摘 要

本论文研究Nd:YAG激光器光泵浦的耦合方式及耦合效率。光泵浦耦合方式有横向耦合与纵向耦合，横向泵浦方式适用于光谱较宽的闪光灯，纵向泵浦多用于半导体激光泵浦。同一耦合方式下存在其他影响耦合效率的因素。

本论文从实验的中激光器的输入输出特性分析泵浦光与晶体的耦合效率，确定最佳的耦合条件。调节泵浦源与Nd:YAG耦合条件、激光器的腔参数，确定泵浦光、耦合后的泵浦光及输出激光特性。分析得：侧面泵浦时，腔长为42cm、输出镜透过率为80%的平凹腔的斜效率是2.2%，光泵耦合效率是4.88%；端面泵浦时，腔长为18.3cm、输出镜透过率为3%的平平腔的光光转换效率是27.7%，光泵耦合效率是40.5%。

得出在Nd:YAG激光器中，在功率较小时，端面泵浦的耦合效率比侧面泵浦的耦合效率高得多的结论。

关键词： 氙灯泵浦 半导体激光泵浦 侧面泵浦 端面泵浦 耦合效率

Abstract

This paper studies the coupling mode and coupling efficiency of Nd:YAG laser light pump. The optical pump coupling mode has horizontal coupling and longitudinal coupling. The lateral pump mode is suitable for the flash with wide spectrum. The longitudinal pump is mostly used for the semiconductor laser pump. There are other factors influencing coupling efficiency under the same coupling mode.

This paper analyzes the coupling efficiency of pump light and crystal from the input and output characteristics of the laser in the experiment, and determines the optimal coupling conditions. Adjust the coupling conditions of pump source and Nd:YAG, the cavity parameters of laser, and determine the characteristics of pump beam, pump beam and output laser after coupling. The analysis shows that when the side pump is used, the oblique efficiency of the concave cavity with the cavity length of 42cm and the transmission rate of the output mirror of 80% is 2.2%, and the coupling efficiency of the optical pump is 4.88%. At the end pump, the optical conversion efficiency of a flat cavity with a cavity length of 18.3cm and a transmission rate of output mirror of 3% is 27.7%, and the coupling efficiency of the optical pump is 40.5%.

It is concluded that in Nd:YAG laser, the coupling efficiency of the end pump is much higher than that of the side pump when the power is small.

Key words:Xenon lamp pumped； Semiconductor laser pump； side-pump； end pump；coupling efficiency

