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1、Cr4+ :YAG:YAG 自饱和晶体作自饱和晶体作 Q Q 开关的激光研究开关的激光研究物理学（光电信息） 一、引言一、引言近年来随着计算机技术的应用飞速发展，计算机模拟实验已广泛用于科学与应用各个领域当中，扮演着一个重要而且必不可少的角色。同样，在激光研究方面计算机模拟实验也是很重要的，它可以在有限的时间内进行大量的重复实验，从而得到激光的特性曲线进行研究。如果进行相同的实际实验，所需要的时间是非常长的，投入的资金是巨大的。所以通过计算机模拟实验指导实际实验，能研究的顺利进行。它是实际实验的保证。 固体可调谐激光器具有结构紧凑、调谐范围宽、调谐方便、输出功率大、重复率高 等优点，很快取代了
2、染料可调谐激光器成为目前激光研究的活跃领域。Cr4+离子产生的可 调谐范围能覆盖到 1.1m1.8m 的光谱区，其中，包括了很多十分重要的波段，如光 纤的零损耗、零色散区以及人眼的安全波段，在光电子信息技术、光谱学、大气测量、 环境监测、生命科学和半导体材料研究等方面有重要应用。在 Cr4+离子作为激活中心离子 的激光晶体，实现了过渡金属离子固体可调谐激光器的成功运转之后。掺 Cr4+离子的固体 激光器成为固体可调谐激光器中的重要成员，对掺 Cr4+离子激光材料的研究也为当前固体 可调谐激光器研究的主要热点之一，是今后长期发展的主要方向。调 Q 激光器又称为巨脉冲激光器，1961 年就有人提出
3、了调 Q 的概念，即设想采用一种方法把全部光辐射能压缩到极窄的脉冲中发射；1962 年，制成了第一台调 Q 激光器输出峰值功率为 600 千瓦，脉冲宽度为 10-7s 量级；随后的几年发展的非常快，出现了多种调 Q 方法（如电光调 Q、声光调 Q、可饱和吸收调 Q 等） ，输出功率几乎呈直线上升，脉宽压缩也取得了很大进展； 作为激光器 Q 开关材料的 Cr:YAG，在 0.91.2m 波段具有宽的吸收带和可饱和吸4收特性，与传统调 Q 材料相比具有基态吸收截面大，掺杂浓度高，导热性能好，饱和光强小，损伤阈值高，物化性能稳定，无退化现象等优点，可以很好地替代常用的饱和吸收体，因而是高功率、高重复
4、频率 Nd 或 Yb 离子掺杂固体激光器的理想 Q 开关材料。1.06m 吸收带是四配位 Cr离子跃迁的结果，这个宽的吸收带与 Nd 离子的 1.06m 发4射带重合得很好，因此很适合做掺离子激光器的调 Q 开光。Cr4+ :YAG 被动调 Q 激3Nd光器能提供在纳秒范围内具有高峰值功率和高重复率的脉冲，可以被广泛地应用于微机械、测距、遥视和微型手术等方面，而且具有饱和光强小、导热性好、化学性质稳定、损伤阈值高等特点，很容易做成体积小、价格便宜的脉冲激光器。Cr4+ :YAG 被动调 Q激光器有着高光束质量、高稳定性、长寿命、短脉冲、波长可调谐等特点，因此对 Cr4+ :YAG 被动调 Q
5、激光器的研究有着重大的意义和价值。二、原理介绍二、原理介绍（一） 、Cr:YAG 晶体的调 Q 原理4YAG 晶体在氙灯的光泵下发射自然光，通过偏振棱镜后，变成沿 x 方向的线偏振光，若调制晶体上未加电压，光沿光轴通过晶体，其偏振状态不发生变化，经全反射镜反射后，再次（无变化的）通过调制晶体和偏振棱镜，电光 Q 开关处于“打开”状态。如果在调制晶体上施加电压，由于纵向电光效应，当沿 x 方向的线偏振光通过晶体后，经全反镜反射回来，再次经过调制晶体，偏振面相对于入射光偏转了 900，偏振光不能再通过偏振棱镜，Q 开关处于“关闭”状态。如果再氙灯敢开始点燃时，事先再调制晶体上加电压，使谐振腔处于“
