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本科毕业论文---激光二极管抽运的被动调q微晶片激光器仿真研究.doc
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1、 毕业论文激光二极管抽运的被动调Q微晶片激光器仿真研究院 别计算机与通信工程学院专业名称通信工程班级学号学生姓名指导教师2015年6月8日 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 II 页 激光二极管抽运的被动调Q微晶片激光器仿真摘 要激光二极管(LD)抽运的微晶片激光器具有全固化、体积小、结构简单等特点。调Q技术又叫Q开关技术,是将一般输出的连续激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中发射,从而使光源的峰值功率可提高几个数量级的一种技术,目的是获得高峰值功率,窄脉宽脉冲激光。被动调Q是被激光辐射自身启动的,Q开关是由光学器件构成的,此种光学器件装满有机染料或者是含有掺杂的晶体。本文首先介绍了激光二极管
2、抽运的被动调Q技术的目的,意义及其发展。首先分析被动调Q激光器的理论,就会得到一些相互作用的关系,其中,增益介质中的反转粒子数的密度、可饱和和吸收体中反转粒子的密度以及谐振腔内光子数密度是相互关联的。调Q过程有很多影响因素,配置不同,得到的结果就会不同。微晶片激光器的掺杂的浓度高,谐振腔不长,这些特点都会对调Q产生影响。下面利用Matlab来仿真被动调Q Nd:YAG微晶片激光器的特性,再研究Cr:YAG可饱和吸收体处于激发状态时的吸收情况,得到在二极管接连不断的抽运下,激光二极管的Cr:YAG被动调Q Nd:YAG微晶片激光器的耦合方程,并据此对被动调Q的过程进行分析。在此基础上,代入数值,
3、进行仿真,就可以得到不同参量下被动调Q脉冲输出的精确结果。取微晶片激光器各物理量系数的典型取值,编程求解该微晶片激光器对应的速率方程组,可以看出随时间变化,光子数的密度,反转粒子数的密度,处于基态的粒子数的密度都会变化,我们用曲线来形象表示。进一步分析数值仿真可以得到被动调Q激光脉冲的重复频率,脉冲宽度等值。关键词:激光二极管,被动调Q,耦合,抽运A passively Q-switched diode pumped microchip Lasers simulation Author:Zheng Meng Tutor: Huang liqunAbstractA laser diode (LD
4、) pumped microchip lasers have all solid, small size, simple structure features and so on.Q - known as Q-switch technology, continuous laser energy is compressed into the general output pulse width extremely narrow emission, so that the peak power of the light source can be increased several orders
5、of magnitude of a technique, in order to obtain high peak power, narrow width pulse laser.Passively Q is activated by the laser radiation itself, Q switch is filled with organic dyes such as crystal or doped optical elements.This paper introduces the purpose of laser diode pumped passively Q technol
6、ogy,the significance and development.By passively Q-switched lasers theoretical analysis.we can got the equations that the gain medium inversion density, can be saturated and the absorbent core population inversion density and cavity photon number density of the mutual coupling between .Microchip la
7、sers have high doping concentration, cavity length features, will inevitably have an impact on the process and passively Q parameters.We will use Matlab to simulate the characteristics of passively Q-switched laser.Then consider the Cr:YAG rsaturable absorption excited state absorption body to obtai
