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二极管激光泵浦Cr，Nd：YAG自调Q激光器的实验与数值模拟
1引言
最近几年，在被动调Q中Cr4 掺杂晶体引起了足够重视。Cr4 和Nd3 掺杂的YAG晶体是一种重要的自调Q激光材料。然而，我们知道在Cr，Nd：YAG激光器的整体性能中，还没有关于泵浦功率的影响，可饱和吸收离子的浓度以及输出耦合器反射率的报告。在这篇文章中，我们描述了激光二极管泵浦的Cr，Nd：YAG激光器的整体性能。平均输出功率的单脉冲能量、脉冲宽度、峰值功率和在1064 nm激光输出重复率已作为衡量吸收泵浦功率的功能。通过对自调Q激光耦合速率方程求解，速率方程的数值解和在整个泵浦区的实验结果相吻合。在Cr，Nd：YAG激光器的整体性能中，对泵浦功率的影响，可饱和吸收离子的浓度以及输出耦合器反射率进行了详细研究。阐述了优化的脉冲输出以及基于实验装置和下面详细的数值模拟的实验结果。
2实验方案
用于实验的Cr，Nd：YAG晶体利用标准的Czochralski法生长，Cr4 被置换成扭曲的四面体Al位置；因此需要电荷补偿器，并且为此目的添加CaCO3。Cr，Nd：YAG晶体中Cr和Nd的标称浓度分别为0.01%和1%。用Cary500Scan UV-Vis-NIR分光光度计在室温下测量吸收光谱。分辨率设置为0.1 nm。我们通过测量中心位于1064nm的Cr4 离子的吸收系数和Cr，Nd：YAG晶体中Cr4 的浓度来估计Cr，Nd：YAG的基态吸收截面。通过使用1064 nm Nd：YAG脉冲激光器作为泵浦源测量饱和透射率；脉冲宽度是5ns。我们通过改变泵浦源的聚焦直径记录了Cr，Nd：YAG在不同输入泵浦能量下的传输。我们使用透射数据来确定激发态吸收截面。
二极管激光泵浦Cr，Nd：YAG自Q开关激光腔的示意图如图1所示。一个Cr，Nd：YAG晶体被抛光成平面几何形状作为激光谐振器。平面后表面被涂覆以用于808nm的高透射率和1064nm的全反射。用作输出耦合器的平面前表面被涂覆以在1064nm处进行97%的反射和在808nm处的全反射。整个空腔长度为5mm。测量两个反射镜的轴线偏差小于0.3°。泵浦源采用1W高亮度Hamamatsu 2901的二极管激光器，发射截面为50 m1 m。由于二极管激光器的发射角较大，所以使用耦合光学器件（焦距为8mm的两个聚焦透镜）将泵浦光束聚焦到晶体的后表面上。在耦合光学器件后，Cr，Nd：YAG泵浦光斑直径为150mu;m。激光器在室温下工作。调Q脉冲用1.5ns的快速Si P-I-N探测器记录上升时间以及单次模式下500-MHz采样率的泰克TDS 380数字化示波器。输出功率用激光功率计测量。用CCD相机监测输出耦合器附近的激光器输出光束轮廓；我们可以估计光束直径。
图一 自Q开关二极管激光泵浦Cr，Nd：YAG激光器的实验装置：
AR，抗反射; HR，高度反射。
脉冲能量由平均输出功率和脉冲重复率确定。 峰值功率由脉冲能量和脉冲宽度确定。
3理论模型
自调Q开关谐振器中增益和饱和吸收介质的光子密度和种群反演密度的耦合率方程，包括可饱和吸收体的激发态吸收和激光的种群折减系数，如下面所述：
(1)
(2)
(3)
(4)
方程中使用的符号 （1）-（4）总结在附录A中。对于单片Cr，Nd：YAG自调Q开关激光器，Cr4 离子可饱和吸收体的吸收长度是晶体长度。用于Nd掺杂固态激光器。体积泵浦速率与cw泵功率成正比。
由方程 （1），Q开关激光器的损耗可以表示为：
(5)
被动调Q激光器的动态和激光特性可以通过使用Matlab 6.0软件的耦合率方程（1）-（4）的数值解来获得。自调Q Cr，Nd:YAG激光器的输出脉冲能量，峰值功率和脉宽可写为
(6)
(7)
(8)
其中是覆盖整个激光脉冲的时间范围上的腔体光子密度的积分，是激光腔体中的最大光子密度。
4 结果与讨论
