ld侧面泵浦被动q开关nd-yag激光器模拟与实验研究

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1、LD侧面栗浦被动Q开关Nd:YAG激光器模拟与实验研究摘要：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；脉宽中图分类号：G

2、64文献标识码：A文章编号：1672-3791(2015)08(b)-0000-001.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

3、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。1.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

4、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

5、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

6、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

7、返振荡的光强为，其中11:试验装置表1速率方程相关参量参数取值6cm1.2X10-18cm22.5X10-19cm24X10-6s2.8X10-19cm20.08R52%54%35cm2.33nsA0.081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。因此，如图2a）和2b）所示，随着初始透过率的

8、增加单脉冲能量逐渐减小，脉宽逐渐增大。当输出镜透过率较小的时候，随着输出镜透过率的增加谐振腔损耗逐渐增加，到达调Q阈值的时间增加，所以上能级积累的粒子数增加，单脉冲能量也会增加，脉冲从开始到结