半導(dǎo)體側(cè)向抽運(yùn)固體激光器的脈沖寬度分析

1、<p><b>　　深 圳 大 學(xué)</b></p><p>　　本 科 畢 業(yè) 論 文（設(shè)計(jì)）</p><p>　　題目: 半導(dǎo)體側(cè)向抽運(yùn)固體激光器的脈沖寬度分析 姓名: </p><p>　　專業(yè): 電子科學(xué)與技術(shù) </p><p>　　學(xué)院:

2、 電子科學(xué)與技術(shù) </p><p>　　學(xué)號(hào): </p><p>　　指導(dǎo)教師: </p><p>　　職稱： 教授 </p><p>　　20 年 05 月 12日</p><p>　　深圳大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）誠信聲明</p>

3、<p>　　本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)），題目《全固態(tài)紫外激光器研究及脈寬分析》 是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式注明。除此之外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果。</p><p>　　畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）作者簽名：</p><p>

4、　　日期： 年 月 日</p><p>　　目錄 </p><p><b>　　【摘要】1</b></p><p><b>　　【關(guān)鍵詞】1</b></p><p><b>　　前言2</b></p><p>

5、;　　第一章 固體激光器基本原理3</p><p>　?。ㄒ唬┕腆w激光器光泵浦模塊3</p><p><b>　?。ǘ詈戏绞?</b></p><p>　?。ㄈ┕腆w激光工作物質(zhì)5</p><p>　　第二章 固體激光器的的熱效應(yīng)6</p><p>　?。ㄒ唬嵬哥R效應(yīng)6<

6、;/p><p><b>　?。ǘ岱€(wěn)腔7</b></p><p>　　第三章 非線性效應(yīng)與倍頻晶體10</p><p>　?。ㄒ唬┓蔷€性光學(xué)基礎(chǔ)10</p><p>　　（二）倍頻波耦合及轉(zhuǎn)換效率10</p><p>　?。ㄈ┫辔黄ヅ?3</p><p>　　（

7、四）晶體溫度控制15</p><p>　?。ㄎ澹┏Ｓ帽额l晶體15</p><p>　　第四章 紫外激光實(shí)驗(yàn)17</p><p>　?。ㄒ唬?shí)驗(yàn)裝置17</p><p>　?。ǘ┣恍蛯?shí)驗(yàn)17</p><p>　?。ㄈ┟}寬實(shí)驗(yàn)19</p><p>　　（四）倍頻輸出24</

8、p><p>　?。ㄎ澹┍额l效率分析24</p><p>　?。?shí)驗(yàn)總結(jié)25</p><p>　　第五章 結(jié)束語26</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：27</b></p><p><b>　　致謝：28</b></p><p>　　【A

9、bstract】29</p><p>　　【Key Words】29</p><p>　　半導(dǎo)體側(cè)向抽運(yùn)固體激光器的脈沖寬度分析</p><p>　　梁永健(2005111188)</p><p>　　電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 05電子科學(xué)與技術(shù)</p><p><b>　　【摘要】：</b>&l

10、t;/p><p>　　半導(dǎo)體側(cè)向抽運(yùn)固體激光器是目前工業(yè)激光及其應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。在簡(jiǎn)單緊湊的平平直腔內(nèi)，半導(dǎo)體激光側(cè)面抽運(yùn)Nd：YAG固體介質(zhì)，使用聲光調(diào)Q開光進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生高功率、準(zhǔn)連續(xù)的基頻紅外激光（1064nm），經(jīng)過非線性光學(xué)晶體（倍頻晶體LBO）變換成綠光（532nm）。進(jìn)一步利用基頻與倍頻光的和頻，產(chǎn)生355nm的紫外激光。本文介紹了固體激光器基本構(gòu)造、諧振腔熱效應(yīng)、非線性光學(xué)晶體理論，從調(diào)Q重復(fù)頻率

11、、峰值功率、脈寬寬度等方面解析倍頻效率影響，同時(shí)從實(shí)驗(yàn)及理論方面分析脈寬的影響因素，如腔長(zhǎng)、重復(fù)頻率、泵浦電流等。</p><p><b>　　【關(guān)鍵詞】：</b></p><p>　　紫外激光器 非線性效應(yīng) 熱透鏡效應(yīng) LBO晶體 脈沖寬度 LD側(cè)面泵浦</p><p><b>　　【教師點(diǎn)評(píng)】：</b>&l

12、t;/p><p><b>　　前言</b></p><p>　　固體激光器在工業(yè)激光材料加工、激光醫(yī)學(xué)、激光化學(xué)、科學(xué)研究與發(fā)展以及國防方面獲得廣泛的應(yīng)用。采用波長(zhǎng)與激光工作物質(zhì)吸收波長(zhǎng)相匹配的激光作激光光源無疑是大大提高激光器效率。半導(dǎo)體激光作為泵浦源的全固體激光器具有體積小、重量輕、效率高、性能穩(wěn)定、可靠性好、壽命長(zhǎng)和光束質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn),是近幾年激光技術(shù)研究的熱點(diǎn)。通過

13、非線性光學(xué)頻率變換技術(shù),即通過對(duì)全固體激光器基頻光的倍頻、和頻、差頻等技術(shù),原則上可把全固體激光的波長(zhǎng)范圍擴(kuò)展到從深紫外到遠(yuǎn)紅外的整個(gè)波段。在可見波段，通過腔內(nèi)倍頻獲得的紅光（660nm) ,綠光(532 nm) ,藍(lán)光(473 nm) 已經(jīng)廣泛的報(bào)道了。然而這三色光，綠光激光器發(fā)展最為成熟，輸出功率也最高，這樣，對(duì)進(jìn)一步研究和頻產(chǎn)生的紫外激光器就更有利用價(jià)值。同時(shí)，在實(shí)現(xiàn)基頻光輸出方面，Nd：YAG晶體是目前綜合性能最為優(yōu)異的激光晶體

14、。</p><p>　　基于紫外激光器的應(yīng)用也很廣泛，紫外激光具有波長(zhǎng)短、易聚焦、能量集中、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)【1】, 在光數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、光刻技術(shù)、光盤控制、微加工、大氣探測(cè)、微電子學(xué)、光化學(xué)、光生物學(xué)及醫(yī)療等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。人們對(duì)全固態(tài)紫外激光器的研究工作主要落在355nm紫外波段，也即是1064nm紅外光的三倍頻。該激光器設(shè)計(jì)方法是：在非線性光學(xué)晶體（倍頻晶體）將由半導(dǎo)體激光抽運(yùn)的固體激光器發(fā)出的紅外激光（波長(zhǎng)

15、為1064nm）變換成綠色激光（波長(zhǎng)為532nm）之后，再用其它的非線性光學(xué)晶體（和頻晶體）變換成紫外激光（波長(zhǎng)為355nm）。 </p><p>　　本人這次畢業(yè)設(shè)計(jì)課題是半導(dǎo)體側(cè)向抽運(yùn)固體激光器的脈沖寬度分析，這次設(shè)計(jì)屬于將紫外光固化快速成型模具制造項(xiàng)目中紫外激光研究部分。本人這次研究的實(shí)驗(yàn)部分主要是倍頻輸出部分，對(duì)和頻紫外輸出部分只是進(jìn)行理論講解。</p><p>　　在這個(gè)課題的研

16、究，前人已經(jīng)對(duì)全固態(tài)激光器熱效應(yīng)、諧振腔穩(wěn)定性方面作了深入的研究，其中包括利用光斑半徑、熱透鏡和泵浦電流關(guān)系分析泵浦電流與熱穩(wěn)定區(qū)的關(guān)系【2】和利用熱透鏡變化改變的關(guān)系分析諧振腔的穩(wěn)定性【3】，調(diào)Q重復(fù)頻率對(duì)穩(wěn)定區(qū)的影響，腔型和熱效應(yīng)對(duì)光束質(zhì)量的影響，倍頻及和頻偏振模匹配等等。本人則在前人的基礎(chǔ)上，對(duì)熱穩(wěn)定區(qū)進(jìn)行重新分析，進(jìn)一步了解脈沖寬度、峰值功率、調(diào)Q重復(fù)頻率之間的關(guān)系，以及它們對(duì)倍頻效率的影響。這方面的研究，對(duì)提高倍頻效率、和頻效

