闪光灯泵浦的脉冲NdYAG激光器
Nd：YAG激光器调Q激光束的放大特性
Nd:YAG激光器调Q激光束的放大特性实验目的：1. 了解固体激光器的自由振荡输出特性2. 了解调Q技术以及调Q激光输出特性3. 了解固体激光器的应用4. 掌握固体激光器的光路调整实验原理：1. 自由振荡激光输出特性通常激光器谐振腔的损耗是不变的，一旦光泵浦使反转粒子数达到或略超过阈值时，激光器便开始振荡，于是激光上能级的粒子数因受激辐射而减少，致使上能级不能积累很大的反转粒子数，只能被限制在阈值反转数附近，当低于阈值时又开始准备第二次振荡。
这使得自由振荡固体激光器的输出是由许多振幅、脉宽和间隔作随即变化的尖峰脉冲组成，尖峰脉宽非常窄（微秒量级），间隔数微秒，脉冲序列的时间长度大致等于闪光灯泵浦持续时间。
激光器的输出能量分散在这样一串脉冲中，因而不可能有很高的峰值功率，增大泵浦能量时也无助于峰值功率的提高，只会使小尖峰数量增加。
2. 调Q技术激光上能级最大粒子反转数受到激光器阈值的限制，因此可设法改变激光器的阈值来实现上能级积累大量的反转粒子。
由激光振荡阈值条件可知临界阈值与谐振腔Q值成反比。
Q 值为谐振腔的品质因数，当波长和腔长一定时，Q与谐振腔的损耗成反比，即损耗大，Q值就低，阈值高而不易起振；当损耗小，Q值就高，阈值低而易起振。
调Q技术就是通过某种方法使腔的Q值随时间按一定程序变化的技术。
本实验通过Q 晶体改变谐振腔的阈值（或Q值）。
泵浦开始时，使光腔处于低Q值，即提高振荡阈值使激光器不产生激光振荡，于是上能级反转粒子数便可大量积累，当积累达到最大值时，突然使腔的损耗减小，Q值突增，激光振荡迅速建立，在极短时间内上能级的反转粒子被消耗，受激辐射增强非常迅速，在腔的输出端形成一个峰值功率很高、脉冲宽度很窄的单一脉冲激光。
实验中所用Q晶体为Cr4+:YAG晶体，有自饱和吸收特性，对光的吸收损耗在其饱和之前很大，达到饱和之后则瞬间降低至接近于零，这样就起到了调Q的作用。
这是一种被动调Q技术。
实验装置1. He-Ne激光器2. 小孔光阑3. 1064nm全反凹面镜M14. Cr4+:YAG调Q晶体5. Nd:YAG振荡棒6. 输出镜M27. Nd:YAG放大棒8. 平板玻璃9. 能量计图1 实验光路示意图本实验采用两组Nd:Y AG晶体和泵浦氙灯，前组为振荡级，后组为放大级。
脉冲Nd：YAG激光器型号
InnoLas公司位于德国激光圣地慕尼黑，是德国激光界的大公司。
InnoLas的科研激光部门整合了传统Nd:YAG技术和最新的电子，光学制造工艺，推出了全新的灯甭浦脉冲Nd:YAG激光器。
同时，和德国Radiant Dye 公司，德国GWU公司达成战略合作伙伴，推出甭浦激光集成一体化的染料激光器，光参量激光器OPO。
InnoLas作风严谨,对产品品质的追求精益求精,所承诺用户的要求,使命必达! InnoLas产能巨大, 所有的产品都能在最短时间内交货.脉冲Nd:YAG激光器是最传统的固体激光器品种，由于脉冲Nd:YAG激光器脉冲能量高，光束质量好，技术成熟，可靠，是激光器家族中不可替代的品种。
脉冲Nd:YAD被成功应用于多种科研和工业领域,如：LIF，LIBS,LIPS，PIV，激光光谱，干涉，全息，非线性光学如：染料激光甭浦，OPO甭浦，OPA甭浦等等。
再者，脉冲Nd:YAG 激光器经典性的再现传统激光理论，因此是激光教学理想品种！InnoLas的脉冲Nd:YAG激光器有十多个系列，数十个型号，现在简单罗列如下1 SpitLight200系列灯泵浦Nd:YAG激光器波长：1064，532，355，266，213 nm脉冲能量：220mJ/1064, 4mJ/ 213脉宽：6ns重复频率：10Hz, 20Hz应用：激光光谱学，LIF，LIBS，LIPS，PIV，Dye/OPO甭浦，激光干涉，激光全息等2 SpitLight400系列灯泵浦Nd:YAG激光器波长：1064，532，355，266，213 nm脉冲能量：400mJ/1064nm, 50mJ/266nm脉宽：7ns重复频率：10Hz, 20Hz,30Hz, 50Hz应用：Dye/OPO/OPA甭浦, 激光光谱学，LIF，LIBS，LIPS，PIV，LIDAR ,激光干涉，激光全息等其他: 可以实现双脉冲, 可以加种子(seeder)3 SpitLight600系列灯泵浦Nd:YAG激光器波长：1064，532，355，266，213 nm脉冲能量：800mJ/ 1064nm, 400mJ/532nm, 200mJ/355,90mJ/266nm脉宽：7ns重复频率：10Hz, 20Hz,30Hz, 50Hz应用：Dye/OPO/OPA甭浦, 激光光谱学，LIF，LIBS，LIPS，PIV，LIDAR ,激光干涉，激光全息等其他: 可以实现双脉冲, 可以加种子(seeder)4 SpitLight1000系列灯泵浦Nd:YAG激光器波长：1064，532，355，266，213 nm脉冲能量：1000mJ/1064nm, 500mJ/532nm, 