学士学位论文—-脉冲激光器的稳定性研究.doc

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第一章 绪论 1
1.1研究背景 1
1.1.1 半导体激光器的发展及应用 1
1.1.2 半导体泵浦固体激光器 3
1.2 调 Q 泵浦固体激光器脉冲稳定性的提出及研究现状 4
1.2.1 调 Q泵浦固体激光器脉冲稳定性的提出 4
1.2.2 研究现状 5
1.3 论文的研究重点 6
第二章 激光调 Q 技术的理论基础 7
2.1 调Q 原理 7
2.1.1 普通脉冲固体激光器的弛豫振荡 7
2.1.2 调 Q 的基本原理 8
2.2 调 Q 技术 9
2.2.1主动调Q技术 9
2.2.2 被动调Q技术 11
2.3 调Q 泵浦固体激光器工作原理 12
第三章 激光脉冲的稳定性因素及其研究 13
3.1调 Q 激光输出脉冲稳定性的实验研究 13
3.1.1 调 Q 激光输出脉冲稳定性的实验装置 13
3.1.2 进行实验获取激光脉冲波形 14
3.1.3 调 Q 激光输出脉冲稳定性的实验结果 15
3.2对脉冲波形的稳定性的具体描述 15
3.2.1泵浦功率对脉冲宽度的影响 16
3.2.2 泵浦功率对脉冲能量的影响 18
3.3.3 泵浦功率对脉冲峰值功率的影响 20
3.4 结论与改进 20
3.4.1结论 20
3.4.2需要改进的方面 21
第四章 自锁模现象对脉冲稳定性的影响 23
4.1 自锁模的简单介绍 23
4.2 激光器锁模的理论依据 24
4.3 自锁模对激光脉冲不稳定性影响的验证 28
4.3.1 理论分析 28
4.3.2 实验验证 28
4.4 本章小结 30
第五章 结论与补充改进 33
5.1 结论 33
5.2 补充改进 33
致谢 35
参考文献 37

摘要
摘要
半导体泵浦固体激光器技术是新一代固体激光技术发展的主流，本论文重点介绍了当今半导体泵浦固体激光器的发展、分类及其应用，并详细介绍了激光调Q技术的理论基础。由于脉冲激光器的迅猛发展与广泛应用，对激光器的稳定性要求日益提高，因此本文对脉冲激光器的稳定性进行了研究。本文所用激光器为调Q半导体泵浦固体激光器，首先采集脉冲波形，再运用MATLAB软件处理图形，最后运用统计、求方差、画曲线图等数学方法处理数据，系统的研究了激光器泵浦功率变化对脉冲稳定性的影响。研究过程发现单脉冲中存在多个纵模振荡，由此引出激光器的自锁模现象对脉冲激光器的稳定性也有影响，并用实验结果与理论分析比较验证了这一影响因素。文章最后对此次研究过程与结果都进行了总结，并提出了后续研究应该改进的方面。

关键词：半导体泵浦激光器 调Q 原理 稳定性 泵浦功率 自锁模

ABSTRACT
ABSTRACT
Diode-pumped solid-state laser technology is the mainstream of the new generation of solid-state laser technology development,This paper focuses on the development and application of today's semiconductor-pumped solid-state lasers, And introduces the theoretical basis of the laser Q-technical theoretical basis. Due to the rapid development and wide application of a pulsed laser,
The stability of the laser increasing demand,Therefore, this article on the stability of pulsed lasers were studied.As used herein, Q-switched laser is a diode-pumped solid-state lasers,First acquisition pulse waveform, then use MATLAB software handle graphics, and finally the use of statistics, the variance request, draw graphs, mathematical method for processing data,Systematic study of the effects of changes in the pulse laser pump power stability.The study found that there are several single-longitudinal-mode oscillation pulses,This leads to a self-mode-locked laser phenomenon also affects the stability of pulsed lasers,And by comparison of experimental results and theoretical analysis verified this factors.Finally, the process and results of the study are summarized and made a follow-up studies should be improvement.

