:
YVO_4,NYAB等。
世界上首次泵浦Nd:
BGO获得成功,实现了Nd:
BGO的自开关Q实验,获得了2000ns的调Q输出。
我们对部分材料内通道进行了倍增,进行了调q和双机构实验,取得了一些结果,并进行了简单的理论分析,首先对固体激光器激光二极管泵浦进行了较好的耦合,对于横向泵浦方向,泵浦耦合的相关问题不是特别严重;
在纵向泵浦过程中,输出效率可以直接受到耦合效率的影响。
论文提出了横向抽气的简便途径;
对于纵向泵浦,根据空间相关的速度方程提出了一些理论判据,这个理论依据可以有效地用来设计动腔的结构和纵向泵浦耦合方法。
同时,根据最佳耦合的方法,可以得出激光介质泵浦固体激光器的概念与块放大棒相比的阈值降低很多。
采用Nd:
YAG使腔内频率倍增,给Nd:
YAG加适当的电压,对KTP倍频晶体进行旋转,通过利用延迟相位域的技术来解决腔内倍频中的“绿光”问题,通过这一系列的方法可以获得相对稳定的绿光输出。
二极管泵浦激光器
3Nd:
YLF
Nd:
YLF晶体的弱热透镜效用,宽增益线宽,强自然偏振振荡和高能量存储特性在MOPA,高能量脉冲,中重复频率调Q开关(kHz),连续波和皮秒锁模等重要激光器件中得到了广泛的应用,无法替代和发挥重要作用。
由于晶体生长等原因,与国内比较常见的Nd:
YVO4和Nd:
YAG晶体相比,Nd:
YLF晶体的激光特性研究较少。
激光晶体
光束
激光加工光束特性的相应参数及其对应的评价指标
高功率激光加工过程中影响激光热的因素有很多。
有一些参数与激光的输出功率有关例如激光束,主要的也有功率密度,聚焦形状,光强的分布和聚焦点的漂移。
同时这些因素也会影响光束的分布和稳定性。
激光加工光束特性参数
根据激光光束对激光加工的影响,激光加工光束的功能参数大概可以分为三类:
功率特性(功率密度,激光功率,连续或脉冲);
光束特性(光束质量,光束模式,异形射线);
聚焦特性(聚焦大小,聚焦位置,焦距)。
这些光束特性参数不是独立的,而是相互影响的。
对于相同的功率的激光光束,如果光束质量越好,它的聚焦焦点越小,使得聚焦的功率密度越大。
光束特性中最重要的参数之一就是光束质量,它和光束能量分布相一致。
评估激光制造系统的关键参数是功率密度,它不但可以表示激光制造系统的相对应的可加工性,而且还会对激光材料的加工过程产生一定的重要影响。
光束质量
每个激光束对应的有三个参数:
束腰半径,束腰位置以及远场发散角(半角)。
激光束特征参数
光束质量的特征值
许多特性值用于表示激光束的质量这些特性值可以通过简单的计算直接转换为另一个特性值。
例如,通过安装镜头或更改光束直径参数来影响光束发散角。
因此,光束参数用于测量光束聚焦能力。
只有在使用具有孔径效应或像差的光学系统时,才可以影响外光路的光束参数。
泵浦耦合方式
直接端面泵浦
三部分:
激光二极管泵浦源,光耦合系统和激光棒及谐振腔腔体。
用于泵浦的激光二极管阵列发出的泵浦光通过会聚光学系统将泵浦光耦合到晶体棒上,在晶体棒的左端镀有多层介质膜,泵浦光的相应波长高透性,发生的激光束的响应波长为高反膜,输出镜为腔镜。
光纤耦合端面泵浦
对于直接端面泵浦方法的弱点,从而进行研究了光纤耦合端面泵浦。
端面泵浦激光器的组成结构为激光二极管,两个聚焦光学系统,耦合光纤,工作材料和输出镜。
与直接端面抽运有差异,其组成结构首先将激光二极管发出的光束质量差的激光器耦合到光纤中去,经过光纤传输,光纤发射的光束变成发散角小,圆对称,中间部分光强最大的抽运光束。
用这种泵浦光来泵浦工作材料,因为它在空间上与振荡激光器匹配良好,所以泵浦效率很高。
由于激光二极管与光纤之间的耦合比与工作材料简单,减少了器件做出微调的需要。
而且最重要的是,这种耦合方式可以使固体激光输出方式具有良好高效的激光光束
高功率端面泵浦固体激光器存在的问题
在高频率端面泵浦固态激光器中,激光晶体接收泵浦光的热能直接影响激光器的相对稳定性,输出功率和频率,光束质量等。
然而,通过优化腔体设计,可以在很大程度上消除热效应-热透镜效应和去极化的直接后果。
近年来,许多提高输出功率的技术得到了发展,如:
如双向耦合,大功率泵浦源,多泵浦源光纤束,多增益介质多端泵浦等。
这些技术的联合促进了端面泵浦固体激光器的成长。
几种高功率端面泵浦固体激光器的介绍
目前国内的高功率端面泵浦固体激光器
双端面泵浦双Nd:
YVO4激光器:
在十分多的适合于激光二极管泵浦的激光晶体中,Nd:
YVO4晶体由于在1064nm处的受激发射截面大,808nm处的高吸收系数和吸收线宽比其他现有晶体材料更受关注。
为了增加固体激光器的输出频率,可以串联好多个激光晶体。
多棒串行化的好处是输出频率可以与棒数呈正比增多,从而获得更大的模式体积和高的光-光转换效率。
研究还表明,采用平行平面谐振腔结构,整个系统在不降低光束质量的前提下,可以获得与棒数成正比的激光功率,两个或两个以上的Nd:
YAG晶体串联,增加工作材料长度,获得较大的模式体积,从而获得高功率输出。
双Nd:
YVO4晶体激光器的谐振腔端面反射镜是由晶体端面镀膜形成的。
根据平面谐振腔等效腔的理论分析,可以得到激光晶体接收泵浦光发出的热透镜效应关系到谐振腔的稳定性。
等效腔迅速达到其几何稳定腔,在几百瓦到几千瓦量级的高功率固体激光器的研制中,多棒串联技术方案被广泛应用。
在国内首次对泵浦功率为20.74W的双泵浦Nd:
YVO4激光器进行了实验研究。
得到了11W1064nm的TEM00模式激光输出,其光与光的转换频率约为53%。
二极管端面泵浦混合腔Nd:
YVO4板条激光器:
近年来端面泵浦固体激光器的研究热点之一是如何有效冷却激光晶体,减少热效应的影响,以获得高的激光输出,同时保证良好的光束质量。
在许多研究工作中,板条或片状激光晶体得到了应用,由于其大面积冷却,取得了显著的成就。
新型的混合腔激光器不仅有板条激光器制冷速度快的优点,而且有过去的板条激光器所不包含的一些优点。
它采用薄片状结晶(1mm)来运用激光器的工作介质和片状结晶的两个相应的表面与散热器紧密相连,与混合腔相结合,使输出光束远场近似为高斯分布,光束质量良好。
眼前国内采取新型板条激光器的结构特点来完成激光器的不断工作,获得了波长为1064nm的接连激光功率,泵浦频率为60.5W时,输出频率可以到达16.2W。
近年来国外的高功率端面泵浦固体激光器
端面泵浦高功率固体激光器:
为了进一步提高光束质量,1999年采用LD端面泵浦Yb:
YAG棒获得200W的连续波和5kHz的重复频率,195W的调Q输出和M2=2.4光束质量下183W的调Q输出。
同时提高了谐振腔设计的灵动性,通过腔内俩个折射光补偿可以获得偏振光的输出,增加了效率的转化率,获得了光束质量为M2=3.2的112W持续偏振光的输出。
二极管列阵端面泵浦Yb:
TAG固体激光器:
实验中的泵浦源由36个LDbar组成,每个LDbars带有长度为15mm的微柱透镜,用微通道在硅基体上冷却。
泵浦可以分成上下两个部分,激光器通过中心半径为3mm的圆心。
半导体组件发出的泵浦光束可以经过耦合透镜镜片进入结晶。
耦合透镜由石英玻璃圆柱透镜和中间的空心铝管组成。
石英透镜的中心有个很小的圆孔,可以使激光一次性穿过。
铝管里面的轮廓呈四边形,可以抹上一层十分薄的银用来反射泵浦光。
该耦合透镜可以把50×
15mm的两束泵浦光变成4.6×
2.6mm的长光斑。
国内外高功率端面泵浦固体激光器的应用
在应用中,端面抽运固态激光器以材料加工为主,包括传统的激光加工:
主要是材料加工,如激光打标,激光焊接,激光切割,冲压等。
结构紧凑,性能良好,工作可靠的端面泵浦固体激光打标机的产品线在国内得到了广泛的应用,激光微细加工和激光精密加工也得到了广泛的应用。
在国外,千瓦级二极管端面泵浦固体激光器已有产品,目前主要受成本和市场需求的限制。
除材料加工外,二极管端面泵浦的高功率固体激光器也可用于激励。
光核聚变,科学研究,医疗,检测,分析,通信,投影显示和军事防御具有极其重要的应用价值。
仿真分析与相关测试
LD激光器光束输出特性
使用仿真软件设计的板条双端泵浦F-P腔型结构模型,元器件数目为3,图6-2为通过泵浦装置后光束的高斯分布图。
图6-3为计算后得到的泵浦功率和输出功率关系图,由图可得总泵浦功率为
,在泵浦功率为
,对应的激光器输出功率为
,晶体工作物质泵浦能量的总吸收为
。
实验使用的钛宝石激光器带有圆形镜的平行平面腔,图6-4为当菲涅尔数分别为
、
时,得到的振幅分布和相位场分布,横坐标为离镜中心点的距离,纵坐标表示的是振幅分布和相位场,通过对相位分布图的分析,可以得到结论:
不同菲涅尔数下对应的相位分布和振幅稳定场分布不同。
当菲涅尔数较小时,振幅越大,相位下降比较快,曲线越平滑。
菲涅尔数较大时,在镜边缘处的振幅分布值越小,相位分布值越大。
当小菲涅尔数
