CN112436374A - 一种基于Nd/Cr:YAG键合晶体的调Q激光器设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于Nd/Cr:YAG键合晶体的调Q激光器设计方法，包括步骤：首先进行基于Nd/Cr:YAG键合晶体的谐振腔结构设计；然后搭建被动调Q激光系统：使用LD端面泵浦键合晶体的方式实现红外波段输出，进行耦合系统泵浦光搭配谐振腔的设计：在谐振腔外部加上一段空气d2，在该段空气外侧再加上一个倾斜角度为0的起耦合功能的透镜F1，然后在透镜F1前面再加上一段空气d1；然后对激光器进行热效应分析、出光阈值检测、稳定性测试以及DMA动态多模仿真分析，最后得到符合要求的激光器。本发明设计的激光器由于端面泵浦的使用可以达到减少晶体产生的热透镜效应晶体和内部的热沉积的效果，能提高激光器的输出特性。

Description

一种基于Nd/Cr:YAG键合晶体的调Q激光器设计方法
技术领域
本发明涉及激光器设计技术领域，特别是涉及一种基于Nd/Cr:YAG键合晶体的调Q激光器设计方法。
背景技术
光测距、光通信、激光医疗等相关应用领域的设计要求激光器做到较窄的脉宽同时最高峰值功率较高的脉冲输出。而在设计键合晶体端面泵浦Nd/Cr:YAG被动调Q激光器时，为了得到合适的输出激光能量和脉冲宽度、峰值功率，需要去选择一个合适的材料参数以及设置相应的谐振腔参数，才能达到相应的设计效果。实现脉冲激光输出的许多方法中，调Q技术是一个十分有效也比较普遍的手段。调Q技术大体分为主动调Q和被动调Q两种方式。众多调Q晶体中的Cr4+:YAG晶体与传统调Q材料相比起来具有基态吸收截面大、饱和光强小、掺杂浓度相对较高、热的传导能力较好、抗激光损伤能力强、物理性能和化学性能良好且稳定等优良性能，所以可以选择它去代换一些常用的饱和吸收体。近年来，在混有Nd或Yb离子的高功率以及高重复频率的固体激光器中的表现情况良好。同时，对于被动调Q激光器来说，Cr4+:YAG晶体能够让激光器结构变得非常简单且体积也会较小，但还能得到稳定的激光输出，由于这种调Q晶体的优异性能与表现，所以近年来它在激光通信、激光医疗、激光雷达、材料加工、激光测距、激光精密测量、遥感技术等领域的应用十分普遍。但如何达到该设计性能要求，如何设计，则是技术人员须要克服的技术问题。
发明内容
本发明的目的是基于上述的现有技术，而提供一种基于Nd/Cr:YAG键合晶体的调Q激光器设计方法。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种基于Nd/Cr:YAG键合晶体的调Q激光器设计方法，包括步骤：
首先进行基于Nd/Cr:YAG键合晶体的谐振腔结构设计，采用LD端面泵浦YAG/Nd:YAG/Cr4+:YAG键合晶体形成平-平腔结构，由共轴双凹面镜形成光腔；然后搭建被动调Q激光系统：使用LD端面泵浦键合晶体的方式实现红外波段输出，进行相应参数下耦合系统泵浦光搭配谐振腔的设计：在谐振腔外部加上一段空气d2，在该段空气外侧再加上一个倾斜角度为0的起耦合功能的透镜F1，然后在透镜F1前面再加上一段空气d1；然后对激光器进行热效应分析、出光阈值检测、稳定性测试以及DMA动态多模仿真分析，得到符合要求的激光器。
其中，所述谐振腔为在晶体折射率为1.82的Nd/Cr:YAG键合晶体两端直接贴合反射膜的结构，其中键合晶体左端镀的是808nm增透膜和1064nm高反射膜，晶体的出射端镀的是1064nm部分反射膜。
其中，所述的Nd/Cr:YAG键合晶体总长度为12mm，其中YAG的厚度为2mm，Nd:YAG的晶体厚度为8mm，Cr4+:YAG的厚度为2mm。
其中，获取激光方式为被动调Q方式，被动Q开关是利用工作物质对光的可饱和吸收效应实现激光器的Q突变，工作物质选用Nd/Cr:YAG键合晶体。
