高重频Nd_YAG激光器的可靠性设计
高峰值功率大能量Nd_Ce_YAG激光器的研究 (1)
第5卷 第2期 2007年4月光学与光电技术O PT ICS &OP T O EL ECT RO NI C T ECH N OL OG YVo l.5,No.2 A pril,2007收稿日期 2006-09-15; 收到修改稿日期 2006-10-28作者简介 任竞骁(1978-),男,硕士研究生,主要从事固体激光器的研究工作。
E -mail:123@文章编号:1672-3392(2007)02-0025-02高峰值功率大能量Nd B Ce B YAG 激光器的研究任竞骁 叶 艾 张红波 陈 伟(华中光电技术研究所,武汉430073)摘要 将氙灯抽运Nd:Ce:YAG 激光器作为主振荡器,一级抽运Nd B YA G 放大,实现了能量为1.8J,脉宽为8ns,束散角为2.3m rad,重复频率为20H z 的激光输出,峰值功率达0.22GW 。
该激光器体积更小,效率更高,可靠性更强。
关键词 高峰值功率;双Q 开关;双程放大中图分类号 TN248 文献标识码 A1 引 言近年来,远程激光测距、激光软杀伤、光电对抗等领域对高峰值功率激光输出功率的要求越来越高[1]。
目前研制的高功率固体激光器多采用二极管抽运激光器作为主振荡级,经氙灯抽运的激光放大器(MOPA)功率放大后进行并联和束的方法输出[1],或者直接采用多级二极管抽运(高达7~8级)功率放大的技术输出[2]。
采用二极管抽运的主振荡器输出能量较低且结构复杂,为达到高功率输出,致使激光器放大级级数较多,整机体积庞大,调整要求很高,严重制约了高功率激光器的应用。
为此,需要研制具有光路结构简单、级数少、体积小、电光转换效率高等优点,符合小型化、轻型化要求[3]的高峰值功率大能量激光器。
2 系统设计采取的设计方案是将氙灯抽运的双Q 开关Nd B Ce B YAG 激光器作为主振荡器,功率放大器采用双程放大工作结构,主要解决热退偏,以及消除激光器自激等问题。
Nd_3_YAG脉冲固体激光器的研制_陈明
文献标识码 : A
D evelopment of Nd : YAG pu lsed solid -state lasers
CH EN M ing, Y IN Fu -chang, Y IN Jun -yan
( Changchun university of Science and T echno logy , School of Opto -electronic Eng ineering , changchun 130022 , China) Absrac : t In th is paper , w e set up a set of pulse laser experm i ental sys tem according the need of experm i ents and the princ ipl e of laser . According the experm i ents , w e have a c l ear unders tanding of basic theori es , basic composition, Q-Sw itch o f soli d-state l a ser and modes selec ting theories, we obta in the m ethods of modes se l e ct ing o f Nd3+ : Y AG pu l se laser i n bas ic . K ey words : pulsed solid -s tate lasers ; elec tri c -opt i c Q-s w itch ; cav ity ; modes selec ting
( 清华大学 精密仪器与机械学系 , 北京 100084 )
泵浦Nd：YAG激光器
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)2.3LD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)3.1LD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。
Nd-YAG激光器特性实验
Nd-YAG 激光器特性实验1 Nd-YAG 倍频实验测得的3组倍频前和倍频后的能量如下所示：根据倍频效率2w w 算出平均值如下：η1=（172.0-144.7）/172.0×100%= 15.8% η2=（170.8-149.2）/170.8×100%=12.6% η3= (170.4-148.3) /170.4×100%= 12.9% η=η1+η2+η33=13.7%Q 开关处于ON 状态下，650V-800V 测得的倍频前和倍频后的数据如下：2 氦氖激光束半径和发散角测量1. 峰值功率为0.31uW，降至1/e2处的功率为0.041uW，从而得到光斑的半径为：r=（4.95-2.0）/2(mm)=1.475mm.2. 光斑距离束腰处距离Z=2080mm.发散角θ=2r/Z=(2×1.475)/2080（rad）= 0.001418 rad.3. 对于理论值，W0 =√Lλπ(RL−1)1/4=0.284mm从而理论上的发散角为：θ0=2λπw0=2×632.8×10^−6= 0.00142 rad3.14×0.284×100%实验误差: R=θ−θ0θ0= 0.00142−0.001418×100%0.00142= 0.141%3 Nd-YAG激光器输出激光脉宽和峰值功率测量E根据公式P =可算出激光脉冲的功率，其中τ取25us，得到实验结果分析：1. 数据处理由图可得功率与工作电压的关系：P (W) = 45.453[U (V) - 506.5672V)]2. 实验现象分析：（1）由于工作电压较小时，与阈值电压大小差不多，所以会出现输出功率不稳定的现象；（2）由于激光器脉冲宽度很窄。
