倍频激光器的设计

东北石油大学课程设计2012年3月2日课程光电子技术基础课程设计题目倍频激光器的设计院系电子科学学院专业班级学生姓名学生学号指导教师东北石油大学课程设计任务书课程光电子技术基础课程设计题目倍频激光器的设计专业电子科学与技术姓名学号主要内容、基本要求、主要参考资料等1、主要内容设计一台腔内倍频或者腔外倍频的激光器，并分析其影响转换效率的因素。2、基本要求在论文中分析倍频激光器的工作原理，并分析其满足相位匹配的条件。3、主要参考资料[1]马养武,王静环,包成芳.光电子学[M].浙江大学出版社，2003.[2]蓝信钜.激光技术[M]，北京:科学出版社，2000．完成期限2012.2.27~2012.3.2指导教师专业负责人年月日目录第1章概述...................................................1第2章光倍频原理与技术........................................22.1光倍频原理..............................................2第3章脉冲紫外激光器的设计....................................43.1被动调Q基础............................................43.2被动调Q获得基频光......................................7结论.......................................................8参考文献.......................................................9光电子技术基础课程设计1第1章概述在被动调Q理论的指导下，充分考虑了被动调Q晶体Cr:YAG的激发态吸收效应对脉冲激光器性能的影响，延伸了Degnan的被动调Q优化理论，直接给出了优化设计过程中我们最关心的被动调Q晶体的小信号透过率与输出耦合镜的透过率关系，简化了设计程序。在高斯光束倍频理论的指导下，改进了传统的聚焦方式，使结构更为紧凑下，获得了更高的紫外功率输出，并且该结构可同时满足三倍频，四倍频的要求。在连续紫外的研究中，充分考虑到激光器输出镜的最佳透过率与倍频转换效率之间的关系，并由此优化倍频晶体长度。采用简单的两镜腔结构，将二倍频、三倍频频率变换晶体同时放在腔内，还实现了355nm连续激光的输出。LD泵浦全固态激光器从二十世纪八十年代以来获得长足的进步，紫外激光器因其在人眼安全波段，光刻的主要光源等重要应用，一直以来就是人们研究的热点。光电子技术基础课程设计2第2章光倍频原理与技术2.1光倍频原理由于晶体中存在色散现象，所以在倍频晶体中的通光方向上，基频光与倍频光所经历的折射率n与2n是不同的。在倍频激光器的功能表中实线代表了寻常光的折射率，点划线代表了非常光的折射率，中间的点线则代表了非常光在改变入射光角度时得到的折射率。由图中可以看出，当改变晶体中入射光的角度，中间的非常光折射率曲线随之变化，在如图的位置上，可以实现1064nm的倍频。即在特定的通光方向上，532nm的倍频光与1064nm的基频光折射率可以实现相等，实现倍频的相位匹配。对于双轴晶体其相位匹配的计算较为复杂，这里不详细论述。其相位匹配原理都是相同的。在光倍频中，三个光场（1w，2w，3w）中：1w=2w=w，而3w=w2，此时有kziWWeZEduiwdzzdE2)()2()]([)(（2.1）其中)()2(2wwkkk（2.2）为了简化分析，假设角频率为w的输入光场装环岛倍频光场所引起的功率衰减是微弱的，既可以近似认为)()(zEw是常数)(WE,同时假设无w2的光场输入，则基频光通过长度为l的非线性晶体后，在输出端的倍频光振幅为kieEduiwdzdzZdElEkliWlWW1][)()(2)(0)2()2(（2.3）输出的倍频光强正比于2224)(222)*2()2()2/()2/(sin][)(()*)(klkllEndwulElE（2.4）式中，利用了折射率02/n的关系。若输入基频光束的截面积为A，光功率为)(wp，则基频光强)(WI,即基频光功率密度与场强有如下关系2)()()(21（2.5）从而得到倍频光的光强转换效率为光电子技术基础课程设计3)2/(sin)2/()2/(sin222222klClklkllSHG（2.6）式（1.6）是从基频光的场强衰弱很小的条件下推得的。高转换情况下的转换效率，当0k时可以推导得如下结果)(tanh)0()(2)()2(lIlIWWSHG（2.7）图1单轴晶体色散曲线及倍频原理示意图图1中的实线代表了寻常光的折射率，点划线代表了非常光的折射率，中间的点线则代表了非常光在改变入射光角度时得到的折射率。由图中可以看出，当改变晶体中入射光的角度，中间的非常光折射率曲线随之变化，在如图的位置上，可以实现1064nm的倍频。即在特定的通光方向上，532nm的倍频光与1064nm的基频光折射率可以实现相等，实现倍频的相位匹配。根据式（2.5）进一步分析，当0k时，倍频光输出功率)2(WP将沿晶体长度方向呈周期性变化。当入射基波进行至距离k/处，倍频输出功率达到第一个极大值，这个距离定义为相干长度cl，则有)]([42)2()()()2(wnnkkkl（2.8）如果基波在晶体中仅存在一个偏振态，其相应的的折射率为)(wn，则相位匹配条件为)()2(wwnn（2.9）此为相位匹配的1类相位匹配。