激光技术课程设计MATLAB编程聚光腔设计.docx
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激光技术课程设计MATLAB编程聚光腔设计
课程设计说明书
课程设计名称：
激光技术课程设计
课程设计题目：
YAG固体激光器设计
学院名称：
理学院
专业班级：
光通
学生学号：
学生姓名：
学生成绩：
指导教师：
戴智刚
课程设计时间：
至
格式说明（打印版格式，手写版不做要求）
（1）任务书三项的内容用小四号宋体，1.5倍行距。
（2）目录（黑体，四号，居中，中间空四格），内容自动生成，宋体小四号。
（3）章的标题用四号黑体加粗（居中排）。
（4）章以下的标题用小四号宋体加粗（顶格排）。
（5）正文用小四号宋体，1.5倍行距；段落两端对齐，每个段落首行缩进两个字。
（6）图和表中文字用五号宋体，图名和表名分别置于图的下方和表的上方，用五号宋体（居中排）。
（7）页眉中的文字采用五号宋体，居中排。
页眉统一为：
武汉工程大学本科课程设计。
（8）页码：
封面、扉页不占页码；目录采用希腊字母Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ…排列，正文采用阿拉伯数字1、2、3…排列；页码位于页脚，居中位置。
（9）标题编号应统一，如：
第一章，1，1.1，………………；公式（1.1）、公式（1.2）。
课程设计任务书
一、课程设计的任务和基本要求
（1）谐振腔参数自再现模式分析：
利用MATLAB编程计算图示谐振腔的稳定性与光焦度1/F的关系。
可取R1=∞,R2=∞,l1=250mm,l2=200mm。
进行光线追迹，计算从M1出发，光线参数为（r0,θ0）的光线在腔内往返传播的轨迹。
（2）根据上述谐振腔参数，确定所用激光棒与泵浦灯的尺寸，并依据其尺寸设计聚光腔及所用材料，聚光腔聚光效率至少80%以上。
（3）绘制出所设计激光器的结构剖面图。
二、进度安排
6.27，查找资料，确定设计方案。
6.28-6.29，编程模拟
6.30，计算聚光腔尺寸，绘制整体结构图
7.01，修改设计论文，准备PPT进行答辩
三、参考资料或参考文献
[1]周炳琨,高以智,陈倜嵘,陈家骅,激光原理,国防工业出版社,2004。
[2]欧攀高等光学仿真（matlab版）北京航空航天大学出版社，2011。
[3]吕百达，激光光学-光束描述、传输变换与光腔技术物理，高等教育出版社，2003。
[4]李适民，《激光器件原理与设计》，科学国防工业出版社，1998
四、课程设计摘要（中文）
摘要：
本文主要利用MATLAB编程计算谐振腔的稳定性与光焦度1/F的关系。
同时进行光线追迹，计算从M1出发，光线参数为（r0,θ0）的光线在腔内往返传播的轨迹。
根据谐振腔参数确定激光棒与泵浦灯尺寸，设计聚光腔，最终得出所设计激光器的结构剖面图。
关键词：
谐振腔，聚光腔，激光器，泵浦
五、课程设计摘要（英文）
Abstract:
Inthispaper,MATLABisusedtocalculatethestabilityoftheresonator'srelationshipwithfocalpower1/F.Raytracing,atthesametimeiscalculatedfromtheM1,therayparameters（r0,θ0）forthelightroundinthecavitiesinthespreadofthetrack.Accordingtothelaserrodresonatorparametersandpumplampsize,thecondensingcavitydesign,finallyitisconcludedthatthedesignedstructureofthelaserprofile.
