本科毕业论文---激光二极管抽运的被动调q微晶片激光器仿真研究.doc

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 别计算机与通信工程学院专业名称通信工程班级学号学生姓名指导教师2015年6月8日 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 II 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: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。关键词：激光二极管，被动调Q，耦合，抽运A passively Q-switched diode pumped microchip Lasers simulation Author：Zheng Meng Tutor： Huang liqunAbstractA 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:YAG rsaturable absorption excited state absorption body to obtain a 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目 录1 绪论11.1 激光器的发展简史11.2 激光器的发展前景22 激光调Q技术32.1 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42.2 调Q原理52.3 调Q技术7 2.3.1 主动调Q技术7 2.3.2 被动调Q技术113 激光二极管抽运的微晶片激光器143.1 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163.2 激光二极管抽运微晶片激光器的发展概况194 激光二极管抽运的被动调Q微晶片激光器仿真研究234.1 被动调Q耦合速率方程234.2 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 38 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干涉仪来代替谐振腔。汤斯认为，这一点很关键，因为这样不必要的震荡会得到控制，他坚信能够制作出这样的激光器。1958年12月，肖洛和汤斯共同研究，发表了红外与光激射器一文。这篇论文引起了强烈的反响，从此以后，越来越多的实验室都在加紧步伐研究，不断探求新型的适用于激光器的材料和方法，争相提出很多设计方案。科学家梅曼，一直致力于将红宝石作为材质的的受激实验研究，在1960年5月15日终于观测到光激励红宝石受激辐射信号，通过不懈努力，最终研制出了世界第一台红宝石固态激光器。1.2 激光器的发展前景激光器开辟了一个全然不同的世界，伴随着第一批激光器的应用，关于激光的研究迅速升温，目前已成了一个热门的课题。激光学科成为了一个交叉的学科，在军事方面，激光在通信，目标跟踪，高能冲击等方面都发挥了重要作用。在工业方面，二氧化碳激光器，半导体激光器，激光印刷，光盘读取，光纤等方面都有很多应用。在医疗方面，激光凝固器应用广泛，在妇科，肿瘤科，眼科等科都发挥了很大的作用。激光在人们生活的方方面面都起了重要作用，在今后的生活中，激光定会与其他学科密切联系，充分发挥优势，越来越普及。2 激光调Q技术1960年，T.H.Maiman成功研制出由红宝石作为抽运材质的激光器，这是激光器史上的一大进步。若想实际应用，急需解决的问题是将脉宽压缩，增大峰值功率等等。1961年，调Q的概念被Hellwarth提出。在这一年，他在红宝石激光器上，利用被动调Q技术，成功输出了窄激光脉冲。不久，H.W.Mocker用了相同的方法，成功地把激光脉冲的脉宽降低到10ns以下。调Q技术越来越成熟，脉冲的峰值功率不断提升。这样得到了脉冲宽度的最低值为(激光器谐振腔的长度为，光速是，因此通过该技术，我们一般最多只能够输出纳秒级别的激光脉冲)。