泵浦NdYAG激光器讲解.docx
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泵浦NdYAG激光器讲解
LD侧面泵浦Nd：
YAG激光器的研究
摘要
介绍了YAG晶体的性质以及与其他类似晶体的比较，介绍了固体激光器泵浦的两种方式:
端面泵浦和侧面泵浦，并主要分析了侧面泵浦的优点。
设计和分析了一种侧面泵浦结构的固体激光器，通过选取合适激光晶体（Nd：
YAG晶体），进行侧面泵浦。
在泵浦光反向冷却套侧壁镀高反射金膜，使激光棒侧向均匀泵浦，实现低阶膜输出。
对激光二极管侧面泵浦Nd∶YAG激光器的热效应进行了分析，通过热传导方程的推导和分析，得出YAG晶体内的温度分布情况，以及对各种可能的结果进行了数值模拟和分析，得到了一些影响YAG晶体内的温度分布的因素。
关键词：
固体激光器；LD侧面泵浦；Nd：
YAG晶体；热效应
TheStudyonLDSide-pumpedNd：
YAGLaser
Abstract
DescribedthenatureoftheYAGcrystalandothersimilarcomparisonofcrystal,introducedasolid-statelaserpumpedintwoways:
end-pumpedandside-pumped.Andthemainanalysisoftheadvantagesisonside-pumped.Designandanalyseaside-pumpedsolid-statelaser.Bychoosingasuitablelasercrystal（Nd:
YAGcrystal,Forside-pumped.Inthereversecoolingpumpsetshighlyreflectivegold-platedwallmembrane,Sothatthelateraluniformityofthelaserrodpumpedtoachievelowfilmoutput.Ofthelaserdiodeside-pumpedNd:
YAGlaserthermaleffectsareanalyzed.HeatconductionequationthroughthederivationandanalysiswithintheYAGcrystaltemperaturedistribution,Aswellastherangeofpossibleoutcomesofanumericalsimulationandanalysis,havebeensomeimpactonthetemperatureinsidetheYAGcrystalisafactor.
Keywords：
solidstatelaser;LDside-pump;Nd：
YAGcrystal；Thermaleffect
目录
摘要.................................................................0
ABSTRACT................................................................1
1绪论.................................................................3
2激光器...............................................................4
2.1激光器简介.........................................................4
2.1.1什么是激光器...................................................4
2.1.2激光器工作原理.................................................4
2.1.3激光工作物质...................................................4
2.1.4激励（泵浦系统.................................................5
2.1.5光学共振腔.....................................................5
2．2固体激光器........................................................5
