Cr4+ YAG自饱和晶体作Q开关的激光研究.docVIP

Cr4+ :YAG自饱和晶体作Q开关的激光研究 物理学（光电信息） 指导老师：杨齐民教授 一、引言 近年来随着计算机技术的应用飞速发展，计算机模拟实验已广泛用于科学与应用各个领域当中，扮演着一个重要而且必不可少的角色。同样，在激光研究方面计算机模拟实验也是很重要的，它可以在有限的时间内进行大量的重复实验，从而得到激光的特性曲线进行研究。如果进行相同的实际实验，所需要的时间是非常长的，投入的资金是巨大的。所以通过计算机模拟实验指导实际实验，能研究的顺利进行。它是实际实验的保证。 固体可调谐激光器具有结构紧凑、调谐范围宽、调谐方便、输出功率大、重复率高等优点，很快取代了染料可调谐激光器成为目前激光研究的活跃领域。Cr4+离子产生的可调谐范围能覆盖到1.1μm—1.8μm的光谱区，其中，包括了很多十分重要的波段，如光纤的零损耗、零色散区以及人眼的安全波段，在光电子信息技术、光谱学、大气测量、环境监测、生命科学和半导体材料研究等方面有重要应用。在Cr4+离子作为激活中心离子的激光晶体，实现了过渡金属离子固体可调谐激光器的成功运转之后。掺Cr4+离子的固体激光器成为固体可调谐激光器中的重要成员，对掺Cr4+离子激光材料的研究也为当前固体可调谐激光器研究的主要热点之一，是今后长期发展的主要方向。 调Q激光器又称为巨脉冲激光器，1961年就有人提出了调Q的概念，即设想采用一种方法把全部光辐射能压缩到极窄的脉冲中发射；1962年，制成了第一台调Q激光器输出峰值功率为600千瓦，脉冲宽度为10-7s量级；随后的几年发展的非常快，出现了多种调Q方法（如电光调Q、声光调Q、可饱和吸收调Q等），输出功率几乎呈直线上升，脉宽压缩也取得了很大进展； 作为激光器Q开关材料的Cr:YAG，在0.9~1.2μm波段具有宽的吸收带和可饱和吸收特性，与传统调Q材料相比具有基态吸收截面大，掺杂浓度高，导热性能好，饱和光强小，损伤阈值高，物化性能稳定，无退化现象等优点，可以很好地替代常用的饱和吸收体，因而是高功率、高重复频率Nd或Yb离子掺杂固体激光器的理想Q开关材料。1.06μm吸收带是四配位Cr离子跃迁的结果，这个宽的吸收带与Nd离子的1.06μm发射带重合得很好，因此很适合做掺离子激光器的调Q开光。Cr4+ :YAG被动调Q激光器能提供在纳秒范围内具有高峰值功率和高重复率的脉冲，可以被广泛地应用于微机械、测距、遥视和微型手术等方面，而且具有饱和光强小、导热性好、化学性质稳定、损伤阈值高等特点，很容易做成体积小、价格便宜的脉冲激光器。Cr4+ :YAG被动调Q激光器有着高光束质量、高稳定性、长寿命、短脉冲、波长可调谐等特点，因此对Cr4+ :YAG被动调Q激光器的研究有着重大的意义和价值。 二、原理介绍 （一）、Cr:YAG晶体的调Q原理 YAG晶体在氙灯的光泵下发射自然光，通过偏振棱镜后，变成沿x方向的线偏振光，若调制晶体上未加电压，光沿光轴通过晶体，其偏振状态不发生变化，经全反射镜反射后，再次（无变化的）通过调制晶体和偏振棱镜，电光Q开关处于“打开”状态。如果在调制晶体上施加电压，由于纵向电光效应，当沿x方向的线偏振光通过晶体后，经全反镜反射回来，再次经过调制晶体，偏振面相对于入射光偏转了900，偏振光不能再通过偏振棱镜，Q开关处于“关闭”状态。如果再氙灯敢开始点燃时，事先再调制晶体上加电压，使谐振腔处于“关闭”的低Q状态，阻断激光振荡形成。待激光上能级反转的粒子数积累到最大值时，突然撤去晶体上的电压，使激光器瞬间处于高Q值状态，产生血崩式的激光振荡，就可输出一个巨脉冲。:YAG晶体特性及光谱特性 晶体是一种新型的光学晶体，晶体中的Cr离子对1.06的光强具有自饱和性能。晶体中的Cr离子对1.06的强光具有自饱和性能。这与它的能级性质有关，如图1所示为它的能级图。与自饱和有关的四个能级为、、、，相应的粒子数为，，和，显然；，式中为自饱和晶体内Cr离子浓度。 由于和的寿命极短，故→0，→0，固有＋＝。 在入射光弱时，即晶体未被漂白时的透过率为 式中为→的跃迁截面，为晶体的长度。 在入射光强时，晶体被漂白后的透过率为 式中为→的跃迁截面. 腔内晶体的粒子数速率方程式，由于前面已分析过，→0，→0，且＋＝，故只须建立的速率方程式即可。 忽略微小的自发辐射等由上图可知的粒子速率方程为: 因为能级的寿命极短,而且能级的粒子几乎全部跃迁落到能级上，则有 。所以上式改写为： 令,而且＋＝、、、因此可以得到： （1） 为 能级的粒子寿命。 （三）速率方程理论 速率方程理论是用来描述调Q脉冲形成过程以及各参量对该过程的影响，主要内容是描述腔内振荡光子数和工作物质的反转粒子数随时间变化的