院t电&科学禽配
专地班銀
学丈Id名
学丈禽号
指專義师
2012卑3月2日
东北石油大学课程设计任务书
课程光电子技术基础课程设计
题目倍频激光器的设计
专业电子科学与技术姓名—学号
主要内容、基本要求、主要参考资料等
1、主要内容
设计一台腔内倍频或者腔外倍频的激光器，并分析其影响转换效率的因素。
2、基本要求
在论文中分析倍频激光器的工作原理，并分析其满足相位匹配的条件。
3、主要参考资料
[1]马养武，王静环,包成芳•光电子学[M].浙江大学出版社，2003.
[2]蓝信柜•激光技术[M],北京:
科学出版社，2000.
完成期限2012.2.27〜2012.3.2
指导教师
专业负责人
第1章概述1
第2章光倍频原理与技术2
2.1光倍频原理2
第3章脉冲紫外激光器的设计4
3.1被动调Q基础4
3.2被动调Q获得基频光7
结论8
参考文献9
第偉概述
在被动调Q理论的指导下，充分考虑了被动调Q晶体Cr:
YAG的激发态吸收效应对脉冲激光器性能的影响，延伸了Degnan的被动调Q优化理论，直接给出了优化设计过程中我们最关心的被动调Q晶体的小信号透过率与输出耦合镜的透过率关系，简化了设计程序。
在高斯光束倍频理论的指导下，改进了传统的聚焦方式，使结构更为紧凑下，获得了更高的紫外功率输出，并且该结构可同时满足三倍频，四倍频的要求。
在连续紫外的研究中，充分考虑到激光器输出镜的最佳透过率与倍频转换效率之间的关系，并由此优化倍频晶体长度。
采用简单的两镜腔结构，将二倍频、三倍频频率变换晶体同时放在腔内，还实现了355nm连续激光的输出。
LD泵浦全固态激光器从二十世纪八十年代以來获得长足的进步,紫外激光器因其在人眼安全波段，光刻的主要光源等重要应用，一直以來就是人们研究的热点。
第2章光倍频原理与技术
2.1光倍频原理
由于晶体中存在色散现象，所以在借频晶体中的通光方向上，基频光与倍频光所经历的折射率儿与'也是不同的。
在倍频激光器的功能表中实线代表了寻常光的折射率，点划线代表了非常光的折射率，中间的点线则代表了非常光在改变入射光角度时得到的折射率。
由图中可以看出，当改变晶体中入射光的角度，中间的非常光折射率曲线随之变化，在如图的位置上，可以实现10641UH的倍频。
即在特定的通光方向上，5321U11的倍频光与1064mn的基频光折射率可以实现相等，实现倍频的相位匹配。
对于双轴晶体其相位匹配的计算较为复杂，这里不详细论述。
其相位匹配原理都是相同的。
在光倍频中，三个光场（,叫）中：
叫二叫二W，而叫二2w,此时有
其中
（2.2）
从=心一2旳）
为了简化分析，假设角频率为w的输入光场装环岛倍频光场所引起的功率衰减是微弱的，既可以近似认为⑵是常数严匕同时假设无2w的光场输入，则基频光通过长
度为/的非线性晶体后，在输出端的倍频光振幅为
臼呵（/）=「竺卫2边=「眞/[刖分兰9（2.3）
J。
dzVsiAk
输出的倍频光强正比于
式中，利用了折射率n2=E/e.的关系。
若输入基频光束的截面积为A,光功率为,则基频光强/⑴“即基频光功率密度与
场强有如下关系
（2.5）
从而得到倍频光的光强转换效率为
m=r/2：
；；；；『=r2/2sinC（AH/2）（2.6）
式（1.6）是从基频光的场强衰弱很小的条件下推得的。
高转换情况下的转换效率,当M=0时可以推导得如下结果
皿=幕罟七山5）（2.7）
兀（）u.m）
图1单轴晶体色散曲线及倍频原理示意图
图1中的实线代表了寻常光的折射率，点划线代表了非常光的折射率，中间的点线则代表了非常光在改变入射光角度时得到的折射率。