2.2.1什么是固体激光器...............................................5
2.2.2Nd:
YAG晶体....................................................6
2.2.3ND：
YAG激光器.................................................7
2.3LD泵浦固体激光器..................................................7
2.3.1LD泵浦固体激光器的优点........................................7
2.3.2侧面泵浦.......................................................8
2.3.3LD泵浦固体激光器的发展状况....................................9
3LD侧面泵浦ND：
YAG激光器............................................10
3.1LD侧面泵浦ND:
YAG激光器的设计与分析..............................10
3.1.1阵列管泵浦源结构分析..........................................10
3.1.2激光晶体棒选取................................................10
3.1.3聚光结构设计..................................................12
3.2模拟分析与推导....................................................12
3.2.1泵浦高斯光强修正..............................................12
3.2.2热传导方程与温度场............................................13
3.2.3激光棒内的温度分布............................................13
3.2.4激光棒内的热应力和热应力双折射................................14
3.3讨论..............................................................17
4总结................................................................18
致谢...................................................................18
参考文献...............................................................19
1绪论
世界上第一个激光器的成功演示距今已经40多年了。
这40多年来，激光可惜技术以其强大的生命力谱写了以不典型额学科交叉的创造发明史。
激光的应用已经普及科技、经济、军事和社会发展的许多领域，远远超过了当初人们原有的设想。
如今，激光技术在生活中已经变得尤为重要。
因此，对激光器的研究变得十分重要。
在各类激光器中，固体激光器是其中种类最多、应用最为广泛的，而且也是最为复杂的。
因此，对固体激光器的研究显得尤为重要。
固体激光器通常是指以绝缘晶体或玻璃作为工作物质的激光器。
少量的过渡金属离子或稀土离子掺入晶体或玻璃，经光泵激励后哦产生受激辐射作用。
固体激光器普遍采用光激励方式将处于基态的粒子抽运到激发态，以形成集居数反转状态。
光激励又可分为气体放电灯激励和半导体激光器激励两种方式。
本文将会讨论半导体激光器激励这种方式。
固体激光器有红宝石激光器，钛激光器，钕激光器等。
目前应用较多的是红宝石激光器以及钕激光器，本文主要讨论后者。
钕激光器是以三价钕离子作为激活粒子的激光器，也是由于最广泛的激光器。
其中有一种以Nd3+离子部分取代Y3AL5O12晶体中Y3+离子的激光工作物质称为掺钕钇铝石榴石激光器（简称Nd：
YAG）。
也就是本文讨论的重点：
Nd：
YAG激光器。
与传统灯泵浦的固体激光器相比,大功率高效率的激光二极管泵浦的固体激光器体积小、寿命长、可靠性好,并且广泛应用在激光医疗、通讯等领域。
