NdYAG固体激光器谐振腔.docxVIP

课程设计报告

课程设计报告

课程名称：课程设计

设计题目：Nd:YAG固体激光器谐振腔院 系：物理系

班 级：09光信息科学与技术2班姓 名：黄国辉

学 号：200930461371

指导老师：李润华老师完成时间：2012-05-05

设计要求

工作物质物理 固体工作物质基础性质分析

详述Nd3+:YAG晶体

泵浦源

理论依据设计方案

课程设计 模块 聚光腔 基础理论方案设计

谐振腔 基础理论

方案设计方案评估

电光调Q冷却系统

总体设计总结

附录

11设计要求

对于给定一个长15cm,直径6mm的Nd:YAG棒(折射率n=1.82)和长3cm,通光口径为8mm的KD*P电光调Q晶体(n=1.51),设计一个完整的紧凑型谐振腔,要求画出结构图,给出谐振腔镜R和R的尺寸和总的腔长L,计算出光腰的位置,光斑尺寸大小和发散角,以及两个腔镜

1 2

上的光斑尺寸.(忽略热透镜效应)

要求：

腔长尽量短

要给各元件留一定的安放空间

考察谐振腔的稳定性

考察谐振腔的抗扰动的能力

考察腔模的光学特征（比如发散角、束腰的半径等参数，并最佳化）

最好能用图表来说明问题。评分就是根据这些参数来看设计的优劣。

注意波长为1.064微米.

2工作物质物理性质分析

固体工作物质基础

综述

固体激光工作物质由激活离子和基质组成，激活离子的能级结构决定了激光的光谱特性和荧光寿命等激光特性。基质主要决定了工作物质的物理特性，化学特性。

激活离子

激活离子是发光中心，离子的电子阻态中，未被填满壳层的电子处于不同轨道和自旋运动状态，形成一系列能级。目前可用作激活离子的元素共有19种，可分为四类：

过渡族金属离子如Cr3+,Ni3+,Co3+

三价稀土金属离子如Nd3+,Pr3+,Sm3+

二阶稀土金属离子如Sn2+,Dy2+,Tm3+

锕系离子

多为人工放射元素，不易制备

基质材料

工作物质的基质材料应能为激活离子提供合适的配位场，并具有优良的机械热性能及高光学质量，常用的基质材料分为晶体和玻璃两大类

详述Nd3+:YAG晶体

物理与化学特性

分子量

分子量

593.7

硬度/莫氏

8-8.5

熔点/oC

1950

密度/(g/cm3)

4.55

折射率/(lum室温)

1.82

表1：YAG的基本理化特性

温度/k

热导率/

比热/

热扩散系数

热膨胀系数

dn/dt

(W.cm-1.k-1)

(4.18J.g-1.k-1)

/(cm2.s-1)

/(10-6.k-1)

100

0.58

81.1

0.92

4.25

200

0.21

270.5

0.1

5.8

500

0.13

371.2

0.046

7.5

7.3*10-6

表2：YAG的温度特性

激光特性

由图中能得出两个结论：Nd3+:YAG

由图中能得出两个结论：

Nd3+:YAG为4能级系统

4F3/2为亚稳态能级

1.064um的

能级跃迁

室温下Nd3+:YAG有三条荧光谱线，中心波长和对应的能级跃迁分支比为：

~0.94um(4F

4I )25%

3/2

9/2

~1.06um(4F

4I )60%

3/2

11/2

~1.35um(4F

4I )14%

3/2

13/2

其中最强的是

1.06um的荧光谱线。4F 向4I 跃迁属三能级系统，阀值高，只能在低

3/2 9/2

温下才能实现激光震荡。4I 和

11/2

4I 跃迁为四能级系统，阀值低，易实现激光震荡。由于

13/2

1.06um谱线的荧光强度比1.35um的荧光强度强约为4赔，1.06um谱线首先起振，从而抑制

了1.35um谱线。所以Nd3+:YAG激光器通常只产生1.06um的激光震荡。采用选频技术可以输出1.35um。

结论：1.064um的激光是由

结论：1.064um的激光是由

4F

3/2

发

4I

出

11/2

产生的，故泵光源

的

光

集

中

在

0.75um~0.87um附近

对激光辐射有贡献的主要吸收带有5条：

对激光辐射有贡献的主要吸收带有5

条：

~0.53um(4I

9/2

~0.58um(4I

9/2

~0.75um(4I

9/2

~0.81um(4I

9/2

~0.87um(4I

9/2

4G

7/2 9/2

+2G )

4G

4F

4F

4F

5/2 7/2

+2G )

7/2 3/2

+4S )

5/2 9/2

)

3/2

+2H )

图3：由于晶格振动造成的在1.06um处的频谱展宽（300K）

理论依据

泵浦源

泵浦激光器使用光源的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。最有效的激光泵浦灯将使激光材料在激发荧光的波长上产生最