全固态激光技术与器件研究进展

光学发展前沿专题全固态激光技术与器件研究进展姓名：韩璐学号：2015020645一、在全固态激光技术中，实现纳秒脉冲输出和皮秒脉冲输出的方式为了获得窄脉冲高峰值功率激光束，人们发展了Q调制、锁模、增益开关及腔倒空等技术，其中Q调制和锁模技术是实现纳秒脉输出和皮秒脉冲输出的主要手段。1、Q调制技术Q调制技术的基本原理是通过某种方式使谐振腔中的损耗因按照规定的子按照规定的程序变化，在泵浦激励刚开始的时候，先使光腔具有较高的损耗因子，从而使激光器因为阈值高而不能产生激光震荡，从而使得亚稳态上的粒子能够积累到较高的水平。然后在适当的时刻，使腔中的因子突然降低，此时，阈值辐射会迅速增强，从而使上能级储存的大量粒子的能量在极短的时间内转变为激光能量，想成一个很强的激光脉冲输出。调Q技术能够获得峰值功率在兆瓦以上，且脉冲宽度为几十纳秒的激光脉冲，实现纳秒脉冲输出。常用的Q调制方法有电光调Q、声光调Q以及被动调Q等。其中，电光调Q是利用了某些晶体的普克尔效应（某些晶体在外加电场的作用下，其折射率的变化与电场成正比），通过改变电光晶体两端的电压，使得其折射率发生突变，来改变谐振腔的损耗，来实现Q突变的方法。电光Q开关是目前使用最广泛的一种Q开关，适用于脉冲激光器，其主要特点是开关时间短（约s109-）。声光调Q是利用了声波在某些介质中传播时，该介质会产生与声波信号相对应的、随时间和空间周期变化的弹性形变，从而导致介质折射率的周期性变化，形成等效的位相光栅这一特性，利用一块对激光波长透明的声光介质和换能器组成声光Q开关。将声光Q开关置于激光场中，通过换能器将外界输入的高频信号转换为超声波，作用于声光介质，使声光介质成为特定的位相光栅，从而发生衍射，由于以及衍射光偏离谐振腔而使得激光震荡难以形成，在高能级积累大量的粒子。若突然撤去超声场，衍射效应将即刻消失，谐振腔损耗骤然下降，从而形成激光脉冲。声光开关可用于制作低增益的连续激光器，但对于高能量激光器的开关能力差，不能用于高能调Q激光器。以上两种调Q方法是通过外部的驱动源来调节谐振腔的损耗，成为主动调Q，而被动调Q则是通过谐振腔内激光的光强来调节谐振腔的损耗。在谐振腔内放置一饱和吸收体，在泵浦过程开始的时候，吸收系数较大，这使得谐振腔的损耗很大，激光器不能起振，但随着激光工作物质中反转集居数的积累，放大的自发辐射逐渐加强，当光强与饱和吸收体的中心频率饱和光强可比拟时，吸收系数显著减少。当这一过程发展到一定程度时，单程增益等于单程损耗，激光器开始起振，随着激光强度不断增大，饱和吸收体的吸收系数又继续下降，促使激光更加迅速的增加，于是产生了受激辐射不断增长的雪崩过程。当激光光强增加至可与增益介质的饱和光强可比拟时，增益系数显著下降，最终导致激光熄灭。2、锁模技术利用调Q技术可以得到纳秒脉冲，但是要得到脉宽更窄的皮秒脉冲输出就需要利用锁模技术。一般非均匀价款的激光器，如果不采取特殊的玄魔措施，会得到多纵模输出，并且，由于空间烧孔效应，均匀加宽的激光器也会有多纵模输出。各个纵模之间没有确定的相位关系，各模式互不相干，因而激光的输出是它们无规则叠加的结果，输出强度随时间无规则变化。利用锁模技术，可以是各震荡模式的频率间隔保持一定，并具有确定的相位关系，这样激光器就将输出一列时间间隔一定的超短脉冲，且谐振腔的腔长约长，腔内正当的纵模数目越多，锁模脉冲的峰值功率就越大。目前采用的锁模方法可分为主动锁模、被动锁模和自锁模。二、气体激光器、固体激光器、半导体激光器激励方式简述1、气体激光器气体激光器是以气体或者金属蒸汽为工作物质的激光器，可细分为原子气体激光器、分子气体激光器以及离子气体激光器，三种不同的气体激光器的工作物质分别是未电离的原子（如氦氖激光器），未电离的分子（如2CO激光器、准分子激光器），已电离的离子（如Ar激光器）。气体激光器具有工作物质均匀性好、易实现大功率运转、转换效率高、工作物质丰富、结构简单、成本低廉等优点，但由于气体的浓度较低，一般不利于做成小尺寸的大功率激光器。而气体激光器的激励方式除了常用的气体放电激励外，还可以采用电子束激励、热激励和化学反应激励等。2、固体激光器固体激光器是将产生激光的粒子掺于固体机基质中作为工作物质的，工作物质中的基质材料决定工作物质的物理、化学性质，而工作物质中掺杂的离子决定了激光的光谱特性，同时，由于受到基质材料的影响，掺杂粒子的光谱特性也将会有一定的变化常见的基质材料有玻璃和晶体两类，而激活离子有三价稀土金属离子、二价稀土金属离子、过度金属离子、锕系金属离子四类。固体激光器常用的激光工作物质有红宝石（323OAl:Cr）、掺铷钇铝石榴石（YAGNd3）、铷玻璃、掺钛蓝宝石（323OAl:Ti）.固体激光器常用光来进行泵浦，有闪光灯和半导体激光二极管两类。利用固体激光器可以实现激光的大能量输出，脉冲峰值的功率可达21413W/cm10~10，但固体激光器也具有热效应严重、连续输出功率不如气体高等特点。3、半导体激光器自1962年第一台As-Ga激光器问世之后，由于其具有能量转换效率高、易于进行告诉电流调制、超小型化、结构简单、寿命长等优点，半导体激光器迅速发展并被广泛应用于光存储、测距及医疗等诸多方面。同气体或者固体作为工作物质的激光器一样，想要使半导体材料残生激光，同样需要使半导体材料中的电子能态发生变化，已形成一定的粒子数反转，并且需要一个合适的光学共振腔。半导体激光器通常是用电来作为激励源，正常情况下，电子总是从低能态的价带填充起，填满价带后才填充导带。如果我们能利用光或电注入的办法，便在P－N附近够成大量的非平衡载流子，在此其复合寿命更短的时间内．电子在导带、空穴在价带分别达到暂时的平衡，则在这一段时间内简并化分布的导带电子和价带空穴就处于相对反转分布的状态。如果电子从导带中向价带中跃迁，则将释放光子，并在谐振腔的反馈作用下，产生受激辐射。气体激光器与半导体激光器的比较气体激光器半导体激光器激励方式气体放电激励、电子束激励、热激励和化学反应激励等电激励工作物质气体或者金属蒸汽半导体介质激光器体积气体密度较小不利于做成小尺寸的大功率激光器便于小型化使用寿命易产生工作物质泄漏等问题，使用寿命较短工作稳定，使用寿命长输出光束质量工作物质光学均匀性好，易于获得模式稳定、方向性好的激光输出光束发散角较大获得优良的半导体激光器激光输出空间分布可以使用望远系统，对半导体激光器输出的激光进行准直：利用两个透镜L1、L2，令半导体激光的输出光束经过L1之后汇聚，且成像于L2的前焦面上，激光继续传播经过L2即可得到准直后的光束，从理论上来说，这将是平行光。