電子08-2-20朱林光電子課程設(shè)計(jì)

1、家猶石油曇陀襦程筱針< 程院 系專迪班級(jí)#或就名轡或醪號(hào)蕪電&牧*衷砒課程菽討信瘢激免器設(shè)針電&科皆喙浣電孑08-2班果林080901240220指導(dǎo)教師2012弄 3月 1日東北石油大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課程 光電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)題h 倍頻激光器的設(shè)計(jì)專業(yè) 電子科學(xué)與技術(shù)姓名朱林_學(xué)號(hào)080901240220主要內(nèi)容、基木要求、主要參考資料等1、主要內(nèi)容設(shè)計(jì)一臺(tái)腔內(nèi)倍頻或者腔外倍頻的激光器，并分析其影響轉(zhuǎn)換效率的因素。2、基本要求在論文中分析倍頻激光器的工作原理，并分析其滿足和位匹配的條件。3、主要參考資料1 馬養(yǎng)武，王靜環(huán),包成芳光電子學(xué)m浙江大學(xué)出版社，2003.2

2、藍(lán)信柜.激光技術(shù)m,北京:科學(xué)出版社,2000.完成期限2012227 2012.3.2指導(dǎo)教師專業(yè)負(fù)責(zé)人第1章概述ld泵浦全固態(tài)激光器從二十世紀(jì)八十年代以來獲得長足的進(jìn)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應(yīng)用，一直以來就是人們研究的熱點(diǎn)。在被動(dòng)調(diào)q理論的指導(dǎo)下，充分考慮了被動(dòng)調(diào)q晶體cr: yag的激發(fā)態(tài)吸收效應(yīng)對(duì)脈 沖激光黠性能的影響，degnan的被動(dòng)調(diào)q優(yōu)化理論，直接給出了優(yōu)化設(shè)計(jì)過程屮 我們最關(guān)心的被動(dòng)調(diào)q品體的小信號(hào)透過率與輸出耦合鏡的透過率關(guān)系，簡化了設(shè)計(jì)程 序。在高斯光束倍頻理論的指導(dǎo)下，改進(jìn)了傳統(tǒng)的聚焦方式，使結(jié)構(gòu)更為緊湊下，獲得了 更高的紫外功率輸出，并

3、且該結(jié)構(gòu)可同時(shí)滿足三倍頻，四倍頻的要求。在連續(xù)紫外的研究 中，充分考慮到激光器輸出鏡的最佳透過率與倍頻轉(zhuǎn)換效率z間的關(guān)系，詳細(xì)了計(jì)算了一 定泵浦功率時(shí)的輸出鏡最佳透過率，并由此優(yōu)化倍頻晶體長度。設(shè)計(jì)了一臺(tái)高性能的脈沖1064nm紅外激光器，單脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)，在輸入泵浦為14. 5w的 時(shí)候，峰值功率高達(dá)10kw以上、脈寬10ns、脈沖能量為100 nj月.脈沖序列穩(wěn)定，單脈 沖輸出。腔外一次聚焦，兩次頻率變換,獲得了 340mw的355nm脈沖輸出,290mw的266nm 脈沖輸出，均為同等情況下國內(nèi)所見報(bào)道的最好結(jié)果。釆用簡單的兩鏡腔結(jié)構(gòu)，將二倍頻、三倍頻頻率變換晶體同時(shí)放在腔內(nèi)，還實(shí)現(xiàn)了 355

4、nm連續(xù)激光的輸出,在泵浦功率為56w的時(shí)候,輸出功率高達(dá)15mwo第2章非線性晶體的選取及光束最佳聚焦2.1倍頻器件工作原理圖12-2借頻晶體折射率橢球及通光方向示意圖由于晶體屮存在色散現(xiàn)彖，所以在倍頻晶體屮的通光方向上，基頻光與倍頻光所經(jīng)歷 的折射率與®“是不同的。圖12-3給出了一個(gè)單軸品體的色散及1064nm倍頻匹配點(diǎn)的 折射率關(guān)系曲線。xpu-工x(pm)圖12-3單軸品體色散曲線及倍頻原理示意圖 圖12-3中的實(shí)線代表了尋常光的折射率，點(diǎn)劃線代表了非常光的折射率，中間的點(diǎn) 線則代表了非常光在改變?nèi)肷涔饨嵌葧r(shí)得到的折射率。由圖中可以看出，當(dāng)改變晶體小入 射光的角度，中間的非

