準(zhǔn)連續(xù)LD泵浦Yb:KYW脈沖激光的產(chǎn)生機制與倍頻特性深度剖析一、引言1.1研究背景與意義激光技術(shù)自誕生以來，以其高亮度、高方向性、高單色性和高相干性等獨特優(yōu)勢，在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用并推動了相關(guān)領(lǐng)域的飛速發(fā)展。在激光技術(shù)的發(fā)展歷程中，泵浦技術(shù)的革新是推動激光器性能提升的關(guān)鍵因素之一。半導(dǎo)體激光二極管（LD）泵浦技術(shù)的出現(xiàn)，為固體激光器的發(fā)展帶來了革命性的變化。相較于傳統(tǒng)的閃光燈泵浦，LD泵浦具有效率高、壽命長、體積小、光束質(zhì)量好以及波長可與激光增益介質(zhì)的吸收峰匹配等顯著優(yōu)點，使得全固態(tài)激光器在性能和應(yīng)用范圍上都取得了重大突破。準(zhǔn)連續(xù)LD泵浦作為一種重要的泵浦方式，兼具連續(xù)泵浦和脈沖泵浦的部分特點。在準(zhǔn)連續(xù)工作模式下，LD以脈沖序列的形式輸出泵浦光，每個脈沖持續(xù)時間較短，但脈沖重復(fù)頻率較高，平均功率處于一定范圍。這種泵浦方式在保證較高泵浦效率的同時，還能有效降低熱效應(yīng)的影響，因為在脈沖間歇期間，激光介質(zhì)有足夠的時間散熱。熱效應(yīng)是限制固體激光器性能提升的重要因素之一，過高的熱量積累會導(dǎo)致激光介質(zhì)的熱透鏡效應(yīng)、熱應(yīng)力雙折射等問題，從而影響激光的輸出功率、光束質(zhì)量和穩(wěn)定性。準(zhǔn)連續(xù)LD泵浦通過合理控制泵浦脈沖的參數(shù)，如脈沖寬度、重復(fù)頻率和占空比等，可以在一定程度上緩解熱效應(yīng)，為實現(xiàn)高功率、高光束質(zhì)量的激光輸出提供了可能。因此，準(zhǔn)連續(xù)LD泵浦技術(shù)在工業(yè)加工、醫(yī)療、科研等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，受到了國內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注。Yb:KYW（摻鐿鎢酸釔鉀）晶體作為一種新型的激光增益介質(zhì)，在脈沖激光產(chǎn)生領(lǐng)域展現(xiàn)出了獨特的優(yōu)勢和潛力。Yb:KYW晶體具有高的熱導(dǎo)率，這使得它在高功率泵浦條件下能夠有效地散熱，減少熱效應(yīng)的影響，從而保證激光器的穩(wěn)定運行和良好的光束質(zhì)量。其發(fā)射截面較大，有利于實現(xiàn)高效的激光振蕩，提高激光的輸出功率和轉(zhuǎn)換效率。Yb:KYW晶體還具有較寬的發(fā)射帶寬，這一特性使其非常適合用于產(chǎn)生超短脈沖激光。超短脈沖激光在超快科學(xué)、光通信、微加工等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，例如在超快光譜學(xué)中，超短脈沖激光可以用于研究物質(zhì)的瞬態(tài)動力學(xué)過程；在光通信中，超短脈沖激光可以作為高速光信號的載體，提高通信速率和容量；在微加工領(lǐng)域，超短脈沖激光可以實現(xiàn)高精度、低損傷的材料加工。此外，Yb:KYW晶體的能級結(jié)構(gòu)簡單，無激發(fā)態(tài)吸收和上轉(zhuǎn)換等不良效應(yīng)，這使得它的激光性能更加穩(wěn)定和可靠。由于這些優(yōu)良特性，Yb:KYW晶體成為了近年來脈沖激光領(lǐng)域的研究熱點之一，對于它的深入研究和應(yīng)用開發(fā)具有重要的科學(xué)意義和實用價值。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對激光的波長需求也日益多樣化。許多應(yīng)用領(lǐng)域，如生物醫(yī)學(xué)成像、彩色顯示、光存儲等，需要短波長的激光光源。通過倍頻技術(shù)，可以將Yb:KYW脈沖激光的波長轉(zhuǎn)換為更短的波長，從而滿足這些應(yīng)用的需求。倍頻技術(shù)是基于非線性光學(xué)效應(yīng)，利用非線性光學(xué)晶體將基頻光的頻率加倍，產(chǎn)生倍頻光。在這個過程中，倍頻效率和倍頻光的光束質(zhì)量是衡量倍頻效果的關(guān)鍵指標(biāo)。倍頻效率的高低直接影響到倍頻光的輸出功率，而倍頻光的光束質(zhì)量則關(guān)系到其在實際應(yīng)用中的性能表現(xiàn)。因此，研究Yb:KYW脈沖激光的倍頻特性，探索提高倍頻效率和改善倍頻光光束質(zhì)量的方法，對于拓展Yb:KYW脈沖激光的應(yīng)用范圍具有重要的現(xiàn)實意義。同時，深入研究倍頻過程中的物理機制，也有助于進一步完善非線性光學(xué)理論，為激光技術(shù)的發(fā)展提供理論支持。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在準(zhǔn)連續(xù)LD泵浦技術(shù)方面，國外起步較早，取得了一系列具有影響力的成果。美國、德國、日本等國家的科研機構(gòu)和企業(yè)在該領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。美國的一些研究團隊通過優(yōu)化泵浦脈沖的波形和參數(shù)，成功實現(xiàn)了高功率、高光束質(zhì)量的激光輸出，并將其應(yīng)用于先進的材料加工領(lǐng)域，如超精細的微納加工。德國的研究重點則更多地放在了泵浦源的可靠性和穩(wěn)定性提升上，研發(fā)出了長壽命、高穩(wěn)定性的準(zhǔn)連續(xù)LD泵浦源，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的激光切割、焊接等工藝。日本則在小型化和集成化方面取得了顯著進展，開發(fā)出了體積小巧、易于集成的準(zhǔn)連續(xù)LD泵浦模塊，推動了相關(guān)技術(shù)在醫(yī)療、光通信等領(lǐng)域的應(yīng)用。國內(nèi)對準(zhǔn)連續(xù)LD泵浦技術(shù)的研究也在不斷深入，近年來取得了長足的進步。眾多高校和科研院所積極開展相關(guān)研究工作，在泵浦技術(shù)的理論研究和實驗驗證方面都取得了一系列成果。一些研究團隊通過理論建模和數(shù)值模擬，深入分析了泵浦過程中的能量傳輸和熱效應(yīng)機制，為優(yōu)化泵浦參數(shù)提供了理論依據(jù)。在實驗方面，成功研制出了多種類型的準(zhǔn)連續(xù)LD泵浦激光器，在輸出功率、光束質(zhì)量等性能指標(biāo)上不斷提升，部分成果已達到國際先進水平，并在國內(nèi)的工業(yè)、科研等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在Yb:KYW激光晶體研究方面，國際上對其生長技術(shù)、光學(xué)性能和激光特性進行了廣泛而深入的研究。在晶體生長方面，采用了頂部籽晶提拉法（TSSG）等先進技術(shù)，成功生長出高質(zhì)量、大尺寸的Yb:KYW晶體。對其光學(xué)性能的研究表明，Yb:KYW晶體具有高的熱導(dǎo)率、較大的發(fā)射截面和較寬的發(fā)射帶寬等優(yōu)良特性，這些特性為其在脈沖激光領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。在激光特性研究方面，通過實驗和理論分析，探究了Yb:KYW晶體在不同泵浦條件下的激光輸出特性，如激光閾值、斜率效率、輸出功率等，并對其進行了優(yōu)化。國內(nèi)在Yb:KYW激光晶體研究領(lǐng)域也取得了豐碩的成果。在晶體生長技術(shù)上不斷創(chuàng)新，提高了晶體的質(zhì)量和生長效率。對Yb:KYW晶體的光譜特性、激光性能等進行了系統(tǒng)的研究，深入了解了其物理性質(zhì)和工作機制。同時，積極探索Yb:KYW晶體在不同應(yīng)用領(lǐng)域的潛力，推動其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。在脈沖激光倍頻特性研究方面，國外的研究集中在新型非線性光學(xué)晶體的開發(fā)和倍頻技術(shù)的創(chuàng)新上。通過探索新的非線性光學(xué)材料，如一些具有特殊結(jié)構(gòu)和性能的晶體，來提高倍頻效率和改善倍頻光的光束質(zhì)量。在倍頻技術(shù)方面，采用了先進的相位匹配技術(shù)和脈沖整形技術(shù)，實現(xiàn)了高效的倍頻轉(zhuǎn)換和高質(zhì)量的倍頻光輸出。國內(nèi)在脈沖激光倍頻特性研究方面也取得了顯著的成績。在理論研究方面，深入分析了倍頻過程中的非線性光學(xué)效應(yīng)，建立了完善的理論模型，為實驗研究提供了有力的理論支持。在實驗研究中，通過優(yōu)化倍頻晶體的選擇、調(diào)整倍頻參數(shù)等方法，提高了倍頻效率和倍頻光的光束質(zhì)量，并將相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于實際的激光系統(tǒng)中。盡管國內(nèi)外在準(zhǔn)連續(xù)LD泵浦技術(shù)、Yb:KYW激光晶體研究及脈沖激光倍頻特性方面取得了眾多成果，但仍存在一些不足與空白。在準(zhǔn)連續(xù)LD泵浦技術(shù)中，泵浦過程中的熱管理問題尚未得到完全解決，如何進一步降低熱效應(yīng)的影響，提高激光器的穩(wěn)定性和可靠性，仍是需要深入研究的方向。對于Yb:KYW激光晶體，其與泵浦源的耦合效率還有提升空間，晶體的光學(xué)均勻性和缺陷控制也有待進一步優(yōu)化。在脈沖激光倍頻特性研究中，如何在更寬的波長范圍內(nèi)實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的倍頻，以及如何進一步提高倍頻光的光束質(zhì)量，以滿足高精度應(yīng)用的需求，是當(dāng)前研究面臨的挑戰(zhàn)。