被動(dòng)調(diào)Q激光器輸出特性的控制技術(shù)研究

】７６７ｌ工２密級(jí)＝殷分類號(hào)Ｑ壘圣里⑨萬ＸＩ’ＡＮ如ＴＥＣＨＮＯＬ。Ｇ礱ＩＣＡＬ乒ＵＮＩＶＥ墨碩士學(xué)位論文題目：墊塾塑Ｑ邀堂墨逾當(dāng)塹：墮塑蕉型堇查叢窒吳昊申請(qǐng)學(xué)位學(xué)科：光學(xué)２０１０年５月２８日｝｜｜ＩｌｌｌｌＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＪ；Ｙ１７５０１４３被動(dòng)調(diào)Ｑ激光器輸出特性的控制技術(shù)研究學(xué)科：光學(xué)研究生簽字：昊昊指導(dǎo)教師簽字．孝抗軍摘要近些年激光二極管泵浦的固體激光器已經(jīng)成為國際上新型固體激光器研究和開展的熱點(diǎn)，這與它所具備的壽命長、結(jié)構(gòu)緊湊、工作穩(wěn)定、效率高等優(yōu)點(diǎn)是分不開的。這種激光器的泵浦源采用光譜較窄的半導(dǎo)體激光器，使激光器的整體效率和可靠性得到了大幅度的提高，同時(shí)光束質(zhì)量也得到了極大的改善。因此被稱之為激光史上的一次革命。伴隨著大功率半導(dǎo)體激光器技術(shù)的不斷完善和開展，國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)已經(jīng)轉(zhuǎn)向了高功率二極管泵浦固體激光器?？梢灶A(yù)見高功率二極管泵浦的固體激光器將是國際上開展最快的、最有潛力的新型激光器之一。在激光技術(shù)的應(yīng)用方面，激光雷達(dá)，脈沖激光測距等相關(guān)激光技術(shù)，在調(diào)Ｑ技術(shù)的產(chǎn)生和開展下，都受到了很大的推動(dòng)作用。本論文主要針對(duì)ＬＤ泵浦固體激光器的被動(dòng)調(diào)Ｑ激光器進(jìn)行了研究，總結(jié)了當(dāng)今調(diào)Ｑ激光器的研究現(xiàn)狀和開展，討論了典型的固體激光工作物質(zhì)Ｎｄ３＋：ＹＡＧ晶體連續(xù)工作時(shí)的根本原理，并在此根底上建立了實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，研究了連續(xù)泵浦下激光器的輸出特性：在考慮實(shí)際中可能存在泵浦光離軸的情況下，根據(jù)激光器速率方程理論，從數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面研究了離軸量對(duì)激光器輸出特性的影響；說明隨著離軸量的增加，激光器輸出特性變差。分析比擬了幾種主要的調(diào)Ｑ方式，論述了調(diào)Ｑ激光器的弛豫振蕩理論和Ｃｒ４十：ＹＡＧ晶體的可飽和吸收特性，在此根底上根據(jù)速率方程分析討論了Ｃｒ４＋：ＹＡＧ被動(dòng)調(diào)Ｑ激光器的根本理論。構(gòu)造了端面泵浦的被動(dòng)調(diào)Ｑ激光器實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，對(duì)Ｃｒ４＋：ＹＡＧ被動(dòng)調(diào)Ｑ的Ｎｄ３＋：ＹＡＧ激光器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究；著重研究了泵浦功率、諧振腔長以及輸出鏡透過率等因素對(duì)激光輸出脈沖序列的重復(fù)頻率、脈沖寬度以及輸出功率的影響。根據(jù)被動(dòng)調(diào)Ｑ激光器的工作原理，從理論分析對(duì)被動(dòng)調(diào)Ｑ激光器實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制的可行性，即通過外加的ＬＤ來實(shí)現(xiàn)對(duì)被動(dòng)調(diào)Ｑ激光器輸出脈沖的重復(fù)頻率、脈沖寬度、翻開關(guān)閉時(shí)間等參數(shù)的主動(dòng)控制，并給出三種腔型結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵詞：固體激光器；被動(dòng)調(diào)Ｑ；端面泵浦：Ｃｒ４＋：ＹＡＧＲｅｓｅａｒｃｈｏｆｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｐａｓｓｉｖｅｌｙＱ·－ｓｗｉｔｃｈｅｄｌａｓｅｒｏｕｔｐｕｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓＤｉｓｃｉｐｌｉｎｅ：ＯｐｔｉｃｓＳｔｕｄｅｎｔＳｉｇｎａｔｕｒｅ：襄更幣己彳乙此礎(chǔ)叼ＳｕｐｅｒｖｉｓｏｒＳｉｇｎ枷節(jié)厶眥ｉｐ，１．，ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ，ｈｉｇｈｐｏｗｅｒｄｉｏｄｅｐｕｍｐｉｎｇｓｏｌｉｄ—ｓｔａｔｅｌａｓｅｒｓｈａｖｅｂｅｃｏｍｅａｈｏｔｓｐｏｔｆｏｒｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｎｅｗｔｙｐｅｏｆｓｏｌｉｄ—ｓｔａｔｅｌａｓｅｒｆｏｒｔｈｅｉｒａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｕｎｉｑｕｅｍｅｒｉｔｓ，ｓｕｃｈａｓｌｏｎｇｕｓｅｆｕｌｔｉｍｅ，ｃｏｍｐａｃｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ａｎｄｈｉ．ｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｓｏｏｎ．ＷｈａｔｋｉｎｄｏｆｔｈｅｐｕｍｐｓｏｕｒｃｅａｄｏｐｔｅｄｉｎｔｈｉｓｔｙｐｅｏｆｄｉｏｄｅｌａｓｅｒｉｓｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒｗｈｉｃｈＣａｌｌｇｒｅａｔｌｙｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｌａｓｅｒｓａｎｄｍａｋｅｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｂｅａｍｂｅｔｔｅｒ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｈｉｇｈｐｏｗｅｒｄｉｏｄｅｐｕｍｐｉｎｇｓｏｌｉｄ－ｓｔａｔｅｌａｓｅｒｓｉｓｒｅｇａｒｄｅｄａｓｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎｉｎｔｈｅｌａｓｅｒｈｉｓｔｏｒｙ．Ｗｉｔｈｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｌｌｉｇｈｐｏｗｅｒｄｉｏｄｅｌａｓｅｒｓ，ｍａｉｎｒｅｓｅａｒｃｈｅｓｏｆｄｏｍｅｓｔｉｃｓｃｈｏｌａｒｓｈａｖｅｐａｉｄｍｏｒｅａｔｔｅｎｔｉｏｎｔｏｔｈｅｌｌｉｇｈｐｏｗｅｒｏｆＤＰＳＳＬ．Ｉｔｃａｎｂｅｐｒｅｄｉｃｔｅｄｔｈａｔｈｉｇｈｐｏｗｅｒｗｉｌｌｂｅｃｏｍｅｏｎｅｏｆｔｈｅｎｅｗｔｙｐｅｌａｓｅｒｓｗｉｔｈｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｍｕｃｈｐｏｔｅｎｔｉａｌｉｔｙｉｎｔｈｅｗｏｒｌｄ．Ｉｎｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｌａｓｅｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｒｅｌａｔｅｄｌａｓｅｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，ｓｕｃｈａｓｌａｓｅｒｒａｄａｒｐｕｌｓｅｌａｓｅｒｒａｎｇｅｆｉｎｄｅｒｈａｖｅｂｅｅｎｇｒｅａｔｌｙｐｒｏｍｏｔｅｄｕｎｄｅｒｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＱ··ｓｗｉｔｃｈｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．ＴｈｉｓｔｈｅｓｉｓｉｓｔｏｍａｋｅａｒｅｓｅａｒｃｈｔｏｔｈｅｈｉｇｈｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎｆｒｅｑｕｅｎｃｙＱ··ｓｗｉｔｃｈｓｙｓｔｅｍｉｎＬＤｐｕｍｐｅｄｓｏｌｉｄｌａｓｅｒ，ｓｕｍｍａｒｉｚｅｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＱ－ｓｗｉｔｃｈｌａｓｅｒａｎｄｄｉｓｃｕｓｓｔｙｐｉｃａｌｓｔｕｄｙｏｎＮｄＪ々翰Ｇ．碭ｅｔｈｅｓｉｓｗｉｌｌａｌｓｏｍａｋｅａｓｔｕｄｙｔｏｔｈｅｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓｏｆｃｒｙｓｔａｌｓｗｈｅｎｔｈｅｙａｒｅｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｔｕｄｙ，ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄａｎｄｔｈｅｏｕｔｐｕｔｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｐｕｍｐｅｄｌａｓｅｒｓｉｓｓｔｕｄｉｅｄ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ－ｔｈｅｒｅａｌｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅｓｔｈａｔｔｈｅｏｆｆ－ａｘｉｓｐｕｍｐｉｎｇｍａｙｅｘｉｓｔ，ｔｈｅｔｈｅｓｉｓｍａｋｅｓｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｔｈａｔｏｆｆ－ａｘｉｓｍａｇｎｉｔｕｄｅｐｒｏｄｕｃｅｏｎｔｈｅｌａｓｅｒ’ｓｏｕｔｐｕｔｐｒｏｐｅｒｔｙ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅｏｕｔｐｕｔｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆｌａｓｅｒｓｗｉｌｌｂｅｃｏｍｅｐｏｏｒ、航ｔｌｌｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｏｆｆ－ａｘｉｓｖｏｌｕｍｅ．，ｎｌｅｔｈｅｓｉｓａｌｓｏｍａｋｅｓａｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｔｏｓｅｖｅｒａｌｍａｉｎｋｉｎｄｓｏｆＱ—ｓｗｉｔｃｈｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓａｎｄｓｔａｔｅｓｔｈｅｔｈｅｏｒｙｏｆｒｅｌａｘａｔｉｏｎｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ，ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＣｒ’十：ＹＡＧａｎｄｓａｔｕｒａｔｉｏｎｐｒｏｐｅｒｔｙ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈ，ｔｈｅｐａｐｅｒｗｉｌｌａｎａｌｙｚｅａｎｄｄｉｓｃｕｓｓｔｌｌｅＣｒ４＋：ＹＡＧａｎｄｐａｓｓｉｖｅｌｙＱ—ｓｗｉｔｃｈｅｄｌａｓｅｒａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｒａｔｅｅｑｕａｔｉｏｎｓ．ＴｈｅｎｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｆｒａｍｅｗｏｒｋｏｆｔｈｅｐａｓｓｉｖｅｌｙＱ—ｌａｓｅｒｅｎｄｐｕｍｐｉｎｇｗｉｌｌｂｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ．ＴｈｅｔｈｅｓｉｓｗｉｌｌａｌｓｏｍａｋｅａｉｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙＯＵＣｒ’十：ＹＡＧｐａｓｓｉｖｅｌｙＱ－ｓｗｉｔｃｈＮｄ’十：ＹＡＧｌａｓｅｒ．