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不同情况下Cr4 ：YAG被动调Q Nd：YAG激光器输出特性的研究
摘要
在本文中，对Cr4 ：YAG无源Q开关Nd：YAG激光器进行了实验研究。目的在于获得调Q输出单脉冲能量的最大值。为了达到这个目的，使用了不同的输出谐振腔和一些具有不同初始透射值的Cr4 ：YAG晶体。我们将输出光束的单脉冲能量增加到180 mJ以上，并对这种被动调Q Nd：YAG激光器采用简单的理论模型(速率方程)进行分析。将实验结果与理论速率方程的数值分析进行比较。根据这项研究的结果可以得出结论，谐振腔和Cr4 ：YAG晶体的初始透射值对于获得高品质调Q激光器的输出能量起着重要的作用。
1 简介
激光器的调Q操作是获得具有高峰值功率的短脉冲的一种方式。调Q激光器广泛应用于科学，医疗，军事和工业应用等领域。根据在Q开关激光器中使用的调Q器件的类型，它们可以被分类为主动调Q激光器和被动调Q激光器。
主动调Q器件在安装，对准和操作上非常复杂，而且相对昂贵。相比于无源调Q器件，主动调Q器件具有以下优点：重量轻，对准简单，无需外部电源和偏光光学元件的操作。另一方面，被动调Q器件也具有一些问题，例如它们在激光器的单脉冲能量范围内的限制以及低损伤阈值的表现。
在过去几年中，已经使用各种可饱和吸收器对不同的激光器进行了大量研究。 在本设计中，研究集中在使用基于Cr 4 ：YAG的饱和吸收体的被动调QNd：YAG激光器。虽然各种商业有机激光染料已被用于Nd：YAG激光器的被动调Q器件，但它们通常由于光降解而具有长期稳定性问题。今天，用于Nd：YAG激光器的被动调Q器件中最常用的材料是Cr4 ：YAG或其他相关晶体。Cr4 离子提供激光波长的高吸收截面，而YAG晶体为长期使用所需的化学，热学和机械性能提供了理想的基质。此外，该材料在光学上众所周知，能够提供优异的光学质量且有效节约成本进行批量生产。另外，该材料允许提取激光脉冲和制造高质量的电光器件，还提供比现有的激光染料更稳定的抗退化操作。在过去二十年中，四价铬掺杂的YAG晶体(Cr4 ：YAG)引起了相当多的关注，因为它既可以用作1.35-1.55um范围的可调激光器，也可以被用作Nd ：YAG激光器的被动调Q器件。该材料不仅具有大约1um的宽吸收带，而且具有us数量级上的激发态寿命。需要特别指出的是，Cr4 ：YAG具有tau;=3.8 plusmn; 0.2us左右的寿命。Nd：YAG激光器的调Q由于Nd：YAG的1064nm发射带与Cr4 吸收带之间的良好重叠以及相对较低的饱和能量密度而较易发生。
Cr4 ：YAG作为被动调Q器件的优点是激发了将该晶体作为脉冲Nd：YAG激光器的被动调Q器件性能的定量研究。最近吴和张报道了使用Cr4 ：YAG作为无源Q开关的调Q Nd：YAG激光器的性能。 它们使用凸ARR(反谐振环)不稳定谐振器，并获得85.6mJ的单脉冲能量和38ns的脉冲宽度。
在本文中，我们研究了使用Cr4 ：YAG可饱和吸收体的调Q Nd：YAG激光器。 我们尝试解释输出镜反射率和Cr4 ：YAG被动Q器件对激光输出光束单脉冲能量的初始透射率的影响。为了实现研究目的，我们改变了输出镜的反射率和Cr4 ：YAG被动Q开关的初始透射率。通过使用这些变化，我们可以将输出光束的单脉冲能量增加到180 mJ以上。论文排版如下：在第2节介绍了实验设计和实验方法，以获得Cr4 ：YAG被动调Q Nd：YAG激光器的输出脉冲能量。 在第3节中，简要描述了被动调Q器件的结构和操作。在第4节中，简要介绍了研究被动调Q器件的理论方法。在第5节中，列出了实验和理论结果，并进行了比较。此外，分析了获得的结果。最后，在第6节中，提出了结论。
2 Cr4 ：YAG调Q Nd：YAG激光器的输出脉冲能量
2.1 实验装置
