电子08-2-20朱林光电子课程设计

1、家犹石油曇陀襦程筱针< 程院 系专迪班级#或就名辔或醪号芜电&牧*衷砒课程菽讨信瘢激免器设针电&科皆喙浣电孑08-2班果林080901240220指导教师2012弄 3月 1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h 倍频激光器的设计专业 电子科学与技术姓名朱林_学号080901240220主要内容、基木要求、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，并分析其满足和位匹配的条件。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

2、蓝信柜.激光技术m,北京:科学出版社,2000.完成期限2012227 2012.3.2指导教师专业负责人第1章概述ld泵浦全固态激光器从二十世纪八十年代以来获得长足的进步，紫外激光器因具在 人眼安全波段，光刻的主要光源等重耍应用，一直以来就是人们研究的热点。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 冲激光黠性能的影响，degnan的被动调q优化理论，直接给出了优化设计过程屮 我们最关心的被动调q品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

3、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z间的关系，详细了计算了一 定泵浦功率时的输出镜最佳透过率，并由此优化倍频晶体长度。设计了一台高性能的脉冲1064nm红外激光器，单脉冲运转，在输入泵浦为14. 5w的 时候，峰值功率高达10kw以上、脉宽10ns、脉冲能量为100 nj月.脉冲序列稳定，单脉 冲输出。腔外一次聚焦，两次频率变换,获得了 340mw的355nm脉冲输出,290mw的266nm 脉冲输出，均为同等情况下国内所见报道的最好结果。釆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 355

4、nm连续激光的输出,在泵浦功率为56w的时候,输出功率高达15mwo第2章非线性晶体的选取及光束最佳聚焦2.1倍频器件工作原理图12-2借频晶体折射率椭球及通光方向示意图由于晶体屮存在色散现彖，所以在倍频晶体屮的通光方向上，基频光与倍频光所经历 的折射率与®“是不同的。图12-3给出了一个单轴品体的色散及1064nm倍频匹配点的 折射率关系曲线。xpu-工x(pm)图12-3单轴品体色散曲线及倍频原理示意图 图12-3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，当改变晶体小入 射光的角度，中间的非

5、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。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。2. 2紫外倍频晶体的选取要想获得高功率紫外激光输出，由上节频率变换的效率公式可知，频率转换晶体的有 效非线性系数、走离角、接收角、接收带宽、接收温度等一系列晶体木身因索至关重要, 因此我们有必要详细的分析晶体的优化选取，从而选择最合适的晶体，实现频率的高效变 换。2.2.1二倍频非线性晶体的选取通过对掺m3+频率变换來获得紫外激光來说，首先

6、就是要将1064nm的红外输出转换 为532nm绿光，这一步无论对三倍频还是四倍频來说都至关重要，但对1064nm倍频晶体 的研究已经很成熟，有很多的作者在这方面也做了很多的实验，固我们在此就不再重复, 直接给出我们所选用的晶体，ktp(ktiopo4)通光长度为9mm , ii类匹配 (3 = 9°°，0 = 235°)，其详细计算结果如下表所示：表21 ktp倍频参数wavelengthnmwalkoffmradtheta phi degdeffcrystalang.toltemperaturerangemix accpt angmix accpt bw106

7、4.0(e) +3.16e =90.03.58e011.5025.4262.637.821064.0(o) =0.00e 二 23.5pm/vmrad-cmk-cm14.0828.50532.0(e)4.13mradcm-1-c m-c m第3章脉冲紫外激光器设计3.1被动调q的理论分析在近似的情况下，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：d0dtdn.=-y(jc(pt dtdnvadt2別5(皿”)(3. 1)(3.2)(3.3)图3-1 cr:yag被动调q晶体能级简图当用cr: yag作被动调q晶体的

8、时候，由于其同时存在基态和激发态吸收(能级示意 图如图3-1所示)，因此我们还必须考虑激发态吸收，这时速率方程变为：26 - 2aigsls - 2aesnesls - (ln(£) + l)'尺 (3.4)dn7(3.5)dtdnesdt=-y(yc(pti dt(3.6)(3.7)(3.8)式屮°为光子数密度，为激光晶体的粒子数反转密度，、化$、"。分别为调q晶 体基态、激发态、和总的粒子数密度，/为激光晶体长度，为调q晶体沿光轴长度，为 激光晶体的受激发射截面，叭$、6$分别为调q晶体的基态和激发态吸收截面，/?为输 出耦合镜的反射率，乙为未饱和时腔

9、内往返损耗，了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),为光在腔内传输的往返时间，r为谐振腔的光学长度，c为真空屮光速。(3.5)除以(3. 6)式,我们得(3. 9)这儿，®为激光晶体最初反转粒子数密度，q定义如下：ay(3. 10)(3. 4)除以(35),且将(3. 7)带入所的式中得in中+厶+ 2牛丿儿2onl对(3. 11)式积分得(3. 11)0(“) = * ® - “ - ¥ (i -仏九(i -(工)“)-叫"xi %2&

