激光二极管抽运被动调Q微晶片激光器理论分析和仿真

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'激光二极管抽运被动调Q微晶片激光器理论分析和仿真'
东处石油丈修2018异6月15日东北石油大学课程设计任务书课程 光电子技术基础课程设计题R 激光二极管抽运的被动调Q微晶片激光器的理论分析与仿真专业 电子科学与技术 姓名 学号 主要内容、基本要求、主要参考资料等主要内容:以被动调Q激光器的理论为基础,研究被动调Q Nd3+:YAG微晶片激光器的 输岀,并利用Cr4+:YAG可饱和吸收体的激发态吸收特性,得到连续激光二极管抽 运的C产:YAG被动调Q Nd卄:YAG微晶片激光器的耦合方程;利用MATLAB软件 进行数值仿真,得到不同参量下被动调Q脉冲的输岀,进而得到脉冲的脉宽和重 复频率;疽:[1] 熟悉被动调Q激光器的理论及被动调Q过程屮激光脉冲的产生过程;[2] 利用MATLAB软件仿真得出不同参量下被动调Q脉冲的输出以及脉冲的 脉宽和重复频率。主要参考资料:[1] 张季熊.光电子学教程[M].华南理工大学出版社.2005.[2] 欧攀.高等光学仿真(MATLAB)版—光波导、激光(第2版)[M]?北京航空航天 大学岀版社.2014.[引胡章芳.MATLAB仿真及其在光学课程中的应用?北京航空航天大学出版社, 2015.完成期限 2018611 ~201&6.15指导教师 专业负责人 2020年09月19日第1章绪论 11」激光应用的意义 11.2激光技术的发展前景 1第2章激光原理简介 22.1辐射与吸收 22.2阈值条件 3第3章激光调Q原理 43.1激光调Q简介 43.2调Q原理 43.3被动调Q技术 6第4章被动调Q仿真 94」被动调Q耦合速率方程 94.2被动调Q耦合速率方程组数值仿真 104.3程序源码 13结论 16参考文献 171.1激光应用的意义1954年制成了第一台微波量子放大器,获得了高度相干的微波束。1958年A.L?肖洛 和C.H.汤斯把微波量子放大器原理推广应用到光频范围,1960年T.H.梅曼等人制成了第 一台红宝石激光器。激光器发明不久,人们就于1962年实现了调Q激光器。调Q激光器 是实现高能量激光脉冲的有效手段。通过在激光器腔内对腔损耗进行调制,来调节激光器 的Q值。在每个周期的大部分时间内使腔维持在高损耗,在激光器工作物质上下能级反 转粒子数累积到一定值吋,突然降低腔内损耗,从而腔内迅速建立激光振荡,并输出一高 能量脉冲,直接输出的脉冲能量达到mJ,脉宽在数纳秒到百纳秒之间。调Q光纤激光器 根据调Q方式可以分为两类⑹,主动式调Q和被动式调Q。主动调Q需要在腔内使用电 光开关或声光开关来控制腔内Q值。被动调Q需要在腔内插入可饱和吸收体。例如使用 了 Co:ZnS晶体或者Cr:YAG晶体等做可饱和吸收体。调Q用可饱和吸收体的激发态弛豫 时间需要比腔内脉冲往返一次的时间长,也可以使用未泵浦的掺稀土离子光纤或半导体可 饱和吸收体。1986年,LP. Alcock首次报道了调Q光纤激光器,利用声光调制器作为调Q 元件,在掺Nd光纤激光器屮实现了峰值功率8.8w的输出。随后RJ.Mear也报道了类似 结构的掺Er光纤调Q激光器,此后由于调Q光纤激光器兼具调Q激光器和光纤激光器 的优点。在分布式传感、激光测距、时域反射测量、生物医疗等领域有着广泛的应用,所 以引起了人们的广泛兴趣和深入研究。1.2激光技术的发展前景20世纪80年代中期,随着稀土掺杂光纤的出现,最初的调Q技术是在晶体和玻璃光 纤激光器屮实现的。