Keywords:
resonantcavity,condensingcavity,laser,pump
本科生课程设计成绩评定表
姓名
专业班级
学号
课程设计题目：
课程设计答辩记录：
（手写）
成绩评定依据：
项目
得分
比例
考勤记录
设计结果
报告撰写
答辩成绩
备注：
成绩评定依据的项目内容和项目分值比例可以由老师按指导的专业进行调整，但成绩评定依据的项目数不得少于3项。
最终评定成绩：
指导教师签名：
年月日
一、前言·······················································
二、典型激光器介绍·············································
2.1固体激光器·················································
2.1.1红宝石固体激光器·········································
2.1.2YAG固体激光器···········································
2.1.3新型固体激光器··········································
2.2气体激光器·················································
2.3染料激光器··················································
2.4半导体激光器················································
三、YAG固体激光器设计········································
谐振腔参数自再现模式分析····································
聚光腔设计················································
结构剖面图···············································
四、总结·······················································
五、参考文献···················································
一、前言
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，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。
激光器—能发射激光的装置。
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。
自此以后，激光器的种类就越来越多。
按照工作介质来分，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，大功率激光器通常都是脉冲式输出。
在同一类型的激光器中又包括有许多不同材料的激光器。
如固体激光器中有红宝石激光器、钇铝石榴石（Nd3+：
YAG）激光器。
气体型的激光器主要有He-Ne（氦－氖）、CO2及氩离子激光器等。
由于工作物质不同，产生的光波波长不同，因而应用范围也不相同。
应用范围最广的有CO2激光器以及Nd3+：
YAG激光器。
二、典型激光器介绍
2.1固体激光器
用固体激光材料作为工作物质的激光器叫做固体激光器。
固体激光器的工作物质，由光学透明的晶体或玻璃作为基质材料，掺以激活离子或其他激活物质构成。
这种工作物质一般应具有良好的物理化学性质如窄的荧光谱线、强而宽的吸收带和高的荧光量子效率。
固体激光器具有体积小、使用方便、输出功率大的特点。
固体激光器一般连续功率在100瓦以上，脉冲峰值功率可高达109W。
但由于工作介质的制备较复杂，所以价格较贵。
固体激光器以光为激励源。
常用的脉冲激励源有充氙闪光灯；连续激励源有氪弧灯、碘钨灯、钾铷灯等。