Keywords: semiconductor-pumped the Q-principle the Stability
Pump power Since clamping

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第一章 绪论
第一章 绪论
1.1研究背景
1.1.1 半导体激光器的发展及应用
半导体物理学的迅速发展及随之而来的晶体管的发明，使科学家们早在50年代就设想发明半导体激光器。像晶体二极管一样，半导体激光器也以材料的p-n结特性为基础，且外观亦与前者类似，因此，半导体激光器常被称为二极管激光器或激光二极管。
早期的激光二极管有很多实际限制，例如，只能在77K低温下以微秒脉冲工作，过了8年多时间，才由贝尔实验室和列宁格勒（现在的圣彼得堡）约飞（Ioffe）物理研究所制造出能在室温下工作的连续器件。而足够可靠的半导体激光器则直到70年代中期才出现。
半导体激光器体积非常小，最小的只有米粒那样大。工作波长依赖于激光材料，一般为0.6～1.55微米，由于多种应用的需要，更短波长的器件在发展中。据报导，以Ⅱ～Ⅳ价元素的化合物，如ZnSe为工作物质的激光器，低温下已得到0.46微米的输出，而波长0.50～0.51微米的室温连续器件输出功率已达10毫瓦以上。但迄今尚未实现商品化。
光纤通信是半导体激光可预见的最重要的应用领域，一方面是世界范围的远距离海底光纤通信，另一方面则是各种地区网。后者包括高速计算机网、航空电子系统、卫生通讯网、高清晰度闭路电视网等。但就目前而言，激光唱机是这类器件的最大市场。其他应用包括高速打印、自由空间光通信、固体激光泵浦源、激光指示，及各种医疗应用等。
20世纪60年代初期的半导体激光器是同质结型激光器，它是在一种材料上制作的pn结二极管在正向大电流注人下，电子不断地向p区注人，空穴不断地向n区注人.于是，在原来的pn结耗尽区内实现了载流子分布的反转，由于电子的迁移速度比空穴的迁移速度快，在有源区发生辐射、复合，发射出荧光，在一定的条件下发生激光，这是一种只能以脉冲形式工作的半导体激光器.
半导体激光器发展的第二阶段是异质结构半导体激光器，它是由两种不同带隙的半导体材料薄层，如G&As, GaAlAs所组成，最先出现的是单异质结构激光器(1969年).单异质结注人型激光器(SHLD)是利用异质结提供的势垒把注入电子限制在GaAsP一N结的P区之内，以此来降低阀值电流密度，其数值比同质结激光器降低了一个数量级，但单异质结激光器仍不能在室温下连续工作.
随着异质结激光器的研究发展，再加之由于MBE,MOCVD技术的成就，于是，在1978年出现了世界上第一只半导体量子阱激光器(QWL)，它大幅度地提高了半导体激光器的各种性能.后来，又由于MOCVD,MBE生长技术的成熟，能生长出高质量超精细薄层材料，之后，便成功地研制出了性能更加良好的量子阱激光器，量子阱半导体激光器与双异质结(DH)激光器相比，具有阑值电流低、输出功率高，频率响应好，光谱线窄和温度稳定性好和较高的电光转换效率等许多优点.
从20世纪70年代末开始，半导体激光器明显向着两个方向发展，一类是以传递信息为目的的信息型激光器.另一类是以提高光功率为目的的功率型激光器.在泵浦固体激光器等应用的推动下，高功率半导体激光器(连续输出功率在100，以上，脉冲输出功率在5W以上，均可称之谓高功率半导体激光器)在20世纪90年代取得了突破性进展，其标志是半导体激光器的输出功率显著增加，国外千瓦级的高功率半导体激光器已经商品化，国内样品器件输出已达到600W[1].如果从激光波段的被扩展的角度来看，先是红外半导体激光器，接着是670nm红光半导体激光器大量进人应用，接着，波长为650nm,635nm的问世，蓝绿光、蓝光半导体激光器也相继研制成功，lomw量级的紫光乃至紫外光半导体激光器，也在加紧研制中[2]。为适应各种应用而发展起来的半导体激光器还有可调谐半导体激光器，电子束激励半导体激光器以及作为“集成光路”的最好光源的分布反馈激光器(DFB一LD)，分布布喇格反射式激光器(DBR一LD)和集成双波导激光器.另外，还有高功率无铝激光器、中红外半导体激光器和量子级联激光器等等。
1.1.2 半导体泵浦固体激光器
半导体泵浦固体激光器（英文全称：Diode Pump Solid State Laser），是近年来国际上发展最快，应用较广的新型激光器。该类型的激光器利用输出固定波长的半导体激光器代替了传统的氪灯或氙灯来对激光晶体进行泵浦，从而取得了崭新的发展，被称为第二代的激光器。这是一种高效率、长寿命、光束质量高、稳定性好、结构紧凑小型化的第二代新型固体激光器，目前在空间通讯，光纤通信，大气研究，环境科学，医疗器械，光学图象处理，激光打印机等高科技领域有着独具特色的应用前景。
目前，国内半导体泵浦固体激光器市场化水平已经达到数百瓦，实验室水平已经达到千瓦级。在应用上，大功率半导体泵浦固体激光器以材料加工为主，包括了常规的激光加工：主要是材料加工，如激光标记、激光焊接、激光切割和打孔等，结构紧凑、性能良好、工作可靠的大功率半导体泵浦固体激光打标机产品系列已经在国内得到了规模应用，在国外，千瓦级的半导体泵浦固体激光器已有产品，德国、美国汽车焊接就已经用到了千瓦级半导体泵浦固体激光焊剂机，在原理和技术方案上半导体泵浦固体激光器定标到万瓦都是可行的，目前主要受限于成本和市场需求的限制。　除材料加工外，大功率半导体泵浦固体激光器还可以用于同位素分离（二倍频、绿光）、激光核聚变、科学研究、医疗、检测、分析、通讯、投影显示以及军事国防等领域，具有极其重要的应用价值。
半导体泵浦固体激光器的优势有：低功耗、性能可靠、寿命长、输出光束质量好。它的种类很多，可以是连续的、脉冲的、调Q的，以及加倍频混频等非线性转换的。工作物质的形状有圆柱和板条状的。而泵浦的耦合方式可分为端面泵浦和侧面泵浦，其中端面泵浦又可分为直接端面泵浦和光纤耦合端面泵浦两种结构。　
　1、端面泵浦固体激光器　　端面泵浦方式最大的优点就是容易获得好的光束质量，可以实现高亮度的固体激光器。端面泵浦的效率较高。这是因为,在泵浦激光模式不太差的情况下，泵浦光都能由会聚光学系统耦合到工作物质中，耦合损失较少；另一方面，泵浦光也有一定的模式，而产生的振荡光的模式与泵浦光模式有密切关系，匹配的效果好，因此，工作物质对泵浦光的利用率也相对高一些。　　正是由于端面泵浦方式效率高、模式匹配好、波长匹配的优点近年来在国际上发展极为迅速，已成为激光学科的重点发展方向之一。它在激光打标、激光微加工、激光印刷、激光显示技术、激光医学和科研等领域都有广泛的用途，具有很大的市场潜力。　
　2、侧面泵浦固体激光器　　侧面泵浦（Side Pump）固态激光器激光头是由三个二极管泵浦模块围成一圈组成泵浦源，每个泵浦模块又由3个带微透镜的二极管线阵组成。每个线阵的输出功率平均为20W输出波长为808nm。该装置采用玻璃管巧妙地设计了泵浦腔和制冷通道。玻璃管的表面大部分镀有808nm的高反膜，剩余的部分呈120°镀有三条808nm增透膜，这样便形成了一个泵浦腔。半导体泵浦源发出的光经过三对光束整形透镜会聚到这三条镀增透膜的狭长区域内，然后透过玻璃管的管壁，被晶体吸收。由于玻璃管大部分区域镀有高反膜，使得泵浦光进入泵浦腔以后，便在其中来回的反射，直至被晶体充分地吸收，而且在晶体的横截面上形成了均匀的增益分布。　　同时玻璃管还能用于制冷，高速通过的冷却水将产生的热量迅速带走。晶体采用的是一根复合结构的Nd:YAG棒，有效尺寸为j3*63mm，掺杂浓度为1.5at.%.当泵浦光功率为180W时，得到了72W的激光输出。光光转换效率高达40%。
1.2 调 Q 泵浦固体激光器脉冲稳定性的提出及研究现状
1.2.1 调 Q泵浦固体激光器脉冲稳定性的提出
在测量声光Q开关泵浦固体激光器的输出特性时，通常无法得到恒定不变的脉冲宽度、重复频率和输出功率，待测量在某个微小范围内不停的变化，也就是说，声光Q开关DPL的输出脉冲具有不稳定性，严重的脉冲的不稳定性会限制激光器的应用范围[3-5]。为了满足激光高精度探测的应用要求[6,7]，需要尽量减小这种不稳定性。以激光成像雷达为例进行分析。激光成像雷达，可以实现高分辨率的距离成像和强度成像，在目标识别、地形跟随和障碍物回避等方面有很好的应用。与之相应，激光成像雷达对激光光源有较高要求：为了实现成像，要有足够的像素和成像速率，为此需要较高的工作频率；为了保证探测灵敏度、距离分辨率，要求窄的脉冲宽度；为了保证足够的成像距离，要求高的单脉冲能量和峰值功率。激光成像雷达利用激光回波信号中携带的目标空间位置、目标外部特征、目标当前运动状态等信息对目标进行全方位的把握，属于四维成像雷达。四维成像雷达要求激光成像雷达必须能够实时提供目标的距离、速度和强度图像，能够精确测距、测速、测角及角速度、具有图像识别功能等较高价值，而作为光源的激光器的稳定性水平直接影响整个成像系统的性能。综上所述，为了研制军用激光成像雷达，让它达到高精度的应用要求，势必要减小或者消除这种不稳定性，找出提高脉冲稳定性的对策，并将其用于研制新一代具有较高脉冲稳定性的二极管泵浦固体激光器。因此，有必要对调 Q 泵浦固体激光器脉冲稳定性进行详细研究。