所以好、只有灵敏度很高的仪器才能捕捉到较好的图像用于观察。
3. 影响因素讨论：（1）读取示数时的误差。
（2）实验仪器的系统误差。
半导体泵浦被动调Q高重频Nd_YAG激光器
第35卷，增刊红外与激光工程2006年10月V ol.35 Supplement Infrared and Laser Engineering Oct.2006半导体泵浦被动调Q高重频Nd：YAG激光器曾钦勇1，2，万勇1，2，朱大勇1，韩凯2（1.电子科技大学光电信息学院，四川成都 610054；2.西南技术物理研究所，四川成都 610041）摘要：从被动调Q固体激光器的速率方程出发，分析给出了Cr4+：YAG被动Q开关Nd：YAG激光脉冲的峰值功率、脉冲能量、脉宽及重频等相关参量表达式。
以此为基础，进行了光纤耦合输出的连续半导体激光纵向泵浦被动Q开关Nd：YAG激光器实验研究，采用不同参数Cr4+：YAG晶体作为被动Q开关，获得了不同参数的高重频脉冲激光输出。
关键词：半导体泵浦；被动调Q；高重频；固体激光器中图分类号：TN248 文献标识码：A文章编号：1007-2276(2006)增C-0177-06High repetition pulse rate diode pumped passivelyQ-switched Nd：YAG laserZENG Qin-yong1,2, WAN Yong1,2, ZHU Da-yong1, HAN Kai2(1.School of Optoelectronic Information, University of Electronic Science and Technology, Chengdu 610054, China;2.Southwest Institute of Technical Physics, Chengdu 610041, China)Abstract: Based on the rate equations of passively Q-switched solid state lasers, the pulse peak power, pulse energy, pulse width and pulse repetition rate are analyzed , and their expressions are given out mathematically. At the same time, a cw diode laser end-pumped passively Q-switched Nd：YAG laser for high repetition pulse rate is studied experimentally. Different pulsed laser parameters are obtained while different Cr4+：YAG wafers are employed in the laser system..Key words: Diode pumped； Passively Q-switched； High repetition rate； Solid state lasers0 引言半导体激光器泵浦固体激光器是固体激光器走向实用化的关键和发展方向。
高重复频率LD侧面泵浦Nd_YAG电光调Q激光器
第23卷增刊光电工程V o l123, Sup. 1996年12月Op to2E lectron ic Engineering D ec,1996 高重复频率LD侧面泵浦N d∶YA G电光调Q激光器Ξ王卫民 杨成龙 陈津燕 唐 淳杨森林 廖银燕 邵英斌(中国工程物理研究院流体物理研究所,成都,610003)吕百达 蔡邦维(四川联合大学激光物理与化学研究所,成都,610064)摘要 文中介绍二极管激光侧泵浦Q开关激光器,激光介质是N d∶YA板条,几何尺寸为20.3mm×5mm×2.5mm,二极管激光与板条之间用柱透镜耦合,激光谐振腔为平凹腔,输出镜曲率半径为1m,透光率T=0.33。
用KD★P电光Q开关,得到输出脉宽为12.7n s、单脉冲能量1.97m J的激光,光束质量M2x=2.69、M2y=1.87,重复频率98H z。
主题词 Q开关激光器,二极管泵浦,二极管激光器。