320mJ/355nm, 100mJ/266脉宽：7ns重复频率：10Hz, 20Hz,30Hz, 50Hz应用：Dye/OPO/OPA甭浦, 激光光谱学，LIF，LIBS，LIPS，PIV，LIDAR ,激光干涉，激光全息等其他: 可以实现双脉冲, 可以加种子(seeder)5 SpitLight1200系列灯泵浦Nd:YAG激光器波长：1064，532，355，266，213 nm脉冲能量：1250mJ/1064, 24mJ/ 213nm脉宽：7ns重复频率：10Hz, 20Hz应用：激光光谱学，LIF，LIBS，LIPS，PIV，Dye/OPO甭浦，激光干涉，激光全息, 脉冲激光沉积镀膜等6 SpitLight1500系列灯泵浦Nd:YAG激光器波长：1064，532，355，266，213 nm脉冲能量：1500mJ/1064nm, 700mJ/1064nm, 420mJ/355nm, 130mJ/266nm脉宽：7ns重复频率：10Hz, 20Hz,30Hz, 50Hz应用：Dye/OPO/OPA甭浦, 激光光谱学，LIF，LIBS，LIPS，PIV，LIDAR ,激光干涉，激光全息等其他: 可以实现双脉冲, 可以加种子(seeder)7 SpitLight2000系列灯泵浦Nd:YAG激光器波长：1064，532，355，266，213 nm脉冲能量：2000mJ/1064nm, 1000mJ/1064nm, 500mJ/355nm, 130mJ/266nm脉宽：7ns重复频率：10Hz, 20Hz,30Hz, 50Hz应用：Dye/OPO/OPA甭浦, 激光光谱学，LIF，LIBS，LIPS，PIV，LIDAR ,激光干涉，激光全息等其他: 可以实现双脉冲, 可以加种子(seeder）8 SpitLight-Hybrid系列DPL振荡,灯泵浦放大Nd:YAG激光器波长：1064，532，355，266，213 nm脉冲能量：250-800mJ/1064nm,脉宽：7ns重复频率：0-200Hz应用：Dye/OPO/OPA甭浦, 激光光谱学，LIF，LIBS，LIPS，PIV，LIDAR ,激光干涉，激光全息等其他: 可以实现双脉冲, 可以加种子(seeder)9 SpitLight-DPSS系列全半导体泵浦Q-Switch Nd:YAG激光器波长：1064，532，355，266，213 nm脉冲能量：3mJ, 10mJ, 100mJ, 250mJ ，500mJ,1000mJ(1064nm)脉宽：7-10ns重复频率：0-200Hz应用：Dye/OPO/OPA甭浦, 激光光谱学，LIF，LIBS，LIPS，PIV，LIDAR ,激光干涉，激光全息等其他: 可以实现双脉冲, 可以加种子(seeder)10 YM-R1000/2000系列波长：1064，532，355，266nm脉冲能量：2000mJ/1064, 130mJ/ 266nm脉宽：9ns重复频率：10Hz, 20Hz, 50Hz应用：Dye/OPO/OPA甭浦, 激光光谱学，LIF，LIBS，LIPS，PIV，激光干涉，激光全息，脉冲激光沉积镀膜等其他: 可以实现双脉冲, 可以加种子(seeder)11 HLS-R 系列红宝石激光器波长：694.3nm脉冲能量：1000mJ ,500mJ/双脉冲脉宽：30ns重复频率：0-4Hz应用：激光光谱学，LIF，LIBS，LIPS，PIV，Dye/OPO 甭浦，激光干涉，激光全息等.12 AML系列主动锁模皮秒激光器波长：1064nm脉冲能量：10mJ, 100mJ, 1000mJ脉宽：100-600ps(可调)重复频率：0-20Hz应用：激光光谱学，LIF，LIBS，LIPS，PIV，Dye/OPO 甭浦，激光干涉，激光全息等.。
YAG系列晶体
尺寸：按需求提供体。
5、Tm、Ho：YAG晶体
Ho和Tm激光器有很大的市场潜力。由于Ho和Tm激光输出波长在2微米左右，与水的吸收峰相接近，有极好的对人体组织切割和凝血效果，可以用普通光纤传输，是理想的手术激光光源。人体组织对2μm激光吸收率高，几乎比Hd:YAG高3个数量级。所以用Ho:YAG激光器进行医疗手术时，不但可以提高手术效率和精度，而且可使热损伤区域减至更小。钬晶体产生的自由光束可消除脂肪而不会产生过大的热量，从而减少对健康组织产生的热损伤，据报道美国用钬激光治疗青光眼，可以减少患者手术的痛苦。美国已批准20多种2微米激光在医疗临床使用。可治疗多种疾病。2微米激光对人眼安全，大气穿透好，可作为激光雷达光源，其综合性能优于Nd：YAG和CO2激光器。
4、Er：YAG晶体
Er：YAG激光波长为2.94微米，此波段激光较之二氧化碳激光的10.6微米更易被水、Ca、P等所吸收，多用于切开、切除多水份的身体软组织及骨切开术，性能大大优于二氧化碳激光刀。目前较多研究治疗牙周病及利用Er:YAG激光器代替高速涡轮牙钻，实施对牙体硬组织的切割等，这方面有应用前景可作关节游离体摘除、炎性滑膜摘除、半月板切除、经皮穿刺椎间盘减压术等。Er浓度为50at.％，能提供F1-10(D) ´ 10-120（L）mm的激光棒和各种板条元件。