5、常光折射率曲線隨之變化，在如圖的位置上，可以實(shí)現(xiàn)1064nm的 倍頻。即在特定的通光方向上，532nm的倍頻光與1064nm的基頻光折射率可以實(shí)現(xiàn)相等, 實(shí)現(xiàn)倍頻的相位匹配。對(duì)于雙軸晶體其相位匹配的計(jì)算較為復(fù)雜，這里不詳細(xì)論述。其相位匹配原理都是相 同的。2. 2紫外倍頻晶體的選取要想獲得高功率紫外激光輸出，由上節(jié)頻率變換的效率公式可知，頻率轉(zhuǎn)換晶體的有 效非線性系數(shù)、走離角、接收角、接收帶寬、接收溫度等一系列晶體木身因索至關(guān)重要, 因此我們有必要詳細(xì)的分析晶體的優(yōu)化選取，從而選擇最合適的晶體，實(shí)現(xiàn)頻率的高效變 換。2.2.1二倍頻非線性晶體的選取通過對(duì)摻m3+頻率變換來獲得紫外激光來說，首先

6、就是要將1064nm的紅外輸出轉(zhuǎn)換 為532nm綠光，這一步無論對(duì)三倍頻還是四倍頻來說都至關(guān)重要，但對(duì)1064nm倍頻晶體 的研究已經(jīng)很成熟，有很多的作者在這方面也做了很多的實(shí)驗(yàn)，固我們?cè)诖司筒辉僦貜?fù), 直接給出我們所選用的晶體，ktp(ktiopo4)通光長度為9mm , ii類匹配 (3 = 9°°，0 = 235°)，其詳細(xì)計(jì)算結(jié)果如下表所示：表21 ktp倍頻參數(shù)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章脈沖紫外激光器設(shè)計(jì)3.1被動(dòng)調(diào)q的理論分析在近似的情況下，速率方程是分析激光器性能的最重要的手段，1965年，szabo andstein推導(dǎo)出了被動(dòng)調(diào)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)圖3-1 cr:yag被動(dòng)調(diào)q晶體能級(jí)簡圖當(dāng)用cr: yag作被動(dòng)調(diào)q晶體的

8、時(shí)候，由于其同時(shí)存在基態(tài)和激發(fā)態(tài)吸收(能級(jí)示意 圖如圖3-1所示)，因此我們還必須考慮激發(fā)態(tài)吸收，這時(shí)速率方程變?yōu)椋?6 - 2aigsls - 2aesnesls - (ln(£) + l)'尺 (3.4)dn7(3.5)dtdnesdt=-y(yc(pti dt(3.6)(3.7)(3.8)式屮°為光子數(shù)密度，為激光晶體的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)密度，、化$、"。分別為調(diào)q晶 體基態(tài)、激發(fā)態(tài)、和總的粒子數(shù)密度，/為激光晶體長度，為調(diào)q晶體沿光軸長度，為 激光晶體的受激發(fā)射截面，叭$、6$分別為調(diào)q晶體的基態(tài)和激發(fā)態(tài)吸收截面，/?為輸 出耦合鏡的反射率，乙為未飽和時(shí)腔

9、內(nèi)往返損耗，了為激光晶體的反轉(zhuǎn)衰減因子(發(fā)射一 個(gè)光子導(dǎo)致的激光上能級(jí)的粒子減少數(shù))，兒為飽和吸收體衰減因子(吸收一個(gè)光子導(dǎo)致 飽和吸收體下能級(jí)的粒子減少數(shù)，通常為1),為光在腔內(nèi)傳輸?shù)耐禃r(shí)間，r為諧振腔的光學(xué)長度，c為真空屮光速。(3.5)除以(3. 6)式,我們得(3. 9)這兒，®為激光晶體最初反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度，q定義如下：ay(3. 10)(3. 4)除以(35),且將(3. 7)帶入所的式中得in中+厶+ 2牛丿兒2onl對(duì)(3. 11)式積分得(3. 11)0(“) = * ® - “ - ¥ (i -仏九(i -(工)“)-叫"xi %2&