H igh Repetition Ra te LD Side-Pu m ped Nd∶YAGElectro-Optic Q-Sw itched La serW ang W e i m i n,Yang Chenglong,Chen J i nyan,Tang Chun,Yang Sen l i n,L i ao Y i nyan,Shao Y i ngb i n(Institu te of F lu id P hy sics,Ch ina A cad e m y ofE ng ineering P hy sics,Cheng d u,610003)L u Ba ida,Ca i Bangwe i(Institu te of laser P hy sics and Che m istry,S ichuan U n ion U n iversity,Cheng d u,610064)Abstract A di ode laser side2pum ped N d∶YA G Q2s w itched laser is p resen ted inthe pap er.T he laser m edium is N d∶YA G slab.T he slab size is20.3mm×5mm×2.5mm.A cylindrical rod len s is u sed as coup ler betw een the LD and the N d∶YA GΞ该课题得到国家高技术863资助。
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。
100MW级高峰值功率高光束质量Nd_YAG激光器
第41卷第3期红外与激光工程2012年3月Vol.41No.3Infrared and Laser Engineering Mar.2012 100MW级高峰值功率高光束质量Nd:YAG激光器戴梅，金光勇，王超，李韬杰，于永吉(长春理工大学理学院激光技术研究所，吉林长春130022)摘要：报道了一台高峰值功率、高光束质量、高稳定性的100MW级脉冲灯泵浦Nd:YAG激光器。
激光器整机采用种子注入功率放大方式，由激光脉冲放大理论出发，理论分析了影响放大级输出能量密度的因素，结合腔型结构优化设计，合理地选取了实验器件参数。
实验中，本振级采用基模动态稳定腔结合电光调Q方式，实现了42mJ基模脉冲激光稳定输出，发散角为0.9mrad。
当重复频率为10Hz 时，经过腔外两级放大，激光器最终获得了1.146J的1064nm动态激光，脉宽为9.2ns；输出光束为平顶高斯型分布，发散角为0.3mrad，1h内的能量不稳定度RMS≤2.88%。
关键词：Nd:YAG激光器；激光放大；高峰值功率；平顶高斯光束中图分类号：TN242文献标志码：A文章编号：1007-2276(2012)03-0612-05100MW high peak power and high beam quality Nd:YAG laserDai Mei,Jin Guangyong,Wang Chao,Li Taojie,Yu Yongji(Institute of Laser Technology,College of Sciences,Changchun University of Science and Technology,Changchun130022,China)Abstract:A100MW high peak power,high beam quality and high stability flash lamp pumped Nd:YAG laser was reported.Injection seeding power amplifier structure was used in laser machine.Based on the theory of laser pulse amplification,the factors which caused the output energy density change of amplifing stage was analyzed.With the optimized design of resonator structure,the parameters of experimental equipments were reasonably chosen.Dynamic stable resonator and electro-optic Q-switch were used to obtain0.9mrad divergence angle and42mJ fundamental mode pulse laser which output stably by oscillating stage.After the two stages amplifing,the pulse energy is amplified to 1.146J, and the repetition rate is10Hz.Pulse width is9.2ns,and the beam distribution is flattened Gaussian beam.Divergence angle is0.3mrad,energy instability degree is RMS≤2.88%in1hour.Key words:Nd:YAG laser;laser amplifier;high peak power;flattened Gaussian beam收稿日期：2011-07-05；修订日期：2011-10-03基金项目：吉林省科技厅资助项目(20100355)作者简介：戴梅(1988-)，女，硕士生，主要从事全固态激光器方面的研究。
LD侧面泵浦Nd_YAG高重频电光调Q激光器_毛鑫
