闪光灯泵浦的脉冲NdYAG激光器
Nd：YAG激光器调Q激光束的放大特性
Nd:YAG激光器调Q激光束的放大特性实验目的：1. 了解固体激光器的自由振荡输出特性2. 了解调Q技术以及调Q激光输出特性3. 了解固体激光器的应用4. 掌握固体激光器的光路调整实验原理：1. 自由振荡激光输出特性通常激光器谐振腔的损耗是不变的，一旦光泵浦使反转粒子数达到或略超过阈值时，激光器便开始振荡，于是激光上能级的粒子数因受激辐射而减少，致使上能级不能积累很大的反转粒子数，只能被限制在阈值反转数附近，当低于阈值时又开始准备第二次振荡。
这使得自由振荡固体激光器的输出是由许多振幅、脉宽和间隔作随即变化的尖峰脉冲组成，尖峰脉宽非常窄（微秒量级），间隔数微秒，脉冲序列的时间长度大致等于闪光灯泵浦持续时间。
激光器的输出能量分散在这样一串脉冲中，因而不可能有很高的峰值功率，增大泵浦能量时也无助于峰值功率的提高，只会使小尖峰数量增加。
2. 调Q技术激光上能级最大粒子反转数受到激光器阈值的限制，因此可设法改变激光器的阈值来实现上能级积累大量的反转粒子。
由激光振荡阈值条件可知临界阈值与谐振腔Q值成反比。
Q 值为谐振腔的品质因数，当波长和腔长一定时，Q与谐振腔的损耗成反比，即损耗大，Q值就低，阈值高而不易起振；当损耗小，Q值就高，阈值低而易起振。
调Q技术就是通过某种方法使腔的Q值随时间按一定程序变化的技术。
本实验通过Q 晶体改变谐振腔的阈值（或Q值）。
泵浦开始时，使光腔处于低Q值，即提高振荡阈值使激光器不产生激光振荡，于是上能级反转粒子数便可大量积累，当积累达到最大值时，突然使腔的损耗减小，Q值突增，激光振荡迅速建立，在极短时间内上能级的反转粒子被消耗，受激辐射增强非常迅速，在腔的输出端形成一个峰值功率很高、脉冲宽度很窄的单一脉冲激光。
实验中所用Q晶体为Cr4+:YAG晶体，有自饱和吸收特性，对光的吸收损耗在其饱和之前很大，达到饱和之后则瞬间降低至接近于零，这样就起到了调Q的作用。
这是一种被动调Q技术。
实验装置1. He-Ne激光器2. 小孔光阑3. 1064nm全反凹面镜M14. Cr4+:YAG调Q晶体5. Nd:YAG振荡棒6. 输出镜M27. Nd:YAG放大棒8. 平板玻璃9. 能量计图1 实验光路示意图本实验采用两组Nd:Y AG晶体和泵浦氙灯，前组为振荡级，后组为放大级。
脉冲Nd：YAG激光器型号
InnoLas公司位于德国激光圣地慕尼黑，是德国激光界的大公司。
InnoLas的科研激光部门整合了传统Nd:YAG技术和最新的电子，光学制造工艺，推出了全新的灯甭浦脉冲Nd:YAG激光器。
同时，和德国Radiant Dye 公司，德国GWU公司达成战略合作伙伴，推出甭浦激光集成一体化的染料激光器，光参量激光器OPO。
InnoLas作风严谨,对产品品质的追求精益求精,所承诺用户的要求,使命必达! InnoLas产能巨大, 所有的产品都能在最短时间内交货.脉冲Nd:YAG激光器是最传统的固体激光器品种，由于脉冲Nd:YAG激光器脉冲能量高，光束质量好，技术成熟，可靠，是激光器家族中不可替代的品种。
脉冲Nd:YAD被成功应用于多种科研和工业领域,如：LIF，LIBS,LIPS，PIV，激光光谱，干涉，全息，非线性光学如：染料激光甭浦，OPO甭浦，OPA甭浦等等。
再者，脉冲Nd:YAG 激光器经典性的再现传统激光理论，因此是激光教学理想品种！InnoLas的脉冲Nd:YAG激光器有十多个系列，数十个型号，现在简单罗列如下1 SpitLight200系列灯泵浦Nd:YAG激光器波长：1064，532，355，266，213 nm脉冲能量：220mJ/1064, 4mJ/ 213脉宽：6ns重复频率：10Hz, 20Hz应用：激光光谱学，LIF，LIBS，LIPS，PIV，Dye/OPO甭浦，激光干涉，激光全息等2 SpitLight400系列灯泵浦Nd:YAG激光器波长：1064，532，355，266，213 nm脉冲能量：400mJ/1064nm, 50mJ/266nm脉宽：7ns重复频率：10Hz, 20Hz,30Hz, 50Hz应用：Dye/OPO/OPA甭浦, 激光光谱学，LIF，LIBS，LIPS，PIV，LIDAR ,激光干涉，激光全息等其他: 可以实现双脉冲, 可以加种子(seeder)3 SpitLight600系列灯泵浦Nd:YAG激光器波长：1064，532，355，266，213 nm脉冲能量：800mJ/ 1064nm, 400mJ/532nm, 200mJ/355,90mJ/266nm脉宽：7ns重复频率：10Hz, 20Hz,30Hz, 50Hz应用：Dye/OPO/OPA甭浦, 激光光谱学，LIF，LIBS，LIPS，PIV，LIDAR ,激光干涉，激光全息等其他: 可以实现双脉冲, 可以加种子(seeder)4 SpitLight1000系列灯泵浦Nd:YAG激光器波长：1064，532，355，266，213 nm脉冲能量：1000mJ/1064nm, 500mJ/532nm, 320mJ/355nm, 100mJ/266脉宽：7ns重复频率：10Hz, 20Hz,30Hz, 50Hz应用：Dye/OPO/OPA甭浦, 激光光谱学，LIF，LIBS，LIPS，PIV，LIDAR ,激光干涉，激光全息等其他: 可以实现双脉冲, 可以加种子(seeder)5 SpitLight1200系列灯泵浦Nd:YAG激光器波长：1064，532，355，266，213 nm脉冲能量：1250mJ/1064, 24mJ/ 213nm脉宽：7ns重复频率：10Hz, 20Hz应用：激光光谱学，LIF，LIBS，LIPS，PIV，Dye/OPO甭浦，激光干涉，激光全息, 脉冲激光沉积镀膜等6 SpitLight1500系列灯泵浦Nd:YAG激光器波长：1064，532，355，266，213 nm脉冲能量：1500mJ/1064nm, 700mJ/1064nm, 420mJ/355nm, 130mJ/266nm脉宽：7ns重复频率：10Hz, 20Hz,30Hz, 50Hz应用：Dye/OPO/OPA甭浦, 激光光谱学，LIF，LIBS，LIPS，PIV，LIDAR ,激光干涉，激光全息等其他: 可以实现双脉冲, 可以加种子(seeder)7 SpitLight2000系列灯泵浦Nd:YAG激光器波长：1064，532，355，266，213 nm脉冲能量：2000mJ/1064nm, 1000mJ/1064nm, 500mJ/355nm, 130mJ/266nm脉宽：7ns重复频率：10Hz, 20Hz,30Hz, 50Hz应用：Dye/OPO/OPA甭浦, 激光光谱学，LIF，LIBS，LIPS，PIV，LIDAR ,激光干涉，激光全息等其他: 可以实现双脉冲, 可以加种子(seeder）8 SpitLight-Hybrid系列DPL振荡,灯泵浦放大Nd:YAG激光器波长：1064，532，355，266，213 nm脉冲能量：250-800mJ/1064nm,脉宽：7ns重复频率：0-200Hz应用：Dye/OPO/OPA甭浦, 激光光谱学，LIF，LIBS，LIPS，PIV，LIDAR ,激光干涉，激光全息等其他: 可以实现双脉冲, 可以加种子(seeder)9 SpitLight-DPSS系列全半导体泵浦Q-Switch Nd:YAG激光器波长：1064，532，355，266，213 nm脉冲能量：3mJ, 10mJ, 100mJ, 250mJ ，500mJ,1000mJ(1064nm)脉宽：7-10ns重复频率：0-200Hz应用：Dye/OPO/OPA甭浦, 激光光谱学，LIF，LIBS，LIPS，PIV，LIDAR ,激光干涉，激光全息等其他: 可以实现双脉冲, 可以加种子(seeder)10 YM-R1000/2000系列波长：1064，532，355，266nm脉冲能量：2000mJ/1064, 130mJ/ 266nm脉宽：9ns重复频率：10Hz, 20Hz, 50Hz应用：Dye/OPO/OPA甭浦, 激光光谱学，LIF，LIBS，LIPS，PIV，激光干涉，激光全息，脉冲激光沉积镀膜等其他: 可以实现双脉冲, 可以加种子(seeder)11 HLS-R 系列红宝石激光器波长：694.3nm脉冲能量：1000mJ ,500mJ/双脉冲脉宽：30ns重复频率：0-4Hz应用：激光光谱学，LIF，LIBS，LIPS，PIV，Dye/OPO 甭浦，激光干涉，激光全息等.12 AML系列主动锁模皮秒激光器波长：1064nm脉冲能量：10mJ, 100mJ, 1000mJ脉宽：100-600ps(可调)重复频率：0-20Hz应用：激光光谱学，LIF，LIBS，LIPS，PIV，Dye/OPO 甭浦，激光干涉，激光全息等.。
