《激光二極管雙端抽運(yùn)聲光調(diào)Q高重復(fù)頻率Nd_GdVO4激光器_講解》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《激光二極管雙端抽運(yùn)聲光調(diào)Q高重復(fù)頻率Nd_GdVO4激光器_講解（16頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、文章編號：0258 7025(2007 04 0461 04激光二極管雙端抽運(yùn)聲光調(diào) Q高重復(fù)頻率Nd GdVO 4激光器 李旭東，于欣,于俊華，陳德應(yīng) (哈爾濱工業(yè)大學(xué)光電子技術(shù)研究所 ,黑龍江哈爾濱150080 摘要激光二極管(L D抽運(yùn)的固體激光器(DP SSL的調(diào)Q器件是獲得高重 復(fù) 頻率、高峰值功率的有效手段之一，隨著激光雷達(dá)、激光加工業(yè)的發(fā)展，要求調(diào) Q器件向著更 高重復(fù)頻率的方向發(fā) 展。N d G dV O 4以其優(yōu)異的物理和激光 特性，使得它在激光二極管端面抽運(yùn)固體激 光器的聲光(A O調(diào)Q器件中，即使在 很高的調(diào)制重復(fù)頻率下，仍可獲得窄脈寬、高峰值功率的脈沖激光輸出

2、。理論分 析了影響脈沖激光的輸出能量和 脈寬大小的決定因素，研究了脈寬、平均輸出功 率及峰值功率隨調(diào)Q重復(fù)頻率的變化關(guān)系。利用雙激光二極管雙端抽運(yùn)N d GdV O 4晶體棒，實(shí)現(xiàn)了聲 光調(diào)Q高重復(fù)頻率窄脈寬1063nm激光輸出。在晶體入射 端面總抽 運(yùn)功率約43W條件下,當(dāng)重復(fù)頻率f =10kH z時(shí),獲得脈寬t =10. 2ns,單 脈沖 能量E =0. 95mJ,峰值功率P M =93. 1kW的輸出；在重復(fù)頻率f =100kHz 時(shí)，獲得 t =28. 1ns, E =0. 10mJ, P M =3. 6kW 的結(jié)果。 關(guān)鍵詞 激光技術(shù)；N d GdV O 4激光器；聲光調(diào)Q;激光二

3、極管雙端抽運(yùn)；高重 復(fù)頻率中圖分類號T N 248. 1文獻(xiàn)標(biāo)識碼A Laser Diode Double End Pumped Acousto Optically Q Switched Nd GdVO 4Laser with High Repetition Rate LI Xu dong, YU Xin, YU Jun hua, CHEN De ying (I n stitute of O p to Electr onics T ech no log y , H arbin I n stitute of T ech no logy , H ar bin, H eil ongj ian

4、g, 150080, China Abstract Laser dio de (LD pumped Q sw itched solid state laser s (SSLs can achiev e hig h repetitio n r ates and hig h peak po wer. With the dev elo pme nt of lidar and laser machi ning, dio de pumped SSL s (DP SSL s w ith hig her repet itio n r ates are required. In the L D end pum

5、ped acoust o optically （A O Q sw itched so lid state lasers, N d GdVO 4, w hich has excelle nt phy sical and laser pr operties, is able to o bt ain a laser output of shor t pulse width eve n at very hig h r epetiti on r ates. T he major factor s that have in flue nee o n pulse ener gy and pulse w id

6、t h are an alyzed, pulse w idth, aver age output po wer and peak pow er as a funct ion o f the r epetit ion r ates have bee n studied. Double Nd G dV O 4cry sta ls laser end pumped by do uble LD is r epo rted, and A O Q sw itched laser o f 1063nm w ith hig h repet itio n rate and sho rt w idth is ac

7、hieved. A t the total pump pow er of 43W , pulse w idth of 10. 2ns, pulse ener gy of 0. 95mJ and peak pow er of 93. 1kW ar e obtained at the repetition r ate o f 10kHz; 28. 1ns, 0. 10mJ and 3. 6kW are produced respect ively at 100kH 乙 Key words laser tech niq ue; N d G dV O 4lasers; acousto o ptic

8、ally Q switched; laser dio de do uble end pumped; hig h repet itio n r ate 收稿日期：2006 09 13;收到修改稿 日期:2006 11 29基金項(xiàng)目：哈爾濱工業(yè)大學(xué) 優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃資助項(xiàng)目。 作者簡介：李旭東（1980,男，山東萊州人，博士研究生，主要從事半導(dǎo)體激光 抽運(yùn)固體 激光器方面的研究。 E mail:kev in2025@163. co m 導(dǎo)師簡介：陳德應(yīng)（1965 ,男，黑龍江哈爾濱人，博士生導(dǎo)師，主要從事強(qiáng)場物 理和非線 性光學(xué)方面的研究。 E mail:dy chen@hit. edu