10、amp;ina)n (3 因此,q脉冲的总能量可表述为如卜形式:、hva. . 1 . _ ,n.t) = -ln()ln() 2oy r n f(3. 13)定义l二厶+ 2乙皿1fomy =.j fom-1(3. 14)(3. 15)其中f0m =玉,为优化因子，被用来比较不同的被动调q晶体的优越性。 %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ninflsywsnf®(i (y)-1(ln(-) + l)r 7 n宦山)=02ainf(3.16)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

11、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2cmj - 2agsn)ls -(ln() + l) = or(3. 17)在等式左边加上25"&-2入曲$,然后除以厶'，并利用儿的定义，式（3. 17）表述为261j 2o冲g(r)il厶儿l作如下定义.26 订 2gj niz =；=l l nf_ 2agsnqls _-ln(t0)2乙;:;sslys皿;)(3.18)(3 (3.20)(3.21)n.p = ln() = ln(z )nf(3.22)于是,(3.13)、(3.16)、(3. 18)分别变换为以下形式

12、:i jival、 ，. e =ol)2©(3.23)0(z；,p) = a z (1-0" - p')-zs(-cap -a p) = 0(3. 24)兀 一5 一儿 _1-u（3.25）当血=0时，光子数密度达最大值，由（31）式我们得最大能量时的粒子数反转为 dnina + lk261j(3.26)峰值功率为1hval 1ln(-) + l 计"七ln()-4n0l-(-r山 (3.27)7shval 1= >n(-)max匚a脉冲宽度为e丿! nfh 7 %nii ys ni1- 51丿、i v prmaxln| + l /1 * 丿 l+i

13、n2塚 帆丿<v 7 斤01儿®/ 、&1- ® ” 7j y1p我们用格朗日多项式(lagrange multiplier)技术来决定°值(z值给定)以使脉冲 能量最大。(3.28)de(j,p) *20(乙，。)=° clj如(3. 29)de(j,p) | 畀0(冬,0)= o dpdp(3. 30)解lagrange方程，并利用(3.21)式的限制条件消去我们获得优化z'值，其由。 和&决定。z 仏,。)=(h _ap)2(i - rap - « p)(i - rap -a pcp- rp - p)(-ra

14、p - a prap)(3.31)1+1(3. 24)式,我们可以得知优化的。满足以下方程aza,p)-l - pl-cap -a p将(2.31)、(3.32)代入(3. 25)式得 %(ap) = z(ap)-zsopt(q ,q)-1in go(3. 32)(3. 33)(3. 34)将(3. 33)带入(3. 23)式,我们得'hvaly(3. 35)ms卜亦了(3. 36)i 一严一宀）q z 丿/1-z； (a',p) a+弘4)+111z；(a',q)1vz (q “)丿z（q ,。）,(q 亠).乙(g,p)z$(q,p)zap) a zap(3.37)

15、（3. 36）屮，e为快饱和吸收体调q（即q too）,且z too时，被动调q所能获得的 最大脉冲能量ah vl . vh vn.2oy z _（3. 37）中，乙（sq）由下面的方程获得©（a，" z（sp）zt(ap) = 1 +兀(仅，q)+z；(& ,q(3.38)(3. 39)z3，g 的初值为 z；（/,q）= 1 + x （q ,°）。以z'为变量，q分别取2、3、5、10、100（可近似等于co）,作岀以上各参数的优化值, 如图3-23-8所示：图3-2优化吸收参数z；叨随乙和a的变化图3-3优化耦合参数兀;円随z和q的变化图3-

16、4(a)优化情况下如,xopt以l的数量级比较图3.4(b)优化情况下w 兀阳以厶的数量级比较图35优化对数小信号传输与对数增益比随q变化0 1 210i 10.10z=2onjli图36优化设计时归-化能量随&的变化呂oeaou oe山 sej enerdo.101 .z=2on jliio2图37优化调q时提取效率随z , a的变化图3-8优化调q吋脉冲宽度随z，q的变化1(<=os七 un) 一尽管图3-2到3-8可以很方便的指导我们优化被动调q激光器的设计，并获得被动调 q激光器的各主要性能参数，但在实际设计屮，我们最关心的是被动调q晶体的小信号透 过率与输出镜的透过率之

17、间的直接关系，以使激光器最佳运转，因此我们有必要导出二者 之间的函数关系，并画出二者曲线，以指导被动调q激光器的设计。(3.36)由式(3. 19), (3.21), (3. 25)exp("”r)x°pi得:exp(/ - mio；/(3.37)(3.38)(3.39)其曲线如图3-9到311所示:图3-9优化被动调q吋输出镜反射率与被动调q晶体小信号透过率关系(l =0.05)图3-10优化被动调q时输出镜反射率与被动调q晶体小信号透过率关系(l =0.10)图3-11优化被动调q吋输出镜反射率与被动调q晶体小信号透过率关系(l=0.23,为本实验数据)当我们选泄被动调