第３４卷第２期２０１３年３月应 用 光 学Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ ＯｐｔｉｃｓＶｏｌ．３４Ｎｏ．２Ｍａｒ．２０１３收稿日期：２０１２－１０－２５； 修回日期：２０１２－１１－２２作者简介：毛鑫（１９７５－），男，河南灵宝人，高级工程师，主要从事机载光电技术研究工作。
Ｅ－ｍａｉｌ：ｅｏｅｉ＠ｖｉｐ．ｓｉｎａ．ｃｏｍ文章编号：１００２－２０８２（２０１３）０２－０３５５－０４ＬＤ侧面泵浦Ｎｄ∶ＹＡＧ高重频电光调Ｑ激光器毛 鑫，沈兆国，付 洁，唐刚锋，羊 毅，程建新（中航工业洛阳电光设备研究所，河南洛阳４７１００９）摘 要：为了获得高效率３μｍ～５μｍ中红外激光输出，利用电光调Ｑ晶体ＲｂＴｉＯＰＯ４（ＲＴＰ），通过高重复频率驱动调Ｑ同步技术和ＬＤ侧面泵浦技术，获得高重频窄脉宽１．０６μｍ激光输出，泵浦非线性晶体周期极化钽酸锂（ＰＰＬＴ）进行频率变换，实现高功率３μｍ～５μｍ中红外激光输出。
在电源输入电流２０Ａ、调Ｑ驱动频率１０ｋＨｚ的条件下，获得１５Ｗ的１．０６μｍ激光。
利用该１．０６μｍ激光泵浦ＰＰＬＴ获得最高功率为２．６Ｗ的３．９μｍ中红外激光，１．０６μｍ到３．９μｍ的转化效率为１７．３％。
实验结果表明：通过高重频电光调Ｑ技术和ＬＤ侧面泵浦技术，可以实现高重频窄脉宽１．０６μｍ偏振光输出，泵浦ＰＰＬＴ可获得高功率高效率３．９μｍ中红外激光输出。
关键词：电光调Ｑ；光参量振荡器；中红外中图分类号：ＴＮ２４２ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．５７６８／ＪＡＯ２０１３３４．０２０７００２ＬＤ ｓｉｄｅ－ｐｕｍｐｅｄ Ｎｄ∶ＧｄＶＯ４ｅｌｅｃｔｒｏ－ｏｐｔｉｃ Ｑ－ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｌａｓｅｒｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ ｒａｔｅＭＡＯ Ｘｉｎ，ＳＨＥＮ Ｚｈａｏ－ｇｕｏ，ＦＵ Ｊｉｅ，ＴＡＮＧ Ｇａｎｇ－ｆｅｎｇ，ＹＡＮＧ Ｙｉ，ＣＨＥＮＧ Ｊｉａｎ－ｘｉｎ（Ｌｕｏｙａｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ ＡＶＩＣ，Ｌｕｏｙａｎｇ ４７１００９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ａｃｑｕｉｒｅ ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｍｉｄｄｌｅ ｗａｖｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ（ＭＷＩＲ）ｌａｓｅｒ ｏｆ ３μｍ～５μｍ，ｔｈｅｈｉｇｈ ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｄｒｉｖｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏ－ｏｐｔｉｃ Ｑ－ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ＬＤ ｓｉｄｅ－ｐｕｍｐｅｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗｅｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｇｅｔ ｈｉｇｈ ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｌａｓｅｒ ｏｕｔｐｕｔ ｗｉｔｈ １．０６μｍ ｎａｒｒｏｗｗｉｄｔｈ．Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ ｐｏｌｅｄ ｌｉｔｈｉｕｍ ｔａｎｔａｌａｔｅ（ＰＰＬＴ）ｗａｓ ｐｕｍｐｅｄ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｈｉｇｈ－ｐｏｗｅｒ ＭＷＩＲｌａｓｅｒ ｏｕｔｐｕｔ ｏｆ ３μｍ～５μｍ．Ａｓ ｔｈｅ ｉｎｐｕｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｗａｓ ２０Ａａｎｄ ｔｈｅ Ｑ－ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｗａｓ １０ｋＨｚ，ｔｈｅ １．０６μｍ ｌａｓｅｒ ｗｉｔｈ １５Ｗｐｏｗｅｒ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ａｆｔｅｒ ｐｕｍｐｉｎｇ ＰＰＬＴ ｂｙ ｔｈｅｌａｓｅｒ，ｔｈｅ ３．９μｍ ｌａｓｅｒ ｗｉｔｈ ｍａｘｉｍｕｍ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ２．６Ｗｗａｓ ｇｏｔ．Ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｆｒｏｍ １．０６μｍ ｔｏ ３．９μｍ ｗａｓ １７．３％．