为了获得更大功率激光输出,通常采用二极管阵列侧面泵浦工作物质的方式。
此时泵浦功率较强,大量的泵浦功率转化为热功率,而直接导致激光晶体横截面内的温度呈不均匀分布,进而导致热应力、热应力双折射、激光晶体端面变形等多种热效应。
尤其是激光器高功率运转时,激光晶体的热效应是激光系统设计、优化时首要考虑的因素之一。
激光晶体ND∶YAG内的温度、热应力、热应力双折射和热焦距的变化规律,为采取措施补偿热效应奠定了基础。
本文主要讨论Nd：
YAG激光器，对Nd：
YAG激光器的侧面泵浦做重要研究，对Nd：
YAG激光器的工作物质和工作原理进行研究和讨论，得到一些Nd：
YAG激光器的性质和优缺点。
研究的目的在于能够更清楚的了解和认识这种激光器的优点和长处，方便以后的运用。
2激光器
2.1激光器简介
2.1.1什么是激光器
激光器是能发射激光的装置。
1954年制成了第一台微波量子放大器，获得了高度相干的微波束。
1958年A.L.肖洛和C.H.汤斯把微波量子放大器原理推广应用到光频范围，并指出了产生激光的方法。
1960年T.H.梅曼等人制成了第一台红宝石激光器。
1961年A.贾文等人制成了氦氖激光器。
1962年R.N.霍耳等人创制了砷化镓半导体激光器。
以后，激光器的种类就越来越多。
按工作介质分，激光器可分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器和染料激光器4大类。
近来还发展了自由电子激光器，其工作介质是在周期性磁场中运动的高速电子束，激光波长可覆盖从微波到X射线的广阔波段。
按工作方式分，有连续式、脉冲式、调Q和超短脉冲式等几类。
大功率激光器通常都是脉冲式输出。
各种不同种类的激光器所发射的激光波长已达数千种，最长的波长为微波波段的0.7毫米，最短波长为远紫外区的210埃，X射线波段的激光器也正在研究中。
2.1.2激光器工作原理
除自由电子激光器外，各种激光器的基本工作原理均相同，装置的必不可少的组成部分包括激励（或抽运）、具有亚稳态能级的工作介质和谐振腔。
激励是工作介质吸收外来能量后激发到激发态，为实现并维持粒子数反转创造条件。
激励方式有光学激励、电激励、化学激励和核能激励等。
工作介质具有亚稳能级是使受激辐射占主导地位，从而实现光放大。
谐振腔可使腔内的光子有一致的频率、相位和运行方向，从而使激光具有良好的定向性和相干性。
2.1.3激光工作物质
激光工作物质是指用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质体系，有时也称为激光增益介质，它们可以是固体（晶体、玻璃）、气体（原子气体、离子气体、分子气体）、半导体和液体等媒质。
对激光工作物质的主要要求，是尽可能在其工作粒子的特定能级间实现较大程度的粒子数反转，并使这种
反转在整个激光发射作用过程中尽可能有效地保持下去；为此，要求工作物质具有合适的能级结构和跃迁特性。
2.1.4激励（泵浦系统
激励（泵浦系统是指为使激光工作物质实现并维持粒子数反转而提供能量来源的机构或装置。
根据工作物质和激光器运转条件的不同，可以采取不同的激励方式和激励装置，常见的有以下四种。
①光学激励（光泵。
是利用外界光源发出的光来辐照工作物质以实现粒子数反转的，整个激励装置，通常是由气体放电光源（如氙灯、氪灯）和聚光器组成。
②气体放电激励。
是利用在气体工作物质内发生的气体放电过程来实现粒子数反转的，整个激励装置通常由放电电极和放电电源组成。
③化学激励。
是利用在工作物质内部发生的化学反应过程来实现粒子数反转的，通常要求有适当的化学反应物和相应的引发措施。
④核能激励。
是利用小型核裂变反应所产生的裂变碎片、高能粒子或放射线来激励工作物质并实现粒子数反转的。
2.1.5光学谐振腔
光学谐振腔通常是由具有一定几何形状和光学反射特性的两块反射镜按特定的方式组合而成。
一般来讲，谐振腔有两个作用：
①提供光学反馈能力，使受激辐射光子在腔内多次往返以形成相干的持续振荡，这是由通常组成腔的两个反射镜的几何形状（反射面曲率半径）和相对组合方式所决定；②对腔内往返振荡光束的方向和频率进行限制，以保证输出激光具有一定的定向性和单色性，这是是由给定共振腔型对腔内不同行进方向和不同频率的光，具有不同的选择性损耗特性所决定的。
2．2固体激光器
2.2.1什么是固体激光器
固体激光器激光器通常是指以绝缘晶体或者玻璃作为工作物质的激光器。
少量的过渡金属离子或稀土离子掺入晶体或玻璃，经光泵激励后产生受激辐射作用。
参与受激辐
射作用的离子密度一般为（1025-1026）m-3，较气体工作物质3个量级以上，激光上能级的寿命也比较长，因此较小结构的工作物质易于获得大能量输出。