10、amp;ina)n (3 因此,q脈沖的總能量可表述為如卜形式:、hva. . 1 . _ ,n.t) = -ln()ln() 2oy r n f(3. 13)定義l二厶+ 2乙皿1fomy =.j fom-1(3. 14)(3. 15)其中f0m =玉,為優(yōu)化因子，被用來比較不同的被動(dòng)調(diào)q晶體的優(yōu)越性。 %當(dāng)調(diào)q結(jié)束,光子數(shù)為0,即(3. 12)為0,并用(3.14)、(3. 15)我們獲得調(diào)q結(jié)束時(shí)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的表達(dá)式為ninflsywsnf®(i (y)-1(ln(-) + l)r 7 n宦山)=02ainf(3.16)被動(dòng)調(diào)q激光器中，當(dāng)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度超過最初閾值時(shí)（激光腔往返

11、增益剛好等于往 返損耗），脈沖開始建立，此時(shí)，光子數(shù)為0,且激發(fā)態(tài)光子數(shù)為0,由（3. 4）得2cmj - 2agsn)ls -(ln() + l) = or(3. 17)在等式左邊加上25"&-2入曲$,然后除以厶'，并利用兒的定義，式（3. 17）表述為261j 2o沖g(r)il厶兒l作如下定義.26 訂 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)分別變換為以下形式

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 一兒 _1-u（3.25）當(dāng)血=0時(shí)，光子數(shù)密度達(dá)最大值，由（31）式我們得最大能量時(shí)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)為 dnina + lk261j(3.26)峰值功率為1hval 1ln(-) + l 計(jì)"七ln()-4n0l-(-r山 (3.27)7shval 1= >n(-)max匚a脈沖寬度為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兒®/ 、&1- ® ” 7j y1p我們用格朗日多項(xiàng)式(lagrange multiplier)技術(shù)來決定°值(z值給定)以使脈沖 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)式的限制條件消去我們獲得優(yōu)化z'值，其由。 和&決定。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,我們可以得知優(yōu)化的。滿足以下方程aza,p)-l - pl-cap -a p將(2.31)、(3.32)代入(3. 25)式得 %(ap) = z(ap)-zsopt(q ,q)-1in go(3. 32)(3. 33)(3. 34)將(3. 33)帶入(3. 23)式,我們得'hvaly(3. 35)ms卜亦了(3. 36)i 一嚴(yán)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為快飽和吸收體調(diào)q（即q too）,且z too時(shí)，被動(dòng)調(diào)q所能獲得的 最大脈沖能量ah vl . vh vn.2oy z _（3. 37）中，乙（sq）由下面的方程獲得©（a，" z（sp）zt(ap) = 1 +兀(僅，q)+z；(& ,q(3.38)(3. 39)z3，g 的初值為 z；（/,q）= 1 + x （q ,°）。以z'為變量，q分別取2、3、5、10、100（可近似等于co）,作岀以上各參數(shù)的優(yōu)化值, 如圖3-23-8所示：圖3-2優(yōu)化吸收參數(shù)z；叨隨乙和a的變化圖3-3優(yōu)化耦合參數(shù)兀;円隨z和q的變化圖3-

16、4(a)優(yōu)化情況下如,xopt以l的數(shù)量級(jí)比較圖3.4(b)優(yōu)化情況下w 兀陽以厶的數(shù)量級(jí)比較圖35優(yōu)化對(duì)數(shù)小信號(hào)傳輸與對(duì)數(shù)增益比隨q變化0 1 210i 10.10z=2onjli圖36優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)歸-化能量隨&的變化呂oeaou oe山 sej enerdo.101 .z=2on jliio2圖37優(yōu)化調(diào)q時(shí)提取效率隨z , a的變化圖3-8優(yōu)化調(diào)q吋脈沖寬度隨z，q的變化1(<=os七 un) 一盡管圖3-2到3-8可以很方便的指導(dǎo)我們優(yōu)化被動(dòng)調(diào)q激光器的設(shè)計(jì)，并獲得被動(dòng)調(diào) q激光器的各主要性能參數(shù)，但在實(shí)際設(shè)計(jì)屮，我們最關(guān)心的是被動(dòng)調(diào)q晶體的小信號(hào)透 過率與輸出鏡的透過率之