由图中可以看出，当改变晶体中入射光的角度，中间的非常光折射率曲线随之变化，在如图的位置上，可以实现1064nm的倍频。
即在特定的通光方向上，532nm的倍频光与1064nm的基频光折射率可以实现相等，实现倍频的相位匹配。
根据式（2.5）进一步分析，当"H0时，倍频光输出功率PW®将沿晶体长度方向呈周期性变化。
当入射基波进行至距离龙/从处，倍频输出功率达到第一个极大值，这个距离定义为相干长度则有
如果基波在单轴晶中存在两个偏振态，其寻常光折射率为〃。
创，非常光折射率为代％），则实现相位匹配的条件是
〃严（0）］（2.10）
满足上式的相位匹配方式为2类相位匹配。
常用的相位匹配方式有角度相位匹配和90°相位匹配。
第3章脉冲紫外激光器设计
3.1被动调Q基础
在近似的情况下，速率方程是分析激光器性能的最重要的手段，1965年，Szaboand
Stein推导出了被动调Q激光器的速率方程，表述如下:
牛一（in中+厶）
dn丄
-—=-yoc（pt\at
图2Cr：
YAG被动调Q晶体能级简图
当用Cr:
YAG作被动调Q晶体的时候，由于其同时存在基态和激发态吸收（能级示意图如图2所示），因此我们还必须考虑激发态吸收，这时速率方程变为：
dt
（3.7）
%+nes=”0
（3.8）
式中0为光子数密度，〃为激光晶体的粒子数反转密度，乙,、，匕、“。
分别为调Q晶体基态、激发态、和总的粒子数密度，/为激光晶体长度，0为调Q晶体沿光轴长度，□■为激光晶体的受激发射截面，%、6$分别为调Q晶体的基态和激发态吸收截面，R为输出耦合镜的反射率，厶为未饱和时腔内往返损耗，厂为激光晶体的反转衰减因子（发射一个光子导致的激光上能级的粒子减少数），儿为饱和吸收体衰减因子（吸收一个光子导致饱和吸收体下能级的粒子减少数，通常为1）,tr=2/'/c为光在腔内传输的往返时间，广为谐振腔的光学长度，c为真空中光速。
（3.5）除以（3.6）式,我们得
（3.9）
这儿，心为激光晶体最初反转粒子数密度，力定义如下:
ay
（3.10）
（3.4）除以（3.5）,且将（3.7）带入所的式中得
对（3.11）式积分得
师）=*¥（1-空）心（1-（上）“）-血屮+：
；也"°）
X/%nt2d
因此,Q脉冲的总能量可表述为如下形式：
E=『dtP⑴=響ln（#『dt恢）=鈴111
（1）畤）（3.13）
（3.14）
（3.15）
定义
.1FOM
y==
”1久FOM-1
其中FOM=空,为优化因子，被用来比较不同的被动调Q晶体的优越性。
6
当调Q结束，光子数为0,即（3.12）为0,并用（3.14）、（3.15）我们获得调Q结束时反转粒子数的表达式为
（3.16）
，―禺（―与）-型踽心）=。
lys2ofnf
被动调Q激光器中，当反转粒子数密度超过最初阈值时（激光腔往返增益刚好等于往返损耗），脉冲开始建立，此时，光子数为0,且激发态光子数为0,由（3.4）得
207?
./-2bJoi、-（山（丄）+厶）=0（3.17）
R
在等式左边加上2aesnQls-2aesnQls,然后除以厶'，并利用元的定义,式（3.17）表述
26"2比〃仏呱》
厶’厶冗匸"
当学=0时，光子数密度达最大值,an
峰值功率为
hvAl1
P^=—4（万）0m找
I.K
1.（3.20）
/?
/1）+厶]nIyn
=――{心-n,+———-——111（—）-y—7?
0[l-（.—）a]}
九R2aiIYsnt.
脉冲宽度为
E
tp=pf
max
in/Lr
n.1Ysn.
