固体激光器谐振腔.docx

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
完成时间：2012-05-05

目录

1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R1和R2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
2.1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：
（1）过渡族金属离子
如Cr3+,Ni3+,Co3+
（2）三价稀土金属离子
如Nd3+,Pr3+,Sm3+
（3）二阶稀土金属离子
如Sn2+,Dy2+,Tm3+
（4）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

2.2详述Nd3+:YAG晶体
物理与化学特性
分子量硬度/莫氏熔点/oC密度/(g/cm3)折射率/(lum室温)593.78-8.519504.551.82表1：YAG的基本理化特性

温度/k热导率/
(W.cm-1.k-1)比热/
(4.18J.g-1.k-1)热扩散系数/(cm2.s-1)热膨胀系数/(10-6.k-1)dn/dt1000.5881.10.924.252000.21270.50.15.85000.13371.20.0467.57.3*10-6表2：YAG的温度特性

激光特性
由图中能得出两个结论：
1Nd3+:YAG为4能级系统
24F3/2为亚稳态能级

1.064um的能级跃迁

图1：Nd3+:YAG的能级结构
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(4F3/24I9/2)25%
~1.06um(4F3/24I11/2)60%
~1.35um(4F3/24I13/2)14%
其中最强的是1.06um的荧光谱线。4F3/2向4I9/2跃迁属三能级系统，阀值高，只能在低温下才能实现激光震荡。4I11/2和4I13/2跃迁为四能级系统，阀值低，易实现激光震荡。由于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。

对激光辐射有贡献的主要吸收带有5条：
~0.53um(4I9/24G7/2+2G9/2)
~0.58um(4I9/24G5/2+2G7/2)
~0.75um(4I9/24F7/2+4S3/2)
~0.81um(4I9/24F5/2+2H9/2)
~0.87um(4I9/24F3/2)
结论：1.064um的激光是由
4F3/24I11/2产生的，故泵光源发出的光集中在0.87um附近

图2：Nd3+:YAG晶体在300K的吸收光谱

图3：由于晶格振动造成的在1.06um处的频谱展宽（300K）