Ｉｔｐｕｔｍｕｃｈｅｍｐｈａｓｉｓｏｎｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｔｈａｔｔｈｅｆａｃｔｏｒｓ，ｓｕｃｈａｓ，ｔｈｅｐｕｍｐｐｏｗｅｒ，ｃａｖｉｔｙｌｅｎｇｔｈａｎｄｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅｏｆｏｕｔｐｕｔｍｉｒｒｏｒ，ｐｒｏｄｕｃｅｏｎｔｈｅｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎｒａｔｅｏｆｔｈｅｌａｓｅｒ’Ｓｏｕｔｐｕｔｐｕｌｓｅｓｅｑｕｅｎｃｅ，ｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈａｎｄｏｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒ．ＴｈｅｐａｐｅｒｗａｎｔｓｔｏａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｐｕｒｐｏｓｅｏｆａｃｔｉｖｅｌｙｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｐａｓｓｉｖｅＱ－ＬａｓｅｒｆｒｏｍｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓｏｆｐａｓｓｉｖｅＱ－ｌａｓｅｒ，ｔｈａｔｉｓ，ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅａｄｄｅｄＬＤｔｈｅｔｈｅｓｉｓａｉｍｓｔｏａｃｈｉｅｖｅｔｈｅａｃｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｔｏｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ仔ｅｑｕｅｎｃｙｏｆｐａｓｓｉｖｅ０－ｌａｓｅｒｏｕｔｐｕｔｐｕｌｓｅ，ｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈａｎｄｏｎ－ｏｆｆｓｗｉｔｃｈ．ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ｓｏｌｉｄ－ｓｔａｔｅｌａｓｅｒ；ｐａｓｓｉｖｅｌｙＱ－ｓｗｉｔｃｈｅｄ；ｅｎｄ－ｐｕｍｐｅｄ；Ｃｒ４＋：ＹＡＧ目錄１緒論………………．．１１．１引言…………………１１．２激光器調(diào)Ｑ技術(shù)產(chǎn)生的背景………．２１．３國內(nèi)外研究開展?fàn)顩r……??１．３．１國外研究現(xiàn)狀…………………３１．３．２國內(nèi)研究現(xiàn)狀…………………４１．４本論文的研究內(nèi)容及方案…………一４２ＬＤ泵浦Ｎｄ３＋：ＹＡＧ激光器連續(xù)輸出特性的研究…………６２．１ＬＤ泵浦固體激光器的主要方式……………………．６２．１．１端面泵浦………………………６２．２．１側(cè)面泵浦………………………６２．２Ｎｄ３＋：ＹＡＧ晶體的根本特性………一６２．３ＬＤ泵浦Ｎｄ３＋：ＹＡＧ晶體的理論研究………………７２．４ＬＤ端面泵浦Ｎｄ３＋：ＹＡＧ激光器的實(shí)驗(yàn)研究………８２．４．１ＬＤ輸出特性的測量…………．．８２．４．２端面泵浦的實(shí)驗(yàn)研究…………１０２．４．３端面離軸泵浦的研究…。……………………ｌＯ３激光器調(diào)Ｑ技術(shù)的根底理論……………．１７３．１弛豫振蕩現(xiàn)象………………………１７３．２品質(zhì)因數(shù)Ｑ…………１８３．３調(diào)Ｑ的根本原理…………………．．１８３．４激光器的儲(chǔ)能方式…………………１９３．４．１工作物質(zhì)儲(chǔ)能………………．１９３．４．２諧振腔儲(chǔ)能…………………．１９３．５實(shí)現(xiàn)調(diào)Ｑ對(duì)激光器的根本要求……………………１９３．６目前主要的調(diào)Ｑ方式………………２０３．６．