6、关闭”的低 Q 状态，阻断激光振荡形成。待激光上能级反转的粒子数积累到最大值时，突然撤去晶体上的电压，使激光器瞬间处于高 Q 值状态，产生血崩式的激光振荡，就可输出一个巨脉冲。完成一系列调 Q 过程。 （二） 、Cr:YAG 晶体特性及光谱特性4晶体是一种新型的光学晶体，晶体中的 Cr离子对 1.06的光强具有自YAGCr:44m 饱和性能。晶体中的 Cr离子对 1.06的强光具有自饱和性能。这与它的能级性质有4m 关，如图 1 所示为它的能级图。与自饱和有关的四个能级为、，相应的粒1E2E3E4E子数为，和，显然；，式中为自饱和晶体内 Cr离子1n2n3n4n04321nnnnn0n4浓度。
7、由于和的寿命极短，故0，0，固有3E4E3n4n 。1n2n0n 在入射光弱时，即晶体未被漂白时的透过YAGCr:4率为) exp(10lnTg式中为的跃迁截面， 为219102 . 1cmg1E3E l晶体的长度。YAGCr:4在入射光强时，晶体被漂白后的透过率为YAGCr:4) exp(2lnTss式中为的跃迁截面.2191011cms2E4E腔内晶体的粒子数速率方程式，由于前面已分析过，0，0，且YAGCr:4 3n4n，故只须建立的速率方程式即可。1n2n0n2n忽略微小的自发辐射等由上图可知的粒子速率方程为:2n2212243322nAnSnSdtdn因为能级的寿命极短,而且能级的粒
8、子几乎全部跃迁落到能级上，则有 3E3E2E。所以上式改写为：332113nSnS2212241132nAnSnSdtdn令,而且、因此可以得到：2nN 1n2n0n)(313lLcSg)(324lLcSs121A（1）)() ()( 303NNlLcNnlLcdtdN sg为 能级的粒子寿命。2E（三）速率方程理论（三）速率方程理论 速率方程理论是用来描述调 Q 脉冲形成过程以及各参量对该过程的影响，主要内容 是描述腔内振荡光子数和工作物质的反转粒子数随时间变化的规律的方程组。根据该方 程组可以推导出调 Q 脉冲的峰值功率、脉冲宽度与粒子数反转的关系。三能级速率方程1132222dnAn W
9、nn Adtg dAndtg 四能级速率方程1142dnAn Wnn Adtg dAndtg 速率方程最早是由 A.A.Vuylsteke 和 W.G.Wanger 首先进行描述，给出了快速调 Q 机 理的速率方程组，用了两个方程描述腔内光子数密度和激活介质反转粒子数随时间变化。 A.Szabo 等人给出了被动调 Q 的速率方程组，加入了第三个方程，用来描述饱和吸收体粒 子密度随时间变化。在之后的研究中这几个方程被不断修正和引用，但是以上的方程给 出的结论都是建立在平面波近似的假设上，即，假定泵浦光分布、腔内光子数密度分布、 可饱和吸收体的恢复速度都是均匀的。对于现在使用的 LD 泵浦调 Q
10、激光器来说，这些假 设过于简单，无法真实描述腔内的离子数情况，利用以上的速率方程计算出的脉冲输出 特性，尤其是脉宽的计算上，和实际偏差较大。之后 Zhang 等人在考虑使用速率方程研 究激光输出特性的时候，提出了腔内光子密度呈空间高斯分布的理论，结果表明，这样 的假设更加接近实际结果。所存在的问题在于他们没有考虑泵浦速率和激光介质的受激 辐射寿命对调 Q 效果的影响。另外他们考虑了激光激活介质和饱和吸收体的截面积不同 对调 Q 特性的影响，但是也只给了一个平均光子数密度值，没有描述光子密度沿谐振腔 内的纵向分布的考虑。近年来也有科研工作者对这方面进行了尽量全方面的考虑，可以 得到与实验相符的结
11、果。三、调三、调 Q Q 激光器的总体设计激光器的总体设计（一）调 Q 激光器的实验装置 图 2 中 L 为腔长， 为 Nd:YAG 棒长， 为自饱和晶体（Q 开关）长度，输出镜反射率为l l R，全反射镜反射率为 l，设腔内光子浓度为 ，YAG 棒内粒子数反转浓度为N，低能级 粒子浓度为，晶体的粒子反转浓度为，也就是前述的。1NYAGCr:4N2n本实验假设直径 mm 6 d 长度 L300 mm mm 。 60lmm 4lCr:YAG 晶体和 Nd:YAG 晶体的折射率均为 1.82。4（二）工作物质工作物质是激光器的核心，它由掺杂离子型电介质晶体或玻璃材料加工而成。工作物质按激活离子能级