9、. cn 1引言 激光二極管（LD端面抽運(yùn)的固體激光器 （DEPSSL具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、光束質(zhì)量好和壽命長等優(yōu)點(diǎn)，近年來在國 內(nèi)外發(fā)展迅速。而且它可 第34卷第4期2007年4月 中國激光 CH INESE JOU RNAL OF LASERS V o I. 34, N o. 4 A pril, 2007 以通過調(diào)Q來獲得高重復(fù)頻率、高平均功率、窄脈寬和高光光轉(zhuǎn)換效率的 脈沖激光輸 出，在激光雷達(dá)、激光加工等領(lǐng)域中都具有較好的發(fā)展前景。 Nd GdVO 4晶體是1992年由俄羅斯科學(xué)家首 先研制出來的一種新型激光晶體［1］,已 被越來越多的人所認(rèn)識和使用［2~4］。T.

10、 Ogaw a等 ⑸研制了高效的Nd GdVO 4 聲光調(diào)Q激光器，在重復(fù)頻率40kH z時(shí)，獲得了最短激光脈沖7ns激光輸 出；Junhai Liu等 ⑹報(bào)道了激光二極管端面抽運(yùn)的 Nd GdVO 4聲光調(diào)Q激光器， 在高重復(fù)頻率60kH z時(shí)，獲得平均功率7. 25W的脈沖輸出，在重復(fù)頻率 10kH z時(shí)，獲得能量340 J,峰值功率26. 2kW的脈沖輸出。Nd GdVO 4晶體較傳 統(tǒng)的Nd YA G晶體，在808nm處具有較高的吸收系數(shù)和在1063nm處具有較大的 受激發(fā)射截面（7. 6! 10-19cm 2 ,同時(shí)其熱導(dǎo)率也很接近Nd YA G,約11. 7W/（m ? K ,這就

11、保證了 Nd GdVO 4晶體在較高功率抽運(yùn) 下產(chǎn)生較小的熱透鏡效應(yīng)，不易 發(fā)生炸裂。再考慮到它具有偏振輸出的特性，從而使其即使在很高的重復(fù)頻率下, 仍可獲得窄脈寬、高峰值功率的激光輸出。 本文利用雙激光二極管雙端抽 運(yùn)雙Nd GdVO 4短晶體棒，研制了一臺聲 光（A O調(diào)Q的高 重復(fù)頻率固體激光器 研究了脈寬、平均功率和峰值功率隨重復(fù)頻率的變化關(guān)系，并分別在重復(fù)頻率為 10kH z和100kH z時(shí)，對輸出脈沖激光的性能進(jìn)行 了測試。 2理論分析 根據(jù)Wag ner等推導(dǎo)出的速率方程 的解，對Q開關(guān)三能級系統(tǒng)的輸出激光能 量E和脈沖寬度t可分別表示為［7］ E = 4! In In

12、 i n f ,(1 t =? c i f n i -n t [1+ln (n i /n t ] ,(2式中h為光子能量,!為受激發(fā)射截面,A為有效光束截面,R為輸出鏡反 射率，？ c為腔內(nèi)光子壽命，n i和n f分別為調(diào)Q狀態(tài)下的初始和最終反轉(zhuǎn)粒子數(shù) 密度，它們之間滿足 n i -n f =n t In (n i /n f , (3 n t為閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度,即 n t =(2! I -1[ln (1/R +L ], (4式中I為激活材料的長度 丄為諧振腔往返一次損 耗。由(1和(2式可以看出，在輸出鏡反射率R 一定的條件下，要獲得高能量和窄 脈寬的激光輸出，主要靠增加高儲

13、能和儲能利用率，即提高n i /n f和n i /n t的 值來解決，所以在激光器的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，一方面應(yīng)該采取措施增加有效入射抽運(yùn)功 率,適當(dāng)增加摻Nd 3+濃度及晶體棒長度,提高抽運(yùn)速率,使得Q開關(guān)在#關(guān)閉？ 的情況下可以積累更多的反轉(zhuǎn)粒子 數(shù)n i ;另一方面也需要選用合適的諧振腔結(jié)構(gòu) 形式及腔參量，例如采用熱穩(wěn)平 平腔盡量縮短諧振腔的 長度以減少腔內(nèi)衍射損耗 選擇輸出鏡的最佳透射 率等。 同時(shí)n i也受調(diào)Q重復(fù)頻率f的約束，當(dāng)f 1/?時(shí)，表示初始反轉(zhuǎn)粒子數(shù)n i還 沒有積累到飽和值就產(chǎn)生脈沖激光輸出，因此脈沖能量和脈寬都不能達(dá)到最佳值； 當(dāng)f 1/?時(shí)，會造成n i達(dá)到過飽和后才

