Cr_4_YAG晶体用于Nd_YAG和磷酸盐钕玻璃激光器被动调Q研究

Study of passive Q switched Nd: YAG and Nd: phosphate glass slab lasers with a Cr4+ : YAG crystal
Feng Guoying L Baida K ong Fanlong Cai Bangw ei 610064) ( Institute of Laser P hysics and Chemistry, Sichuan U niversity, Chengdu X u T ianhua H uang Yongz hong ( Southwest Institute o f T echnical Physics, Chengdu 610041) Abstract: T he rate equations including gain medium and slow saturation absor ber have been calculated numerically. T he esperiments for passiv e Q sw itched N d: YAG and N d: phosphate glass slab lasers with a Cr 4+ : Y AG crystal has been perfo rmed. T he calculation results hav e been compared w ith the exper imental data showing a good consistence. Key words: Cr4+ : YA G Q switch crystal, passive Q switch, rate equations, N d: phosphate g lass
光器中光子通量、 激活介 质反转粒子 数密度、 Cr4+ : YAG 晶体的 基态粒 子 数密度和透过率随时间变化的曲线。
Q 脉 冲 宽 度 和 峰 值 功 率 随 Cr4+ : YAG 掺杂浓度厚度乘积变化。
由于各变量相互耦合 , 一般情况下难于得 到速率方程组( 1) - ( 4) 的解析解 , 本文中用四 阶龙格库塔法进行数值计算。在 Nd: YAG 板 条激光器 中, 放电网络 采用 4L C 脉 冲成型 网 络, Nd: YAG 板条激光介质被两闪光灯对称泵 浦, 谐振腔型选用普通平凹腔 , 平面输出耦合镜 透过率选为 40% , 腔长为 50cm 。当泵浦能 量 为 100J 时 , 激光增益介质的小信号增益系数 g 0 = 0 1cm 0 01cm
1
引言
慢饱和吸 收体 。它具有优良的 饱和吸收特 性 , 存在明显的激发态吸收 ( 基态吸收截面
g=
掺四价铬的调 Q 晶体具有宽的吸收带和 良好的饱和吸收性质 , 近年来发展迅速 1 - 5 , 但未见到在钕玻璃激光器中应用。本文中 , 我 们首先对慢饱和吸收体被动 调 Q 的 速率方程 作了数值计算。在理论分析的基础上 , 用掺四 价铬的 YAG 晶体 ( Cr 4+ : YAG) 作调 Q 晶体在 Nd: YAG 板条激光器中实现了被动调 Q, 对脉 宽作了测量, 并进一步在磷酸盐钕玻璃板条激 光器中选用合适参数的 Cr : YAG 进行调 Q, 得到了脉宽合适 ( 100ns) , 光束质量很好的调 Q 脉冲, 对脉冲形状也作了测量。结果表明理论 预测的结果与实验中实际测得的结 果是一致 的。
4+
8 7
- 19
10
- 19 2
cm , 激发 态吸收 截面
2
e=
2. 2
10 cm ) , 吸收带较宽, 高化学稳定性, 无退 化现象 , 高损伤阈值, 导热性好。 包含增益介质、 慢饱和吸收介质的被动调 Q 的速率方程组 ( 其中 , 激光增益介质为四能级 系统) 如下 6 : N1 = - cN 1 t N2 = cN 1 t N st =t N st st c lQ + N 2/ T lR lQ - N 2/ T lR
f 6 c f
50 4 0
10 -
20
cm 2 , Nd: phos
20
:
i
N st 4
c R/
,
10-
cm 2 )
1
。T a
为荧光寿命。
为谐
为饱和吸收体基态吸收的恢复时间。A 21 为自 发辐射 速率 , W P 为泵 浦速率 , 与 灯光 波形 有 关。R 为输 出耦合镜的反 射率。
R
振腔内光子衰减的寿命时间, c = l nR + 2 l + 2 gN 1 l Q + 2 eN 2 l Q 。
, 增 益长度 为 100mm, 吸 收系数 为
4+
- 1