18、q晶体小信号透过率或输出镜反射率的时候，从图3-9-3-11,我 们可以直接得出设计所需另一参数，从而使被动调q激光器最佳运转。对于饱和吸收体而言，相当于八 情况，因此，以上理论不但作为被动调q的优 化设计原则，还可以用作主动调q分析。由以上几幅图，我们可以很方便的设计被动调q激光器，使其基横摸前提下最佳运转, 并且快速的得出被动调q激光器的各性能参数，以与我们的实验结果相比较。3. 2被动调q获得1064nm基频光的实验研究下面，我们结合实验具体的讨论如何利用图2-8优化设计被动调q激光器，以及与我 们所获得的被动调q晶体的小信号透过率与输出镜的最佳透过率的直接关系图比较，以实 现被动激光调

19、q激光器的最佳运转。实验装置简图如图9所示couplingpower meter图3-12优化被动调q实验简图图中，ld(laser diode)半导体二极管为泵源，nd: yag为激光晶体，大小为23*5, 1%掺杂，其在1064nm处受激发射截面b = 2.8x 10,加？，同时其一面镀高反膜起到腔镜 作用，输出镜为平面镜，cr: yag为被动调q晶体，为减少损耗，两面均镀基频光增透膜。 按照调q激光器的第二阈值理论，cr:yag处基模光斑应尽可能小，以降低第二阈值，因 此，我们将cr: yag处紧靠输出镜放置（腔内束腰处），以减少受光截面，快速起振，优化调q效果。cr:yag的厚厚为1.

20、4mm,小信号增益为65%,。其他参数为：基态吸收截面 % =8.7xlo-|9cm2巒辱艷吗肝2.2xl0f 3,由-ln（7；） = b加可得掺杂浓 度g = 3.537 x 10lscm 07 * （nd: yag为四能级系统，二考虑励下辱辭子数以働忑邀递占腳寿命无限短非辐射跃迁，取"1），/s pom（式屮6s） o,由式（3. 14）,我们可得l = 0.223 ,（腔内其他损耗为厶=0.05）,由（3.20）式得 s =2.883,由图3_2我们获得z =5.5,从（图3-3, 3-6, 3-8）,我们可分别获得,ii耳瘁=2.5, 0=4。曲式（3.21）式,输出镜的最

21、佳透过率口“ 一陷=36%,脉冲能量为 e = hv（d/2）2l /2o7max=134 u j （由热透镜效应决定输出光斑大小为120um），脉冲宽 度为山/5二8皿，按照理论结果，理应获得峰值功率为p/t7xl°w。实验中，充分利用我们手头所有的输出镜（透过率分别为10%, 20%, 25%, 40%）, 我们选取透过率为40%的输岀镜。由实验结果可知，理论与实验较好的符合，实验和对理论结果而言脉冲宽度有所增加, 这主要是我们在设计中并没有考虑由于激光晶体中次能级的热平衡过程，以及上、下激光 能级的粒子数的热驰豫过程对脉冲展宽的影响，以及我们输出镜的选取与理论的偏羞，导 致峰值

22、偏离理论值较严重。但从数量级以及对实验的指导意义上来说，这种理论与实验的 偏差是完全可以接受的。3. 3脉冲绿光实验结果通过前面的被动调q激光器的优化设计，我们已经获得了高峰值功率的脉冲红外 （1064nm）基频光输出，但要想获得高的倍频效率，由第二章的理论分析可知，还与激光 晶体，激光光束的最佳聚焦有关，由于ktp在1064nm处高的转换效率，小的走离角，我 们选定ktp为倍频品体，通光长度为9mm,走离角p = 4.3mrad ,因此其双折射参数 b = pq叫严/2 = 0.2,由图3-18我们可以很方便的获得最佳聚焦参数§。b图3-20优化聚焦与晶体双折射参数的关系图出于歹化

23、（其中b二號k、为共焦参数），/已知，可得最佳聚焦的束腰半径大小应 为20um,通过对晶体热透镜效应的测量，我们获得输出镜处光斑大小大约为120 um,因 此要实现最佳聚焦，我们应将光斑缩小6倍，选用八 em的聚焦透镜，透镜并没有对 1064nm镀增透膜，将引入一定的插入损耗，将聚焦透镜紧靠输出镜后（输出镜为平而镜, 因此为光束束腰位置，将输出镜放在紧靠束腰处，以达到紧聚焦效果），ktp置于聚焦镜 后约14mm处，ktp两而均镀1064nm> 532nm增透膜，以减少其对基频光和倍频光的损耗, 仔细调节晶体的位置，以实现最佳角度匹配。绿光（532nm）功率如图12所示图3-21绿光功率随泵浦功率变化第4章总结在即将离开大学，走向社会的时候，很荣幸能做这样的一个课程设计，让我亲身体会 到了一个具体的工业产品的设计过程，这让我受益非浅，特别是在今后的t作屮。所以， 我要向在设计过程中帮助过我的各位表示感谢。刚开始，在资料的查阅上，老师给了我很大的帮助，告诉我应该怎样去查找，查找什 么样的资料，理解论文的写作思路，并用到口己的论文中來，这些对于我來说，都是非常 有用的。在整个课程设计的过程中，我深深地感觉到老师对科研事业的执著追求，工作中一丝 不苟的态度，敏锐的洞察力，不断追求创新的气魄，并且老师都很平易