17、間的直接關(guān)系，以使激光器最佳運(yùn)轉(zhuǎn)，因此我們有必要導(dǎo)出二者 之間的函數(shù)關(guān)系，并畫出二者曲線，以指導(dǎo)被動(dòng)調(diào)q激光器的設(shè)計(jì)。(3.36)由式(3. 19), (3.21), (3. 25)exp("”r)x°pi得:exp(/ - mio；/(3.37)(3.38)(3.39)其曲線如圖3-9到311所示:圖3-9優(yōu)化被動(dòng)調(diào)q吋輸出鏡反射率與被動(dòng)調(diào)q晶體小信號(hào)透過率關(guān)系(l =0.05)圖3-10優(yōu)化被動(dòng)調(diào)q時(shí)輸出鏡反射率與被動(dòng)調(diào)q晶體小信號(hào)透過率關(guān)系(l =0.10)圖3-11優(yōu)化被動(dòng)調(diào)q吋輸出鏡反射率與被動(dòng)調(diào)q晶體小信號(hào)透過率關(guān)系(l=0.23,為本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù))當(dāng)我們選泄被動(dòng)調(diào)

18、q晶體小信號(hào)透過率或輸出鏡反射率的時(shí)候，從圖3-9-3-11,我 們可以直接得出設(shè)計(jì)所需另一參數(shù)，從而使被動(dòng)調(diào)q激光器最佳運(yùn)轉(zhuǎn)。對(duì)于飽和吸收體而言，相當(dāng)于八 情況，因此，以上理論不但作為被動(dòng)調(diào)q的優(yōu) 化設(shè)計(jì)原則，還可以用作主動(dòng)調(diào)q分析。由以上幾幅圖，我們可以很方便的設(shè)計(jì)被動(dòng)調(diào)q激光器，使其基橫摸前提下最佳運(yùn)轉(zhuǎn), 并且快速的得出被動(dòng)調(diào)q激光器的各性能參數(shù)，以與我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較。3. 2被動(dòng)調(diào)q獲得1064nm基頻光的實(shí)驗(yàn)研究下面，我們結(jié)合實(shí)驗(yàn)具體的討論如何利用圖2-8優(yōu)化設(shè)計(jì)被動(dòng)調(diào)q激光器，以及與我 們所獲得的被動(dòng)調(diào)q晶體的小信號(hào)透過率與輸出鏡的最佳透過率的直接關(guān)系圖比較，以實(shí) 現(xiàn)被動(dòng)激光調(diào)

19、q激光器的最佳運(yùn)轉(zhuǎn)。實(shí)驗(yàn)裝置簡圖如圖9所示couplingpower meter圖3-12優(yōu)化被動(dòng)調(diào)q實(shí)驗(yàn)簡圖圖中，ld(laser diode)半導(dǎo)體二極管為泵源，nd: yag為激光晶體，大小為23*5, 1%摻雜，其在1064nm處受激發(fā)射截面b = 2.8x 10,加？，同時(shí)其一面鍍高反膜起到腔鏡 作用，輸出鏡為平面鏡，cr: yag為被動(dòng)調(diào)q晶體，為減少損耗，兩面均鍍基頻光增透膜。 按照調(diào)q激光器的第二閾值理論，cr:yag處基模光斑應(yīng)盡可能小，以降低第二閾值，因 此，我們將cr: yag處緊靠輸出鏡放置（腔內(nèi)束腰處），以減少受光截面，快速起振，優(yōu)化調(diào)q效果。cr:yag的厚厚為1.

20、4mm,小信號(hào)增益為65%,。其他參數(shù)為：基態(tài)吸收截面 % =8.7xlo-|9cm2巒辱艷嗎肝2.2xl0f 3,由-ln（7；） = b加可得摻雜濃 度g = 3.537 x 10lscm 07 * （nd: yag為四能級(jí)系統(tǒng)，二考慮勵(lì)下辱辭子數(shù)以働忑邀遞占腳壽命無限短非輻射躍遷，取"1），/s pom（式屮6s） o,由式（3. 14）,我們可得l = 0.223 ,（腔內(nèi)其他損耗為厶=0.05）,由（3.20）式得 s =2.883,由圖3_2我們獲得z =5.5,從（圖3-3, 3-6, 3-8）,我們可分別獲得,ii耳瘁=2.5, 0=4。曲式（3.21）式,輸出鏡的最