17、率有一定的指導(dǎo)作用，從而有利于獲得更高的綠光和紫外光的輸出功率。</p><p>　　第一章 固體激光器基本原理</p><p>　?。ㄒ唬┕腆w激光器光泵浦模塊</p><p>　　激光二極管（LD）【4】</p><p>　　固體激光器的工作方式的不同可分為連續(xù)和脈沖固體激光器電源兩大類。常用泵浦光源有惰性氣體放電燈（閃光燈和連續(xù)弧光燈）

18、和激光二極管（LD）。</p><p>　　惰性氣體放電燈是固體激光器最為廣泛的泵浦燈源，燈內(nèi)充有氙（Xe）或氪（Kr）是等惰性氣體，輻射率都比較高，但是它們的寬帶輻射譜中僅有一小部分被激活粒子所吸收，其余部分大多以熱的形式散逸，有害的紫外輻射還會(huì)使工作物質(zhì)劣化。按工作方式的不同，大致上可分為脈沖燈和連續(xù)燈兩大類。脈沖氙閃光燈和連續(xù)氪弧光燈可分別作為脈沖燈和連續(xù)燈的代表。</p><p>

19、　　脈沖氙閃光燈(簡(jiǎn)稱氙燈)是一種亮度較高的非相干輻射源，有高的電一光轉(zhuǎn)換效率(70％)和從紫外到紅外(0．2—1．8μm)寬的輻射光譜范圍，氙燈的發(fā)射譜由線狀光譜和連續(xù)光譜兩部分組成，主要由電流密度、氙燈燈管內(nèi)徑和氙充氣氣壓決定。在低電流密度下在紅外部分有很強(qiáng)的線狀光譜。在高電流密度下，線狀譜被淹沒在強(qiáng)的連續(xù)光譜之中。</p><p>　　連續(xù)工作氪弧光燈的主要光譜數(shù)據(jù)見下表（1-1）。在0.3-1.2μm光譜

20、范圍內(nèi)，氪弧燈的輻射效率約為40％。不過氪燈輻射效率是隨輸入功率、充氣氣壓和管徑的增加而增加。氪</p><p>　　60％的輻射在0．7—0．9μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)。表（1-2）為連續(xù)氪弧燈泵浦Nd：YAG激光器中的能量轉(zhuǎn)移，由表可以看出氪燈只有小部分被吸收而剩下部分會(huì)引起熱效應(yīng)。</p><p>　　表（1-1）連續(xù)工作氪弧光燈的主要光譜數(shù)據(jù)</p><p>　　表（

21、1-2）連續(xù)氪弧燈泵浦Nd：YAG激光器中的能量轉(zhuǎn)移</p><p>　　二極管泵浦固體激光器優(yōu)點(diǎn)之一是LD（激光二極管）發(fā)射波長(zhǎng)落在激活離子的主吸收線上，即與激光介質(zhì)吸收波長(zhǎng)匹配，因此有高的泵浦效率和熱效應(yīng)顯著降低。二極管還有器件結(jié)構(gòu)緊湊、壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。連續(xù)工作二極管壽命超過104h,脈沖工作在109次以上。二極管泵浦的全固體器件體積小，重量輕、效率高、工作性能穩(wěn)定，已成為固體激光器的一個(gè)重要發(fā)展方向。<

22、/p><p>　　二極管陳列的光譜特性，包括中心波長(zhǎng)、發(fā)射線寬和波長(zhǎng)隨溫度的飄移，在用于泵浦固體激光器時(shí)時(shí)很重要的。激光二極管的工作物質(zhì)是PN結(jié),特點(diǎn)是極易受溫度的影響,其輸出波長(zhǎng)、閾值電流及輸出功率的穩(wěn)定性對(duì)溫度都非常敏感。因此,工作溫度對(duì)于激光二極管十分重要,只有提供了恒定的工作溫度,才能保證激光二極管具有穩(wěn)定的輸出波長(zhǎng)和輸出功率及最大的效率。在設(shè)計(jì)中，通過調(diào)節(jié)TEC（半導(dǎo)體制冷器）的電流或電壓,可以方便地實(shí)現(xiàn)精

23、密溫控。</p><p><b>　　聚光腔</b></p><p>　　聚光腔的作用是將泵浦光源輻射的光能最大限度地聚集到工作物質(zhì)上去，使用聚光腔可以提高泵浦轉(zhuǎn)換效率和提高泵浦光輻照均勻性，在設(shè)計(jì)聚光腔時(shí)，利用幾何光學(xué)的規(guī)律，使得光能最大集中。</p><p>　　側(cè)面泵浦方式的聚光器類型很多，例如有橢圓柱聚光腔（利用橢圓一個(gè)焦點(diǎn)發(fā)出的所有光

24、線，經(jīng)過橢圓反射面后將聚焦到另一個(gè)焦點(diǎn)上的原理）、圓柱聚光腔、橢球形聚光腔、圓球形聚光腔、多泵聚光腔、緊包式聚光腔等等。</p><p>　　本次實(shí)驗(yàn)使用的泵浦模塊泵浦系統(tǒng)使用了3個(gè)半導(dǎo)體線列陣從側(cè)面三向呈120°均勻分布對(duì)準(zhǔn)晶體棒的中心，進(jìn)行泵浦。每個(gè)半導(dǎo)體線列陣由3個(gè)半導(dǎo)體激光器構(gòu)成，并裝在同一個(gè)熱沉上，單個(gè)半導(dǎo)體激光器的最大輸出功率為20 W，輸出波長(zhǎng)為808nm ，線寬大約為4nm ，各列陣間的

25、中心波長(zhǎng)偏差在±3nm以內(nèi)。半導(dǎo)體激光器采用集體制冷，產(chǎn)生的熱量靠熱沉中流動(dòng)的去離子水迅速帶走。激光晶體為棒狀Nd:YAG，Ф=3mm，d=64mm，摻雜濃度為1.1 ％，晶體棒兩端為平行平面且鍍有1064nm的增透膜，棒的圓柱側(cè)面已拋光，以減少散射損失。晶體棒裝在一個(gè)玻璃套管中，靠玻璃套管中流動(dòng)著的去離子水進(jìn)行冷卻。</p><p><b>　　圖一 泵浦模塊圖</b><

26、/p><p><b>　?。ǘ詈戏绞?lt;/b></p><p>　　二極管輸出輸出光與工作物質(zhì)間的配置關(guān)系主要可分為二極管端面泵浦、側(cè)面泵浦。端泵浦的主要優(yōu)點(diǎn)是泵浦光耦合效率高，用多種耦合光學(xué)系統(tǒng)都可以實(shí)現(xiàn)很好的模匹配，易于獲得高光束質(zhì)量的激光輸出，但這種泵浦由于小區(qū)域強(qiáng)泵浦是使固體激光工作物質(zhì)的熱效應(yīng)較為嚴(yán)重，激活區(qū)利用率不高。對(duì)高功率二極管泵浦的耦合光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度

27、高，高功率密度泵浦光易破壞輸入端膜層。側(cè)面泵浦方式的熱效應(yīng)端泵浦小，并可充分利用激活區(qū)，獲得高功率輸出，而且，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，甚至可以不用耦合光學(xué)系統(tǒng)直接泵浦，但是，側(cè)泵浦一般為多模輸出，應(yīng)采用專門措施以提高光束質(zhì)量。</p><p>　　二極管發(fā)射的激光為高度像散光束，泵浦光進(jìn)入工作物質(zhì)，有不用光學(xué)元件直接耦合方式和使用耦合光學(xué)系統(tǒng)兩種方式。耦合光學(xué)系統(tǒng)很多，包括成像光學(xué)系統(tǒng)（透鏡、透鏡組等）、光纖、透鏡管道、衍

28、射光學(xué)元件等。在簡(jiǎn)單情況下，端泵浦的耦合光學(xué)系統(tǒng)由一個(gè)大數(shù)值孔徑的準(zhǔn)直透鏡和一個(gè)聚焦透鏡組成，將二極管的像散光束準(zhǔn)直后聚焦到激光介質(zhì)上。側(cè)面泵浦可采用直接耦合方式。</p><p>　　由上面的圖一所示的泵浦模塊圖可以知道，在設(shè)計(jì)中使用的用泵浦模塊是側(cè)泵浦，這樣可以獲得高功率的輸出。</p><p>　?。ㄈ┕腆w激光工作物質(zhì)【4】</p><p>　　固體激光工作