YAG系列晶体
尺寸：按需求提供体。
5、Tm、Ho：YAG晶体
Ho和Tm激光器有很大的市场潜力。由于Ho和Tm激光输出波长在2微米左右，与水的吸收峰相接近，有极好的对人体组织切割和凝血效果，可以用普通光纤传输，是理想的手术激光光源。人体组织对2μm激光吸收率高，几乎比Hd:YAG高3个数量级。所以用Ho:YAG激光器进行医疗手术时，不但可以提高手术效率和精度，而且可使热损伤区域减至更小。钬晶体产生的自由光束可消除脂肪而不会产生过大的热量，从而减少对健康组织产生的热损伤，据报道美国用钬激光治疗青光眼，可以减少患者手术的痛苦。美国已批准20多种2微米激光在医疗临床使用。可治疗多种疾病。2微米激光对人眼安全，大气穿透好，可作为激光雷达光源，其综合性能优于Nd：YAG和CO2激光器。
4、Er：YAG晶体
Er：YAG激光波长为2.94微米，此波段激光较之二氧化碳激光的10.6微米更易被水、Ca、P等所吸收，多用于切开、切除多水份的身体软组织及骨切开术，性能大大优于二氧化碳激光刀。目前较多研究治疗牙周病及利用Er:YAG激光器代替高速涡轮牙钻，实施对牙体硬组织的切割等，这方面有应用前景可作关节游离体摘除、炎性滑膜摘除、半月板切除、经皮穿刺椎间盘减压术等。Er浓度为50at.％，能提供F1-10(D) ´ 10-120（L）mm的激光棒和各种板条元件。
二、钛宝石激光晶体
钛宝石（Ti：sapphire，Ti3＋：Al2O3）是当今最优秀的可调谐激光晶体，调谐带宽：660nm~1100nm，吸收带位于400~600nm，峰值吸收在490nm附近。表征晶体质量除按光学晶体要求外，一个重要的指标是晶体的品质因素（figure of merit,简称FOM）。FOM定义为：FOM=α490∏/α800∏，α490∏、α800∏分别表示晶体在490nm和800nm对∏偏振光的吸收系数。
实验八 脉冲式灯泵浦YAG激光器被动调Q实验
实验八脉冲式灯泵浦YAG激光器被动调Q实验实验目的（1）掌握被动调Q Y AG激光器的工作原理与调试方法。
（2）测量脉冲与连续泵浦Y AG激光器的静态输出特性。
（3）分析被动调Q率被动调Q Y AG激光器的动态输出特性。
（4）在被动调Q理论分析的基础上，通过实验研究，针对相应的运转条件和应用需求，设计被动调Q Y AG激光器的光学参数。
实验原理1．固体Nd:Y AG激光器的工作原理。
（1）Nd:Y AG晶体的性质Nd3+:YAG是以三阶钕（Nd3+）离子部分取代Y3Al45O12晶体中Y3+离子的激光工作物质，称为掺钕钇铝石榴石（简称Nd3+:YAG）。
它以Nd3+离子作为激活粒子。
图8-1给出了Nd3+:YAG晶体中Nd3+离子的与激光产生过程有关的能级图。
处于基态4I9/2的钕离子吸收光泵发射的相应波长的光子能量后跃迁到4I5/2，2H9/2和4F7/2，4S3/2能级（吸收带的中心波长是810nm和750nm，带宽为30nm），然后几乎全部通过无辐射跃迁迅速降落到4F3/2能级。
4F3/2能级是一个寿命为0.23ms的亚稳态能级。
处于4F3/2能级的Nd3+离子可以向多个较低能级跃迁并产生辐射，其中几率最大的是4F3/2至4I11/2的跃迁（波长为1064nm）。
图8-1 Nd3+:YAG激光的激发机理（2）静态运转特性分析（a）脉冲运转→驰豫振荡（尖峰效应）暂态过程。
（b）连续运转→阈值条件（增益饱和）稳态过程。
按“激光原理与技术”中有关章节的分析，结合实验得出：仅仅依靠增加泵浦能量与功率，不能获得窄脉宽，高峰值功率的激光脉冲的结论。
2．Cr:YAG饱和吸收被动调Q原理自饱和被动式调Q激光器由于器件结构简单，对激光器无电磁干扰，应用十分广泛，但由于通常的染料调Q介质，导热率极低，使其应用范围受到局限，只能用于低重复率的脉冲调Q激光器中。
近年来，由于激光晶体技术的进步，我国已生产出可用于高重复率调Q的多掺Y AG晶片，制成了被动式的Q开关器件，兼备声光和染料调Q的长处，在激光医疗、激光打标和非线性光学等领域获得广泛的应用。
泵浦Nd：YAG激光器讲解
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 (1)1 绪论 (3)2 激光器 (4)2.1 激光器简介 (4)2.1.1 什么是激光器 (4)2.1.2 激光器工作原理 (4)2.1.3 激光工作物质 (4)2.1.4 激励(泵浦系统 (5)2.1.5 光学共振腔 (5)2．2 固体激光器 (5)2.2.1 什么是固体激光器 (5)2.2.2 Nd:YAG晶体 (6)2.2.3 ND：YAG 激光器 (7)2.3 LD 泵浦固体激光器 . (7)2.3.1 LD泵浦固体激光器的优点 (7)2.3.2 侧面泵浦 (8)2.3.3 LD泵浦固体激光器的发展状况 (9)3 LD侧面泵浦ND ：YAG 激光器 (10)3.1 LD 侧面泵浦N D :YAG激光器的设计与分析 . (10)3.1.1 阵列管泵浦源结构分析 (10)3.1.2 激光晶体棒选取 (10)3.1.3 聚光结构设计 (12)3.2 模拟分析与推导 (12)3.2.1 泵浦高斯光强修正 (12)3.2.2 热传导方程与温度场 (13)3.2.3 激光棒内的温度分布 (13)3.2.4 激光棒内的热应力和热应力双折射 (14)3.3 讨论 (17)4 总结 (18)致谢 . (18)参考文献 (19)1 绪论世界上第一个激光器的成功演示距今已经40多年了。
yag激光器工作原理
yag激光器工作原理YAG激光器工作原理激光器是一种能够产生高度聚焦、单色、相干光的装置。
YAG激光器是其中一种常见的激光器类型，它采用了YAG（氧化铝镱）晶体作为激活介质，通过光泵浦的方式来产生激光。
YAG晶体是一种具有优良光学性质的晶体材料，其化学式为Y3Al5O12。
由于其晶体结构的特殊性质，YAG晶体能够有效地将能量转换为激光光子。
在YAG激光器中，通常使用Nd：YAG晶体，其中掺杂了少量的钕元素（Nd）。
YAG激光器的工作原理可以分为三个主要步骤：光泵浦、激活和放大。
首先是光泵浦阶段。
为了激活YAG晶体并使其产生激光，需要通过外部能量的输入来激发晶体中的电子。
这个过程称为光泵浦。
常见的光泵浦方式有闪光灯泵浦和半导体泵浦。
其中，闪光灯泵浦使用强光闪光灯照射晶体，而半导体泵浦则通过电流通过半导体材料来产生激光。
接下来是激活阶段。
在光泵浦的作用下，部分YAG晶体内的钕元素被激发并跃迁到激发态。
这个跃迁过程是通过吸收外部能量使得钕元素内的电子从基态跃迁到激发态。
在激发态，钕元素的电子处于高能量状态并具有较长的寿命。
最后是放大阶段。
在激发态的钕元素中，电子会经历自发辐射的过程，从而跃迁回基态并释放出激光光子。
这些光子会引起其他的激发态钕元素的辐射跃迁，从而产生更多的激光光子。
通过在YAG晶体两端放置一个半透镜，可以实现激光的放大。
这是因为激光光子在晶体中来回反射，同时受到透镜的聚焦，从而形成高强度的激光束。
总结起来，YAG激光器的工作原理是通过光泵浦将外部能量输入到YAG晶体中，激发其中的钕元素，使其产生激光。
通过在晶体两端放置透镜，可以实现激光的放大。
YAG激光器由于其稳定性和可靠性，在医学、工业、科研等领域得到了广泛的应用。
YAG激光器的研究