光电子技术基础课程设计4如果基波在单轴晶中存在两个偏振态，其寻常光折射率为)(0wn，非常光折射率为)()(wen，则实现相位匹配的条件是)]([21)()(0)2(wewwnnn（2.10）满足上式的相位匹配方式为2类相位匹配。常用的相位匹配方式有角度相位匹配和090相位匹配。第3章脉冲紫外激光器设计3.1被动调Q基础在近似的情况下，速率方程是分析激光器性能的最重要的手段，1965年，SzaboandStein推导出了被动调Q激光器的速率方程，表述如下：rsstLRnnldtd))1(ln(22(3.1)ncdtdn(3.2)ssssncdtdn(3.3)图2CR:YAG被动调Q晶体能级简图当用Cr:YAG作被动调Q晶体的时候，由于其同时存在基态和激发态吸收（能级示意图如图2所示），因此我们还必须考虑激发态吸收，这时速率方程变为：快快124光电子技术基础课程设计5))1(ln(222LRlnlnnltdtdsesessgsgsr(3.4)ncdtdn(3.5)gsgssgsncdtdn(3.6)gsgssesncdtdn(3.7)0nnnesgs(3.8)式中为光子数密度，n为激光晶体的粒子数反转密度，gsn、esn、0n分别为调Q晶体基态、激发态、和总的粒子数密度，l为激光晶体长度，sl为调Q晶体沿光轴长度，为激光晶体的受激发射截面，gs、es分别为调Q晶体的基态和激发态吸收截面，R为输出耦合镜的反射率，L为未饱和时腔内往返损耗，为激光晶体的反转衰减因子（发射一个光子导致的激光上能级的粒子减少数），s为饱和吸收体衰减因子（吸收一个光子导致饱和吸收体下能级的粒子减少数，通常为1），cltr/2'为光在腔内传输的往返时间，'l为谐振腔的光学长度，c为真空中光速。(3.5)除以(3.6)式,我们得')(0igsnnnn(3.9)这儿，in为激光晶体最初反转粒子数密度，'定义如下：gs'(3.10)(3.4)除以(3.5),且将(3.7)带入所的式中得}2]2)1[ln(1{'0'nlnlLRnnnlllldndessesisgs(3.11)对(3.11)式积分得)ln(2)2)1(ln())(1()1({00''nnlnlLRnnnllnnllnisesigsessi(3.12)因此,Q脉冲的总能量可表述为如下形式:)ln()1ln(2)()1ln()(0'0firnnRAhtdtRtAlhtdtPE(3.13)光电子技术基础课程设计6定义seslnLL0'2(3.14)111'FOMFOMgsess(3.15)其中esgsFOM，为优化因子，被用来比较不同的被动调Q晶体的优越性。当调Q结束，光子数为0，即(3.12)为0，并用(3.14)、(3.15)我们获得调Q结束时反转粒子数的表达式为0)ln(2))1(ln())(1('0''fiifssfinnlLRnnnllnn(3.16)被动调Q激光器中，当反转粒子数密度超过最初阈值时（激光腔往返增益刚好等于往返损耗），脉冲开始建立，此时，光子数为0，且激发态光子数为0,由(3.4)得0))1(ln(220LRlnlnsgsi(3.17)在等式左边加上sesseslnln0022，然后除以'L，并利用's的定义，式(3.17)表述为01)1ln(22'''0'LRLlnLlnssgsi(3.18)当0dnd时，光子数密度达最大值，由(3.11)式我们得最大能量时的粒子数反转为'))((2])1[ln(0'itigssiitnnnlnllnLRnn(3.19)峰值功率为]})(1[)ln(2])1[ln(){1ln()1ln('0''max'maxitssittirrnnnllnnlLRnnRtAlhRtAlhP(3.20)脉冲宽度为光电子技术基础课程设计7''1ln21ln1110''0'maxitissitiitifissifrpnnnnllnnlnLRnnnnnnllnntPEt(3.21)我们用格朗日多项式(Lagrangemultiplier)技术来决定'sz值（z值给定）以使脉冲能量最大。3.2被动调Q获得基频光如图3所示。这是一台内腔倍频、连续氪灯（单灯）泵浦、被动调Q的YAG激光器。不加倍频元件可以输出1064nm波长的近红外高功率激光。当腔内放置倍频晶体时，如采用倍频效率较高的KTP（磷酸二氢钾）晶体，就可以产生532nm波长的倍频绿光输出。图3被动调Q连续YAG倍频激光器示意图由于倍频效率与基频激光的峰值功率平方成正比，所以为了有效地产生高效率的倍频输出，在YAG腔内采用了声光调Q装置，其作用可以将连续振荡的1064nm基频光变换成10KHz左右的高重复频率脉冲激光，脉冲宽度在150nS左右。由于具有重复频率和峰值功率高的特点，所以可以获得高平均功率的倍频绿光输出。上图中采用5mW的氦氖激光器做为准直光源。谐振腔后面采用的全反镜为1064nm高反。倍频输出镜为1064nm高反和532nm高透双色镜。1064nm基频光在腔内形成振荡且不直接输出到腔外。在腔内放置KTP晶体做为倍频器件，将1064nm基频光转换为532nm倍频光，并通过倍频输出镜获得输出。在腔内还放置了一块谐波反射镜，上面镀有1064nm高透、532nm高反，使获得的后向倍频光再次反射回倍频输出镜处并得到输出，从而进一步提高了倍频输出效率。氦氖激光器全反镜声光调制器谐波反射镜倍频输出镜子倍频晶体开关驱动电源双程倍频绿光输出激光棒光电子技术基础课程设计8总结由于倍频晶体的阈值很高，因此要获得高的倍频效率，基频波的功率密度要