１主動(dòng)調(diào)Ｑ……………………．２０３．６．２被動(dòng)調(diào)Ｑ……………………．２ｌ３．６．３主動(dòng)調(diào)Ｑ與被動(dòng)調(diào)Ｑ的比擬………………．２２４Ｃｒ４＋：ＹＡＧ晶體的理論研究……………．．２３４．１Ｃｒ４＋：ＹＡＧ晶體的根本性質(zhì)………．２３４．２Ｃｒ４＋：ＹＡＧ晶體能級(jí)系統(tǒng)的速率方程……………．２４４．３速率方程的求解……………………２５ｉ５Ｃｒ４＋：ＹＡＧ被動(dòng)調(diào)Ｑ激光器輸出特性的實(shí)驗(yàn)研究………２９５．１實(shí)驗(yàn)方案……………２９５．２實(shí)驗(yàn)裝置……………２９５．３實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析……………………３０５．３．１泵浦功率對(duì)輸出功率和脈沖重復(fù)率的影響…………………３０５．３．２輸出鏡透過率對(duì)輸出功率和脈沖重復(fù)率的影響……………３２５．３．３腔長對(duì)輸出功率和脈沖重復(fù)率的影響……．．３３５．３．４實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析………………．３４５．４被動(dòng)調(diào)Ｑ主動(dòng)控制技術(shù)…………．．３５５．４．１被動(dòng)調(diào)Ｑ的主動(dòng)控制技術(shù)的理論分析……．．３５５．４．２被動(dòng)調(diào)Ｑ的主動(dòng)控制技術(shù)的裝置結(jié)構(gòu)……．．３７６總結(jié)與展望…：……………３９參考文獻(xiàn)………………．：…………………．．４１攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文……………．４４致謝……………………４５學(xué)位論文知識(shí)產(chǎn)權(quán)聲明……………………．４６學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明………………………４７１緒論１緒論激光的創(chuàng)造極大地改變了人類的生活。激光的創(chuàng)造是在電子技術(shù)和光學(xué)技術(shù)開展的大力推動(dòng)下產(chǎn)生的。上世紀(jì)５０年代，由于現(xiàn)代物理學(xué)，特別是原子物理和量子力學(xué)的開展，為激光技術(shù)的開展奠定了理論和技術(shù)根底。半導(dǎo)體激光器泵浦技術(shù)的應(yīng)用，使固體激光器得到了長足的開展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，已成為激光研究的重點(diǎn)方向之一。１．１引言為了滿足科研與應(yīng)用的需求，激光輸出的各種技術(shù)的探尋與研究一直是自１９６０年激光器問世以來的主要課題。其中最有效和實(shí)用的一種手段就是能夠窄化激光脈沖、提高激光脈沖峰值功率的調(diào)Ｑ技術(shù)。目前機(jī)械轉(zhuǎn)鏡調(diào)Ｑ【１】【２１，電光調(diào)Ｑ【３】，聲光調(diào)Ｑ【４】以及可飽和吸收體調(diào)Ｑ【５‘７ｌ等各種調(diào)Ｑ技術(shù)，在科研以及激光器產(chǎn)品中的應(yīng)用已經(jīng)非常的廣泛和成熟。機(jī)械轉(zhuǎn)鏡調(diào)Ｑ，電光調(diào)Ｑ，聲光調(diào)Ｑ都有機(jī)械結(jié)構(gòu)或電結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)節(jié)難度大、應(yīng)用靈活性差等共同的缺點(diǎn)，他們都是主動(dòng)調(diào)Ｑ方式?？娠柡臀阵w調(diào)Ｑ是一種使用簡便、沒有電干擾、造價(jià)低、易于調(diào)節(jié)和實(shí)現(xiàn)激光器小型化的被動(dòng)Ｑ開關(guān)。