文章編號：0258 7025(2007 04 0461 04激光二極管雙端抽運聲光調(diào) Q高重復頻率Nd GdVO 4激光器 李旭東，于欣,于俊華，陳德應 (哈爾濱工業(yè)大學光電子技術研究所 ,黑龍江哈爾濱150080 摘要激光二極管(L D抽運的固體激光器(DP SSL的調(diào)Q器件是獲得高重 復 頻率、高峰值功率的有效手段之一，隨著激光雷達、激光加工業(yè)的發(fā)展，要求調(diào) Q器件向著更 高重復頻率的方向發(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)制重復頻率下，仍可獲得窄脈寬、高峰值功率的脈沖激光輸出。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重復頻率的變化關系。利用雙激光二極管雙端抽運N d GdV O 4晶體棒，實現(xiàn)了聲 光調(diào)Q高重復頻率窄脈寬1063nm激光輸出。在晶體入射 端面總抽 運功率約43W條件下,當重復頻率f =10kH z時,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；在重復頻率f =100kHz 時，獲得 t =28. 1ns, E =0. 10mJ, P M =3. 6kW 的結果。 關鍵詞 激光技術；N d GdV O 4激光器；聲光調(diào)Q;激光二極管雙端抽運；高重 復頻率中圖分類號T N 248. 1文獻標識碼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 iang, 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 pumped 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 idt 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 achieved. 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 ptically 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基金項目：哈爾濱工業(yè)大學 優(yōu)秀團隊支持計劃資助項目。 作者簡介：李旭東（1980,男，山東萊州人，博士研究生，主要從事半導體激光 抽運固體 激光器方面的研究。 E mail:kev in2025@163. co m 導師簡介：陳德應（1965 ,男，黑龍江哈爾濱人，博士生導師，主要從事強場物 理和非線 性光學方面的研究。 E mail:dy chen@hit. edu. cn 1引言 激光二極管（LD端面抽運的固體激光器 （DEPSSL具有結構緊湊、效率高、光束質(zhì)量好和壽命長等優(yōu)點，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、激光加工等領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識和使用［2~4］。T. Ogaw a等 ⑸研制了高效的Nd GdVO 4 聲光調(diào)Q激光器，在重復頻率40kH z時，獲得了最短激光脈沖7ns激光輸 出；Junhai Liu等 ⑹報道了激光二極管端面抽運的 Nd GdVO 4聲光調(diào)Q激光器， 在高重復頻率60kH z時，獲得平均功率7. 25W的脈沖輸出，在重復頻率 10kH z時，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 ,同時其熱導率也很接近Nd YA G,約11. 7W/（m ? K ,這就保證了 Nd GdVO 4晶體在較高功率抽運 下產(chǎn)生較小的熱透鏡效應，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 運雙Nd GdVO 4短晶體棒，研制了一臺聲 光（A O調(diào)Q的高 重復頻率固體激光器 研究了脈寬、平均功率和峰值功率隨重復頻率的變化關系，并分別在重復頻率為 10kH z和100kH z時，對輸出脈沖激光的性能進行 了測試。 2理論分析 根據(jù)Wag ner等推導出的速率方程 的解，對Q開關三能級系統(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 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，所以在激光器的運轉(zhuǎn)過程中，一方面應該采取措施增加有效入射抽運功 率,適當增加摻Nd 3+濃度及晶體棒長度,提高抽運速率,使得Q開關在#關閉？ 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構 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n i也受調(diào)Q重復頻率f的約束，當f 1/?時，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到最佳值； 當f 1/?時，會造成n i達到過飽和后才 開始Q突變，此時由于自發(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)制重復頻率約在11kH z左右。 在實驗中，利用雙激光二極管雙端抽運雙 N d GdVO 4短晶體棒構建平 平熱穩(wěn) 腔，為減小射頻超聲波在晶體中的渡越時間，獲得窄脈寬激光輸出，將Q開關放置 在腔中間位置。選取透射率T =40%的輸出鏡，在不同重復頻率下對激光器輸出激 光的脈寬和平均功率進行測量，然后計算出在不同調(diào)制重復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?cè)肷溆行С檫\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隨重復頻率f的變化，并得出P M 隨f的變化關系。 3實驗裝置 實驗裝置如圖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)分數(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?全反鏡；聲光Q開關由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（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實驗結果及分析 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時的最短脈寬10. 2ns逐漸增大到120kH z時的31. 6ns Academic Journal EkcLrwnic □UJC 50 iw\q” 圖2脈沖寬度與重復頻率的關系 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頻率的關系 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 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 （這是高重復頻率、窄脈寬激光二極管抽運固體激光器的一項很有利的綜合 指標，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 于高重復頻率窄脈寬的激光二極管抽運固體激光器激 光輸出的。由圖3可以看出，隨著重復頻率的增加，平均輸出功率逐步提高。 當f >60kH z時，平均功 率上升趨于緩慢，已接近連續(xù)功率，這時動靜比接近 于 1。 圖4和圖5分別為調(diào)制 重復頻率為10kH z和100kH z Time 20 ns /div )ontjn| 肚 時的脈沖圖。 圖410kHz時的脈沖圖 F ig. 4P ulse shape at the pulse r epetit ion rate of10kH z 圖5100kHz時的脈沖圖 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f在10~60kH z之間 時，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,導致P M下降趨勢很大。當f在60~120kH z之間 時，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聲光調(diào) Q高重復頻率Nd G dV O 4激光器 圖6峰值功率與重復頻率的關系 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結論 作為一種新型的激光晶體，N d GdVO 4以其較 高的熱導率、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Q 開關調(diào)制，可確保即使在很高 的重復頻 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。實驗利用 雙激光二極管雙端 抽運雙Nd GdVO 4晶體棒,實現(xiàn)了聲光調(diào)Q高重 復頻率的1063nm激光輸出。在 晶體入射端面總抽運功率約 43W的條件下,當f = 10kH z時,獲得t =10. 2ns, E =0. 95mJ, P M = 93. 1kW 的輸出;當 f =100kH z 時出,獲得 t = 28. 1ns, E =0. 10mJ, P M =3. 6kW的輸出。在 今后工作中,若能進一步優(yōu)化參量,聲光調(diào)Q N d GdVO 4激 光器還具有深入挖掘的巨大潛力，特別是 在100kH z的高重復調(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 1 T. 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