21、佳透過率口“ 一陷=36%,脈沖能量為 e = hv（d/2）2l /2o7max=134 u j （由熱透鏡效應(yīng)決定輸出光斑大小為120um），脈沖寬 度為山/5二8皿，按照理論結(jié)果，理應(yīng)獲得峰值功率為p/t7xl°w。實(shí)驗(yàn)中，充分利用我們手頭所有的輸出鏡（透過率分別為10%, 20%, 25%, 40%）, 我們選取透過率為40%的輸岀鏡。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，理論與實(shí)驗(yàn)較好的符合，實(shí)驗(yàn)和對(duì)理論結(jié)果而言脈沖寬度有所增加, 這主要是我們?cè)谠O(shè)計(jì)中并沒有考慮由于激光晶體中次能級(jí)的熱平衡過程，以及上、下激光 能級(jí)的粒子數(shù)的熱馳豫過程對(duì)脈沖展寬的影響，以及我們輸出鏡的選取與理論的偏羞，導(dǎo) 致峰值

22、偏離理論值較嚴(yán)重。但從數(shù)量級(jí)以及對(duì)實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)意義上來說，這種理論與實(shí)驗(yàn)的 偏差是完全可以接受的。3. 3脈沖綠光實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過前面的被動(dòng)調(diào)q激光器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，我們已經(jīng)獲得了高峰值功率的脈沖紅外 （1064nm）基頻光輸出，但要想獲得高的倍頻效率，由第二章的理論分析可知，還與激光 晶體，激光光束的最佳聚焦有關(guān)，由于ktp在1064nm處高的轉(zhuǎn)換效率，小的走離角，我 們選定ktp為倍頻品體，通光長度為9mm,走離角p = 4.3mrad ,因此其雙折射參數(shù) b = pq叫嚴(yán)/2 = 0.2,由圖3-18我們可以很方便的獲得最佳聚焦參數(shù)§。b圖3-20優(yōu)化聚焦與晶體雙折射參數(shù)的關(guān)系圖出于歹化

23、（其中b二號(hào)k、為共焦參數(shù)），/已知，可得最佳聚焦的束腰半徑大小應(yīng) 為20um,通過對(duì)晶體熱透鏡效應(yīng)的測量，我們獲得輸出鏡處光斑大小大約為120 um,因 此要實(shí)現(xiàn)最佳聚焦，我們應(yīng)將光斑縮小6倍，選用八 em的聚焦透鏡，透鏡并沒有對(duì) 1064nm鍍?cè)鐾改?，將引入一定的插入損耗，將聚焦透鏡緊靠輸出鏡后（輸出鏡為平而鏡, 因此為光束束腰位置，將輸出鏡放在緊靠束腰處，以達(dá)到緊聚焦效果），ktp置于聚焦鏡 后約14mm處，ktp兩而均鍍1064nm> 532nm增透膜，以減少其對(duì)基頻光和倍頻光的損耗, 仔細(xì)調(diào)節(jié)晶體的位置，以實(shí)現(xiàn)最佳角度匹配。綠光（532nm）功率如圖12所示圖3-21綠光功率隨泵浦功率變化第4章總結(jié)在即將離開大學(xué)，走向社會(huì)的時(shí)候，很榮幸能做這樣的一個(gè)課程設(shè)計(jì)，讓我親身體會(huì) 到了一個(gè)具體的工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程，這讓我受益非淺，特別是在今后的t作屮。所以， 我要向在設(shè)計(jì)過程中幫助過我的各位表示感謝。剛開始，在資料的查閱上，老師給了我很大的幫助，告訴我應(yīng)該怎樣去查找，查找什 么樣的資料，理解論文的寫作思路，并用到口己的論文中來，這些對(duì)于我來說，都是非常 有用的。在整個(gè)課程設(shè)計(jì)的過程中，我深深地感覺到老師對(duì)科研事業(yè)的執(zhí)著追求，工作中一絲 不茍的態(tài)度，敏銳的洞察力，不斷追求創(chuàng)新的氣魄，并且老師都很平易