在小型长寿命激光器中，可用半导体发光二极管或太阳光作激励源。
一些新的固体激光器也有采用激光激励的。
固体激光器由于光源的发射光谱中只有一部分为工作物质所吸收，加上其他损耗，因而能量转换效率不高，一般在千分之几到百分之几之间。
固定激光器的结构由三个主要部分组成：
工作物质，光学谐振腔、激励源。
聚光腔是使光源发出的光都会聚于工作物质上。
工作物质吸收足够大的光能，激发大量的粒子，促成粒子数反转。
当增益大于谐振腔内的损耗时产生腔内振荡并由部分反射镜一端输出一束激光。
工作物质有两个主要作用：
一是产生光；二是作为介质传播光束。
因此，不管哪一种激光器，对其发光性质及光学性质都有一定要求。
2.1.1红宝石固体激光器
红宝石激光器的工作物质是红宝石棒。
已经成为在医学、工业以及众多科研领域不可或缺的基本仪器设备。
红宝石激光器产生的是暗红色的694.3nm光，效率虽然不高，只有0.1%，但是它的结构极其简单，有代表性，跟我们现在应用最广泛的YAG激光器结构一致，能级（3能级系统）更加简单，分析起来比较好理解。
笔芯粗细，手指长的红宝石棒就可以轻松的产生打穿铁皮、从月面上反射回来被检测到的激光束，这些激光器在没有发明效率高得多的YAG激光棒（1%-3%）的时候，被广泛的用在激光切割机、钻孔机上，许多军用的非致命性武器也采用更小的红宝石棒。
2.1.2YAG固体激光器
是以钇铝石榴石晶体为基质的一种固体激光器。
钇铝石榴石的化学式是Y3Al5O15,简称为YAG。
在YAG基质中掺入激活离子Nd3+（约1%）就成为Nd3+：
YAG。
实际制备时是将一定比例的Al2O3、Y2O3和NdO3在单晶炉中熔化结晶而成。
Nd3+：
YAG属于立方晶系,是各向同性晶体。
由于Nd3+：
YAG属四能级系统,量子效率高,受激辐射面积大,所以它的阈值比红宝石和钕玻璃低得多。
又由于Nd3+：
YAG晶体具有优良的热学性能,因此非常适合制成连续和重频器件。
它是目前在室温下能够连续工作的唯一固体工作物质，在中小功率脉冲器件中,
目前应用Nd3+：
YAG的量远远超过其他工作物质。
和其他固体激光器一样,YAG激光器基本组成部分是激光工作物质、泵浦源和谐振腔。
不过由于晶体中所掺杂的激活离子种类不同,泵浦源及泵浦方式不同,所采用的谐振腔的结构不同,以及采用的其他功能性结构器件不同,YAG激光器又可分为多种,例如按输出波形可分为连续波YAG激光器、重频YAG激光器和脉冲激光器等；μmYAG激光器、倍频YAG激光器、拉曼频移YAG激光器（λμm）和可调谐YAG激光器（如色心激光器）等;按掺杂不同可分为Nd3+：
YAG激光器、掺Ho、Tm、Er等的YAG激光器;以晶体的形状不同分为棒形和板条形YAG激光器；根据输出功率（能量）不同,可分为高功率和中小功率YAG激光器等。
形形色色的YAG激光器，成为了固体激光器中最重要的一个分支。
2.1.3新型固体激光器
20世纪80年代以来，固体激光器的发展较快，出现了几种带有方向性的新型固体激光器，如半导体激光器泵浦的固体激光器，可调谐固体激光器和高功率固体激光器。
半导体泵浦固体激光器（英文全称：
DiodePumpSolidStateLaser），是近年来国际上发展最快，应用较广的新型激光器。
该类型的激光器利用输出固定波长的半导体激光器代替了传统的氪灯或氙灯来对激光晶体进行泵浦，从而取得了崭新的发展，被称为第二代的激光器。
这是一种高效率、长寿命、光束质量高、稳定性好、结构紧凑小型化的第二代新型固体激光器，已在空间通讯，光纤通信，大气研究，环境科学，医疗器械，光学图象处理，激光打印机等高科技领域有着独具特色的应用前景。
可调谐固体激光器主要有两类，一类是色心激光器，一类是用掺过渡族金属的激光晶体制作的可调谐激光器。
高功率固体激光器主要指输出平均功率在几百瓦以上的各种连续，准连续及脉冲固体激光器，它一直是军事应用和激光加工应用所追求的目标。
2.2气体激光器
气体激光器利用气体作为工作物质产生激光的器件。
它由放电管内的激活气体、一对反射镜构成的谐振腔和激励源等三个主要部分组成（图1）。
主要激励方式有电激励、气动激励、光激励和化学激励等。