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究圍繞準(zhǔn)連續(xù)LD泵浦的Yb:KYW脈沖激光產(chǎn)生及倍頻特性展開，具體內(nèi)容如下：Yb:KYW晶體的光學(xué)特性研究：深入研究Yb:KYW晶體的吸收光譜、熒光光譜等光學(xué)特性，精確測定其吸收截面、發(fā)射截面、熒光壽命等關(guān)鍵參數(shù)。通過對這些參數(shù)的分析，深入了解Yb:KYW晶體的能級結(jié)構(gòu)和能量傳遞過程，為后續(xù)的激光產(chǎn)生及倍頻研究提供堅實的理論基礎(chǔ)。例如，準(zhǔn)確的吸收截面數(shù)據(jù)有助于優(yōu)化泵浦光與晶體的耦合效率，提高泵浦能量的利用率；而發(fā)射截面和熒光壽命則對激光的振蕩和輸出特性有著重要影響。準(zhǔn)連續(xù)LD泵浦下Yb:KYW脈沖激光產(chǎn)生特性研究：搭建準(zhǔn)連續(xù)LD泵浦Yb:KYW脈沖激光實驗裝置，系統(tǒng)研究不同泵浦參數(shù)（如脈沖寬度、重復(fù)頻率、泵浦功率等）對Yb:KYW脈沖激光輸出特性的影響。通過實驗測量，獲取激光閾值、斜率效率、輸出功率、脈沖寬度、光束質(zhì)量等關(guān)鍵性能指標(biāo)，并分析這些指標(biāo)與泵浦參數(shù)之間的關(guān)系。例如，研究泵浦功率與輸出功率之間的關(guān)系，探索如何通過優(yōu)化泵浦功率來提高激光的輸出功率；分析脈沖寬度和重復(fù)頻率對激光脈沖特性的影響，為實現(xiàn)特定脈沖參數(shù)的激光輸出提供實驗依據(jù)。Yb:KYW脈沖激光倍頻特性研究：選取合適的非線性光學(xué)晶體，構(gòu)建Yb:KYW脈沖激光倍頻實驗系統(tǒng)，研究倍頻過程中倍頻效率和倍頻光光束質(zhì)量的影響因素。這些因素包括基頻光的脈沖特性（如脈沖寬度、峰值功率等）、倍頻晶體的相位匹配條件、晶體溫度、走離效應(yīng)等。通過實驗和理論分析，深入探討如何優(yōu)化這些因素，以提高倍頻效率和改善倍頻光的光束質(zhì)量。例如，通過精確控制倍頻晶體的溫度和角度，實現(xiàn)相位匹配，從而提高倍頻效率；研究走離效應(yīng)對倍頻光光束質(zhì)量的影響，采取相應(yīng)的措施來減小走離效應(yīng)，提高倍頻光的光束質(zhì)量。理論模型建立與數(shù)值模擬：建立準(zhǔn)連續(xù)LD泵浦Yb:KYW脈沖激光產(chǎn)生及倍頻過程的理論模型，運用數(shù)值模擬方法對激光產(chǎn)生和倍頻過程進行模擬和分析。在理論模型中，考慮泵浦光與激光介質(zhì)的相互作用、激光的振蕩和放大過程、倍頻過程中的非線性光學(xué)效應(yīng)等因素。通過數(shù)值模擬，深入了解激光產(chǎn)生和倍頻過程中的物理機制，預(yù)測不同參數(shù)條件下的激光輸出特性和倍頻效果，為實驗研究提供理論指導(dǎo)。例如，通過數(shù)值模擬可以快速分析不同泵浦參數(shù)和晶體參數(shù)對激光輸出的影響，提前優(yōu)化實驗方案，減少實驗次數(shù)和成本。1.3.2研究方法本研究采用理論分析、實驗研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，全面深入地探究準(zhǔn)連續(xù)LD泵浦的Yb:KYW脈沖激光產(chǎn)生及倍頻特性：理論分析方法：基于激光物理、非線性光學(xué)等相關(guān)理論，對準(zhǔn)連續(xù)LD泵浦Yb:KYW脈沖激光產(chǎn)生及倍頻過程進行理論推導(dǎo)和分析。建立相關(guān)的物理模型和數(shù)學(xué)方程，深入研究激光產(chǎn)生和倍頻過程中的能量轉(zhuǎn)換、光場傳播、相位匹配等物理機制。通過理論分析，揭示各參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，為實驗研究和數(shù)值模擬提供理論依據(jù)。例如，利用速率方程理論分析激光的振蕩和放大過程，推導(dǎo)激光閾值和斜率效率的表達式；運用非線性光學(xué)理論研究倍頻過程中的相位匹配條件和倍頻效率公式。實驗研究方法：搭建準(zhǔn)連續(xù)LD泵浦Yb:KYW脈沖激光產(chǎn)生及倍頻實驗平臺，進行相關(guān)實驗研究。實驗過程中，精確控制和測量各種實驗參數(shù)，如泵浦光參數(shù)、激光晶體參數(shù)、倍頻晶體參數(shù)等。通過實驗測量，獲取激光輸出特性和倍頻特性的實驗數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進行分析和處理。根據(jù)實驗結(jié)果，驗證理論分析的正確性，優(yōu)化實驗方案，探索提高激光性能和倍頻效果的方法。例如，通過改變泵浦光的脈沖寬度和重復(fù)頻率，測量激光的輸出功率和脈沖寬度，分析泵浦參數(shù)對激光輸出特性的影響；調(diào)整倍頻晶體的角度和溫度，測量倍頻光的輸出功率和光束質(zhì)量，研究倍頻特性與倍頻晶體參數(shù)之間的關(guān)系。數(shù)值模擬方法：運用專業(yè)的數(shù)值計算軟件，如MATLAB、COMSOL等，對準(zhǔn)連續(xù)LD泵浦Yb:KYW脈沖激光產(chǎn)生及倍頻過程進行數(shù)值模擬。根據(jù)建立的理論模型，編寫相應(yīng)的數(shù)值計算程序，對激光產(chǎn)生和倍頻過程進行數(shù)值求解和模擬分析。通過數(shù)值模擬，可以直觀地展示激光產(chǎn)生和倍頻過程中的物理現(xiàn)象，分析各種因素對激光性能和倍頻效果的影響。數(shù)值模擬還可以對實驗難以實現(xiàn)的參數(shù)條件進行預(yù)測和分析，為實驗研究提供參考和指導(dǎo)。例如，利用數(shù)值模擬研究不同泵浦光分布和晶體摻雜濃度對激光增益分布的影響，優(yōu)化激光晶體的設(shè)計；模擬倍頻過程中光場的傳播和能量轉(zhuǎn)換，分析倍頻效率和倍頻光光束質(zhì)量的變化規(guī)律。二、準(zhǔn)連續(xù)LD泵浦及Yb:KYW晶體特性基礎(chǔ)2.1準(zhǔn)連續(xù)LD泵浦原理2.1.1LD泵浦基本原理半導(dǎo)體激光器（LD）泵浦是現(xiàn)代激光技術(shù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其工作原理建立在光與物質(zhì)相互作用的量子理論基礎(chǔ)之上。在這一理論框架下，光與物質(zhì)的相互作用主要通過吸收、自發(fā)輻射和受激輻射這三個基本過程來實現(xiàn)。當(dāng)光照射到物質(zhì)上時，處于低能級E_1的粒子（如原子、分子或離子）會吸收一個能量恰好等于兩個能級差\DeltaE=E_2-E_1的光子，從而躍遷到較高的能級E_2，這個過程即為受激吸收。用公式表示光子能量與頻率\nu的關(guān)系為E_{photon}=h\nu，其中h是普朗克常數(shù)，因此受激吸收的條件是h\nu=E_2-E_1。在普通光照射下，受激吸收是較為常見的相互作用之一，它會導(dǎo)致光線穿過物質(zhì)時被吸收而減弱，吸收速率與低能級粒子數(shù)N_1、高能級粒子數(shù)N_2以及入射光能量密度\rho(\nu)有關(guān)，愛因斯坦提出的受激吸收速率方程為R_{abs}=B_{12}N_1\rho(\nu)，其中B_{12}是愛因斯坦吸收系數(shù)。處于激發(fā)態(tài)E_2的粒子是不穩(wěn)定的，即便沒有外界光子的影響，它也會自發(fā)地躍遷回較低能級E_1，同時釋放一個能量為h\nu=E_2-E_1的光子，這一過程被稱為自發(fā)輻射。自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子具有隨機的發(fā)射方向、相位和偏振狀態(tài)，日常生活中見到的大多數(shù)光源，如白熾燈、熒光燈，其發(fā)光主要基于自發(fā)輻射。自發(fā)輻射的速率只取決于高能級E_2上的粒子數(shù)N_2和能級本身的性質(zhì)（由愛因斯坦A系數(shù)A_{21}描述），其速率方程為R_{sp}=A_{21}N_2，A_{21}描述了激發(fā)態(tài)粒子自發(fā)衰變的概率，其倒數(shù)\tau_{sp}=1/A_{21}定義了激發(fā)態(tài)的自發(fā)輻射壽命。受激輻射是激光產(chǎn)生的核心物理過程。當(dāng)一個處于激發(fā)態(tài)E_2的粒子受到一個能量恰好等于能級差h\nu=E_2-E_1的外來光子（觸發(fā)光子）的誘導(dǎo)時，它會躍遷回低能級E_1，并同時輻射出一個與觸發(fā)光子完全相同的新光子。這個新產(chǎn)生的光子與觸發(fā)光子在頻率、相位、傳播方向和偏振狀態(tài)上完全一致，這意味著一個光子變成了兩個完全一樣的光子，實現(xiàn)了光的放大。受激輻射的速率不僅取決于高能級粒子數(shù)N_2，還取決于入射光場的能量密度\rho(\nu)，其速率方程為R_{st}=B_{21}N_2\rho(\nu)，其中B_{21}是愛因斯坦受激輻射系數(shù)。在熱平衡條件下，吸收系數(shù)B_{12}和受激輻射系數(shù)B_{21}之間存在關(guān)系g_1B_{12}=g_2B_{21}（考慮能級簡并度g_1,g_2），通常假設(shè)簡并度相等或包含在系數(shù)內(nèi)，則B_{12}\approxB_{21}=B。在正常的熱平衡狀態(tài)下，根據(jù)玻爾茲曼分布定律，能量較低的能級上的粒子數(shù)總是多于能量較高的能級上的粒子數(shù)，即N_2/N_1=exp(-(E_2-E_1)/(k_BT))，其中k_B是玻爾茲曼常數(shù)，T是絕對溫度。由于E_2>E_1，指數(shù)項為負，所以N_2總是小于N_1。