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题目的及其意义 2

1.2 光泵源耦合进展 2

1.3 论文主要研究内容 3

第2章 光泵激光器能量转换分析 5

2.1 Nd:YAG激光晶体 5

2.1.1 Nd：YAG吸收光谱 6

2.2 灯泵Nd:YAG激光器 7

2.2.1 Xe灯结构 8

2.2.2 氙灯的光学特性 8

2.2.3 椭圆柱型聚光腔 9

2.3 端面泵浦Nd:YAG激光器 9

2.4 光光耦合效率分析 10

2.4.1 泵浦源辐射效率 10

2.4.2 泵浦光与晶体耦合 11

2.4.3 晶体有效吸收效率 11

2.4.4 受激吸收与受激辐射量子效率 11

2.4.5 受激辐射与输出激光 12

2.5 激光器能量转换效率 12

第3章 实验结果及数据分析 14

3.1 侧面泵浦光泵耦合 14

3.1.1 侧面泵浦实验数据分析 15

3.1.2 聚光腔结构改进 18

3.2 端面泵浦光泵耦合 18

3.2.1 端面泵浦实验数据分析 19

3.2.2 端面泵浦方式改进 20

第4章 总结 21

参考文献 22

致谢 23

绪论

激光的出现是20世纪时期最伟大的成就之一，并称为20世纪的四大发明的还有原子能、计算机和半导体。从1960年5月开始，梅曼利用红宝石棒第一次观察到激光，并从7月7日的时候展示了第一台红宝石固态激光器以来，激光技术的发展十分迅猛，得到快速并且全面的发展，更是向高功率、小型化、低阈值、超短脉冲和高效率等方向发展。一般来说，激光器都是按照工作介质来分，总共分为五类，包括固体激光器、光纤激光器、气体激光器、染料激光器以及半导体激光器。由于它们的优劣势有所不同，用途有所不同，所以在发展的方向也相差很大。固体激光器的话，就以掺钇铝石榴石作为例子进行介绍，这个激光器因为是单模运转输出的，所以输出的光束的质量非常高，方便聚焦，光-光的转换效率极高，而且在进行调Q后可获得极高的能量脉冲；光纤激光器在十分广泛的范围内都可使用，例如激光光纤通信、汽车制造、激光切割、军事国防、医疗设备、工业造船以及大型基础建设等等，并且其电光转换效率也很高，一般来说，可以达20%之上，节约成本，并且作为商用的光纤激光器一般都可以达到6000瓦的超高功率；气体激光器之所以称之为气体激光器，就是因为其工作物质就是气体，是因为它有很好的模式特性，但是其体积大、效率低，只能是由于某些特殊场合，比如金属焊接、材料加工等方面；染料激光器的优点十分突出，因为其输出的波长可以调成不同的波长，由于它不仅可以通过其独特技术（混频技术）获得紫外到红外的可以调谐的具有相干性能的光，并且还能够得到0.3-1.3光谱内的可以调制的宽带比较窄的高功率激光，所以常常应用于光谱学的研究；半导体激光器由于其本身介质的特殊性具有体积小、重量轻可电流注入激励、室温下可连续振荡、波长范围广、增益带宽较宽、可直接调制、相干性好、可批量生产等特点，常常将其应用在通信、医疗、材料加工和军事等领域，但也存在自身的缺点，例如温度特性差容易产生噪声以及输出光束发散等。

本论文研究的Nd:YAG激光器属于固体激光器，并且属于目前最常用的固体激光器之一，根据其输出光束的质量高且便于聚焦的特点进行光泵耦合效率分析，研究高效率耦合。在聚光腔的选择上，使用椭圆体聚光腔，由于其较好的聚光作用，更容易将泵浦光聚焦到工作物质上，而选取的光源的光谱与工作物质上谱相似，这样才能更好的提高耦合效率，再通过调节其他相关参数，再次提高了耦合的效率，这样就能够充分发挥固体激光器的优点。本文主要是分析和研究Nd:YAG固体激光器的光泵耦合效率，为以后的器件的生产与使用做好铺垫。

本章主要以课题目的的意义与Nd:YAG固体激光器的一些应用以及各种参数进展情况展开，简单地介绍课题目的与意义、Nd:YAG固体激光器的应用以及各种参数进展情况，最后简要地说明整个课题的研究进度安排。

课题目的及其意义

本课题主要是分析Nd:YAG固体激光光泵与工作物质的耦合，然后实现Nd:YAG激光器输出光束向工作物质的高效率耦合。光泵耦合效率的好坏直接会影响Nd:YAG激光器的所有转换效率，并且耦合的质量会直接影响最后的输出光的好坏，而且是Nd:YAG固体激光器能不能完成其单横模光束的输出的重要因素，这些对于Nd:YAG激光器都是至关重要的。于是能得出一个结论，光泵耦合是处于全部固体激光器中关键地位，并且具有很强的意义，所以光泵耦合的方法以及分析需要我们去探讨和找寻以及研究的。

这个实验需要用到的激光器，就是用来泵浦的Nd:YAG激光器，在实验最开始的时候，需要细心学习关于它的知识并做一些理论的研究，掌握Nd:YAG激光器的基本特性。并且有机会的话，在光泵耦合的方式上做一些比较大胆的实验，找到我们所需要的能够使得光泵耦合效率最大的方式，并进行改善。

而在这个时期，利用端面泵浦将光束很好的耦合到工作物质上的研究为数不少，但是大多数都是利用光纤耦合，就是把半导体激光发出的质量较差的光束首先聚焦到光纤上，然后因为光纤的圆波导特性，所以能够将光束进行压缩成为圆状分布，再次进行聚焦，最后再进行端面泵浦。由于这种光纤耦合的方式，很多人在很早前就开始研究，并且现在也出现了比较成熟化的产品，泵浦源也进行了改造，成为模块化的产品了，但是因为其价格很高。这个实验做出大胆尝试，将泵浦源发出的泵浦光经透镜直接耦合到激光器的工作物质上，从而达到降低成本的目的。

