Cr_4_YAG晶体用于Nd_YAG和磷酸盐钕玻璃激光器被动调Q研究

Cr4+ : YAG晶体用于 Nd: YAG和磷酸盐钕 玻璃激光器被动调 Q 研究 冯国英 � 吕百达 � 孔繁龙 � 蔡邦维 � � � 徐天华 � 黄永忠 (四川联合大学激光物理与化学研究所,成都 � 610064) � (西南技术物理研究所,成都 � 610041) 提要:对包含增益介质、慢饱和吸收介质的被动调 Q 的速率方程组作了数值计算。用参数适当的 Cr 4+ : YAG 晶体在 Nd: YAG和磷酸盐钕玻璃板条激光器中实现了被动调 Q,数值计算与实验结果作了比较, 两者符合较好。 关键词: Cr4+ : YAG 调 Q 晶体,被动调 Q, 速率方程组,磷酸盐钕玻璃 Study of passive Q�switched Nd:YAG and Nd: phosphate glass slab lasers with a Cr4+ : YAG crystal Feng Guoying � L� Baida � K ong Fanlong � Cai Bangw ei ( Institute of Laser Physics and Chemistry, Sichuan University, Chengdu � 610064) X u T ianhua � Huang Yongzhong ( Southwest Institute o f Technical Physics, Chengdu� 610041) Abstract: The rate equations including gain medium and slow saturation absorber have been calculated numerically. T he esperiments for passiv e Q�sw itched Nd: YAG and Nd: phosphate glass slab lasers with a Cr 4+ : YAG crystal has been perfo rmed. The calculation results have been compared w ith the exper imental data showing a good consistence. Key words:Cr4+ : YAG Q�switch crystal, passive Q�switch, rate equations, Nd: phosphate g lass 1 � 引言� 掺四价铬的调 Q 晶体具有宽的吸收带和 良好的饱和吸收性质,近年来发展迅速�1�- �5�, 但未见到在钕玻璃激光器中应用。本文中, 我 们首先对慢饱和吸收体被动调 Q 的速率方程 作了数值计算。在理论的基础上, 用掺四 价铬的 YAG晶体( Cr4+ : YAG)作调 Q 晶体在 Nd: YAG板条激光器中实现了被动调 Q, 对脉 宽作了测量, 并进一步在磷酸盐钕玻璃板条激 光器中选用合适参数的 Cr4+ : YAG 进行调 Q, 得到了脉宽合适( 100ns) , 光束质量很好的调 Q 脉冲, 对脉冲形状也作了测量。结果明理论 预测的结果与实验中实际测得的结果是一致 的。 2 � 原理 Cr4+ : YAG 的恢复时间较其产生的调 Q 脉冲脉宽长, 一般在微秒量级( 3�4�s)�2�, 故为 �慢饱和吸收体�。它具有优良的饱和吸收特 性,存在明显的激发态吸收(基态吸收截面�g= 8�7 � 10- 19 cm2, 激发态吸收截面 �e = 2. 2 � 10- 19cm2) �2�, 吸收带较宽,高化学稳定性, 无退 化现象,高损伤阈值,导热性好。 包含增益介质、慢饱和吸收介质的被动调 Q 的速率方程组(其中,激光增益介质为四能级 系统)如下�6�: �N 1�t = - cN 1�g lQ lR � + N 2/ T � (1) �N 2 �t = cN 1�g lQ lR � - N 2/ T � (2) �N s t�t = - �N st�stc lg lR - N st / �f + ( ntot - N st ) WP (3) � ��t = �( �stcN s t l g lR - �c l� lR - �gcN 1 lQ lR 38 � �激光杂志�1998年第 19 卷第 3 期 � � � � � � � LASER JOURNAL ( Vol� 19, No 3� 1998) � � � 本项目为国家高技术强辐射重点实验室基金 H96�1 项目资助。