NdYAG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

理论依据
泵浦源
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/
-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0.75um~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）

3泵浦源
3.1理论依据
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大的发射，而在有效吸收带之外的所有光谱范围内产生最小发射。
由Nd3+:YAG的激光特性可知道，我们需要的光源就是0.75um~0.87um的光源。
3.2设计方案
790-820nm泵浦带
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