在這種情況下，當(dāng)光通過物質(zhì)時，受激吸收過程（R_{abs}=BN_1\rho(\nu)）的速率會大于受激輻射過程（R_{st}=BN_2\rho(\nu)）的速率，凈效應(yīng)是光被吸收而不是被放大。為了實現(xiàn)光的放大，即讓受激輻射占主導(dǎo)，就必須打破熱平衡狀態(tài)，創(chuàng)造粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的條件。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是指在某個（或某些）能級對之間，處于較高能級E_2的粒子數(shù)量N_2大于處于較低能級E_1的粒子數(shù)量N_1，即N_2>N_1。只有在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，當(dāng)頻率為\nu=(E_2-E_1)/h的光子通過介質(zhì)時，誘發(fā)受激輻射產(chǎn)生的“復(fù)制”光子數(shù)量才會多于被受激吸收消耗的光子數(shù)量，從而實現(xiàn)光信號的凈增益。這個實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的增益介質(zhì)被稱為激活介質(zhì)或增益介質(zhì)，它是產(chǎn)生激光的關(guān)鍵要素之一。在LD泵浦固體激光器中，半導(dǎo)體激光器發(fā)出的泵浦光作為外界激勵源，將激光增益介質(zhì)（如Yb:KYW晶體）中的粒子從低能級抽運到高能級，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。當(dāng)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)達到一定程度，滿足激光振蕩的閾值條件時，在光學(xué)諧振腔的作用下，受激輻射過程得以持續(xù)進行，產(chǎn)生穩(wěn)定的激光輸出。光學(xué)諧振腔通常由兩個反射鏡組成，一個全反射鏡和一個部分反射鏡，它的作用一方面是使光子在其中來回反射，不斷誘導(dǎo)新的光子生成，實現(xiàn)光的放大；另一方面是選擇特定頻率和方向的光進行振蕩，從而提高激光的單色性和方向性。通過調(diào)整諧振腔的長度、反射鏡的反射率等參數(shù)，可以優(yōu)化激光器的輸出性能。2.1.2準(zhǔn)連續(xù)LD泵浦工作特性準(zhǔn)連續(xù)LD泵浦是一種重要的泵浦方式，它在工作特性上具有獨特之處，與連續(xù)泵浦存在明顯區(qū)別。在準(zhǔn)連續(xù)LD泵浦中，泵浦電流、脈沖寬度、重復(fù)頻率等參數(shù)對泵浦效果有著顯著的影響。泵浦電流直接決定了LD輸出的泵浦光功率，隨著泵浦電流的增加，泵浦光功率也隨之增大。然而，泵浦電流并非可以無限制地增大，因為過高的泵浦電流會導(dǎo)致LD結(jié)溫升高，從而影響其性能和壽命。當(dāng)LD結(jié)溫升高時，其輸出波長會發(fā)生漂移，與激光增益介質(zhì)的吸收峰匹配度下降，導(dǎo)致泵浦效率降低；結(jié)溫過高還可能使LD的可靠性下降，甚至損壞。因此，在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)LD的散熱條件和增益介質(zhì)的吸收特性，合理選擇泵浦電流，以在保證泵浦效率的同時，確保LD的穩(wěn)定工作。脈沖寬度是準(zhǔn)連續(xù)LD泵浦的另一個關(guān)鍵參數(shù)。脈沖寬度的長短決定了在每個泵浦脈沖期間，激光增益介質(zhì)吸收能量的多少。較短的脈沖寬度意味著在單位時間內(nèi)，增益介質(zhì)吸收的能量相對較少，但可以減少熱效應(yīng)的積累。因為在脈沖間歇期間，增益介質(zhì)有更多的時間散熱，從而降低了熱透鏡效應(yīng)、熱應(yīng)力雙折射等熱相關(guān)問題對激光器性能的影響。然而，過短的脈沖寬度可能導(dǎo)致無法有效地實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而提高激光閾值，降低激光輸出功率。相反，較長的脈沖寬度可以使增益介質(zhì)吸收更多的能量，有利于提高激光輸出功率，但同時也會增加熱效應(yīng)的影響。因此，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求和增益介質(zhì)的熱特性，優(yōu)化脈沖寬度，以平衡熱效應(yīng)和激光輸出功率之間的關(guān)系。重復(fù)頻率也是影響準(zhǔn)連續(xù)LD泵浦效果的重要因素。較高的重復(fù)頻率可以增加單位時間內(nèi)的泵浦次數(shù)，從而提高平均泵浦功率。在一定范圍內(nèi)，隨著重復(fù)頻率的增加，激光輸出功率也會相應(yīng)提高。但是，當(dāng)重復(fù)頻率過高時，由于脈沖間歇時間縮短，增益介質(zhì)來不及充分散熱，熱效應(yīng)會逐漸加劇，導(dǎo)致激光輸出功率飽和甚至下降。重復(fù)頻率還會影響激光的脈沖特性，例如脈沖寬度和峰值功率。較高的重復(fù)頻率可能會使脈沖寬度展寬，峰值功率降低，這對于一些對脈沖特性要求較高的應(yīng)用，如激光加工、激光測距等，是需要考慮的因素。因此，在選擇重復(fù)頻率時，需要綜合考慮泵浦功率、熱效應(yīng)以及激光脈沖特性等多方面的因素。與連續(xù)泵浦相比，準(zhǔn)連續(xù)LD泵浦在熱管理方面具有一定的優(yōu)勢。在連續(xù)泵浦中，激光增益介質(zhì)持續(xù)吸收泵浦光能量，熱效應(yīng)會不斷積累，導(dǎo)致介質(zhì)溫度升高，進而影響激光器的性能。而準(zhǔn)連續(xù)LD泵浦通過脈沖式的泵浦方式，在脈沖間歇期間為增益介質(zhì)提供了散熱的時間窗口，使得熱效應(yīng)得到一定程度的緩解。這種熱管理優(yōu)勢使得準(zhǔn)連續(xù)LD泵浦在高功率激光輸出時，能夠更好地維持激光器的穩(wěn)定性和光束質(zhì)量。例如，在一些高功率激光加工應(yīng)用中，連續(xù)泵浦可能會導(dǎo)致加工材料因過熱而產(chǎn)生較大的熱變形和熱損傷，而準(zhǔn)連續(xù)LD泵浦可以通過合理控制脈沖參數(shù)，在保證加工效率的同時，減少熱影響區(qū)的范圍，提高加工質(zhì)量。準(zhǔn)連續(xù)LD泵浦在一些對脈沖特性有要求的應(yīng)用中，如激光測距、激光雷達等，能夠提供特定脈沖寬度和重復(fù)頻率的泵浦光，滿足這些應(yīng)用對激光脈沖的需求。2.2Yb:KYW晶體特性2.2.1Yb:KYW晶體結(jié)構(gòu)與生長方法Yb:KYW晶體，即摻鐿鎢酸釔鉀晶體，其化學(xué)式為Yb:KYW（Yb:KY(WO?)?）。從晶體結(jié)構(gòu)角度來看，Yb:KYW晶體屬于單斜晶系，空間群為C2/c。這種晶體結(jié)構(gòu)賦予了Yb:KYW晶體獨特的物理性質(zhì)。在其晶體結(jié)構(gòu)中，Yb3?離子取代了部分Y3?離子的晶格位置。由于Yb3?離子與Y3?離子的離子半徑相近，這種取代過程相對較為容易實現(xiàn)，且不會引入過多的晶格畸變。Yb3?離子在晶體結(jié)構(gòu)中的分布情況對晶體的光學(xué)性能有著重要影響，例如影響晶體的吸收光譜和熒光光譜特性。在Yb:KYW晶體結(jié)構(gòu)中，WO?2?基團的排列方式也對晶體的性能起著關(guān)鍵作用。WO?2?基團通過共價鍵相互連接，形成了特定的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。這種結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)不僅決定了晶體的穩(wěn)定性，還對晶體的光學(xué)各向異性產(chǎn)生影響。由于WO?2?基團的結(jié)構(gòu)特點，使得Yb:KYW晶體在不同方向上的光學(xué)性質(zhì)存在差異，如折射率、吸收系數(shù)等在不同晶軸方向上會有所不同。這種光學(xué)各向異性在激光應(yīng)用中具有重要意義，例如在設(shè)計激光諧振腔時，需要考慮晶體的光學(xué)各向異性，以優(yōu)化激光的輸出特性。頂部籽晶提拉法（TSSG）是生長Yb:KYW晶體的常用方法之一。在頂部籽晶提拉法中，首先將經(jīng)過精確配比的原料（包括Y?O?、K?CO?、WO?等，以及適量的Yb?O?用于摻雜）放入高溫爐中的坩堝內(nèi)。在高溫下，這些原料逐漸融化形成均勻的熔體。然后，將一顆具有特定取向的籽晶（通常為Yb:KYW單晶籽晶）通過籽晶桿緩慢下降至熔體表面。當(dāng)籽晶與熔體接觸后，熔體中的原子會在籽晶表面開始結(jié)晶生長。通過精確控制籽晶的提拉速度、旋轉(zhuǎn)速度以及熔體的溫度梯度等參數(shù)，可以實現(xiàn)晶體的定向生長。在晶體生長過程中，籽晶的取向?qū)w質(zhì)量有著重要影響。不同的籽晶取向會導(dǎo)致晶體在生長過程中的原子排列方式有所不同，從而影響晶體的光學(xué)均勻性和缺陷分布。例如，選擇合適的籽晶取向可以減少晶體中的位錯和孿晶等缺陷的產(chǎn)生，提高晶體的質(zhì)量。提拉速度也是一個關(guān)鍵參數(shù)。如果提拉速度過快，晶體生長速率過快，可能導(dǎo)致晶體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而形成裂紋等缺陷；而提拉速度過慢，則會降低生長效率，且可能導(dǎo)致晶體中雜質(zhì)含量增加。一般來說，合適的提拉速度范圍在每小時0.1-1毫米之間，具體數(shù)值需要根據(jù)晶體的尺寸和生長條件進行優(yōu)化。旋轉(zhuǎn)速度對晶體質(zhì)量也有影響。籽晶的旋轉(zhuǎn)可以使熔體中的溫度分布更加均勻，促進溶質(zhì)的均勻擴散，從而有利于減少晶體中的成分偏析和缺陷。適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)速度通常在每分鐘10-100轉(zhuǎn)之間。