被动调Q的优化分析及碰撞效应对被动调Q激光的影响

摘要

从历史来看,任何科学发明或科学发现,都不外是两条道路:一是自然界已存在,当人们自觉或不自觉地发现以后再产生理论,并加以证明和利用,如万有引力、氧气、电磁等,这种情况称为“科学发现”;二是自然界(至少地球上的自然界)并不存在的事物,但人们先从理论上推导、预测,然后再通过努力加以证明和实现,如相对论、核衰变、核聚变等,这种情况称为“科学发明”。而后者则更有科学理论性和挑战性,激光的诞生过程就是属于后者。激光是20世纪以来,继原子能、计算机、半导体之后,人类的又一重大发明。 在激光器诞生的最初二十年,其泵浦系统所采用的均为氪灯或疝灯,这类激光器不仅效率低,而且工作寿命较短,1978年量子阱半导体激光器概念的提出,为激光器向着更高功率,更低能耗更长寿命的方向发展提供了可能,从此,LD泵浦激光器(也称作第二代激光器)开始登上历史舞台,LD泵浦激光器以其超长的工作寿命,较高的光光转换效率以及迷你的体积逐渐取代了传统激光器,在医疗卫生,光电子产业和国防中发挥着重要作用。 本文以Nd:YAG/Cr:YAG作为激光增益介质,对其在LD泵浦下的被动调Q激光输出特性进行了理论分析,提出了碰撞效应理论,并采用美国相干公司生产的FAP-systemTM型光纤耦合输出半导体激光器进行了实验研究。 其主要内容包含以下几个方面: 1.回顾了激光器的发展历史和现状。 2.对Q调制基本理论进行了简单介绍,包括Q调制技术的分类,调Q技术的速率方程理论,脉冲输出的峰值功率,输出能量,脉冲时间特性的计算。 3.简要介绍Cr3+:YAG的可饱和吸收特性。 4.对被动调Q技术进行了优化分析,通过拉格朗日乘数法求得了吸收系数,耦合参数的数值解,并绘制出了吸收系数和耦合参数随无量纲参数Z变化的关系曲线。 5.将被动调Q激光器晶体中由于粒子的碰撞产生的效应视作一种热致损耗,并对速率方程进行了适当修改,引入了碰撞损耗因子,并以Nd:YAG/Cr:YAG为例,对碰撞效应对脉冲输出参数的影响进行了数值分析和实验对比。通过数值模拟得出:由于碰撞效应对晶体不同部分的影响不同,导致各部分建立脉冲时间不同,因此脉冲宽度比实际值偏小,低抽运功率对脉冲的能量和峰值功率影响较大,当脉冲功率增加时,相应的影响则会减弱。

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第一章 导论

§1.1 二极管泵浦全固态激光器的发展

§1.2 固体激光器的结构

1.2.1 工作物质

1.2.2 泵浦源

1.2.3 谐振腔—进出激光器的通道。

§1.3 调Q技术简介

1.3.1 调Q技术的基本原理及分类

1.3.2 电光调Q技术

1.3.3 声光调Q技术

§1.4 调Q激光器的速率方程理论

§1.5 输出脉冲相关参数的计算

1.5.1 调Q激光器峰值功率的计算

1.5.2 输出脉冲能量的计算

1.5.3 脉冲的时间特性

§1.6 本论文主要工作

第二章 被动调Q技术简介

§ 2.1 被动调Q技术

§2.2 Cr4+:YAG可饱和吸收体特性

2.1.1 可饱和吸收体的特性及其相关参数

2.2.2 Cr4+:YAG可饱和吸收体特性

第三章 被动调Q激光器的优化分析

第四章 碰撞效应对被动调Q激光器影响的理论分析

§ 4.1 引言

§4.2 碰撞理论简介

4.2.1 碰撞理论解释及其对激光稳定性的影响

4.2.2 考虑到碰撞效应后的被动调Q速率方程

§4.3 数值模拟与实验结果

4.3.1 数值模拟

4.3.2 模拟结果与实验数据的比较与分析

4.3.3结论

全文总结

参考文献

攻读硕士期间发表文章

致谢