二、钛宝石激光晶体
钛宝石（Ti：sapphire，Ti3＋：Al2O3）是当今最优秀的可调谐激光晶体，调谐带宽：660nm~1100nm，吸收带位于400~600nm，峰值吸收在490nm附近。表征晶体质量除按光学晶体要求外，一个重要的指标是晶体的品质因素（figure of merit,简称FOM）。FOM定义为：FOM=α490∏/α800∏，α490∏、α800∏分别表示晶体在490nm和800nm对∏偏振光的吸收系数。
实验八 脉冲式灯泵浦YAG激光器被动调Q实验
实验八脉冲式灯泵浦YAG激光器被动调Q实验实验目的（1）掌握被动调Q Y AG激光器的工作原理与调试方法。
（2）测量脉冲与连续泵浦Y AG激光器的静态输出特性。
（3）分析被动调Q率被动调Q Y AG激光器的动态输出特性。
（4）在被动调Q理论分析的基础上，通过实验研究，针对相应的运转条件和应用需求，设计被动调Q Y AG激光器的光学参数。
实验原理1．固体Nd:Y AG激光器的工作原理。
（1）Nd:Y AG晶体的性质Nd3+:YAG是以三阶钕（Nd3+）离子部分取代Y3Al45O12晶体中Y3+离子的激光工作物质，称为掺钕钇铝石榴石（简称Nd3+:YAG）。
它以Nd3+离子作为激活粒子。
图8-1给出了Nd3+:YAG晶体中Nd3+离子的与激光产生过程有关的能级图。
处于基态4I9/2的钕离子吸收光泵发射的相应波长的光子能量后跃迁到4I5/2，2H9/2和4F7/2，4S3/2能级（吸收带的中心波长是810nm和750nm，带宽为30nm），然后几乎全部通过无辐射跃迁迅速降落到4F3/2能级。
4F3/2能级是一个寿命为0.23ms的亚稳态能级。
处于4F3/2能级的Nd3+离子可以向多个较低能级跃迁并产生辐射，其中几率最大的是4F3/2至4I11/2的跃迁（波长为1064nm）。
图8-1 Nd3+:YAG激光的激发机理（2）静态运转特性分析（a）脉冲运转→驰豫振荡（尖峰效应）暂态过程。
（b）连续运转→阈值条件（增益饱和）稳态过程。
按“激光原理与技术”中有关章节的分析，结合实验得出：仅仅依靠增加泵浦能量与功率，不能获得窄脉宽，高峰值功率的激光脉冲的结论。
2．Cr:YAG饱和吸收被动调Q原理自饱和被动式调Q激光器由于器件结构简单，对激光器无电磁干扰，应用十分广泛，但由于通常的染料调Q介质，导热率极低，使其应用范围受到局限，只能用于低重复率的脉冲调Q激光器中。
近年来，由于激光晶体技术的进步，我国已生产出可用于高重复率调Q的多掺Y AG晶片，制成了被动式的Q开关器件，兼备声光和染料调Q的长处，在激光医疗、激光打标和非线性光学等领域获得广泛的应用。
泵浦Nd：YAG激光器讲解
LD 侧面泵浦Nd ：YAG 激光器的研究摘要介绍了YAG 晶体的性质以及与其他类似晶体的比较，介绍了固体激光器泵浦的两种方式:端面泵浦和侧面泵浦，并主要分析了侧面泵浦的优点。
设计和分析了一种侧面泵浦结构的固体激光器，通过选取合适激光晶体（Nd ：YAG 晶体），进行侧面泵浦。
在泵浦光反向冷却套侧壁镀高反射金膜，使激光棒侧向均匀泵浦，实现低阶膜输出。
对激光二极管侧面泵浦Nd ∶YAG 激光器的热效应进行了分析，通过热传导方程的推导和分析，得出YAG 晶体内的温度分布情况，以及对各种可能的结果进行了数值模拟和分析，得到了一些影响YAG 晶体内的温度分布的因素。
关键词：固体激光器；LD 侧面泵浦；Nd ：YAG 晶体；热效应The Study on LD Side-pumped Nd ：YAG LaserAbstractDescribed the nature of the YAG crystal and other similar comparison of crystal, introduced a solid-state laser pumped in two ways: end-pumped and side-pumped. And the main analysis of the advantages is on side-pumped. Design and analyse a side-pumped solid-state laser. By choosing a suitable laser crystal (Nd: YAG crystal, For side-pumped. In the reverse cooling pump sets highly reflective gold-plated wall membrane, So that the lateral uniformity of the laser rod pumped to achieve low film output. Of the laser diode side-pumped Nd: YAG laser thermal effects are analyzed. Heat conduction