高能量输出的皮秒Nd:YAG激光器的研究王加贤,张文珍(华侨大学信息科学与工程学院,福建泉州362011)摘要:分别研究了2种闪光灯泵浦的高能量输出的皮秒Nd:YAG激光器一种是r4+:YAG晶体作为可饱和吸收体,在强光作用下r4+:YAG的激发态吸收导致了激光器的被动锁模,获得能量25mJ~脉宽150ps的单脉冲序列,并从速率方程导出r4+:YAG激发态吸收的可饱和光强和小信号吸收系数;另一种是在折叠腔激光器内插入LiF:F-2晶体作为调0器件~S2作为克尔自聚焦介质,利用自聚焦和腔内合适位置的光阑相结合形成的克尔透镜效应,实现激光器在调0包络下的锁模运转,输出激光能量达15mJ~脉宽为80ps关键词:r4+:YAG;LiF:F-2;Nd:YAG激光器;被动锁模;克尔透镜效应中图分类号:TN248.1文献标识码:A文章编号:1005-0086(2003)02-0127-04 InVestigation of a Picosecond Nd:YAG Laser with High Output Energy WANG Jia-xian,ZHANG Wen-Zhen(Ollege Of infOrmatiOn Science8Engineering,HuagiaO university,OuanZhOu362011,hina) Abstract:TWO ki n ds O f fl ash l amp-pumped pi c O sec O n d N d:YAG l aser s W i th h i gh O u tpu t en er gy W er e i n-vesti gated r especti vel y.Fi r stl y,Cr4+:YAG cr ystal W as u sed as a satu r abl e abs O r ber.T h e exci ted-state abs O r pti O n satu r ati O n O f th e Cr4+:YAG cr ystal u n der th e acti O n O f str O n g l aser pu l ses r esu l ts i n th e pas-si ve m O de-l O cki n g O per ati O n O f th e N d:YAG l aser.A si n gl e pu l se tr ai n W i th th e en er gy O f25m an d th e pul se dur ati O n O f150ps W as O btai n ed.T h e satu r abl e l i gh t i n ten si ty an d th e smal l-si gn al abs O r pti O n c O ef-fi ci en t f O r th e exci ted-state abs O r pti O n O f Cr4+:YAG cr ystal W er e th e O r eti cal l y dedu ced fr O m th e r ate e-cuati O n s.Sec O n dl y,Li F:F-2cr ystal W as i n ser ted i n th e f O l ded cavi ty as a O-s W i tch devi ce an d CS2W as used as a ker r-sel f-f O cu si n g medi u m.T h e m O de-l O cki n g i n a O-s W i tch ed en vel O pe O f th e N d:YAG l aser W as r eal i zed usi n g th e ker r-l en s effect f O r med i n c O mbi n ati O n W i th sel f-f O cu si n g an d an aper tu r e at a speci fi c si te i n th e cavi ty.T h e O u tpu t en er gy an d pu l se dur ati O n ar e15m an d80ps r especti vel y.K ey words:Cr4+:YAG;Li F:F-2;N d:YAG l aser;passi vel y m O de-l O cki n g;ker r-l en s effect1引言尽管以Ti:sapphire为代表的克尔透镜锁模飞秒激光器近年来发展迅速,但大量闪光灯泵浦的Nd:YAG被动锁模皮秒激光器由于输出能量高,在激光加工~激光医疗和激光检测等方面有着重要应用,所以仍然受到很大的重视传统上,人们一直采用有机染料,如K Oda k NO.9860~五甲川和十一甲川作为可饱和吸收体,对闪光灯泵浦的脉冲式Nd:YAG激光器进行被动锁模虽然有机染料饱和吸收的恢复时间短,可以获得几10ps的激光脉冲输出,但具有使用不方便~稳定性能差和不能使激光器全固化等缺点本文报道分别采用r4+:YAG和LiF:F-2作为可饱和吸收体,实现闪光灯泵浦的Nd:YAG激光器的锁模运转,获得高能量的皮秒激光脉冲输出,并且分析2种情况下的锁模机理和激光器的运转特性2C r4+:YAG实现激光器的被动锁模2.1锁模机理r4+:YAG的能级结构和主要跃迁过程如图1光电子激光第14卷第2期2003年2月Journal of o ptoelectronics laser Ol.14NO.2Fe.2003收稿日期:2002-08-28修订日期:2002-11-11基金项目:福建省自然科学基金资助项目(A0010018);国务院侨办科研基金资助项目(02OZ04)所示[1]G对1.06pm激光入射存在着3A2到3T2的基态吸收和3T2到3T1的激发态吸收基态和激发态的吸收截面分别为og=8.7 10-19cm2和oe=2.210-19cm2室温下第一激发态3T2和第二激发态3T1的弛豫时间分别为3.4ps和50ps[2]G由于基态饱和吸收的恢复时间相当长所以基态的饱和吸收只能调0[3~4]而不能实现被动锁模G作者认为若作用在Cr4+,YAG上的激光功率密度足够大Cr4+,YAG的激发态饱和吸收可以导致被动锁模G这个过程可描述为,激光振荡开始后基态的Cr4+首先被激发到3T2能级经过一段时间(ps量级)基态吸收达到饱和0开关打开腔内光强迅速增大处于3T2的Cr4+受激吸收跃迁到3T1经过50ps的弛豫时间又返回到3T2能级G Cr4+在3T2与3T1之间跃迁其效果造成对调0脉冲进行调制G在0开关打开后基态被抽空Cr4+基本分布在3T2和3T1能级可得到3T1和3T2能级上的Cr4+数密度N3~N2的变化率方程和晶体内激光光强随传播距离的变化分别为8N3 8t =N2o e1hU-N3z38N28t=-N2o e1hU+N3z3(1) d1dx=-1o e N2(2)式中hU为1.06pm激光的光子能量;z3=50ps为3T1能级的弛豫时间G把稳态条件8N3/8t=8N2/8t= 0及近似条件N0=N3+N2(N0为晶体中总的Cr4+数密度)代入(1)-(2)式可以解出Cr4+,YAG晶体激发态吸收的吸收系数为图1Cr4+,YAG能级图Fig.1Schematic energy level diagram of Cr4+,YAGa=-d11dx=o e N01+1o e z3/hU=a01+1/1S(3)可见a0=o e N0是Cr4+,YAG晶体激发态吸收的小信号吸收系数;1s=hU/o e z3是激发态吸收的饱和光强G由于3T1的驰豫时间(50ps)远远小于光脉冲在腔内的往返时间(ns量级)所以只要Cr4+,YAG 中的1.06pm激光光强达到激发态吸收的饱和光强Cr4+,YAG就可起到快饱和吸收体的作用在Nd,YAG激光器中实现被动锁模G2.2实验装置和实验结果实验装置如图2所示采用平凹腔结构M1是曲率半径R1=300cm的全反射凹面镜M2是全反射平面镜M3是反射率15的平面输出镜G直径3.5 mm~长度60nm的Nd,YAG棒用2根脉冲氙灯泵浦工作重复率为1~Z G通光长度2mm~小信号透过率60的Cr4+,YAG晶体用In膜包裹装在Cu套内通循环水冷却并紧靠M2镜放置这样有利于脉冲反射前沿和入射后沿在Cr4+,YAG中重叠以增加作用在Cr4+,YAG上的激光功率密度使Cr4+, YAG的激发态吸收达到或接近饱和G输出激光由快速光电探测器接收并输入到400M~Z存储示波器上观察脉冲波形用非共线自相关二次谐波法测定脉冲宽度用PT-1型激光能量计测量输出能量G实验中沿光轴方向移动凹面镜以改变腔长当腔长较小时(小于100cm)激光器运转在调0状态;随着腔长的增加调0脉冲中出现调制而且调制深度随着腔长的增加而加深G当腔长调整约为140cm时示波器上观察到稳定的锁模脉冲如图3所示G测得输出能量为25mJ~平均脉宽为150ps G实验结果表明较大的腔长是实现激光器锁模的关键因素G这是因为采用长腔可以使Cr4+,YAG上的光束半径减小激光功率密度增加;而且可以使锁图2被动锁模Nd,YAG激光器实验装置Fig.2E x p erimental s et u p of p a s s ivelymode-loc k ed Nd,YAG la ser图3锁模脉冲波形Fig.3O s cillogram