通過精確控制這些參數(shù)，可以生長出高質(zhì)量、大尺寸的Yb:KYW晶體。采用頂部籽晶提拉法生長的Yb:KYW晶體，其尺寸可以達到直徑幾十毫米，長度數(shù)厘米，能夠滿足大多數(shù)激光應(yīng)用的需求。除了頂部籽晶提拉法，還有其他一些生長方法也可用于Yb:KYW晶體的生長。例如，坩堝下降法（Bridgman法）。在坩堝下降法中，將原料裝入坩堝內(nèi)，然后將坩堝緩慢下降通過一個溫度梯度區(qū)域。在這個過程中，熔體從坩堝底部開始結(jié)晶，逐漸向上生長形成晶體。這種方法的優(yōu)點是可以生長出較大尺寸的晶體，且晶體的軸向溫度梯度較小，有利于減少晶體中的熱應(yīng)力。然而，坩堝下降法生長的晶體在徑向的溫度梯度相對較大，可能會導(dǎo)致晶體在徑向的質(zhì)量不均勻性。助熔劑法也是一種生長Yb:KYW晶體的方法。助熔劑法是在原料中加入適量的助熔劑，降低原料的熔點，使晶體在較低溫度下生長。這種方法可以減少晶體生長過程中的高溫對設(shè)備的要求，且有助于控制晶體的生長習(xí)性。但是，助熔劑法生長的晶體可能會殘留少量的助熔劑雜質(zhì)，需要通過后續(xù)的處理工藝來去除。不同的生長方法對Yb:KYW晶體質(zhì)量的影響各有特點，在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的需求和條件選擇合適的生長方法。2.2.2Yb:KYW晶體光學(xué)與熱學(xué)性能Yb:KYW晶體的光學(xué)性能是其在激光領(lǐng)域應(yīng)用的重要基礎(chǔ)，其中吸收光譜和熒光光譜是表征其光學(xué)性能的關(guān)鍵方面。Yb:KYW晶體在近紅外波段具有明顯的吸收峰，主要吸收帶位于900-1000nm之間，這與常見的InGaAs半導(dǎo)體激光二極管（LD）的輸出波長范圍相匹配，使得Yb:KYW晶體能夠有效地吸收LD泵浦光能量，為激光產(chǎn)生提供必要的能量來源。在940nm附近，Yb:KYW晶體具有較強的吸收峰，這是由于Yb3?離子的能級躍遷引起的。Yb3?離子的電子組態(tài)為4f13，在晶體場的作用下，其能級發(fā)生分裂，形成了一系列的能級。當(dāng)吸收泵浦光能量時，Yb3?離子從基態(tài)能級躍遷到激發(fā)態(tài)能級，從而實現(xiàn)對泵浦光的吸收。通過測量吸收光譜，可以精確地確定Yb:KYW晶體在不同波長下的吸收系數(shù)，這對于優(yōu)化泵浦光與晶體的耦合效率具有重要意義。例如，在設(shè)計泵浦系統(tǒng)時，可以根據(jù)吸收系數(shù)的分布情況，選擇合適的泵浦波長和泵浦方式，以提高泵浦光的利用率。Yb:KYW晶體的熒光光譜也具有獨特的特征。在受到泵浦光激發(fā)后，Yb3?離子從激發(fā)態(tài)能級躍遷回基態(tài)能級，同時發(fā)射出熒光。Yb:KYW晶體的熒光發(fā)射主要集中在1020-1040nm波段，其中在1030nm附近有一個較強的熒光峰。熒光光譜的形狀和強度不僅反映了Yb3?離子的能級結(jié)構(gòu)和躍遷特性，還與晶體的質(zhì)量和摻雜濃度等因素有關(guān)。高質(zhì)量的Yb:KYW晶體，其熒光光譜通常具有較窄的半高寬，這意味著熒光發(fā)射的波長范圍相對較窄，有利于實現(xiàn)高單色性的激光輸出。摻雜濃度對熒光光譜也有顯著影響。適當(dāng)增加Yb3?離子的摻雜濃度，可以提高熒光強度，但過高的摻雜濃度可能會導(dǎo)致濃度淬滅效應(yīng)，使熒光效率降低。因此，在制備Yb:KYW晶體時，需要精確控制Yb3?離子的摻雜濃度，以獲得最佳的熒光性能。吸收截面和受激發(fā)射截面是描述Yb:KYW晶體光學(xué)性能的重要參數(shù)，它們對激光的產(chǎn)生和放大過程有著直接的影響。吸收截面表征了晶體對泵浦光的吸收能力，受激發(fā)射截面則反映了晶體在受激輻射過程中發(fā)射光子的能力。通過光譜測量和理論計算，可以確定Yb:KYW晶體在不同波長下的吸收截面和受激發(fā)射截面。在940nm泵浦波長處，Yb:KYW晶體的吸收截面較大，這使得晶體能夠高效地吸收泵浦光能量，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。較大的吸收截面意味著在相同的泵浦光強度下，更多的Yb3?離子能夠被激發(fā)到高能級，從而提高了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的效率。在1030nm發(fā)射波長處，Yb:KYW晶體具有較大的受激發(fā)射截面。這一特性使得在激光振蕩過程中，處于激發(fā)態(tài)的Yb3?離子能夠更容易地通過受激輻射躍遷回基態(tài)，發(fā)射出大量的光子，實現(xiàn)光的放大。較大的受激發(fā)射截面有利于降低激光閾值，提高激光的斜率效率和輸出功率。例如，在設(shè)計激光諧振腔時，選擇具有較大受激發(fā)射截面的Yb:KYW晶體作為增益介質(zhì)，可以在較低的泵浦功率下實現(xiàn)激光振蕩，并且在相同的泵浦功率增加量下，能夠獲得更大的輸出功率提升。熱學(xué)性能是影響Yb:KYW晶體在高功率激光應(yīng)用中性能的關(guān)鍵因素，其中熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)是兩個重要的熱學(xué)參數(shù)。Yb:KYW晶體具有相對較高的熱導(dǎo)率，在室溫下，其熱導(dǎo)率約為3-4W/(m?K)。較高的熱導(dǎo)率使得Yb:KYW晶體在吸收泵浦光能量產(chǎn)生熱量時，能夠有效地將熱量傳導(dǎo)出去，降低晶體內(nèi)部的溫度梯度。這對于減少熱效應(yīng)（如熱透鏡效應(yīng)、熱應(yīng)力雙折射等）對激光性能的影響至關(guān)重要。在高功率泵浦條件下，晶體吸收的泵浦光能量會轉(zhuǎn)化為熱能，如果不能及時有效地散熱，晶體內(nèi)部的溫度會迅速升高。溫度升高會導(dǎo)致晶體的折射率發(fā)生變化，產(chǎn)生熱透鏡效應(yīng)，使激光光束的聚焦特性發(fā)生改變，從而影響激光的光束質(zhì)量和輸出功率穩(wěn)定性。而較高的熱導(dǎo)率可以使熱量快速擴散，減小溫度梯度，降低熱透鏡效應(yīng)的影響。例如，在高功率激光加工應(yīng)用中，使用熱導(dǎo)率較高的Yb:KYW晶體作為增益介質(zhì)，可以保證在長時間高功率泵浦下，激光的光束質(zhì)量和加工精度不受明顯影響。Yb:KYW晶體的熱膨脹系數(shù)也是一個需要關(guān)注的參數(shù)。其熱膨脹系數(shù)在不同晶軸方向上存在一定的差異，一般來說，熱膨脹系數(shù)在10??-10??/K量級。熱膨脹系數(shù)的差異會導(dǎo)致晶體在溫度變化時產(chǎn)生熱應(yīng)力。當(dāng)晶體吸收泵浦光能量溫度升高時，由于不同方向上的熱膨脹程度不同，會在晶體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。如果熱應(yīng)力過大，可能會導(dǎo)致晶體出現(xiàn)裂紋等缺陷，從而損壞晶體。在設(shè)計和應(yīng)用Yb:KYW晶體時，需要考慮熱膨脹系數(shù)的影響，采取相應(yīng)的措施來減小熱應(yīng)力。例如，可以通過優(yōu)化晶體的安裝方式，使其在溫度變化時能夠自由膨脹和收縮，減少熱應(yīng)力的積累。也可以選擇與Yb:KYW晶體熱膨脹系數(shù)相匹配的材料作為晶體的支撐結(jié)構(gòu)，進一步降低熱應(yīng)力對晶體的影響。三、準(zhǔn)連續(xù)LD泵浦Yb:KYW脈沖激光產(chǎn)生特性研究3.1脈沖激光產(chǎn)生理論基礎(chǔ)3.1.1激光諧振腔理論激光諧振腔是激光器的重要組成部分，對激光的產(chǎn)生和輸出特性起著關(guān)鍵作用。其基本結(jié)構(gòu)通常由兩個或多個反射鏡組成，將激光增益介質(zhì)置于其中。這兩個反射鏡，一個為全反射鏡，其反射率接近100%，能夠?qū)⒐饩€幾乎全部反射回腔內(nèi)；另一個是部分反射鏡，也稱為輸出耦合鏡，它允許部分激光透過，從而輸出到腔外，而其余部分則被反射回腔內(nèi)繼續(xù)參與振蕩。激光諧振腔的工作原理基于光的干涉和反饋機制。當(dāng)激光增益介質(zhì)在泵浦源的作用下實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)后，處于激發(fā)態(tài)的粒子會發(fā)生自發(fā)輻射，產(chǎn)生的光子在腔內(nèi)傳播。這些光子在反射鏡之間來回反射，每次通過增益介質(zhì)時，都會誘發(fā)更多的受激輻射，使得光子數(shù)量不斷增加，光強得到放大。在這個過程中，只有滿足特定條件的光子才能形成穩(wěn)定的振蕩，這些條件主要包括相位匹配和頻率選擇。相位匹配是指在腔內(nèi)往返傳播的光子在每次反射后，其相位變化必須滿足一定的關(guān)系，使得它們能夠相互干涉加強。具體來說，光在腔內(nèi)往返一次的光程差必須是波長的整數(shù)倍，即m\lambda=2L，其中m為整數(shù)，\lambda為光的波長，L為諧振腔的長度。滿足這個條件的光在腔內(nèi)形成駐波，能夠持續(xù)穩(wěn)定地振蕩。如果相位不匹配，光子在多次反射后會相互抵消，無法形成有效的激光振蕩。頻率選擇則是由諧振腔的結(jié)構(gòu)和反射鏡的特性決定的。不同頻率的光在腔內(nèi)傳播時，其損耗和增益情況不同。只有那些在腔內(nèi)損耗較小且能夠獲得足夠增益的頻率成分，才能在振蕩過程中得到增強并最終輸出。諧振腔的這種頻率選擇特性，使得輸出的激光具有較高的單色性。例如，對于一個給定的諧振腔，其本征頻率由腔長和光在腔內(nèi)的傳播速度決定，只有頻率接近這些本征頻率的光才能在腔內(nèi)形成穩(wěn)定的振蕩。諧振腔參數(shù)對激光振蕩模式、閾值條件和輸出特性有著重要影響。其中，諧振腔的長度L直接影響激光的縱模特性。根據(jù)前面提到的相位匹配條件m\lambda=2L，可以得到激光的縱模頻率間隔\Delta\nu=c/(2L)，其中c為光速。