, 吸收长度为 130mm 。设 Cr: Fra bibliotekAG18
晶体 掺 杂 浓 度厚 度 乘 积 为 5 42
10 ions/
cm 。解微分方程组 ( 1) ~ ( 4) , 可得光子通量、 激光增益介质的反转粒子数密度、 饱和吸收体 的基态粒子数密度和透过率随时间变化的曲线
( 西南技术物理研究所, 成都
提要 : 对包含增益介质、 慢饱和吸收介质的被动调 Q 的速 率方程 组作了 数值计 算。用参数 适当的 Cr 4+ : YAG 晶体在 Nd: YA G 和磷酸盐钕玻璃板条 激光器中实现了被动调 Q , 数值计算与实验结果作了比较 , 两者符合较好。 关键词 : Cr4+ : YAG 调 Q 晶体 , 被动调 Q, 速率方程组 , 磷酸盐钕玻璃
4+
10
17
ions/ cm 。计算结果如图 2 所示。从图 2 中可 见, 调 Q 脉冲脉宽为 100ns, 饱和吸收体的透过 率相应于其基态粒子数密度发生跃变, 调 Q 脉 冲也使激光增益介质的反转粒子数密度急剧下 降, 当 Cr : YAG 晶体掺杂浓度与厚度的乘积 发生变化时( 其余参数均保持不变 ) , 调 Q 脉冲 宽度也发生变化 ( 如图 3 示 ) , 调 Q 脉冲宽度为 100ns, 当浓度厚度乘积越大 , 调 Q 脉宽越窄 , 脉冲峰值功率越高。由于磷酸盐钕玻璃介质的 发射截面与 YAG 相比要小一个 数量级, 故在 相同泵浦条件下或在相同的增益条件下, 同一 片在 YAG 激 光器上 很容易 实现被 动调 Q 的 Cr 4+ : YAG 晶体在磷酸盐钕玻璃激光器中就可 能不能实现调 Q 。所以 , 针对具体的实验条件 选择合理的参数是非常重要的。
调 Q 输出激光在 ( a) x 方向和 ( b) y 方向的 光
束束宽 w x 和 w y 随传输距离 Z 的变化
5
结论
4+
体也可用于磷 酸盐钕玻璃激光器实现被动调 Q, 关键技术在于参数匹配; ( 2) 理论分析与实 验结果一致 , 证明了我们所进行的含激光介质 和饱和吸收体的调 Q 速率方程数值求解是正 确的, 为设计有实用价值的调 Q 激光器提供了 依据。 ( 下转 43 页 )
4+
4
实验结果
参考 理论计算 的结果, 我 们进行了 Cr 4+ :
YAG 分别插入 YAG 板条激光器和磷酸盐钕玻 璃板条激光器被动调 Q 实验研究。在 YAG 板
4a
4b 图5
5a
5b
图 4 用 T EK 7904 示波器和 CCD 采集系统测得 ( a) YA G 板条激光 器和 ( b) 磷酸 盐钕 玻璃板 条激 光器调 Q 输出激光 的脉冲波形
f
2
g
( 1) ( 2)
g
lg - N st / lR lg lR -
+ ( ntot - N st ) W P ( 3)
2
原理
Cr 4+ : YAG 的恢复 时间较 其产生 的调 Q
2
t =
(
stcN st
l cl R
g cN 1
lQ lR
脉冲脉宽长 , 一般在微秒量级 ( 3 4 s)
, 故为
本项目为国家高技术强辐射重 点实验室 基金 H96 1 项 目资助。 1997 年 11 月 26 日收稿
st 等于 st 等于
2l R , l R 为实 c 际腔长, c 为光速 ) 。 l g 为增 益介质的 增益长 晶体表面的反射等其它损耗, 度, 为增益介质的吸收系数 , l 为增益介质的 吸收长度 , l Q 为 Cr 4+ : YA G 晶体 的厚度。 为光子通量。在激光束方向自发辐射的光子密 度可看成是初始光子密度, 有 为激光束的立体角 ,
38
激光杂志 1998 年第 19 卷第 3 期
LA SER JO U RNAL ( V ol 19, N o 3 1998)
Cr 4+ : YAG 晶体用于 Nd: YAG 和磷酸盐钕 玻璃激光器被动调 Q 研究
冯国英 吕百达 孔繁龙 蔡邦维
610064)
徐天华
黄永忠
610041)
( 四川联合大学激光物理与化学研究所 , 成都
, = -
为光在 腔
3
数值计算结果
内每往返一周时间( 忽略光在腔中的散射和在
图 1 计算 所得在 Y AG 激光器 中光子通量、 激活介质反转粒子数密 度、 Cr 4+ : Y AG 晶体的基态粒 子数密 度和透过率随时间变化的曲线。
图2
计算 所 得在 磷酸 盐 钕玻 璃 激
图3
计算 所得 N d: glass 激 光器 调
40
激光杂志 1998 年第 19 卷第 3 期
LA SER JO U RNAL ( V ol 19, N o 3 1998)
调 Q 输 出。我 们 设 计 了 饱 和吸 收 体 Cr 4+ : YAG 晶 体的掺杂 浓度厚度 乘积 为 1 6