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1、第32卷第4期 2005年4月 中國激光 C H IN ESE J OU RNAL O F L ASERS Vol. 32, No. 4 April , 2005 文章編號：025827025（2005 0420461205 激光二極管抽運聲光調(diào)Q高重復頻率532nm激光器 馮立春,霍玉晶，何淑芳,楊成偉 （清華大學電子工程系,北京100084 摘要 實現(xiàn)了重復頻率高達105kHz的緊湊的全固態(tài)聲光（A -O調(diào)Q 532nm腔 內(nèi)倍頻激光器。激光器使用 Nd : 丫 VO 4作為激光晶體,U類匹配的KTP為倍頻晶體,聲光器件材料為熔 融石英，由自制的聲光驅(qū)動器驅(qū)動，其最大

2、 射頻輸出功率為7. 5W ,重復頻率1Hz?105k Hz可調(diào)。使用1W的激光二極 管（LD抽運,50k Hz重復頻率下,得到平均功率達224mW的532nm脈沖激光穩(wěn)定平 均輸出，總光光轉(zhuǎn)換效率高達22. 4%。低重復頻率下,可以實現(xiàn)脈寬為17. 2ns,峰值 功率為470W ,單脈沖能量為8. 1卩的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。給出了平均功率與重復頻率關系 的一般公式，并提出即使是在四能級系統(tǒng)中，有效儲能時間也并不等于上能級壽命， 關鍵詞 激光技術；固體激光器；激光二極管抽運；儲能時間；Q;中圖分類號 TN248. 1 文獻標識碼 A Q 2switched 532nm Laser with Hig

3、h R epetition R ate FEN G Li -chun , HUO Yu -ji ng , H E Shu -fan g , YAN G Che ng -wei (Departme nt of Elect ronic Engin eeri ng , Tsin ghua Uni versit y , B ei j ing 100084, Chi na Abstract A compact , all solid -state and high repetition rate as up to 105k Hz acousto 2optic (A 2O Q 2switched i

4、n tracavity freque ncy 2doubled 532nm laser is demonstrated. A Nd : YVO 4crystal is used as active media and a type 2 KTP (KTiPO 4 as f requency doubler , The Q switcher is made by f used silica and driven by a driver whose maximal rf output power is 7. 5W and repetition rate is variable f rom 1Hz t

5、o 105k Hz , which is made by our own. 224mW of 532nm average power at a repetiti on rate of 50k Hz was gen erated with a 1W laser diode (LD as pump source , and a high optical -to -optical con versi on efficie ncy of 22. 4%was obta in ed. Un der low repetiti on rate , steady operation is achieved wi

6、th pulse width of 17. 2ns , peak power of 470W and single pulse energy of 8. 1 卩 J. A general formula of average 2power as a function of pulse repetition rate is prese nted which has good agreeme nt with the experime nt results. An alysis and experime ntal verificati on showed that , eve n in four 2

7、level system , the effective storage time is not equal to the upper state lifetime. K ey w ords laser tech nique ; solid 2state laser ; laser diode pumped ; storage time ; acousto 2optics Q 2switched ; intracavity second harmonic generation ; high repetiti on 2rate 1引言 聲光（A -O調(diào)Q脈沖激光器已被廣泛應用于激光測距、大

8、氣監(jiān)測、激光雷達、 光電對抗、激光加工和醫(yī)療等領域。相對閃光燈抽運激光器而言 ，激光二極管（LD 抽運的固體激光器因其高效、緊湊、使用壽命長 ,且易獲得高質(zhì)量光束等特點而更 具有優(yōu)勢。Nd： YVO 4晶體在較寬的抽運波長范圍內(nèi)都有 收稿日期：2004202209;收到修改稿日期：2004206223 基金項目：國家 863計劃（2001AA311060資助項目。 很好的吸收，在激光發(fā)射波長上有很大的受激發(fā)射截面，而且具有線偏振發(fā)射的 特性,使其在激光二極 管抽運腔內(nèi)倍頻激光器中得到廣泛的應用［1?3］。 近年來,使用Nd : YA G ［4,5］和Nd : YVO 4［6］的聲

9、光調(diào)Q腔內(nèi)倍頻綠光激光 器都達到了較高的水平，被動調(diào)Q綠光激光器也有報道［7］。中國科學院物理所實現(xiàn) 了大功率激光二極管抽運的Nd : YVO 42KTP聲 ,男,清華大學電子工程系博士研究生，主要從事固體激光技術及器件的研究。 作者簡介：馮立春（1974— E 2mail :fenglc97@mails.tsinghua. edu. cn 462中 國 激 光 32卷 光調(diào)Q綠光激光器［8］,取得了高功率的綠光激光輸出；研究了激光器在脈沖重 復頻率1?30k Hz范圍內(nèi)的性能,得到倍頻脈沖的峰值功率在重復頻率為 10k Hz時 達到最大值的實驗結(jié)果，在低重復頻率時峰值 用Agi