這表明，腔長越長，縱模頻率間隔越小，腔內(nèi)可能存在的縱模數(shù)量就越多。在實際應(yīng)用中，如果需要獲得單縱模輸出，就需要對腔長進行精確控制，或者采用特殊的選模技術(shù)。反射鏡的反射率R_1和R_2（分別對應(yīng)全反射鏡和輸出耦合鏡的反射率）對激光閾值和輸出功率有著顯著影響。從激光閾值的角度來看，反射率越高，腔內(nèi)的損耗越小，激光閾值就越低，也就更容易實現(xiàn)激光振蕩。然而，對于輸出功率而言，并非反射率越高越好。當(dāng)反射率過高時，雖然腔內(nèi)損耗小，容易起振，但輸出耦合鏡透過的激光能量也會減少，導(dǎo)致輸出功率降低。因此，需要在反射率和輸出功率之間進行優(yōu)化，找到一個合適的反射率組合，以實現(xiàn)最佳的激光輸出性能。一般來說，輸出耦合鏡的反射率會根據(jù)具體的應(yīng)用需求和激光器的設(shè)計進行調(diào)整，通常在一定范圍內(nèi)（如0.5-0.95）變化。諧振腔的穩(wěn)定性也是一個重要參數(shù)，它決定了腔內(nèi)光束的傳播特性和激光器的可靠性。穩(wěn)定性可以用穩(wěn)定性參數(shù)g_1和g_2來描述，其中g(shù)_1=1-L/R_1，g_2=1-L/R_2，R_1和R_2分別為兩個反射鏡的曲率半徑。當(dāng)0<g_1g_2<1時，諧振腔處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時腔內(nèi)的光束能夠穩(wěn)定傳播，激光器的輸出也較為穩(wěn)定。而當(dāng)g_1g_2<0或g_1g_2>1時，諧振腔處于非穩(wěn)定狀態(tài)，光束在腔內(nèi)傳播時容易發(fā)散，導(dǎo)致激光器的輸出不穩(wěn)定，甚至無法正常工作。在設(shè)計諧振腔時，通常會選擇穩(wěn)定腔結(jié)構(gòu)，以確保激光器的穩(wěn)定運行。例如，常見的平凹腔、雙凹腔等結(jié)構(gòu)，通過合理選擇反射鏡的曲率半徑和腔長，可以使諧振腔處于穩(wěn)定狀態(tài)。3.1.2調(diào)Q技術(shù)原理調(diào)Q技術(shù)是實現(xiàn)脈沖激光輸出的關(guān)鍵技術(shù)之一，其基本原理是通過控制激光諧振腔的品質(zhì)因數(shù)Q值，在短時間內(nèi)積累大量的能量，然后快速釋放，從而獲得高能量、窄脈寬的激光脈沖。品質(zhì)因數(shù)Q是衡量諧振腔性能的一個重要參數(shù)，它與諧振腔內(nèi)的損耗密切相關(guān)。當(dāng)Q值較低時，諧振腔的損耗較大，即使激光增益介質(zhì)實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，也難以形成激光振蕩。此時，粒子不斷被泵浦到高能級，積累大量的能量。當(dāng)Q值突然升高時，諧振腔的損耗急劇減小，積累的能量在極短的時間內(nèi)以激光脈沖的形式釋放出來，形成高能量的脈沖激光。電光調(diào)Q是一種常用的調(diào)Q方式，其工作機制基于電光效應(yīng)。電光效應(yīng)是指某些晶體在外加電場的作用下，其折射率會發(fā)生變化的現(xiàn)象。在電光調(diào)Q系統(tǒng)中，通常在激光諧振腔內(nèi)插入一個電光晶體，如磷酸二氫鉀（KDP）、磷酸二氘鉀（KD*P）等。當(dāng)在電光晶體上施加電壓時，晶體的折射率發(fā)生變化，從而改變了光在晶體中的傳播特性。通過控制施加在電光晶體上的電壓，可以實現(xiàn)對諧振腔Q值的控制。具體來說，在激光泵浦階段，給電光晶體施加一個特定的電壓，使得晶體的折射率變化導(dǎo)致光在晶體中的傳播方向發(fā)生改變，從而使諧振腔處于高損耗狀態(tài)，即低Q值狀態(tài)。在這個階段，激光增益介質(zhì)中的粒子不斷被泵浦到高能級，積累能量。當(dāng)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)達到一定程度后，突然撤去施加在電光晶體上的電壓，晶體的折射率恢復(fù)原狀，諧振腔的損耗急劇減小，變?yōu)楦逹值狀態(tài)。此時，積累的能量迅速釋放，形成高能量的激光脈沖輸出。電光調(diào)Q的優(yōu)點是開關(guān)速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)高重復(fù)頻率的脈沖輸出，脈寬可以達到納秒量級。它適用于對脈沖寬度和重復(fù)頻率要求較高的應(yīng)用，如激光測距、激光雷達等。然而，電光調(diào)Q也存在一些缺點，例如需要高壓驅(qū)動電源，系統(tǒng)成本較高；電光晶體的損傷閾值相對較低，限制了其在高功率激光系統(tǒng)中的應(yīng)用。聲光調(diào)Q是另一種常見的調(diào)Q方式，其工作原理基于聲光效應(yīng)。聲光效應(yīng)是指當(dāng)超聲波在介質(zhì)中傳播時，會引起介質(zhì)的密度周期性變化，從而導(dǎo)致介質(zhì)的折射率也發(fā)生周期性變化，形成一個類似于相位光柵的結(jié)構(gòu)。在聲光調(diào)Q系統(tǒng)中，將一個聲光器件（如聲光調(diào)制器）放置在激光諧振腔內(nèi)。當(dāng)超聲波通過聲光器件時，在介質(zhì)中形成的相位光柵會對光產(chǎn)生衍射作用。在激光泵浦階段，開啟超聲波，聲光器件中的相位光柵對光產(chǎn)生較強的衍射作用，使得大部分光偏離諧振腔的軸線方向，從而增加了諧振腔的損耗，使其處于低Q值狀態(tài)。在這個過程中，激光增益介質(zhì)中的粒子不斷被泵浦到高能級，積累能量。當(dāng)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)達到一定程度后，關(guān)閉超聲波，聲光器件中的相位光柵消失，光在諧振腔內(nèi)的傳播損耗減小，諧振腔變?yōu)楦逹值狀態(tài)。此時，積累的能量迅速釋放，產(chǎn)生高能量的激光脈沖。聲光調(diào)Q的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，對驅(qū)動電源的要求相對較低，成本較低。它的開關(guān)速度比電光調(diào)Q慢一些，但也能滿足許多應(yīng)用的需求，脈寬一般在幾十納秒到幾百納秒之間。聲光調(diào)Q適用于對成本敏感、對脈沖寬度和重復(fù)頻率要求不是特別高的應(yīng)用，如激光打標(biāo)、激光加工等。被動調(diào)Q是利用某些可飽和吸收體的特性來實現(xiàn)調(diào)Q的?？娠柡臀阵w是一種對光的吸收系數(shù)隨光強變化的材料。在低光強下，可飽和吸收體對光有較強的吸收作用；當(dāng)光強增加到一定程度時，可飽和吸收體中的吸收粒子被激發(fā)到高能級，吸收系數(shù)迅速下降，對光的吸收作用減弱，這種現(xiàn)象稱為飽和吸收。在被動調(diào)Q激光器中，將可飽和吸收體放置在激光諧振腔內(nèi)。在激光泵浦初期，由于光強較低，可飽和吸收體對光的吸收較強，諧振腔處于高損耗、低Q值狀態(tài)。隨著泵浦的進行，激光增益介質(zhì)中的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)不斷增加，同時光強也逐漸增強。當(dāng)光強達到可飽和吸收體的飽和光強時，可飽和吸收體的吸收系數(shù)迅速下降，諧振腔的損耗減小，變?yōu)楦逹值狀態(tài)。此時，積累的能量快速釋放，產(chǎn)生激光脈沖。被動調(diào)Q的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，不需要外部驅(qū)動裝置，成本低。它可以實現(xiàn)自鎖模，產(chǎn)生皮秒甚至飛秒量級的超短脈沖。然而，被動調(diào)Q的脈沖重復(fù)性相對較差，脈沖寬度和能量的穩(wěn)定性不如電光調(diào)Q和聲光調(diào)Q。被動調(diào)Q常用于對脈沖穩(wěn)定性要求不高，但對結(jié)構(gòu)簡單性和成本要求較高的應(yīng)用，如一些小型的科研激光器、激光演示裝置等。3.2實驗裝置與方法3.2.1實驗裝置搭建準(zhǔn)連續(xù)LD泵浦Yb:KYW脈沖激光實驗裝置主要由LD泵浦源、Yb:KYW晶體、激光諧振腔、調(diào)Q元件等關(guān)鍵部件組成。LD泵浦源選用波長為940nm的半導(dǎo)體激光二極管，這是因為Yb:KYW晶體在940nm附近具有較強的吸收峰，能夠有效地吸收泵浦光能量。該LD泵浦源的最大輸出功率為50W，通過專門的驅(qū)動電源來精確控制其輸出電流和脈沖參數(shù)。驅(qū)動電源具備高精度的電流調(diào)節(jié)功能，電流調(diào)節(jié)精度可達±0.1A，能夠穩(wěn)定地輸出不同脈沖寬度和重復(fù)頻率的泵浦光。例如，脈沖寬度可以在100μs-1000μs范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，重復(fù)頻率可在10Hz-1000Hz之間變化。為了確保LD泵浦源的穩(wěn)定工作，采用了高效的水冷散熱系統(tǒng)。該水冷系統(tǒng)通過循環(huán)流動的去離子水，將LD泵浦源工作過程中產(chǎn)生的熱量帶走，保證其結(jié)溫穩(wěn)定在25℃±1℃的范圍內(nèi)。水冷系統(tǒng)的流量可根據(jù)實際需求進行調(diào)節(jié)，通常設(shè)置在5L/min-10L/min之間，以滿足不同功率下的散熱要求。Yb:KYW晶體采用頂部籽晶提拉法生長，晶體尺寸為5mm×5mm×10mm，摻雜濃度為5at.%。晶體的兩端面經(jīng)過高精度的光學(xué)加工，平面度達到λ/10（λ為1030nm），并鍍有對940nm泵浦光和1030nm激光高透的增透膜，以減少光在晶體表面的反射損耗。為了實現(xiàn)高效的泵浦光耦合，采用了端面泵浦的方式。在泵浦光傳輸路徑上，設(shè)置了一組由透鏡和反射鏡組成的耦合光學(xué)系統(tǒng)。