泵浦Nd：YAG激光器讲解.docx

LD侧面泵浦Nd : YAG激光器的研究摘要介绍了 YAG晶体的性质以及与其他类似晶体的比较，介绍了固体激光器泵浦 的两种方式:端面泵浦和侧面泵浦，并主要分析了侧面泵浦的优点设计和分析了 一种侧面泵浦结构的固体激光器，通过选取合适激光晶体（Nd : YAG晶体），进 行侧面泵浦在泵浦光反向冷却套侧壁镀高反射金膜，使激光棒侧向均匀泵浦，实 现低阶膜输出对激光二极管侧面泵浦Nd : YAG激光器的热效应进行了分析， 通过热传导方程的推导和分析，得出YAG晶体内的温度分布情况，以及对各种可 能的结果进行了数值模拟和分析，得到了一些影响YAG晶体内的温度分布的因 素关键词：固体激光器；LD侧面泵浦；Nd : YAG晶体；热效应The Study on LD Side-pumped Nd ：YAG LaserAbstractDescribed the nature of the YAG crystal and other similar comparison of crystal, introduced a solid-state laser pumped in two ways: end-pumped and side-pumped. And the main analysis of the advantages is on side-pumped. Design and analyse a side- pumped solid-state laser. By choosing a suitable laser crystal （Nd: YAG crystal, For side- pumped. In the reverse cooling pump sets highly reflective gold-plated wall membrane, So that the lateral uniformity of the laser rod pumped to achieve low film output. Of the laser diode side-pumped Nd: YAG laser thermal effects are analyzed. Heat conduction equation through the derivation and analysis within the YAG crystal temperature distribution, As well as the range of possible outcomes of a numerical simulation and analysis, have been some impact on the temperature inside the YAG crystal is a factor.Key words：solid state laser ; LD side-pump; Nd：YAG crystal ； Thermal effect目录摘要 0ABSTRACT 11 绪论 32 激光器 42.1 激光器简介 42.1.1什么是激光器 42.1.2激光器工作原理 42.1.3激光工作物质 42.1.4激励（泵浦 系统 52.1.5光学共振腔 52．2固体激光器 52.2.1什么是固体激光器 52.2.2 Nd:YAG 晶体 62.2.3 ND： YAG 激光器 72.3 LD泵浦固体激光器 72.3.1 LD泵浦固体激光器的优点 72.3.2侧面泵浦 82.3.3 LD泵浦固体激光器的发展状况 93 LD 侧面泵浦 ND ： YAG 激光器 103.1 LD侧面泵浦N D :YAG激光器的设计与分析 103.1.1阵列管泵浦源结构分析 103. 1 .2激光晶体棒选取 103.1.3聚光结构设计 123.2模拟分析与推导 123.2.1泵浦高斯光强修正 123.2.2热传导方程与温度场 133.2.3激光棒内的温度分布 133.2.4激光棒内的热应力和热应力双折射 143.3讨论 174 总结 18致谢 18参考文献 191 绪论世界上第一个激光器的成功演示距今已经 40多年了。

这40多年来，激光可惜 技术以其强大的生命力谱写了以不典型额学科交叉的创造发明史激光的应用已经 普及科技、经济、军事和社会发展的许多领域，远远超过了当初人们原有的设想 如今，激光技术在生活中已经变得尤为重要因此，对激光器的研究变得十分重 要在各类激光器中，固体激光器是其中种类最多、应用最为广泛的，而且也是最 为复杂的因此，对固体激光器的研究显得尤为重要固体激光器通常是指以绝缘 晶体或玻璃作为工作物质的激光器少量的过渡金属离子或稀土离子掺入晶体或玻 璃，经光泵激励后哦产生受激辐射作用固体激光器普遍采用光激励方式将处于基 态的粒子抽运到激发态，以形成集居数反转状态光激励又可分为气体放电灯激励 和半导体激光器激励两种方式本文将会讨论半导体激光器激励这种方式固体激 光器有红宝石激光器，钛激光器，钕激光器等目前应用较多的是红宝石激光器以 及钕激光器，本文主要讨论后者钕激光器是以三价钕离子作为激活粒子的激光 器，也是由于最广泛的激光器其中有一种以 Nd 3+离子部分取代 Y 3AL 5O 12晶 体中Y 3+离子的激光工作物质称为掺钕钇铝石榴石激光器（简称Nd : YAG ） 也就是本文讨论的重点：Nd : YAG激光器。

与传统灯泵浦的固体激光器相比，大 功率高效率的激光二极管泵浦的固体激光器体积小、寿命长、可靠性好 ,并且广泛 应用在激光医疗、通讯等领域为了获得更大功率激光输出， 通常采用二极管阵列 侧面泵浦工作物质的方式此时泵浦功率较强，大量的泵浦功率转化为热功率，而直 接导致激光晶体横截面内的温度呈不均匀分布，进而导致热应力、热应力双折射、 激光晶体端面变形等多种热效应尤其是激光器高功率运转时， 激光晶体的热效应 是激光系统设计、优化时首要考虑的因素之一激光晶体ND : YAG内的温度、 热应力、热应力双折射和热焦距的变化规律，为采取措施补偿热效应奠定了基础本文主要讨论Nd : YAG激光器，对Nd : YAG激光器的侧面泵浦做重要研 究，对Nd : YAG激光器的工作物质和工作原理进行研究和讨论，得到一些Nd : YAG激光器的性质和优缺点研究的目的在于能够更清楚的了解和认识这种激光 器的优点和长处，方便以后的运用2激光器2.1激光器简介2.1.1 什么是激光器激光器是能发射激光的装置 1954年制成了第一台微波量子放大器，获得了高度相干的微波束1958年A.L.肖洛和C.H.汤斯把微波量子放大器原理推广应用 到光频范围，并指出了产生激光的方法。