10、le nt 54611A型示波器測量激光脈沖的寬度和重復頻率,用物科光電L P 23A型功率計測量平均 輸出功率。 功率降低。文獻［7］認為在低重復頻率時峰值功率下降的原因是由于自發(fā)輻射 引起的上能級集居數(shù)降低，但并未對此解釋給出理論證明和實驗驗證。本文研究了 激光二極管端面抽運的Nd : YVO 42KTP腔內(nèi)倍頻聲光調(diào)Q激光器，在1?100k Hz的寬重復頻率范圍內(nèi)，平均功率、脈沖寬度和峰值功率與重復頻率的關系，與文 獻［7］的結(jié)果進行了比較，并對實驗結(jié)果進行了分析。 3實驗結(jié)果及分析 3. 1實驗結(jié)果 首先研究了激光平均輸出功率與脈沖重復頻率的關系，測量結(jié)果如圖2所示。 在脈沖

11、重復頻率為 50k Hz時，得到最大平均輸出功率210. 4 ruise repetition rate /khz |flfUB| J?fC￡SLJ?JK. l耳irilg Vll 屯愉t 口ru yciqsuiK： 2實驗裝置 實驗裝置如圖1所示。,腔鏡M 11808nm光高透,和532nm光高反；Nd : YVO 4KTP晶體和聲光Q開關 兩端面鍍對1064nm和532nm光的增透膜；輸出反射鏡M 2鍍對1064nm高反 和對532nm高透的介質(zhì)膜。抽運源為功率1W的激光二極管，其輸出光經(jīng)過焦距為 3mm的非球面透鏡聚焦到 Nd : YV0 4晶體上

12、。Nd : YV0 4和KTP晶體尺寸分 另為3mmX3mmX1mm和3mmX3mmX5mm。激光二極管、激光晶體 圖2532nm激光輸出平均功率隨脈沖重復頻率的變化 Fig. 2Average output power of 532nm laser as a fun cti on of the Q 2switched pulse repetition rate 與倍頻晶體固化為一個整體，對其使用半導體制冷器進行整體控溫。聲光介質(zhì) 采用熔融石英，聲光作用長度為2cm ,換能器工作頻率為70M Hz。聲光Q開關驅(qū) 動器為本實驗室自制，射頻最大輸出功率可達7. 5W ,重復頻率在1Hz?1

13、05k Hz可 調(diào)。此驅(qū)動器 脈沖寬度與重復頻率的關系如圖3所示。重復 頻率1Hz到1k Hz時,激光脈沖寬度基本不變,為17. 2ns左右,當重復頻率為 100k Hz時，脈沖寬度為33ns。實驗中,激光器在高重復頻率下的輸出比較 大大提高了聲光器件的衍射效率，提高了激光器的性能。激光器整體尺寸為 10cm >5cm X3cm ,結(jié)構(gòu)非常緊湊。 使用PIN光電二極管接收532nm激光脈沖, 穩(wěn)定,輸出為基橫模,光斑直徑為0. 16mm ,發(fā)散角為3mrad ,光束質(zhì)量因子M 2= Pulse repetition rate /kHz ED|TW 1T||

14、 1.42 圖4為示波器得到的532nm激光脈沖波形。圖5為50k Hz重復頻率下，532nm 輸出的平均功 圖1聲光調(diào)Q 532nm激光器實驗裝置示意圖 Fig.〔Schematic of the experimental setup for the A 20 Q 2switched 532nm laser 圖3532nm激光脈沖寬度隨重復頻率的變化 Fig. 3Pulse width of 532nm laser as a f un cti on of the Q 2switched pulse repetiti on rate 4期 馮立春等：激光二極管抽運聲光調(diào)Q

15、高重復頻 率532nm激光器463 率與抽運功率的關系。在 50k Hz重復頻率下，532nm閾值抽運功率為200mW , 在1W的抽運功 其中n 2為激光上能級集居數(shù)，△為反轉(zhuǎn)集居數(shù)，和NI分別為工作物質(zhì)中激 光的受激發(fā)射截面和腔 內(nèi)激光的光子數(shù)密度，v為工作物質(zhì)中的光速，Tf上能級自發(fā)輻射壽命，n 4 0 00 0.05 0J0 0J5 020 ■ experiment result —瓊 1 J" Period of the 532 nm laser pulse /ins 0為基態(tài)能級集居數(shù),W 03為受激吸收躍遷幾率。 率下,532nm輸出功率為224mW

