倍频激光器的设计.docx

1、倍频激光器的设计襦程殺针课 程 芜电&技求层砒课程破材 S) 信蹶激芜器的餒针 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

2、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 22.1光倍频原理 2第3章脉冲紫外激光器的设计 43. 1被动调Q基础 43.2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

3、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

4、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 是常数严匕同时假设无2w的光场输入，则基频光通过

5、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。 dz V s iAk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/“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 ：；=r2/2 sin C(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

6、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） （

7、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，Szabo andStein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2 Cr：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

8、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.

9、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 / % nt 2d因此,Q脉冲的总能量可表述为如下形式：E =dtP =響 ln(# dt恢)=鈴 111(1)畤) (3. 13)(3. 14)(3. 15)定义. 1 FOMy = = ” 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）=。lys 2

10、 of nf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?,./ - 2b Joi、- （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hvAl 1P= 4(万)0m 找I.K1 . (3.20)/? / 1 ) + 厶n I y n=心-n, + -111()-y 7?0l-(.)a 九 R 2ai I Ys

11、nt.脉冲宽度为Etp=p fmaxi n/ L rn. 1 Ys n.1小丿 z(1、hi - +L (、 1+ 丿In町 ni 26 订nJ ( 1 屮I nJ Ji rs 心(3.21)我们用格朗日多项式（Lagrange multiplier）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

12、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

13、。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Photonics Industries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10

14、0kHz 532nm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

15、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。12345678910参考文献丁丽明，杨福民，Bowman S R.聚光腔对光泵均匀性的影响.中国激光，1989. 梁柱，宁国斌，金光勇.LD泵浦高频YAG激光器.长春理工大学学报，2002周炳琨，高以智等.激光原理。北京：国防工业出版社，2007.克希耐尔W.固体激光工程.北京:科学出版社,2002.蔡伯荣激光器件湖南:湖南科技出版社,1988.

16、吕百达.固体激光器件.北京:北京邮电大学出版社姚建铃.线性光学频率变换及激光调协技术.北京:科学技术出版社,1995.傅竹西固体光电子学.合肥：中国科学技术大学出版社，2004.饶云江.光纤技术.北京：科学出版社，2006.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。202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。453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。54答辩能正确回答指导教师所提出的问题。30总分评语：指导教师:年 月