时,振幅曲线和相位曲线较为平滑。
随着距离腔镜越来越大,振幅分布值和相位分布值均开始下降,且当菲涅尔数较大时,振幅下降快。
图6-4不同菲涅尔数圆形镜平行平面腔内的振幅分布和相位分布
钛蓝宝石激光器及其参数测量
实验采用的是声光Q调制的钛宝石激光器,图6-5是其声光
调制的实验装置图,基频光波长为
,倍频后输出的脉冲波长
平面镜
对反射
波长的光束,对
波长的光束高透射。
M1与M2,M1与M3分别为一组,构成了两组谐振腔。
分束片
将光束分成两束,用于测量透射光束的功率和反射光束的波形,最后可以得到脉宽值。
He-Ne激光器发出
波长的连续红光,泵浦电流为
,镜面透射率为
,实际谐振腔腔长
倍频后透过M3输出
波长的光束,其输出功率为
,在计算机中可以将探测到的光谱信息转化为函数图,如图6-6所示。
图6-7为钛蓝宝石激光器晶体温度分布,右图是输出光束的相位分布图。
对其分析可以看出因温度分布不均匀而产生了热透镜效应,即折射率不同引起了激光在传播方向上的相位分布空间上的畸变。
实验还对钛蓝宝石激光器在声光
调制前后激光输出功率、能量和脉冲宽度的相关变化进行了测量,图1-8为声光
调制前泵浦电流与功率和能量的关系,图1-9为声光
调制后调制频率与功率和能量的关系。
从图1-8和图1-9的分析可以得知,在未发生声光
调制前,激光的输出功率及能量随着泵浦电流增大而增大。
增益饱和效应会导致,当泵浦电流达到某个值时,输出功率会出现减小的
现象。
在泵浦电流为
时,声光调
后的输出功率随调制频率的增加而迅速增加,达到一个最高值后开始下降;
虽然输出功率在调制后的变化很大,能量输出幅度波动并不大。
图6-8声光Q调制前泵浦电流与功率和能量的关系
图6-9声光Q调制后调制频率与功率和能量的关系
图6-10是通过对实验数据深入的整理和计算得到的环围能量曲线。
分析曲线2可知在
处,
图6-11为平行平面腔结构连续氪弧灯抽运激光器倍频输出光强分布图,横轴为半径,纵轴为归一化值,设定为
单位的输出光强,中心波长为
分析实验数据可知,随着半径的变大,光束强度减小,在达到一个最低值的附近保持相对稳定。
理想情况下光强会在半径达到某个值时保持稳定,但实际测量会出现一定幅度的波动。
实验探究H-S实时波前探测技术在波前探测的应用,对Q调制全固态脉冲Nd:
YLF倍频激光器系统进行实验,对其输出光束探测,得到了如下的结论:
如图6-12为波前像差二维分布,图片顶端的PV值和RMS值评价激光光束的重要指数:
波长,
波长。
在探测波前时,首先用标准的平行光源对传感器进行标定,此时的光线未发生畸变,计算出的所有像差是以选取的标准平面光波为参考基准的。
标准平面光波的
,
从图6-12可以分析出,二维分布没有呈现出均匀球面波,说明产生了相位畸变,激光器光束质量已经严重下降。
图6-13为波前像差三维分布,我们可以看出波前相位畸变明显,输出光束质量不再为理想平行光束。
产生这种原因有很多如热透镜效应、腔镜制造几何误差与失调,腔内扰动因素等。
分析与总结
实验结果分析
通过仿真实验,针对LD激光器光束的输出特性,可以得出不同得菲涅尔数所对应得相位分布和振幅分布不同。
当菲涅尔数变大时,振幅分布值变小,相位分布值变大。
反之,菲涅尔数变小时,振幅变大,曲线比较平缓。
针对波前探测技术应用的实验,得出波前相位发生改变明显,输出的光束质量与理想的平行光束不同。
问题与展望
在进行实验的过程中,发现输出光束质量与理想的光束质量不一致,所以有许多问题仍然需要解决和进一步优化,包含以下几个方面:
1.在实验过程中热透镜效应对光束质量的影响。
2.腔镜制造时发生的几何差异会对光束质量产生什么样的影响。
3.腔内扰动因素对输出特性有什么影响。
在原有的基础上改善相应的问题,方便更有效的对输出特性进行研究。
结语
通过本次对LD泵浦Q调制脉冲晶体激光器输出特性的研究,对泵浦Q调制激光器有了深入的学习和理解,同时对固体激光器以及晶体激光器有了更深入的理解。
本文想通过仿真对LD泵浦Q调制的输出特性进行研究,通过振幅分布以及相位分布来考量光束质量的问题。
通过实验对输出特性做出了很好的诠释,具有一定的研究价值。
在研究中还存在一定的问题,但是相信随着研究的不断深入,对上述存在的问题能够得到进一步地探索和解决。
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