equation through the derivation and analysis within the YAG crystal temperature distribution, As well as the range of possible outcomes of a numerical simulation and analysis, have been some impact on the temperature inside the YAG crystal is a factor.Key words：solid state laser ; LD side-pump; Nd：YAG crystal ；Thermal effect目录摘要 0ABSTRACT (1)1 绪论 (3)2 激光器 (4)2.1 激光器简介 (4)2.1.1 什么是激光器 (4)2.1.2 激光器工作原理 (4)2.1.3 激光工作物质 (4)2.1.4 激励(泵浦系统 (5)2.1.5 光学共振腔 (5)2．2 固体激光器 (5)2.2.1 什么是固体激光器 (5)2.2.2 Nd:YAG晶体 (6)2.2.3 ND：YAG 激光器 (7)2.3 LD 泵浦固体激光器 . (7)2.3.1 LD泵浦固体激光器的优点 (7)2.3.2 侧面泵浦 (8)2.3.3 LD泵浦固体激光器的发展状况 (9)3 LD侧面泵浦ND ：YAG 激光器 (10)3.1 LD 侧面泵浦N D :YAG激光器的设计与分析 . (10)3.1.1 阵列管泵浦源结构分析 (10)3.1.2 激光晶体棒选取 (10)3.1.3 聚光结构设计 (12)3.2 模拟分析与推导 (12)3.2.1 泵浦高斯光强修正 (12)3.2.2 热传导方程与温度场 (13)3.2.3 激光棒内的温度分布 (13)3.2.4 激光棒内的热应力和热应力双折射 (14)3.3 讨论 (17)4 总结 (18)致谢 . (18)参考文献 (19)1 绪论世界上第一个激光器的成功演示距今已经40多年了。
yag激光器工作原理
yag激光器工作原理YAG激光器工作原理激光器是一种能够产生高度聚焦、单色、相干光的装置。
YAG激光器是其中一种常见的激光器类型，它采用了YAG（氧化铝镱）晶体作为激活介质，通过光泵浦的方式来产生激光。
YAG晶体是一种具有优良光学性质的晶体材料，其化学式为Y3Al5O12。
由于其晶体结构的特殊性质，YAG晶体能够有效地将能量转换为激光光子。
在YAG激光器中，通常使用Nd：YAG晶体，其中掺杂了少量的钕元素（Nd）。
YAG激光器的工作原理可以分为三个主要步骤：光泵浦、激活和放大。
首先是光泵浦阶段。
为了激活YAG晶体并使其产生激光，需要通过外部能量的输入来激发晶体中的电子。
这个过程称为光泵浦。
常见的光泵浦方式有闪光灯泵浦和半导体泵浦。
其中，闪光灯泵浦使用强光闪光灯照射晶体，而半导体泵浦则通过电流通过半导体材料来产生激光。
接下来是激活阶段。
在光泵浦的作用下，部分YAG晶体内的钕元素被激发并跃迁到激发态。
这个跃迁过程是通过吸收外部能量使得钕元素内的电子从基态跃迁到激发态。
在激发态，钕元素的电子处于高能量状态并具有较长的寿命。
最后是放大阶段。
在激发态的钕元素中，电子会经历自发辐射的过程，从而跃迁回基态并释放出激光光子。
这些光子会引起其他的激发态钕元素的辐射跃迁，从而产生更多的激光光子。
通过在YAG晶体两端放置一个半透镜，可以实现激光的放大。
这是因为激光光子在晶体中来回反射，同时受到透镜的聚焦，从而形成高强度的激光束。
总结起来，YAG激光器的工作原理是通过光泵浦将外部能量输入到YAG晶体中，激发其中的钕元素，使其产生激光。
通过在晶体两端放置透镜，可以实现激光的放大。
YAG激光器由于其稳定性和可靠性，在医学、工业、科研等领域得到了广泛的应用。
YAG激光器的研究
高能量输出的皮秒Nd:YAG激光器的研究王加贤,张文珍(华侨大学信息科学与工程学院,福建泉州362011)摘要:分别研究了2种闪光灯泵浦的高能量输出的皮秒Nd:YAG激光器一种是r4+:YAG晶体作为可饱和吸收体,在强光作用下r4+:YAG的激发态吸收导致了激光器的被动锁模,获得能量25mJ~脉宽150ps的单脉冲序列,并从速率方程导出r4+:YAG激发态吸收的可饱和光强和小信号吸收系数;另一种是在折叠腔激光器内插入LiF:F-2晶体作为调0器件~S2作为克尔自聚焦介质,利用自聚焦和腔内合适位置的光阑相结合形成的克尔透镜效应,实现激光器在调0包络下的锁模运转,输出激光能量达15mJ~脉宽为80ps关键词:r4+:YAG;LiF:F-2;Nd:YAG激光器;被动锁模;克尔透镜效应中图分类号:TN248.1文献标识码:A文章编号:1005-0086(2003)02-0127-04 InVestigation of a Picosecond Nd:YAG Laser with High Output Energy WANG Jia-xian,ZHANG Wen-Zhen(Ollege