固体激光器谐振腔稳定性分析与光束仿真
固体激光器腔体设计软件ASLD 功能介绍
ASLD 功能介绍1 热透镜分析1.1小泵浦源的网格细化在某些激光器中，泵浦光源的光束尺寸相对于激光晶体而言非常小。
在对这样结构的系统进行模拟分析时需要使用到局部自适应的网格划分方法来准确反映系统参数。
或者通过加大整体的网格数量来进行模拟计算，但是这样的方法不仅需要更多的计算时间，而且计算结果的准确性也很难保证。
ASLD所使用的是第一种方法，在激光晶体的中心部分加入一个进行更精细划分的网格区域来准确包含模拟小泵浦源的激光系统。
1.2快速有限元分析（FEA）ASLD借鉴并使用了有限元分析的现代概念和算法。
其中包含初始分析的计算方法和半粗化多重网格算法。
初始分析及其相对应使用的算法能够保证ASLD在系统包含实时动态FEA仿真并且包含大量的有限元时依然能够快速计算出仿真结果。
半粗化多重网格算法能够保证ASLD在对包含超长激光晶体的系统仿真任务中更快的计算出所需的结果。
1.3实时动态热透镜效应分析实时动态热透镜效应分析在对包含闪光灯泵浦和脉冲泵浦的激光器进行仿真时具有明显的优势。
该功能能够仿真出闪光灯泵浦光源每次打开和关闭的过程中晶体内部的温度和结构变化以及使用脉冲泵浦时不同的脉冲周期对系统的影响。
1.4FEA边界条件ASLD包含的图形化用户界面能够帮助用户快速的设置FEA分析的边界条件该功能允许用户对激光晶体进行多个部分的划分并设置相应的条件。
例如下图中所展示的就是利用该功能对激光晶体进行不同部分的冷却设置界面。
1.5自动抛物线拟合在进行高斯模式分析的过程中通常需要对结构和温度数据进行多次抛物线拟合。
通常这样的工作需要设计人员手工完成，该逆过程较为繁琐也容易出错。
在ASLD中我们提供了针对结构和温度数据进行自动拟合的功能，该功能简便易用，并且能够在实时动态有限元分析过程中起到重要的作用。
2动态模式分析2.1可饱和吸收体Q开关在设计小型或紧凑型被动Q开关激光器时经常会用到Cr4+掺杂的可饱和吸收体。
ASLD 能够对包含该类型Q开关，使用脉冲泵浦的系统进行仿真。
光学谐振腔的稳定性问题资料课件
减小腔镜间距
减小腔镜间距可以减小光 束在腔内的损耗，从而降 低谐振腔对外部环境的敏 感性。
优化腔镜形状
采用合适的腔镜形状，如 球面或抛物面，可以减少 光束在腔内的散射和折射 ，提高谐振腔的稳定性。
采用新型材料和制造工艺
采用高反射率材料
采用反射率更高的材料制 作腔镜，可以减小光束在 腔镜上的反射损失，提高 谐振腔的稳定性。
在这一领域中，光学谐振腔的 稳定性问题主要体现在如何减 小测量误差和提高测量精度。
为此，需要采取一系列技术措 施来提高光学谐振腔的稳定性 ，如采用高精度位移台、光学 锁相等技术。
05
CATALOGUE
未来展望与研究方向
深入研究稳定性问题的物理机制
01
深入研究光学谐振腔的稳定性问 题，需要深入理解其物理机制， 包括光场与物质相互作用的细节 、光学元件的散射和损耗等。
稳定性问题的重要性
光学谐振腔在激光雷达、光学通信、光学传感等领域具有广泛应用，其稳定性 问题直接影响到这些领域的应用效果和性能。因此，解决稳定性问题对于提高 光学谐振腔的应用性能和可靠性具有重要意义。
光学谐振腔稳定性的影响因素
01
环境因素
温度、湿度、振动等环境因素对光学谐振腔的稳定性产生影响。这些因
素会导致光学元件的位置和角度发生变化，从而影响光束的输出质量和
稳定性。
02
光学元件的加工和装配精度