1.2.2 研究现状
目前国内对于脉冲稳定性的研究主要集中在被动Q开关DPL的输出稳定性研究方面。卢常勇、程勇等人的研究结果，单脉冲能量的稳定度由7.3%提高到2.2%，脉宽稳定度由13.5%提高到6.5%，频率精度由0.01%提高到0.005%，脉冲波形稳定光滑[8]。重庆三峡学院的余先伦、杨伯君等研究的Cr4+:YAG固体激光器的频率稳定性分析从反映Cr4+:YAG固体激光器的频率特性的方程出发，定量分析了激光器工作的环境温度、大气及湿度等因素的变化对激光器的频率波动的影响，提出可采用Pound-Drever系统对Cr4+:YAG激光器进行主动稳频[9]。中科院长春光机所的郑权、陈颖新等人报道了实现Cr4+:YAG被动调Q绿光激光器稳定输出的方法，他们采用Cr4+:YAG晶片按布氏角放置的方法控制用以引发Q脉冲形成的“噪声”，实现了绿光的稳定输出，连续工作四小时，脉冲能量、峰值和周期稳定性均优于±0.5%[10]。清华大学的巩马理，闫平等人报道了一种采用增益预抽运技术提高被动调Q固体激光器输出稳定性的方法，使用Cr4+，Nd3+:YAG双掺晶体实现被动调Q输出，在采用预抽运技术后，调Q脉冲的幅值稳定性和频率稳定性分别由连续抽运的10%和9.2%提高到1.8%和0.5%，同时保证了单调Q脉冲的稳定输出[11]。加利福尼亚的伯克力工程研究所的ShahramM.Shahruz等人从被动Q开关激光器的速率方程出发，用系统理论方法研究了被动Q开关激光器的稳定性[12,13]。东京通信研究实验室的Kunimori H.、Otsubo T.等人研究用于同步激光测距网络的主动调Q锁模激光器的时间稳定性的时候，使用了一种新的触发点火控制方法使得激光器点火时间的稳定性为10ns量级[14]。印度的技术研究所物理气象部的Prasanta Kumar Datta等人报道了使用主动调Q提高非线性镜锁模Nd:YVO4振荡器的稳定性和效率的方法[15]。