2.1 激光的基本理论2.1.1 自发辐射，受激辐射和受激吸收 19161917年，爱因斯坦根据光量子论推导出了普朗克公式。在这次的计算推导中，他提出了两个非常重要的概念，这两个概念对以后的研究产生了极大影响，即受激和自发两种辐射。他采用了新的模型：光和物质相互作用的模型。在这种模型下，设定了原子只有两个能级，能级2和能级1，如下图2.1所示。原子从高能态2向低能态1跃迁辐射能量，由低能态向高能态跃迁，吸收能量。这个过程，由自发辐射光子和受激辐射光子组成。原子受到激励激发到高能级E2时，它的状态是不够稳定的，有一种向低能级跃迁的趋势。即使没有外界因素，处于高能级的原子，也有可能发生跃迁。如果没有外加条件，原子从高能级向低能级跃迁方式有两种方式。只通过释放热能的方式来跃迁的，叫做无辐射跃迁。通过光辐射的形式来跃迁的，叫做自发辐射跃迁。辐射出的光子能量满足玻尔条件： (2.1)假设原子系统受到外加能量，如的光子照射时，如果满足条件那么处于低能态E1上的原子就会发生受激吸收，吸收此光子，得到能量，跃迁到高能态E2上，如下图2. 1(b)所示。与此同时，在光的受激吸收过程的同时，还有一个相反的过程，受激辐射。此过程需收到光子照射，此光子需满足条件：，那么处在高能级E2上的原子也会受到外来的能量的光子的激发，而从高能级E2跃迁到低能级E1上去。这时原子就会输出一个光子，它和外来光子具有相同特性。激光的产生就是在收到激发，发生辐射这个过程中产生的。如图2.1(c)所示。图2.1 (a)自发辐射，(b)受激吸收，(c)受激辐射2.1.2 阈值条件从光子的观点来看，在能级E2,E1之间添加介质，使粒子数可以反转分布，当自发辐射时，腔内频率为u的模式的光，就能够得到一个光子。介质在这种状态的光子感应下受激辐射，就会输出一个光子，其性质与此光子性质完全一致。这样，在这种模式下，就会得到一个光子，与高能级的原子相互作用，就会发生受激辐射，进而再一次产生光子。通过这样的一系列的雪崩式反应，就会输出大量的光子，在量子的状态下，这些光子的性质是一致的。最后产生的这种频率为的形式的光，光子的数目积聚越来也多。激光产生就是这样形成的。腔内任何模式的光，只有至少存在一个光子，才能形成这样一个过程。激光阈值的另外一种表达式可以表示为下面的式子： (2.2)在同一个模式下，自发辐射几率记作A21/g，模式数目记作g，在腔内，光子的生存时间长度是，上面的式子还可以写成这样的表达式： (2.3)2.2 调Q原理调Q技术在激光的研究史上打开了一扇新的大门，使得激光器能够在极短的时间内输出很大的能量，这样就能够产生峰值功率很高的脉冲，它的峰值功率与普通的长脉冲的功率有着数量级上的差异。无规则的尖峰脉冲形成脉冲激光器的输出，这种尖峰脉冲只产生在阈值附近，宽度极窄。在这样的一组脉冲中，峰值功率不会很大，因为激光器输出的能量已经被分散开来，一般而言，激光谐振腔的损耗很低，可以近似忽略掉，但是当光抽运后，反转粒子数增加，当数目达到一定程度时，激光器就发生震荡，处于高能级的粒子受到辐射后，数目开始减少，这样就会使高能级的反转粒子数目不会很多。由于这样的原因，普通的激光器的峰值功率一直不能提高。所以我们要想使得高能级积累数目较多的粒子，就需要改变激光器的阈值，使得高能级的最大粒子反转数不受限制。要想产生震荡，激光器的阈值需满足以下的式子： (2.4)并且已有关系式： (2.5) 所以得到下面的式子： (2.6)式中，模式的数目表示为g，自发辐射的概率表示为，光子在腔内的生命长度表示为，品质因数可以用Q值来表达，它用下面的式子来定义： (2.7) 其中，为腔内存储的能量，为每秒损耗的能量。式中，中心频率用来表示。腔内的能量积累，存储后用来表达，光在腔内传播都会有损失，每次传播的消耗的能量用来表示，在一次的传播中，光就会损耗数量为的能量。我们分别用来表示谐振腔的长度，介质的折射率，光速。因此，光通过腔一次，历时是。每秒钟，光损失的能量可以表示为。品质因数Q可以用下面的式子来表示 (2.8)品质因数Q越小，意味着能量损耗越大。