在本工作中，我们使用Cr4 掺杂的石榴石，其通过标准的切克劳斯基(Czochralski)技术沿着 lt;111gt;晶轴进行YAG生长。该饱和水晶用AR涂层抛光。激光腔是与线性Xe灯(6毫米内径和76.2毫米长度)紧密耦合的。 我们对Cr4 ：YAG被动Q开关Nd：YAG激光器的实验设置如图1所示。放电电路为闪光灯提供150 us电脉冲。通过快速PIN光电二极管测量激光输出脉冲时间曲线，上升时间为约为1ns，并由Tektronix数字存储示波器型号MSO4054(500 MHz带宽)记录。 活性元素Nd：YAG激光棒(直径7mm，长80mm)具有AR涂层，其轴取向为 lt;111gt;。
在这项工作中，有三个反射率分别为60％，70％和80％的输出反射镜(M2)。 实验中使用的谐振腔稳定，其模式结构是TM00的基本模式。 输出能量由热电探头(型号ED200LA UV)和驱动器型号DUO gentec测量。
2.2 试验方法
根据研究，两个因素对于获得强大的Q开关激光脉冲起重要作用。 第一个因素是Q开关(T0)的初始透射，其次是镜面反射率(ri,i = 1,2)。例如，产生非常短的Q开关激光脉冲的手段包括用空腔两端的全反镜调节激光。假设其中一个反射镜是高反射的(r1 asymp;1)，另一个具有反射率r2。在实验中，共有三块反射率分别为r2 = 60％，70％和80％的输出反射镜，以及七块透射率T0 = 7.5％，25％，30％，50％，70％，80％和90％的Q开关被使用。需要注意的是使用的七个Q开关是一样的，所使用的Q开关之间的唯一区别是晶体的厚度(见表2)。
图1 用于测量输出脉冲能量和脉冲形状的实验设置。M1终端全反镜，M2是输出镜。QS是Cr4 ：YAG晶体，EM是能量计
考虑到T0和r2的取值，共有21种情况需要研究。无论如何，通过选择T0和r2，我们可以测量激光输出能量。当前的工作目标是提高增加Q开关Nd：YAG激光器的输出能量。所得数据将在第5节中说明和讨论。
3 被动调Q
调Q是获得激光辐射的短而强大的脉冲的一种方式。Q值是激光谐振器的品质因数。一个高Q值谐振腔是一个具有低损耗的腔体，而一个有损空腔将具有较低的Q值。在下文中，将表示被动调Q开关的结构和操作。
3.1 被动调Q开关的结构和运行
被动调Q开关由诸如掺杂晶体的光学元件组成，其具有如图2示的透射特性。当掺杂粒子数增加时，材料变得更加透明，并且在高掺杂粒子数水平下，材料会饱和或漂白，导致高透射率。可饱和吸收器中的漂白工艺是基于光谱转变的饱和度。如果在激光谐振器内放置激光波长吸收较高的材料，则会最初防止激光振荡。 随着增益在泵浦脉冲期间增加并超过往返损耗，腔内功率密度急剧增加，导致被动调Q开关饱和。在这种情况下，损耗较低，Q脉冲能量积累。
3.2 可饱和吸收体
最初，饱和吸收剂基于不同的有机染料，溶于有机溶液中或浸渍在乙酸纤维素薄膜中。由于光敏有机染料的降解引起的染料电池Q开关的耐久性差，以及塑料材料的低热限制严重限制了过去被动Q开关的应用。掺杂有吸收离子或含有色心的晶体的出现大大提高了被动调Q开关的耐久性和可靠性。第一个出现的新材料是F2-：LiF色心晶体。今天，用作被动调Q开关的最常见的材料就是Cr4 ：YAG。
图2 七个可饱和吸收体的非理想透射(Tn)与吸收体的饱和能量密度Es的归一化相对系数关系。数字1-7对应于七个Q开关，初始传输为7.5％至90％(见表1)
显示可饱和吸收的材料可以由如图3示的简单能级方案表示。只有1-3级是相当可观的，这是因为在1-3跃迁发生波长的期望吸收。假设3-2转换快，作为适合作为被动调Q开关的材料，必须使接地状态的吸收截面大，同时，上部状态寿命(2级)也足够长以使基态粒子随着激光辐射而耗尽。
当激光束(1064nm)照射在Cr4 ：YAG被动调Q开关上时，它被吸收并从Q开关透射出去。由Q开关吸收的激光束将耗尽基态粒子。发射的激光束占从Q开关输出的能量比被称为初始透射率T0。当吸收体被放置到激光腔中时，吸收体对于激光辐射将不透明，直到光子通量足够大以使基态粒子水平下降。如果上能态充分被粒子注入，则吸收体对激光辐射变得透明，这种情况类似于泵送到零反转水平的三级激光材料。
