毕业论文
激光二极管抽运的被动调Q微晶片
激光器仿真研究
院 别 专业名称 班级学号 学生姓名 指导教师
计算机与通信工程学院
通信工程
2015年6月8日
东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 I 页
激光二极管抽运的被动调Q微晶片激光器仿真
摘 要
激光二极管(LD)抽运的微晶片激光器具有全固化、体积小、结构简单等特点。调Q技术又叫Q开关技术，是将一般输出的连续激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中发射，从而使光源的峰值功率可提高几个数量级的一种技术，目的是获得高峰值功率，窄脉宽脉冲激光。被动调Q是被激光辐射自身启动的，Q开关是由光学器件构成的，此种光学器件装满有机染料或者是含有掺杂的晶体。
本文首先介绍了激光二极管抽运的被动调Q技术的目的，意义及其发展。首先分析被动调Q激光器的理论，就会得到一些相互作用的关系，其中，增益介质中的反转粒子数的密度、可饱和和吸收体中反转粒子的密度以及谐振腔内光子数密度是相互关联的。调Q过程有很多影响因素，配置不同，得到的结果就会不同。微晶片激光器的掺杂的浓度高，谐振腔不长，这些特点都会对调Q产生影响。
下面利用Matlab来仿真被动调Q Nd
4?3?:YAG微晶片激光器的特性，再研究
Cr:YAG可饱和吸收体处于激发状态时的吸收情况，得到在二极管接连不断的抽运下，激光二极管的Cr:YAG被动调Q Nd:YAG微晶片激光器的耦合方程，并据此对被动调Q的过程进行分析。在此基础上，代入数值，进行仿真，就可以得到不同参量下被动调Q脉冲输出的精确结果。取微晶片激光器各物理量系数的典型取值，编程求解该微晶片激光器对应的速率方程组，可以看出随时间变化，光子数的密度，反转粒子数的密度，处于基态的粒子数的密度都会变化，我们用曲线来形象表示。进一步分析数值仿真可以得到被动调Q激光脉冲的重复频率，脉冲宽度等值。
4?3?关键词：激光二极管，被动调Q，耦合，抽运
东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 II 页
A passively Q-switched diode pumped microchip Lasers simulation
Author：Zheng Meng
Tutor： Huang liqun
Abstract
A laser diode (LD) pumped microchip lasers have all solid, small size, simple structure features and so on.Q - known as Q-switch technology, continuous laser energy is compressed into the general output pulse width extremely narrow emission, so that the peak power of the light source can be increased several orders of magnitude of a technique, in order to obtain high peak power, narrow width pulse laser.Passively Q is activated by the laser radiation itself, Q switch is filled with organic dyes such as crystal or doped optical elements.
This paper introduces the purpose of laser diode pumped passively Q technology,the significance and development.By passively Q-switched lasers theoretical analysis.we can got the equations that the gain medium inversion density, can be saturated and the absorbent core population inversion density and cavity photon number density of the mutual coupling between .Microchip lasers have high doping concentration, cavity length features, will inevitably have an impact on the process and passively Q parameters.
We will use Matlab to simulate the characteristics of passively Q-switched laser.Then consider the Cr
4?:YAG rsaturable absorption excited state absorption body to obtain a
4?3?continuous laser diode pumped Cr:YAG passively Q Nd: YAG microchip lasers coupled equations, and analysis passively Q-analysis process.On the basis of numerical simulation, you can get different parameters of passively Q-switched output accurate results.Take microchip lasers typical values of each physical factor, programmed to solve the microchip laser rate equations corresponding to make the photon number density inversion density and particle number density of the ground state of change over time curve.We can simulate to get passively Q-switched laser pulse repetition frequency, pulse width equivalent.
Key Words: Laser diode,passively Q-switched, coupling, pumped
东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 III 页
目 录
1 绪论 ............................................................. 1 1.1 激光器的发展简史 ............................................. 1 1.2 激光器的发展前景 .............................................. 2 2 激光调Q技术 ..................................................... 3 2.1 激光的基本理论 ................................................ 3
2.1.1 自发辐射，受激辐射，受激吸收 ............................... 3 2.1.2 阈值条件 ................................................... 4
2.2 调Q原理 ..................................................... 5 2.3 调Q技术 ..................................................... 7
2.3.1 主动调 2.3.2 被动调
Q技术 .............................................. 7 Q技术 ............................................. 11
3 激光二极管抽运的微晶片激光器 .................................... 14 3.1 激光二极管技术 ............................................... 14 3.1.1 激光二极管抽运技术的发展 ................................. 14
3.1.2 激光二极管抽运的优点 ...................................... 15 3.1.3 激光二极管的抽运的方式 .................................... 16
3.2 激光二极管抽运微晶片激光器的发展概况 ......................... 19 4 激光二极管抽运的被动调Q微晶片激光器仿真研究 .................... 23 4.1 被动调Q耦合速率方程 ........................................ 23 4.2 被动调Q耦合速率方程组数值仿真 .............................. 24 结 论 ........................................................... 29 致 谢 ........................................................... 30 参考文献 ........................................................... 31 附 录 ........................................................... 33 附录A英译汉 ..................................................... 33 附录B仿真程序部分源代码 ......................................... 38
东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 1 页
1 绪论
近年来激光二极管抽运的微晶片激光器已成为全固态的激光二极管抽运固体激光器(diode laser pumped solid-state laser，简称DPSSL)研究的一个热门话题。本文先从理论 层面上对这种激光器进行了探究，从激光的原理出发，依次分析了被动调Q技术，用二极管进行抽运的方法和好处。最后再利用Matlab进行仿真实验 Cr: YAG-Nd: YAG被动调Q微晶片激光器。 1.1 激光器的发展简史
1917年，爱因斯坦首次提出并详细分析了原子收到激发时发生辐射的情况。他探讨了有关辐射和分子之间动量相互交换的课题，验证了受激辐射的非常重要的特性：分子被激励后，就会发生辐射，这时会产生光量子。此类光量子的性质很特殊，其频率，传播的方向，偏振的方向等特性都与辐射量子是一致的。这就是所谓的相干性[1]，为激光的提出作出铺垫。1928年，德国科学家莱德伯格进行了关于氖气的色散实验，在此试验中，证明了受激辐射是确实存在的。1939年，苏联的科学家法布里康特指出，可以通过做实验来检验受激辐射是否存在。他指出，要想实现粒子数反转，那么必须的条件是受激辐射，简言之就是粒子的数目在高能级上比在低能级上要多很多。1951年，美国的Purcell在实验中发现在氟化钗晶体中，利用微波波谱学的方法发现了核自旋体的反转分布，在这次的实验中，出现了受激辐射，其频率恰好为50kHz。这预示着人们通过不懈努力最后掌握了受激辐射的方法。
在前人大量的研究成果上，Townes，微波频谱界的泰斗，不断考虑这样一个问题：怎样使微波辐射源性能更好，令其线宽较窄、功率很高。他多次尝试，都以失败告终，最后，他选取了用谐振腔的方法来进行模式选择的思路，最后被激发，发生震荡，进而放大。在20世纪50年代，他和Gorden. Zeiger成功研制出了利用氨分子受激产生辐射原理制成的放大器[2]，并研制成功第一批可应用于实际的元器件。
到1955年，人们对受激辐射振荡放大器进行了更加准确的定义，并不断开发新的激活介质。1956年，科学家成功研制出了固体微波激光器，其采用了三能级方法来实现连续运转。之后，汤斯和肖洛一起研究，面对谐振腔的问题，肖洛提出用F-P干涉仪来
4?3?