Of infOrmatiOn Science8Engineering,HuagiaO university,OuanZhOu362011,hina) Abstract:TWO ki n ds O f fl ash l amp-pumped pi c O sec O n d N d:YAG l aser s W i th h i gh O u tpu t en er gy W er e i n-vesti gated r especti vel y.Fi r stl y,Cr4+:YAG cr ystal W as u sed as a satu r abl e abs O r ber.T h e exci ted-state abs O r pti O n satu r ati O n O f th e Cr4+:YAG cr ystal u n der th e acti O n O f str O n g l aser pu l ses r esu l ts i n th e pas-si ve m O de-l O cki n g O per ati O n O f th e N d:YAG l aser.A si n gl e pu l se tr ai n W i th th e en er gy O f25m an d th e pul se dur ati O n O f150ps W as O btai n ed.T h e satu r abl e l i gh t i n ten si ty an d th e smal l-si gn al abs O r pti O n c O ef-fi ci en t f O r th e exci ted-state abs O r pti O n O f Cr4+:YAG cr ystal W er e th e O r eti cal l y dedu ced fr O m th e r ate e-cuati O n s.Sec O n dl y,Li F:F-2cr ystal W as i n ser ted i n th e f O l ded cavi ty as a O-s W i tch devi ce an d CS2W as used as a ker r-sel f-f O cu si n g medi u m.T h e m O de-l O cki n g i n a O-s W i tch ed en vel O pe O f th e N d:YAG l aser W as r eal i zed usi n g th e ker r-l en s effect f O r med i n c O mbi n ati O n W i th sel f-f O cu si n g an d an aper tu r e at a speci fi c si te i n th e cavi ty.T h e O u tpu t en er gy an d pu l se dur ati O n ar e15m an d80ps r especti vel y.K ey words:Cr4+:YAG;Li F:F-2;N d:YAG l aser;passi vel y m O de-l O cki n g;ker r-l en s effect1引言尽管以Ti:sapphire为代表的克尔透镜锁模飞秒激光器近年来发展迅速,但大量闪光灯泵浦的Nd:YAG被动锁模皮秒激光器由于输出能量高,在激光加工~激光医疗和激光检测等方面有着重要应用,所以仍然受到很大的重视传统上,人们一直采用有机染料,如K Oda k NO.9860~五甲川和十一甲川作为可饱和吸收体,对闪光灯泵浦的脉冲式Nd:YAG激光器进行被动锁模虽然有机染料饱和吸收的恢复时间短,可以获得几10ps的激光脉冲输出,但具有使用不方便~稳定性能差和不能使激光器全固化等缺点本文报道分别采用r4+:YAG和LiF:F-2作为可饱和吸收体,实现闪光灯泵浦的Nd:YAG激光器的锁模运转,获得高能量的皮秒激光脉冲输出,并且分析2种情况下的锁模机理和激光器的运转特性2C r4+:YAG实现激光器的被动锁模2.1锁模机理r4+:YAG的能级结构和主要跃迁过程如图1光电子激光第14卷第2期2003年2月Journal of o ptoelectronics laser Ol.14NO.2Fe.2003收稿日期:2002-08-28修订日期:2002-11-11基金项目:福建省自然科学基金资助项目(A0010018);国务院侨办科研基金资助项目(02OZ04)所示[1]G对1.06pm激光入射存在着3A2到3T2的基态吸收和3T2到3T1的激发态吸收基态和激发态的吸收截面分别为og=8.7 