若想提高阈值，可以通过降低Q值来实现。在Q开关运转中，先将能量存储，通过光抽运的方式，然后降低品质因数Q来降低激光震荡的产生。尽管激活介质能够储存巨大的能量，但是腔会损失很大的能量，阈值会非常高，比产生激光的临界阈值高出很多。这样就会遏制起振。在高能级，反转的粒子数会大量积聚。当品质因数Q变化为高数值时，积聚的能量就会释放，时间非常短暂，形成光脉冲。时间极短，而介质储存了巨大能量，与普通的相比，高出好几个数量级。 通过一定的方法，使之当时间改变时，品质因数Q值发生变化。随时间按一定规律发生变化。在抽运开始的时候，激光不能震荡，因为Q值较低，能耗损失太大。这时，高能级的粒子就大量积累。通过增加外在条件，例如添加激发功率，处于高能级的粒子数大量积累，随着时间延长，当高能级的粒子数到最大值时，增大Q值，这样一来，阈值也会突然降低，就会产生强烈的激光的震荡。发生跃迁，高能级的粒子跃迁到低能级。这时，激光脉冲的峰值功率会非常高。可以从图2.2看出Q开关脉冲产生的经典的时间顺序3，激光只能在高Q值腔内产生。在闪光灯抽运脉冲的末端，如果反转粒子的很多，当到达峰值时，相应的Q值会到达最高值。这时，就会有Q开关的脉冲产生。如下图所示。经过很长时间，才会输出一个激光脉冲。图中示出了灯的输入电流，谐振腔损耗的能量，反转粒子数和光子通量与时间的函数关系。到现在为止，我们一般用两种调Q方式：一种是主动式，另一种是被动式。主动式可以细化为几种方法：电光调Q法，转镜调Q法，声光调Q法。被动调Q可以细化为：色心晶体调Q法，Cr晶体调Q法，染料调Q法。图2.2 Q开关脉冲的形成过程2.3 调Q技术2.3.1 主动调Q技术主动调Q技术的概念是人们通过一些物理手段，进而掌控激光腔内的能量的损耗。这样一来，Q值就会发生变化。(1)转镜调Q这是一种物理的调Q方法。这种方法是利用阻挡光的通道方式实现的，或者是令腔内的镜片不对准。在当闪光灯脉冲将要截止的时候，假若激光棒中存在大量的能量，那就可以有很高的品质因数Q，就能够使得激光器输出一个脉冲。如下图2.3所示，一个快速转动的全反射棱镜和和输出镜一起组成谐振腔4。当满足腔处于高Q值，并且棱镜与反射镜相对的时候，才能输出激光。除此之外，不能够产生震荡，此时的Q值很低，自然也不能够输出激光。图2.3 旋转棱镜Q开关的红宝石激光器的简图 转镜调Q操作不复杂，成本较低。但是也有一些弊端，一旦转速达不到要求，就会产生多个脉冲序列，会有较强的噪音，可靠性不强，易发生故障。这些缺点使得人们采取声光调Q技术。(2)声光调Q通过在谐振腔中放置介质，就可以组成调Q开关。此介质需满足对激光波长透明的条件。此种介质经过特殊处理，一面有转换器，是一个压电薄片。在声光晶体中，利用这种转换器就能够输出超声波震荡。将声光介质插入激光的谐振腔中，这种介质需满足对激光波长是透明的条件。在声光介质贴上一种换能器，这种换能器是由压电薄片作的，这样晶体就会发生超声波震荡了5。如下图所示：图2.4 声光Q开关 光介质会发生转变，是超声波的作用，这种变化还是周期性的。因而，在方向上的变化也是周期性的。如果控制好条件，那么可以利用这种变化产生光栅的效果。此时就会有衍射和散射对其产生干扰。这种效果会使得相应的一小部分入射光线溢出腔，Q值就会变得不高。 粒子汇聚，高能级上会越来越多。换能器关闭，谐振腔约Q值恢复到之前的水平，得到激光输出。这种调制方式有许多优点，最重要的是，能量等损耗很低。但是也会有一些其他的干扰因素，例如在传播中，声波在介质中，速度会降低，所以，应用条件也会有限制，应用最多的方面在低增益介质的连续抽运激光器的重复调Q。通过带有压电换能器的激光器，能量发生转换，电能转换成超声波能。将超声波射入石英体中，此石英体带有Q开关。将电压断开，激光器就又恢复到Q值较高的形态。假若熔融状的石英处于未被通过的状态，即高透射率时，在无超声波通过时，激光器就输出脉冲69。(3)电光调Q 电光调Q技术是当下适用面最多的技术。电光效应速率很快，可以利用特定的晶体来制作电控光闸，此种闸速率非常快。如下图2.5所示10，此装置装有电光盒。当闪光灯工作时，在电光盒上加一个电压，数值为，经过起偏器以后，偏振光发生变化。