14、開始Q突變，此時(shí)由于自發(fā)輻射躍遷的影 響，部分反轉(zhuǎn)粒子數(shù)將損耗掉，這必然會影響調(diào)Q器件的激光 性能。由于Nd GdVO 4的上能級壽命？ ％90 s,所 以對于聲光調(diào)Q的Nd GdV O 4激光器來講,它 的最佳調(diào)制重復(fù)頻率約在11kH z左右。 在實(shí)驗(yàn)中，利用雙激光二極管雙端抽運(yùn)雙 N d GdVO 4短晶體棒構(gòu)建平 平熱穩(wěn) 腔，為減小射頻超聲波在晶體中的渡越時(shí)間，獲得窄脈寬激光輸出，將Q開關(guān)放置 在腔中間位置。選取透射率T =40%的輸出鏡，在不同重復(fù)頻率下對激光器輸出激 光的脈寬和平均功率進(jìn)行測量，然后計(jì)算出在不同調(diào)制重復(fù)頻率下的脈沖激光能 量E和脈沖峰值功率P M。在雙端激光二極管總

15、入射有效抽運(yùn)功率約 43W的條 件下，分別測量了脈沖寬度t p和平均輸出功率P隨重復(fù)頻率f的變化，并得出P M 隨f的變化關(guān)系。 3實(shí)驗(yàn)裝置 實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。其中LD1和LD2均為最大輸出功率為110W的光纖耦 合激光器,循環(huán)水 冷卻，光纖芯徑400 m,數(shù)值孔徑NA=0. 22;兩塊Nd GdVO 4晶 體尺寸均為4mm ! 4m m ! 8mm, Nd 3+摻雜原子數(shù)分?jǐn)?shù)為0. 5%,晶體M 1面鍍膜 為808nm高透,1063nm部分反射,晶體M 2面鍍膜為808nm高透,1063nm高反, 兩晶體置于采用循環(huán)冷 卻水制冷的紫銅熱沉上，水溫為15&; M 3為1063nm 45

16、?全反鏡；聲光Q開關(guān)由NEOS公司生產(chǎn)，射頻頻率為41MH乙最大射頻功 率為50W; LD1和LD2輸出的808nm激光經(jīng)光學(xué)耦合系統(tǒng)后，在晶體中聚焦成 直徑約400 m的光斑；輸出的 中國激光34卷 圖1聲光調(diào)Q裝置圖 Fig. ISetup of A O Q sw itched laser P和t分別由2835C功率計(jì)（美國N ew port公司 和DET210/M型Si光探測器 探測,TDS3032B示波器（美國T ektro nix公司顯示脈沖波形。 4實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 圖2和圖3分別為激光脈沖的t和隨f的變化曲線。由圖2可知，隨著f的增 加，t也逐漸增大,由10kH z時(shí)的

17、最短脈寬10. 2ns逐漸增大到120kH z時(shí)的31. 6ns Academic Journal EkcLrwnic □UJC 50 iw\q” 圖2脈沖寬度與重復(fù)頻率的關(guān)系 Fig. 2Pulse w idt h v ersus pulse repetition Academic Jourrul Electronic 丄屮jg 30呻q“ rate 圖3平均輸出功率與重復(fù)頻率的關(guān)系 Fig. 3Av erag e output pow er v ersus pulse repetitio n rate 雖然Nd GdVO 4的上能級壽命？不是很長，不

18、 利于反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的大量積累，但由于其較大的受激 發(fā)射截面，使得？ ！ ！ s =6. 84! 10-23 s ? cm 2 （這是高重復(fù)頻率、窄脈寬激光二極管抽運(yùn)固體激光器的一項(xiàng)很有利的綜合 指標(biāo)，因此仍可獲得窄脈寬的激 光輸出，這足可看出Nd GdV O 4晶體是非常適合 于高重復(fù)頻率窄脈寬的激光二極管抽運(yùn)固體激光器激 光輸出的。由圖3可以看出，隨著重復(fù)頻率的增加，平均輸出功率逐步提高。 當(dāng)f >60kH z時(shí)，平均功 率上升趨于緩慢，已接近連續(xù)功率，這時(shí)動靜比接近 于 1。 圖4和圖5分別為調(diào)制 重復(fù)頻率為10kH z和100kH z Time 20 ns /div )o