被動(dòng)調(diào)Ｑ技術(shù)開展經(jīng)歷了染料調(diào)Ｑ，ＬｉＦ可飽和吸收晶體調(diào)Ｑ，新型晶體材料調(diào)Ｑ三個(gè)階段。以Ｎｄ３＋：ＹＡＧ激光器中的被動(dòng)Ｑ開關(guān)為例，被動(dòng)Ｑ開關(guān)為有機(jī)染料或注入到醋酸纖維薄片中的染料的Ｎｄ計(jì)：ＹＡＧ激光器，雖然運(yùn)用已經(jīng)非常普遍【８】，但是它的調(diào)Ｑ性能不穩(wěn)定，主要原因是染料的導(dǎo)熱性能比擬差、易于光分解，而且當(dāng)泵浦激光器連續(xù)工作時(shí)，還需要外加循環(huán)冷卻系統(tǒng)，這些缺點(diǎn)在很大程度上制約了泵浦激光器的應(yīng)用范圍。之后出現(xiàn)的以ＬｉＦ：Ｆ２晶體作為Ｑ開關(guān)的脈沖Ｎｄｊ十：ＹＡＧ激光器就很好的穩(wěn)定了調(diào)Ｑ的性能，從而大大提高了激光器的效率，原因就在于運(yùn)用了ＬｉＦ：Ｆ２晶體其比擬好的熱學(xué)性能和機(jī)械性能〔９－１１１。以ＬｉＦ：Ｆ２晶體作為Ｑ開關(guān)連續(xù)泵浦Ｎｄ３＋：ＹＡＧ激光器，激光脈沖的為單脈寬７５．１００ｎｓ、為重復(fù)頻率在１－－－，５０ＫＨｚ１１２１。ＬｉＦ：Ｆ２晶體Ｑ開關(guān)與染料開關(guān)相比的優(yōu)勢在于具有高抗損傷閾值、穩(wěn)定性好、光學(xué)質(zhì)量好、使用簡便等；不過ＬｉＦ：Ｆ２晶體也有缺點(diǎn)，那就是ＬｉＦ：Ｆ２晶體中的色心會(huì)導(dǎo)致晶體尺寸增大、內(nèi)耗增加以及激發(fā)態(tài)壽命縮短，而且由于自發(fā)輻射的原因，處于激發(fā)態(tài)的粒子數(shù)目會(huì)明顯的減少，導(dǎo)致激光器閾值增高，材料很難到達(dá)飽和狀態(tài)。然而ＬｉＦ：Ｆ２晶體的色心會(huì)隨著時(shí)間而衰退，導(dǎo)致晶體穩(wěn)定性差，壽命短是最致命的缺點(diǎn)。以摻四價(jià)鉻的釔鋁石榴石晶體〔Ｃｒ４＋：ＹＡＧ〕為代表的摻Ｃｒ４＋離子晶體從九十年代至今一直備受青睞。它具有非常廣泛的應(yīng)用前景：光通信波段〔１．３．１．５１ａｍ〕處于Ｃｒ４＋：ＹＡＧ的發(fā)射中心，同時(shí)還是構(gòu)建人眼平安波段〔＞１．４ｔａｒａ〕激光器的物質(zhì)。紅外譜區(qū)研究激光光譜和非線性光學(xué)的重要光源就是Ｃｒ４＋：ＹＡＧ晶體，它的光譜分辨率能夠到達(dá)皮米量級(jí)，時(shí)間分辨率能夠達(dá)兩安１：業(yè)人學(xué)碩七學(xué)位論文到飛秒量級(jí)，將會(huì)是各種激光雷達(dá)的主要激光光源。Ｃｒ４＋：ＹＡＧ非常適合作１．０６９ｍＮｄ３＋激光器的被動(dòng)Ｑ開關(guān)，原因在于它在０．９ｐｍ．１．２ｔｍａ的吸收帶較寬而且可飽和吸收特性也非常好。Ｃｒ４＋：ＹＡＧ晶體是非常優(yōu)秀的被動(dòng)Ｑ開關(guān)材料，具有眾多優(yōu)點(diǎn)，例如易實(shí)現(xiàn)高脈沖重復(fù)頻率和頂峰值輸出功率，飽和光強(qiáng)小，摻雜濃度高，吸收截面大，無退化現(xiàn)象，光化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，損傷閾值高，壽命長，使用方便，熱導(dǎo)性能好。Ｃｒ４＋：ＹＡＧ晶體的應(yīng)用范圍非常廣泛：既可以作為脈沖激光器的Ｑ開關(guān)【ｌ爭１６１，又適合作連續(xù)泵浦激光器被動(dòng)調(diào)Ｑ的工作物質(zhì)ｍ啦ｌ，甚至還能將鉻離子和激活離子摻雜在同一基質(zhì)晶體內(nèi)，形成自調(diào)Ｑ固體激光器田Ｊ。因此Ｃｒ４＋：ＹＡＧ是非常有前景的被動(dòng)調(diào)Ｑ晶體，它被廣泛的應(yīng)用到構(gòu)建長壽命、全固化、簡單實(shí)用的調(diào)Ｑ激光器。目前使用Ｃｒ４＋：ＹＡＧ晶體被動(dòng)調(diào)Ｑ的激光器已經(jīng)成為研究的重點(diǎn)，其在激光醫(yī)學(xué)、軍用激光測距、激光加工、光電子對(duì)抗、非線性光譜技術(shù)、激光武器等國防建設(shè)和國民經(jīng)濟(jì)的許多領(lǐng)域中有著重要應(yīng)用。