光学元件的加工和装配精度对光学谐振腔的稳定性也有重要影响。元件
的加工和装配误差会导致光束的聚焦位置、模式质量和光束指向发生变
化，从而影响光束的输出质量和稳定性。
03
光学谐振腔的设计
光学谐振腔的设计参数也会影响其稳定性。例如，腔长、反射镜曲率、
激光原理与技术习题一
《激光原理与技术》习题一班级 序号 姓名 等级一、选择题1、波数也常用作能量的单位，波数与能量之间的换算关系为1cm -1 = eV 。
（A ）1.24×10-7 (B) 1.24×10-6 (C) 1.24×10-5 (D) 1.24×10-42、若掺Er 光纤激光器的中心波长为波长为1.530μm ，则产生该波长的两能级之间的能量间隔约为 cm -1。
（A ）6000 (B) 6500 (C) 7000 (D) 100003、波长为λ=632.8nm 的He-Ne 激光器，谱线线宽为Δν=1.7×109Hz 。
谐振腔长度为50cm 。
假设该腔被半径为2a=3mm 的圆柱面所封闭。
则激光线宽内的模式数为 个。
（A ）6 (B) 100 (C) 10000 (D) 1.2×1094、属于同一状态的光子或同一模式的光波是 .(A) 相干的 (B) 部分相干的 (C) 不相干的 (D) 非简并的二、填空题1、光子学是一门关于 、 、 光子的科学。
2、光子具有自旋，并且其自旋量子数为整数，大量光子的集合，服从 统计分布。
3、设掺Er 磷酸盐玻璃中，Er 离子在激光上能级上的寿命为10ms ，则其谱线宽度为 。
三、计算与证明题1．中心频率为5×108MHz 的某光源，相干长度为1m ，求此光源的单色性参数及线宽。
2．某光源面积为10cm 2，波长为500nm ，求距光源0.5m 处的相干面积。
3．证明每个模式上的平均光子数为1)/ex p(1 kT hv 。
《激光原理与技术》习题二班级 姓名 等级一、选择题1、在某个实验中，光功率计测得光信号的功率为-30dBm ，等于 W 。
（A ）1×10-6 (B) 1×10-3 (C) 30 (D) -302、激光器一般工作在 状态.(A) 阈值附近 (B) 小信号 (C) 大信号 (D) 任何状态二、填空题1、如果激光器在=10μm λ输出1W 连续功率，则每秒从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是 。
高功率固体激光振荡器与放大器光束质量控制技术研究
目前的研究主要关注高功率固体激光振荡器和放大器的光束质量优化和控制，未来可以深入研究光束质 量对激光系统性能的影响及其与其他系统参数的关系。
06
参考文献
参考文献
参考文献1
高功率光纤激光器的发展和 应用[J].中国激光, 2009, 36(10): 102-104.
意义
高功率固体激光技术在军事、工业、医疗等领域具有广泛的应用价值，而光束 质量控制技术是实现高效、稳定和可靠激光输出的关键。因此，开展此研究对 于推动高功率固体激光技术的发展具有重要意义。
研究现状和发展趋势
现状
目前，国内外对于高功率固体激光振荡器和放大器的光束质量控制技术已有一定 研究，但仍存在一些问题，如光束质量不稳定、功率损失等。
参考文献2
高功率激光光束质量评价方 法和标准[J].光学精密工程, 2010, 18(3): 56-58.
参考文献3
高功率激光系统光束质量的 优化和控制[J].红外与激光工 程, 2008, 37(2): 109-111.