29、物質(zhì)是將激活離子摻入基質(zhì)材料（晶體、玻璃）而構(gòu)成的，其中光譜特性主要是由激活離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)決定。作為發(fā)光中心的激活離子主要有：</p><p>　?。?）稀有離子 如三價(jià)稀土離子（常有Nd3+）和二價(jià)稀土離子（鉺Er2+等）</p><p>　?。?）過渡族金屬離子（如Cr3+等）例如紅寶石（Cr3+：Al2O3）的光譜特性就是由Cr確定的。</p><p><

30、;b>　?。?）鈳系離子</b></p><p>　　紅寶石（693.4nm）、Nd：YAG（0.946μm）、Nd：YAG（1.04μm）、Nd：YO4（1.04μm）、 Er：YAG（2.9μm）、鉺玻璃（1.54μm）、Yb：YAG（1.03μm）等等已經(jīng)有報(bào)道有產(chǎn)品了。</p><p>　　以下簡(jiǎn)要說一下某些摻釹（Nd）激光工作物質(zhì)光譜特性</p>

31、<p>　　Nd：YAG（摻釹釔鋁石榴石）</p><p>　　對(duì)激光有貢獻(xiàn)的吸收帶有5條：</p><p>　　0.53μm 4I9/2→4G7/2+2G9/2 </p><p>　　0.58μm 4I9/2→4G5/2+2G7/2</p><p>　　0.75μm 4I9/2→ 4F7/2+4S3/2 <

32、/p><p>　　0.81μm 4I9/2→4F5/2+4H9/2 </p><p>　　0.87μm 4I9/2→4F3/2【3】</p><p>　　其中以0.75μm和0.81μm為中心的兩個(gè)吸收帶的吸收最強(qiáng)，這也剛剛好與LD的發(fā)射波長(zhǎng)匹配。其實(shí)對(duì)于現(xiàn)在所用的釹（Nd）和鉺（Er）激活離子的峰值吸收波段基本一致，這也是LD廣泛應(yīng)用的原因之一。</

33、p><p>　　室溫下在紅外區(qū)有三條明顯的熒光譜線，其中心波長(zhǎng)和所對(duì)應(yīng)的能級(jí)躍遷為：</p><p>　　0.946μm 4F3/2→4I9/2 </p><p>　　1.06μm 4F3/2→4I11/2 </p><p>　　1.35μm 4F3/2→4I13/2 </p><p>　　其中以1.

34、06μm處的熒光譜線最強(qiáng)。從上面的能級(jí)躍遷可以看出,4F3/2為亞穩(wěn)態(tài)（激光上能級(jí)），4I9/2，4I11/2，4I13/2都可以看作激光下能級(jí)，4I9/2為Nd：YAG的基態(tài)。4F3/2→4I9/2 躍遷屬于三能級(jí)系統(tǒng)，閾值高，只能在低溫下才能實(shí)現(xiàn)激光振蕩。4F3/2向4I11/2和4F13/2的躍遷都屬于四能級(jí)系統(tǒng)，閾值低，易于實(shí)現(xiàn)激光振蕩。其中，1.06μm的熒光較1.35μm的約強(qiáng)4倍，1.06μm的譜線先起振，并抑制1.35

35、μm的譜線起振。Nd:YAG發(fā)射光譜圖見下圖二：</p><p>　　圖二　Nd：YAG發(fā)射光譜特性</p><p>　　第二章 固體激光器的的熱效應(yīng)</p><p>　?。ㄒ唬嵬哥R效應(yīng)【4】</p><p>　　熱效應(yīng)對(duì)激光輸出功率、腔的穩(wěn)定性、輸出光束質(zhì)量都有所影響。</p><p>　　光泵浦的熱效應(yīng)包括熱透

36、鏡效應(yīng)、熱致應(yīng)力雙折射和退偏效應(yīng)．對(duì)于諧振腔的設(shè)計(jì)，一般主要考慮熱透鏡效應(yīng)的影響。</p><p>　　熱致應(yīng)力雙折射效應(yīng)是因?yàn)闇囟仍诎魞?nèi)的非均勻分布引起熱應(yīng)力，熱應(yīng)力又引起棒的折射率的變化，使各向同性介質(zhì)變?yōu)楦飨虍愋?，從而線偏振光輸入激光介質(zhì)后引起相位差；熱透鏡效應(yīng)也是因?yàn)闇囟忍荻鹊拇嬖冢ぷ魑镔|(zhì)內(nèi)折射率和熱應(yīng)力產(chǎn)生相應(yīng)的差別而產(chǎn)生的，它指的是由于熱效應(yīng)，光泵浦的激光棒可等效為一個(gè)焦距為f的熱透鏡。</p

37、><p>　　對(duì)于諧振腔的設(shè)計(jì)，一般主要考慮熱透鏡效應(yīng)的影響。固體激光器的光泵浦熱效應(yīng)嚴(yán)重妨礙了激光輸出功率的進(jìn)一步的提高，并使光束質(zhì)量劣化。對(duì)正熱透鏡效應(yīng)采取補(bǔ)償?shù)拇胧┯校孩趴梢栽僦C振腔內(nèi)加入負(fù)透鏡，或者把激光棒對(duì)面修成凹面；（2）采用相應(yīng)的諧振腔減少熱透鏡的影響；（3）采用熱效應(yīng)補(bǔ)償。</p><p>　　從理論方面分析熱透鏡，忽略端面效應(yīng)，熱透鏡可以表示為：【21】</p>

38、<p><b>　　(2-1)</b></p><p>　　式中M包含了所有的激光棒材料參量和效率因子（輸入功率與棒中熱散耗功率比），對(duì)于LD泵浦，由于LD有閾值，在恒流電源下，式（2-1）可以為：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　式中為泵浦輸入電流， 為閾值電流，由于光焦度

39、, 所以式可變形為： （2-3）</p><p>　　上式可以看出泵浦電流與光焦度D呈線性的關(guān)系。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)中測(cè)量熱透鏡的方法有比較多，例如He-Ne光探測(cè)法、相干測(cè)量法、非穩(wěn)定腔法等。在這次實(shí)驗(yàn)中利用非穩(wěn)定腔法測(cè)量熱透鏡焦距。非穩(wěn)定腔法測(cè)量是利用熱穩(wěn)區(qū)原理。如下圖（2-1）平平腔腔型的穩(wěn)

40、定性條件是，如果使鏡面M2緊貼模塊，從而保證，這樣，只需要滿足就有激光輸出。利用這個(gè)特點(diǎn)，移動(dòng)后鏡M1，當(dāng)沒有激光輸出時(shí)對(duì)應(yīng)的L1就是這個(gè)泵浦功率所對(duì)應(yīng)的熱焦距f。</p><p>　　測(cè)量熱透鏡的實(shí)驗(yàn)儀器如下：</p><p>　　棒狀Nd：YAG晶體的尺寸：直徑為3mm，長(zhǎng)64mm（泵浦模塊部分）</p><p>　　M1鏡片為1064nm全反鏡，M2為左鏡面鍍

41、有20%透過率的輸出鏡；</p><p><b>　　冷卻溫度為20℃；</b></p><p>　　諧振腔設(shè)計(jì)時(shí)，L2緊貼泵浦模塊，L1從350mm到650mm，每隔50mm逐一測(cè)量，每一個(gè)組合逐漸增加泵浦電流，觀察輸出功率的變化，當(dāng)泵浦電流到某一值時(shí)，激光停止輸出，對(duì)應(yīng)于此泵浦電流的熱焦距大小即為當(dāng)時(shí)的L1值。</p><p>　　圖2-1

42、 非穩(wěn)定腔法測(cè)熱焦距</p><p>　　以下是實(shí)驗(yàn)中測(cè)量出來數(shù)據(jù)鎖擬合的熱透鏡與泵浦電流關(guān)系曲線： </p><p>　　圖2-2 熱透鏡焦距與泵浦電流的關(guān)系曲線</p><p>　　對(duì)于泵浦電流與熱焦距的關(guān)系可以有下圖（2-3）表示出：</p><p>　　圖2-3 光焦度與泵浦電流的關(guān)系曲線</p><p>

43、;　　由上面兩圖對(duì)比分析，光焦度與泵浦電流的關(guān)系成線性關(guān)系，跟理論相符合。</p><p>　　（二）熱穩(wěn)腔【4】【5】</p><p>　　熱焦距為f的YAG棒可用一個(gè)焦距為f的薄透鏡表示。如圖（2-1）所示的熱透鏡腔，以激光棒中心為參考點(diǎn)，往返一周ABCD矩陣可寫為：</p><p><b>　　（2-4）</b></p>&