室温吸收光谱如图2所示。Cr3 是Cr掺杂YAG晶体中的主要状态；Cr4 可以通过添加Ca2 离子进行电荷补偿来形成，而晶体在O2 中生长或退火。然而，Cr4 只是加入到Cr，Nd：YAG晶体中的总Cr离子浓度的小部分。Nd3 的吸收光谱叠加在Cr3 的吸收光谱上。808 nm附近的Nd3 的吸收光谱如图2的(a)所示。一个以1064nm为中心的Cr4 的宽吸收光谱，在图2（b）中示出了居中约1046nm的Cr4 的详细吸收光谱。对于Nd3 离子，在808nm的泵浦波长处吸收系数为7.3cm-1，对于Cr4 离子，在1064nm处吸收系数为0.2cm-1。发射截面在1064 nm处为2.35times;10-19 cm2，寿命为210 s，比Nd：YAG（230s）略短。由于YAG主体中Cr3 离子的存在，很难确定Cr4 ：YAG晶体的光谱参数，O2生长气氛以及诸如Ca2 和Mg2 的电荷补偿离子的量。文献报告中的基态和激发态吸收截面变化了一个数量级。根据我们测量的1064nm处Cr4 的吸收系数和Cr，Nd：YAG晶体中的估计浓度，我们计算出基态吸收截面为4.310-18cm2，这在报告值的范围之内。我们通过测量样品的饱和透射率曲线（使用1064 nm激光器作为泵浦源）来确定在1064nm处的激发态吸收截面为8.210-19cm2，这也与文献报道值一致。
图2 室温下Cr，Nd：YAG晶体的吸收光谱。
（a）适用于市售二极管激光泵浦的Nd3的吸收光谱在808nm附近
（b）以1064nm为中心的Cr4的吸收光谱。
以Cr，Nd：YAG晶体为活性介质，通过cw泵浦获得重复调Q激光，输出激光脉冲序列稳定，脉冲幅度变化在10%以内。图3(a)底部的细实线表示吸收泵浦功率的输出激光束半径约为85mu;m。在吸收的850mW的泵浦功率下获得了1064nm处的最高102mW的平均输出功率。每个脉冲具有3.3J的能量和5ns的宽度，在重复时产生680W的峰值功率为32kHz。图3(b)中的短曲线显示了吸收泵功率为850 mW时的示波器脉冲轮廓。
图3 二极管激光泵浦Cr，Nd：YAG激光脉冲序列的数值计算和实验示波器轨迹的详细信息以及时间上的单脉冲发展。
（a）光子密度的演变，增益反转密度和脉冲重复周期时间尺度上的损失。被测量的示波器脉冲序列以任意单位与数值计算进行比较。
（b）光子密度的演变，增益反转密度和脉冲宽度时间尺度上的损失。
在(a)中，细实线是激光脉冲的实验示波器轨迹; 粗线是数字结果。 两个数字均使用的泵速。 测得的示波器轨迹在峰值功率下进行归一化处理，与数值计算进行比较。
在图4(a)、4(b)、4(c)、4(d)和图4(e)分别示出作为泵浦功能的Cr，Nd：YAG自Q开关激光器的脉冲能量，脉冲宽度（FWHM），重复频率，平均输出功率和峰值功率。泵浦速率与吸收的泵功率成比例，并由表达式 给出，其中。对于双程泵浦几何结构，是入射到晶体表面的泵浦功率，是泵浦光子能量，是Cr，Nd：YAG晶体入口处的泵浦光束面积，是晶体长度。假定对于所使用的短腔来说，晶体内部的泵浦光束区域沿着泵轴线变化很小。可以看出，平均输出功率与泵速成线性关系，在所使用的泵功率范围内没有饱和。
因此，通过使用可以获得更高的激光输出功率更高功率的二极管激光器作为泵浦源。阈值泵功率约为250 m W，斜率效率为19.6％。自Q开关激光器的光学效率（平均输出功率与吸收泵浦功率之比）约为12％。脉冲的重复频率和宽度也受吸收泵浦功率的影响。正如理论预期的那样，重复频率f随吸收的泵浦功率线性增加。在泵送速率较低时，脉冲宽度随吸收泵功率显着变窄，并在较高的泵送速率下继续适度缩小。