由线性转变为圆形。辐射经过反射之后，又一次经过电光盒，间隔的延时后，变化为角度偏转90度的线性偏振光。光反馈会对实验产生影响，但是此辐射通过起偏器，所以避免了这个因素。在脉冲将要消失的时候，将电压断掉，就可以避免偏振光的消耗。 经过这样的一个过程，谐振腔就会产生震荡，经过一小段时间的延迟，就会有脉冲输出。在(b)中，要达到光束透射的目的，就需要给光电盒子施加电压。这样的Q开关是由这样的脉冲控制的。在偏振器中间有电光盒。与前面的结构一致，如果偏振光由介质输出了，起偏器就不再需要了。在没有电压的情况下，偏振器不会发生变化，此时，Q值是最小的。 经过一段时间后，将数值为的电压附加在电光盒上，就会使光束发生变化，会旋转一定的角度，精确来讲为90度，这样一来，光束正好通过检偏器。后续接连发生连锁反应，就会又通过检偏器和电光盒。又会旋转90度。经过这样的过程，光束已经旋转了180度，就可以正好通过。 电光调Q具有很多优点，例如响应速度快，良好的调Q时刻的掌控，可以获取极窄的脉冲宽度，能够获得的峰值功率也非常高。图2.5 (a)工作在/4, (b)工作在/2延迟电压的电光Q开关被动调Q，是建立在具有某些特定的可饱和吸收体的激光器上，Q值自动发生变化的一种方法。被动Q开关是光学器件，其装满有机染料，或者掺杂晶体，随着能量的提高，光学器件就会越来越趋近饱和，透明性越来越高。在能量密度达到某一很高的值时，材料就会饱和，透射率就会比较高。只有基于光谱跃迁的饱和，才会发生可饱和吸收体中的漂白过程。2.3.2 被动调Q技术利用可饱和的吸收体的性质来改变Q值。增加谐振腔的光强，当到达一定程度时，饱和吸收体就会变得透明起来，透射率很高。在光谱跃迁的基础上，可饱和吸收体会产生“漂白”。若在谐振腔中放置一种高吸收率的材料，那么激光的震荡急剧降低，Q开关关闭。介质中的反转粒子数增加，光通量迅速增加，这时就会使被动Q开关到达饱和状态11。谐振腔的损耗下降，Q开关脉冲就建立起来了。Q开关是由激光辐射自身启动的，不用外加电压，等设备。与传统的激光器相比，激光二极管抽运的被动调Q激光器有很多优势，优点如下：(1)典型的腔长数量级为毫米，亚毫米级别，甚至可以降低到皮秒级别，使得易产生单纵模的激光。(2)系统的体积小，可以到达毫米量级。(3)设计简单，便于调整，易于维护。在实际应用中，有些领域需要稳定的输出，其稳定性差，故不能广泛应用。图2.6 厚度为2.65mm的Cr: YAG吸收体的透射率和能量密度之间的关系为了增加耐用性和可靠性，人们采取了两种方法，一种是掺杂吸收性离子，另外一种是加入色心。现在应用最广泛的材料是 Cr: YAG。Cr离子在激光的波长段吸收面积很大，能够很好地吸收，有较小的吸收残余YAG晶体的物理，化学特性都很稳定。吸收带宽高，掺杂度高，导热率较高，性能很好。这样一来，被动调Q固体激光器的性能有很大提升，效率提高，因而得到了很广泛的应用。可饱和的吸收材料可以用下图的能级结构来表示，在能级1-3中发生跃迁。32能级跃迁很快。只有基能态的吸收截面很大，才适合作为被调Q的材料。与此同时，上能态能级2存活时间必须足够长，才会大量消耗基能态的粒子数。若光通量不足以排空基态能级的粒子数，那么激光器谐振腔中的吸收体就不会透过激光辐射。反之，如果粒子数目达到一定数量，那么吸收体就会变成透明的。可饱和吸收体的能级图如图2.7所示。对于可饱和吸收体来说，吸收系数为如下，其与光线强度有关12。速率方程如下式： (2.9)式中，为小信号吸收系数，为饱和能量密度， (2.10)能级13跃迁的吸收截面用来表示。图2.7 A为，B为,分别是基态和激发态的吸收，激发态的寿命记作t 可饱和的吸收体的参量有以下：初始的透射率为，使得饱和吸收体变为透明的能量密度，将可饱和吸收体漂白后，可以得到小信号的透射率是 (2.11)可饱和的吸收体的厚度用来表示。基能态的粒子的密度用来表示。在可饱和的吸收体介质中，位置不一样，则光通量和粒子密度也不同。所以要想算出参数是能量密度的透射率，需要就必须考虑这两项因素。