44、lt;p>　　計(jì)算可得 （2-5）</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p><b>　　（2-7）</b></p><p><b>　?。?-8）</b></p>

45、<p>　　穩(wěn)定性是諧振腔首要考慮因素，如果腔型不穩(wěn)定，基頻光難以維持振蕩。由高斯光束自身再現(xiàn)條件可得諧振腔的穩(wěn)定性條件為： （2-9）</p><p>　　用g參數(shù)表示法則為：0<g1g2<1 (2-10) </p><p&g

46、t;　　由于隨著泵浦電流的變化，或者g1g2的值就會(huì)變化，從而可能令諧振腔脫離穩(wěn)定區(qū)。以g1、g2為坐標(biāo)軸，則可畫出諧振腔的穩(wěn)定區(qū)，如下圖（2-4）。圖中的雙曲線為g1g2=1，雙曲線與坐標(biāo)軸之間的陰影部分為穩(wěn)定區(qū)，任意一個(gè)諧振腔(g1,g2)只要位于穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，就是穩(wěn)定腔。同時(shí)利用激光諧振腔軟件LasCAD可以分析腔的穩(wěn)定區(qū)。</p><p>　　圖（2-4）穩(wěn)定腔部分</p><p>　

47、　高斯光束q參數(shù)的定義為：</p><p><b>　　（2-11）</b></p><p>　　式中R，分別為反射鏡M2處的基模高斯光束的等相位面曲率半徑與光斑半徑。利用ABCD定律，q參數(shù)變換規(guī)律可用下式表示：</p><p><b>　?。?-12）</b></p><p>　　這樣，比較式（

48、2-11）和式（2-12），可得參考面光斑半徑：</p><p><b>　?。?-13）</b></p><p>　　式中為激光波長(zhǎng)。當(dāng)給定L1，L2的值，就可以計(jì)算激光棒光斑半徑隨熱透鏡焦距光焦度d變化的曲線，其為一個(gè)開口向上的U形曲線【2】。激光棒半徑是因?yàn)樗拇笮Q定了基模光束的模體積，從而對(duì)激光輸出功率和光束質(zhì)量以及熱穩(wěn)定性都有直接的影響。</p>

49、;<p>　　由于熱透鏡焦距隨著泵浦功率改變，這樣可以擬合出激光棒光斑半徑隨泵浦電流變化的曲線，從而分析熱穩(wěn)腔。這部分理論知識(shí)是前人已經(jīng)花了很多心思研究出來的。</p><p>　　第三章 非線性效應(yīng)與倍頻晶體</p><p>　?。ㄒ唬┓蔷€性光學(xué)基礎(chǔ)【5】</p><p>　　非線性光學(xué)是在激光出現(xiàn)之后才得以蓬勃發(fā)展的。強(qiáng)光在介質(zhì)中將出現(xiàn)很多違背波

50、的迭加原理的現(xiàn)象，如諧波的產(chǎn)生、光參量振蕩（OPO）、光的受激散射、光束自聚焦等。光的非線性效應(yīng)一般比較弱的，只要激光這樣強(qiáng)大的光源出現(xiàn)后，非線性光學(xué)研究的大力發(fā)展才有可能。</p><p>　　處于電磁場(chǎng)中的物質(zhì)會(huì)受到場(chǎng)的作用，對(duì)電介質(zhì)來說，在外加電場(chǎng)時(shí)，原子出現(xiàn)電偶極化。一般采用宏觀電極化強(qiáng)度P來描述物質(zhì)的極化。</p><p>　　當(dāng)場(chǎng)比較弱時(shí)，極化強(qiáng)度與電場(chǎng)強(qiáng)度近似線性關(guān)系：<

51、;/p><p><b>　　(3-1)</b></p><p>　　當(dāng)是強(qiáng)場(chǎng)（如激光）時(shí)，一級(jí)近似表達(dá)式就不成立，可修正為： (3-2) </p><p>　　其中為極化強(qiáng)度的非線性項(xiàng)。X為一階電極化率，是二階張量，它導(dǎo)致折射和反射等現(xiàn)行光學(xué)現(xiàn)象；X為二階電極化率，是三階張量，它產(chǎn)生

52、倍頻、和頻、差頻、光參量振蕩、光學(xué)整流、線性電光效應(yīng)和法拉第等效應(yīng)非線性現(xiàn)象；X為三階電極化率，是四階張量，是三次諧波產(chǎn)生、四波混頻、受激拉曼散射和受激布里淵散射等現(xiàn)象的原因。</p><p>　　對(duì)于各向同性的線性介質(zhì)，可簡(jiǎn)化為： （3-3） </p><p>　　其中，E原子為原子中的電場(chǎng)。</p><p>　　（二）倍頻波耦合及轉(zhuǎn)換效率&

53、lt;/p><p>　　倍頻是最基本的非線性應(yīng)用，可以得到頻率為兩倍于基頻激光的輸出，而三倍頻激光是由基頻和倍頻激光的和頻而產(chǎn)生?？吹剑?-3）式中的項(xiàng)，在二階非線性效應(yīng)中，有三個(gè)光波參與非線性作用【6】：</p><p><b>　　（3-4）</b></p><p><b>　　其中=1，2，3</b></p>

54、<p>　　對(duì)于倍頻來說，倍頻相當(dāng)于和頻效應(yīng)中，的情形，也就是說兩個(gè)基頻光相互為共軛，只要選擇其中一個(gè)波動(dòng)方程即可。忽略晶體損耗，由式（3-4）可得出基頻光電場(chǎng)和倍頻光電場(chǎng)沿傳輸方向Z軸上的波耦合方程：</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p><b>　　式中為非線性系數(shù)。</b></p>&l

55、t;p><b>　　1、小信號(hào)情況</b></p><p>　　倍頻轉(zhuǎn)換效率較低的情況下，即倍頻光為小信號(hào)。由于相應(yīng)的基頻光消耗很少，近似取為常數(shù)，即，由于在輸入基頻光波中無項(xiàng)，所以得到邊界條件,當(dāng)晶體長(zhǎng)度為L(zhǎng)，這樣由對(duì)（3-5）式積分就可以得出：</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　

56、其中，為基頻光在真空中的波長(zhǎng)。</p><p><b>　　為光束中心光強(qiáng)</b></p><p>　　這樣可以得到倍頻的光強(qiáng)（功率密度）為：</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　最后，就可以得出倍頻的效率【6】【76】：</p><p>&l

57、t;b>　?。?-8）</b></p><p>　　從功率方面考慮可變形為【2】： （3-9）</p><p>　　由（3-8）式可得，倍頻的效率的提高跟以下因素有光：</p><p><b>　?。?）非線性系數(shù)；</b></p><p>　?。?）基頻光的強(qiáng)度；</p>

58、<p>　?。?）由sinc函數(shù)性質(zhì)可知，時(shí)，取最大值。Δk為相位失配量，我們把Δk稱作相位匹配條件，而且相位匹配也是一個(gè)重要的因素；</p><p>　　圖3-1 函數(shù)圖像</p><p><b>　?。?）晶體的長(zhǎng)度。</b></p><p>　　由以上的因素可知，某特定的倍頻晶體，影響倍頻效率的就是基頻光的強(qiáng)度。由功率表達(dá)式看

59、得出，在提高倍頻效率方面，增加基頻光束半徑可增大作用長(zhǎng)度，但倍頻還與功率密度有光，這要求減少光束半徑。倍頻效率與倍頻晶體所在位置的基頻光的光斑半徑的二次方成反比，即是說，倍頻晶體的放置應(yīng)該在光斑半徑較小的位置上，也就是盡量靠近腔的后鏡。</p><p>　　本次論文的實(shí)驗(yàn)中的所用到的倍頻晶體就是屬于這方面的，從而摸索的脈寬寬度以及調(diào)Q重復(fù)頻率對(duì)倍頻輸出以及效率的影響。</p><p>&l

60、t;b>　　2、大信號(hào)情況修正</b></p><p>　　高的倍頻效率情況下，基波不再近似為常數(shù)，這時(shí)穩(wěn)態(tài)解不再適合，必須重新求解式（3-5），聯(lián)合成方程組的其解為：</p><p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　其中稱為倍頻的特征長(zhǎng)度。于是可以得到倍頻轉(zhuǎn)換效率即基波的能量轉(zhuǎn)化為【6】【7】：<