其中电激励方式最常用。
在适当放电条件下，利用电子碰撞激发和能量转移激发等，气体粒子有选择性地被激发到某高能级上，从而形成与某低能级间的粒子数反转，产生受激发射跃迁。
气体激光器结构简单、造价低，操作方便，工作介质均匀，光束质量好以及能长时间较稳定地连续工作。
是目前品种最多、应用最广泛的一类激光器，市场占有率达60%。
氦氖激光器是其中最常见的一种。
产生的激光波长是632.8nm。
最小的氦-氖激光管已经做到长14.6cm、直径2.5cm，重70g，功率为0.5mW。
气体激光器分为原子气体激光器、离子气体激光器、分子气体激光器和准分子激光器。
它们工作在很宽的波长范围，从真空紫外到远红外,既可以连续方式工作,也可以脉冲方式工作。
2.3染料激光器
工作物质是有机染料，其能级由单重态（S）和三重态（T）组成。
S和T又分裂成许多振动－转动能态，在溶液中这些能态还要明显加宽，因此能发出很宽的荧光。
一般染料激光器的结构简单、价廉，输出功率和转换效率都比较高。
环形染料激光器的结构比较复杂，但性能优越，可以输出稳定的单纵模激光。
染料激光的调谐范围为0.3～1.2微米，是应用最多的一种可调谐激光器。
2.4半导体激光器
在1962年被成功激发，在1970年实现室温下连续输出。
后来经过改良，开发出双异质接合型激光及条纹型构造的激光二极管（Laserdiode）等，广泛使用于光纤通信、光盘、激光打印机、激光扫描器、激光指示器（激光笔），是目前生产量最大的激光器。
半导体激光器在基本构造上，它属于半导体的P-N接面，但激光二极管是以金属包层从两边夹住发光层（有源层），是“双异质结接合构造”。
而且在激光二极管中，将界面作为发射镜（谐振腔）使用。
在使用材料方面，有镓（Ga）、砷（As）、铟（In）、磷（P）等。
此外在多量子阱型中，也使用Ga·Al·As等。
由于具有条状结构，即使是微小电流也会增加活性区域的电子数反转密度，
优点是激发容易呈现单一形式，而且，其寿命可达10~100万小时。
三、YAG固体激光器设计
谐振腔参数自再现模式分析
利用MATLAB编程计算图示谐振腔的稳定性与光焦度1/F的关系。
可取R1=∞,R2=∞,l1=250mm,l2=200mm。
进行光线追迹，计算从M1出发，光线参数为（r0,θ0）的光线在腔内往返传播的轨迹。
①光学谐振腔的稳定性可以用光线往返一周后的【ABCD】矩阵来描述，根据谐振腔稳定性条件可以判断，当
<1时为稳定腔，当
>1时为非稳腔，当
=1时为临界腔。
计算谐振腔稳定性与光焦度1/F的关系的程序如下：
clear;
clc;
R1=inf;R2=inf;L1=250;L2=200;
i=0;
i=i+1;
TR1=[10;-2/R11];
TR2=[10;-2/R21];
TL1=[1L1;01];
TL2=[1L2;01];
TF=[10;-d1];
T=TR1*TL1*TF*TL2*TR2*TL2*TF*TL1;
A=T（1,1）;
B=T（1,2）;
C=T（2,1）;
D=T（2,2）;
y（i）=（A+D）.^2/4;
x（i）=d;
end;
plot（x,y）;
xlabel（'透镜光焦度1/F'）;
ylabel（'（A+D）^2/4'）;
axis（[00.01202]）;
title（'谐振腔稳定性与光焦度关系'）;
gridon
图1
②光线追迹原理
设从R1上射出的光线位置参数为【r；θ】,则传播到透镜上的位置参数为【rF；θF】则二者存在关系式：
【rF；θF】=TF*Tl1*【r；θ】，在左腔镜中，X=0：
l1;Y=rF+XθF根据X，Y的关系就可以做出光线在左腔镜中的传播轨迹，经过透镜和被R2反射的光线也可以利用相同方法求出，重复上述过程，可以得到从某一范围发出的光线在谐振腔内的轨迹图。
MATLAB程序如下
clear,clc
n=10;
R1=inf;R2=inf;L1=250;L2=200;F=150;d=1/F;
r=0.15;theta=0.3;
I=[r;theta];
TR1=[10;-2/R11];
TR2=[10;-2/R21];
TL1=[1L1;01];
TL2=[1L2;01];