10-19cm2和oe=2.210-19cm2室温下第一激发态3T2和第二激发态3T1的弛豫时间分别为3.4ps和50ps[2]G由于基态饱和吸收的恢复时间相当长所以基态的饱和吸收只能调0[3~4]而不能实现被动锁模G作者认为若作用在Cr4+,YAG上的激光功率密度足够大Cr4+,YAG的激发态饱和吸收可以导致被动锁模G这个过程可描述为,激光振荡开始后基态的Cr4+首先被激发到3T2能级经过一段时间(ps量级)基态吸收达到饱和0开关打开腔内光强迅速增大处于3T2的Cr4+受激吸收跃迁到3T1经过50ps的弛豫时间又返回到3T2能级G Cr4+在3T2与3T1之间跃迁其效果造成对调0脉冲进行调制G在0开关打开后基态被抽空Cr4+基本分布在3T2和3T1能级可得到3T1和3T2能级上的Cr4+数密度N3~N2的变化率方程和晶体内激光光强随传播距离的变化分别为8N3 8t =N2o e1hU-N3z38N28t=-N2o e1hU+N3z3(1) d1dx=-1o e N2(2)式中hU为1.06pm激光的光子能量;z3=50ps为3T1能级的弛豫时间G把稳态条件8N3/8t=8N2/8t= 0及近似条件N0=N3+N2(N0为晶体中总的Cr4+数密度)代入(1)-(2)式可以解出Cr4+,YAG晶体激发态吸收的吸收系数为图1Cr4+,YAG能级图Fig.1Schematic energy level diagram of Cr4+,YAGa=-d11dx=o e N01+1o e z3/hU=a01+1/1S(3)可见a0=o e N0是Cr4+,YAG晶体激发态吸收的小信号吸收系数;1s=hU/o e z3是激发态吸收的饱和光强G由于3T1的驰豫时间(50ps)远远小于光脉冲在腔内的往返时间(ns量级)所以只要Cr4+,YAG 中的1.06pm激光光强达到激发态吸收的饱和光强Cr4+,YAG就可起到快饱和吸收体的作用在Nd,YAG激光器中实现被动锁模G2.2实验装置和实验结果实验装置如图2所示采用平凹腔结构M1是曲率半径R1=300cm的全反射凹面镜M2是全反射平面镜M3是反射率15的平面输出镜G直径3.5 mm~长度60nm的Nd,YAG棒用2根脉冲氙灯泵浦工作重复率为1~Z G通光长度2mm~小信号透过率60的Cr4+,YAG晶体用In膜包裹装在Cu套内通循环水冷却并紧靠M2镜放置这样有利于脉冲反射前沿和入射后沿在Cr4+,YAG中重叠以增加作用在Cr4+,YAG上的激光功率密度使Cr4+, YAG的激发态吸收达到或接近饱和G输出激光由快速光电探测器接收并输入到400M~Z存储示波器上观察脉冲波形用非共线自相关二次谐波法测定脉冲宽度用PT-1型激光能量计测量输出能量G实验中沿光轴方向移动凹面镜以改变腔长当腔长较小时(小于100cm)激光器运转在调0状态;随着腔长的增加调0脉冲中出现调制而且调制深度随着腔长的增加而加深G当腔长调整约为140cm时示波器上观察到稳定的锁模脉冲如图3所示G测得输出能量为25mJ~平均脉宽为150ps G实验结果表明较大的腔长是实现激光器锁模的关键因素G这是因为采用长腔可以使Cr4+,YAG上的光束半径减小激光功率密度增加;而且可以使锁图2被动锁模Nd,YAG激光器实验装置Fig.2E x p erimental s et u p of p a s s ivelymode-loc k ed Nd,YAG la ser图3锁模脉冲波形Fig.3O s cillogram of mode-loc k ed p u l s e train821光电子激光2003年第14卷定的纵模数增多9有利于锁模脉冲的形成~脉宽的压缩和激光峰值功率的提高0这样9C 4+,YAG 上的激光光强可以达到激发态吸收的饱和光强9从而实现被动锁模03利用克尔透镜效应实现激光器的锁模运转自上世纪90年代以来9理论和实验上大量研究了连续泵浦的固体激光器的克尔透镜锁模9获得飞秒激光脉冲输出0近年来9也有人研究在闪光灯泵浦的主动锁模激光器中插入非线性介质9利用克尔透镜效应增强锁模进程9大幅度压缩脉冲宽度[5 6]0我们研究了在脉冲式Nd ,YAG 激光器中9用LiF ,F -2作为调0器件9实现调0包络下的克尔透镜锁模03.1实验装置和实验结果实验装置如图4所示0其中9M 1是全反射平面镜;M 2~M 3是曲率半径20Om 的全反射凹面镜;M 4是透过率15%的平面输出镜;SA 是LiF ,F -2晶体;D是作为克尔介质的CS 2(其非线性系数n 2=1.4>10-16Om 2/V )9厚度2mm 9以布氏角放置;F 是可变光阑0选取M 1与M 2的距离等于M 3与M 4的距离9约为65Om 9M 2与M 3的距离约为20Om 9总的腔长约为150Om 0调整激光器9特别是精细调整M 2与M 3的距离9示波器上观察到的锁模脉冲与图3相似9测得输出能量为15mJ ~平均脉宽为80PS 0实验中若把克尔介质移去9重新调整激光器后却得不到锁模脉冲9这说明了克尔透镜效应的作用0进一步优化激光器的参数9可望得到更窄的脉冲图4Nd ,YAG 克尔透镜锁模激光器Fig .4Experimental setup of kerr -lens mode -locked Nd ,YAG laser3.2理论分析在本实验装置中9LiF ,F -2晶体对1.06pm 激光的饱和吸收只能调09而不能直接实现被动锁模9这点从LiF ,F -2的能级结构图(图5)可清楚地看出[7]LiF ,F -2的吸收峰在0.96pm 处9半宽度约为0.15pm 0很明显9它和Nd 3+的发射谱相重叠9在强光作用下出现可饱和吸收9其作用类似于染料分子0能级4-3是无辐射跃迁9弛豫时间T 4 10-12S ;能级3-2是辐射跃迁9亚稳态寿命T 3 10-7S ;能级2-1是快速弛豫过程9T 2 10-10S 0由于亚稳态寿命较长9导致了F -2基态饱和吸收的恢复时间(约10-7S )远大于腔的渡越时间(10-8S )9所以LiF ,F -2晶体的饱和吸收只能调09而不能直接实现被动锁模0但是9利用LiF ,F -2的调0作用9在结构合适的谐振腔中插入非线性系数高的CS 29借助于克尔透镜效应9可以实现激光器的锁模运转0其过程为,当激光器振荡后9LiF ,F -2起到调0作用9腔内光强迅速增加9克尔介质上的激光功率密度很大9引起了光束的自聚焦0自聚焦与光阑相结合形成了克尔透镜效应9即锁模脉冲受到与光强有关的自振幅调制9脉冲中部功率大9光束半径小9损耗低;而脉冲前后沿功率小9光束半径大9损耗高0这种机制相当于快饱和吸收体9从而实现Nd ,YAG 激光器在调0包络下的锁模运转图5LiF ,F -2能级图Fig .5Schematic energy leVel diagram of LiF ,F -24结束语采用C 4+,YAG 和LiF ,F -2作为可饱和吸收体9分别实现闪光灯泵浦的Nd ,YAG 激光器的锁模运转9获得高能量输出的皮秒脉冲02种情况下的锁模机制有所不同9前者是通过C 4+,YAG 的激发态饱和吸收实现被动锁模9后者是在LiF ,F -2晶体的调0下9利用克尔透镜效应使激光器实现锁模运转0参考文献,[1]A Sen n ar ogl u 9C R Pol l ock .Effi ci en t co n ti n u ou s -W a v e ch r omi u m -dop e d Y A G l a s er [J ].J .Opt .Soc .Am (B )91995912(5),930-937.[2]Y S h i mo n y 9Z Bu r sh t e i m 9Y K a l i sky .C r4+,Y A G a s p a s-si v e O -sWi tch an d B r e Wst er pl a t e i n a pu l s e d N d ,Y A G l a s er [J ].IEEE J .Ouontum Electron 919959O -E 31(10),1738-1741.[3]Ouy an g Bi n 9Di n g Y an h u a 9W an Xi a ok e 9et ol .Sa tu r a bl e-921-第2期王加贤等,高能量输出的皮秒Nd,YAG 激光器的研究absOr pti On Of Cr4+:YAG an d i ts per fOr man ce as O-sWi tch es[J].Acto Optico Sinico(光学学报)1996 16(12):1665-1670.(i n Ch i n ese)[4]ZHU Ch an g-h On g Ll Zh en g-j i a ZHOU Hai et ol.Th eO-r eti cal an d exper i men tal r esear ch es On r epeti ti On r ate Of pul se Wi th passi ve Or sel f-O-sWi tch ed l aser[J].Jour-nol of optoelectronics-Loser(光电子-激光)200112(8):802-805.(i n Ch i n ese)[5]M Letten ber ger K WOl fr u m.Opti mi zed ker r l en s mOde-l Ocki n g Of a pul sed N d:K GW l aser[J]mun.1996 131:295-300.[6]JOOn Ch u n g A E si egman.Opti cal-ker r-en h an ced mOdel Ocki n g Of a l amp-pu mped N d:YAG l aser[J].IEEE J.Ouontum Electron1995 0-E31(3):582-590.[7]ZHAN G Guan g-r On g MU R On g-pi n g R EN Ji an-pi n g etol.study On Li!:!"2cr ystal O-sWi tch ch ar acter i sti cs [J].Loser Journol(激光杂志)1987 #(6):358-361.(i n Ch i n ese)作者简介:王加贤(1955")男教授1999年毕业于天津大学光学工程专业获博士学位从事固体激光器件和超短光脉冲的研究工作已发表论文40多篇.-031-光电子-激光2003年第14卷。
