LD侧面泵浦被动Q开关Nd：YAG激光器模拟与实验研究.docVIP

LD侧面泵浦被动Q开关Nd：YAG激光器模拟与实验研究 　　摘要：本论文考虑被动调Q过程的动态损耗，即考虑可饱和吸收体的吸收系数随时间的变化，分析了LD端面泵浦被动Q开关Nd：YAG激光器的速率方程组。数值模拟了在不同可饱和吸收体初始透过率，以及不同输出耦合镜透过率的情况下，输出激光的单脉冲能量和脉宽。并与试验结果进行了对比。模拟结果和实验结果相符合。研究结果表明随着初始透过率的增加单脉冲能量逐渐减小，而脉宽逐渐增大。随着输出耦合镜透过率的增加，单脉冲能量先增大后减小，脉宽先减小后增大。 　　关键字：动态损耗；被动调Q；单脉冲能量；脉宽 　　中图分类号： G64 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）08（b）-0000-00 　　1. 引言 　　在被动调Q实际过程中，随着纳秒级激光脉冲的形成，可饱和吸收体基态粒子数逐渐变小，上能级粒子数逐渐变大，可饱和吸收体的透过率会逐渐变大，可饱和吸收体的吸收系数就会逐渐变小，即在调Q过程中损耗是逐渐变小的。关于不考虑动态损耗下，对LD侧面泵浦被动Q开关Nd：YAG激光器主要输出参数的理论和实验研究，已有大量的文献报告[1]-[4]。如果把调Q过程中的损耗看成定值，得到的单脉冲能量等输出参数与实际情况相比会有较大的误差 。而考虑调Q过程的动态损耗，得到的单脉冲能量和脉宽等输出参数会更符合实际。 　　本论文考虑调Q过程中可饱和吸收体的吸收系数随时间的变化，以及可饱和吸体的透过率随时间的变化，求解被动调Q速率方程，得到光强、单脉冲能量、脉宽的表达式。再通过数值模拟，得到不同可饱和吸收体初始透过率情况下，单脉冲能量和脉宽随初始透过率的变化规律，以及不同的输出镜耦合镜透过率情况下，单脉冲能量和脉宽随输出耦合镜透过率的变化规律。并展开了实验研究，将实验测量结果和理论分析结果进行了对比分析。 　　2. 理论模型 　　LD侧面泵浦被动调Q实验中，考虑可饱和吸收体激发态吸收，为了简化计算，所以在计算中可以用平面波近似。根据被动调Q理论，考虑可饱和吸收体激发态吸收的被动调Q速率方程组写为如下形式[5]： 　　（1） 　　（2） 　　（3） 　　（4） 　　把速率方程（2）改写为： 　　（5） 　　上式两边同时乘以受激发射截面，得到增益的表达式如下： 　　（6） 　　激光在谐振腔中进行第i+1次振荡时的激光增益系数与第i次的激光增益系数的关系为： 　　（7） 　　其中，为激光在谐振腔中往返振荡一次的时间， 。 　　增益表达式为： 　　（8） 　　光在谐振腔中振荡第i+1次的增益为： 　　（9） 　　吸收系数表达式为： 　　（10） 　　对上式两边进行求导得到： 　　（11） 　　我们知道： 　　（12） 　　联立速率方程（4）和方程（12），得到： 　　（13） 　　上式两边同时乘以基态吸收截面得到： 　　（14） 　　其中，，。 　　速率方程（3）两边同时乘以得到： 　　（15） 　　联立方程（11）、（14）和方程（15）得到： 　　（16） 　　激光在谐振腔中进行第i+1次振荡时的激光吸收系数与第i次的激光吸收系数的关系为： 　　（17） 　　光在谐振腔中振荡第i+1次的损耗为： 　　（18） 　　激光在谐振腔往返振荡第i+1次的透过率表达式为： 　　（19） 　　根据透过率公式，求得激光的初始吸收系数为： 　　（20） 　　实验装置为输出镜和全反镜构成谐振腔，腔内放置激光晶体和调Q晶体。假定初始的光强为，激光晶体的长度为，可饱和吸收体的长度为，初始的增益系数为，初始的损耗系数为，输出镜的反射率为，往返振荡一次之后的激光光强，光首先通过激光晶体： 　　（21） 　　光通过可饱和吸收体： 　　（22） 　　光通过输出镜： 　　（23） 　　光再次通过可饱和吸收体： 　　（24） 　　光通过激光晶体： 　　（25） 　　光通过全反镜： 　　（26） 　　联立式（21），（22），（23），（24），（25），（26）我们得到，在谐振腔中往返振荡一次后的光强与初始光强之间的关系为： 　　（27） 　　我们得到光在谐振腔中振荡第i+1次的光强，与第i次光强之间的关系为： 　　（28） 　　光强与功率的关系表达式为： 　　（29） 　　我们可以知道激光在谐振腔中往返振荡第i次的能量表达式为： 　　（30） 　　把（28）式代入（30）式得到： 　　（31） 　　单脉冲能量为： 　　（32） 　　激光在谐振腔中进行第j次往返振荡的光强为，其中1jk。激光在谐振腔中进行第k次往返振荡的光强为，其中jki。假设有下式成立： 　　（33） 　　（34）