� 1997年 11月 26日收稿 - �ecN 2 lQ lR + lnR / �R) ( 4) � � 式中, N1 和 N2 分别为饱和吸收体在吸收 和驰豫过程中的基态和第一激发态的粒子数密 度, N1+ N2= N0, N0 是总粒子数密度或吸收杂 质中心浓度。N st为在激光增益介质中的反转 粒子数密度。�st为激光介质的受激发射截面 ( Nd: YAG的 �st等于 50 � 10- 20 cm2, Nd: phos� phate glass 的 �st等于 4�0 � 10- 20 cm2 )�1�。T a 为饱和吸收体基态吸收的恢复时间。A21为自 发辐射速率, WP 为泵浦速率, 与灯光波形有 关。R为输出耦合镜的反射率。�R 为光在腔 内每往返一周时间(忽略光在腔中的散射和在 晶体表面的反射等其它损耗, �R = 2lR c , lR 为实 际腔长, c 为光速)。l g 为增益介质的增益长 度, �为增益介质的吸收系数, l�为增益介质的 吸收长度, lQ 为 Cr 4+ : YA G 晶体的厚度。 � 为光子通量。在激光束方向自发辐射的光子密 度可看成是初始光子密度, 有�6�: �i �N st ��c4��f , � 为激光束的立体角, �f 为荧光寿命。�c 为谐 振腔内光子衰减的寿命时间, �c= �R / �, �= - lnR+ 2�l�+ 2�gN 1 lQ+ 2�eN 2 lQ。 3 � 数值计算结果 � � 图 1� 计算所得在 YAG 激光器 中光子通量、激活介质反转粒子数密 度、Cr 4+ : YAG 晶体的基态粒子数密 度和透过率随时间变化的曲线。 图 2� 计算所得在磷酸盐钕玻璃激 光器中光子通量、激活介质反转粒子 数密度、Cr4+ : YAG 晶体的基态粒子 数密度和透过率随时间变化的曲线。 图 3 � 计算所得 Nd: glass 激光器调 Q 脉冲宽度和峰值功率随 Cr4+ : YAG 掺杂浓度厚度乘积变化。 � � 由于各变量相互耦合,一般情况下难于得 到速率方程组( 1) - ( 4)的解析解,本文中用四 阶龙格库塔法进行数值计算。在 Nd: YAG 板 条激光器中, 放电网络采用 4LC 脉冲成型网 络, Nd: YAG板条激光介质被两闪光灯对称泵 浦,谐振腔型选用普通平凹腔,平面输出耦合镜 透过率选为 40% , 腔长为 50cm。当泵浦能量 为 100J时,激光增益介质的小信号增益系数 g0 = 0�1cm- 1, 增益长度为 100mm, 吸收系数为 0�01cm- 1,吸收长度为 130mm。设 Cr4+ : YAG 晶体掺杂浓度厚度乘积为 5�42 � 1018 ions/ cm2。解微分方程组( 1) ~ ( 4) , 可得光子通量、 激光增益介质的反转粒子数密度、饱和吸收体 的基态粒子数密度和透过率随时间变化的曲线 (见图 1) , 调 Q 脉冲宽度为 20ns。从图 1中可 见,当腔内光子数逐渐增多时, Cr4+ : YAG 透过 率变大,腔的 Q 值增加, 介质内反转粒子数密 度被大量消耗,光子数密度增大, 得到调 Q 激 光脉冲输出。当光子数密度逐渐变小时, Cr4+ : YAG 透过率逐渐变小。可见, Cr4+ : YAG晶体在谐振腔内因其透过率由小变大又 逐渐变小起到了光开关的作用,压窄了输出激 光脉冲。 将 Nd: YAG板条换为磷酸盐钕玻璃板条, 输出镜反射率为 60%, 谐振腔长选为 0�8m,激 光介质长度为 13cm。若仍选用掺杂浓度厚度 乘积为 5�42 � 1018 ions/ cm2 的 Cr4+ : YAG 晶 体,则不能达到激光振荡阈值,因此也不能实现 39� �激光杂志�1998年第 19 卷第 3 期 � � � � � � � LASER JOURNAL ( Vol� 19, No 3� 1998) � � 调 Q 输出。我们了饱和吸收体 Cr4+ : YAG晶体的掺杂浓度厚度乘积为 1�6 � 1017 ions/ cm 2。计算结果如图 2所示。