1.3 论文的研究重点
激光脉冲稳定性的影响因素很多，例如泵浦源中心波长的温漂、谐振腔的失谐、晶体热效应的变化、谐振腔内部损耗的变化等等[16,17]。其中有一个重要方面——泵浦功率对脉冲稳定性的影响，本文通过实验采集数个不同功率下的脉冲波形，通过数据统计的方法，对泵浦功率变化引起的脉冲不稳定性进行详细分析。
本文的研究意义表现在，通过数值计算与统计学原理确认，泵浦功率的变化，将在一定程度上导致调Q激光器脉冲的不稳定性，它是激光脉冲不稳定性的一个重要来源。
本文研究声光调Q半导体泵浦固体激光器，保持激光器的其它因素不变，只改变泵浦功率，采集数量众多的脉冲波形，用MATLAB设计程序来计算这些激光脉冲的脉冲宽度、脉冲能量与脉冲峰值功率，用统计学的方法，求取每个相同泵浦功率下输出脉冲的脉宽、能量，峰值功率的方差或者输出不确定度，做出与泵浦功率的曲线图，以此来分析脉冲的稳定性与泵浦功率的关系。
另外在采集脉冲波形时观察到波形震荡，即波形上有“毛刺”，而这些图上的脉冲理论上都是平滑的单脉冲曲线图，这就表明这些脉冲很不稳定。由理论分析可知，这种脉冲不稳定性产生的原因是激光器本身的自锁模现象，通过比较理论计算数据与实验波形上得到的数据，验证了自锁模现象是影响脉冲激光器不稳定的另一个因素。
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第二章 激光器Q技术的理论基础
第二章 激光调 Q 技术的理论基础
2.1 调Q 原理[18]
2.1.1 普通脉冲固体激光器的弛豫振荡
用示波器观察普通脉冲固体激光器输出的一个脉冲，发现它的波形并不是—个平滑的光脉冲，而是由一系列不规则变化的尖峰脉冲组成的。每个尖峰脉冲的宽度约为 0.1～1.0μs，间隔约为 5～10μs。光泵越强，尖峰脉冲个数越多，但其包络的峰值增加并不多。我们将这种现象叫做激光器的弛豫振荡(或尖峰振荡)。图 2-1所示为实测到的钕玻璃脉冲激光器的输出波形。