THANKS
感谢观看
针对不同类型的高功率固体激光系统，深入探讨了光 束质量与系统参数之间的关系，为优化和控制光束质
量提供了理论依据。
通过对高功率固体激光振荡器与放大器光束质量的系 统级和部件级研究，明确了系统设计和部件选择的指
导原则。
研究不足与展望
虽然所提方案在某些高功率固体激光系统中得到了验证，但并未涵盖所有类型和规模的系统，未来可 进一步拓展应用范围。
发展趋势
随着科技的不断发展，高功率固体激光技术的光束质量控制研究将更加深入，研 究方向包括新型光学器件的研发、光束控制算法的优化以及激光加工技术的改进 等。
谐振腔参数对激光输出的影响
谐振腔参数对激光输出的影响吴荣琴，杨文琴，苏宝玺【摘要】[摘要]光学谐振腔作为激光器的重要组成部分，为激光振荡提供正反馈。
谐振腔的参数直接影响激光的输出特性，如输出功率、频率特性、光强分布(模式)以及光束发散角等。
本文通过实验分别对不同激光器的谐振腔参数进行改变，利用实验数据和结果进行分析，得出激光器最佳输出的谐振条件。
【期刊名称】长春师范大学学报【年(卷),期】2016(035)004【总页数】4【关键词】[关键词]谐振腔参数；激光；最佳输出本文分别改变LD泵浦固体激光器和He-Ne激光器的谐振腔参数，包括输出镜透过率、谐振腔长度、泵浦功率。
1 LD泵浦固体激光器谐振腔变化对输出影响的讨论采用实验装置如图1所示，泵浦源为半导体激光器，最大输出约为1.7W，工作物质采用Nd∶YAG晶体，输出波长为808nm的光，与Nd∶YAG的吸收峰相吻合。
泵浦光经耦合系统注入Nd∶YAG晶体，与输出镜构成谐振腔，当腔内的增益大于损耗时便输出1064nm激光。
实验步骤：根据实验装置图1设置输出镜与晶体之间的距离。
缓慢调节LD电流至1.0A，微调输出镜倾斜和俯仰使系统出光，然后微调激光晶体、耦合系统，使激光输出到最大值。
实验内容：将LD电流由小调大，从1.0A开始，每隔0.1A测量一组固体激光器系统的泵浦功率和输出功率；分别采用透过率为T1=3%和T2=8%的输出镜测试实验数据。
得出泵浦功率与输出功率的测量数据如表2所示，其关系曲线如图2所示。
由实验结果可以看出：第一，当泵浦功率大于阈值时，激光腔内便建立起振荡。
激光的输出功率随着泵浦功率的增大呈近似线性增大。
从理论上来看，输出功率不会一直增大，激光器输出功率的进一步增大有可能出现增益饱和现象，使输出曲线弯曲，限制激光器输出功率的进一步提高。
第二，T1的输出功率明显比T2大，即透过率较小的输出镜有利于提高激光的输出功率。
从理论上看，激光输出功率会随输出镜透射率的降低而增加，但是当透过率达到最大值时激光的输出反而会下降。
He-Ne激光器谐振腔调整和激光特性的测量
实验一：He-Ne 激光器谐振腔调整和激光特性的测量一、实验目的：1.了解He-Ne 激光器的构造。
2. 观察并测量He-Ne 激光器的功率、发散角等特性参数。
3. 调整谐振腔一端的反射镜，观察谐振腔改变后He-Ne 激光器性能参数的变化。
4. 了解外腔He-Ne 激光器的偏振态。
5. 通过光栅方程来验证He-Ne 激光的波长。
二、实验内容：1. He-Ne 激光器发散角测量由于远场发散角实际是以光斑尺寸为轨迹的两条双曲线的渐近线间的夹角，所以我们应延长光路以保证其精确度，此时需要在前方放置反射镜。
可以证明当距离大于λωπ207时所测的全发散角与理论上的远场发散角相比误差仅在1%以内。
（1）确定和调整激光束的出射方向，放置一个反射镜来延长光路。
（2）在光源前方L1处用光功率计检测，在与光轴垂直的某方向延正负轴测量并绘出光功率/位移曲线。
（3）由于光功率/位移曲线是高斯分布的，定义Pmax/e2为光斑边界，测量出L1位置的光斑直径D1。
（4）在后方L2处用光功率计同样测绘光强/位移曲线，并算出光斑直径D2。
（5）由于发散角度较小，可做近似计算，θ2=D2-D1/L2-L1,便可以算出全发散角2θ。