TF=[10;-d1];
x1=linspace（0,L1,L1）;
x2=linspace（L1,L1+L2,L2）;
fori=1:
n
y=I（1,1）+I（2,1）*x1;
plot（x1,y）,holdon
I=TF*TL1*I;
y=I（1,1）+I（2,1）*（x2-L1）;
plot（x2,y）,holdon
I=TR2*TL2*I;
y=I（1,1）+I（2,1）*（L2-（x2-L1））;
plot（x2,y）,holdon
I=TF*TL2*I;
y=I（1,1）+I（2,1）*（L1-x1）;
plot（x1,y）,holdon
I=TR1*TL1*I;
end
title（'光线追迹'）;xlabel（'z（mm）'）;ylabel（'光束位置'）
取r=0.15,θ=0.3,F=150时
轨迹模拟n=10次
图2
轨迹模拟n=100次
图3
轨迹模拟n=1000次
图4
取r=0.15,θ=0.3,F=250时
轨迹模拟n=10次
图5
轨迹模拟n=100次
图6
轨迹模拟n=1000次
图7
轨迹模拟n=5000次
图8
聚光腔设计：
根据上述谐振腔参数，确定所用激光棒与泵浦灯的尺寸，并依据其尺寸设计聚光腔及所用材料，聚光腔聚光效率至少80%以上。
聚光腔的功能主要有：
保证泵浦光最大限度地为工作物质吸收；冷却液通道；灯棒等的固定场所。
本次设计选用单椭圆玻璃聚光腔，激光棒和泵浦灯分别配置在椭圆柱的两条焦线上。
由椭圆的一个焦点发出的光将反射到另一个焦点。
因此椭圆腔中的能量传递，是从一条焦线上的直管光源传输到另一条焦线上的棒状吸收体。
椭圆柱两端各用一块高反射率端板封住，两个端板是互相平行的。
这就使椭圆柱在光学上等效为无限长。
其聚光效率为：
ηc=ηop×ηge，其中ηop为光学效率ηop=rwg（1-rr）（1-f）（1-αc）
（rw—光谱带上的反射率，rr—棒和冷却管上的反射率，f-非反射面积比例，αc—滤光玻璃，冷却液的吸收），ηge为几何传输效率
为简化计算，假设灯在圆截面上对称均匀发光；不考虑轴向倾斜光线；只考虑一次反射光线，焦点上泵浦；不考虑直接照射，遮挡，忽略反射损耗；灯作为黑体对待。
计算聚光效率时，假定所设计的聚光腔为理想聚光腔，其损耗和散射均为0，则其
光学效率为1。
可以得到聚光效率ηc=ηge
由①中的谐振腔参数，以及ηge计算公式可知，
=1时，聚光效率最高。
所以确定激光棒和泵浦灯尺寸分别为rL=5mm,rR=5mm,设椭圆
50mm,
10mm
由椭圆性质得：
，
则
=
=50mm，
=
∴
š
∴
=1×
=
=
∴
š
∴由公式
得：
≈
∴聚光效率
=％
即此聚光腔满足设计要求
结构剖面图
绘制出所设计激光器的结构剖面图。
四、总结
本次课程设计历时一周，这次的课程设计，对我来说是个很大的挑战。
通过查阅资料和各种帮助文献，我对YAG固体激光器的设计思路有了一定的了解。
但与此同时，在设计过程中也遇到了许多其他的问题，这跟自己专业知识储备不足有关。
这次YAG固体激光器的课程设计，增强了我对激光器原理的了解，使我对设计YAG固体激光器的各种注意事项有了更深入的掌握。
这次课程设计让我学会了从总体上把握怎样设计YAG固体激光器，如何设计谐振腔以及各种参数的确定。
在设计过程中，我的自学能力得到了充足的锻炼。
通过课程设计，学到的不仅是激光原理上的一些知识，更掌握了一种设计思路和接受新事物的能力。
同时，把理论知识与实际中激光器结构设计结合起来，在理论中得出实际的参数，在实践中检验理论的正确性，培养自己将理论知识应用于实际的能力，做到学以致用也是一个很大的收获。
五、参考文献
[1]周炳琨,高以智,陈倜嵘,陈家骅,激光原理,国防工业出版社,2004。
[2]欧攀高等光学仿真（matlab版）北京航空航天大学出版社，2011。
[3]吕百达，激光光学-光束描述、传输变换与光腔技术物理，高等教育出版社，2003。
[4]李适民，《激光器件原理与设计》，科学国防工业出版社，1998
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