图 2-1 脉冲激光器输出的尖峰结构
弛豫振荡形成的主要原因是：随着光泵的作用，激光器达到其振荡阈值产生激光振荡，腔内光子数密度上升，输出激光。随着激光的发射，上能级粒子数被大量消耗，使反转粒子数密度下降，到低于阈值时，激光发射停止。此时由于光泵的继续抽运，反转粒子数密度重新上升，到高于阈值时，产生第二个激光脉冲。如此往复，直至光泵停止上述过程方告结束。由于每个尖峰脉冲均产生于阈值附近，故脉冲的峰值功率水平不高，且增大泵浦能量也无助于提高其峰值功率，只能是增加尖蜂脉冲的个数。在脉冲形成的过程中，激光器的阈值始终保持不变是产生弛豫振荡最根本的原因。
2.1.2 调 Q 的基本原理
1 谐振腔的品质因数Q
在电子技术中，用Q值来描述一个谐振回路质量的高低。在激光技术中，用Q值来描述一个谐振腔的质量，称其为谐振腔的品质因数。
谐振腔的品质因数Q定义为
(2-1)
如果腔内储能用E表示，光在腔内传播一个单程的能量损耗率用δ表示，则光在腔内走—个单程的能量损耗为δE。设谐振腔腔长为L，腔内介质折射率为n，则光在腔内传播一个单程所需时间为t=nL/c，光在腔内每秒损耗的能量为δE/t=δEc/nL。谐振腔的品质因数 Q 可表示为
(2-2)
式中，λ0为真空中的激光中心波长。式(2-2)说明，当λ与谐振腔参数L一定时，谐振腔的品质因数Q与腔的损耗成反比，即Q值可以表征谐振腔损耗的大小。Q值低，则腔损耗大，器件阈值高，不容易形成激光振荡；Q值高，则腔损耗小，器件阈值低，容易形成激光振荡。
2 调Q激光器的工作原理
通过上述对弛豫振荡产生原因的分析可知，可以通过改变器件的阈值来提高工作物质上能级粒子数的积累水平，即设法在光泵浦初期将器件的振荡阈值调高，从而抑制激光振荡的产生，使工作物质上能级粒子数得到积累。随着光泵的继续激励，上能级粒子数逐渐积累到最大值。此时，突然将器件的阈值调低；那么，积累在上能级的大量粒子便雪崩式地跃迁到激光下能级，在极短的时间内将储存的能量释放出来，从而获得峰值功率极高的激光脉冲输出。由激光原理，激光器振荡的阈值条件可表示为
(2-3)
式中，g是模式数目；A21是自发辐射几率；τc为光子在谐振腔内的寿命。这是因为
τc = Q /2πν，带入上式，有
(2-4)
上式表明，阈值反转粒子数密度与谐振腔的品质因数Q成反比。调节器件的振荡阈值，实际上就是调节谐振腔的品质因数Q，也就是调节谐振腔的损耗。因而，将这种获得巨脉冲的技术叫做调Q技术或Q开关技术。从本质上说，调Q技术就是通过某种方法控制谐振腔的Q值(也就是控制谐振腔的损耗)，使其随时间按照一定程序变化的技术。
2.2 调 Q 技术
凡能使谐振腔损耗发生突变的元件都能用作Q开关。常用的调Q方法有转镜调Q、电光调Q、声光调Q与饱和吸收调Q等。前三种方法中谐振腔损耗内外部驱动源控制，称为主动调Q。后一种方法中，谐振腔损耗取决于腔内激光光强，因此称为被动调Q。
2.2.1主动调Q技术
1 转镜调Q
这是一种机械调Q方法。其方法是在泵浦期间截断光路，或是腔镜不对准。当闪光灯脉冲将结束时，如果激光棒中已经储存有最大的能量，就建立起高Q值，使激光器发射一个脉冲。转镜调Q的优点是，比较简单，成本也不高。缺点是，当棱镜转速不够时容易产生多脉冲，噪声也大，其轴承的寿命较短，所以需要经常维修。由于这些不足，所以在连续泵浦的Nd:YAG激光器中已被声光调Q技术取代。
2 电光调 Q
某些晶体在外加电场作用下，其折射率发生变化，使通过晶体的不同偏振方向的光之间产生位相差，从而使光的偏振状态发生变化的现象称为电光效应。其中折射率的变化和电场成正比的效应称为普克尔效应，折射率的变化和电场强度平方成正比的效应称为克尔效应。电光调 Q 就是利用晶体的普克尔效应来实现 Q突变的方法。电光Q开关是目前使用最广泛的一种Q开关，适用于脉冲激光器，其主要特点是开关时间短(约10-9s)，属快开关类型。电光调Q激光器可以获得脉宽窄、峰值功率高的巨脉冲。
3 声光调 Q
当声波在某些介质中传播时，该介质会产生与声波信号相应的、随时间和空间周期变化的弹性形变，从而导致介质折射率的周期变化，形成等效的位相光栅，其光栅常数等于声波波长λs。光束射经此介质时发生衍射，一部分光偏离原来方向。当声波频率较高，声光作用长度d足够大，满足
（2-5）
时( λs与λ 分别为声波与光波波长)，如果入射光与声波波面的夹角θ满足
（2-6）
则透射光束分裂为零级与+1 级或-1 级(视入射方向而定)衍射光，+1 级或-1 级衍射光与声波波面的夹角亦为θ，如图 2.2所示[19]。这种现象称作布喇格衍射，一级衍
射光光强 I1(或 I-1)与入射光光强 Ii之比为
（2-7）
式中 ΔΦ 是经长度为d的位相光栅后光波相位变化的幅度。
（2-8）
式中Δη是介质折射率变化的幅值；d与H分别为换能器的长度与宽度；M是声光介质的品质因素；P是超声驱动功率。提高超声驱动功率可得到较高的衍射效率。