其中，首先在reZonator中设计搭建基于Nd/Cr:YAG键合晶体的谐振腔结构，然后将所述设计搭建的基于Nd/Cr:YAG键合晶体的谐振腔结构在LASCAD中建立，在LASCAD进行热效应分析、出光阈值检测、稳定性测试以及DMA动态多模仿真分析。
本发明方法所设计的激光器的键合晶体体积小，故而便于医疗、军工等行业应用，且对激光的聚焦效果良好；端面泵浦的使用可以达到减少晶体产生的热透镜效应晶体和内部的热沉积的效果；被动Q开关是利用某些物质对光的可饱和吸收效应实现激光器的Q突变，在通过解出被动调Q速率方程的结果后，可以得到调Q激光器输出特性最好时激光器中的结构参数。
本发明方法设计的LD泵浦脉冲激光器有模块化设计、体积小巧、易于加工的优点。在进行脉冲运转的情况下，泵浦光一部分转换为输出功率，而剩余部分将转换为热，所以会让晶体的温度提高，从而削弱调Q激光器的输出特性。而端面泵浦的使用可以达到减少晶体产生的热透镜效应晶体和内部的热沉积的效果。再者，通过去挑选适宜的晶体材质和厚度、改变泵浦光的光斑半径和脉冲激光器的泵浦功率来降低晶体的热效应，提高激光器的输出特性。
附图说明
图1是本发明提供的双凹腔示意图；
图2是本发明提供的谐振腔的结构示意图；
图3是F1＝100mm时的谐振腔内光束传播情况(晶体中心光束约半径89μm)；
图4是热焦距F1从0到1000mm变化时，Nd:YAG中心的光束半径变化；
图5为基于Nd/Cr:YAG键合晶体的调Q激光器泵浦装置图；
图6为基于Nd/Cr:YAG键合晶体的调Q激光器的光束半径随参数变化的结果；
图7A-7B为基于Nd/Cr:YAG键合晶体的调Q激光器的不同原始光斑半径随参数变化的结果(图7A中原始光斑半径1500μm，图7B中原始光斑半径1000μm)；
图8A-8C为基于Nd/Cr:YAG键合晶体的调Q激光器的不同光斑半径对应的输出功率(图8A中光斑半径300μm，图8B中光斑半径600μm，图8C中光斑半径900μm)；
图9为基于Nd/Cr:YAG键合晶体的调Q激光器的峰值功率与泵浦速率的关系；
图10为基于Nd/Cr:YAG键合晶体的调Q激光器的脉冲宽度和重复频率与泵浦速率的关系；
图11为本发明所设计的激光器的结构。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明所设计的激光器包括：泵浦源、工作物质、谐振腔(由腔镜1与腔镜2构成)和入射光，参见图11所示。泵浦源承担激励源的功能，其作用是进行粒子数反转。工作物质是产生激光的媒介和储能物质，是泵浦能量的吸收和转换对象，通常分为气体、固体和液体三类。谐振腔承担增益放大的功能，产生高质量高能量的激光输出，它的工作模式是放大同一固定方向和频率的光，而且削弱其它方向和频率的光的振荡。入射光提供激光的产生条件。
基于激光二极管泵浦Nd/Cr:YAG键合晶体的技术，本发明通过利用reZonator光学仿真软件对泵浦和谐振腔结构进行设计，结合模拟热透镜效应下谐振腔内光束传播情况以及热焦距变化时晶体中心的光束半径变化；利用LASCAD光学软件进行热效应分析以及动模分析，从而获得激光器的。
本发明中，选择Nd:YAG晶体作为增益介质，Nd:YAG晶体具有出光阈值低，损耗值低等优点。设计了Nd：YAG晶体的被动调Q激光谐振腔，选取了Cr4+：YAG晶体作为被动调Q的晶体来实现被动调Q。对调Q方式进行了推导，得出的参数的改变对输出特性的影响关系，有助于优化设计被动调Q激光器，从而达到短脉冲，高峰值功率的输出要求。
如图1所示，本发明基于Nd/Cr:YAG键合晶体的调Q激光器设计方法，包括步骤：
首先进行谐振腔结构设计：对激光晶体采用热键合技术进行键合处理，先将两块晶体通过一些表面处理后，让它们紧紧地连在一起，在正常温度下形成光胶状态，然后通过晶体的热处理，在不需要其他粘结剂的条件下达到永久性的键合。