19、ntjn| 肚 時(shí)的脈沖圖。 圖410kHz時(shí)的脈沖圖 F ig. 4P ulse shape at the pulse r epetit ion rate of10kH z 圖5100kHz時(shí)的脈沖圖 F ig. 5P ulse shape at the pulse r epetit ion rate of100kH z 圖6為根據(jù)測得的tp和P推算出來的PM隨f的變化關(guān)系。由圖6可以看 出,隨著f的增加,脈沖峰值功率P M在逐漸減小。當(dāng)f在10~60kH z之間 時(shí)，PM變化幅度很大，這主要是由兩方面原因造成 的：一方面，隨著f的增大，t p增

20、大；而另一方面，P隨f的增加而趨向飽和。 在這兩方面的綜合作用下,導(dǎo)致P M下降趨勢很大。當(dāng)f在60~120kH z之間 時(shí)，PM下降趨勢緩慢，這主要是由于f在此范圍內(nèi) 4期李旭東 等：激光二極管雙端抽運(yùn)聲光調(diào) Q高重復(fù)頻率Nd G dV O 4激光器 圖6峰值功率與重復(fù)頻率的關(guān)系 F ig. 6Peak pow er ver sus pulse repet itio n r ate 變化緩慢而 t p 持續(xù)增加的緣 故。 5結(jié)論 作為一種新型的激光晶體，N d GdVO 4以其較 高的熱導(dǎo)率、較大的受 激發(fā)射 截面、較大的吸收系數(shù)、適中的上能級壽命及偏振輸出等優(yōu)異特性 ，采用聲光

21、Q 開關(guān)調(diào)制，可確保即使在很高 的重復(fù)頻 率下，也可獲得窄脈寬的激光輸出，在調(diào) Q的激光二極管固體激光器中日益發(fā)揮出巨大潛力。實(shí)驗(yàn)利用 雙激光二極管雙端 抽運(yùn)雙Nd GdVO 4晶體棒,實(shí)現(xiàn)了聲光調(diào)Q高重 復(fù)頻率的1063nm激光輸出。在 晶體入射端面總抽運(yùn)功率約 43W的條件下,當(dāng)f = 10kH z時(shí),獲得t =10. 2ns, E =0. 95mJ, P M = 93. 1kW 的輸出;當(dāng) f =100kH z 時(shí)出,獲得 t = 28. 1ns, E =0. 10mJ, P M =3. 6kW的輸出。在 今后工作中,若能進(jìn)一步優(yōu)化參量,聲光調(diào)Q N d GdVO 4激 光器還具有深

22、入挖掘的巨大潛力，特別是 在100kH z的高重復(fù)調(diào) 制頻率下，相信 可以取得更 佳的調(diào)Q脈沖激光輸出。 參考文獻(xiàn) 1 T. J ens en, V. G. Ostroumov, J. P. M eyn et al. . Spectroscopic ch aracterizatio n and las er performan ce of diode las er pu mped Nd GdVO 4[J]. Ap p l. Phys. B , 1994, 58(5 :373~379 2 Yin Zhao, S hen Deyuan , Ueda Ken Ich i. A laser di

23、ode pumped Nd GdVO 4laser [J]. Acta Op tica S inic a, 2000, 20(10 :1374~ 1377 尹釗，沈德元，植天憲一.激光二極管抽運(yùn)的Nd GdVO 4激光器[J].光學(xué)學(xué) 報(bào),2000, 20(10 :1374~1377 3 Xu Fan ghua, M a Lili, Wang Zhengping et a l. . Las er diod e pum ped Nd GdVO 4m icroch ip laser [J ]. Chi nese J. L ase rs , 2005, 32(9 :1166~1168 徐方華

24、，馬麗麗，王正平等?激光二極管 抽運(yùn)Nd GdVO 4微片激光器[J].中 國激光,2005, 32(9 :1166~1168 4 W ei Wu, Guiqiu Li, Shengzhi Zh ao e t al. . Puls e w idth reduction in diode pump ed, doub ly Q sw itched Nd GdVO 4/KT P gr een laser [J ]. Chin. Opt . L ett. , 2005, 3(7 :402~404 5 T. Ogaw a, T. Imai, K. On odera e t al. . Effici

25、e n t pu lse oper ati on of Nd GdVO 4laser w ith AO Q sw itch [J ]. App l . Phy s. B, 2005, 81(4 :521~524 6 Jun hai Liu , C hang qin g W an g, Ch en li n Du et al . . High pow er actively Q sw itched Nd GdVO 4laser end pum ped by a fiber coupled diode laser array [J]. Op t. Commu n. , 2001, 188(1 4 : 155~162 7 W. Koechn er. Solid State Laser Engineering [M ]. Beijin g: Science Pr ess , 2005. 469~474 W.克希耐爾.固體激光工程[M ].北京:科學(xué)出版社，2005. 469~474 中國激光34卷 ooooooooo 87654321 0 20 40 60 80 100 120 Pulse repetition rate/kHz