图 2.2 声光布喇格衍射示意图
声光Q开关由一块对激光波长透明的声光介质及换能器组成，常用的声光介质有熔融石英、钼酸铅及重火石玻璃等。声光介质表面粘接有由铌酸锂、石英等压电材料薄片制成的换能器，换能器的作用是将高频信号转换为超声波。声光开关置于激光器中，在超声场作用下发生衍射，由于一级衍射光偏离谐振腔而导致损耗增加，从而使激光振荡难以形成，激光高能级大量积累粒子。若这时突然撤除超声场，则衍射效应即刻消失，谐振腔损耗突然下降，激光巨脉冲遂即形成。声光调Q开关时间一般小于光脉冲建立时间，属快开关类型。出于开关的调制电压只需 100 多伏，所以可用于低增益的连续激光器，可获得峰值功率几百千瓦、脉宽约为几十纳秒的高重复率巨脉冲。但是，声光开关对高能量激光器的开关能力差，不宜用于高能调Q激光器。
2.2.2 被动调Q技术
被动调Q，是利用某些可饱和吸收体本身特性，自动地改变Q值的一种方法。被动Q开关是由诸如装满有机染料或掺杂晶体的光学元件构成，材料随着能量密度的增大而变得透明起来。在能量密度达到某一很高的值时，材料就会饱和，从而导致产生很高的透射率。可饱和吸收体中的漂白过程是基于光谱跃迁的饱和。如果将激光波长具有高吸收率的材料安装在激光谐振腔中，它会在最开始阻止激光振荡的发生，随着增益在泵浦脉冲期间的增大并超过往返损耗时，腔内的光通量会急剧增大，导致被动Q开关达到饱和。在这种条件下，损耗很低，从而建立起Q开关脉冲[20]。由于Q开关是被激光辐射自身启动的，因此，不需要高电压、快速电光驱动器或射频调制器。被动Q开关作为主动方式的替换技术，具有设计简单的优点，因而系统的体积很小、很坚固且成本低；其主要缺点是外部控制性能的精确度不高，其输出能量较之电光或声光Q开关激光器要低。这后一缺点是可饱和被动Q开关的残余吸收造成的，这种吸收相当于非常大的损耗。
2.3 调Q 泵浦固体激光器工作原理
激光器一般应包括两个部分：光放大器和光谐振腔。光放大器是指实现了粒子数反转的激光工作物质；光谐振腔由两块相对的反射镜组成，光在谐振腔内振荡实现模式选择和轴向光波模的反馈。
调Q固体激光器是利用泵浦源泵浦激光介质，一段时间内使谐振腔内具有很高的损耗，介质吸收泵浦能量而不产生激光辐射，从而积聚大量的上能级粒子；然后紧接着将腔内损耗降到很低的程度，振荡光在受激辐射的作用下迅速增长，在短的时间内形成并输出能量集中的激光光脉冲。调Q激光器腔内损耗的变化利用Q开关进行控制。Q开关关闭时，激光不起振，激光介质储存能量；打开Q开关，激光起振，输出激光脉冲。
从本质上来讲，激光的输出形式总是脉冲式的。激光器在泵浦激励过程中，当工作物质的反转粒子集居数密度Δn增加到阈值nt 时就产生激光。当 Δn超过nt 时，随着受激辐射的增强，上能级粒子数大量消耗，反转集居数Δn迅速下降，直到Δn低于阈值nt时，激光振荡迅速衰减。然后泵浦源的抽运又使上能级逐渐积累粒子而形成第二个激光尖峰。如此不断重复，便产生一系列小的尖峰脉冲。由于每个激光脉冲都是在阈值附近产生的，所以输出脉冲的峰值功率较低，一般为几十千瓦数量级。增大泵浦功率时，只能使尖峰脉冲的数目增多，而不能有效地提高峰值功率水平。同时激光输出的时间特性也很差。为了得到高的峰值功率和窄脉宽的单个脉冲，发展了Q调制技术，它的基本原理在本章第一节已做了详细描述。
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第三章 激光脉冲的稳定性因素及其研究
第三章 激光脉冲的稳定性因素及其研究
激光脉冲稳定性的影响因素很多，例如泵浦源中心波长的温漂、谐振腔的失谐、晶体热效应的变化、谐振腔内部损耗的变化等等。其中有一个重要方面——泵浦功率对脉冲稳定性的影响，本章通过实验采集数个不同功率下的脉冲波形，通过数据统计与做相关曲线图的方法，对泵浦功率变化引起的脉冲不稳定性进行详细分析，即研究泵浦功率的变化对脉冲宽度、脉冲能量、脉冲峰值功率三方面的影响。
3.1调 Q 激光输出脉冲稳定性的实验研究
3.1.1 调 Q 激光输出脉冲稳定性的实验装置
实验仪器：半导体泵浦固体脉冲激光器，简图如下：