8、n a continuous laser diode pumped Cr:YAG passively Q Nd: YAG microchip lasers coupled equations, and analysis passively Q-analysis process.On the basis of numerical simulation, you can get different parameters of passively Q-switched output accurate results.Take microchip lasers typical values of ea
9、ch physical factor, programmed to solve the microchip laser rate equations corresponding to make the photon number density inversion density and particle number density of the ground state of change over time curve.We can simulate to get passively Q-switched laser pulse repetition frequency, pulse w
10、idth equivalent.Key Words: Laser diode,passively Q-switched, coupling, pumped目 录1 绪论11.1 激光器的发展简史11.2 激光器的发展前景22 激光调Q技术32.1 激光的基本理论3 2.1.1 自发辐射,受激辐射,受激吸收3 2.1.2 阈值条件42.2 调Q原理52.3 调Q技术7 2.3.1 主动调Q技术7 2.3.2 被动调Q技术113 激光二极管抽运的微晶片激光器143.1 激光二极管技术14 3.1.1 激光二极管抽运技术的发展14 3.1.2 激光二极管抽运的优点15 3.1.3 激光二极管的抽运的
11、方式163.2 激光二极管抽运微晶片激光器的发展概况194 激光二极管抽运的被动调Q微晶片激光器仿真研究234.1 被动调Q耦合速率方程234.2 被动调Q耦合速率方程组数值仿真24结 论29致 谢30参考文献31附 录33附录A英译汉33附录B仿真程序部分源代码38 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 38 页 1 绪论 近年来激光二极管抽运的微晶片激光器已成为全固态的激光二极管抽运固体激光器(diode laser pumped solid-state laser,简称DPSSL)研究的一个热门话题。本文先从理论 层面上对这种激光器进行了探究,从激光的原理出发,依次分析了被动调Q技术,
12、用二极管进行抽运的方法和好处。最后再利用Matlab进行仿真实验 Cr: YAG-Nd: YAG被动调Q微晶片激光器。1.1 激光器的发展简史1917年,爱因斯坦首次提出并详细分析了原子收到激发时发生辐射的情况。他探讨了有关辐射和分子之间动量相互交换的课题,验证了受激辐射的非常重要的特性:分子被激励后,就会发生辐射,这时会产生光量子。此类光量子的性质很特殊,其频率,传播的方向,偏振的方向等特性都与辐射量子是一致的。这就是所谓的相干性1,为激光的提出作出铺垫。1928年,德国科学家莱德伯格进行了关于氖气的色散实验,在此试验中,证明了受激辐射是确实存在的。1939年,苏联的科学家法布里康特指出,可
13、以通过做实验来检验受激辐射是否存在。他指出,要想实现粒子数反转,那么必须的条件是受激辐射,简言之就是粒子的数目在高能级上比在低能级上要多很多。1951年,美国的Purcell在实验中发现在氟化钗晶体中,利用微波波谱学的方法发现了核自旋体的反转分布,在这次的实验中,出现了受激辐射,其频率恰好为50kHz。这预示着人们通过不懈努力最后掌握了受激辐射的方法。在前人大量的研究成果上,Townes,微波频谱界的泰斗,不断考虑这样一个问题:怎样使微波辐射源性能更好,令其线宽较窄、功率很高。他多次尝试,都以失败告终,最后,他选取了用谐振腔的方法来进行模式选择的思路,最后被激发,发生震荡,进而放大。在20世纪
14、50年代,他和Gorden. Zeiger成功研制出了利用氨分子受激产生辐射原理制成的放大器2,并研制成功第一批可应用于实际的元器件。到1955年,人们对受激辐射振荡放大器进行了更加准确的定义,并不断开发新的激活介质。1956年,科学家成功研制出了固体微波激光器,其采用了三能级方法来实现连续运转。之后,汤斯和肖洛一起研究,面对谐振腔的问题,肖洛提出用F-P干涉仪来代替谐振腔。汤斯认为,这一点很关键,因为这样不必要的震荡会得到控制,他坚信能够制作出这样的激光器。1958年12月,肖洛和汤斯共同研究,发表了红外与光激射器一文。这篇论文引起了强烈的反响,从此以后,越来越多的实验室都在加紧步伐研究,不
15、断探求新型的适用于激光器的材料和方法,争相提出很多设计方案。科学家梅曼,一直致力于将红宝石作为材质的的受激实验研究,在1960年5月15日终于观测到光激励红宝石受激辐射信号,通过不懈努力,最终研制出了世界第一台红宝石固态激光器。1.2 激光器的发展前景激光器开辟了一个全然不同的世界,伴随着第一批激光器的应用,关于激光的研究迅速升温,目前已成了一个热门的课题。激光学科成为了一个交叉的学科,在军事方面,激光在通信,目标跟踪,高能冲击等方面都发挥了重要作用。在工业方面,二氧化碳激光器,半导体激光器,激光印刷,光盘读取,光纤等方面都有很多应用。在医疗方面,激光凝固器应用广泛,在妇科,肿瘤科,眼科等科都