5-灯泵YAG激光器综合实验
引言 本实验装置采用具有连续光谱的闪光灯照射 Nd3+：YAG 晶体，Nd 离子就从基态 E1 跃迁至
激发态 E4 的一系列能级，其中最低的两个能级为 F4 5/2 和 4F7/2，相应于中心波长为 0.81μm 和 0.75μm 的两个光谱吸收带。由于 E4 的寿命仅约为 1ns，所以受激的 Nd3+离子绝大部分都经 过无辐射跃迁转移到了 E3 态。E3 是一个亚稳态，寿命长达 250—500μs，很容易获得粒子数 积累。E2 态的寿命为 50ns，即使有粒子处在 E2，也会很快地弛豫到 E1。因此，相对 E3 而言， E2 态上几乎没有粒子。这样，就在 E3 和 E2 之间造成了粒子数反转。正是 E3—E2 的受激辐射 在激光谐振腔中得到增益而形成了激光，其波长为 1.064μm。只要泵浦光存在，Nd3+离子的 能态就总是处在 E1—E4 一 E3 一 E2 一 E1 的循环之中，这是一个典型的四能级系统。
用不同的方法去控制不同的损耗，就形成了不同的调 Q 技术。 有转镜调 Q 技术，电光 调 Q 技术、可饱和染料调 Q 技术、声光调 Q 技术、透射式调 Q 技术。
本实验以电光 Q 开关激光器的原理、调整、特性测试为主要内容。利用晶体的电光效应 制成的 Q 开关，具有开关速度快；所获得激光脉冲峰值功率高，可达几 Mw 至 Gw，脉冲宽度 窄，一般可达 ns 至几十 ns,器件的效率高，可达动态效率 1％，器件输出功率稳定性较好， 产生激光时间控制程度度高，便于与其它仪器联动，器件可以在高重复频率下工作等优点．所 以这是一种已获广泛应用的 Q 开关。
表 1 激光器静态和动态输出输电压（V）静态输出（mJ）
动态输出（mJ）
500
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闪光灯泵浦的脉冲Nd:YAG固体激光器
固体激光器普遍采用光激励方式将处于基态的粒子抽运到激发态，以形成集居数反转状态。
光激励又可分为气体放电灯激励和半导体激光器激励两种方式。
Nd:YAG激光器是固体激光器的一种，我们实验室应用的是用闪光灯泵浦脉冲氙灯作为激励源。
Nd:YAG晶体是迄今为止公认的激光性能最好，应用最广泛的激光晶体。
闪光灯泵浦的固体激光器的优势,如制造简单、操作方便、价格低廉等。
激光器主要由两部分组成一部分是振荡器一部分是放大器。
固体激光振荡器的结构简图
在Nd:YAG激光器中
工作物质是：掺钕的钇铝石榴石(Nd3 + : YAG)晶体
激光的特性主要取决于钕离子的特性。
钕离子为四能级系统。
聚光腔：
为了提高泵浦效率，使泵浦灯发出的光能有效地会聚，并均匀的照射在工作物质上，可在激光棒和泵浦灯外增加一个聚光腔。
聚光腔给泵浦光源和工作物质之间提供良好藕合，合理设计聚光腔是决定固体激光器工作性能的重要条件之一。
使用最多的聚光腔是一种内表面具有高反射率椭圆柱体，激光棒和泵浦灯分别配置在椭圆柱的两条交线上。
泵浦源：
主要目的是将电能有效地转换成辐射能，并在给定的光谱带上产生高的辐射通量。
脉冲Nd:YAG激光器用脉冲氙灯泵浦，因为它能在给定的输入电能下比其他气体产生更高的辐射输出，但是，低能量泵浦的Nd:YAG激光器，有时是采用充氪的直管闪光的泵浦。
激光器泵浦用的闪光灯基本上属于长弧器件设计，等离子体充满整个灯管。
闪光灯是由直管状或螺旋状石英管，两个封入石英管的电极及填充气体组成。
（大部分弧光灯用纯钨作阳极和含社2%社钨作阴极，或者以社钨作阳极而用浸渍了铝酸银钡的压制成的多孔钨作阴极。
闪光灯的灯管及电极封接处通常采用自然或强迫风冷，或者用水、水与乙醇的混合物、氟化碳氢化合物等液体冷却。
最有效的是采用带有石英套管的液体冷却直管闪光灯，它能以高速的冷却液湍流对灯进行冷却。
谐振腔：
激光谐振腔是由两块平面或球面反射镜按一定方式组合而成的。
其中一个端面是全反射膜片，另一个端面是具有一定透过率的部分反射膜片。
谐振腔是决定激光输出功率、振荡模式、发散角等激光输出参数的重要光学器件。
（固体激光器的谐振腔膜片，一般都是通过在玻璃基片上镀多层介质膜得到的。
介质膜的层数越多，反射率越高）另外，冷却与滤光系统是激光器中必不可少的辅助装置。
其作用是防止聚光腔级内部元件温升过高，并减小泵浦灯中紫外辐射对工作物质的有害影响。
激光振荡器——放大器结构示意图在振荡器——放大器系统中，脉宽、光束发散角和光谱宽度主要取决于谐振腔，而脉冲能量和功率则由放大器决定。
振荡器在运行时若输出的能量较低，就会减小光束发散角，并使光谱宽度变窄。
因此，振荡器——放大系统与单独的振荡器相比，其输出的能量较高：或者在输出的光束的能量相同时，光束发散角减小、谱线宽度变窄。
给激光振荡器添加放大器的目的，就是增大输出光束的亮度。
激光放大器有多种分类方法，按所用放大器级数不同可分为单级放大和多级放大，我们实验室应用的是二级放大。