图3-1 调Q半导体泵浦固体脉冲激光器
1. Nd：YAG是现今使用最为广泛的晶体，其有良好的光学质量、热导率高；物理、化学性能稳定；从最低温度到熔点，YAG的结构都很稳定；强度和硬度略低于红宝石，足以保证正常生产中不会出现断裂。[21,22]
2. Nd：YV04 掺钕的钒酸钇特别适合LD二极管泵浦，两个突出的特点是：受激发射截面大，是Nd：YAG的五倍：对809 nm波长的光有很强的宽吸收带。另外，该晶体有很强的偏振吸收特性，偏振吸收大约是偏振吸收的3．7倍。
3.实验中Nd：YAG中Nd3+离子掺杂浓度为0.1%，晶体宽度为30mm，Nd：YVO4中Nd3+离子的掺杂浓度为0.2%，晶体宽度为16mm，整个谐振腔除晶体以外的长度为11cm。
4.将以上激光器中加上声光调Q开关，再通过探测器与示波器相连，实验中产生的激光脉冲波形就会显示在示波器中。其中Q开关中的晶体长度为21mm。
3.1.2 进行实验获取激光脉冲波形
1.检查冷水机及开启激光冷水机电源，在以后的光路调节过程中，它会逐渐达到设定温度。2.开启准直光源，调节其二维调节架，让光束经Nd3+:YAG棒与Nd：YVO4的几何中心通过使其反射光点反射到准直光源的小孔光栏上。再依次放置。调节半反镜和全反镜，都反射到小孔光栏上（表示两腔镜基本上平行，并与Nd:3+YAG棒的几何轴线垂直）。盖上小孔光栏（防止漏光损坏准直光源）。 3.待水温恒温到所设定的温度后，开启LD驱动源，反时针方向将电流调节旋到头，按一下启动/停止按钮，再顺时针方向缓慢调节电流旋钮。逐步加大电流到8A-10A左右。此时应有1064nm的激光输出，微调两腔镜，使输出功率最大。 4.待谐振腔调节到最佳状况时，给定一电流值，记录相对应的输出功率。5.保持泵浦功率不变，每间隔10秒保存一次示波器上的波形，每个泵浦功率下连续保存10个图。 共变化泵浦功率13次，则有13组图，共130个图脉冲波形图。
3.1.3 调 Q 激光输出脉冲稳定性的实验结果
此次试验采集的13个泵浦功率为：3.6W、4.0W、4.3W、4.7W、5.0W、5.3W、5.6W、5.7W、6.0W、6.3W、6.7W、7.0W、7.3W。每个功率下采集10个图，则有13组图，共130个脉冲波形图。举例，如泵浦功率为7.0W时测得的第一个脉冲波形图如下所示：