１．２激光器調(diào)Ｑ技術(shù)產(chǎn)生的背景固體激光器輸出的激光脈沖寬度一般為毫秒量級(jí)。如果用示波器顯示其波形圖，可以看到波形是由一系列振幅不等且無規(guī)那么變化的尖峰脈沖組成的脈沖序列，而并非一個(gè)平滑的光脈沖。普通固體激光器應(yīng)用范圍的限制，就是因?yàn)檩敵黾す獾倪@種尖峰結(jié)構(gòu)所造成的。在很多應(yīng)用領(lǐng)域中都要求激光器能夠輸出頂峰值功率的光脈沖，如脈沖激光測距，激光雷達(dá)，激光全息照相等，但是普通的固體激光器無法到達(dá)其要求。通過對(duì)理論的研究可以知道，僅僅增加泵浦能量只會(huì)使脈沖序列中小尖峰的個(gè)數(shù)增加，卻無法對(duì)激光峰值功率的提高產(chǎn)生顯著的影響，反而會(huì)使尖峰脈沖序列分布的時(shí)間范圍加寬。在這種情況下，人們研究出了調(diào)Ｑ技術(shù)，調(diào)Ｑ技術(shù)就是使在脈沖序列中輻射出來的分散的能量，集中在一個(gè)非常短的時(shí)間內(nèi)釋放出來，這樣輸出的峰值功率就可以到達(dá)兆瓦量級(jí)以上，可以滿足對(duì)應(yīng)用中對(duì)頂峰值功率的需求。調(diào)Ｑ技術(shù)，就是通過控制諧振腔的Ｑ值〔品質(zhì)因數(shù)〕的變化，得以輸出一個(gè)很強(qiáng)的激光脈沖。首先讓諧振腔內(nèi)的狀態(tài)處于低Ｑ值。由于Ｑ值低，損耗大，不能構(gòu)成諧振腔內(nèi)的振蕩，但低能級(jí)粒子不斷地被泵浦到高能級(jí)上，使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)增加，然后使諧振腔的Ｑ值突然增大，在諧振腔內(nèi)迅速產(chǎn)生振蕩，這樣在高能級(jí)上的粒子所存儲(chǔ)的能量就會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)化為諧振腔內(nèi)的能量，從而獲得一個(gè)很強(qiáng)的激光脈沖。調(diào)Ｑ的想法首先是在１９６１年提出的，而１９６２年第一臺(tái)調(diào)Ｑ激光器的研制成功ｉ捌標(biāo)志著調(diào)Ｑ技術(shù)的正式建立。正因?yàn)檎{(diào)Ｑ技術(shù)的出現(xiàn)，激光脈沖輸出性能獲得了極大的飛躍?，F(xiàn)在的調(diào)Ｑ激光器已經(jīng)可以得到兆瓦量級(jí)的峰值功率以及納秒量級(jí)的脈沖寬度，例如從紅寶石釹玻璃激光器中獲得ｌＯＯ兆瓦的激光脈沖，而且脈沖寬度為幾納秒，比通常的微秒量級(jí)有了很大的縮短。如果把～個(gè)放大器放在調(diào)Ｑ激光器輸出脈沖的后面，還可以獲得應(yīng)用于核聚變反響的更高的峰值功率，通過這種方法可能獲得吉瓦〔１０９Ｗ〕或太瓦〔１０１２Ｗ〕級(jí)的巨脈沖。２１緒論激光技術(shù)的應(yīng)用在調(diào)Ｑ技術(shù)出現(xiàn)后，受到了大的推動(dòng)作用。首先，非線性光學(xué)的開展正是得益于它的推動(dòng)，很多具有重大意義的新現(xiàn)象和新技術(shù)正是由于利用了Ｑ開關(guān)激光脈沖的相干光與物質(zhì)相互作用的特點(diǎn)而產(chǎn)生的；其次，脈沖激光測距，激光雷達(dá)，高速全息照相等技術(shù)領(lǐng)域的開展，也是利用了Ｑ開關(guān)激光脈沖非常短的脈沖寬度才開展起來的。目前來看，調(diào)Ｑ技術(shù)的應(yīng)用，是激光開展史上的重大突破，對(duì)于很多應(yīng)用領(lǐng)域來說，它已經(jīng)成為無可替代的重要技術(shù)。只有滿足兩個(gè)重要的條件才能實(shí)現(xiàn)調(diào)Ｑ技術(shù)：第一，為了使高能級(jí)累積足夠多的粒子，泵浦速率需要比自發(fā)輻射速率高：第二，Ｑ開關(guān)的速度需要高于受激輻射的速率，如果受激輻射的過程時(shí)間較長，那會(huì)使峰值功率降低，脈沖寬度增大。