激光器谐振腔设计说明
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2010年6月
毕业设计（论文） 题目名称： LD 端面泵浦1064nm Nd:YVQ 固体
激光器的Z 型折叠腔设计
院系名称：理学院
班 级：物理062
学 号：
学生：
指导教师：
论文编号：200600124210
LD端面泵浦1064nm Nd: YVO固体激光器Z型折叠腔设计
Desig n of Z type Reson ators for the
LD En d-Pumped 1064nm
Nd:YVQ Lasers
院系名称：理学院
班级：物理062
学号：
学生：
2010年6月
指导教师：
光学谐振腔是激光器的一个重要组成部分，设计良好的谐振腔是实现大功率高质量激光输出的关键。本文通过理论分析和数值模拟提出尽可能理想的谐振腔结构和合适的腔参数，以实现高功率、高光束质量、高效率和高稳定性的激光输出。
本文运用光学传输矩阵讨论Z型激光谐振腔的各个参数对谐振腔稳定性和输出光束质量的影响，进而选择合适的谐振腔参数，设计出可行的Z型折叠腔，并利用数值模拟说明其工作特性。论文共分为四部分：谐振腔作用及分类，Nd:YVO激光特性，谐振腔参数选择，工作特性模拟及分析。其中谐振腔参数的选择是本文的核心，包括热透镜焦距的计算，谐振腔各臂长的选择，输出镜透过率的选择等。
随着二极管端面泵浦固体激光器应用围的扩展，对激光束的要求也将趋于多样化，针对不同的要求，如何快速的设计出对应的谐振腔，对激光谐振腔的设计方法提出了新的要求。
关键词：激光器，Z型谐振腔，光学变换矩阵，优化设计，数值模拟
Abstract
Optical res on ator is an importa nt part of laser. A well-desig ned resonator is the key to realize the high-power laser output of high quality. In this paper, we get the ideal res on ator structures and the appropriate parameters through theoretical analysis and numerical simulation, to achieve high power, high quality, high efficie ncy and high light stability of laser output.
This paper discussed the effects of res on ator parameters on the beam quality, stability and output power by means of transfer matrix. And then, We choose the appropriate res on ator parameters, and get a practical Z type Reson ators and shows its performa nee by nu merical simulatio n . This paper has four parts: classificatio n of res on ator, the laser characteristics of Nd:YVO, res on ator parameters select ion, simulatio n and an alysis of output characteristics of desig ned res on ator. The choose of res on ator parameters is the core of this paper, including computation of thermal lens focal length, the arms len gth of res on ator, and the tran smissivity of output mirrors.
With the expanding application scope of diode pumped solid lasers, the requireme nts of laser become diversiform. It has bee n a new requireme nt to find a fast way to desig n a laser res on ator to meet the differe nt requireme nts.
Keywords: lasers, Z type res on ator, optical tran sfer matrix, optimiz ing desig n, nu merical simulati on
摘要....................................................................... I Abstract ......................................................................................................................... II 弓丨言.. (1)
1谐振腔的作用、分类及比较 (2)
1.1谐振腔的作用 (2)
1.2谐振腔的分类及比较 (2)
2 Nd:YV04晶体的激光特性 (5)
3谐振腔参数计算 (7)
3.1热透镜焦距计算 (7)
3.2谐振腔稳定条件 (8)
3.3谐振腔臂长的选择 (9)
3.4输出镜透过率的选择 (16)
4谐振腔工作特性分析 (19)
5总结 (20)
参考文献 (21)
致谢 (22)
光学开放式谐振腔提出以后，固体激光谐振腔的研究已经取得很大进展。设计良好的谐振腔是实现大功率、高质量激光输出的关键。为了实现高功率、高光束质量、高效率和高稳定性的激光输出，应该选择能够满足特定需要的谐振腔设计参数
在固体激光器中，光学谐振腔是实现正反馈选模、起输出耦合作用的器件。合适的谐振腔结构可以最大限度的提高激光器的能量提取效率。激光器的输出光束质量与谐振腔结构有关，但是高输出功率和高光束质量的要求常常是矛盾的。针对不同固体激光器对输出功率和光束质量的要求，可以通过谐振腔的优化设计给出尽可能理想的谐振腔结构和相应参数。另外，泵浦光功率变化引起的激光晶体的热透镜效应变化会动态的影响谐振腔的工作特性，因此需要通过理论计算来设计对热透镜效应不敏感的动态热稳定腔，以提高激光器动态工作的稳定性。另外，某些实际应用环境中的机械振动或者热扰动常常会引起谐振腔元件偏离预设位置，这就要求激光器对各种因素引起的光腔失调不敏感，因此谐振腔的稳定度成为一个很重要的设计指标。
端面泵浦的固体激光器，由于激光晶体端面局部的吸热非常强，因而存在非常严重的热效应，导致激光晶体折射率因为温度的改变而改变。为了得到高功率连续运转的固体激光器，在谐振腔设计中需要考虑激光晶体的热透镜效应。
1谐振腔的作用、分类及比较
1.1谐振腔的作用
光学谐振腔的作用表现在两个方面：
1 ?提供光学正反馈作用
激光器受激辐射过程具有“自激”振荡的特点，即由激活介质自发辐射，在腔多次往返而形成持续的相干振荡。振荡光束在腔行进一次时，除了由腔损耗和通过反射镜输出激光束等因素引起的光束能量减少外，还能保证有足够能量的光束在腔多次往返经受激活介质的受激辐射放大而维持振荡。影响谐振腔的光学反馈作用的两个因素：一是组成腔的两个反射镜面的反射率，反射率越高，反馈能力越强；二是反射镜的几何形状以及它们之间的组合方式。这两个因素的变化都会引起光学反馈作用大小的变化，即引起腔光束损耗的变化[1][2]。
2 ?对振荡光束的控制作用
主要表现为对腔振荡光束的方向和频率的限制。由于激光束的特性和光腔结构有密切联系，因而可用改变腔参数（反射镜、几何形状、曲率半径、镜面反射率及配置）的方法来达到控制激光束的目的。具体地说，可以达到以下几方面的控制作用：（1）有效控制腔实际振荡的模式数目，使大量的光子集中在少数几个状态之中，提高光子简并度，获得单色性好、方向性强的相干光；（2）可以直接控制激光束的横向分布特性、光斑大小、谐振频率以及光束发散角等；（3）可以改变腔光束的损耗，在增益一定的情况下能控制激光束的输出功率⑴[2]0
1.2谐振腔的分类及比较
光学谐振腔由两个或两个以上光学反射镜面组成。反射镜可以是平面镜或球面镜，置于激光工作物质两端。两块反射镜之间的距离为腔长。其中一个镜面反射率接近100%，称为全反镜；另一个镜面反射率稍低些，激光由此镜输出，故称输出镜, 两者有时也分别称为高反镜和低反镜。
光学谐振腔按其稳定性可分为稳定腔、非稳定腔和临界腔；按组成谐振腔的两块反射镜的形状，可将激光谐振腔区分为：平行平面腔，平凹腔，凹凹腔，凸凹腔等；而按照反射镜的排列方式可以划分为直腔和折叠腔。如果光线在谐振腔能够往返任意次而不会横向逸出腔外，这样的谐振腔就称为稳定谐振腔，简称稳定腔；如果光线经过若干次