61、/p><p><b>　?。?-11）</b></p><p><b>　　（3-12）</b></p><p>　　圖3-2 大信號(hào)情況下的倍頻效率和基波能量轉(zhuǎn)換</p><p><b>　?。ㄈ┫辔黄ヅ?lt;/b></p><p>　　在非線性效應(yīng)發(fā)生

62、過程中，非線性相互作用的三波于非線性介質(zhì)無能量交換，此時(shí)，三波之間滿足能量守恒和動(dòng)量守恒： （3-13）</p><p>　　其中由波矢與相速度的關(guān)系 ，即，</p><p>　　由式（3-10）有 （3-14）</p><p>　　該式就是共線情況下的相位匹配條件，符合此條

63、件，三波之間的非線性就會(huì)增強(qiáng)，式中對(duì)應(yīng)的三波仔非線性介質(zhì)中的折射率。</p><p>　　上面說到在倍頻二次諧波產(chǎn)生過程中相位匹配條件是：，也即【6】【【8】 （3-15）</p><p>　　式中表示基頻光和倍頻光的折射率。</p><p>　　式(3.15) 相位匹配條件是指基波和二次諧波

64、在介質(zhì)中的傳播速度相等，或折射率相等。但對(duì)于一般的光學(xué)介質(zhì)而言，由于色散效應(yīng)，其折射率隨著頻率變化，通常利用晶體的雙折射特性補(bǔ)償晶體的色散效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)相位匹配。</p><p>　　利用晶體的雙折射特性來實(shí)現(xiàn)相位匹配的方法我們稱為雙折射相位匹配，相位匹配分為角度相位匹配和溫度相位匹配兩種。</p><p><b>　　角相位匹配</b></p><p

65、>　　指的是通過改變晶體的入射角來實(shí)現(xiàn)式（3-15）的成立</p><p>　　根據(jù)基波的偏振狀態(tài)可以把相位匹配方式分為平行相位匹配和正交相位匹配兩類，又稱為I類匹配方式和H類匹配方式；如果頻率為的光波與頻率為的光波具有相同的偏振方向，即兩者都是尋常光或者都是非尋常光，此時(shí)的相位匹配稱為Ⅰ類相位匹配；反之，光波與光波具有正交的偏振方向，即一束光是尋常光，另一束光是非尋常光，此時(shí)的相位匹配稱為Ⅱ類相位匹配；Ⅰ

66、型和Ⅱ型相位匹配，都是通過選擇特定光傳播方向來實(shí)現(xiàn)的，故稱角度匹配。這個(gè)能保證相位匹配的光傳播方向的空間角度稱為相位匹配角。由于其</p><p>　　匹配方向?qū)嵌群苊舾校瓷陨云x匹配角，便會(huì)造成相當(dāng)大的Δk），所以也稱臨界匹配，若匹配角度等于90°時(shí)稱非臨界相位匹配，溫度匹配就是非臨界相位匹配。</p><p>　　非線性光學(xué)晶體有單軸晶體和雙軸晶體之分</p>

67、<p>　　(l)單軸晶體匹配方式</p><p>　　單軸晶體有正單軸晶體()和負(fù)單軸晶體()之分，匹配方式有所不同：</p><p>　　正單軸晶體匹配方式: </p><p>　　I類 </p><p>　　相位匹配條件：

68、 （3-16）</p><p><b>　　II類 </b></p><p>　　相位匹配條件： （3-17）</p><p>　　負(fù)單軸晶體匹配方式: </p><p><b>　　I類 </b&g

69、t;</p><p>　　相位匹配條件： （3-18）</p><p><b>　　II類 </b></p><p>　　相位匹配條件： （3-19）</p><p>　　(2)雙軸晶體匹配方式</p>

70、;<p>　　倍頻轉(zhuǎn)換效率較高的晶體（KTP、LBO等）是雙軸晶體。雙軸晶體較單軸晶體復(fù)雜，雙軸晶體的折射率曲面在直角坐標(biāo)系中是四次曲面(雙層殼面)，對(duì)稱性較差，在沿波有兩個(gè)偏振態(tài)垂直的簡(jiǎn)正模均為非尋常光，通常，根據(jù)它們?cè)诰w中光速快慢分為快光和慢光；折射率大的，光速慢，稱為慢光;折射率小的，光速快，稱為快光。根據(jù)入射基頻波光的偏振方向，也可分為兩類相位匹配方式：Ⅰ類相位匹配類和Ⅱ類相位匹配。如果入射基波光均為慢光，偏振方

71、向平行，稱為Ⅰ類相位匹配；如果入射波既有慢光又有快光，偏振方向正交，則稱為Ⅱ類相位匹配。以和表示慢光和快光的偏振態(tài)，匹配方式符號(hào)表示以下。</p><p><b>　　雙軸晶體匹配方式:</b></p><p><b>　　I類：</b></p><p><b>　　II類：</b></p>

72、;<p>　　三波共線情況下， 雙軸晶體相位匹配條件可以表示為【7】：</p><p>　　I類： 倍頻情況下： （3-20）</p><p>　　II類： 倍頻情況下： （3-21）</p><p>　　式中的表示三個(gè)光波的頻率，滿足和，表示三個(gè)光波的折射率，和表示慢光和快光的偏振態(tài)。聯(lián)合

73、三個(gè)光波的折射率函數(shù)的空間交線，也就可以得出各類型和頻（包括倍頻）相位匹配曲線。</p><p>　?。ㄋ模┚w溫度控制【9】</p><p>　　半導(dǎo)體泵浦的固體激光器應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大對(duì)其輸出功率和波長(zhǎng)的穩(wěn)定性提出了更高的要求。為了獲得頻率穩(wěn)定、高倍頻輸出功率以及理想的光束質(zhì)量，應(yīng)對(duì)半導(dǎo)體激光器、增益介質(zhì)及倍頻晶體進(jìn)行溫控。其中，倍頻晶體的溫度變化導(dǎo)致倍頻相位失配是影響倍頻效率的關(guān)鍵因

74、素。因此如何提高倍頻晶體 KTP 的溫度控制精度已經(jīng)成為當(dāng)前半導(dǎo)體泵浦的固體激光器系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的部分。如何設(shè)計(jì)出實(shí)用、高效、結(jié)構(gòu)緊湊、裝置簡(jiǎn)單的溫控系統(tǒng)已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn) 。</p><p>　　隨著LD的泵浦電流的增大，基頻光的功率也就越高，在晶體中產(chǎn)生的熱效應(yīng)就越嚴(yán)重，也會(huì)引起相位匹配條件的失配，溫度過高，甚至沒有倍頻的輸出。因此進(jìn)行溫度控制是必要的，否則將會(huì)嚴(yán)重影響激光倍頻的輸出功率、效率、和穩(wěn)定性。&

75、lt;/p><p>　　在晶體已經(jīng)選定的情況下，晶體長(zhǎng)度、有效倍頻系數(shù)以及入射角度均已固定，倍頻效率與相位失配有密切關(guān)系。溫度變化時(shí)，由非線性介質(zhì)中熱光系數(shù)的變化可以推導(dǎo)出非線性介質(zhì)在晶體度變化情況下的改變，從而計(jì)算得到溫度變化對(duì)SHG倍頻效率的影響，對(duì) KTP晶體輸出光功率隨溫度變化使用計(jì)算機(jī)模擬作圖。</p><p>　　雙軸晶體中溫升改變了光波在晶體中的主折射率，晶體是按常溫下計(jì)算的最佳

76、匹配角切割的。晶體中溫升造成的光波主折射率的變化導(dǎo)致晶體中三波互作用產(chǎn)生相位失配，從而降低了互作用效率。 有資料研究過KTP晶體II類匹配隨溫升增大，最佳匹配角逐漸減小，從而造成效率下降，功率下降。</p><p>　　本論文的實(shí)驗(yàn)中對(duì)激光晶體、調(diào)Ｑ開光、倍頻和頻晶體進(jìn)行溫度控制，采用的冷卻方式是由循環(huán)的冷卻去離子水進(jìn)行冷卻。水冷機(jī)是由深圳市東路陽實(shí)業(yè)有限公司提供的PH-LW 16－BHP型激光冷水機(jī)。</