of mode-loc k ed p u l s e train821光电子激光2003年第14卷定的纵模数增多9有利于锁模脉冲的形成~脉宽的压缩和激光峰值功率的提高0这样9C 4+,YAG 上的激光光强可以达到激发态吸收的饱和光强9从而实现被动锁模03利用克尔透镜效应实现激光器的锁模运转自上世纪90年代以来9理论和实验上大量研究了连续泵浦的固体激光器的克尔透镜锁模9获得飞秒激光脉冲输出0近年来9也有人研究在闪光灯泵浦的主动锁模激光器中插入非线性介质9利用克尔透镜效应增强锁模进程9大幅度压缩脉冲宽度[5 6]0我们研究了在脉冲式Nd ,YAG 激光器中9用LiF ,F -2作为调0器件9实现调0包络下的克尔透镜锁模03.1实验装置和实验结果实验装置如图4所示0其中9M 1是全反射平面镜;M 2~M 3是曲率半径20Om 的全反射凹面镜;M 4是透过率15%的平面输出镜;SA 是LiF ,F -2晶体;D是作为克尔介质的CS 2(其非线性系数n 2=1.4>10-16Om 2/V )9厚度2mm 9以布氏角放置;F 是可变光阑0选取M 1与M 2的距离等于M 3与M 4的距离9约为65Om 9M 2与M 3的距离约为20Om 9总的腔长约为150Om 0调整激光器9特别是精细调整M 2与M 3的距离9示波器上观察到的锁模脉冲与图3相似9测得输出能量为15mJ ~平均脉宽为80PS 0实验中若把克尔介质移去9重新调整激光器后却得不到锁模脉冲9这说明了克尔透镜效应的作用0进一步优化激光器的参数9可望得到更窄的脉冲图4Nd ,YAG 克尔透镜锁模激光器Fig .4Experimental setup of kerr -lens mode -locked Nd ,YAG laser3.2理论分析在本实验装置中9LiF ,F -2晶体对1.06pm 激光的饱和吸收只能调09而不能直接实现被动锁模9这点从LiF ,F -2的能级结构图(图5)可清楚地看出[7]LiF ,F -2的吸收峰在0.96pm 处9半宽度约为0.15pm 0很明显9它和Nd 3+的发射谱相重叠9在强光作用下出现可饱和吸收9其作用类似于染料分子0能级4-3是无辐射跃迁9弛豫时间T 4 10-12S ;能级3-2是辐射跃迁9亚稳态寿命T 3 10-7S ;能级2-1是快速弛豫过程9T 2 10-10S 0由于亚稳态寿命较长9导致了F -2基态饱和吸收的恢复时间(约10-7S )远大于腔的渡越时间(10-8S )9所以LiF ,F -2晶体的饱和吸收只能调09而不能直接实现被动锁模0但是9利用LiF ,F -2的调0作用9在结构合适的谐振腔中插入非线性系数高的CS 29借助于克尔透镜效应9可以实现激光器的锁模运转0其过程为,当激光器振荡后9LiF ,F -2起到调0作用9腔内光强迅速增加9克尔介质上的激光功率密度很大9引起了光束的自聚焦0自聚焦与光阑相结合形成了克尔透镜效应9即锁模脉冲受到与光强有关的自振幅调制9脉冲中部功率大9光束半径小9损耗低;而脉冲前后沿功率小9光束半径大9损耗高0这种机制相当于快饱和吸收体9从而实现Nd ,YAG 激光器在调0包络下的锁模运转图5LiF ,F -2能级图Fig .5Schematic energy leVel diagram of LiF ,F -24结束语采用C 4+,YAG 和LiF ,F -2作为可饱和吸收体9分别实现闪光灯泵浦的Nd ,YAG 激光器的锁模运转9获得高能量输出的皮秒脉冲02种情况下的锁模机制有所不同9前者是通过C 4+,YAG 的激发态饱和吸收实现被动锁模9后者是在LiF ,F -2晶体的调0下9利用克尔透镜效应使激光器实现锁模运转0参考文献,[1]A Sen n ar ogl u 9C R Pol l ock .Effi ci en t co n ti n u ou s -W a v e ch r omi u m -dop e d Y A G l a s er [J ].J .Opt .Soc .Am (B )91995912(5),930-937.[2]Y S h i mo n y 9Z Bu r sh t e i m 9Y K a l i sky .C r4+,Y A G a s p a s-si v e O -sWi tch an d B r e Wst er pl a t e i n a pu l s e d N d ,Y A G l a s er [J ].IEEE J .Ouontum Electron 919959O -E 31(10),1738-1741.[3]Ouy an g Bi n 9Di n g Y an h u a 9W an Xi a ok e 9et ol .Sa tu r a bl e-921-第2期王加贤等,高能量输出的皮秒Nd,YAG 激光器的研究absOr pti On Of Cr4+:YAG an d i ts per fOr man ce as O-sWi tch es[J].Acto Optico Sinico(光学学报)1996 16(12):1665-1670.(i n Ch i n ese)[4]ZHU Ch an g-h On g Ll Zh en g-j i a ZHOU Hai et ol.Th eO-r eti cal an d exper i men tal r esear ch es On r epeti ti On r ate Of pul se Wi th passi ve Or sel f-O-sWi tch ed l aser[J].Jour-nol of optoelectronics-Loser(光电子-激光)200112(8):802-805.(i n Ch i n ese)[5]M Letten ber ger K WOl fr u m.Opti mi zed ker r l en s mOde-l Ocki n g Of a pul sed N d:K GW l aser[J]mun.1996 131:295-300.[6]JOOn Ch u n g A E si egman.Opti cal-ker r-en h an ced mOdel Ocki n g Of a l amp-pu mped N d:YAG l aser[J].IEEE J.Ouontum Electron1995 0-E31(3):582-590.[7]ZHAN G Guan g-r On g MU R On g-pi n g R EN Ji an-pi n g etol.study On Li!:!"2cr ystal O-sWi tch ch ar acter i sti cs [J].Loser Journol(激光杂志)1987 #(6):358-361.(i n Ch i n ese)作者简介:王加贤(1955")男教授1999年毕业于天津大学光学工程专业获博士学位从事固体激光器件和超短光脉冲的研究工作已发表论文40多篇.-031-光电子-激光2003年第14卷。
5-灯泵YAG激光器综合实验
引言 本实验装置采用具有连续光谱的闪光灯照射 Nd3+：YAG 晶体，Nd 离子就从基态 E1 跃迁至
激发态 E4 的一系列能级，其中最低的两个能级为 F4 5/2 和 4F7/2，相应于中心波长为 0.81μm 和 0.75μm 的两个光谱吸收带。由于 E4 的寿命仅约为 1ns，所以受激的 Nd3+离子绝大部分都经 过无辐射跃迁转移到了 E3 态。E3 是一个亚稳态，寿命长达 250—500μs，很容易获得粒子数 积累。E2 态的寿命为 50ns，即使有粒子处在 E2，也会很快地弛豫到 E1。因此，相对 E3 而言， E2 态上几乎没有粒子。这样，就在 E3 和 E2 之间造成了粒子数反转。正是 E3—E2 的受激辐射 在激光谐振腔中得到增益而形成了激光，其波长为 1.064μm。只要泵浦光存在，Nd3+离子的 能态就总是处在 E1—E4 一 E3 一 E2 一 E1 的循环之中，这是一个典型的四能级系统。
用不同的方法去控制不同的损耗，就形成了不同的调 Q 技术。 有转镜调 Q 技术，电光 调 Q 技术、可饱和染料调 Q 技术、声光调 Q 技术、透射式调 Q 技术。
本实验以电光 Q 开关激光器的原理、调整、特性测试为主要内容。利用晶体的电光效应 制成的 Q 开关，具有开关速度快；所获得激光脉冲峰值功率高，可达几 Mw 至 Gw，脉冲宽度 窄，一般可达 ns 至几十 ns,器件的效率高，可达动态效率 1％，器件输出功率稳定性较好， 产生激光时间控制程度度高，便于与其它仪器联动，器件可以在高重复频率下工作等优点．所 以这是一种已获广泛应用的 Q 开关。