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ ｒａｔｅｄｒｉｖｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏ－ｏｐｔｉｃａｌ Ｑ－ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ＬＤ ｓｉｄｅ－ｐｕｍｐｅｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏｏｂｔａｉｎ ｈｉｇｈ－ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ ｎａｒｒｏｗ－ｗｉｄｔｈ １．０６μｍ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｌａｓｅｒ，ａｎｄ ｐｕｍｐｉｎｇ ＰＰＬＴ ｃａｎ ｏｂｔａｉｎｈｉｇｈ－ｐｏｗｅｒ ｈｉｇｈ－ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ３．９μｍ ＭＷＩＲ ｌａｓｅｒ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｏ－ｏｐｔｉｃａｌ Ｑ－ｓｗｉｔｃｈｅｄ；ｏｐｔｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ；ＭＷＩＲ引言半导体激光器泵浦的固体激光器（ＬＤＰＳＳＬ，简称全固态激光器）具有转换效率高、体积小、质量轻、寿命长等优点，与非线性光学频率变换技术相结合可实现更广波段的运转。
NdYAG激光器倍频特性 实验报告
Nd:YAG激光器倍频特性实验报告Nd:YAG激光倍频特性实验目的：1. 了解二次非线性光学效应 2. 了解二倍频晶体中相位匹配实验原理：当强光与物质作用后，表征光学的许多参量如折射率、吸收系数、散射截面等不再是常数，而是一个与入射光有关的变量，相应也出现了在线性光学中观察不到的许多新的光学现象，非线性光学的产生与研究大大加深了我们对光与物质相互作用本质的认识，同时也具有极其重要的实用价值。
1. 光学倍频光学倍频又称二次谐波，指在非线性介质中传播频率为ν的激光，其中一部分能量转换到频率为2ν的光波中去，使在介质中传播的有频率为ν和2ν两种光波。
从量化概念来说，这相当于两个光子在非线性介质内发生湮灭，并产生倍频光子的现象。
在倍频过程中满足能量守恒何动量守恒定律。
2. 二次谐波的效率由基波的能量（功率）转换成二次谐波的能量（功率）的比值，反映了介质的二次谐波效率，为：??I2?I?常用二次谐波非线性材料有KDP倍频晶体和KTP倍频晶体等。
KTP晶体性能优于KDP 晶体，非线性系数是后者的15倍，光损伤阈值也高（大于400mW/cm2）。
3. 相位匹配相位匹配物理实质是：基频光在晶体中沿途各点激发的倍频光，在出射面产生干涉，只有相位匹配时才可干涉增强，达到好的倍频效率。
相位匹配要求基频光和倍频光在晶体中的传播速度相等，即折射率相等，对于双折射晶体，基频光在晶体面上的入射则需要一定的角度相位匹配。
实验中，KTP晶体是加工好的，只需垂直晶体面入射即可满足相位匹配条件。
实验装置1 2 3 4 5 6 7 10 8 9 1. He-Ne激光器 5. Nd:YAG振荡棒2. 小孔光阑3. 1064nm全反凹面镜M14. Cr:YAG调Q晶体9. 能量计 10. KTP晶体4+6. 输出镜M27. Nd:YAG放大棒8. 平板玻璃图1 实验光路示意图本实验采用与“Nd:YAG激光器调Q激光束放大特性”相同的实验装置，倍频晶体放置于放大级输出端后方。
双棒串接Nd_YAG激光器的稳定特性研究
图 1 双棒串接的谐振腔结构图 Fig. 1 Resonator with two-rods inside
以 d1 为参考值, 令 d 2 = k1d1 、dm= k2 d1, 代入式
( 3) 可得:
G1=
k1k 2(
d f
1
-
2k1+ 2k1k
k2
2
)
2-
4k 21+
k
2 2
4k1k2
小, 谐振腔工作点在 G 参数图上的动态工作曲线是
以点 A ( 1, 1) 为起点的抛物线。抛物线与坐标轴( G 1=
0、G 2= 0) 及双曲线 G1G 2= 1 的交点决定了双棒串接
的平行平面腔的临界点 G 参数的临界热焦距 f 的
值, 同时也决定了谐振腔的稳区和非稳区范围。由于
谐振腔工作点经过几段稳区和非稳区( 如曲线 a 经过
G1=
a=
-
d f
2
+
( 1-
d f
2
)
(
1-
d f
m
)
( 3)
G2=
d=
-
d f
1
+
( 1-
d f
1
)
(
1-
d f
m
)
可以看出, 在激光器工作过程中, 当 f 变化时,
会引起 G1、G2 值改变。因此, 谐振腔的工作点在 G 参 数图上不是固定点, 而是以( G1= 1, G2= 1) 为起点( 当 泵浦功率为 0 或很小时, f = ∞) 的动态曲线。
G2=
k2
(
d f
1
-
2+ 2k
NdYAG 1 319 nm三纵模脉冲激光器设计分析
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LD端面泵浦Nd：YAG板条激光振荡放大器
LD端面泵浦Nd：YAG板条激光振荡放大器摘要：本文提出了一种LD端面泵浦Nd:YAG板条激光振荡放大器的设计方法，通过对激光传播过程中的损耗和增益的分析，优化了激光的传输路径和参数，实现了高效、稳定的激光放大效果。