在相同基质掺杂晶体的两端键合两个不掺杂的晶体时，它的端面温升很小，接近所用冷却剂的温度，从而可以大大减少热透镜效应以及分光镀膜的热诱导波长移动造成的端面扭曲效应，有利于激光器趋于稳定，也有利于高功率激光运转的实现。此种热键合技术不但可以很好的优化激光器的散热效率和光束质量，而且会有利于激光系统的集成化以及大尺寸工作物质的获得。
本设计采用LD端面泵浦YAG/Nd:YAG/Cr4+:YAG键合晶体的平-平腔结构如图1所示，该腔是腔型中的稳定腔，即是由共轴双凹面镜所形成的光腔。所用的键合晶体总长度为12mm，其中YAG的厚度为2mm，Nd:YAG的晶体厚度为8mm(包括Nd-1晶体以及Nd-2晶体，均采用Nd:YAG晶体，Nd-1晶体以及Nd-2晶体之间设置模拟热透镜效率的曲率半径F＝100mm,倾斜角度为0的模拟热透镜F1)，Cr4+:YAG的厚度为2mm。所用的晶体折射率均为1.82，键合晶体左端镀的是808nm增透膜和1064nm高反射膜，晶体的出射端镀的是1064nm部分反射膜。F1是模拟的一个热透镜效应，在reZonator设计的键合晶体结构如图2所示。然后通过软件进行光学仿真，可以得出腔内的光束传播变化情况如图3。采用唯一变量法，改变热焦距的取值，可以得到晶体中心的光束半径变化曲线如图4。从图可以知道，本装置的晶体中心光束半径约为89μm，且当反射镜的曲率半径不变的前提下，随着谐振腔腔长的增大，聚焦光束的束腰半径会变小。
接着搭建被动调Q激光系统：使用808nm LD端面泵浦键合晶体的方式实现红外波段输出，故而进行相应参数下耦合系统泵浦光搭配谐振腔的设计，设定泵浦光的波长为808nm，在对装置进行简单调整后选择入射光斑半径为2mm，利用光束质量因子M2可以对激光光束的质量进行评估和控制，其公式为
Figure BDA0002749552230000061
其中，θ为实际光束的远场发射角，θ0为基模高斯光束的远场发射角，当光束质量因子为1时，具有最好的光束质量，属于激光的理想情况。而本设计通过光束束腰半径的选择后，选择注入的光束质量因子M2＝1.1。
在软件中设计时，其中d1、d2、d3(30mm)为空气，F1为透镜，插入工作物质，其结构如图5所示。在整个系统中，调整泵浦光参数，以提高激光系统的性能，但是谐振腔主体部分基本不用再调整，在谐振腔外部加上一段空气，空气长度d2通过调整设置为46.8mm，在空气外侧再加上一个曲率半径为50mm、倾斜角度为0的透镜F1，目的是将光束聚焦或发散。然后在透镜前面再加上一段空气，长度d1设置为30mm。
通过仿真可以得出光束半径随参数变化的结果，如图6所示。透镜F1相当于一个简化的耦合系统，其焦距为50mm，但是透镜F1到晶体的距离为46.8mm，光束还在晶体内部传输，以确保焦点的位置处在Nd:YAG晶体的前半部分，符合图中两条虚线所确定的位置情况。
在上述系统中，通过仿真得到光束在耦合系统中传输的仿真图发现，确认上述参数后，泵浦光能够聚焦在Nd:YAG晶体内部。改变d2的取值，可以看到束腰中心在晶体内部的位置会发生变化，通过调节透镜F1的焦距及d2的取值，可以分析晶体内光束聚焦及传输的变化。之后保持其他数据不变，只改变原始光斑半径的尺寸，观察输出结果可能会发生的变化。将原始光斑半径从2000μm改为1500μm，1000μm，如图7A-7B所示，从图中可以看出系统整体并没有什么变化，只是晶体内聚焦光斑半径的尺寸变得更大了。当原始光斑半径变小时，Y值由5.4813μm，变为8.44538μm，又变为13.0443μm，晶体内束腰处的聚焦的光斑半径为光强最大值的1/e2处宽度，激光器系统搭建完成。
被动调Q速率方程其实是一组微分方程，可以表示光学谐振腔里的光子数密度，工作物质里的反转粒子数密度和可饱和吸收体里各能级的粒子数密度与时间的函数关系，在解出被动调Q速率方程的结果后，就能得出调Q激光器中它的结构参数与激光器输出特性之间的关系。通过推导调Q的脉冲宽度为：