2.2.2Nd:
YAG晶体
Nd:
YAG晶体即为掺钕的钇铝石榴石，是目前最为成熟的激光材料。
该晶体属立方晶系，光学性质各向同性，不存在自然双折射。
YAG基质很硬、光学质量好、热导率高，它的立方结构也有利于窄的荧光谱线，从而产生高增益、低闭值的激光。
而且用提拉法也容易生长出高质量大尺寸的晶体。
它的物理特性及激光特性等综合性能是目前最好的光学晶体之一。
被广泛应用于闪光灯泵浦和LD泵浦的各类激光器中。
在光泵浦下，Nd3+由基态跃迁到各吸收能级后，很快通过无辐射跃迁到亚稳态4F3／2，由4F3。
向下能级自发辐射产生荧光。
室温下Nd3+:
YAG在近红外区有三条明显的荧光谱线其中以1.06μm处的荧光谱线最长。
4F3/2到4I9/2的跃迁属三能级系统，阈值高，只有在低温下才能实现激光振荡。
4F3。
向4I11／2,和4I3。
的跃迁都属于四能级系统，阈值低，易于实现激光振荡。
其中，1.06μm的荧光强度较1.35μm的约强四倍，1.06μm的谱线首先起振，并抑制了1.35μm的谱线起振，在ND:
YAG激光器中通常只观察到1.06μm的激光，只有采用专门的选频措施后，才能实现1.35μm的激光振荡。
Nd：
YVO4晶体并不是唯一的固体激光器工作物质，同类似的晶体还有Nd：
YVO4晶体和Nd：
GdVO4晶体，三者的比较如下：
Nd：
YVO4是四方晶体。
对于Nd：
YVO4来说，由于吸收截面积大，所以吸收系数大，有利于缩短晶体长度，便于泵浦光和激光模式的高效藕合，减小损耗，提高效率，所以Nd：
YVO4适用于薄片状端泵中小功率激光器，但由于热导率小，不适合灯泵，大功率时，情况不佳。
此外，它的荧光寿命短，不宜用于脉冲激光器。
Nd：
GdVO4激光性能与Nd：
YVO4类似，在808nm附近具有宽而强的吸收带，大的吸收截面，在808nm处吸收峰半宽是Nd：
YVO4的近二倍，吸收截面是Nd：
YVO4的七倍多，是Nd：
YVO4的近二倍;发射截面也很大，在1.06um处的发射截面是Nd：
YVO4的三倍多，与Nd：
YVO4相当，在1.34μm的发射截面也比Nd：
YVO4高，与Nd：
YVO4相当;另外，Nd：
GdVO4；上能级的荧光寿命较长，有利于储存能量；Nd：
GdVO4还具有很高的热导率，这也是它最显著的优点；由于Nd：
GdVO4晶格畸变小，因此，可实现高浓度掺杂而不会发生浓度碎灭；Nd在GdVO4中的分凝系数为0.78，大的分凝系数使生长光学质量均匀的晶体相对容易。
与另外两种晶体相比，Nd:
YAG有较高的荧光量子效率（大于99.5%，它是迄今为止实用化程度最高的激光晶体，既可连续、准连续又可脉冲工作，既能做成中小功率和微片激光器，又能做成千瓦级高功率固体激光加工机，并且还能以调Q、锁模等多种方式工作。
同时还具有低出光阈值、高增益，高效率，低1064nm损耗等优点；高光学质量、热传导性好、抗热冲击和机械强度高特性，使得Nd:
YAG成为了连续,脉冲和锁模激光的最合适和商品。
2.2.3ND：
YAG激光器
Nd：
YAG激光器以Nd:
YAG晶体为工作物质，它属四能级系统，并具有量子效率高、受激辐射面大的优点。
其阈值非常小，而且钇铝石榴石晶体还具有较高的热导率，易于散热，因此Nd：
YAG激光器不仅可以单次脉冲运转，出功率已超过1000W，每秒5000次重复频率的输出峰值功率已达千瓦以上，每秒几十次还可以高重复率或者联系运转。
目前，Nd：
YAG激光器的最大输重复频率的调Q激光器的峰值功率可达几百瓦.。
Nd：
YAG激光器的应用非常广泛，它主要用在加工方面，用于打孔、切割、划片、焊接、阻值微调、打标和表面改性等。
2.3LD泵浦固体激光器
2.3.1LD泵浦固体激光器的优点
随着半导体技术的日益发展和成熟，激光二极管在功率，转换效率，波长扩展和运行寿命等方面已经有很大的提高。
激光二极管（LD具有量子效率高、可靠性高、使用寿命长、发射波长与激光介质吸收峰很好对应、激光输出光束质量好等特点。
这使得激光二极管与泵浦技术相互结合，成为激光泵浦技术中的一个重要突破，泵浦固体激光器的迅速发展逐渐成为一种趋势。
激光二极管泵浦的固体激光器（SemiconductorDiode-PumpedSolidStateLaser），是用激光二极管（LaserDiode代替闪光灯去泵浦固体激光增益介质的激光器，兼有半导体激光二极管和固体激光器的优点。
半导体激光器体积小、重量轻、直接电注入使其有高的量子效率，可以通过调整组分和控制温度从Ga1-xAlxAs得到与常用的固体激光材料泵浦带相匹配的波长；而固体激光器输出的光束质量高，有很好的时间与空间相干性，光谱线宽与光束发散角均比半导体小几个数量级。