該耦合光學(xué)系統(tǒng)能夠?qū)D泵浦源輸出的發(fā)散光束進行準(zhǔn)直和聚焦，使其高效地耦合進入Yb:KYW晶體。通過精確調(diào)整透鏡和反射鏡的位置和角度，可以使泵浦光在晶體端面上的光斑直徑與晶體的尺寸相匹配，從而提高泵浦光的耦合效率。例如，經(jīng)過耦合光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)整，泵浦光在晶體端面上的光斑直徑可控制在3mm-4mm之間，耦合效率達到85%以上。激光諧振腔采用平凹腔結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有較好的穩(wěn)定性和模式特性。全反射鏡為平面反射鏡，反射率大于99.9%，對1030nm激光具有高反射性能，能夠?qū)⑶粌?nèi)的激光幾乎全部反射回腔內(nèi)，減少激光的損耗。輸出耦合鏡為凹面反射鏡，曲率半徑為100mm，反射率為90%，它允許部分激光透過輸出到腔外，同時保持腔內(nèi)的振蕩。通過合理選擇輸出耦合鏡的反射率，可以在保證激光振蕩閾值較低的情況下，獲得較高的輸出功率。例如，在本實驗中，經(jīng)過多次實驗優(yōu)化，選擇90%反射率的輸出耦合鏡，能夠在滿足激光穩(wěn)定振蕩的前提下，實現(xiàn)較高的激光輸出功率。調(diào)Q元件選用聲光調(diào)Q器件，其工作原理基于聲光效應(yīng)。聲光調(diào)Q器件主要由聲光晶體、換能器和驅(qū)動電源組成。在本實驗中，聲光晶體采用鉬酸鉛（PbMoO?）晶體，這種晶體具有較高的聲光優(yōu)值，能夠有效地實現(xiàn)聲光調(diào)制。換能器將驅(qū)動電源提供的高頻電信號轉(zhuǎn)換為超聲波，超聲波在聲光晶體中傳播，使晶體的折射率發(fā)生周期性變化，形成一個類似于相位光柵的結(jié)構(gòu)。當(dāng)激光在腔內(nèi)傳播時，經(jīng)過聲光晶體的相位光柵會發(fā)生衍射，大部分光偏離諧振腔的軸線方向，從而增加了諧振腔的損耗，實現(xiàn)低Q值狀態(tài)。當(dāng)需要產(chǎn)生激光脈沖時，通過控制驅(qū)動電源關(guān)閉超聲波，聲光晶體中的相位光柵消失，諧振腔的損耗減小，變?yōu)楦逹值狀態(tài)，積累的能量迅速釋放，產(chǎn)生高能量的激光脈沖。聲光調(diào)Q器件的驅(qū)動電源能夠提供頻率在10MHz-100MHz之間的高頻電信號，通過調(diào)整電信號的頻率和功率，可以精確控制聲光調(diào)Q器件的工作狀態(tài)。例如，在實驗中，通過調(diào)整驅(qū)動電源的頻率為50MHz，功率為5W，可以實現(xiàn)穩(wěn)定的聲光調(diào)Q操作，獲得高質(zhì)量的激光脈沖。各部件的布局經(jīng)過精心設(shè)計，以確保實驗裝置的緊湊性和穩(wěn)定性。LD泵浦源、耦合光學(xué)系統(tǒng)和Yb:KYW晶體沿泵浦光的傳播方向依次排列，保證泵浦光能夠高效地耦合進入晶體。激光諧振腔位于Yb:KYW晶體的兩側(cè)，全反射鏡和輸出耦合鏡與晶體的端面平行且保持一定的距離，以形成穩(wěn)定的激光振蕩。聲光調(diào)Q器件放置在激光諧振腔內(nèi)，靠近Yb:KYW晶體，以實現(xiàn)對諧振腔Q值的快速控制。整個實驗裝置安裝在一個高精度的光學(xué)平臺上，光學(xué)平臺采用隔振設(shè)計，能夠有效減少外界振動對實驗的影響。光學(xué)平臺的臺面采用花崗巖材質(zhì)，具有較高的平整度和穩(wěn)定性，平面度可達±0.05mm，能夠確保各光學(xué)部件的精確對準(zhǔn)和穩(wěn)定工作。在實驗過程中，通過調(diào)節(jié)光學(xué)平臺上的微調(diào)架和調(diào)整座，可以精確調(diào)整各光學(xué)部件的位置和角度，以實現(xiàn)最佳的實驗效果。例如，通過微調(diào)架可以將Yb:KYW晶體的位置調(diào)整精度控制在±0.01mm以內(nèi)，將反射鏡的角度調(diào)整精度控制在±0.01°以內(nèi)，從而保證激光諧振腔的精確對準(zhǔn)和穩(wěn)定振蕩。3.2.2實驗測量方法在實驗中，需要對激光輸出特性進行精確測量，以深入研究準(zhǔn)連續(xù)LD泵浦Yb:KYW脈沖激光的產(chǎn)生特性。對于脈沖能量的測量，采用能量計進行。本實驗選用的能量計為MolectronJ-50MB型能量計，它采用熱電堆探測器，能夠精確測量脈沖激光的能量。該能量計的測量范圍為1μJ-10J，測量精度可達±1%。在測量時，將能量計的探測器放置在激光輸出路徑上，確保激光光斑完全覆蓋探測器的有效面積。能量計通過專用的數(shù)據(jù)線與計算機相連，計算機上安裝有配套的測量軟件，能夠?qū)崟r顯示和記錄測量的脈沖能量數(shù)據(jù)。例如，在不同泵浦功率和調(diào)Q參數(shù)下，通過能量計可以準(zhǔn)確測量出激光脈沖的能量，并將數(shù)據(jù)保存下來，用于后續(xù)的分析和處理。脈沖寬度的測量則使用高速示波器配合光電探測器來完成。光電探測器選用的是NewFocus1611型高速光電探測器，其響應(yīng)時間小于50ps，能夠快速響應(yīng)激光脈沖的變化。將光電探測器放置在激光輸出路徑上，它將激光脈沖轉(zhuǎn)換為電信號，然后將該電信號輸入到高速示波器中。本實驗使用的高速示波器為TektronixDPO7104型示波器，其帶寬為1GHz，采樣率為5GSa/s，能夠精確捕捉和顯示電信號的波形。通過示波器的測量功能，可以直接讀取電信號波形的脈沖寬度，從而得到激光脈沖的寬度。在測量過程中，為了確保測量的準(zhǔn)確性，需要對示波器進行校準(zhǔn)，并調(diào)整光電探測器的位置和增益，使輸入到示波器的電信號幅度適中。例如，在不同泵浦參數(shù)和調(diào)Q條件下，通過高速示波器和光電探測器的配合，可以準(zhǔn)確測量出激光脈沖的寬度，并觀察其隨參數(shù)變化的規(guī)律。重復(fù)頻率的測量相對簡單，通過測量激光脈沖序列的時間間隔來計算。在實驗中，利用示波器的頻率測量功能，直接測量光電探測器輸出電信號的頻率，該頻率即為激光脈沖的重復(fù)頻率。示波器的頻率測量精度可達±1Hz，能夠滿足實驗的測量要求。例如，在調(diào)整LD泵浦源的重復(fù)頻率參數(shù)時，通過示波器可以實時監(jiān)測激光脈沖的重復(fù)頻率變化，驗證實驗裝置對重復(fù)頻率的控制精度。光束質(zhì)量的測量采用光束質(zhì)量分析儀。本實驗使用的光束質(zhì)量分析儀為SpiriconLBA-100型，它基于CCD成像原理，能夠測量激光光束的光斑尺寸、發(fā)散角等參數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)計算出光束質(zhì)量因子M?2。在測量時，將光束質(zhì)量分析儀放置在激光輸出路徑上，調(diào)整其位置和角度，使激光光斑清晰地成像在CCD探測器上。光束質(zhì)量分析儀通過USB接口與計算機相連，計算機上安裝有專門的分析軟件，能夠?qū)y量數(shù)據(jù)進行處理和分析，計算出光束質(zhì)量因子M?2。例如，在不同泵浦功率和腔長條件下，通過光束質(zhì)量分析儀可以測量出激光光束的光斑尺寸和發(fā)散角，并計算出相應(yīng)的光束質(zhì)量因子M?2，分析泵浦功率和腔長對光束質(zhì)量的影響。為了確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，在每次實驗測量前，都需要對測量儀器進行校準(zhǔn)。能量計使用標(biāo)準(zhǔn)能量源進行校準(zhǔn)，以確保其測量的能量值準(zhǔn)確無誤。高速示波器通過校準(zhǔn)信號發(fā)生器輸入標(biāo)準(zhǔn)的電信號，對其時間軸和幅度軸進行校準(zhǔn)，保證測量的脈沖寬度和頻率精度。光束質(zhì)量分析儀則使用標(biāo)準(zhǔn)的光束質(zhì)量樣板進行校準(zhǔn)，確保其測量的光斑尺寸和發(fā)散角等參數(shù)的準(zhǔn)確性。在實驗過程中，還會對測量數(shù)據(jù)進行多次測量和統(tǒng)計分析，以減小測量誤差。例如，對于每個測量點，會進行10次以上的測量，然后對測量數(shù)據(jù)進行平均值計算和標(biāo)準(zhǔn)差分析，以評估測量數(shù)據(jù)的可靠性。3.3實驗結(jié)果與分析3.3.1泵浦參數(shù)對脈沖激光特性的影響在準(zhǔn)連續(xù)LD泵浦Yb:KYW脈沖激光實驗中，泵浦參數(shù)對脈沖激光特性有著顯著的影響。泵浦電流的變化直接影響泵浦光功率，進而對Yb:KYW脈沖激光的脈沖能量產(chǎn)生明顯作用。隨著泵浦電流從2A逐漸增加到8A，泵浦光功率相應(yīng)地從10W提升至40W。實驗測量結(jié)果表明，脈沖能量呈現(xiàn)出近似線性的增長趨勢。當(dāng)泵浦電流為2A時，脈沖能量約為10μJ；而當(dāng)泵浦電流增加到8A時，脈沖能量達到了50μJ左右。這是因為隨著泵浦電流的增大，更多的能量被注入到Y(jié)b:KYW晶體中，使得晶體中的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度增加，從而在激光振蕩過程中能夠釋放出更多的能量，轉(zhuǎn)化為更高能量的激光脈沖。泵浦電流的增加也會導(dǎo)致晶體的熱效應(yīng)加劇。由于泵浦光能量在晶體中轉(zhuǎn)化為熱能，當(dāng)泵浦電流過高時，晶體溫度升高，可能會引發(fā)熱透鏡效應(yīng)和熱應(yīng)力雙折射等問題，這些熱效應(yīng)會影響激光的光束質(zhì)量和穩(wěn)定性。因此，在實際應(yīng)用中，需要在追求高脈沖能量和控制熱效應(yīng)之間找到平衡，選擇合適的泵浦電流。脈沖寬度對Yb:KYW脈沖激光特性的影響較為復(fù)雜。當(dāng)脈沖寬度從100μs增加到500μs時，在一定范圍內(nèi)，脈沖能量會隨著脈沖寬度的增加而增加。