１．３國內(nèi)外研究開展?fàn)顩r１９６０年激光出現(xiàn)后，１９６１年就產(chǎn)生了調(diào)Ｑ理論，１９６２年研制出第一臺(tái)調(diào)Ｑ激光器。當(dāng)時(shí)的激光輸出峰值功率為６００ｋＷ，脈沖寬度為１０‘７ｓ量級(jí)。緊接著就出現(xiàn)了很多的調(diào)Ｑ方法，輸出功率越來越大，脈寬越來越窄，調(diào)Ｑ技術(shù)開展飛速，取得了很大進(jìn)展。８０年代，想要獲得脈寬為納秒量級(jí)，峰值功率為吉瓦量級(jí)的激光脈沖已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)。１．３．１國外研究現(xiàn)狀２００２年１０月，ＬａｍｂｄａＰｈｙｓｉｋ公司生產(chǎn)的調(diào)Ｑ激光器波長為１０６４ｒｉｍ，平均功率小于２７Ｗ，重復(fù)頻率１０ｋＨｚ，單脈沖能量小于２．７ｍＪ，脈沖寬度近似為１５士３ｎｓ，峰值功率１８０ｋＷ，光束寬度０．５ｍｍ，空間模式為ＴＥＭｏｏ模，Ｍ２因子小于１．２；波長為５３２ｎｍ，平均功率小于１３．５Ｗ，重復(fù)頻率１０ｋＨｚ，單脈沖能量小于１．３ｍＪ，脈沖寬度為１５士３ｎｓ，峰值功率８６ｋＷ，光束寬度０．５ｍｍ，空間模式為ＴＥＭｏｏ模，Ｍ２因子小于１．２１２４ｊ。英國曼徹斯特大學(xué)物理天文系的激光與光子學(xué)習(xí)研究小組設(shè)計(jì)一種２ｔｕｎ波長的Ｔｍ摻雜的電光調(diào)Ｑ的氧化硅光纖激光器【２５１。電光調(diào)Ｑ晶體選擇的是ＬｉＴａ０３，這種晶體的透過波長為０．４９ｍ至２岬，頻帶寬度可到達(dá)１ＧＨｚ，半波電壓為１２００—１５００Ｖ。調(diào)Ｑ研究結(jié)果：在脈沖寬度３２０ｎｓ，重復(fù)頻率１００Ｈｚ時(shí)，脈沖峰值功率到達(dá)３．３ｋＷ。２００４年，英國皇家大學(xué)Ｂｌａｃｋｅｔｔ實(shí)驗(yàn)室對(duì)連續(xù)激光進(jìn)行了調(diào)Ｑ研究１２６１，設(shè)計(jì)采用聲光調(diào)Ｑ的方式。工作物質(zhì)選用的是摻雜濃度為２％的Ｎｄ〞：ＹＡＧ晶體板條，尺寸為長度２０ｍｍ，寬度５ｍｍ，高度２ｍｍ。端面鍍１０６４ｎｍ的增透膜，二極管泵浦端面鍍８０８ｎｍ增透膜，為防止晶體的自激輻射端面與一般端面成３度切角。實(shí)驗(yàn)在連續(xù)輸出功率為１３Ｗ的情況下，斜面效率到達(dá)４０％。在重復(fù)頻率為１６０ｋＨｚ的條件下平均功率到達(dá)１０Ｗ，脈沖寬度在２０ｋＨｚ的重復(fù)頻率下為２４ｎｓ，小于１０ｋＨｚ至１６０ｋＨｚ范圍內(nèi)的ｌＯＯｎｓ。２００４年，德國ＥｄｇｅＷａｖｅＧｍｂＨ進(jìn)行了混合腔電光調(diào)Ｑ激光器的研究，實(shí)現(xiàn)了高重復(fù)率近衍射極限的輸出【２７〕１２８ｌ；在以５ｋＨｚ的高重復(fù)率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，獲得了單脈沖能量７１２ｒｒｄ，脈寬５１７ｎｓ，平均功率約為３６Ｗ的脈沖；當(dāng)重復(fù)率高達(dá)５０ｋＨｚ時(shí)，輸出的激光脈沖的參量是單脈沖能量１．６ｍＪ，脈寬９１５ｎｓ，平均功率超過８０Ｗ。實(shí)測的光束質(zhì)量因子Ｍｚ小于２。西安丁業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文１．３．２國內(nèi)研究現(xiàn)狀２００４年，中科院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所采用ＣＷ二極管端面泵浦Ｎｄ３＋：ＹＶＯ晶體，進(jìn)行了ＢＢＯ的電光調(diào)Ｑ的實(shí)驗(yàn)研究【２９１，獲得１０６４ｎｍ連續(xù)輸出功率１．２４Ｗ，重復(fù)頻率為ｌｋＨｚ時(shí)，脈沖平均輸出１６０ｍＷ，脈寬為２０ｎｓ的激光。調(diào)Ｑ晶體為ＢＢＯ，兩端