77、p><p><b>　?。ㄎ澹┏Ｓ帽额l晶體</b></p><p>　　對(duì)于非線性晶體的選擇需要綜合考慮各種影響因素。盡量選取大的非線性系數(shù)、大的接收角、小的走離角、透光范圍寬、高的光損傷閾值等。在Nd激光器近紅外激光二次諧波的產(chǎn)生中常用的非線性晶體有KTP、KDP、LBO和BBO等，而其中最常用的當(dāng)屬KTP、LBO和BBO。在三倍頻變換中常用的晶體有LBO、BBO、CL

78、BO、CBO等。</p><p><b>　　KTP</b></p><p>　　KTP（KtiPO4，磷酸鈦鉀）是七十年代末期出現(xiàn)的一種新型非線性材料，屬于正雙軸晶體結(jié)構(gòu),具有硬度高、化學(xué)能穩(wěn)定，與傳統(tǒng)的非線性倍頻晶體相比，由于該晶體具有：有效非線性系數(shù)大、接受角和緯度接受范圍大、損傷閾值高、室溫下可以實(shí)現(xiàn)相位匹配、透光范圍寬（350-4500nm）、性質(zhì)穩(wěn)定、不易

79、潮解和相對(duì)較低廉的價(jià)格等優(yōu)點(diǎn)，因而被公認(rèn)為當(dāng)今全能的倍頻晶體。為高功率激光器的發(fā)展提供了良好的基礎(chǔ)。KTP導(dǎo)熱性良好，一般不需要進(jìn)行溫度控制，但是它是在1064nm光附近有高的有效的非線性系數(shù)。</p><p><b>　　LBO</b></p><p>　　LBO(LiB3o4，三硼酸鏗)是1988年由中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所發(fā)明的，是負(fù)雙軸晶體。它有寬的透光波

80、段（160-2600nm），紫外透光性好，略微潮解，有良好的物理化學(xué)性質(zhì)，光學(xué)均勻性好內(nèi)部包絡(luò)少，損傷閾值很高，非線性光學(xué)系數(shù)適中，走離角小，允許角大，非常適合腔外和頻?，F(xiàn)廣泛應(yīng)于波二次、三次諧波產(chǎn)生、光參量振蕩等領(lǐng)域。不足之處是有效非線性系數(shù)和倍頻效較低，折射率對(duì)溫度敏感，允許溫度范圍小，需要嚴(yán)格的控溫系統(tǒng)。精度越高的溫控系統(tǒng)，倍頻的效率就越高。LBO晶體在諧波的產(chǎn)生中可用臨界位匹配，也可用非臨界相位匹配。</p>&l

81、t;p><b>　　BBO</b></p><p>　　BBO (β-BaB2O4，β相偏硼酸鋇)為負(fù)單軸晶體，由中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所研制，有較大的相位匹配角、較高的損傷閡值，有較大的非線性系數(shù)，透光范圍189~3500nm，其缺點(diǎn)是潮解較低，角度容限小，對(duì)有效的倍頻需要衍射極限光束，紫外吸收較多。BBO晶體已經(jīng)廣泛應(yīng)用于Nd：YAG激光器的二次、三次、四次以及五次諧波的產(chǎn)生。

82、</p><p><b>　　KDP</b></p><p>　　KDP(KHZPO;，磷酸二氫鉀)，它為負(fù)單軸晶體，易潮解，透光范圍174-1570nm。是最早用于紫外波段的非線性晶體之一，可以實(shí)現(xiàn)1064nm激光的二倍頻、三倍頻和四倍頻，并且可以實(shí)現(xiàn)四倍頻的非臨界相位匹配。</p><p>　　以下幾種三倍頻的晶體的特性</p>

83、<p>　　在本次設(shè)計(jì)中所選用的倍頻晶體和和頻晶體都是LBO。</p><p>　　正如上面可說，LBO有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，已經(jīng)成功應(yīng)用于YAG，YLF及YAP等激光二倍頻及三倍頻。其熔點(diǎn)越等834℃，密度為2.47g/cm3,破壞閾值18.9GW/cm2，倍頻有效非線性約為KDP的3倍。非線性系數(shù) d33=0.61 ，d32=2.69，d31=2.24。當(dāng)溫控系統(tǒng)的精度較高的時(shí)候，LBO具有有很大的接

84、收角，因此可以允許聚焦光斑到100微米或者更小，且具有比較小的走離角，因此綠光與紅外光在晶體內(nèi)重合很好，非常適合腔外和頻。</p><p>　　第四章 紫外激光實(shí)驗(yàn)</p><p><b>　　（一）實(shí)驗(yàn)裝置</b></p><p>　　采用He-Ne激光器進(jìn)行準(zhǔn)直，泵浦模塊采取端面泵浦方式，諧振腔為兩塊平面鏡組成的平平直腔，直腔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體

85、積緊湊，易于商品化，調(diào)Q模塊為聲光調(diào)Q方式，倍頻晶體為L(zhǎng)BO，采取腔外（或者腔內(nèi)）倍頻方式。紫外激光器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的示意圖如下圖（4-1）。不過本人這次實(shí)驗(yàn)部分是倍頻光輸出部分的研究（即虛線部分沒有實(shí)驗(yàn)分析）。</p><p>　　圖（4-1）實(shí)驗(yàn)裝置示意圖</p><p>　　紫外裝置系統(tǒng)【10】【11】主要包括前鏡、中鏡、輸出鏡、Q頭、半導(dǎo)體泵浦激光模塊與倍頻LBO晶體、和頻LBO晶體以及

86、溫控系統(tǒng)水冷機(jī)。</p><p>　　前鏡：平平鏡，右鏡面鍍1064nm 高反膜，用于為1064nm 基頻光提供正反饋。</p><p>　　中鏡：平平鏡，右鏡面鍍1064nm 高透膜、532nm 高反膜，用于將逆向532nm 倍頻光反射回和頻晶體，并避免其對(duì)激光工作物質(zhì)的影響。</p><p>　　輸出鏡：平平鏡，左鏡面鍍1064nm 高反膜、532nm 高反膜，

87、用于為1064nm 基頻光提供正反饋，同時(shí)限制532nm 倍頻光于腔內(nèi)，以提高其功率。</p><p>　　Q頭：采用聲光調(diào)Q方式，對(duì)基頻光進(jìn)行調(diào)Q，以得到高峰值功率的短脈沖激光。這有助提高非線性轉(zhuǎn)換效率。</p><p>　　半導(dǎo)體泵浦激光模塊：由808 nm半導(dǎo)體激光側(cè)面泵浦Nd∶YAG晶體（YAG棒直徑為3mm，長(zhǎng)75mm），用于產(chǎn)生1064nm 基頻光。</p>&l

88、t;p>　　水冷系統(tǒng)：實(shí)驗(yàn)中激光晶體、倍頻晶體、和頻晶體、聲光調(diào)Q晶體均需要進(jìn)行冷卻，本文采用的冷卻方式是由循環(huán)的冷卻去離子水進(jìn)行冷卻。水冷機(jī)是由深圳市東路陽實(shí)業(yè)有限公司提供的PH-LW 16－BHP型激光冷水機(jī)。冷卻系統(tǒng)的溫度保持為20℃。</p><p><b>　?。ǘ┣恍蛯?shí)驗(yàn)</b></p><p>　　激光晶體的熱透鏡效應(yīng)，影響到腔型的設(shè)計(jì)，從而影響

89、基頻光束的功率密度和光束質(zhì)量，進(jìn)而影響下一步的非線性轉(zhuǎn)換效率。事實(shí)上，基頻光功率和質(zhì)量是互相制約的，短腔型有利于提高基頻光的功率密度，且腔內(nèi)傳輸損耗較小；長(zhǎng)腔型中激光模塊光斑尺寸大，有助選模，非線性晶體中的發(fā)散角也較小，有利于改善基頻光的光束質(zhì)量。對(duì)稱腔與非對(duì)稱腔在功率輸出方面也有區(qū)別。</p><p>　　在選取鏡片方面，首先要注意鏡片的清洗。前腔鏡是一塊右端涂有高反鏡的平面鏡,后腔鏡是20%透過率的平面鏡。在