表 1 激光器静态和动态输出输电压（V）静态输出（mJ）
动态输出（mJ）
500
灯泵浦YAG激光打标机原理
灯泵浦YAG激光打标机原理
灯泵浦YAG固体激光器以氪灯作为泵浦源，Nd:YAG晶体作为产生激光的工作介质，泵浦发出特定波长的光激励工作介质发生能级跃迁，从而释放出波长为1064nm的激光，将释放的激光能量放大后，通过光导系统送到激光打标头上，经振镜扫描和F-Theta 镜聚焦后，就可以在二维工作台的带动下沿预设的标记轨迹运动，在工件材料上根据用户的要求进行图像、文字、数字、线条的标刻。
灯泵浦YAG激光打标机标刻精度高、速度快、性能稳定，是目前技术最成熟，应用范围最广的一种产品，具有良好的性能价格比。
灯泵浦YAG激光打标机特点
●激光输出功率大，能量连续可调，可深度标记
●可标记<0.3mm任意深度的信息
●采用高速扫描振镜，速度快，精度高，性能稳定，可靠性高
●光斑小，线条更精细
●软件功能强大
●为非接触式加工，无机械磨损和变形
●无需耗材，加工成本低廉
●具备长时间连续工作能力
行业应用
◆系统可进行图案、LOGO、文本等任意信息的标记，具有标刻图案精细美观、永不磨损的特点。
◆通过软件控制，可以编制条形码，完成自动跳号，既能做到单一产品标识，又可满足批量生产要求，实现唯一识别，以便追溯。
◆激光标刻具有高效率、无毒、无污染的特点，符合现代自动化生产需求及环保要求。
◆可用于金属及多种非金属材料的标刻加工。
广泛应用于汽车、摩托车零部件、医疗器械、精密器械、眼镜钟表、食品饮料烟草包装、手机按键、电池、电子元器件、集成电路芯片、电脑零配件及外设，五金工具、不锈钢器具、电器产品、卫浴洁具、首饰饰品、工业轴承、电线电缆、建材、PVC管材、服装饰品等众多领域的图形、图片和文字的标记。
灯泵浦YAG激光打标机技术参数。
Nd∶YAG激光器的特性及应用
激光是60 年代初出现的一种新型光源,激光以其高亮度、高单色性、高方向性和高相干性,引起普遍重视,并很快在工农业生产、科学技术、医疗、国防等各个领域得到广泛应用。
激光医学是激光技术与医疗科学有机结合的产物,激光在70 年代开始广泛用于临床;90 年代,随着新型激光器的研制成功,激光与医疗、生物组织科学紧密结合,研究范围日益扩大。
Nd:YAG 激光器以其增益高、阈值低、量子效率高、热效应小、机械性能良好、适合各种工作模式(连续、脉冲) 等特点,在当今各种固体激光器中应用物质相互作用的效果是不同的, 不同波长的Nd:YAG激光器采用连续、脉冲等方式工作使激光与不同部位的生物组织相互作用,可以获得良好的疗效。
医用Nd:YAG 激光器在外科手术、眼科、牙科、口腔科、耳鼻喉科、皮肤科、美容等方面应用广泛,特别是治疗皮肤色素性疾病,有创伤小、愈合好、无疤痕等独特优点,本文主要介绍Nd:YAG 激光器的特性以及在治疗皮肤疾病方面的应用,使读者了解各种激光器的性能及不同种类激光治疗仪的治疗效果。
一、Nd:YAG 激光器的特性能产生激光的系统,称为激光器。
一台简单的激光器通常由工作物质、泵浦源和谐振腔三部分组成。
自1960 年第一台激光器诞生以来,已有上百种激光器问世。
形形色色的激光器彼此之间差异极大,根据产生激光的工作物质,有气体、液体、固体和半导体激光器等。
固体激光器是以固态基质中掺入少量激活元素为工作物质的激光器,工作物质的物理化学性能主要取决于基质材料,而其光谱特性主要由发光粒子的能级结构决定。
但发光粒子受基质材料的影响,其光谱特性将有所变化,有的甚至变化很大。
用作基质的主要有刚玉、石榴石晶体及各种玻璃等。
发光粒子称为激活离子,最常用的激活离子为钕、铬等稀土元素离子。
例如世界上第一台激光器所用工作物质为红宝石,就是掺入极少量铬离子的刚玉。
以掺有一定量钕离子(Nd3 + ) 的钇铝石榴石( YAG) 晶体为工作物质的激光器,称为掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG) 激光器。
LD泵浦Nd：YAG多波段激光器
ｗａ ｖ ｅ ｂ ａ ｎ ｄ ｃ ｏ ａ ｘ ｉ ａ ｌｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｏ ｕ ｔ ｐ ｕ ｔ ｆ ｉ ｎ ａ ｌ ｌ ｙ ． Ａｓ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｐ ｕ ｔ ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｔ ｗａ ｓ ３ ５ Ａ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ Ｑ＿ ｓ ｗｉ ｔ ｃ ｈ ｅ ｄ ｆ ｒ ｅ —
实验九 脉冲式灯泵浦YAG激光器腔外倍频实验
实验九 脉冲式灯泵浦YAG 激光器腔外倍频实验 实验原理自从相位匹配技术提出后，使光倍频和光混频技术得到了飞跃的发展，成为激光技术中频率转换的重要手段。
通过倍频技术可将波长1.064μm 的激光转换成波长0.532μm 的绿光。
由频率ω1和ω2的光波混频产生ω3＝ω1+ω2频率的光波。
当ω1＝ω2＝ω，ω3＝2ω时，就是倍频过程，通常把频率为ω的光波称为基波，频率为2ω的光波称为倍频波或者二次谐波。
倍频的光功率密度2222208sin ()2effL d kL I c n n c 222ωωω2ωωπ△|I |=||λε （9.1） 式中，d eff 为有效非线性系数。
用输出的倍频光功率密度I 2ω与基波功率密度I ω之比表征转换效率，称为倍频效率ηSHG2222208sin ()2eff SHG L d kL I c I n n c 22ωωωω2ωωπ|I |△η=||||λε （9.2）若相关因子则光波混频所产生的倍频光波功率与基频功率的平方成正比；当输入功率一定时，则与非线性介质的长度L 和有效非线性极化率或者有效非线性系数平方成正比。
图9-1 sinc 函数图图9-1所示的是函数与△kL/2之间的关系曲线。
当△k＝0时，相位因子才能等于1，称为相位匹配条件；而当△k≠0时，相位因子小于1，称为相位失配。
只有在相位匹配条件下，才可获得最高的转换效率。
由于连续泵浦固体激光器腔内光强远远大于腔外光强，则在连续半导体泵浦固体激光器中采用腔内倍频；而在脉冲泵浦固体激光器中，激光脉宽窄，腔内外光强差别不大，因此在脉冲式灯泵浦激光器中采用腔外倍频。
倍频的相关理论参看实验五中的原理部分。
实验装置图9-2 脉冲式灯泵浦YAG激光器腔外倍频实验装置图脉冲式灯泵浦YAG激光器腔外倍频实验采用图9-2实验装置图，包括：全反镜，电光Q开关，布儒斯特镜，泵浦灯，Nd:YAG棒，输出镜，KTP倍频晶体，双色镜（或者1064nm全反镜）和能量计。
Q开关Nd YAG激光治疗仪
谢谢观看
注意事项
注意事项
1.术前患者需要将治疗区域清洁干净，避免油脂停留 。 2.术后将无菌纱布置于治疗区域，同时使用冰袋冷敷30～60分钟。 3.创伤面积较大时，需口服或注射抗生素。 4.保持治疗区域清洁干燥，在局部结痂之前不可碰水，以防感染。 5.不要摩擦或强力揭下结痂，应使结痂自然脱落。 6.不可过早用化妆品，局部勿搽有刺激性的药物。 7.在治疗后半个月至半年时间，一定要做好防晒。在室内也要涂抹适宜的防晒霜，室外要加强防晒。 8.清淡饮食，多食含维生素C、维生素A及维生素E等蔬菜、水果及含蛋白质丰富的鱼、肉、奶类，以利于伤 口愈合和减少色素沉着。避免食用含有色素的产品及辛辣刺激的食物。
由于激光能量在极短时间内释放，因而形成峰值极高的巨脉冲，色素颗粒在瞬间吸收巨大的激光能量后，迅 速膨胀、爆裂，而细胞框架可以被完整保留下来并得以修复，色素颗粒被破碎后逐渐被吞噬细胞吞噬并排出体外， 使得病变局部色素减少。同时激光与人体组织之间的相互作用所产生的热能被有效地限制在靶组织内，从而避免 了周围组织的热损伤。也就是在对正常组织几乎无损的情况下达到治疗效果。
临床应用
临床应用
1.太田痣、伊藤痣、祛除文身、文眉、文眼线、文唇 。 2.胎记、黄褐斑、老年斑、雀斑、各种色素沉着。 3.非侵入性面部皮肤年轻化，即减少皱纹、面部美白、紧肤与浅层红血丝。 4.甲癣的治疗。 5.眼前节组织的切开和切除术（例如晶状体后囊切开术、周边虹膜切开术、开角型青光眼和高眼压症）。
