L侧面泵浦被动Q开关NYAG激光器模拟与实验研究.docVIP

LD侧面栗浦被动Q开关Nd:YAG激光器模拟与实验研究 本论文考虑被动调Q过程的动态损耗，即考 虑可饱和吸收体的吸收系数随时间的变化，分析了 LD端面 泵浦被动Q开关Nd: YAG激光器的速率方程组。数值模拟了 在不同可饱和吸收体初始透过率，以及不同输出耦合镜透过 率的情况下，输出激光的单脉冲能量和脉宽。并与试验结果 进行了对比。模拟结果和实验结果相符合。研究结果表明随 着初始透过率的增加单脉冲能量逐渐减小，而脉宽逐渐增 大。随着输出耦合镜透过率的增加，单脉冲能量先增大后减 小，脉宽先减小后增大。 关键字：动态损耗；被动调Q;单脉冲能量；脉宽 G64 A 1672-3791 (2015) 08 (b) -0000-00 引f 在被动调Q实际过程中，随着纳秒级激光脉冲的形成， 可饱和吸收体基态粒子数逐渐变小，上能级粒子数逐渐变 大，可饱和吸收体的透过率会逐渐变大，可饱和吸收体的吸 收系数就会逐渐变小，即在调Q过程中损耗是逐渐变小的。 关于不考虑动态损耗下，对LD侧面泵浦被动Q开关Nd: YAG 激光器主要输出参数的理论和实验研究，已有大量的文献报 告[1]-[4]。如果把调Q过程中的损耗看成定值，得到的单 脉冲能量等输出参数与实际情况相比会有较大的误差。而 考虑调Q过程的动态损耗，得到的单脉冲能量和脉宽等输出 参数会更符合实际。 本论文考虑调Q过程中可饱和吸收体的吸收系数随时间 的变化，以及可饱和吸体的透过率随时间的变化，求解被动 调Q速率方程，得到光强、单脉冲能量、脉宽的表达式。再 通过数值模拟，得到不同可饱和吸收体初始透过率情况下， 单脉冲能量和脉宽随初始透过率的变化规律，以及不同的输 出镜耦合镜透过率情况下，单脉冲能量和脉宽随输出耦合镜 透过率的变化规律。并展开了实验研究，将实验测量结果和 理论分析结果进行了对比分析。 理论模型 LD侧面泵浦被动调Q实验中，考虑可饱和吸收体激发态 吸收，为了简化计算，所以在计算中可以用平面波近似。根 据被动调Q理论，考虑可饱和吸收体激发态吸收的被动调Q 速率方程组写为如下形式[5]: (1) (2) (3) (4) 把速率方程(2)改写为: (5) 上式两边同时乘以受激发射截面，得到增益的表迖式如 下: (6) 激光在谐振腔中进行第i+1次振荡时的激光增益系数与 第i次的激光增益系数的关系为： (7) 其中，为激光在谐振腔中往返振荡一次的时间，。 增益表达式为： (8) 光在谐振腔中振荡第i+1次的增益为： (9) 吸收系数表迗式为： (10) 对上式两边进行求导得到： (11) 我们知道： (12) 联立速率方程(4)和方程(12)，得到： 上式两边同时乘以基态吸收截面得到: 其中，，。 速率方程(3)两边同时乘以得到： (15) 联立方程(11)、(14)和方程(15)得到： (16) 激光在谐振腔中进行第i+1次振荡时的激光吸收系数与 第i次的激光吸收系数的关系为： (17) 光在谐振腔中振荡第i+1次的损耗为： (18) 激光在谐振腔往返振荡第i+1次的透过率表迗式为： (19) 根据透过率公式，求得激光的初始吸收系数为： (20) 实验装置为输出镜和全反镜构成谐振腔，腔内放置激光 晶体和调Q晶体。假定初始的光强为，激光晶体的长度为， 可饱和吸收体的长度为，初始的增益系数为，初始的损耗系 数为，输出镜的反射率为，往返振荡一次之后的激光光强， 光首先通过激光晶体： (21) 光通过可饱和吸收体： (22) 光通过输出镜： (23) 光再次通过可饱和吸收体： (24) 光通过激光晶体： (25) 光通过全反镜： (26) 联立式(21)，(22)，(23)，(24), (25)，(26)我们得 到，在谐振腔中往返振荡一次后的光强与初始光强之间的关 系为： (27) 我们得到光在谐振腔中振荡第i+l次的光强，与第i次 光强之间的关系为： (28) 光强与功率的关系表达式为： (29) 我们可以知道激光在谐振腔中往返振荡第i次的能量表 达式为： (30) 把(28)式代入(30)式得到： (31) 单脉冲能量为： (32) 激光在谐振腔中进行第j次往返振荡的光强为，其中1 1:试验装置 表1速率方程相关参量 参数 取值 6cm 2X10-18cm2 5X10-19cm2 4X10-6s 2. 8X10-19cm2 0. 08 R 52% 54% 35cm 2. 33ns A 0. 08 1 用表1的参数，我们可以模拟求出在不同可饱和吸收体 初始透过率的情况下，和在不同输出镜透过率的情况下，对 应的主要输出参数的变化规律。随着初始透过率的增加谐振 腔的损耗逐渐减小，到达调Q阈值的时间变小，因此上能级 积累的粒子数减小，单脉冲能量也会变小，而脉冲从开始到 结束的时间增加，所以脉宽就会增加