理想情况下，可饱和的吸收体对应不同的入射光能量，透射率可以表示为： (2.12)近似的，若和时，上式可分别化简写作和。 然而实际情况中，即使调Q材料能够在基能态表现出饱和的特性，仍旧不可能达到完全的透射，因为光子会被受激原子吸收。上图2.7可以看出，能级2向能级4跃迁，跃迁与能量相对应。基态的粒子数逐渐减少，消耗殆尽，能级2与4之间吸收会增加。当基态达到饱和的状态时，激发能态会发生吸收，激光腔内就会发生残余损耗。3 激光二极管抽运的微晶片激光器六十年代，固体的激光器获得了迅速的发展。因为效率不高，还存在热效应，传统的灯抽运的固体激光器并未获得深入的发展。随着研究的深入，到了80年代后期，出现了全固态的激光二极管的固体激光器。这种激光器有许多优点，效率很高，使用时间长，可靠性好。全固态的激光器扬长避短，在各个领域获得了广泛的应用。发展最迅速的是二极管抽运的微晶片激光器，是激光的重要发展方向。微晶片激光器都能够保证输出单频的理想的光束，为高斯型。因为微晶片激光器的谐振腔的截面都是平面，腔长不长，这种激光器的构造不复杂，成本低，发展前景很好。3.1 激光二极管抽运技术激光二极管抽运的固体激光器指的是用激光二极管作为激励源去抽运激光晶体的固体激光器。与传统的闪光灯抽运相比，具有很明显的优点。工作效率很高，体积较小，激光输出性能好，使用寿命长，使得其成为固体激光器的重要发展方向之一。3.1.1 激光二极管抽运技术的发展 在1960年，纽曼第一次提出激光二极管抽运的固体激光器的设想，随后通过不断地实验研究，最终在1962年制造出了激光二极管，这也是世界上最早的激光二极管13。由于其输出的波长和激光晶体(Nd掺杂)的吸收带的吻合性较好，所以，从理论上讲，可以生产出激光二极管抽运的效率高，体积小，使用时间长的激光器。1964年，来自美国的林肯实验室14第一次实现了激光二极管抽运的激光。1968年，麦道公司成功运行二极管抽运的Nd: YAG的激光器15。1971年，Qstermeys16称利用二极管抽运，获取了功率为1.4mW，宽度为1064nm的激光。 早期，二极管必须在液氮下工作，主要用于实验，这个时期，二极管抽运的激光器还很不成熟，采用的是同质结结构，效率低下，波长范围也很小17,18。随着研究的深入，激光二极管可以不必在液氮下工作，可以在室温进行，但是性能不够完备，输出功率和效率比较低19,20，还不能进入市场。 八十年代后，物理，化学等基础科学的进步也促进了激光的发展。尤其是分子束外延，金属化学气相淀积这类技术的快速发展，量子阱结构等技术的发展，使阈值电流降低成为可能。这样一来，二极管的输出功率以及转化效率得到极大的提高，波长范围展宽，使用时间也增长很多。加之微通道制冷21技术的发展，使得大功率激光器成为可能。成本降低，价格随之降低，有些已经进入市场，被人们广泛使用。 劳伦斯.利弗莫尔实验室(LLNL)已经成功输出了70W,273W, 1050W的功率，其采用微通道冷却激光二极管阵列来抽运Nd: YAG晶体板条。OPC公司生产的60W集成化光纤藕合已经步入市场，麦道公司的峰值为350kW的激光器也得到了广泛应用。二极管的快速发展，带来了新型固体激光材料和二极管抽运技术的繁荣。全固体激光二极管应用到各行各业，在DPSSL锁模运转22,23单频运转24和频率转换25等方面获得很大进步，已经能够实际应用。3.1.2 激光二极管抽运技术的优点(1)提高了工作效率 在808nm时，跟传统的闪光灯的发射带相比，激光二极管的发射带能够与钕吸收带进行很好的光谱匹配，因而其产生的抽运速率很高。从表面上看，激光二极管的辐射输出能量与输入能量相比，即效率，只能够到达25%50%，而闪光灯的辐射输出能量与输入能量相比，即转换效率，能够到达70%。激光二极管比闪光灯的效率低得多。但是，钕吸收带不一样，只能吸收极小的一部分灯的辐射能量，而激光二极管可以自行选择输出波长，若选定某种固体激光器，我们能够自行设定，达到完全处于吸收带的状态。(2)延长了元件的寿命在处于连续工作的状态时，激光二极管阵列可以使用时间是104h，可以产生109次脉冲。在连续工作时，闪光灯能够使用时间是500h，可以产生次脉冲。