1、 毕业设计（论文）题目名称：LD 端面泵浦 1064nm Nd:YVO4固体激光器的 Z型折叠腔设计院系名称：理学院班 级：物理 062学 号： 学生姓名： 指导教师： 2010 年 6 月LD端面泵浦 1064nm Nd:YVO4固体激光器 Z型折叠腔设计Design of Z type Resonators for theLD End-Pumped 1064nm Nd:YVO4 Lasers院系名称：理学院班 级：物理 062学 号： 学生姓名： 指导教师： 2010 年 6 月论文编号：200600124210中原工学院毕业论文摘 要光学谐振腔是激光器的一个重要组成部分，设计良好的谐振腔
2、是实现大功率高质量激光输出的关键。本文通过理论分析和数值模拟提出尽可能理想的谐振腔结构和合适的腔参数，以实现高功率、高光束质量、高效率和高稳定性的激光输出。本文运用光学传输矩阵讨论 Z 型激光谐振腔的各个参数对谐振腔稳定性和输出光束质量的影响，进而选择合适的谐振腔参数，设计出可行的 Z 型折叠腔，并利用数值模拟说明其工作特性。论文共分为四部分：谐振腔作用及分类，Nd:YVO 4 激光特性，谐振腔参数选择，工作特性模拟及分析。其中谐振腔参数的选择是本文的核心，包括热透镜焦距的计算，谐振腔各臂长的选择，输出镜透过率的选择等。随着二极管端面泵浦固体激光器应用范围的扩展，对激光束的要求也将趋于多样化，
3、针对不同的要求，如何快速的设计出对应的谐振腔，对激光谐振腔的设计方法提出了新的要求。关键词：激光器，Z 型谐振腔，光学变换矩阵，优化设计，数值模拟中原工学院毕业论文IAbstractOptical resonator is an important part of laser. A well-designed resonator is the key to realize the high-power laser output of high quality. In this paper, we get the ideal resonator structures and the approp
4、riate parameters through theoretical analysis and numerical simulation, to achieve high power, high quality, high efficiency and high light stability of laser output.This paper discussed the effects of resonator parameters on the beam quality, stability and output power by means of transfer matrix.
5、And then, We choose the appropriate resonator parameters, and get a practical Z type Resonators and shows its performance by numerical simulation . This paper has four parts: classification of resonator, the laser characteristics of Nd:YVO4, resonator parameters selection, simulation and analysis of
6、 output characteristics of designed resonator. The choose of resonator parameters is the core of this paper, including computation of thermal lens focal length, the arms length of resonator, and the transmissivity of output mirrors.With the expanding application scope of diode pumped solid lasers, t
7、he requirements of laser become diversiform. It has been a new requirement to find a fast way to design a laser resonator to meet the different requirements.Keywords: lasers, Z type resonator, optical transfer matrix, optimizing design, numerical simulation中原工学院毕业论文II目 录摘要 .IAbstract.II引 言 .11 谐振 腔的
8、作用、分类及比较 .21.1 谐振腔的作用 .21.2 谐振腔的分类及比较 .22 Nd:YVO4 晶体的激光特性 .53 谐振腔参数计算 .73.1 热透镜焦距计算 .73.2 谐振腔稳定条件 .83.3 谐振腔臂长的选择 .93.4 输出镜透过率的选择 .164 谐振腔工作特性分析 .195 总 结 .20参考文献 .21致谢 .22中原工学院毕业论文0引 言光学开放式谐振腔提出以后，固体激光谐振腔的研究已经取得很大进展。设计良好的谐振腔是实现大功率、高质量激光输出的关键。为了实现高功率、高光束质量、高效率和高稳定性的激光输出，应该选择能够满足特定需要的谐振腔设计参数。在固体激光器中，光学
9、谐振腔是实现正反馈选模、起输出耦合作用的器件。合适的谐振腔结构可以最大限度的提高激光器的能量提取效率。激光器的输出光束质量与谐振腔结构有关，但是高输出功率和高光束质量的要求常常是矛盾的。针对不同固体激光器对输出功率和光束质量的要求，可以通过谐振腔的优化设计给出尽可能理想的谐振腔结构和相应参数。另外，泵浦光功率变化引起的激光晶体的热透镜效应变化会动态的影响谐振腔的工作特性，因此需要通过理论计算来设计对热透镜效应不敏感的动态热稳定腔，以提高激光器动态工作的稳定性。另外，某些实际应用环境中的机械振动或者热扰动常常会引起谐振腔元件偏离预设位置，这就要求激光器对各种因素引起的光腔失调不敏感，因此谐振腔的
10、稳定度成为一个很重要的设计指标。端面泵浦的固体激光器，由于激光晶体端面局部的吸热非常强，因而存在非常严重的热效应，导致激光晶体折射率因为温度的改变而改变。为了得到高功率连续运转的固体激光器，在谐振腔设计中需要考虑激光晶体的热透镜效应。中原工学院毕业论文11 谐振腔的作用、分类及比较1.1 谐振腔的作用光学谐振腔的作用表现在两个方面：1提供光学正反馈作用激光器内受激辐射过程具有“自激”振荡的特点，即由激活介质自发辐射，在腔内多次往返而形成持续的相干振荡。振荡光束在腔内行进一次时，除了由腔内损耗和通过反射镜输出激光束等因素引起的光束能量减少外，还能保证有足够能量的光束在腔内多次往返经受激活介质的受
11、激辐射放大而维持振荡。影响谐振腔的光学反馈作用的两个因素：一是组成腔的两个反射镜面的反射率，反射率越高，反馈能力越强；二是反射镜的几何形状以及它们之间的组合方式。这两个因素的变化都会引起光学反馈作用大小的变化，即引起腔内光束损耗的变化 12。2对振荡光束的控制作用主要表现为对腔内振荡光束的方向和频率的限制。由于激光束的特性和光腔结构有密切联系，因而可用改变腔参数（反射镜、几何形状、曲率半径、镜面反射率及配置）的方法来达到控制激光束的目的。具体地说，可以达到以下几方面的控制作用：（1）有效控制腔内实际振荡的模式数目，使大量的光子集中在少数几个状态之中，提高光子简并度，获得单色性好、方向性强的相干
12、光；（2）可以直接控制激光束的横向分布特性、光斑大小、谐振频率以及光束发散角等；（3）可以改变腔内光束的损耗，在增益一定的情况下能控制激光束的输出功率 12。1.2 谐振腔的分类及比较光学谐振腔由两个或两个以上光学反射镜面组成。反射镜可以是平面镜或球面镜，置于激光工作物质两端。两块反射镜之间的距离为腔长。其中一个镜面反射率接近100，称为全反镜；另一个镜面反射率稍低些，激光由此镜输出，故称输出镜，两者有时也分别称为高反镜和低反镜。光学谐振腔按其稳定性可分为稳定腔、非稳定腔和临界腔；按组成谐振腔的两块反射镜的形状，可将激光谐振腔区分为：平行平面腔，平凹腔，凹凹腔，凸凹腔等；而按照反射镜的排列方式
13、可以划分为直腔和折叠腔。如果光线在谐振腔内能够往返任意次而不会横向逸出腔外，这样的谐振腔就称为稳定谐振腔，简称稳定腔；中原工学院毕业论文2如果光线经过若干次反射后离开腔体，则这样的谐振腔腔称为非稳定腔；稳定性介于稳定腔和非稳定腔之间的光学谐振腔就是临界腔 3。稳定腔的波形限制能力比较弱，激光束发散角大，但是损耗较小，调整精度要求低，主要适用于一般的低增益激光器和比较长的折叠腔系统。非稳定腔的波形限制能力很强，具有大的可控模体积和可控的衍射耦合输出，输出光束发散角小，但是损耗比较大，适用于高增益激光器系统。而临界腔的波形限制能力比较强，可获得发散角小，光场均匀性又比较好的输出光束，适用于各种类型