Figure BDA0002749552230000071
通过公式可以算出峰值功率，脉冲能量和脉冲宽度。
接着根据设计的激光器分析被动调Q激光器的输出特性将受到激光器参数的影响，通过对激光器结构参数(泵浦光斑半径、泵浦功率、重复频率等)和输出特性的关系进行研究，可以优化设计激光器的结构参数，提高激光器的输出性能。
图8A-8C为Lascad下的激光被动调Q薄片激光器的输出特性随着泵浦光斑半径的变化而变化的仿真图，可以分析得出，泵浦光斑半径越小，热焦距越小，出光阈值及脉冲宽度也越小，平均输出功率越来越小。通过多组实验以及对结果的比对，可以发现随着泵浦光半径的增大，激光器的最高峰值功率先缓慢增大，然后开始下降，而平均输出功率的减小程度越来越小。
图9为Matlab下随着泵浦速率的变化，输出激光的峰值功率的变化。可以看出，当泵浦速率小于3×1029(s-1m-3)时，随着泵浦功率的增加，峰值功率急剧增加，当泵浦功率大于3×1029(s-1m-3)时，峰值功率逐渐增大并趋于稳定，在泵浦速率达到4×1029(s-1m-3)后，峰值功率达到了最大值0.42MW。
图10为Matlab下随着泵浦速率的变化，输出激光的脉冲宽度的变化。可以看出，当泵浦功率小于3×1029(s-1m-3)时，脉冲宽度随泵浦功率增加急剧下降，泵浦功率大于3×1029(s-1m-3)后，脉冲宽度随泵浦功率增加逐渐趋于稳定,在泵浦速率达到4×1029(s-1m-3)后，脉冲宽度达到最低值0.58ns。
最终设计出了峰值功率0.42MW，脉冲宽度0.58ns的高峰值功率、窄脉宽的激光器。且由于设计原理，此激光器体积较小、能量集中、出光阈值低，所以可以很好的应用于军事、工业、医疗等领域。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.基于Nd/Cr:YAG键合晶体的调Q激光器设计方法，其特征在于，包括步骤：首先进行基于Nd/Cr:YAG键合晶体的谐振腔结构设计，采用LD端面泵浦YAG/Nd:YAG/Cr4+:YAG键合晶体形成平-平腔结构，由共轴双凹面镜形成光腔；然后搭建被动调Q激光系统：使用LD端面泵浦键合晶体的方式实现红外波段输出，进行相应参数下耦合系统泵浦光搭配谐振腔的设计：在谐振腔外部加上一段空气d2，在该段空气外侧再加上一个倾斜角度为0的起耦合功能的透镜F1，然后在透镜F1前面再加上一段空气d1；然后对激光器进行热效应分析、出光阈值检测、稳定性测试以及DMA动态多模仿真分析，最后得到符合要求的激光器。
2.根据权利要求1所述基于Nd/Cr:YAG键合晶体的调Q激光器设计方法，其特征在于，所述谐振腔为在晶体折射率为1.82的Nd/Cr:YAG键合晶体两端直接贴合反射膜的结构，其中键合晶体左端镀的是808nm增透膜和1064nm高反射膜，晶体的出射端镀的是1064nm部分反射膜。
3.根据权利要求1所述基于Nd/Cr:YAG键合晶体的调Q激光器设计方法，其特征在于，所述的Nd/Cr:YAG键合晶体总长度为12mm，其中YAG的厚度为2mm，Nd:YAG的晶体厚度为8mm，Cr4+:YAG的厚度为2mm。
4.根据权利要求1所述基于Nd/Cr:YAG键合晶体的调Q激光器设计方法，其特征在于，获取激光方式为被动调Q方式，被动Q开关是利用工作物质对光的可饱和吸收效应实现激光器的Q突变，工作物质选用Nd/Cr:YAG键合晶体。
5.根据权利要求1所述基于Nd/Cr:YAG键合晶体的调Q激光器设计方法，其特征在于，首先在reZonator中设计搭建基于Nd/Cr:YAG键合晶体的谐振腔结构，然后将所述设计搭建的基于Nd/Cr:YAG键合晶体的谐振腔结构在LASCAD中建立，在LASCAD进行热效应分析、出光阈值检测、稳定性测试以及DMA动态多模仿真分析。
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