激光是二十世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一。而其中固體激光應(yīng)用非常廣泛,特別是在金屬加工、醫(yī)學(xué)、工業(yè)制造等方面,如眼科手術(shù),紅綠藍(lán)（RGB）光源激光打印機(jī)和放映機(jī),環(huán)境測(cè)量等。歷史上,科學(xué)家們使用單晶或玻璃被用作固態(tài)激光器的增益介質(zhì),首先成功的是梅曼在1960年設(shè)計(jì)的紅寶石激光器,而自從1964年人們使用Nd:YAG(Nd:Y₃Al₅O₁₂)單晶在室溫下成功產(chǎn)生連續(xù)波激光振蕩以來(lái),使用單晶的固體激光器的設(shè)計(jì)不斷取得突破。而透明陶瓷激光材料因其相對(duì)于單晶激光的諸多優(yōu)點(diǎn)而成為一種很有前途的候選增益介質(zhì)。首先,陶瓷可以大量生產(chǎn),其次,它們可以為高光束質(zhì)量的光纖激光器提供增益介質(zhì),也可以制成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的復(fù)合激光介質(zhì),此外,陶瓷可以大量均勻地?fù)诫s激光活性離子。它們還可用于制造新型激光材料,如倍半氧化物,這是傳統(tǒng)熔體生長(zhǎng)過(guò)程所不能生產(chǎn)的,這種新型激光材料具有抗激光損傷能力強(qiáng)、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),在高功率密度激光領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。所以使用透明陶瓷材料代替單晶材料作為激光增益介質(zhì)已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。本文先圍繞新型激光增益固體材料,理論分析了基質(zhì)材料對(duì)光... 

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Yb3+的能級(jí)結(jié)構(gòu)和可能的躍遷（光吸收和發(fā)射、聲子躍遷）

第二章?lián)借O激光增益固體材料12激光增益材料在合適的抽運(yùn)和腔體設(shè)計(jì)條件下可以實(shí)現(xiàn)激光振蕩。正如前面章節(jié)所討論的，選擇不同的活性離子和基質(zhì)材料組成增益介質(zhì)，對(duì)激光動(dòng)力學(xué)有很大的影響。此外，對(duì)于不同的腔設(shè)計(jì)，激光的特性也會(huì)有很大的不同。因此，人們需要建立一種理論來(lái)精確描述激光腔內(nèi)發(fā)生的激光動(dòng)力學(xué)。對(duì)于大多數(shù)固體激光器來(lái)說(shuō)，激光動(dòng)力學(xué)可以用一組耦合的速率方程來(lái)精確描述，這就是所謂的速率方程理論。眾所周知，激光就是原子能級(jí)間的受激輻射。實(shí)現(xiàn)激光振蕩的一大必要條件是，從能級(jí)上的粒子數(shù)來(lái)說(shuō)，高能級(jí)必須大于低能級(jí)，這被稱(chēng)為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)�？梢杂靡粚�(duì)聯(lián)立的對(duì)時(shí)間微分的方程來(lái)描述空間均勻激光介質(zhì)中的粒子反轉(zhuǎn)數(shù)和輻射密度的關(guān)系。通常使用的速率方程包含一些簡(jiǎn)化和假設(shè)：通常不考慮激光介質(zhì)中輻射的縱向和徑向變化。根據(jù)速率方程可以得到閾值條件和激光效率等重要信息。此外，即使在必須考慮非均勻性的情況下，只要引入一些小的修正，速率方程仍然可以提供一個(gè)很好的近似。此外，速率方程在預(yù)測(cè)激光輸出的總體特性，如閾值泵浦功率、輸出激光的平均功率和峰值功率、調(diào)Q激光器、脈沖激光器等方面也有一定的實(shí)用價(jià)值�？傊俾史匠烫峁┝艘粋�(gè)強(qiáng)大的工具來(lái)解決固體激光工程師遇到的大多數(shù)問(wèn)題。2.3.1理想的三能級(jí)系統(tǒng)圖2-2紅寶石晶體-典型的三能級(jí)系統(tǒng)理想的三能級(jí)系統(tǒng)如圖2-2所示。1級(jí)的粒子通過(guò)抽運(yùn)到達(dá)3級(jí)，這種抽運(yùn)可以是吸收來(lái)自手電筒、激光二極管或其他固態(tài)激光器的適當(dāng)光子。在這里簡(jiǎn)單地假設(shè)粒子從第一級(jí)以ωp的速率上升到第3級(jí)。當(dāng)粒子到達(dá)第3級(jí)時(shí)，它們迅速衰變躍遷到第2級(jí)和第1級(jí)，使激光輻射發(fā)生在2級(jí)和1級(jí)之間。除此之外我2.3能級(jí)系統(tǒng)的速率方程描述

第二章?lián)借O激光增益固體材料15()212totthptotthouttthnnWnnhVPncνττσ+=（2-21）根據(jù)公式（2-13）和（2-21），我們可以看出在三能級(jí)模型中，泵浦閾值與激發(fā)態(tài)能級(jí)壽命成線(xiàn)性反比，與激光發(fā)射截面成非線(xiàn)性負(fù)相關(guān)，這意味著長(zhǎng)壽命的激發(fā)態(tài)有著更高的儲(chǔ)能效率；而耦合激光的輸出功率與泵浦功率成線(xiàn)性增加關(guān)系。2.3.2理想的四能級(jí)系統(tǒng)理想的四能級(jí)系統(tǒng)如圖2-3所示。圖2-3Nd:YAG-典型的四能級(jí)系統(tǒng)類(lèi)似于三能級(jí)系統(tǒng)，我們也假設(shè)粒子間沒(méi)有發(fā)生碰撞，則進(jìn)一步可以得到在穩(wěn)定狀態(tài)下有如下：32103000τττ≈≈≈∞（2-22）由上述公式我們可以推出四能級(jí)的速率方程為：220212131tot0221dndt0ddtpcnWnncncnnnnnncncσστσστ=+≈≈=+=（2-22）簡(jiǎn)化后速率方程可以寫(xiě)為：

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Generation of sub-100-fs pulses from a diode-pumped Yb:Y3ScAl4O12 ceramic laser[J]. 馬杰,王俊,沈德元,Akio Ikesue,唐定遠(yuǎn).  Chinese Optics Letters. 2017(12)



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