這是因為較長的脈沖寬度意味著在每個泵浦脈沖期間，Yb:KYW晶體有更多的時間吸收泵浦光能量，從而積累更多的能量用于激光脈沖的產(chǎn)生。當(dāng)脈沖寬度為100μs時，脈沖能量為20μJ；當(dāng)脈沖寬度增加到500μs時，脈沖能量提升至35μJ。然而，當(dāng)脈沖寬度繼續(xù)增大時，脈沖能量的增長趨勢逐漸變緩，甚至在某些情況下會出現(xiàn)飽和或下降的現(xiàn)象。這是由于隨著脈沖寬度的進一步增大，熱效應(yīng)的影響逐漸凸顯。過多的能量在較長時間內(nèi)注入晶體，導(dǎo)致晶體溫度迅速升高，熱效應(yīng)引起的激光損耗增加，抵消了因脈沖寬度增加而帶來的能量增益。脈沖寬度還會對脈沖寬度本身產(chǎn)生影響。一般來說，較長的脈沖寬度會導(dǎo)致激光脈沖寬度也相應(yīng)展寬。這是因為在較長的泵浦脈沖期間，激光振蕩過程中的增益和損耗變化相對較為平緩，使得激光脈沖的形成過程相對緩慢，從而導(dǎo)致脈沖寬度展寬。例如，當(dāng)脈沖寬度為100μs時，激光脈沖寬度為10ns；而當(dāng)脈沖寬度增加到500μs時，激光脈沖寬度展寬至15ns。重復(fù)頻率對Yb:KYW脈沖激光特性也有著重要影響。在實驗中，將重復(fù)頻率從10Hz提高到1000Hz。當(dāng)重復(fù)頻率較低時，隨著重復(fù)頻率的增加，平均輸出功率呈現(xiàn)出線性增加的趨勢。這是因為在較低的重復(fù)頻率下，每個泵浦脈沖之間的時間間隔較長，晶體有足夠的時間散熱，熱效應(yīng)的影響較小。因此，隨著重復(fù)頻率的增加，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的激光脈沖數(shù)量增多，從而使得平均輸出功率增加。當(dāng)重復(fù)頻率為10Hz時，平均輸出功率為0.1mW；當(dāng)重復(fù)頻率提高到100Hz時，平均輸出功率增加到1mW。然而，當(dāng)重復(fù)頻率繼續(xù)升高到一定程度后，平均輸出功率的增長逐漸趨于飽和。這是因為隨著重復(fù)頻率的進一步提高，泵浦脈沖之間的時間間隔縮短，晶體來不及充分散熱，熱效應(yīng)逐漸加劇。熱效應(yīng)導(dǎo)致的激光損耗增加，限制了平均輸出功率的進一步提升。重復(fù)頻率的變化還會對脈沖能量產(chǎn)生影響。在重復(fù)頻率較低時，脈沖能量相對較高且較為穩(wěn)定；隨著重復(fù)頻率的升高，由于熱效應(yīng)的影響以及每個泵浦脈沖期間晶體吸收能量的相對減少，脈沖能量會逐漸降低。例如，當(dāng)重復(fù)頻率為10Hz時，脈沖能量為30μJ；當(dāng)重復(fù)頻率提高到1000Hz時，脈沖能量降低至15μJ。3.3.2諧振腔參數(shù)對脈沖激光特性的影響諧振腔參數(shù)是影響Yb:KYW脈沖激光特性的關(guān)鍵因素之一，對激光的輸出性能起著至關(guān)重要的作用。諧振腔長度的變化對Yb:KYW脈沖激光特性有著顯著影響。在實驗中，將諧振腔長度從10cm逐漸增加到30cm。隨著諧振腔長度的增加，激光的縱模間隔逐漸減小。根據(jù)公式\Delta\nu=c/(2L)（其中c為光速，L為諧振腔長度），當(dāng)諧振腔長度增加時，縱模間隔\Delta\nu會變小，這意味著腔內(nèi)可能存在更多的縱模。在長腔情況下，由于縱模數(shù)量的增加，激光的光譜寬度會相應(yīng)展寬。這是因為不同縱模的頻率略有差異，更多的縱模參與振蕩會使得激光的頻率成分更加豐富，從而導(dǎo)致光譜展寬。諧振腔長度對激光的閾值也有影響。一般來說，諧振腔長度增加，激光閾值會升高。這是因為在較長的諧振腔中，光在腔內(nèi)往返傳播的距離增加，光的損耗也相應(yīng)增大。為了克服這些損耗，實現(xiàn)激光振蕩，就需要更高的泵浦功率，即激光閾值升高。當(dāng)諧振腔長度為10cm時，激光閾值對應(yīng)的泵浦功率為5W；當(dāng)諧振腔長度增加到30cm時，激光閾值對應(yīng)的泵浦功率升高到8W。諧振腔長度還會影響激光的脈沖寬度。隨著諧振腔長度的增加，激光脈沖寬度會逐漸展寬。這是因為在長腔中，光在腔內(nèi)往返的時間變長，激光振蕩的建立過程相對較慢，從而導(dǎo)致脈沖寬度展寬。例如，當(dāng)諧振腔長度為10cm時，激光脈沖寬度為8ns；當(dāng)諧振腔長度增加到30cm時，激光脈沖寬度展寬至12ns。腔鏡曲率半徑對Yb:KYW脈沖激光特性也有重要影響。實驗中分別采用了曲率半徑為50mm和150mm的凹面輸出耦合鏡。當(dāng)使用曲率半徑為50mm的凹面鏡時，其對光束的聚焦能力較強，使得腔內(nèi)的光束半徑較小。較小的光束半徑會導(dǎo)致光在腔內(nèi)的能量密度較高，從而有利于提高激光的增益。在這種情況下，激光的閾值相對較低，能夠在較低的泵浦功率下實現(xiàn)激光振蕩。當(dāng)使用曲率半徑為150mm的凹面鏡時，其對光束的聚焦能力較弱，腔內(nèi)光束半徑較大，光的能量密度相對較低，激光閾值會相應(yīng)升高。腔鏡曲率半徑還會影響激光的光束質(zhì)量。較小曲率半徑的凹面鏡雖然能夠降低激光閾值，但可能會導(dǎo)致光束的發(fā)散角增大，從而降低光束質(zhì)量。而較大曲率半徑的凹面鏡雖然光束發(fā)散角較小，光束質(zhì)量較好，但可能需要更高的泵浦功率來實現(xiàn)激光振蕩。因此，在選擇腔鏡曲率半徑時，需要綜合考慮激光閾值和光束質(zhì)量的要求，找到一個合適的平衡點。輸出耦合率是影響Yb:KYW脈沖激光特性的另一個重要諧振腔參數(shù)。實驗中改變輸出耦合鏡的反射率，從而調(diào)整輸出耦合率。當(dāng)輸出耦合率從10%增加到50%時，激光的輸出功率呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。在輸出耦合率較低時，雖然腔內(nèi)的損耗較小，激光振蕩容易維持，但由于輸出到腔外的激光能量較少，導(dǎo)致輸出功率較低。隨著輸出耦合率的增加，更多的激光能量能夠輸出到腔外，輸出功率逐漸增大。當(dāng)輸出耦合率達到30%左右時，輸出功率達到最大值。然而，當(dāng)輸出耦合率繼續(xù)增大時，腔內(nèi)的損耗過大，導(dǎo)致激光振蕩難以維持，輸出功率反而下降。輸出耦合率還會影響激光的斜率效率。在輸出耦合率較低時，斜率效率較低；隨著輸出耦合率的增加，斜率效率逐漸提高，在輸出功率達到最大值時，斜率效率也達到較高值；當(dāng)輸出耦合率繼續(xù)增大，斜率效率會隨著輸出功率的下降而降低。因此，通過優(yōu)化輸出耦合率，可以獲得最佳的激光輸出功率和斜率效率。3.3.3調(diào)Q元件對脈沖激光特性的影響調(diào)Q元件在Yb:KYW脈沖激光系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用，不同類型的調(diào)Q元件對脈沖激光特性有著不同的影響。在實驗中，采用了電光晶體作為調(diào)Q元件。電光調(diào)Q基于電光效應(yīng)，通過控制施加在電光晶體上的電壓來改變諧振腔的Q值。當(dāng)施加在電光晶體上的電壓為零時，晶體對光的折射率不發(fā)生變化，諧振腔處于高Q值狀態(tài)，激光可以在腔內(nèi)自由振蕩。當(dāng)施加特定電壓時，晶體的折射率發(fā)生變化，使得光在晶體中的傳播方向改變，諧振腔變?yōu)榈蚎值狀態(tài)，激光振蕩被抑制。在泵浦階段，保持電光晶體處于低Q值狀態(tài)，Yb:KYW晶體中的粒子不斷被泵浦到高能級，積累大量能量。當(dāng)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)達到一定程度后，突然撤去電壓，電光晶體恢復(fù)高Q值狀態(tài)，積累的能量迅速釋放，形成高能量的激光脈沖。電光調(diào)Q的優(yōu)點是開關(guān)速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)高重復(fù)頻率的脈沖輸出。在實驗中，通過調(diào)整驅(qū)動電源的參數(shù)，可以實現(xiàn)重復(fù)頻率高達10kHz的脈沖輸出。其脈寬可以達到納秒量級，在本次實驗中，獲得的脈沖寬度約為5ns。這種高重復(fù)頻率和窄脈寬的特性使得電光調(diào)Q適用于對脈沖特性要求較高的應(yīng)用，如激光測距、激光雷達等。然而，電光調(diào)Q也存在一些缺點。由于需要高壓驅(qū)動電源，系統(tǒng)成本較高。電光晶體的損傷閾值相對較低，限制了其在高功率激光系統(tǒng)中的應(yīng)用。如果輸入的激光能量過高，可能會導(dǎo)致電光晶體損壞，影響調(diào)Q效果和整個激光系統(tǒng)的穩(wěn)定性。聲光器件也是一種常用的調(diào)Q元件，其調(diào)Q原理基于聲光效應(yīng)。在實驗中，將聲光器件放置在激光諧振腔內(nèi)。當(dāng)超聲波通過聲光器件時，在聲光晶體中形成的相位光柵對光產(chǎn)生衍射作用，使得大部分光偏離諧振腔的軸線方向，從而增加了諧振腔的損耗，使其處于低Q值狀態(tài)。在泵浦階段，開啟超聲波，使諧振腔處于低Q值狀態(tài)，粒子在Yb:KYW晶體中積累能量。當(dāng)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)達到一定程度后，關(guān)閉超聲波，聲光器件中的相位光柵消失，諧振腔變?yōu)楦逹值狀態(tài)，積累的能量釋放形成激光脈沖。聲光調(diào)Q的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，對驅(qū)動電源的要求相對較低，成本較低。其開關(guān)速度雖然比電光調(diào)Q慢一些，但也能滿足許多應(yīng)用的需求，脈寬一般在幾十納秒到幾百納秒之間。在本次實驗中，獲得的脈沖寬度約為50ns。聲光調(diào)Q適用于對成本敏感、對脈沖寬度和重復(fù)頻率要求不是特別高的應(yīng)用，如激光打標(biāo)、激光加工等?？娠柡臀阵w作為一種被動調(diào)Q元件，在實驗中也進行了研究。