该设计方法能够满足激光器在工业制造、医疗、科学研究等领域的需求。
关键词：LD端面泵浦；Nd:YAG板条；激光振荡放大器；传输路径；激光放大效果一、引言激光器作为一种重要的光学器件，在工业、医疗、科学研究等领域都具有广泛的应用。
其中，基于固体激光材料的激光器因具有高效、稳定、易于制备等优点而得到了广泛的应用。
Nd:YAG是一种常用的激光材料，其具有高的吸收截面和较长的荧光寿命，在激光振荡放大器中被广泛运用。
其中，板条结构是一种常见的放大器结构，其具有高的增益和较小的晶体内部损耗，因此得到越来越广泛的应用。
二、激光器设计2.1 激光器结构本文设计的激光器结构如图1所示，其采用了LD端面泵浦的方式，将激光从激光二极管(LD)发出后，通过透过镜和反射镜对激光进行聚焦和反射，使其集中到Nd:YAG板条的表面，激发Nd3+的荧光，实现激光振荡放大。
经过板条反射镜反射后，激光在板条中反复多次来回传播，最终从输出端口输出。
2.2 激光传输路径激光传输路径的选择对激光放大效果有着重要的影响。
在本文的设计中，我们采用了下列路径：LD透过镜→板条→板条反射镜→板条→板条反射镜→输出端口其中，板条反射镜的作用是将激光反射回板条中，以提高激光增益。
透过镜的作用是将激光从LD二极管发出的小角度扩大至板条的宽度，同时消除横向模式间的间隔，以确保激光被有效地吸收和放大。
2.3 激光放大效果激光放大效果是衡量激光器性能的重要指标之一。
在本文设计的激光器中，我们选择了Nd3+3F4→4I11/2和4I13/2→4I15/2之间的跃迁，其具有高的放大截面和较长的荧光寿命，能够实现高效的激光放大效果。
同时，我们通过调节LD电流和LD透过镜的位置，使得激光的光斑大小和注入模式得到最优化。
热透镜效应补偿的高功率 Nd∶YAG 激光器的优化设计
热透镜效应补偿的高功率Nd∶YAG 激光器的优化设计吴羽;龙晓莉;焦中兴;何广源;张倩【摘要】In order to obtain 1064nm laser with high power and high beam quality , a laser resonator was designed to solve thermal lens effect with a concave lens as compensation lens .The selection of the compensationlens was analyzed .A Nd∶YAG laser with a compensation lens and a plano-plano cavity was verified in the experiment .High beam quality 55W1064nm laser was obtained when the focal length of the concave lens was 250mm and the transmittance of the output mirror was 30%.This researchis helpful to the design of laser resonators with high power and beam quality .%为了获得高功率、高光束质量的1064nm激光，采用凹透镜作为补偿透镜来补偿激光棒的热透镜效应。
对补偿透镜的选取进行理论分析，并使用所设计的包含补偿透镜的平平谐振腔Nd∶YAG激光器进行了实验验证。
在实验中，使用焦距为250mm的凹透镜、透过率为30％的输出耦合镜，获得了55W 的高功率、高光束质量的1064nm激光输出。
结果表明，此项研究对高功率、高光束质量激光器谐振腔的设计是有帮助的。
【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2015(000)003【总页数】4页(P377-380)【关键词】激光器;Nd∶YAG激光器;热透镜效应;光束质量;谐振腔【作者】吴羽;龙晓莉;焦中兴;何广源;张倩【作者单位】广州大学实验中心，广州510006;广州大学实验中心，广州510006;中山大学理工学院光电材料与技术国家重点实验室，广州510275;中山大学理工学院光电材料与技术国家重点实验室，广州510275;广州大学实验中心，广州510006【正文语种】中文【中图分类】TN248.1E-mail:****************二极管抽运Nd∶YAG激光器由于具有高功率、高效率、成本低廉、寿命长等优点，已经被广泛应用于工业生产、科学研究、医疗诊断、环境监测等领域。
全固态单模Nd_YAG激光器输出特性优化的实验研究
第 2期
2007 年 4月
激 光 技 术 LASER TECHNOLOGY
Vo. l 31, N o . 2 A pr i, l 2007
文章编号 :
1001 3806( 2007) 02 0144 03
全固态单模 Nd YAG 激光器输出特性优化的实验研究