16、,從激光二極管輸出的808nm抽運光到532nm 綠光的總光光轉(zhuǎn)換效率為22. 4%,高轉(zhuǎn)換效率很大程度上得益于系統(tǒng)中的非球面耦 合聚焦系統(tǒng)的優(yōu)異性能 u bCLioq 卩g 235 uijj jngci bngzc \uja 0 00 0P2 0J0 (TI2 0*50 5卜 圖4532nm調(diào)Q脈沖波形 Fig. 4Pulse ^Giioq 235 uuj \UJ3 r 5

17、 3 寸 r EUGLm滬 bGr-1k 0 00 0 02 0 10 012 050 —呼［比 ■ GXbCLlUJGLIt LC?n|l shape of 532nm Q 2圖6單脈沖能量與脈沖間隔時間的關系 Fig. 6En ergy per pulse as a f unction of time betwee n adjace nt pulses T來表征抽 假設在腔內(nèi)Q開關關閉即進行儲能時，沒有激光產(chǎn)生，并引入?yún)⒘?運速度,則可以得到 =-d t Tf + TP TP ,(3 圖5532nm平均輸出功率與抽運功率的關系 Fig. 5532nm ave

18、rage output power as a fun cti on of LD power (50k Hz repetiti on rate (T 其中，T p =1/W 03=1/(p v p N p，和 N p 分別為工 作物質(zhì)對抽運光的受激吸收截面和腔內(nèi)抽運光的光子數(shù)密度 ，v p為工作物質(zhì)中 抽運光的光速。 -1 引入?yún)⒘縯假設eff ,并令t eff =(1/ t f +儲能開始時刻即t =0時，激光上能級 集居數(shù)近似為0,則得到上能級集居數(shù)隨儲能時間t變化的解析式 3. 2實驗結(jié)果分析 為 n 2 由于脈沖間隔時間為重復頻率的倒數(shù)，利用得到的平均功率與重復頻率關

19、系的 數(shù)據(jù),就可以得到 單脈沖能量與相鄰激光脈沖間隔時間的關系，如圖6所示。結(jié)果顯示，當脈沖間 隔時間較小時，單脈沖能量隨間隔時間增加增長較快，間隔時間大于0. 1ms時，單脈 沖能量隨脈沖間隔的增長就變得緩慢，呈現(xiàn)飽和趨勢。對于基頻光脈沖能量隨間隔 時間的變化規(guī)律，可以從下列推導得到。設四能級系統(tǒng)中由低到高各個能級集居數(shù) 分別為n 0, n 1, n 2和n 3,并假設n仁0, n 3=0,則有 (1 n 0+n 1+n 2+n 3=n ,四能級系統(tǒng)激光上能級集居數(shù)的速率方程形式為 ： △ nr+n 0W 03, (2 =- c v N ? t d t f ? n 1-exp -

20、t t eff p + Tf T , (4 因為前面已經(jīng)假設激光下能級集居數(shù) n 1為0,故反 轉(zhuǎn)集居數(shù)△ n等于n 2,而基頻光脈沖能量與 △ n直接相關，假設基頻光脈沖輸出 能量接近增益介質(zhì)中的總有效儲能[9],則基頻光單脈沖能量的形式為 E =E 0g 1-exp - ,(5 E 0為最大單脈沖能量。有文章認為(5式中的t就 [10?12]是自發(fā)輻射壽命t而此處并非如此，這里t為f t ＜前面定義的t參eff ,且由t eflf勺定義可以得出:f 。 量工被定義為有效儲能時間[13],有效儲能時間被認 為與抽運條件和激光器設計都有關系，而非由工作物質(zhì)單獨決定［14］

21、。有效儲 能時間可以表明儲能過程進行的快慢 ,對于調(diào)Q激光器的設計和性能估算而 464中 國 激 光 32卷 言， ? 它是一個很有用的參量。 考慮到隨脈沖間隔時間的減少，基頻光單脈沖 能量降低和脈沖寬度增加會帶來的倍頻效率降低的影響，倍頻光單脈沖能量可 以表示為 (6 E s =E sOg 1-exp -. t 由于在實際的四能級系統(tǒng)中，激光下能級粒子數(shù)不為零，所以從儲能開始 到實現(xiàn)集居數(shù)反轉(zhuǎn)需要一段時間，引入?yún)⒘縏從圖6可以看出，實驗結(jié)果e。 與（6式吻合得較好。其中對應的 tfi為23卩s而Nd : YVO 4上能級壽命約為 100卩s二者明顯相差較大，從而