90、實(shí)驗(yàn)過程中分別進(jìn)行不同腔長(zhǎng)的功率測(cè)量。</p><p>　　在準(zhǔn)直光路方面，采用He-Ne激光器進(jìn)行準(zhǔn)直，本次準(zhǔn)直方式是He-Ne激光經(jīng)過兩成45°的平面鏡反射后射到泵浦模塊，經(jīng)過泵浦模塊端面的反射，反射光沿原路返回則實(shí)現(xiàn)泵浦模塊準(zhǔn)直，以后每添加一個(gè)鏡片，調(diào)節(jié)鏡片使得反射光沿原路返回則鏡片準(zhǔn)直，示意圖見下 （4-2）。</p><p>　　圖（4-2）腔型設(shè)置示意圖</p&

91、gt;<p>　　取激光模塊到后鏡M1的距離為L(zhǎng)1，激光模塊到前鏡M2的距離為L(zhǎng)2：</p><p><b>　　對(duì)稱腔</b></p><p>　　對(duì)稱腔即是L1=L2,對(duì)稱腔的穩(wěn)定區(qū)較大。下圖中兩條紅色線就是對(duì)稱腔的連續(xù)功率線，可以看出對(duì)稱腔在功率輸出方面略大于非對(duì)稱腔。</p><p>　　圖（4-3）觀察對(duì)稱腔的功率<

92、;/p><p><b>　　非對(duì)稱腔</b></p><p>　　圖（4-4）對(duì)比觀察不同腔長(zhǎng)時(shí)的連續(xù)功率</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)小結(jié)</b></p><p>　　腔型實(shí)驗(yàn)以后，根據(jù)數(shù)據(jù)可以判斷：</p><p>　　在L1相同的情況下，變化L2，對(duì)稱腔的基頻光輸出平均

93、功率要比非對(duì)稱腔高少許；</p><p>　　在L2相同情況下，L1變化后，激光輸出受到熱透鏡焦距的影響而消光，基頻光平均功率也是在對(duì)稱的時(shí)候有優(yōu)勢(shì)；</p><p>　　在腔長(zhǎng)L=L1+L2相同的情況下，如果L1比較大，就會(huì)因?yàn)闊嵬哥R效應(yīng)的影響，隨著泵浦電流的增大而出現(xiàn)消光；如果L2較大，L1相對(duì)較小，覺得空間有所浪費(fèi)，至于激光輸出的質(zhì)量應(yīng)該也有所下降；對(duì)稱時(shí)激光平均功率也是最大的。同時(shí)

94、腔長(zhǎng)一定的情況下，對(duì)稱腔提供最寬的連續(xù)穩(wěn)定區(qū)，腔型越不對(duì)稱，獨(dú)立穩(wěn)定區(qū)越窄，中間非穩(wěn)區(qū)越寬。</p><p>　　綜上所得，由于熱效應(yīng)的原因，功率密度和光束質(zhì)量是受到影響的，在穩(wěn)定區(qū)的邊沿光束質(zhì)量是最優(yōu)秀的【2】，腔長(zhǎng)較長(zhǎng)的腔，光板尺寸較大，可得較大的基模體積，激光晶體抑制多模的振蕩，從而光束質(zhì)量較好；而出于穩(wěn)定性，則盡量不要接近穩(wěn)定腔邊沿區(qū)，腔長(zhǎng)也不能太長(zhǎng)，同時(shí)腔長(zhǎng)過于長(zhǎng)，損耗過多，不能滿足高的功率輸出，所以我

95、選擇了L1=300mm，L2=300mm的腔型進(jìn)行后面的實(shí)驗(yàn)，盡管我沒有對(duì)光束質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量。</p><p>　　在數(shù)據(jù)測(cè)量的時(shí)候未免也會(huì)因?yàn)榍恍偷亩啻巫儎?dòng)而存在誤差，但是每次數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)基本上是調(diào)至相同的閾值電流而進(jìn)行測(cè)量比較的。</p><p><b>　?。ㄈ┟}寬實(shí)驗(yàn)</b></p><p>　　進(jìn)行倍頻實(shí)驗(yàn)，是離不開安裝調(diào)Q開光，Q開光

96、選用Housego生產(chǎn)的聲光調(diào)Q裝置，冷卻系統(tǒng)溫度20℃。</p><p>　　調(diào)Q技術(shù)很早就應(yīng)用于非線性效應(yīng),調(diào)Q技術(shù)也叫做Q開關(guān)技術(shù)，是一種獲得高峰值功率、窄脈寬激光脈沖的技術(shù)。主要原理就是通過光開關(guān)來積累激光工作物質(zhì)的上能級(jí)粒子，瞬間釋放，產(chǎn)程巨脈沖，達(dá)到很高的峰值功率，而非線性效率又跟基頻光峰值功率相關(guān)。因此調(diào)Q技術(shù)的應(yīng)用大大提高了非線性效率。</p><p>　　倍頻效率除了與與

97、倍頻晶體所在位置的基頻光的光斑半徑的二次方成反比外，與基頻光的峰值功率也有很大的關(guān)系，這樣，調(diào)Q開關(guān)的重復(fù)頻率、峰值功率跟脈沖寬度之間的聯(lián)系是否有直接的聯(lián)系，脈沖寬度對(duì)非線性效應(yīng)的影響如何有著比較大研究意義。</p><p>　　首先，對(duì)不同調(diào)Q重復(fù)頻率下的平均功率進(jìn)行測(cè)量，這樣，對(duì)求峰值功率有幫助，同時(shí)可以求非線性效率。</p><p>　　圖（4-5） 不同重復(fù)頻率下的基頻光平均功率&

98、lt;/p><p>　　對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，跟沒有調(diào)Q功率一樣，隨著泵浦電流的增加，輸出平均功率線性增加，但是，到了高泵浦電流段，因?yàn)闊嵬哥R效應(yīng)的作用，輸出平均功率就不會(huì)線性增加，甚至出現(xiàn)消光，同時(shí)因?yàn)檩敵龉β孰S調(diào)Q改變，腔內(nèi)熱效應(yīng)必然也發(fā)生改變，會(huì)使得熱透鏡焦距的變化，熱穩(wěn)區(qū)發(fā)生偏移，這樣，轉(zhuǎn)折點(diǎn)也有所變化，隨重復(fù)頻率的升高而出現(xiàn)在更大的電流段。</p><p>　　在文獻(xiàn)【2】說到，調(diào)Q重復(fù)的

99、升高，在同一泵浦電流下，特別是重復(fù)頻率較大的時(shí)候，平均功率變化應(yīng)該不大的，但是此次實(shí)驗(yàn)中并非是這樣。當(dāng)然，輸出平均功率是隨重復(fù)頻率的提高的，跟前人差別可能在于設(shè)備的不一致。</p><p>　　當(dāng)泵浦電流一定時(shí)，重復(fù)頻率與脈沖寬度、峰值功率之間的關(guān)系</p><p>　　本次實(shí)驗(yàn)使用PIN管進(jìn)行光接收、利用示波器進(jìn)行讀書分析，其中示波器顯示不夠穩(wěn)定，以及脈寬值讀數(shù)是峰值的脈沖時(shí)間，讀數(shù)是存

100、在一定的誤差。以下幾幅是測(cè)量脈沖寬度，L1=300mm，L2=300mm，泵浦電流為10A，重復(fù)頻率分別是1khz、3khz、5khz示波器顯示圖像：</p><p>　　圖（4-6）f=1khz的脈寬 =240ns 圖（4-7）f=3khz的脈寬 =400ns</p><p>　　圖（4-8）f=5khz的脈寬 =480ns</p><

101、;p>　　下面是利用matlab擬合出來的曲線：</p><p>　　圖（4-9） L1=300mm,l2=300mm調(diào)Q重復(fù)頻率與基頻光的脈沖寬度的關(guān)系</p><p>　　由圖（4-9）可以看出，當(dāng)泵浦電流一定時(shí)，隨著重復(fù)頻率的增大，基頻光的脈沖寬度也增大。同時(shí)可以看出，在同義重復(fù)頻率下，隨著電流的增大，脈寬會(huì)變窄。不過這次測(cè)量脈寬的數(shù)值不夠理想，主要的是脈寬過寬，數(shù)量級(jí)達(dá)1

102、00ns。</p><p>　　脈寬的表達(dá)式可以表示為：【2】</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　式中為初始反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度，為最終反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度，為閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度，為腔的時(shí)間常數(shù)，為諧振腔長(zhǎng)度。/的比值對(duì)激光的脈寬的影響很大，/的比值對(duì)脈沖上升時(shí)間影響很大，/的增大，上升時(shí)間急劇縮短，而對(duì)下降時(shí)間影響不大因