所以激光二极管抽运固体激光器比闪光灯抽运的激光器有很大的优越性。其系统的寿命长很多，可靠性也高许多。(3)改善了光束质量 将激光二极管抽运固体激光器的发射与长波长钕吸收带之间的光谱进行合理匹配，就会降低激光材料积累热损耗，这样就会减小热透镜的效应，提高光束品质。另外，合理利用激光辐射的方向性，那么抽运辐射与低阶模的光谱就会很好的匹配，就可能输出亮度极高的激光。(4)增大脉冲重复率准连续激光二极管不但能像传统的闪光灯一样有较低的重复率，而且能像连续的弧光灯一样连续运行。带有此种二极管的固体激光器可以运转在几百赫兹到几千赫兹的重复率范围内。(5)有利于健康 激光二极管抽运的系统避免了高压的脉冲，高温，也没有紫外线的辐射，所以不会对健康产生影响。由于灯抽运的系统会产生紫外线，那么就会导致抽运腔和冷却水发生衰变，系统就不会稳定运行。激光二极管抽运的激光器没有紫外线的辐射，不会出现这类问题。(6)很好的发展空间 激光二极管输出的光束有方向性，而且其发射角度很小，在这样的条件下，为新型激光器开辟了道路。可以在机构和设计构造作出改变，设计出端面抽运的系统，微芯片激光器以及光纤激光器。(7)实用性和兼容性强 激光二极管抽运的大多数材料可以用闪光灯代替二极管来抽运。但是，很多非常有用的材料如ND:YVO4、YB:YAG和Tm:YAG等，只能够用激光二极管抽运。3.1.3 激光二极管的抽运方式用稼和铭按照一定的比例，制作出的二极管，可以输出接近800nm的波长。这种二极管具有很高的适用性，与几种激光发射离子的强吸收带能够很好地匹配。特殊地，这种二极管阵列能够产生出于多种基质材料中铁的吸收带相匹配的光谱，宽度在3-4nm。 这种完美的匹配，使得抽运源能够高效率地产生反转粒子数，而且二极管阵列输出具有方向性，能够高效的将抽运辐射传输到密耦合结构的材料，或者利用光学系统，将抽运的辐射传到增益介质当中。二极管抽运源有一部分具有相干的特性，一种情况是产生的聚焦光斑小，另一种可能是通过调节，能够与谐振腔模式匹配。 二极管与闪光灯相对比，光谱特性和空间特性优势明显，二极管的抽运源，抽运辐射传输效率都很高，在抽运区和谐振腔之间，空间交叠比较大。 以二极管激光束的输出为依据来划分，二极管有两类抽运方式。一种是端面抽运(End-pumping )，另外一种是侧面抽运(Side-pumping )。 在侧面抽运结构中，二极管阵列要与激光棒或激光板保持相同的方向，抽运方向要与激光谐振腔模的传播方向保持垂直。在端面抽运结构中，可以利用激光二极管的空间和光谱特征优良的特点，设计出抽运辐射的方向，是准直的，纵向聚焦，最终会聚到与谐振腔在同一条水平线上的激光材料中。(1)端面抽运 小功率的激光二极管抽运的激光器常用的一种方式是端面抽运。这种二极管系统较小，布局紧凑。而且可以利用自身的耦合系统将二极管激光很好的射入固体介质。 这种端面抽运的二极管激光器，发射出的激光，会在激光棒的端面聚焦，形成一个斑点。选择合适的元器件，使得光斑的大小与谐振腔的TEM00模一致。所以，这种结构可以很高效的利用激光器发出的能量。此类端面抽运激光器是结构是纵向的，激光器的激活的一部分与TEM00模体积匹配性很好。这样的激光器，即使没有光圈隔膜，也能够输出基模。模式匹配度越好，激光器的设计就会越精巧。席佩斯26设计出了如下图所示的激光器结构。这种结构的二极管能够输出功率为200mW，波长为808nm的激光。经过光学器件的耦合，聚焦，最终射到端面上。平凹镜构造的腔的抽运端面镀上了高反膜。高反膜的波长是1064nm，反射性很强，反射率能够到达90%以上。 图3.1 LD端面抽运的激光振荡器这类系统会产生TEM00模，总体来说，效率是很高的。端面抽运的激光器构造简洁，而且抽运面积与TEM00激光模之间有很好的重叠，这样一来，效率就会提高很多。这种抽运方式的固体激光器在固体棒(或片)的前端面镀双色膜，这样一来，固体激光器振荡的波长就会完全翻折，抽运光波长几乎无损耗的透过;输出面具有对所需的固体激光波长合适的透过率。目前，越来越多的激光介质都适用这种结构的激光器。例如：Nd3+: Bel, Nd3+: YAG上述