比较两种方案，可以说各有其优劣势，利用光纤耦合能够很好的提高耦合效率，光斑的质量也很好，并且在连接问题上，光纤也能够解决这种问题，但是它成本太高；而将泵浦源发出的泵浦光经透镜直接耦合到激光器的工作物质上，主要是成本低，不需要用光纤连接，并且体积可做到比较小。

光泵源耦合进展

在激光器端面泵浦方面，研究的人员以及方式都非常之多，但大部分都拘泥于采用光纤耦合进入激光器的工作物质内，而对于不使用光纤的的耦合方式少之又少，于是，此节我主要要说的是激光器与光纤耦合方式方面的技术。

在上个世纪大概70年代，由于光通信发展较为迅猛，人们慢慢地意识到激光器与光纤之间的有效耦合的重要性，于是开始进行研究^[1-3]。到了80年代之后，因为激光器与光纤放大器研究方面取得很大进展，于是，激光器开始作为泵浦源，并且其与光纤之间的耦合问题变得越来越重要。而激光器通常在平行结方向和垂直结方向有不同的发散角，并且模场之间和远场特性间有很大的差别，激光器的直接耦合一般都会有比较大的损耗，所以耦合问题一直都是一个难题。

为了解决这个难题，人们不断提出了各种类型的方法去解决这个问题，达到提高耦合效率的目的，主要方法为下面四种：

1. 对光纤加以改善，增强光纤对入射激光的接收能力。
2. 对激光器加以改善，例如激光器的输出光的特性。
3. 通过各种透镜的作用，实现高效率耦合。
4. 以上方法组合使用。

因为光纤的材料为纯度较高的石英，为了简化耦合并且要使得耦合的效率比较高，于是人们就对光纤进行改善，将其入射端面制成能够对光束整形的结构，从而形成高效率的耦合，这就是第一种方法；第二种方法是改善激光器，因为它的输出光的特性和自身的结构息息相关，那么，只要改变激光器的结构就能达到改变光束的作用，这也就是将模场转换器直接和芯片结合；第三种方法是利用透镜的聚光作用实现高效率耦合。

根据实际应用，选取以上的方法进行使用，也可以进行多种方法组合使用，尽可能的是耦合效率越来越高。

论文主要研究内容

本论文主要研究对象是Nd:YAG晶体，它的光学特性以及在不同激光器中的输出光特性，包括各个环节的耦合效率，主要是研究泵浦光与激光晶体之间的耦合效率等。通过对上述特性的分析，将最开始的实验装置进行优化，得到最大的光泵耦合效率和光光转换效率。

第一章是绪论部分，主要介绍课题的目的及其意义、光泵源耦合进展。

第二章是理论分析部分，首先对Nd:YAG晶体光学特性进行分析，着重对晶体的吸收光谱进行阐述；之后对灯泵Nd:YAG激光器进行介绍，从氙灯的结构到其光学特性以及最后的聚光腔；随后对端面泵浦Nd:YAG激光器也进行了对比介绍；紧接着是最重要的耦合效率分析，包括泵浦源辐射效率、泵浦光与晶体耦合效率、晶体有效吸收效率、受激吸收与受激辐射量子效率以及最后的受激辐射与输出光之间的效率；最后对光光转换效率进行了理论分析。

第三章是实验部分，首先对侧面泵浦光泵耦合进行了实验，并进行了实验数据分析以及对聚光腔的改进；然后对侧面泵浦光泵耦合进行实验，也进行了实验数据分析以及对端面泵浦方式进行了改进。

第四章是论文总结部分，对整个文章进行整体性的分析，对论文的结论进行整理，在根据现阶段的研究内容，进行下一阶段的展望。

光泵激光器能量转换分析

Nd:YAG激光晶体

Nd:YAG（掺钇铝石榴石）晶体因为其机械性、热特性好以及高增益等优点，使其在科研、工业、军事以及医学应用中得到广泛应用。由于在掺钇铝石榴石中，三价钇被三价钕替代，不需要电荷的补偿，在其承受的各个温度，结构都很稳定。