2 .利用光栅方程验证波长。
He-Ne 激光器的波长是623.8nm, 通过光栅方程可以验证激光器的波长值。
观察衍射图样，统计出衍射级数j 。
根据三角公式，计算出衍射角θ。
由于光栅常数d 已知，根据光栅方程可以计算出激光波长。
),2,1,0(sin ±±==j j d λθ1. 观察He-Ne 外腔激光器模型，了解各部分构造及工作原理。
He-Ne 激光器的组成包括有：共振腔（由放电毛细管和反射镜组成）、工作物质（有氦氖气体按一定比例组成）、放电电源（通常多采用直流高压电源）。
当氦氖激光器的电极上加上几千伏的直流高压后，管内就产生辉光发电，对工作物质进行激励从而引起受激辐射，经共振腔进行光放大以后，即产生激光输出。
固体激光器谐振腔
光线与轴 线距离
⎧＋，出射点位于轴线上方 ⎧＋，向轴线上方出射 r ⎨⎩－，出射点位于轴线下方 θ ⎨⎩－，向轴线下方出射
球面半径R
⎧＋，光线遇到凹面 ⎨⎩－，光线遇到凸面
21
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常用光学传输矩阵
1 均匀介质中传播
⎛1 L⎞
L
⎜ ⎝
0
1
⎟ ⎠
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n1 n2
常用光学传输矩阵
5
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6
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7
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8
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5.1 谐振腔基本理论
5.1.1基模高斯光束的基本性质 5.1.2光学传输矩阵 5.1.3 ABCD法则 5.1.4谐振腔的本征方程和稳定性条件 5.1.5稳定腔与基模高斯光束 5.1.6G参数等价腔 5.1.7非稳腔
光电子技术 精品课程
5 固体激光器谐振腔
光电子技术(2)(激光器件)
电子科学与技术 精密仪器与光电子工程学院
固体激光谐振腔
5.0 引言 5.1 谐振腔基本理论 5.2 热透镜腔 5.3 基模动态稳定腔 5.4 谐振腔设计
2
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5.0 前言
3
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4
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，则通过
此元件前、后的球面波R参数和高斯光束q参
数满足关系
R′ = AR + B CR + D
(4)z >> f 时，R(z)→ z。光束可近似为一个有z=0点 发出的半径为z的球面波。
(5)z → ∞ 时，R(z)→ z。等相面为平面。
(6)z =±f 时，｜R(z)｜=2 f。且｜R(z)｜达到最小值 。
NdYAG固体激光器谐振腔
课程设计报告课程名称：课程设计设计题目：Nd:YAG固体激光器谐振腔院系：物理系班级：09光信息科学与技术2班姓名：黄国辉学号：200930461371指导老师：李润华老师完成时间：2012-05-05设计要求工作物质物理固体工作物质基础性质分析详述Nd3+:YAG晶体理论依据泵浦源设计方案课程设计模块聚光腔基础理论方案设计谐振腔基础理论方案设计方案评估电光调Q冷却系统总体设计总结附录11设计要求对于给定一个长15cm, 直径6mm的Nd:YAG棒(折射率 n=1.82)和长3cm, 通光口径为8mm 的KD*P电光调Q晶体(n=1.51),设计一个完整的紧凑型谐振腔, 要求画出结构图, 给出谐振腔镜R1和R2的尺寸和总的腔长L,计算出光腰的位置,光斑尺寸大小和发散角,以及两个腔镜上的光斑尺寸. (忽略热透镜效应)要求：●腔长尽量短●要给各元件留一定的安放空间●考察谐振腔的稳定性●考察谐振腔的抗扰动的能力●考察腔模的光学特征（比如发散角、束腰的半径等参数，并最佳化）●最好能用图表来说明问题。