1
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hi-+L（、1」+"丿In町ni26订［nJ
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ir's心
（3.21）
我们用格朗日多项式（Lagrangemultiplier）技术來决定。
值（？
值给定）以使脉冲能量最大。
3.2被动调Q获得基频光
如图3所示。
这是一台内腔倍频、连续氟灯（单灯）泵浦、被动调Q的YAG激光器。
不加倍频元件可以输出1064nm波长的近红外高功率激光。
当腔内放置倍频晶体时，如釆
用倍频效率较高的KTP（磷酸二氢钾）晶体，就可以产生532nm波长的倍频绿光输出。
图3被动调Q连续YAG倍频激光器示意图
由于倍频效率与基频激光的峰值功率平方成正比，所以为了有效地产生高效率的倍频输出，在YAG腔内采用了声光调Q装置，其作用可以将连续振荡的1064nm基频光变换成lOKHz左右的高重复频率脉冲激光，脉冲宽度在150nS左右。
由于具有重复频率和峰值功率高的特点，所以可以获得高平均功率的倍频绿光输出。
上图中采用5mW的氨氛激光器做为准直光源。
谐振腔后面釆用的全反镜为1064nm高反。
倍频输出镜为1064nm高反和532nm高透双色镜。
1064nm基频光在腔内形成振荡且不直接输出到腔外。
在腔内放置KTP晶体做为倍频器件，将1064nm基频光转换为532nm倍频光，并通过倍频输出镜获得输出。
在腔内还放置了一块谐波反射镜，上面镀有1064nm高透、532nm高反，使获得的后向倍频光再次反射回倍频输出镜处并得到输出，从而进一步提高了倍频输出效率。
总结
由于倍频晶体的阈值很高，因此要获得高的倍频效率，基频波的功率密度要足够高。
这样对连续或者高重复频率的激光器，一般均采用腔内倍频方式。
如PhotonicsIndustries采用LD泵浦的Nd:
YV04绿光激光器，两个谐振腔镜对基频波（波长为1064nm）都镀高反膜，而对二次谐波（波长为532nm）有一定的耦合输出，这样腔内的基频波功率密度就非常高，就能获得极高的二次谐波转换效率。
当LD泵浦功率为80W时，可获得16W的100kHz532nm绿光输出。
尽管目前在紫外激光的研究很多,但离产业化、实用化的目标很远，通过对激光器的整体优化设计，旨在提高全固态紫外激光器的性能并产业化，
因此本文主要做了以下儿个方面的工作：
1、在被动调Q理论的指导下，充分考虑了被动调Q晶体Cr:
YAG的激发态吸收效应对脉冲激光器性能的影响，延伸了Degnan的被动调Q优化理论，直接给出了优化设计过程中我们最关心的被动调Q晶体的小信号透过率与输出耦合镜的透过率关系，简化了设计程序.
2、在频率变化晶体的优化选取的总前提下，详细计算倍频晶体的各主要参数，优化选取了各倍频晶体及长度，在高斯光朿频率变换理论的指导下，改进了传统的聚焦方式,使结构更为紧凑下，获得了更高的紫外功率输出，并且该结构可同时满足三倍频，四倍频的要求。
3、充分考虑到激光器输出镜的最佳透过率与倍频转换效率之间的关系，详细计算了一定泵浦功率时的最佳输出镜透过率，并由此优化倍频晶体（KTP）长度的选取。
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[8]
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参考文献
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郭培源，付扬•光电检测技术与应用.北京：
北京航空航天大学出版社，2006.
东北石油大学课程设计成绩评价表
课程名称
光电子技术基础课程设计
题目名称
倍频激光器的设计
学生姓名
屮口指导教
了r师姓名
职称
序号
评价项目
指标
满分
评分
1
工作量、工作态
度和出勤率
按期圆满的完成了规定的任务，难易程度和工作量符合教学要求，工作努力，遵守纪律，出勤率高，工作作风严谨，善于与他人合作。
20
2
课程设计质量
课程设计选题合理，计算过程简练准确，分析问题思路清晰，结构严谨，文理通顺，撰写规范，图表完备正确。
45
3
创新
工作中有创新意识，对前人工作有一些改进或有一定应用价值。
5
4
答辩
能正确回答指导教师所提出的问题。
30
总分
评语：
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