Q开关Nd：YAG激光治疗仪 ，即Q-switched neodymium-doped yttrium aluminum garnet，指Q开关掺 钕钇铝石榴石激光治疗仪 。其主要结构如图所示。
Q开关Nd:YAG激光治疗仪的结构
闪光灯泵浦的Nd：KGd(WO4)2激光器
１ ０ ｓ 接 近 Ｎｄ ：ＫＧＷ 的 荧 光 寿 命 （ １ ２Ｖ ， １ ０～ １ ０ ｓ ． 冲 重 复 频 率 １ 。 光 灯 尺 寸 为 ￣ ｍｍ ２ｐ ）脉 Ｈｚ 闪 ８
× ５ ｍｍ ， ２ 与Ｎｄ ： ＫＧＷ 棒 一 起 封 装 在 腔 长 为
略大 ， 接 近 于 Ｎｄ 更 “离子 半径 ． 而易 获 得 Ｎｄ 从 ” 离子 较 高 掺杂 浓度 的 Ｎｄ： Ｗ 晶体 ． 杂 浓 度 ＫＧ 掺
光 学 、 械 和 热 力 学 特 性 ． 是 应 用 最 为 广 泛 的 固 机 仍
增益 ， 产生 有效 的斯托 克 斯转换 ． 频后 可成 为多 倍
波 长 激 光 源 是 一 种 非 常 有 发 展 前 景 的 激 光 晶 体 ． ． 最 近 几 年 ， 外 已 开 展 了 许 多 对 Ｎｄ ＫＧＷ 国 ： 晶 体 激 光 性 能 的 研 究 ， 仅 实 现 了 自 由运 转 和 调 不 Ｑ 运 转 ． 且 还 实 现 了 闪 光 灯 泵 浦 的 自 锁 模 ， 而
可 高 达 ３ ８ｔ 而 没 有 浓 度 碎 灭 ， 此 同 样 的 实 ～ ａ 因 验 条 件 下 ． １ ０ ｖ 的 输 出 能 量 是 Ｎｄ ： 在 ．６ｍ ＹＡＧ 的 ２ ３倍 。 外 ． ：Ｋ ～ ．另 Ｎｄ ＧＷ 具 有 ２ ｃ 【 ． ４ｍ １
图 １ 闪光灯泵浦 Ｎ Ｋ ｄ： ＧＷ 激 光 器 的实 验 装 置 示 意 图
大 输 出 能 量 ４ ｍＪ ６ ．
关 键 词 闪光 灯 泵 浦 ； ： Ｎｄ ＫＧＷ 晶 体 ； 光 嚣 激
０ 引 言
高 效 固体 激光 器在 材料 加 工 、 遥感 、 医疗 和光 传 输 方 面具 有 巨 大 的应 用 潜 力 ， 的快 速 发 展 促 它 进 了高 效 固体 激光 材 料 的研 究 ．在 Ｎｄ离子 掺 杂 的 许 多 种 基 质 晶 体 中 都 已 实 现 了 １０ｉ ． ６￣ ｍ （Ｆ ． ） 激 光 发 射 ． ＹＡ Ｇ 一Ｉ． 的 ． 如 Ｇ． ＧＧ， Ｓ Ｇ． ＧＧ ＹＬ ＹＶＯ Ｆ， 等 ． 中 Ｎｄ： 其 ＹＡＧ 晶体 因其优 异 的
Nd：YAG激光器
Nd:YAG激光（N eodymium-d oped Y ttrium A luminium G arnet;Nd:Y3Al5O12或称之为钇铝石榴石晶体）,钇铝石榴石晶体为其激活物质，晶体内Nd原子的含量为0.6～1.1%，属固体激光，发射激光为红外波长1.064um.属四能级系统。
Nd:YAG激活物质晶体主要使用氪气（kryton）或氙气（xenon）灯管作为泵浦源，泵浦灯的发射光谱是一个宽带连续谱，但仅少数固定的光谱峰被Nd离子吸收，所以泵浦灯仅利用了很少部分的光谱能量，大部分的使用率偏低。
Nd:YAG吸收的光谱区域由0.730um~0.760um与0.790um～0.820um，光谱被吸收后释放出相同频率单色光谱，但所释放的光谱并无固定方向与相位，所以尚无法形成激光。
激光生成原理。
当将激活物质放在两个互相平行的反射镜，（其中一片100%反射另一片50%透射镜）就可构成光学谐振腔，非轴向传播的单色光谱被排除谐振腔外，轴向传播的单色光谱在腔内往返传播。
当单色光谱在激光物质中往返传播时，称为谐振腔内“自激振荡”。
当泵浦灯提供足够的高能级的原子在激光物质内，具有高能级的原子在两能级间存在着自发辐射跃迁，受激吸收跃迁和受激辐射跃迁等三种过程。
受激辐射跃迁所产生的受激发射光，与入射光具有相同的频率，相位。
当光重复在谐振腔内通过“粒子数反转状态”的激活物质后，相同频率单色光谱的光强被增大生成了激光，激光高渗透率就能通过谐振腔内50%的透射镜发射出来，成为连续激光。
LD脉冲侧面泵浦Nd_YAG电光调Q低重频窄脉宽紫外激光器_.
第38卷第7期2009年7月光子学报Vol. 38No. 7July 2009LD 脉冲侧面泵浦Nd B YAG 电光调Q*低重频窄脉宽紫外激光器白杨, 刘沛沛, 沈兆国, 任兆玉, 白晋涛(西北大学光子学与光子技术研究所, 陕西省全固态激光及应用工程技术研究中心, 西安710069摘要:介绍了在1~20H z 电光调Q 情况下, 半导体脉冲激光侧面泵浦Nd B YAG 晶体腔外四倍频266nm 紫外激光器的输出特性. 实验采用直腔结构, 在腔外分别利用KTP 和BBO 晶体产生532nm 倍频绿光、266nm 四倍频紫外激光. 当泵浦电流为120A 、重复率为1H z 时, 266nm 紫外激光最大单脉冲能量为15. 4mJ 、脉宽8ns, 峰值功率高达1. 93mW; 重复率20H z 时, 获得了最大平均功率为156. 2mW 的266nm 紫外激光输出, 四倍频的转换效率为10. 63%.同时利用一组分光镜, 获得了352mW 的532nm 脉冲绿光和423mW 的1064nm 脉冲红外光输出. 关键词:半导体激光脉冲侧面泵浦; 四倍频; 窄脉宽; 高峰值功率; 紫外激光器中图分类号:TN248. 1 文献标识码:A 文章编号:100424213(2009 0721617240 引言紫外激光由于波长短、聚焦性能好、光点面积小、光子能量高、衍射效应小、分辨率高等优点, 在精密材料加工、紫外固化、超高密度光驱、光刻、光印刷、医疗、光谱分析和科学研究等领域有着广泛的应用. 与传统的准分子气体紫外激光器相比, 半导体激光(Laser Diode, LD 泵浦的固体紫外激光器具有转换效率高、结构紧凑、寿命长、维护方便、光束质量好等优点, 已经成为国内外研究的热点[126].目前, 国内外对266nm 紫外激光器的研究大多集中在连续或高重复率准连续紫外激光器上. 但是这些研究仅关注于提高紫外激光的平均功率, 峰值功率仅为千瓦至几十千瓦, 而对半导体激光脉冲泵浦的窄脉宽(小于10ns 、峰值功率达到兆瓦量级的266nm 紫外脉冲激光器鲜为报道. 本文主要研究了LD 脉冲侧面泵浦的低重复频率电光调Q 全固态紫外脉冲激光器, 采用平2平直腔结构、腔外二倍频和四倍频方案, 在重复率为1~20H z 范围内, 获得了脉宽小于10ns, 峰值功率达到兆瓦量级的266nm 紫外脉冲激光输出.[426]功率标称为1200W, 同时对中心处的Nd B YA G 晶体棒进行脉冲泵浦. 增益介质Nd B YAG 棒尺寸为53mm @61mm, Nd 离子掺杂浓度0. 6%.为得到窄脉冲, 选用了KD *P 晶体电光调Q 方案. 半导体激光脉冲泵浦模块的触发和电光Q 开关导通所需要的两组电流来自于同一个脉冲发生器, 相互严格同步, 重复率可调范围为1~20H z.图1 实验装置Fig. 1 Experimental configur ation平面镜M 1作为腔的端镜, 在靠近电光晶体一侧镀有对1064nm 的全反膜; 平面镜M 2为1064nm 输出镜, 通过实验, 最佳透过率为T =67%; 为了使Q 开关能够有效地关断, 从而获得窄脉宽, 将电光晶体紧靠M 1镜放置, 激光晶体和电光晶体之间插入布氏镜. 使用外部的闭路温控循环水对半导体激光脉冲泵浦模块、二倍频晶体及四倍频晶体实施水冷却, 保证了模块在工作温度范围内稳定运行, 降低棒的热透镜效应[728], 有利于提高二倍频、四倍频效率及266nm 紫外激光输出稳定性, 温度控制准确度为? 0. 1e .实验选择不同腔长, 对比1064nm 动态脉冲输出时, 发现在相同泵浦电流下, 腔长越短, 1064nm 基频光脉冲能量越大、脉宽越窄. 因此在满足元件尺1 实验装置实验装置如图1. 在最大泵浦电流为120A 的808nm 近红外半导体激光脉冲泵浦模块中, 相互呈120b 放置的3列激光二极管线阵总的最大泵浦平均*陕西省自然科学基金重点项目(SJ082ZD01 资助Tel:029********* Email:by@. cn 收稿日期:2008212230 修回日期:2009202217寸和方便调节的前提下, 腔长选定为165mm. 在整个实验过程中, 使用美国相干公司的FieldMax 2T OP 型号功率计进行脉冲光功率测量, 使用美国Tektr onix TDS620B 型示波器测量激光脉冲宽度. 