从图 2 中可 见,调 Q 脉冲脉宽为 100ns,饱和吸收体的透过 率相应于其基态粒子数密度发生跃变, 调 Q 脉 冲也使激光增益介质的反转粒子数密度急剧下 降,当 Cr4+ : YAG晶体掺杂浓度与厚度的乘积 发生变化时(其余参数均保持不变) , 调 Q 脉冲 宽度也发生变化(如图 3示) ,调 Q 脉冲宽度为 100ns,当浓度厚度乘积越大, 调 Q 脉宽越窄, 脉冲峰值功率越高。由于磷酸盐钕玻璃介质的 发射截面与 YAG 相比要小一个数量级, 故在 相同泵浦条件下或在相同的增益条件下, 同一 片在 YAG激光器上很容易实现被动调 Q 的 Cr4+ : YAG晶体在磷酸盐钕玻璃激光器中就可 能不能实现调 Q。所以,针对具体的实验条件 选择合理的参数是非常重要的。 4 � 实验结果 参考理论计算的结果, 我们进行了 Cr4+ : YAG分别插入 YAG板条激光器和磷酸盐钕玻 璃板条激光器被动调 Q实验研究。在 YAG板 条激光器中, 激光介质的受激发射截面面积较 大,激光增益较高, 因此采用了厚度为 4�2mm、 掺杂浓度较高的 Cr4+ : YAG晶体。实验测得输 出激光脉冲形状如图4( a)所示,与计算值相符。 � � 与理论分析一致的是,若将 YAG板条换为 磷酸盐钕玻璃板条, 不能实现调 Q 输出。在磷 酸盐钕玻璃板条激光器中,激光介质的受激发射 截面面积相对较小,激光增益较小, 因此采用了 厚度较小(为 2mm)、掺杂浓度较低的 Cr4+ : YAG 晶体。谐振腔型选为平凹腔,凹面反射镜曲率半 径 R= 5m,平面输出耦合镜透过率为 40%,板条 尺寸为 4�8 � 10 � 130mm3,重复频率 0�2~ 1Hz。 当泵浦能量为 109J时,得到脉宽为 100ns、能量 为 6mJ的单横模调Q 输出激光。实验测得输出 激光脉冲形状如图 4( b)所示, 脉宽为 100ns, 也 与数值计算结果相符。 在我们自行研制的激光光束质量分析仪上 用多点拟合法测量输出激光光束质量。实验测 得输出激光在 x(板条厚度)和 y (板条宽度)方 向的光束束宽 wx , w y 随传输距离 Z 的变化及 拟合双曲线如图 5所示,由拟合结果计算可得: M2x= 1. 1, M 2 y= 1. 1。 4a � � � � � � � 4b 图 4� 用 TEK7904 示波器和 CCD 采集系统测得 ( a) YAG板条激光器和( b)磷酸盐钕玻璃板条激光器调 Q输出激光的脉冲波形 5a� � � � � � � 5b 图 5� 调 Q 输出激光在( a) x 方向和 ( b) y 方向的光 束束宽 w x和 w y随传输距离 Z 的变化 5 � 结论 我们首次将新型 Cr4+ : YAG 晶体用于磷 酸盐钕玻璃板条激光器中实现了被动调 Q, 操 作方便,有推广应用意义。理论及实验研究表 明: ( 1)多用于 Nd: YAG的新型 Cr4+ : YAG 晶 体也可用于磷酸盐钕玻璃激光器实现被动调 Q,关键技术在于参数匹配; ( 2)理论分析与实 验结果一致,证明了我们所进行的含激光介质 和饱和吸收体的调 Q 速率方程数值求解是正 确的,为设计有实用价值的调 Q激光器提供了 依据。 (下转 43页) 40 � �激光杂志�1998年第 19 卷第 3 期 � � � � � � � LASER JOURNAL ( Vol� 19, No 3� 1998) � � 响。 T 8钢激光冲击前后的透射电镜照片如图 2所示。从图中可以看出,未冲击试样的照片 a 放大 48000 � ,其组织为片状铁素体+ 渗碳体, 是典型的层片状珠光体组织。图 b 为 48000 � 放大经冲击的组织, 可在图的中央部分看到明 显的孪晶马氏体, 整个组织为马氏体+ 部分孪 晶马氏体。图 c为放大 72000 �经冲击的透射 照片。在图右边显示出较多较粗大的渗碳体。 整个图中显示的马氏体条也较粗大,且界面不 清晰。另外,组织粗细有较大差异,表明相变发 生不均匀,这应与表面冲击过程时间长短有关。 相变(即马氏体的产生)是表层硬度升高的原因 之一。 3�3 � 分析 R�W�C�5�Cahn 研究指出, 除了温度变化 可以引起相变外,所受应力变化也可引起 相变。尤其冲击波作用时间短, 在相对绝热条 件下,材料表层迅速达到汽化温度被蒸发,同时 在次表面产生几百兆帕的压力, 因此相变是容 易发生的。