李斌成 ( 中国科学院 光电技 术研究所 , 成都 610209) 摘要 : 为了实现高功率全固 态激光器的高输出光束质量 , 使用 1mm 直径 N d YAG 激光棒和单 一二极管激 光模块侧 面抽运的简单激光腔设 计来实现功率高于 10W、 光束质量接 近衍射极 限的 T EM 00 模输 出。通过 使用小口 径激光 棒抑制 高阶横模振荡、 曲面后反镜和负透镜组合补偿热透镜效应和实验优化后反镜 的曲率半径、 负透镜的焦距以及激 光腔腔长 等结构参数使激光器输出功率和 光束圆率同时 达到 最大 , 实现 了平 均功率 10. 8 W、 脉 冲宽度 15ns 、 光斑 圆率 98. 8% 0. 8 %、 M 2 值为 1 . 1 的近衍射极限光束输出。结果表明 , 通过使用小口径激光 棒提高激光器输出光束质量工程上可行。 关键词 : 激光器 ; 光束质量 ; 激光腔设 计 ; 激光二极管侧面抽运 中图分类号 : TN 248 . 1 文献标识码 : A
因此本设计不适合激光器工作在khz之下采用1mm直径激光棒抑制高阶横模振荡和单一二极管激光模块侧面抽运的简单结构通过使用曲面后反镜和负透镜组合补偿热透镜效应实现了功率高10w光束质量接近衍射极限的tem00模光束输出在此设计的基础上对高于10w的输出光束进一步放1064nm的光束实现了二倍频和三倍频单横模输出532nm355nm波长的输出功率在无放大级时分别达到了5w达到了15w10w光斑圆率优于90gowerindustriaapplicationlaseicromachticsexpress20005667
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第32卷 第3期 激光与红外Vol.32,No.3 2002年6月 LASER & INFRARED J une,2002 文章编号:100125078(2002)0320180202高重频Nd∶Y A G激光器的可靠性设计侯惠民,张玉峰,姚大虎(华北光电技术研究所,北京100015)摘 要:为提高高重频大功率Nd∶Y A G激光器的可靠性,在激光器的结构、聚光腔、Q开关等方面进行优化设计,使得激光器在光束质量及可靠性等方面有了很大的提高,并可满足恶劣环境的使用要求。
关键词:高重频;光束质量;可靠性中图分类号:TN248.1+3 文献标识码:BR eliability2design of High R epetition R ate Nd∶YAG LaserHOU Hui2min,ZHAN G Yu2feng,YAO Da2hu(North China Research Institute of Electro2Optics,Beijing100015,China)Abstract:The optimal design of the structure,pump cavity and Q2switch of high2repetition rate and high powerNd∶Y A G laser are introdnced.It improved beam quality and reliability of laser.At the same time,it also met theneed of the requirement in bad situation.K ey w ords:High2repetition rate;beam quality;reliability1 引 言 谐振腔、聚光腔、Q开关作为激光器的核心部件,其稳定性、可靠性至关重要,本文着重介绍在这几方面进行优化设计,并应用于固体激光器生产过程中,使激光器的光束质量、可靠性得到了很大提高,并满足恶劣环境使用要求。
2 理论分析及方案选取2.1 高频聚光腔设计为提高泵浦均匀性,获得高的泵浦效率,通常我们选择漫反射紧包腔。
实验结果表明在激光棒中贮能的分布更均匀,消除了晶体中强点,增加了“关门”能力,提高了调Q激光的输出效率。
并且漫反射聚光腔具有良好的稳定性,能够长时间工作,制作工艺简单,成本低、重量轻、不易受污染等优点。
在重频不高的情况下,由高注入带来的热效应通常可以通过提高冷却水流的速度以及光学补偿来克服,其光束质量受到的影响不大。
但在高重频工作情况下(≥80Hz),由于冷却水冷却不均匀造成激光光斑边缘扭曲、抖动,严重情况下甚至出现强点损坏光学元件,此时无论怎样增加冷却水流速度,也很难有所改进。
为此,我们通过改进聚光腔的结构设计,大大提高了高重频工作下,激光棒的冷却效果。
改进后的聚光腔结构如图1所示。
将激光棒装在通冷却水的专用管中,冷却水先图1 高频漫反射激光腔经由棒水套管冷却激光棒,再进入聚光腔中冷却灯和腔。
棒水套管采用滤紫外光玻璃,可以吸收有害紫外辐射,管内螺旋结构使水流绕激光棒螺旋式流动,从而达到均匀冷却,抑制激光光斑边缘抖动,改善高频下的光束质量,并能够长期可靠运转。
2.2 Q开关设计电光Q开关一直是激光器中的易损器件,其可靠性已成为制约激光器寿命的关键因素,同时K D3P调Q晶体的温度敏感性对激光器在高低温环境下的工作也有不可忽视的影响。
为提高其性能我们摒弃了惯用的退压调Q工作方式,而采用升压调Q工作方式。
(1)传统的退压电路通常采用冷阴极触发管作为开关元件,晶体易损坏,寿命短。
且冷阴极在工作时由于阳极加热因子超标,电路阻抗失配等原因,致使其栅极过热和变形,阳极有弧光放电,长时间工作,会出现尖叫、漏闪甚至连通,触发可靠性差。
升压调Q电路采用MOS管作为开关元件,开关速度快,结构紧凑,受环境温度影响小,激光漏闪率低,激光波形输出稳定,给实际应用带来很大的方便。