利用公式E =P av /f 和P peak =E /t p (f 为重复率, t p 为脉冲宽度 , 可以计算出激光单脉冲的能量E 和峰值功率P peak [9].2 实验结果及分析2. 1 1064nm 基频光振荡实验在KD *P 晶体和半导体激光脉冲泵浦模块之间插入布儒斯特片, 使得1064nm 基频光在腔内只有p 偏振方向起振[10]. 实验中, 通过对触发脉冲发生器的延时、腔镜、偏振片等各元件反复细微调节, 使808nm 泵浦激光脉冲触发一段时间后, N d B YAG 晶体棒的粒子反转达到极大值时, 打开电光Q 开关, 从而获得脉宽最窄和峰值功率最高的调Q 激光脉冲.当输入电流I =120A, 透过率为T =67%, 半导体激光脉冲泵浦模块和电光Q 开关重复频率同为20H z 时, 获得了脉冲宽度40ns 、最高平均功率为2. 15W 、单脉冲能量达到108mJ 、峰值功率为2. 7mW 的线偏振1064nm 脉冲基频光输出. 2. 2 SHG 与FHG 实验实验选用了具有较大有效非线性系数, 大允许角、允许温度, 小的走离角, 不易潮解, 高的破坏阈值等优点的II 类临界相位匹配KTP 晶体(H =90b , U =24. 4b , 通过腔外倍频来获得532nm 绿光. 晶体尺寸4@4@10mm 3, 两通光面镀制1064nm&532nm 双色增透膜.虽然BBO 晶体四倍频的接收角较小且走离角大, 但是它所具有高的有效非线性系数是其它非线性晶体所不具有的. 考虑到价格问题, 实验中选用了I 类临界相位匹配的BBO 晶体(H =47. 6b , U =90b 实施腔外四倍频. 晶体尺寸4@4@10mm 3, 两通光面镀制1064nm &532nm &266nm 三色增透膜.为提高倍频效率, 保证二倍频和四倍频同时满足相位匹配条件, 非线性光学晶体的放置应符合光波的偏振匹配条件, KT P 晶体和BBO 晶体的放置如图2, 其中KTP 晶体的端面棱边与基频光的偏振方向成45b 角, BBO 晶体的端面棱边与基频光的偏振方向平行[11].当泵浦电流为120A, 半导体激光泵浦脉冲重复率和电光Q 开关重复率同为20H z 、调Q 电压为2810V 时, 获得了脉宽约为20ns 、最高平均功率507mW 、单脉冲能量25. 4mJ 、峰值功率达到1. 27mW图2 KTP 晶体和BBO 晶体中光束的偏振匹配情况F ig. 2 KT P crystals and BBO cr ystal polar ization of thebeam to match the situation out put的532nm 脉冲绿光输出.由于Nd B YAG 上能级寿命大约为230L s, 与此时间尺度匹配的调Q 重复频率为4. 35kH z [12], 在1~20H z 的低重复率范围内, 脉冲之间有足够时间使激活介质Nd B YAG 激发上能级反转粒子数密度达到最大值, 因此可以获得高单脉冲能量的266nm 紫外激光.图3为不同重复率时, 266nm 紫外光平均功率与泵浦电流的关系. 在相同泵浦电流下, 266nm 紫外光平均输出功率与重复率成正比. 在重复率为20H z 、泵浦电流为120A 时, 获得了最高平均功率156. 4mW, 波长为266nm 紫外光输出. 在此基础上, 只移去BBO 晶体和KT P 晶体, 测得1064nm 基频光最高平均功率为1. 45W,1064~266nm 光光转换效率为10.63%.图3 266nm 紫外光平均功率随泵浦电流的关系Fig. 3 266nm aver age output power as a functionof pumping cur rent图4为不同重复率时, 计算得到的266nm 紫外光单脉冲能量[9]与泵浦电流的关系. 在相同的泵浦电流下, 重复率越低, 单脉冲能量越高. 分析认为, 这是由于重复率越低, 808nm 激光二极管阵列充放电时间越充分, 808nm 半导体激光转换效率越高, 从而基频光、倍频光及四倍频光的转换效率也就越高.图5为不同的调Q 重复率下, 脉宽随泵浦电流的变化关系. 在重复率一定时, 脉宽随泵浦电流的增加而减小, 变化趋于缓慢; 在同样的泵浦电流下, 脉宽随重复率的减小而减小. 在重复率为1Hz 、泵浦电流为120A 时, 获得了最短脉宽约为8ns 、最大单脉冲能量15. 4mJ, 最高峰值功率达到1. 93mW 的266nm 紫外脉冲激光输出. 该输出脉冲波形如图6.图6 重复率1Hz 时, 266nm 紫外激光脉冲输出波形F ig. 6 266nm ultraviolet laser pulse output waveformat the r epetition r ate of 1Hz图7是利用分光镜组过滤掉红外光和绿光之后用数码相机拍摄到的紫外光光斑情况. 由于Ñ类临界相位匹配BBO 晶体是负单轴晶体, 存在走离角大的缺点[13], 通过其四倍频获得的紫外光斑在平行于入射平面的方向上被/拉长0, 呈近椭圆形分布.图7 266nm 紫外脉冲激光光斑照片F ig. 7 266nm ultraviolet laser spot photo利用M 3、M 4、M 5和M 6组成的分光镜组合代替通常使用的分光三棱镜, 具有将红外光束、绿光束、紫外光束彼此长距离分离、平行输出、减小光斑像散等优点. 当泵浦电流为120A 、重复率为20H z 时, 同时获得了最高平均功率156. 2mW 的266nm 脉冲紫外光、352mW 的532nm 脉冲绿光及423mW 的1064nm 脉冲红外光输出.3 结论实验表明, 重复率是影响266nm 紫外光脉冲宽度、单脉冲能量和峰值功率的最重要因素, 低重复率容易得到短的脉冲宽度和高的峰值功率. 本实验采用临界相位匹配的Ò类KT P 晶体二倍频与I 类BBO 四倍频晶体, 在半导体激光泵浦脉冲重复率和电光调Q 重复率同为1H z 时, 获得了最短脉宽为8ns 、最高单脉冲能量为15. 4mJ, 最高峰值功率为1. 93mW 的266nm 窄脉宽紫外激光输出; 在重复率为20H z 时, 266nm 紫外脉冲激光的最高平均功率达到156. 2mW, 并利用一组分光镜, 同时获得了352mW 的532nm 脉冲绿光和423mW 的1064nm 脉冲红外光输出.参考文献[1] CH EN Guo 2fu, DU Ge 2guo, WANG Xian 2hu a. 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Cr 4+B YAG 被动调Q 绿光激光器及其腔外倍频266nm 激光的研究[J].光学技术, 2003, 29(3 :1482150.LD pulse Side 2pumped E 2O Q 2switched Nd B YAG UV Laserwith Short Pulse Width at Low Repetition RateBA I Yang, LIU Pei 2pei, SH EN Zhao 2guo, REN Zhao 2yu, BAI Jin 2tao(I nstitute of P hotonics &P hoton 2technology , Shanxi Engineer ing Technolog y Resea rch Center f or All Sol id Sta te La ser a nd Ap plication , N or thwest U niver sity , Xi c a n 710069, ChinaAbstract :U sing BBO single pass fourth harmonic generation, the character istic of a pulsed laser diode (LD side 2pumped N d B YAG crystal electro 2optic Q 2switched with the repetition rate from 1to 20H z ultr aviolet laser at 266nm was presented. In the experiment, a simple straight cavity adopted KT P and BBO crystal were used for the second 2harmonic gener ation and the fourth 2harmonic generation differently. When the incident pumping curr ent being 120A at the r epetition rate of 1H z, the largest single pulse energy of 15. 