因此，二极管泵浦的固体激光器可以有效选择泵浦波长，使其与激光介质的吸收谱线相对应，而且LD可以用来泵浦含有不
同激活粒子的固体激光材料，丰富了相干光源的谱线，波段可以覆盖946nm到2.01μm，拓宽了固体激光器的应用领域。
激光二极管泵浦的固体激光器的高效率、高光束质量、长寿命、全固化、结构紧凑和轻便等优势就非常突出了。
它在医疗、通信、材料加工、娱乐和科学研究等领域都有广泛的应用。
相比较于气体激光器和灯泵浦的固体激光器，激光二极管（（LD或激光二极管阵列（（LDA泵浦固体激光器具有很大的优势。
相比较于气体激光器，LD泵浦的固体激光器具有可用于光纤传输的近红外波长、高峰值功率、器件紧凑等特点。
而相比于传统的闪光灯泵浦的固体激光器：
首先，LD/LDA泵浦的效率要高的多，以掺Nd3＋的激光器为例:
由于泵浦灯很宽的辐射光谱与铆离子吸收带匹配不好，通常灯泵浦的Nd:
YAG激光器的总效率低与3%，且在大功率下热效应明显，光束质量和稳定性差。
一般说来（以Nd:
YAG激光器为例，LD/LDA的电光转化效率为30%-50%，至ND:
YAG上的光-光转换效率为40%左右。
这样，LD/LDA泵浦的ND:
YAG激光器的总效率在10%以上。
其次，由于不存在液体或气体工作物质的流动起伏噪声以及泵浦灯的等离子体波动噪声，使得LD泵浦的固体激光器的噪声特性比灯泵浦要好。
一阶以上，且频率稳定。
另外以LD/LDA泵浦作泵浦源的全固态激光器，还具有其它类型激光器所不能比拟的特点，比如：
（1）寿命长。
LD寿命可达几万小时或更长，不需经常更换。
（2）热光畸变小。
（3）光束质量好。
（4）可靠性强。
比灯泵浦提高100倍。
（5）重量轻。
（6）结构简单。
等等优点。
此外，从原则上讲，现有的各种灯泵浦的固体激光器均可以改为二极管泵浦。
以上这些优点使得LD泵浦的全固态激光器己成为国际上竞相开发的热点。
2.3.2侧面泵浦
泵浦（pump，即泵，又名帮浦、抽运；与泵不同的是，泵浦一词主要出现于激光领域。
在激光器中，外部能量通常会以光或电流的形式输入到产生激光的媒质之中，把处于基态的电子，激励到较高的能级高能态（人们用“泵浦”一词形容这一过程（如同把水从低处抽往高处，物理学家将这种状态称为激发态（excitedstate。
激光二极管泵浦可分为端面泵浦和侧面泵浦两种形式。
端面泵浦装置简单泵浦光束与谐振腔模匹配良好，工作物质对泵浦光吸收十分充分。
因而阈值功率底，斜效率高。
侧面泵浦指泵浦光从侧面泵浦激光晶体，即光从侧面照射进入激光棒。
通
常，为了的到大功率的激光输出，一般采用半导体列阵做泵浦光源，由于列阵的发光面较大，激光在工作物质中通过侧面全反射传输，使其通过增益介质的有效长度大于工作物质的外形长度，从而获得大功率输出。
因此，为了获得大功率的激光输出。
一般会采用侧面泵浦。
2.3.3LD泵浦固体激光器的发展状况
最早的固体激光器采用闪光灯作为泵浦源，由于闪光灯的发射光谱宽，而固体激光介质的吸收带很窄，所以转换效率很低，这一主要因素在一段时间内制约了固体激光器的发展。
1962年，第一只同质结砷化嫁半导体激光器问世为DPSSL提供了物质基础；一年后美国人纽曼首次提出了采用半导体二极管作为激光器泵浦源的构想。
并且用GaAs二极管在808nm附近的辐射去泵浦Nd:
CaW4认，得到了1.06林μm受激荧光输出。
Newman
认识到GaAs二极管激光器的发射波长与Nd3十离子的泵浦吸收带的光谱重叠可研制高效率、结构紧凑的全固态激光器。
1964年，美国MIT林肯实验室的Keyes和Quist成功实现了这一想法，研制了第一台LD泵浦的固体激光器，激光工作物质为U3+:
GaF2。
1968年，麦航空公司的Ross实现了第一台用GaAsLD泵浦的ND:
YAG激光器，但其所需的LD必被冷却到170K，以实现波长匹配。
随着半导体激光器实现了室温下的连续工作，1971年，Ostermeyer报道了室温工作的LD抽运ND:
YAG，获得1.4mW的l064nm激光输出；1972年，Danielmeyer在室温下用半导体激光器抽运Nd:
YAG;1974年Conant等人提出用半导体激光器列阵抽运ND:
YAG。
但在当时，由于早期的LD工作稳定性差，转换效率低，寿命比闪光灯还短，而且需要采用液氮来冷却，其优越性未得到体现，因此LD作为固体激光器
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