图3-2 泵浦功率为7.0w时的第一个脉冲波形图
3.2对脉冲波形的稳定性的具体描述
脉冲激光器已经有了很多应用。这些应用往往对脉冲系列中激光的峰值功率或脉冲能量的稳定性有一定要求。但是迄今为止,脉冲激光源的稳定性尚无满意的测试手段。对于包含大量脉冲的脉冲系列,我们希望从数理统计的角度比较科学地评价其稳定性。实际上就是用二个特征参数:平均值和标准差来表示脉冲参数的平均值和偏差的分布情况。这二个数字涉及到n个数据的二项运算:
平均数：
M=(++…+)/n (3-1)
方差公式：
S^2=〈(M－)^2+(M－)^2+(M－)^2+…+(M－)^2〉╱n (3-2)
为了统计的可靠，通常要求n很大，例如n>100。这样涉及到很大的四则运算量，当然用计算器手动计算是非常复杂的工作，因此借助MATLAB软件编写程序进行运算十分方便，既可以减少工作量，又可以得到精确地计算结果。具体的图形处理过程如下三个步骤：
1.从图上直接读出脉冲宽度，制表如表3.1；
2.通过实验采集到的图形要使用MATLAB来处理。首先把它转化为灰度图，得到整个图像所对应的像素点的矩阵，再从整个矩阵中截出可用的图形锁对对应的矩阵，计算图中曲线下面的像素点的总个数，即可代表曲线下的图形的面积。由于脉冲曲线的能量与曲线下的面积是成某个比例的（假设比例为y），故可用曲线下像素点的总个数乘以y来表示此脉冲曲线的脉冲能量。计算出每个泵浦功率对应的10个波形的能量方差，共得到13个方差，以泵浦功率为横坐标，以上面计算得到的方差为纵坐标，在MATLAB里用函数plot绘制曲线图；
2. 脉冲能量与脉冲宽度已知，利用公式：峰值功率=脉冲能量/脉冲宽度，计算出每个曲线的峰值功率，同步骤1一样求方差，画曲线图。
3.2.1泵浦功率对脉冲宽度的影响
脉冲宽度可以从波形图上直接读出，汇总如下表所示：

表3.1 波形脉冲宽度的统计表
根据表 3.1，利用公式（3-1）（3-2），我们作出了不同泵浦功率时，脉冲宽度的方差即它的不稳定度的变化曲线，如图 3.3所示。

图3.3 输出脉冲宽度方差和泵浦功率的关系
3.2.2 泵浦功率对脉冲能量的影响

表3.2 脉冲能量的统计表
根据表 3.2，利用公式（3-1）（3-2），我们作出了不同泵浦功率时，脉冲能量的方差即它的不稳定度的变化曲线，如图 3.4所示。
图3.4 输出脉冲能量方差和泵浦功率的关系
表3.3 脉冲峰值功率的统计表
3.3.3 泵浦功率对脉冲峰值功率的影响
根据表 3.3，利用公式（3-1）（3-2），我们作出了不同泵浦功率时，脉冲峰值功率的方差即它的不稳定度的变化曲线，如图 3.5所示。
图3.5 输出脉冲峰值功率方差和泵浦功率的关系
3.4 结论与改进
3.4.1结论
以上三小节中，经过计算分别画出了泵浦功率与脉冲宽度、脉冲能量、脉冲峰值功率的关系曲线，但由于实验条件和实验时间等原因限制，都是在泵浦功率较小的情况下采集的脉冲波形，且数据个数太少，所以画出的曲线图点数过少变成了无规律的折线图，无法精确地看出泵浦功率对脉冲激光器的稳定性影响有什么规律。但可以肯定的是，泵浦功率的变化对脉冲激光器的稳定性存在很大影响，因为曲线图表示的是方差即不稳定度与泵浦功率的关系，理论上即泵浦功率无影响时应该是一条水平的直线，而实验得到的折线则是起伏不定，且有的点很大有的点很小，故泵浦功率变化影响脉冲激光器的稳定性，具体的影响规律还有待研究。
3.4.2需要改进的方面
（1）采集波形时应扩大泵浦功率的变化范围，兼顾大功率与小功率，这样可使之后的数据处理分析更容易得到准确的结果；
（2）运用统计学原理解决问题时，数据的个数应该尽可能的多，这样结果才具有可信度，如在本研究中，可以增加每个泵浦功率下脉冲波形的个数，减小误差。
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第四章 自锁模现象对脉冲稳定性的影响
第四章 自锁模现象对脉冲稳定性的影响
在第三章的研究中，采集了130个脉冲波形图，这些图上的脉冲理论上都是平滑的单脉冲曲线图，但从图上可观察到每个单脉冲波形图都存在振荡现象，即波形上有“毛刺”，这就表明这些脉冲很不稳定。故从激光器本身的自锁模现象，探讨这些“毛刺”的形成原因。
4.1 自锁模的简单介绍
自锁模,亦称克尔透镜锁模(KLM),是当前最有效且被最广泛采用的获得飞秒激光脉冲的技术。