图3具有激发态吸收的可饱和吸收器的能级
(sigma;gs和sigma;es分别是基态和激发态吸收截面，s是上部状态寿命)。
从速率方程的解，可以得到一个依赖强度的吸收系数。
其中alpha;0是小信号吸收系数，Es是饱和能量密度。
其中，sigma;gs是1-3能级跃迁的吸收截面。
可饱和吸收器的重要特征是初始透射率T0，饱和度变得明显的能量密度Es和导致完全漂白的吸收器的Tmax的残余吸收。
初始透射率的变化曲线可以被描述为
其中ls是可漂白晶体的厚度，ng是基态密度。为了计算作为注量函数的透射率，必须将光子通量和群体密度视为吸收介质内位置的函数。
类似于在脉冲放大器中发生的情况，必须解决群体密度和光子通量的微分方程。解决方案是Frantz-Nodvik方程，具体形式为
该方程式显示了作为输入能量密度Ei的函数的理想可饱和吸收器的能量透射率Ti。此外，对于Eigt; Es，该方程式化简为Ti = T0，对于Ei lt;Es，Ti = 1。
在实际的可饱和吸收体中，透射率由于受激原子的光子吸收并不能达到100％。被动调Q开关需要一种表现出基态吸收率饱和的材料。然而，大多数材料也表现出对激发态的吸收。这通过从上能态(级别2)到具有对应于激光转换的能级的一些更高级别4的转变在图3中显示出来。当基态粒子耗尽时，吸收发生在能级2和能级4之间。当基态吸收饱和时，激发态吸收会导致谐振器的残余损耗。由于4级的快速弛豫，2-4跃迁不饱和。只要sigma;gsgt;sigma;es，饱和吸收器就可用于Q开关，其中sigma;es是激发态吸收的横截面。
具有激发态吸收的可饱和吸收体可以通过四级速率方程来描述。在这种情况下，最大透射率Tmax由下式给出
对于非理想的吸收体，透射率Tn可以近似为
其中Ti是由等式(4)给出的理想吸收体的透射率T0和Tmax是透射率的下限和上限。
对于给定的可饱和吸收器，需要知道材料的横截面积sigma;gs和sigma;es，基态粒子浓度ng和厚度ls。利用这些已知的数值，可以计算出T0等式(3)，Tmax等式(5)，和Es等式(2)，并绘制由等式(1)确定的透射率与能量密度曲线(6)。
如图2所示，我们绘制了当前工作中使用的七个Q开关的透射率Tn作为Ei = Es的函数说明。数字1-7对应7.5％至90％的七种初始透射率(见表2)。从这个图中我们发现对于较低的初始透射率，较高的能量(Ei)需要Q开关的饱和状态。
4 理论方法
在这部分研究中，将讨论用于Q开关激光器操作的速率方程的使用。我们知道，速率方程是将强度与激光水平种群密度耦合的适当方程。使用四能级模型，速率方程可以写成
在此，sigma;是吸收截面，Iupsilon;是激光的强度，upsilon;是1064nm激光束的频率，N2是上激光能级的粒子数密度，c是光的速度，h是普朗克常数 ，Gamma;21是电平衰减，K2是泵浦速率，gt是阈值增益。为了解决上述等式，使用以下关系式较为简便
其中Nt是阈值粒子数密度。在这项工作中，由于存在可饱和吸收体，阈值增益可以被写为
其中alpha;是散射损耗，L是激光腔的长度，r1和r2是镜反射率，alpha;0是小信号吸收系数。此外，Is是给出的Q开关吸收体的饱和强度，为
其中sigma;u = 6.5*10-23m2是上能级横截面，tau; = 230us是Nd：YAG激光器的上能级寿命。
我们假设巨脉冲的持续时间足够短，这样间隔期间的N2和N2的自发衰减可以忽略不计，并且只会由于强脉冲而引起衰减。这个假设允许我们忽略速率方程右侧的第二和第三项。我们注意到，这个假设的有效性总是可以在等式(7)和(8)中得到验证。lt;
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