如最初研究的调Q掺Nd、掺Er光纤激光器,随后掺Yb、掺Pi?和掺 Tm光纤激光器也被人们研究。随着光纤光栅的发展,光纤激光器结构变得越来越紧凑, 同I]寸实现了全光纤化调Q光纤激光器。在国民经济中形成新的产业部门激光产业止在我国逐步形成,其中包括激光音像、激 光通讯、激光加工、激光医疗、激光检测、激光印刷设备及激光全息等,这些产业正在作 为新的经济增长点而引起高度重视。例如,全国己有380多家生产激光音像设备(CD、 LD、VCD、DVD),发展异常迅速。又如,利用激光全息技术开拓了激光模压全息防伪 商标和装饰业,也已成为较大规模的新兴产业。 第2章激光技术简介2.1辐射与吸收1916?1917年,爱因斯坦根据光量子论推导出了普朗克公式。在这次的计算推导中, 他提出了两个非常重要的概念,这两个概念对以后的研究产生了极大影响,即受激和自发 两种辐射。他釆用了新的模型:光和物质相互作用的模型。在这种模型下,设定了原子只 有两个能级,能级2和能级1,如下图2?1所示。原子从高能态2向低能态1跃迁辐射能 量,由低能态向高能态跃迁,吸收能量。这个过程,由自发辐射光子和受激辐射光子组成。原子受到激励激发到高能级E?吋⑴,它的状态是不够稳定的,有一种向低能级跃迁 的趋势。即使没有外界因素,处于高能级的原子,也有可能发生跃迁。如果没有外加条件, 原子从高能级向低能级跃迁方式有两种方式。只通过释放热能的方式来跃迁的,叫做无辐 射跃迁。通过光辐射的形式来跃迁的,叫做自发辐射跃迁。辐射出的光子能量满足玻尔条 件:耳一 Q =力岭| (2-1)假设原子系统受到外加能量,如加21的光子照射时,如果满足2?1式条件那么处于低 能态Q上的原子就会发生受激吸收,吸收此光子,得到能量,跃迁到高能态民上。与此同时,在光的受激吸收过程的同时,还有一个相反的过程,受激辐射。此过程需 收到光子照射,此光子需满足2?1式条件,那么处在高能级艮上的原子也会受到外来的 能量/2心的光子的激发,而从高能级◎跃迁到低能级Q上去。这时原子就会输出一个光 子,它和外来光子具有相同特性。激光的产生就是在收到激发,发生辐射这个过程中产生 的。Ei E2 」 ! ? 一*自发辐射入射光—入射光 /WV-Ei (a)(b)(c)E2Ei ——I— E2 ―Ex I ?受激辐射图2?1 (a)自发辐射,(b)受激吸收,(c)受激辐射2.2阈值条件从光子的观点来看,在能级型和Q之间添加介质,使粒子数可以反转分布,当自发 辐射时,腔内频率为卩的模式的光,就能够得到一个光子。介质在这种状态的光子感应下 受激辐射,就会输出一个光子,其性质与此光子性质完全一致。这样,在这种模式下,就 会得到一个光子,与高能级的原子相互作用,就会发生受激辐射,进而再一次产生光子。 通过这样的一系列的雪崩式反应,就会输出大量的光子,在量子的状态下,这些光子的性 质是一致的。最后产生的这种频率为的形式的光,光子的数目积聚越来也多。激光产生就 是这样形成的。腔内任何模式的光,只有至少存在一个光子,才能形成这样一个过程。激 光阈值的另外一种表达式可以表示为式(2-2):4加 (2-2)g在同一个模式下,自发辐射几率记作A21/g,模式数目记作g,在腔内,光子的生存 时间长度是仇,式(2-2)还可以写成式(2-3)的表达式:g 1人加》——?一 (2-3)A21 Tc第3章激光调Q原理3.1激光调Q简介
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