4mJ with pulse duration of about 8ns, cor responding to the peak power as high as 1. 93mW was obtained. At the repetition rate of 20H z under the same pumping cur rent, the maximum aver age power of 156. 2mW, corresponding to a conversion of 10. 63%from 1064nm to 266nm. Meanwhile, 532nm and 1064nm laser output was obtained by using a volume of beam splitter mirror s and the output pulse power of them is 352mW and 423mW separately.Key words :LD pulse side 2pumped; Fourth har monic generation; N ar row width;H igh peak power; U ltraviolet laserBAI Yang was born in 1977. H e is studying for his Ph. D. degree in Nor thwest Univer sity.H is research interest focus on LD pumped all 2solid 2state lasers.。
脉冲灯泵浦YAG激光器技术及其应用系统操作说明书
脉冲式灯泵浦YAG激光器技术及其应用系统操作说明书一、设备组成设备型号：LPR-1生产单位：武汉华中科技大学激光加工国家工程研究中心图1 脉冲灯泵浦YAG激光器应用系统装置结构图图1为脉冲灯泵浦YAG激光器应用系统装置结构图。
它主要包括：（1）脉冲灯泵浦YAG激光器（2）激光电光调Q电源（3）冷却循环水箱（4）光电探测器（5）接收屏测量装置包括：示波器、能量计。
光电探测器和接收屏在进行测距实验中才会用到。
二、使用环境脉冲灯泵浦YAG激光器技术及其应用系统必须置于干净整洁的环境中。
环境温度：10~30℃环境湿度：<80%三、技术参数a)单脉冲能量大于10毫焦b)激光波长：1064纳米/532纳米。
c)激光模式：低阶模。
d)激光重复频率：1Hz-100Hz。
e)冷却方式：纯净水闭路循环。
f)供电方式：交流220V/50Hzh）耗电功率：3KW四、操作步骤4.1 开机过程注意：开机必须先启动冷却水箱，正常运行后，再开启激光电源！1.合上外部电源的总开关；2.接通冷却水箱电源，面板上的电源和泵的蓝灯会亮，中间两个显示板分别显示的是当前水温（25摄氏度）和设定水温（23摄氏度），当当前水温超过设定水温2摄氏度时，压缩机工作，面板上主机运行绿灯亮，（如图2所示）。
此时确认冷却水箱是否正常工作，水路中水流量是否正常；检查水流量正常后，合上激光电源的总电源开关。
图2 冷却水箱面板图图3 激光电源前控制面板图4 激光电源前控制面板示意图激光电源控制面板功能说明： 1.（POWER ）电源钥匙开关。
2.（CHARGE VOLT 调节旋钮）调节氙灯放电电压大小。
SIMMERFREQ EXT Q-SW FAILQ-SW SEL15102050100EXTFREQ SELSIMMERWORKOFF HV ONOFFONCHARGE VOLT DELAY Q-SW HV(V)×10(V)POWER 17346258101193.（SIMMER按键）预燃开关。
yag激光器工作原理
yag激光器工作原理
激光是一种具有高度聚束、单色性和相干性的光束。
YAG激
光器是一种基于YAG晶体（钇铝石榴石）的固体激光器。
YAG晶体是一种直接泵浦的固体激光材料，它的主要成分是
氧化钇（Y3Al5O12）。
YAG晶体内部掺杂有三价离子元素铬
离子（Cr3+）或新加坡椰蓝（Nd3+）等。
这些离子被称为激
活离子，它们在晶体中起到能级变换的作用。
YAG激光器的工作原理涉及到能级的跃迁和放射性跃迁。
当
激活离子受到外界能量输入时，它们会从基态跃迁到激发态。
这个能量输入可以通过光泵浦或电泵浦来实现。
光泵浦通常使用强光源，如氙灯或二极管激光器，来激发离子。
电泵浦则是通过将电流传导到晶体中来实现的。
一旦激活离子处于激发态，它们会在非常短的时间内退回到基态。
这个退激过程会伴随着光子的发射，产生一束光。
这束光具有特定的波长和能量，形成了激光束。
为了增加光束的强度和维持光的相干性，YAG激光器通常使
用光学谐振腔。
这个腔体由两个反射镜组成，其中一个反射镜是部分透明的，并且允许激光束通过。
当激光束多次在腔体内来回反射时，它会被放大并增强，最终形成强度很高的激光束。
YAG激光器广泛应用于医疗、材料加工、通信和科学研究等
领域。
通过调整激光器的参数，如波长和脉冲宽度，可以满足不同应用的需求。
总之，YAG激光器利用YAG晶体中的激活
离子的能级跃迁和放射性跃迁来产生高强度、单色性和相干性的激光束。
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闪光灯泵浦的脉冲Nd:YAG固体激光器
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。
Nd:YAG激光器是固体激光器的一种，我们实验室应用的是用闪光灯泵浦脉冲氙灯作为激励源。
Nd:YAG晶体是迄今为止公认的激光性能最好，应用最广泛的激光晶体。
闪光灯泵浦的固体激光器的优势,如制造简单、操作方便、价格低廉等。
激光器主要由两部分组成一部分是振荡器一部分是放大器。
固体激光振荡器的结构简图
在Nd:YAG激光器中
工作物质是：掺钕的钇铝石榴石(Nd3 + : YAG)晶体
激光的特性主要取决于钕离子的特性。
钕离子为四能级系统。
聚光腔：
为了提高泵浦效率，使泵浦灯发出的光能有效地会聚，并均匀的照射在工作物质上，可在激光棒和泵浦灯外增加一个聚光腔。
聚光腔给泵浦光源和工作物质之间提供良好藕合，合理设计聚光腔是决定固体激光器工作性能的重要条件之一。
使用最多的聚光腔是一种内表面具有高反射率椭圆柱体，激光棒和泵浦灯分别配置在椭圆柱的两条交线上。
泵浦源：
主要目的是将电能有效地转换成辐射能，并在给定的光谱带上产生高的辐射通量。
脉冲Nd:YAG激光器用脉冲氙灯泵浦，因为它能在给定的输入电能下比其他气体产生更高的辐射输出，但是，低能量泵浦的Nd:YAG激光器，有时是采用充氪的直管闪光的泵浦。
激光器泵浦用的闪光灯基本上属于长弧器件设计，等离子体充满整个灯管。
闪光灯是由直管状或螺旋状石英管，两个封入石英管的电极及填充气体组成。
（大部分弧光灯用纯钨作阳极和含社2%社钨作阴极，或者以社钨作阳极而用浸渍了铝酸银钡的压制成的多孔钨作阴极。
闪光灯的灯管及电极封接处通常采用自然或强迫风冷，或者用水、水与乙醇的混合物、氟化碳氢化合物等液体冷却。
最有效的是采用带有石英套管的液体冷却直管闪光灯，它能以高速的冷却液湍流对灯进行冷却。
谐振腔：
激光谐振腔是由两块平面或球面反射镜按一定方式组合而成的。
其中一个端面是全反射膜片，另一个端面是具有一定透过率的部分反射膜片。
谐振腔是决定激光输出功率、振荡模式、发散角等激光输出参数的重要光学器件。
（固体激光器的谐振腔膜片，一般都是通过在玻璃基片上镀多层介质膜得到的。
介质膜的层数越多，反射率越高）另外，冷却与滤光系统是激光器中必不可少的辅助装置。
其作用是防止聚光腔级内部元件温升过高，并减小泵浦灯中紫外辐射对工作物质的有害影响。
激光振荡器——放大器结构示意图在振荡器——放大器系统中，脉宽、光束发散角和光谱宽度主要取决于谐振腔，而脉冲能量和功率则由放大器决定。
振荡器在运行时若输出的能量较低，就会减小光束发散角，并使光谱宽度变窄。
因此，振荡器——放大系统与单独的振荡器相比，其输出的能量较高：或者在输出的光束的能量相同时，光束发散角减小、谱线宽度变窄。
给激光振荡器添加放大器的目的，就是增大输出光束的亮度。
激光放大器有多种分类方法，按所用放大器级数不同可分为单级放大和多级放大，我们实验室应用的是二级放大。