16、发挥了很大的作用。激光在人们生活的方方面面都起了重要作用,在今后的生活中,激光定会与其他学科密切联系,充分发挥优势,越来越普及。2 激光调Q技术1960年,T.H.Maiman成功研制出由红宝石作为抽运材质的激光器,这是激光器史上的一大进步。若想实际应用,急需解决的问题是将脉宽压缩,增大峰值功率等等。1961年,调Q的概念被Hellwarth提出。在这一年,他在红宝石激光器上,利用被动调Q技术,成功输出了窄激光脉冲。不久,H.W.Mocker用了相同的方法,成功地把激光脉冲的脉宽降低到10ns以下。调Q技术越来越成熟,脉冲的峰值功率不断提升。这样得到了脉冲宽度的最低值为(激光器谐振腔的长度为,
17、光速是,因此通过该技术,我们一般最多只能够输出纳秒级别的激光脉冲)。2.1 激光的基本理论2.1.1 自发辐射,受激辐射和受激吸收 19161917年,爱因斯坦根据光量子论推导出了普朗克公式。在这次的计算推导中,他提出了两个非常重要的概念,这两个概念对以后的研究产生了极大影响,即受激和自发两种辐射。他采用了新的模型:光和物质相互作用的模型。在这种模型下,设定了原子只有两个能级,能级2和能级1,如下图2.1所示。原子从高能态2向低能态1跃迁辐射能量,由低能态向高能态跃迁,吸收能量。这个过程,由自发辐射光子和受激辐射光子组成。原子受到激励激发到高能级E2时,它的状态是不够稳定的,有一种向低能级跃迁
18、的趋势。即使没有外界因素,处于高能级的原子,也有可能发生跃迁。如果没有外加条件,原子从高能级向低能级跃迁方式有两种方式。只通过释放热能的方式来跃迁的,叫做无辐射跃迁。通过光辐射的形式来跃迁的,叫做自发辐射跃迁。辐射出的光子能量满足玻尔条件: (2.1)假设原子系统受到外加能量,如的光子照射时,如果满足条件那么处于低能态E1上的原子就会发生受激吸收,吸收此光子,得到能量,跃迁到高能态E2上,如下图2. 1(b)所示。与此同时,在光的受激吸收过程的同时,还有一个相反的过程,受激辐射。此过程需收到光子照射,此光子需满足条件:,那么处在高能级E2上的原子也会受到外来的能量的光子的激发,而从高能级E2跃
19、迁到低能级E1上去。这时原子就会输出一个光子,它和外来光子具有相同特性。激光的产生就是在收到激发,发生辐射这个过程中产生的。如图2.1(c)所示。图2.1 (a)自发辐射,(b)受激吸收,(c)受激辐射2.1.2 阈值条件从光子的观点来看,在能级E2,E1之间添加介质,使粒子数可以反转分布,当自发辐射时,腔内频率为u的模式的光,就能够得到一个光子。介质在这种状态的光子感应下受激辐射,就会输出一个光子,其性质与此光子性质完全一致。这样,在这种模式下,就会得到一个光子,与高能级的原子相互作用,就会发生受激辐射,进而再一次产生光子。通过这样的一系列的雪崩式反应,就会输出大量的光子,在量子的状态下,这
20、些光子的性质是一致的。最后产生的这种频率为的形式的光,光子的数目积聚越来也多。激光产生就是这样形成的。腔内任何模式的光,只有至少存在一个光子,才能形成这样一个过程。激光阈值的另外一种表达式可以表示为下面的式子: (2.2)在同一个模式下,自发辐射几率记作A21/g,模式数目记作g,在腔内,光子的生存时间长度是,上面的式子还可以写成这样的表达式: (2.3)2.2 调Q原理调Q技术在激光的研究史上打开了一扇新的大门,使得激光器能够在极短的时间内输出很大的能量,这样就能够产生峰值功率很高的脉冲,它的峰值功率与普通的长脉冲的功率有着数量级上的差异。无规则的尖峰脉冲形成脉冲激光器的输出,这种尖峰脉冲只
21、产生在阈值附近,宽度极窄。在这样的一组脉冲中,峰值功率不会很大,因为激光器输出的能量已经被分散开来,一般而言,激光谐振腔的损耗很低,可以近似忽略掉,但是当光抽运后,反转粒子数增加,当数目达到一定程度时,激光器就发生震荡,处于高能级的粒子受到辐射后,数目开始减少,这样就会使高能级的反转粒子数目不会很多。由于这样的原因,普通的激光器的峰值功率一直不能提高。所以我们要想使得高能级积累数目较多的粒子,就需要改变激光器的阈值,使得高能级的最大粒子反转数不受限制。要想产生震荡,激光器的阈值需满足以下的式子: (2.4)并且已有关系式: (2.5) 所以得到下面的式子: (2.6)式中,模式的数目表示为g,
22、自发辐射的概率表示为,光子在腔内的生命长度表示为,品质因数可以用Q值来表达,它用下面的式子来定义: (2.7) 其中,为腔内存储的能量,为每秒损耗的能量。式中,中心频率用来表示。腔内的能量积累,存储后用来表达,光在腔内传播都会有损失,每次传播的消耗的能量用来表示,在一次的传播中,光就会损耗数量为的能量。我们分别用来表示谐振腔的长度,介质的折射率,光速。因此,光通过腔一次,历时是。每秒钟,光损失的能量可以表示为。品质因数Q可以用下面的式子来表示 (2.8)品质因数Q越小,意味着能量损耗越大。若想提高阈值,可以通过降低Q值来实现。在Q开关运转中,先将能量存储,通过光抽运的方式,然后降低品质因数Q来
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