12、结构形式，可分为三能级和四能级系统。工作物质的形状有棒状，平板形与管状，其中棒状使用得最多。而固体激光工作物质由激活离子和基质两部分组成，其中激活离子的能级结构决定了激光的光谱特性和荧光寿命等激光特性。基质决定工作物质的物理，化学特性。欲获得良好的脉冲激光，对于工作物质，首先要具备储能密度高的性能，即激光上能级能积累大量的粒子，故要求受激辐射截面要小，即上能级的寿命长，谱线较宽，这样可以防止或减弱超辐射的发生。另外，还要求有较高的抗强光破坏阈值，能承受较高的激光功率密度。而 Nd: YAG 晶体基本上满足了上述要求并且还具有优良的物理，化学性能，激光性能及热学性能，能制成连续与高重复效率器件，
13、调 Q 器件的峰值输出功率已高达几百兆瓦，所以被选做本激光器的工作物质。（三）聚焦腔 聚光腔的作用是将泵浦源辐射的光能有效均匀地会聚至工作物质上，以获得高的泵浦效率。从泵浦源发出的辐射能传输到激光工作物质上的效率，在很大程度上决定激光系统的总效率。聚光腔除了给泵浦源和工作物质之间提供良好耦合之外，还决定激光物质上泵浦光密度的分布，从而影响到输出光束的均匀性，发散度和光学畸变。由于激光工作物质和泵浦灯都安装在聚光腔内，合理设计聚光腔是决定固体激光器工作性能的重要条件之一。聚光腔种类繁多，常用的有以下几种类型：椭圆柱聚光腔、紧耦合非聚焦聚光腔、漫反射腔等。考虑到 Nd: YAG 激光器效率较低，为
14、提高输出功率，改善泵浦均匀度，我们采用聚四氟乙烯漫反射紧包腔。调 Q 脉冲运转要求激光工作物质具有高的贮能,如果贮能分布不均匀,则动态激光输出能量将受到限制,因此,调 Q 运转的固体激光器在聚光腔设计上,必须在泵浦均匀性和效率两方面适当折衷。相比之下,泵浦均匀性更重要。漫反射聚光腔是非成像照明腔,由于漫反射的结果,光照均匀性较好,在激光棒中贮能的分布更均匀,消除了晶体中的“强点”,增加了“关门”能力。漫反射聚光腔的结构和聚光特点均相似于紧耦合聚光腔,它有高达90 %98 %的反射系数,因此,它的光学效率高。并且,它具有良好的稳定性,能长时间使用,制作工艺不复杂,成本低,特别是它能实现均匀的光泵
15、浦, 这对于提高调Q 激光器的输出非常重要聚光效率是评价聚光腔品质的重要指标。从光源转换给激光棒的总能量，可通过下式近似计算133：(5.1)opge其中ge是聚光腔的几何传递函数，表明无损耗状态下，灯光直射和腔壁反射进入激光棒的百分比。op是聚光腔的光学效率，基本上反映系统中全部损耗。op由下式表示：(5.2)1)(1)(1 (frrrwoprw是腔壁对泵浦光的反射率，rr是激光棒的表面和玻璃冷却液套表面的反射损耗，以及在腔内插入的任何滤光片的菲涅尔损耗，为灯、棒间光学介质的吸收损耗，f 为腔的非反射面积与总的内表面积之比。当腔型选定，op就基本确定下来, ge则由聚光腔的具体结构参数决定。
16、聚光腔的传输效率是指被激光棒截获到的光能占会聚到棒处总光能之比,取决于泵浦光在棒处会聚成像的大小和激光棒半径的大小。通常聚光腔设计是利用其内壁反射,将泵浦光成像到激光棒上,而漫反射聚光腔是非成像系统,不是利用几何反射成像,而是利用高反射率的漫反射材料作为聚光器的内壁,反射泵浦光均匀地混合在聚光器内,因此,漫反射聚光腔的传输效率低于成像镜面反射聚光腔。为了减小光能损失,应将漫反射聚光腔体设计为紧耦合形式,压缩空间体积。另外固体激光器的输出效率只有百分之几，输入泵灯的能量在各个转换环节中大部分变为热能。粗略估计，耗散在泵灯上的热能约为总输入能量的 50%，耗散在激光棒上的热能约为 15%，耗散在聚光腔上的热能约为 30%。由此而使棒、灯和聚光腔温度升高。在连续
