1. 研究目的与意义
激光技术的快速发展加速了人类进入信息化时代的步伐，通信技术和互联网的繁荣发展使得人们的生活更加便捷、更加丰富多彩。从 Maiman 发明的第一台红宝石激光器发明至今五十几年，以激光器为核心的激光技术已经在人们的生活紧密联系在一起，包括在工农业生产、医疗、国防、科研等等方面都有着广泛应用。随着科学技术的发展，对激光器性能的要求也逐步提高。量子信息、冷原子物理以及激光通信技术的发展都需要频率可调的各种特定波长的激光器。其中，非平面环形腔激光器具有单频、噪声低、频率可调等优点在众多应用中起到重要作用。因此本次论文对非平面环形激光器进行研究，完成其电控系统设计。
2. 课题关键问题和重难点
目前，采用单块环形谐振腔获得大功率单频激光是最有效的方法，这种激光器结构紧凑、受外界干扰小、频率稳定并可调，在相干探测和相干激光通信领域起到很重要的作用。课题在研究过程中需要解决的关键问题及难点如下：
1.目前国内主流采用温控调谐和压控调谐的方法对单块环形 Nd:YAG 激光器进行频率控制，如何扩大调谐范围、提高调谐速率是频率控制技术的重点以及难点。
2.非平面环形 Nd:YAG 激光器频率关键技术还包括如何提高响应速度、提高其稳定性、保证带宽宽、高速 PZT 驱动等技术问题；
3. 国内外研究现状（文献综述）
1985年，Thomas J. Kane等人第一次提出了采用激光二极管(LD)端面泵浦的以 Nd:YAG为增益介质的单块非平面环形谐振腔结构，通过添加磁场，得到了163mw 的单纵模输出激光[1]。使用激光二极管泵浦，可以使得输出波长以及功率保持稳定，并降低了热效应的影响。只使用单块晶体使得输出激光具有优异的稳定性，环形腔结构避免了驻波产生的空间烧孔效应。1987年，W. R. Trutna等人在Kane设计的基础上进行了一定的改进，得到了一种称为准平面的环形结构、Kane等人设计的结构的二面角 a=90 ，这种结构需要1T左右的磁场[2]。而该文设计的结构的二面角 a=1 ，只需要100G的磁场就能实现单向运转，用一个永磁体就足够提供需要的磁场，操作起来简单易行。实验结果表明该设计结构能够分别得到1.319μm和1.338μm波长的激光，且泵浦阈值为4.5mw。1989年，ALAN C. NILSSON等人在前人的基础上对单块非平面环形激光器从 理论上进行了详细的分析。利用琼斯矩阵，以及光等效理论计算了NPRO的本征 偏振，通过以损耗最小，损耗差最大作为优化条件，给出了设计NPRO的参数方案。为NPRO的设计提供了完备的理论基础。I. Freitag等人在高功率和高效率Nd:YAG NPRO激光器研究方面开展了大量工 作。提出了将输出面做成负曲率半径球面，来补偿泵浦引起的热透镜效应的设计 思想，通过偏振耦合的方式将4个LD的输出注入晶体，在3.8W泵浦功率下，获得 1.8W输出，斜率效率接近55%。通过和另一台NPRO激光器进行注入锁定，获得4W 输出[3]。近年来，德国的Innolight公司对单块非平面环形Nd:YAG激光器不断地进行完 善，1.064μm激光的输出功率达到2W，1.319μm激光的输出功率则达到0.5W以上， 线宽均小于1kHz，相对强度噪声低于-100dB/Hz。可以进行温度和压电频率调制，温度调制系数为-3GHz/C，响应带宽为1Hz左右，温度调频范围大于30GHz，连续 无跳模调频范围约为8GHz，压电调制系数为1MHz/V，响应带宽100kHz，压电调频范围大于200MHz[4]。2011年，美国Aerospace Corporation的Da-Wun Chen等人报道了1.645um的 Er:YAG NPRO激光器，未采用键合结构，晶体尺寸为13mm(l)14mm(w)3(h)mm， 采用1532nm光纤激光器泵浦。获得0.5W的单频基模输出，磁感应强度0.5T左右， 光光效率为11%。激光线宽为21kHz，连续无跳模温度调谐范围为5GHz，调谐系数为-2.5GHz/C[5]。
国内对NPRO激光器的研究起步较晚且比较少。2004年，臧二军等人，根据实际工程的需要，提出了半非平面环形激光器的理念[6]。所谓半非平面环形激光器就是指二面角为45，该结构既具有较宽的释放公差，又能在较低的磁场强度下实现单纵模运转，因而其既有Kane等人设计的非平面结构的优点也有Trutna等人设计的 准平面结构的优点，同时又克服了两种的不足。因而该结构可以在工程上得到广泛的应用[7]。2004年，北京理工大学的王青等人则分析了应力对环形非平面谐振腔 的损耗以及损耗差的影响[8]。 2008年，姚宝权等人报道了2.09μm Ho:YAG NPRO激光器，晶体尺寸 10mm(l)8mm(w)3.6(h)mm，未采用键合结构，磁感应强度0.2T，采用17.8W掺Tm 光纤激光器泵浦，获得7.3W单频激光输出，斜率效率48%[9]。采用温度调谐的情况下，连续无跳模调谐范围为4GHz，调谐系数为-1.5GHz/C。 2009年，北京理工大学的高春清等人报道了2.01μm YAG Tm:YAG YAG NPRO激光器，晶体尺寸14mm(l)12mm(w)4(h)mm，磁感应强度0.4T，在4.5W的 785nm光纤耦合LD泵浦下，获得867mW单频输出，斜率效率和光光效率分别为 31.6%和19.2%。连续无跳模温度调谐范围为3.4GHz，调谐系数为-1.89GHz/C[10]。
参考文献：
4. 研究方案
研究方案：本文设计制作了非平面环形腔固体激光器，电路部分分为同步信号电路板，温度控制电路板，供电电路板。光学部分分为LD选择，环形腔晶体选择。控制部分分为PID温度控制，信号同步采集控制。
研究方法：主要通过数据计算，硬件设计，软件设计，光学设计（LD选择和NPRO晶体选择），模拟测试、实物搭建、算法验证相结合的研究方法。
结构组成图：
5. 工作计划
第1周：确定毕业设计题目，查阅相关资料，掌握激光器设计原理和光学工程相关的知识；第2周：继续查阅相关资料，并翻译不少于3000字的外文文献，论证设计的可行性，研究设计方案和设计思路；第3周：确定设计方案和关键技术，拟定采取的解决措施，撰写毕业设计开题报告；第4-5周：对激光器电路系统进行设计；第6周：对光学相关的晶体，LD等进行选型和设计；第7-9周：将激光器实物安装完成，进行试验测试数据；第10周：优化设计，同时列写毕业论文大纲，准备起草论文；第11周：进行系统的整体调试，整理资料，撰写毕业论文；第12周：修改、完善毕业论文，本周末提交毕业论文； 第13周：指导教师审阅毕业论文，修改后准备毕业答辩；第14周：毕业设计答辩及成绩评定。
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