1960年 T.H. 梅曼等人制成了第一台红宝 石激光器1961年 A. 贾文等人制成了氦氖激光器1962年 R.N. 霍耳等人创制了 砷化镓半导体激光器以后，激光器的种类就越来越多按工作介质分，激光器可 分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器和染料激光器 4大类近来还发展了 自由电子激光器，其工作介质是在周期性磁场中运动的高速电子束，激光波长可覆 盖从微波到X射线的广阔波段按工作方式分，有连续式、脉冲式、调Q和超短 脉冲式等几类大功率激光器通常都是脉冲式输出各种不同种类的激光器所发射 的激光波长已达数千种，最长的波长为微波波段的 0.7 毫米，最短波长为远紫外区 的 210 埃， X 射线波段的激光器也正在研究中2.1.2 激光器工作原理除自由电子激光器外，各种激光器的基本工作原理均相同，装置的必不可少的 组成部分包括激励（或抽运）、具有亚稳态能级的工作介质和谐振腔激励是工作 介质吸收外来能量后激发到激发态，为实现并维持粒子数反转创造条件激励方式 有光学激励、电激励、化学激励和核能激励等工作介质具有亚稳能级是使受激辐 射占主导地位，从而实现光放大谐振腔可使腔内的光子有一致的频率、相位和运 行方向，从而使激光具有良好的定向性和相干性。

2.1.3 激光工作物质激光工作物质是指用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质体 系，有时也称为激光增益介质，它们可以是固体（晶体、玻璃）、气体（原子气 体、离子气体、分子气体）、半导体和液体等媒质对激光工作物质的主要要求， 是尽可能在其工作粒子的特定能级间实现较大程度的粒子数反转，并使这种反转在整个激光发射作用过程中尽可能有效地保持下去；为此，要求工作物质 具有合适的能级结构和跃迁特性2.1.4激励（泵浦 系统激励（泵浦 系统是指为使激光工作物质实现并维持粒子数反转而提供能量来源 的机构或装置根据工作物质和激光器运转条件的不同，可以采取不同的激励方式 和激励装置，常见的有以下四种①光学激励（光泵是利用外界光源发出的光来 辐照工作物质以实现粒子数反转的，整个激励装置，通常是由气体放电光源（如氙 灯、氪灯）和聚光器组成②气体放电激励是利用在气体工作物质内发生的气体 放电过程来实现粒子数反转的，整个激励装置通常由放电电极和放电电源组成③ 化学激励是利用在工作物质内部发生的化学反应过程来实现粒子数反转的，通常 要求有适当的化学反应物和相应的引发措施④核能激励是利用小型核裂变反应 所产生的裂变碎片、高能粒子或放射线来激励工作物质并实现粒子数反转的。

2.1.5 光学谐振腔光学谐振腔通常是由具有一定几何形状和光学反射特性的两块反射镜按特定的 方式组合而成一般来讲，谐振腔有两个作用：①提供光学反馈能力，使受激辐 射光子在腔内多次往返以形成相干的持续振荡，这是由通常组成腔的两个反射镜的 几何形状（反射面曲率半径）和相对组合方式所决定；②对腔内往返振荡光束的方 向和频率进行限制，以保证输出激光具有一定的定向性和单色性，这是是由给定共 振腔型对腔内不同行进方向和不同频率的光，具有不同的选择性损耗特性所决定 的2．2 固体激光器2.2.1 什么是固体激光器固体激光器激光器通常是指以绝缘晶体或者玻璃作为工作物质的激光器少量 的过渡金属离子或稀土离子掺入晶体或玻璃，经光泵激励后产生受激辐射作用参 与受激辐射作用的离子密度一般为（1025-1026） m -3，较气体工作物质 3个量级以 上，激光上能级的寿命也比较长，因此较小结构的工作物质易于获得大能量输出2.2.2 Nd:YAG 晶体Nd:YAG晶体即为掺钕的钇铝石榴石，是目前最为成熟的激光材料该晶体属 立方晶系，光学性质各向同性，不存在自然双折射YAG基质很硬、光学质量 好、热导率高，它的立方结构也有利于窄的荧光谱线，从而产生高增益、低闭值的 激光。

而且用提拉法也容易生长出高质量大尺寸的晶体它的物理特性及激光特性 等综合性能是目前最好的光学晶体之一被广泛应用于闪光灯泵浦和LD泵浦的各 类激光器中在光泵浦下， Nd 3+由基态跃迁到各吸收能级后，很快通过无辐射跃迁到亚稳态4F 3/2,由4F 3向下能级自发辐射产生荧光室温下Nd 3+:YAG在近红外 区有三条明显的荧光谱线其中以1.06pm处的荧光谱线最长4F 3/2到41 9/2的跃 迁属三能级系统，阈值高，只有在低温下才能实现激光振荡 4F 3向 4I 11/ 2, 和 4I 3的跃迁都属于四能级系统，阈值低，易于实现激光振荡其中， 1.06pm 的荧光强度较1.35pm的约强四倍，1.06pm的谱线首先起振，并抑制了 1.35pm的 谱线起振，在ND:YAG激光器中通常只观察到1.06pm的激光，只有采用专门的选。