103、為下降時(shí)間主要取決于光子在腔內(nèi)的自由衰減壽命。所以當(dāng)/增大時(shí)，即重復(fù)頻率較小時(shí)，脈寬的上升沿迅速變陡，脈沖變窄。這也就是隨重復(fù)頻率的增大，而脈沖寬度也增大的原因。【14】</p><p>　　以下是進(jìn)行峰值功率的比較： </p><p>　　圖（4-10） L1=300mm，l2=300mm 重復(fù)頻率與基頻光的峰值功率的關(guān)系</p>

104、<p>　　以上峰值功率數(shù)據(jù)是通過的利用公式【12】 （4-3） 得到的。</p><p>　　計(jì)算出峰值功率，作出的曲線如上圖（4-10）。由圖可以看出，峰值功率隨重復(fù)頻率的增加而下降，而且在泵浦電流越大的，峰值功率也就越大。雖然說峰值功率與脈沖寬度的關(guān)系不能說是一種反比關(guān)系出來，但是峰值功率是受到脈沖寬度的影響，脈寬越窄，峰值功率就越高，由于非線性效應(yīng)對(duì)功率密度的要求比較高，所以非線性效應(yīng)的轉(zhuǎn)化

105、效率越高。</p><p>　　由以上兩個(gè)圖可以得出，對(duì)于重復(fù)頻率的選擇，既要考慮脈寬以及峰值功率兩個(gè)因素，從而確定一個(gè)最佳重復(fù)頻率，從而得到高的功率密度，提高倍頻效率。</p><p>　　脈寬與泵浦電流、腔長(zhǎng)的關(guān)系。</p><p>　?。?）當(dāng)調(diào)Q開關(guān)重復(fù)頻率一定時(shí)在不同的泵浦電流下，脈寬的變化有著隨泵浦電流的增大脈寬減小的規(guī)律，其實(shí)這個(gè)在上面圖（4-9）的實(shí)

106、驗(yàn)數(shù)據(jù)就可以看得出。</p><p>　　至于在理論方面分析，可以由另一種脈寬表達(dá)式：【13】</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　式中為輸出中心頻率，當(dāng)重復(fù)頻率一定時(shí)，為一個(gè)定值，由上式可以看出，脈寬是隨著輸出平均功率成反比的，而平均功率隨泵浦電流成正比的，這樣脈寬隨泵浦電流成反比，這理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。&

107、lt;/p><p>　?。?）下面對(duì)不同腔長(zhǎng)的脈寬進(jìn)行測(cè)量對(duì)比，本次選取了（L1=200mm,L2=300mm）腔型和上面的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。</p><p>　　首先是（L1=200mm,L2=300mm）和（L1=300mm,L2=300mm）對(duì)比，這主要是看腔長(zhǎng)對(duì)脈寬的影響。由測(cè)量數(shù)據(jù)作出的曲線如下：</p><p>　　圖（4-11） 腔長(zhǎng)變化與脈寬的變化關(guān)系<

108、;/p><p>　　由數(shù)據(jù)顯示可以分析可以看到，當(dāng)腔長(zhǎng)變短后，在同一個(gè)電流，同一重復(fù)頻率下，脈寬要變窄。從理論分析，這個(gè)容易了解，脈寬與成正比，與諧振腔腔長(zhǎng)成正比，這樣脈寬與腔長(zhǎng)成正比。</p><p>　　在對(duì)稱腔與非對(duì)稱腔方面比較時(shí)，本次實(shí)驗(yàn)中，由于處理出來的數(shù)據(jù)并非是存在規(guī)律性，而且對(duì)于L 1和 L2的不同取值，數(shù)值變化也是有差別，未能推斷出優(yōu)越性。</p><p&g

109、t;<b>　　（四）倍頻輸出</b></p><p>　　倍頻晶體為L(zhǎng)BO，對(duì)于脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)的固體激光器，采取腔外倍頻方式，腔外倍頻調(diào)整簡(jiǎn)單方便、穩(wěn)定性好，還可以在基波光腔之外再搭建專門用來倍頻的諧振腔，倍頻部分還可以根據(jù)需要靈活設(shè)計(jì)不同的腔型，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對(duì)諧振腔要求較高的匹配條件。另外為了有效地提高二次諧波的轉(zhuǎn)換效率，將倍頻晶體放在基波光斑半徑較小處，即靠近后腔鏡。此次使用腔外倍頻進(jìn)行

110、研究，主要是因?yàn)榍粌?nèi)光束分布太復(fù)雜，不便于研究單個(gè)的影響因素，以下對(duì)L1=300mm，L2=300mm的綠光平均功率數(shù)據(jù)處理： </p><p>　　圖（4-12）L1=300mm，L2=300mm下不同重復(fù)頻率下的綠光平均功率</p><p><b>　?。ㄎ澹┍额l效率分析</b></p><p>　　倍頻轉(zhuǎn)換效率隨基頻光的功率密度的增加有著

111、線性增加，功率密度受著脈寬、峰值功率的影響。通過倍頻效率計(jì)算，首先選取電流I=12A和15A的基頻光和綠光平均功率進(jìn)行比較，比較的數(shù)據(jù)如下表：</p><p>　　由這表分析：倍頻的效率在5khz左右可以達(dá)到一個(gè)相對(duì)較大的值。我們知道脈寬越窄，倍頻效率越高；峰值功率越大，倍頻效率也越高。然而上面實(shí)驗(yàn)分析知道，峰值功率隨重復(fù)頻率增大而變小的，而且幅度也比較大，但是倍頻效率的變化并不是很明顯，盡管也存在峰值功率越高，

112、倍頻效率越高的關(guān)系。</p><p>　　同樣，以下是從L1=300mm，L2=300mm中所測(cè)量出來不同的脈寬所對(duì)應(yīng)的倍頻效率圖：</p><p>　　圖（4-13） 倍頻效率與脈寬的關(guān)系</p><p>　　由上圖可以看出，在同一腔長(zhǎng)之下，隨著脈寬的變化的倍頻效率變化微小，盡管也是在誤差范圍內(nèi)，可以看得出隨脈寬越窄，倍頻效率是越高的。</p>&l

113、t;p>　　這樣，脈寬越窄、峰值功率越高，倍頻效率是越高的，不過倍頻效率存在多方面因素的影響，比如模式、光束半徑等等，同時(shí)，實(shí)驗(yàn)中對(duì)脈寬測(cè)量數(shù)據(jù)存在誤差，在這次試驗(yàn)中，并不能夠看出明顯的關(guān)系。</p><p>　　由數(shù)據(jù)可以看出，本次實(shí)驗(yàn)的倍頻效率比較低，本人認(rèn)為其中有幾方面的原因：</p><p>　　這次倍頻所得的數(shù)據(jù)沒有采用別的鍍膜鏡片使得放在倍頻晶體后面形成一個(gè)腔，而是直接讓

114、基頻光射在倍頻晶體后用功率計(jì)測(cè)量；</p><p>　　這次是腔外倍頻，較腔內(nèi)倍頻，效率要低；</p><p>　　由上面對(duì)脈寬測(cè)量就可以知道，脈寬的數(shù)量級(jí)時(shí)100ns，脈寬較寬，這也是倍頻效率不高的一個(gè)原因。</p><p><b>　?。?shí)驗(yàn)總結(jié)</b></p><p>　　先簡(jiǎn)要說明本次項(xiàng)目中LD側(cè)面泵浦Nd：

115、YAG/LBO/LBO聲光調(diào)Q 355nm紫外激光器的裝置。實(shí)驗(yàn)中，對(duì)各種腔長(zhǎng)平均輸出功率的分析比較，選取腔長(zhǎng)為600mm（L1=300mm，L2=300mm）的對(duì)稱直腔作為固體激光器的諧振腔；在不同條件下，如重復(fù)頻率、泵浦電流等的變化，對(duì)聲光調(diào)Q基頻光（1064nm）的脈寬測(cè)量、峰值功率的計(jì)算、圖表分析后，首先可以得到同一重復(fù)頻率下，脈寬隨泵浦電流的增大而變窄，峰值功率則變大，同時(shí)，在同一電流的情況下，重復(fù)頻率的變化，從而影響到反轉(zhuǎn)粒