评分就是根据这些参数来看设计的优劣。
●注意波长为1.064微米.2工作物质物理性质分析2.1固体工作物质基础●综述固体激光工作物质由激活离子和基质组成，激活离子的能级结构决定了激光的光谱特性和荧光寿命等激光特性。
基质主要决定了工作物质的物理特性，化学特性。
●激活离子激活离子是发光中心，离子的电子阻态中，未被填满壳层的电子处于不同轨道和自旋运动状态，形成一系列能级。
目前可用作激活离子的元素共有19种，可分为四类：（1）过渡族金属离子如Cr3+,Ni3+,Co3+（2）三价稀土金属离子如Nd3+,Pr3+,Sm3+（3）二阶稀土金属离子如Sn2+,Dy2+,Tm3+（4）锕系离子多为人工放射元素，不易制备●基质材料工作物质的基质材料应能为激活离子提供合适的配位场，并具有优良的机械热性能及高光学质量，常用的基质材料分为晶体和玻璃两大类2.2详述Nd3+:YAG晶体●表1：YAG的基本理化特性激光特性图1：Nd3+:YAG 的能级结构室温下Nd 3+:YAG 有三条荧光谱线，中心波长和对应的能级跃迁分支比为：~0.94um (4F3/2 4I 9/2)25%~1.06um (4F 3/2 4I 11/2)60%~1.35um (4F 3/2 4I 13/2)14%其中最强的是1.06um 的荧光谱线。
基于MATLAB的谐振腔稳定性分析和-----高斯光束传输特性计算
中北大学课程设计说明书2014/2015 学年第一学期学院：信息与通信工程学院专业：光电信息工程学生姓名：赵策学号：1105104138 课程设计题目：基于MATLAB的谐振腔稳定性分析和高斯光束传输特性计算起迄日期：2015年1月12日～2015年1月30日指导教师：王小燕中北大学课程设计任务书2014/2015 学年第一学期学院：信息与通信工程学院专业：光电信息工程学生姓名：赵策学号：1105104138课程设计题目：基于MATLAB的谐振腔稳定性分析和高斯光束传输特性计算起迄日期：2015年1月12日～2015年1月30日指导教师：王小燕课程设计任务书摘要此次课程设计主要针对激光原理、激光技术课程中出现的诸多理论模型进行数值求解，通过MATLAB软件进行仿真验证，从而锻炼运用数值分析方法解决专业问题的能力,进一步学习高斯光束的特性和传播规律。
关键词：激光原理高斯光束MATLAB仿真设计AbstractThis course design principle of laser, the laser technology course many theoretical models appeared in numerical simulation by MATLAB software and ability to exercise using numerical methods to solve professional problems, further study characteristics and propagation of Gaussian beams.Key words: Principle of laser Gaussian beam The MATLAB simulation目录一、总体设计方案： (9)二、共轴球面腔稳定性分析： (9)三、任务一具体设计： (10)四、任务二具体设计： (12)五、任务三具体设计： (14)六、心得体会： (15)一、总体设计方案：此次课程设计主要为了完成谐振腔稳定性的分析、高斯光束的传播规律，理解谐振腔稳定振荡的条件，利用稳定震荡的条件区别稳定腔、临界腔、非稳腔，以及利用Q参数来描述高斯光束的基本特征和传输规律。