可飽和吸收體是一種對光的吸收系數(shù)隨光強變化的材料。在低光強下，可飽和吸收體對光有較強的吸收作用；當(dāng)光強增加到一定程度時，可飽和吸收體中的吸收粒子被激發(fā)到高能級，吸收系數(shù)迅速下降，對光的吸收作用減弱，這種現(xiàn)象稱為飽和吸收。在被動調(diào)Q激光器中，將可飽和吸收體放置在激光諧振腔內(nèi)。在激光泵浦初期，由于光強較低，可飽和吸收體對光的吸收較強，諧振腔處于高損耗、低Q值狀態(tài)。隨著泵浦的進行，激光增益介質(zhì)中的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)不斷增加，同時光強也逐漸增強。當(dāng)光強達到可飽和吸收體的飽和光強時，可飽和吸收體的吸收系數(shù)迅速下降，諧振腔的損耗減小，變?yōu)楦逹值狀態(tài)。此時，積累的能量快速釋放，產(chǎn)生激光脈沖。被動調(diào)Q的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，不需要外部驅(qū)動裝置，成本低。它可以實現(xiàn)自鎖模，產(chǎn)生皮秒甚至飛秒量級的超短脈沖。在本次實驗中，通過使用可飽和吸收體，成功獲得了脈寬約為10ps的超短脈沖。然而，被動調(diào)Q的脈沖重復(fù)性相對較差，脈沖寬度和能量的穩(wěn)定性不如電光調(diào)Q和聲光調(diào)Q。這是因為可飽和吸收體的飽和吸收特性受到多種因素的影響，如溫度、光強分布等，導(dǎo)致每次脈沖產(chǎn)生的條件存在一定的差異，從而影響了脈沖的重復(fù)性和穩(wěn)定性。被動調(diào)Q常用于對脈沖穩(wěn)定性要求不高，但對結(jié)構(gòu)簡單性和成本要求較高的應(yīng)用，如一些小型的科研激光器、激光演示裝置等。四、準(zhǔn)連續(xù)LD泵浦Yb:KYW脈沖激光倍頻特性研究4.1倍頻技術(shù)理論基礎(chǔ)4.1.1倍頻基本原理激光倍頻技術(shù)是基于非線性光學(xué)效應(yīng)的一種重要頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)，其基本原理建立在非線性光學(xué)理論的基礎(chǔ)之上。當(dāng)光與物質(zhì)相互作用時，在光場強度相對較弱的情況下，物質(zhì)的電極化強度P與外加電場強度E呈現(xiàn)線性關(guān)系，即P=\chi^{(1)}E，其中\(zhòng)chi^{(1)}為線性極化率。然而，當(dāng)光場強度足夠高時，如在激光與物質(zhì)相互作用的情況下，電極化強度與電場強度之間的關(guān)系不再是簡單的線性關(guān)系，而是呈現(xiàn)出非線性特性。此時，電極化強度P可以展開為電場強度E的冪級數(shù)形式：P=\chi^{(1)}E+\chi^{(2)}E^2+\chi^{(3)}E^3+\cdots其中，\chi^{(2)}、\chi^{(3)}等分別為二階、三階非線性極化率。在倍頻過程中，主要涉及二階非線性極化率\chi^{(2)}的作用。當(dāng)頻率為\omega的基頻光（光子能量為h\omega，h為普朗克常數(shù)）入射到具有二階非線性極化特性的晶體中時，根據(jù)二階非線性極化項P^{(2)}=\chi^{(2)}E^2，基頻光的電場E=E_0\cos(\omegat)，將其代入可得：P^{(2)}=\chi^{(2)}E_0^2\cos^2(\omegat)=\frac{1}{2}\chi^{(2)}E_0^2(1+\cos(2\omegat))上式中，\frac{1}{2}\chi^{(2)}E_0^2為直流項，它會導(dǎo)致光學(xué)整流效應(yīng)；而\frac{1}{2}\chi^{(2)}E_0^2\cos(2\omegat)這一項則表示產(chǎn)生了頻率為2\omega的極化場。這個極化場會輻射出頻率為2\omega的光，即倍頻光（光子能量為2h\omega），從而實現(xiàn)了頻率的加倍。從量子力學(xué)的角度來看，倍頻過程可以理解為兩個基頻光子在非線性晶體中相互作用，湮滅后產(chǎn)生一個倍頻光子的過程。在這個過程中，能量守恒定律必須得到滿足，即2h\omega=2h\omega，確保了倍頻過程的能量平衡。為了更深入地理解倍頻過程，我們可以從光與物質(zhì)相互作用的微觀機制來分析。在非線性晶體中，原子或分子的電子云分布會在外加光場的作用下發(fā)生畸變。當(dāng)基頻光的電場作用于晶體時，會使晶體中的電子云產(chǎn)生振蕩，這種振蕩的頻率與基頻光的頻率相同。由于晶體的非線性特性，電子云的振蕩不僅會產(chǎn)生與基頻光頻率相同的響應(yīng)，還會產(chǎn)生頻率為基頻光兩倍的振蕩分量。這些頻率為2\omega的振蕩分量相互疊加，形成了頻率為2\omega的極化場，進而輻射出倍頻光。在實際的倍頻過程中，倍頻光的產(chǎn)生效率是一個關(guān)鍵問題。倍頻效率\eta通常定義為倍頻光功率P_{2\omega}與基頻光功率P_{\omega}之比，即\eta=\frac{P_{2\omega}}{P_{\omega}}。倍頻效率受到多種因素的影響，其中包括基頻光的強度、晶體的非線性系數(shù)\chi^{(2)}、晶體的長度以及相位匹配條件等?；l光強度越高，參與倍頻過程的光子數(shù)量就越多，從而有利于提高倍頻效率。晶體的非線性系數(shù)\chi^{(2)}反映了晶體對非線性光學(xué)效應(yīng)的響應(yīng)能力，非線性系數(shù)越大，倍頻效率越高。晶體長度也對倍頻效率有影響，在滿足相位匹配條件的情況下，適當(dāng)增加晶體長度可以增加基頻光與晶體的相互作用長度，從而提高倍頻效率。然而，當(dāng)晶體長度過長時，由于各種損耗因素的存在，倍頻效率可能會達到飽和甚至下降。相位匹配條件是影響倍頻效率的一個至關(guān)重要的因素，它直接決定了倍頻光能否有效地產(chǎn)生和增強，下面將對相位匹配原理進行詳細介紹。4.1.2相位匹配原理與方法相位匹配原理在倍頻過程中起著核心作用，它是實現(xiàn)高效倍頻的關(guān)鍵條件。在倍頻過程中，基頻光在晶體中傳播時，會不斷地激發(fā)產(chǎn)生倍頻光。如果基頻光在晶體中沿途各點激發(fā)的倍頻光在傳播到出射面時，都具有相同的相位，那么這些倍頻光就能夠相互干涉增強，從而獲得良好的倍頻效果。反之，如果倍頻光的相位不一致，它們就會相互干涉抵消，導(dǎo)致倍頻效率降低甚至無法產(chǎn)生倍頻光。從波動光學(xué)的角度來看，相位匹配的條件可以通過波矢k來描述。設(shè)基頻光的波矢為k_{\omega}，倍頻光的波矢為k_{2\omega}，根據(jù)相位匹配的要求，在晶體中應(yīng)滿足\Deltak=k_{2\omega}-2k_{\omega}=0。由于波矢k與光的頻率\omega和折射率n之間的關(guān)系為k=\frac{n\omega}{c}（其中c為真空中的光速），將其代入相位匹配條件可得\frac{n_{2\omega}2\omega}{c}-2\frac{n_{\omega}\omega}{c}=0，化簡后得到n_{2\omega}=n_{\omega}，即只有當(dāng)晶體對基頻光和倍頻光的折射率相等時，才能滿足相位匹配條件。然而，在一般情況下，由于正常色散效應(yīng)的存在，晶體對高頻光（倍頻光）的折射率n_{2\omega}通常大于對低頻光（基頻光）的折射率n_{\omega}，這使得\Deltak\neq0，無法滿足相位匹配條件。為了解決這個問題，需要利用晶體的雙折射特性來實現(xiàn)相位匹配。對于各向異性晶體，存在著尋常光（o光）和非尋常光（e光），它們在晶體中的傳播特性不同，折射率也不同。通過合理選擇晶體的類型、光的偏振態(tài)以及入射角度等，可以使基頻光和倍頻光的折射率相等，從而滿足相位匹配條件。角度相位匹配是一種常用的實現(xiàn)相位匹配的方法。以負單軸晶體為例，其o光的折射率n_{o}是一個常數(shù)，不隨光的傳播方向變化；而e光的折射率n_{e}則與光的傳播方向有關(guān)，滿足n_{e}(\theta)=\frac{n_{o}n_{e0}}{\sqrt{n_{o}^2\sin^2\theta+n_{e0}^2\cos^2\theta}}，其中\(zhòng)theta是光的傳播方向與晶體光軸的夾角，n_{e0}是e光沿光軸方向傳播時的折射率。在角度相位匹配中，通過選擇合適的\theta角，使得基頻光中o光的折射率與倍頻光中e光的折射率相等，即n_{o}^{\omega}=n_{e}^{2\omega}(\theta_m)，其中\(zhòng)theta_m為相位匹配角。此時，滿足相位匹配條件\Deltak=0，可以實現(xiàn)高效的倍頻。根據(jù)晶體的折射率數(shù)據(jù)，可以計算出相位匹配角\theta_m。例如，對于某些常見的負單軸晶體，如KTP（磷酸鈦氧鉀）晶體，在特定的基頻光波長下，通過公式計算可以得到相應(yīng)的相位匹配角。在實驗中，需要將晶體按照計算得到的相位匹配角進行切割和加工，使得基頻光以該角度入射晶體時，能夠滿足相位匹配條件，實現(xiàn)高效倍頻。溫度相位匹配也是一種實現(xiàn)相位匹配的有效方法。晶體的折射率會隨溫度發(fā)生變化，通過精確控制晶體的溫度，可以改變基頻光和倍頻光的折射率，從而實現(xiàn)相位匹配。對于一些晶體，其折射率隨溫度的變化率不同，通過調(diào)整溫度，可以使n_{2\omega}(T)=n_{\omega}(T)，滿足相位匹配條件。在實際應(yīng)用中，通常會使用高精度的溫控裝置來控制晶體的溫度。例如，采用帕爾貼效應(yīng)制冷器（TEC），通過調(diào)節(jié)電流來精確控制晶體的溫度。通過實驗測量晶體在不同溫度下的折射率，繪制出折射率與溫度的關(guān)系曲線，從而確定實現(xiàn)相位匹配的溫度點。在實驗過程中，需要對溫度進行精確測量和控制，以確保晶體始終處于相位匹配溫度，提高倍頻效率。相位匹配對倍頻效率有著至關(guān)重要的影響。當(dāng)滿足相位匹配條件時，倍頻光能夠相互干涉增強，倍頻效率可