Nd:YAG晶体中由于YAG很硬、热导率比较高以及光学质量非常好，而纯Y₃Al₅O₁₂是一种光学各向同性、无色的晶体，具有一般的立体结构，而这种石榴石结构对荧光谱较为窄的比较有利，于是可以得到阈值比较低并且增益比较高的激光作用。在Nd:YAG中，一般用大约1%的Nd³ 代替了之前的Y³ ，且这两种离子的半径差大约是30%，所以，大量掺入钕时，超过了钕的溶解度或者破坏了YAG晶体时，晶体就会发生改变。

Nd³ ：YAG晶体拥有的是四能级结构，如下图2.1所示，由此可分析其吸收特性：

图 2.1 Nd:YAG晶体四能级图

工作过程大致如下：基态粒子由于泵浦源的激励泵浦跃迁至高能级4，然后高能级粒子辐射到上能级3，此时上能级3的粒子远远大于大于下能级2的粒子数，形成粒子数反转，于是当上能级3的粒子跃迁至下能级2时，每个粒子都会释放出一个光子，而下能级2的粒子也会驰豫到基态，因为高能级4的粒子基本都跃迁至上能级3，并且由于下能级2的粒子驰豫速速较快，所以高能级4和下能级2的粒子数都可以忽略不计^[4]。于是，四能级方程则可以作如下简化：

（2.1）

（2.2）

式中，N为光子总数，为反转粒子数，是Nd:YAG激光器的受激发射截面，约为， 是上能级向下能级跃迁的概率，约为，是单位时间单位体积内从基态转移到高能级的粒子数，其数值与泵浦能量有关，是光子寿命，大小为。

Nd：YAG吸收光谱

由于对钇铝石榴石的掺杂程度也会影响到激光晶体的吸收光谱，于是，我们选择了四个不同掺杂浓度的激光晶体，测出其吸收光谱以及其吸收系数，图如下图2.2所示，吸收系数列在表2.1。

图2.2掺钇铝石榴石吸收光谱

由上图可知，激光晶体的主要吸收峰值大约位于808nm，而其吸收线宽也大约为6nm，由表2.2我们也不难看出，由于掺杂浓度上升，吸收线宽尽管没什么变化，但是吸收系数却是越来越大。

表2.2 激光晶体不同掺杂浓度的吸收系数与荧光寿命

其中吸收系数是在808nm处的，为荧光寿命。从表中还不难看出，随着Nd粒子掺杂浓度的增加，Nd:YAG晶体的荧光寿命变短，这是因为随着浓度的增加，Nd离子间的相互作用加强，而这种作用也存在着各种方式，而对浓度有着主要减小作用的是 和 跃迁之间的近场电偶极能量共振转移和交叉弛豫，根据Danielle的理论^[5]。激光晶体共有8对会产生交叉弛豫现象的能级存在，所以很容易就能够能形成交叉弛豫，也很容易消耗掉激活粒子，于是就产生浓度的减小。此时，荧光寿命又和浓度的平方成反比，又因为能量共振转移也大量消耗着激活粒子，所以随着Nd浓度的增加，在808nm附近的能量越来越大，光谱上能量增大的越来越明显，所消耗的粒子越来越多，荧光寿命不断下降。

灯泵Nd:YAG激光器

激光器的三个核心组成部分是激励源、工作物质和光学谐振腔，如下图2.3所示。其中，激励源的作用是使得工作物质的粒子数反转，即上能级离子数多于下能级，从而产生受激辐射；工作物质一般是激光玻璃或者激光晶体，产生受激辐射，是激光器的核心；而光学谐振腔使得受激辐射反复振荡，获得更高的增益，从而得到更高强度的激光。

Nd:YAG激光器属于一种固体激光器，而固体激光器的激励源一般来说是光源，所以将其称之为光泵，一般来说，都是采用发光强度非常高的气体放电的灯作为光泵光源，而Nd:YAG激光器采用的就是高功率的氙闪光灯；其工作物质一般是由钇铝石榴石单晶体中加入适量的三价稀土离子Nd³ (钕离子)所形成的，在所有激光工作物质中，属于较好的一种，在钇铝石榴石晶体成长的过程中加入氧化钕，但是在有钇离子Y³ 的地方，将一部分Nd³ 离子代替钇离子Y³ ，就会产生颜色为淡紫色的Nd:YAG晶体，一般参杂约为1%；光学谐振腔则采用的是全外腔的形式，由两块镜片构成，输出镜是平面镜，而全反射镜则由两种情况，一种是平面镜，另一种是凹面镜。

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