另外, 激光产生的冲击波有剪切力 的存在,这将促进马氏体相变的发生。据报道 爆炸冲击硬化时激波所引起的材料温度升高超 过 100 � �6�。因此笔者认为这时发生的马氏体 由相变并非仅由温度变化所至,也是冲击波压 力引起的,或者说由于压力将材料马氏体相变 升至室温或室温以上发生的。由于激光冲击作 用的特殊性,对激光冲击技术及其诱发相变的 机理还需作更深的研究。 4 � 小结 ( 1) T8 钢经冲击后表面显微硬度增加了 2�09倍。 ( 2) T8钢表层发生了马氏体相变。 ( 3) T8钢经冲击后表面硬度的增加与相变 的产生有关。 参 考 文 献 �1�� 刘富荣,硕士学位, 华中理工大学, 1996 �2�� 李明山,表面技术, 1993, 22( 4) : 142 �3� � Allan H Clauer, Craig T . Walters and S. C. Ford, Conf. Processings AMS, EACD Ohio, 1983, 7 �4� � R. W . Cahn, The Eneyclopedia of I gnor ance, Pergman Press, 1977; 140 �5�� 蔡希洁,应用激光, 1996; 16( 4) : 173 �6�� A. V . John, Laser shock ex tends fatigue life, Ameri� can Mechanist, 1992, 7 作者简介:杨晓, 女, 23岁, 1998年毕业于华中 理工大学,现在该校攻读硕士。 (上接 40页) ( 3)由于 Cr4+ : YAG 的� 漂白�原理, 采用普通 平凹腔,当激光介质增益不太高时, 调 Q 晶体 作为光开关, 首先在激光束中心处即基模位置 附近打开,起到了光阑的作用,得到了近衍射极 限的高光束质量激光调 Q输出。 参 考 文 献 �1� � I . J. M iller, J. E. Bernard�Experimental investig a� tion of Cr 4+ in YAG as a passive Q�sw itch�O. S. A. P roc. Advanced Solid�State Lasers, 1992, 13: 322~ 325 �2� � Y. Shimony, Z . Burshtein and Y , Kalisky�Cr4 + : YAG as passive Q�switch and Breester plate in a Pulsed Nd: YAG laser� IEEE J. Quant. Electr on. , 1995, 31( 10) : 1738~ 1741 �3�� K. Spariosu, W. Chen R. Stultz, M . Bimbanm. Dual Q switching and laser action at 1. 06 and 1. 44�m in a Nd3+ : YAG- Cr4+ : YAG oscillator at 300K. Opt Lett. , 1993, 18( 10) : 814~ 816 �4� � W, Chen, K . Sar iosu, R. Stultz et al. Cr 4+ : GSGG saturable absorber Q - switch for the ruby laser. Opt. Commun. , 1993, 104( 1) : 71~ 74 �5� � Y. K. Kuo, M . F. Huang, M . Birnbaum, Tunable Cr4+ : YSO Q�switch Cr : L iCaF laser. IEEE J. Quant . Electron. , 1995, 31( 4) : 657~ 663 �6�� W� 克希奈尔著,华光译, 梅遂生校� 固体激光工 程, 北京:科学出版社, 1983。 作者简介:冯国英,女, 28岁, 副研, 1993年毕业 于四川大学光学专业,现在该校从事激光物理 与激光技术研究工作。 43� �激光杂志�1998年第 19 卷第 3 期 � � � � � � � LASER JOURNAL ( Vol� 19, No 3� 1998) � �