图3显示了自Q开关Cr，Nd：YAG激光器的数值模拟结果。(1)-(4)用Runge-Kutta方法计算泵送速率 ，对应于850mW的吸收泵功率。附录B列出了仿真中使用的其他参数。产生第一个Q开关激光脉冲需要34 s；后续Q开关激光脉冲之间的时间间隔为30s，比产生第一个激光脉冲所需的时间要短，因为在释放第一个激光脉冲之后，反演密度N不会降为零(图3(a))。重复频率可估计为33kHz，与实验数据(图3 (a)底部的细实线)很好地吻合。图3(b)中的粗曲线是图3(a)中第一个激光脉冲出现附近的放大图。当激光腔内的光子密度增加时，由于Cr4 ：YAG可饱和吸收体的漂白，损耗相应减少。当激光反转数目等于空穴损失时，即当时，光子密度达到其峰值。除此之外，激光反转密度（增益）小于激光系统的总损耗，并且Q开关激光脉冲快速消失，而激光反转密度逐渐减小至最小值。 Q开关激光脉冲释放后损耗的增加是由于Cr4 可饱和吸收体离子群的弛豫。Q开关激光脉冲释放后损耗的增加是由于Cr4 可饱和吸收体离子群的弛豫。在图3(b)中，计算得到的脉冲轮廓与实验的结果（短线曲线）很吻合。
图4.二极管激光泵浦Cr，Nd：YAG自调Q激光器输出特性
- 脉冲能量，（b）脉冲宽度，（c）重复率，（d）平均输出功率，以及（e）作为可饱和吸收体的三个Cr 4 离子浓度的泵速率函数的峰值功率。
测得的示波器轨迹被标准化以与我们的数值计算进行比较。脉冲宽度（半高全宽）为4.5ns，比测量的激光脉冲宽度（5ns）短一些。我们认为这种差异是由晶体内部的缺陷以及未包括在数字模型中的泵浦光束的横向变化造成的。计算出的输出脉冲能量为3.5J，峰值功率为780W。显然，CW泵浦功率强烈影响Q开关激光器的所有性能参数。平均输出功率随吸收泵功率而增加。图4中的曲线显示了自Q开关激光器的脉冲能量，脉冲宽度，重复频率，平均输出功率和峰值功率，作为输出耦合器97％反射率时泵浦速率在1064 nm处的函数，以及各种浓度 Cr4 饱和吸收体的Ns0。Q开关激光脉冲能量随着各种浓度的Cr4 离子的泵送速率而增加，范围从至（可饱和吸收体的长度保持不变）。脉冲能量随着Cr4 离子浓度在同一范围内增加(图4(a))。对于相同浓度的Cr4 离子饱和吸收剂以及Cr4 可饱和吸收离子的浓度，脉冲宽度随泵浦速率而降低(图4(b))。
在泵功率阈值附近，脉冲能量增加，脉冲宽度随着泵速的增加而急剧下降。泵浦速率达到约后，脉冲能量的增加和脉冲宽度的减小随着泵速的增加而减小。显然，通过使用高泵浦速率和高浓度的Cr4 离子可以实现改进的Q开关激光器性能，正如理论预期并且通过数值模拟所证明的那样。图4(c)显示了三种可饱和吸收体Cr4 离子浓度下重复率与泵速的函数关系。Q开关激光器的重复频率随着泵浦速率线性增加，随可饱和吸收体Cr4 离子浓度的增加而减小。图4(d)显示了计算出的平均泵浦功率与三种Cr4 离子浓度的泵浦速率的关系。平均输出功率随泵浦速率线性增加，但随着Cr4 离子浓度的增加而减小； 其原因可能是由于可饱和吸收体Cr4 离子激发态吸收引起的空穴损失的增加。峰值功率随泵浦速率以及饱和吸收体中Cr4 离子浓度的增加而增加，图4(e)。峰值功率随泵浦速率在泵浦速率较低时急剧增加，然后在泵浦速率大于时缓慢增加。
因此，实验数据和数值计算之间达成了很好的一致。 二极管激光泵浦Cr，Nd：YAG激光器的平均输出功率和重复频率与可饱和吸收体浓度为Cr4 的数值计算一致。
输出耦合器的反射率也对Cr，Nd：YAG自Q开关激光器特性产生影响。图5显示了作为函数的脉冲能量，脉冲宽度，重复频率，平均输出功率和峰值功率的输出耦合器对三种可饱和吸收体Cr4 离子浓度的反射率。在这些数值计算中使用的泵速为，其他参数保持不变，并列于附录2中。对于输出耦合器的特定反射率，Q开关脉冲能量增加并且脉冲宽度随着Cr4 离子的浓度而减小。Q开关脉冲的重复频率，随可饱和吸收体Cr4 离子浓度的增加而减小。结果表明，通过增加可饱和吸收体Cr3 全文共7219字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
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