通过试验,适当选取电路参数,得到的激光输出完全可达到冷阴极管作为电开关的水平。
(2)由于K D3P晶体的半波电压随温度变化而变化,为保证激光器在环境温度变化时仍能稳定工作。
传统方式中,K D3P晶体置于由加热丝加热,温度传感探测器很难准确反映晶体内的温度,加热也很难做到均匀、稳定,因此效果并不理想,而且恒温电路本身易受电信号干扰,影响激光器的可靠性。
作者简介:侯惠民(1975-),男,1998年毕业于长春光学精密机械学院,1998年至今在华北光电技术研究所激光技术部从事激光技术研究。
收稿日期:2002203212图2 激光脉冲与调Q 信号时序关系我们采用升压调Q 方式,可以通过对调Q 信号的设计,来适应半波电压的变化,克服上述不足。
其激光脉冲与调Q 信号的时序关系,如图2所示:调Q 信号波形其前沿约为20ns ,后沿大于100ns ,电压V 可由0～5000V 连续可调,V1为K D 3P 晶体的λ/4电压,在基本对应于V1位置产生激光输出。
当温度发生变化时,例如λ/4电压变为V2时,激光输出时间相应移动,基本对应于V2位置,调Q 波形对温度波动有一定的自适应能力。
试验表明当V =5000V 时,环境温度从-10℃至+50℃,激光器输出能量不稳定度小于10%。
当环境温度变化大于该范围时,可改进电路设计,使得调Q 信号幅度相应变化则可以满足使用要求。
采用升压调Q 脉冲适应温度变化的方法,不仅摒弃了恒温池、提高了可靠性,而且能同时满足高温和低温的使用要求,结构简单,符合激光器工程化的发展方向。
2.3 谐振腔设计谐振腔的设计,主要考虑激光器应在高重频状态工作时,有较大的能量输出,较高的光束质量和较好的稳定性。
高重频状态下,圆棒晶体将产生严重的热效应,具体表现为热透镜效应和应力双折射。
本激光器采用高斯变反膜(VRM )非稳腔,以提高光束质量,压缩发散角,并要考虑热效应对激光的影响和在不同工作频率下的兼容性。
(1)高斯变反膜(VRM )谐振腔具有横模选择能力强、提高模稳定性、扩大模体积和改善场图均匀性等方面具有独特的优势。
我们采用VRM 平凸腔。
输出镜M 1为高斯变反膜镜,其反射率表达式为:R =R 0exp [-2(r/ωm )n](1)式中R 0为中心处反射率,ωm 为膜斑尺寸,n 为高斯函数的阶数。
输出镜上的光斑尺寸与膜斑尺寸的关系为:ω=ωm (M n -1)1/n (2)式中M 为非稳腔的几何放大倍率。
近场光场平顶分布条件为:M nR 0=1(3)通过合理选取ω、n 、M 值,并结合(1)、(2)和(3)式便可确立变反膜参数。
(2)由于本激光器是在高重复频率状态下工作,激光晶体中会形成一个径向分布的温度梯度场,使晶体产生热透镜效应,这种热透镜效应对腔参数影响很大,在设计时应考虑进行补偿。
由于激光器工作频率范围很宽,既要照顾到高工作点又要照顾低工作点,我们选取工作频率为60Hz 为最佳工作点。
由于不同频率下的热焦距不同,所以在谐振腔参数R 的选取上应尽量考虑使热焦距的变化对谐振腔的影响尽量小。
应用几何光学的方法可导出如下关系式:1R =1f 11-l ′f t +1R ′1-l ′f t 2(4)l =l ′/1-l ′ft(5)其中R 、l 为欲设计的曲率半径和腔长,l ′、R ′为补偿热透镜后的腔长和曲率半径,f t 为热焦距。
热焦距f t 可由实验测得见文献[2]。
将欲设计的腔长l 和曲率半径R 和热焦距f t带入(4)和(5)式,便可求出实际的腔长l ′和曲率半径R ′,则使得热透镜得以补偿。
根据以上理论分析,我们在实际工作中选取输出镜曲率半径R 为500mm ,平面全反镜,腔长360mm ,激光晶体Φ7×80mm ,获得了频率1～100Hz 动态工作范围内能量大于200mJ ,自然发散角小于1mrad 的动态激光输出。
其近场光斑图样如图3。
图3 频率100Hz 、E ≥200m J 、距激光出口500mm 处光斑图样3 结构可靠性设计我们采取的措施主要由以下几点:3.1 为了消除机械振动、运输、高低温等原因导致的谐振腔失谐而对激光输出的影响。
激光器机头采用铸件结构,光学调整架采用固定不可调结构,增加整体机械结构稳定性,在恶劣环境下获得了稳定的激光输出。
3.2 光学系统密封,强化工艺技术,规范化生产,使得激光器的可靠性得到进一步提高。
3.3 注意对激光器内杂散激光的吸收处理,以及对关键光学元件的多层屏蔽密封保护,提高可靠性。
4 结 论经过对本激光器的优化设计,大大提高了输出激光的光束质量和可靠性。
以其结构紧凑、高光束质量、抗恶劣环境和高可靠性等优点广泛应用于科研、军事等领域。
现已形成批量生产,创造了良好的社会和经济效益,得到了专家和用户的好评。
参考文献:[1] 曹三松,王明秋,等1漫反射聚光腔灯泵Nd ∶Y A G 激光器[J ].激光技术,1999,(6):230.[2] 李俊书,谢志浩,李华振1平凸非稳腔Nd ∶Y A G 激光器[J ].兵器激光,1981,(2):98.[3] 张贵芬,李庆国,张蕾1可变反射率激光谐振腔研究[J ].激光杂志,1993,(2):63.[4] 徐荣甫,邓仁亮,等1谐振腔机械稳定性的近似分析及实验研究[J ].兵器激光,1981,(3):152.[5] Optomechanical considerations for stable lasers[A ]1SPIE1991.Vol.1416:10-20.181第3期 激光与红外。