大功率全固态355nm紫外激光器研究
大功率全固态355nm紫外激光器研究一、本文概述随着科学技术的飞速发展，紫外激光器在科研、工业、医疗等领域的应用日益广泛，其中355nm波长的紫外激光器因其独特的物理特性在诸多领域表现出显著的优势。
特别是在高精度材料加工、生物医学研究、光电子器件制造等领域，大功率全固态355nm紫外激光器的需求日益迫切。
因此，开展大功率全固态355nm紫外激光器的研究，不仅具有重要的理论意义，也具有巨大的实际应用价值。
本文旨在深入研究大功率全固态355nm紫外激光器的设计、制造、性能测试等关键技术，并探讨其在实际应用中的可能性和挑战。
我们将首先回顾紫外激光器的发展历程，分析当前国内外在该领域的研究现状，并指出存在的问题和面临的挑战。
然后，我们将详细介绍大功率全固态355nm紫外激光器的设计原理和制造工艺，包括激光介质的选择、谐振腔的设计、泵浦方式的选择、热管理策略等关键技术。
在此基础上，我们将通过实验验证和优化激光器的性能，包括输出功率、光束质量、稳定性等关键指标。
我们将探讨大功率全固态355nm紫外激光器在各个领域的应用前景，以及未来研究方向和可能的技术突破。
本文的研究结果将为大功率全固态355nm紫外激光器的设计、制造和应用提供重要的理论支撑和实践指导，有望推动紫外激光器技术的发展和应用领域的拓展。
二、全固态355nm紫外激光器的基本原理与结构全固态355nm紫外激光器是一种基于固体增益介质和非线性光学晶体的高功率激光源。
其基本原理和结构涉及多个关键组成部分，包括泵浦源、增益介质、非线性光学晶体和谐振腔等。
泵浦源是全固态紫外激光器的能量来源，通常采用高功率的半导体激光器或光纤激光器。
泵浦光通过特定的光学系统被引入增益介质，以激发介质中的粒子跃迁至高能级，为后续的激光产生提供能量。
增益介质是激光器的核心部分，通常采用掺有稀土离子的晶体或玻璃材料。
在泵浦光的激发下，增益介质中的稀土离子发生受激辐射，产生与泵浦光波长不同的激光。
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固体激光器谐振腔稳定性分析与光束仿真首先，光腔的几何稳定性是一种描述光的传播路径不随外界条件变化
的性质。
在固体激光器中，主要有两种谐振模式，即横向模式和纵向模式。
横向模式是通过逆向应用的两片反射片实现的，在激光器腔的两端形成一
定的光学场，从而实现激光放大。
纵向模式则是通过长度为谐振长的路径
来实现的。
光腔的设计应尽量使横向模式稳定，即尽量减小模场的大小。
这可以通过选择适当的反射片反射率和位置来实现。
此外，合理选择激光
器腔的长度也可以有效地提高光腔的稳定性。
比如，在选择激光谐振腔的
大小时，可以选择较小的光腔面积以减小激光束的散焦程度，从而提高激
光束的聚焦质量。
其次，热稳定性是指在激光器工作过程中，激光结晶体受到的热效应
不会改变其工作状态。
固体激光器的热稳定性可以通过合理设计激光器的
冷却方式来实现。
一种常用的方式是通过激光器内部通冷却剂的方式来降
低激光器内部温度。
此外，还可以通过选择合适的激光结晶体材料来提高
固体激光器的热稳定性。
在对固体激光器的谐振腔稳定性进行分析的基础上，可以进一步进行
光束的仿真工作。
光束仿真是通过计算机模拟的方式来研究光束在传输过
程中的特性和性能。
在固体激光器中，光束的质量主要包括波前畸变和焦
散等方面。
光束的稳定性可以通过调整激光器的谐振腔参数来实现，如减
小激光腔的长度、调整反射镜的位置等。
此外，合理选择固体激光器的激
光结晶体材料也可以改善光束的品质。
总之，固体激光器的谐振腔稳定性分析和光束仿真是对固体激光器性
能提升非常重要的一步。
通过合理设计固体激光器的谐振腔参数和光学元
件的位置，可以提高固体激光器的输出功率和光束质量，满足不同应用需求。