22、從實驗上表明對于四能級系統(tǒng)的 Nd : YVO 4聲光 調(diào)Q激光器而言，T

23、飽和的影響，在重復頻率變化時，基頻光單脈沖能量變化 不大，因而倍頻光單脈沖能量也變化不大，所以平均功率隨重復頻率近似于正比增加 高重復頻率時，基頻與倍頻單脈沖能量隨重復頻率增加而快速下降，綜合作用的結(jié)果 是平均功率隨重復頻率增加而稍有下降。 脈沖建立時間即脈沖前沿隨重復頻率的變化規(guī)律可以表示為 [9] (8 T b =K 0/(N i -N th ,其中T b為脈沖前沿，N i為初始反轉(zhuǎn)集居數(shù)，N th為閾 值反轉(zhuǎn)集居數(shù)，K 0為系數(shù)。由(4式可知，N i隨重復頻率增加而減小，結(jié)合(8式 即可知脈沖前沿隨重復頻率的增加而變寬，而整個脈沖的寬度也隨之變寬。物理過 程可以解釋為：隨脈沖重復頻

24、率的增加，每周期內(nèi)儲能減少，單程增益降低，脈沖從產(chǎn) 生到形成需要在腔內(nèi)往返更多的次數(shù)，從而基頻光脈沖變寬，倍頻光脈沖也隨之變 寬。而文獻[7]得到 脈沖寬度基本不 變”的結(jié)論,可能是因其激光器脈沖重復頻率范圍不 夠?qū)?最大重復頻率為30k Hz所致。 腔內(nèi)峰值功率與初始反轉(zhuǎn)集居數(shù)的關系可以描述為 [9] P p = TC ,(9 其中r =N i /N th ,可以看出，峰c為腔內(nèi)光子壽命。 值功率是N i的增函數(shù),而由于N i是隨重復頻率的增加而下降的，可以推出峰 值功率也隨重復頻率的增加而下降。 圖7為根據(jù)實驗中平均功率和脈沖寬度的數(shù)據(jù)計算得到的峰值功率隨重復頻率

25、 變化的曲線。在重復頻率1k時，峰值功率約為W ;峰值功率隨：由于,;兩者綜合作 用的結(jié)果。而文獻［8］的結(jié)果中，脈沖峰值功率隨重復頻率先增加再減小 Pulse repetition rate /ki lz IA^t'300* */|| qtfft閑 VOLUME V ,在重復頻率10k Hz時出現(xiàn)最大值。文獻［8］對此現(xiàn)象解釋為,當調(diào)Q的間隔周 期大于晶體上能級壽命時，上能級粒子由于自發(fā)輻射而減少，從而基頻光和倍頻光脈 沖能量也隨之減小。而由（4式可知,反轉(zhuǎn)集居數(shù)隨脈沖間隔時間的增加是增加的。 圖7的實驗結(jié)果同樣表明，532nm輸出的峰值功率隨重復頻率增加

26、是單調(diào)下降的。 圖7脈沖峰值功率隨重復頻率的變化 Fig. 7Peak power of 532nm pulse as a fun cti on of the Q 2switched pulse repetiti on rate 4結(jié) 論 實現(xiàn)了緊湊的聲光調(diào)Q 532nm腔內(nèi)倍頻激光器,激光器尺寸為10cm X 5cm Xcm。使用1W的激光二極管連續(xù)抽運,在50k Hz重復頻率時,得到 224mW的平均輸出功率，光光轉(zhuǎn)換效率為 4期 馮立春等：激光二極管抽運聲光調(diào)Q高重復頻 率 532nm 激光器465 22. 4%。研究了 1?100k Hz重復頻率范圍

27、內(nèi)，激光 器平均功率、脈沖寬度和峰值功率與重復頻率的關系，結(jié)果顯示脈沖峰值功率 隨重復頻率增加是單調(diào)下降的，并給出了相應的解釋。提出了單脈沖能量和平均功 率隨重復頻率變化的一般公式，依據(jù)此公式進行的計算與實驗結(jié)果吻合得較好。同 時提出并實驗驗證了，即使在四能級系統(tǒng)中，表征儲能速度的有效儲能時間也并不等 于上能級壽命。 參考 獻 1 Du Chenlin , Liu J unhai , Wang Zhengping et al. . LD 2pumped acousto 2optic Q 2switched Nd : YVO 4laser wit h high repetition r

28、ates and short pulse widt h [J].Chinese J . Lasers , 2002, A29(6 :48?491 杜晨林,劉均海,王正平 等.LD抽運聲光調(diào)Q高重復頻率短脈 寬 Nd : YVO 4 激光器[J].中國激光,2002, A29(6 :489?4912 Zhang Hengli , Hou Wei , Xu Zuyan et al. . Diode pumped repetition rate Q 2switched Nd : YVO 4laser [Chinese J . L asers , 2000,(: 張恒利,侯,4 光調(diào) Q 1342[

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