14、的激光器系统 4。一般来说，激光器最简单的腔型结构是直腔，其结构图如图1.2.1所示。该光学谐振腔由两块平凹镜组成，能够比较容易形成稳定腔。随着激光技术的发展，要想在这种直腔内加入调Q、选频、倍频晶体，以实现大功率的非线性倍频激光输出时，是很难做到的。因此直腔的应用有比较大的局限性，而正是由于直腔的这种局限性催生了折叠腔。折叠腔最少由三块镜面组成。常用的折叠腔可以分为两类，一类是三镜折叠腔，也称为V型腔，如图1.2.2所示；另一类是四境的折叠腔，也称为Z型腔，如图1.2.3所示。图1.2.1 直腔腔型图图1.2.2 V型折叠腔腔型图中原工学院毕业论文3图1.2.3 Z型折叠腔腔型图折叠腔是由H
15、.W.Logelnik于l972年在研究染料激光器时首次提出的。他将激光介质放在有较小光腰的折叠臂处，而长臂内放置其他一些光学元件。这样一方面保证了激光介质处光斑半径较小，另一方面又突破了腔长的限制。与直腔相比, 折叠腔更利于获得热稳定运转。1988年，Maker搭建的三镜折叠腔成为LD泵浦全固态激光器广泛采用的一种腔型。它是将工作物质一端镀双色膜构成一个腔镜，利用这种腔型，端面泵浦可以获得较高的泵浦效率，激光工作物质内获得了很好的聚焦，长臂内适合放置其他元件，如调制器、倍频晶体等。随着技术的发展及研究的深入，光学谐振腔得到了进一步的发展，出现了结构更为复杂的四镜折叠腔。随着四镜折叠腔的应用，
16、激光的光束质量也得到了进一步提高。折叠腔的使用，使得光学谐振腔内拥有两个以上的束腰，完全可以满足在腔内加入其它元器件的需要，如加入倍频晶体、放置调Q元件等。不同类型的谐振腔有着各自不同的特点。传统直腔激光器的谐振腔易于调整，比较稳定，且有较小的体积，更有利于形成整机，适合产品化，但是光束质量较差。三镜折叠腔存在两个光腰，激光晶体和倍频晶体可分别放在两个光腰处，提高了倍频效率；这种腔型的另一优点是基频光和倍频光分开，减少了激光晶体对倍频光的吸收，并且这种腔型实现了腔内双通倍频，即基频光两次通过倍频晶体再输出，使倍频效率有所提高。四镜折叠腔还可以做成行波腔，利用这种谐振腔，通过在谐振腔中插入光学单
17、向器使激光器单向运转，可以实现精密的选模，从而达到理想的频率稳定性；这种腔型的固体激光器具有激光束质量好、噪声低等优点，而且克服了驻波腔存在的空间烧孔效应 5。中原工学院毕业论文42 Nd:YVO4晶体的激光特性掺钕钒酸钇(Nd:YV0 4)晶体最早是由MIT林肯实验室的J.R.Oconnor于1966年发明的，属于单轴晶体。晶体中激活离子Nd 3+的振荡强度大， YVO4基质对Nd 3+有敏化作用，提高了激活离子的吸收能力；同时，Nd:YVO 4晶体有很强的双折射特性。a轴切割时具有很强偏振吸收特性，其光场E矢量平行于晶体光轴方向的 偏振(EC)和偏振 (EC)的光谱特性具有明显差异，其最强
18、吸收和最强辐射都发生在偏振取向，因此常用a 轴切割晶体得到 偏振光输出 4。Nd:YVO4 晶体是一种性能优良的激光晶体，适于制作激光二极管（LD）泵浦的全固态激光器。该晶体具有以下特点：具有低激光阈值，高斜率效率，大的受激发射截面，在很宽的波长范围对泵浦光有很大的吸收，有高抗光伤能力。最新进展表明 Nd:YVO4 晶体和 KTP 晶体的组合可以用于制作高功率稳定的红外、绿光或红光激光器。原子密度: 1.26x1020 atoms/cm3 (Nd3+ 0.5%) 晶体结构: 四方晶系, a=b=7.1193, c=6.2892 密度: 4.22g/cm3 硬度（mols ）: 4-5 热膨胀系
19、数 (300K): a a=4.43x10-6/K a c=11.37x10-6/K 热导系数 (300K): C: 0.0523W/cm/KC: 0.0510W/cm/ K 表 2.1.1 Nd:YVO4 晶体基本特性激光波长: 1064nm, 1342nm ,914nm热光系数(300K): dno/dT=8.5x 10-6/KDne/dT=2.9x 10-6/K Sellmeier 方程: no2=3.77834+0.069736/(l2-0.04724)-0.0108133.l2ne2=4.59905+0.110534/(l2-0.04813)-0.0122676.l2 受激发射截面: 25x 10-19cm2 1064nm 荧光寿命: 90 ms
