《激光二極管抽運(yùn)聲光調(diào)Q高重復(fù)頻率532nm激光器講解》由會(huì)員分享，可在線(xiàn)閱讀，更多相關(guān)《激光二極管抽運(yùn)聲光調(diào)Q高重復(fù)頻率532nm激光器講解（20頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、第32卷第4期 2005年4月 中國(guó)激光 C H IN ESE J OU RNAL O F L ASERS Vol. 32, No. 4 April , 2005 文章編號(hào)：025827025（2005 0420461205 激光二極管抽運(yùn)聲光調(diào)Q高重復(fù)頻率532nm激光器 馮立春,霍玉晶，何淑芳,楊成偉 （清華大學(xué)電子工程系,北京100084 摘要 實(shí)現(xiàn)了重復(fù)頻率高達(dá)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(lèi)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(dòng)器驅(qū)動(dòng)，其最大

2、 射頻輸出功率為7. 5W ,重復(fù)頻率1Hz?105k Hz可調(diào)。使用1W的激光二極 管（LD抽運(yùn),50k Hz重復(fù)頻率下,得到平均功率達(dá)224mW的532nm脈沖激光穩(wěn)定平 均輸出，總光光轉(zhuǎn)換效率高達(dá)22. 4%。低重復(fù)頻率下,可以實(shí)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(yùn)轉(zhuǎn)。給出了平均功率與重復(fù)頻率關(guān)系 的一般公式，并提出即使是在四能級(jí)系統(tǒng)中，有效儲(chǔ)能時(shí)間也并不等于上能級(jí)壽命， 關(guān)鍵詞 激光技術(shù)；固體激光器；激光二極管抽運(yùn)；儲(chǔ)能時(shí)間；Q;中圖分類(lèi)號(hào) TN248. 1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(yīng)用于激光測(cè)距、大

8、氣監(jiān)測(cè)、激光雷達(dá)、 光電對(duì)抗、激光加工和醫(yī)療等領(lǐng)域。相對(duì)閃光燈抽運(yùn)激光器而言 ，激光二極管（LD 抽運(yùn)的固體激光器因其高效、緊湊、使用壽命長(zhǎng) ,且易獲得高質(zhì)量光束等特點(diǎn)而更 具有優(yōu)勢(shì)。Nd： YVO 4晶體在較寬的抽運(yùn)波長(zhǎng)范圍內(nèi)都有 收稿日期：2004202209;收到修改稿日期：2004206223 基金項(xiàng)目：國(guó)家 863計(jì)劃（2001AA311060資助項(xiàng)目。 很好的吸收，在激光發(fā)射波長(zhǎng)上有很大的受激發(fā)射截面，而且具有線(xiàn)偏振發(fā)射的 特性,使其在激光二極 管抽運(yùn)腔內(nèi)倍頻激光器中得到廣泛的應(yīng)用［1?3］。 近年來(lái),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(dá)到了較高的水平，被動(dòng)調(diào)Q綠光激光器也有報(bào)道［7］。中國(guó)科學(xué)院物理所實(shí)現(xiàn) 了大功率激光二極管抽運(yùn)的Nd : YVO 42KTP聲 ,男,清華大學(xué)電子工程系博士研究生，主要從事固體激光技術(shù)及器件的研究。 作者簡(jiǎn)介：馮立春（1974— E 2mail :fenglc97@mails.tsinghua. edu. cn 462中 國(guó) 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(fù)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(fù)頻率為 10k Hz時(shí) 達(dá)到最大值的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在低重復(fù)頻率時(shí)峰值 用Agi

10、le nt 54611A型示波器測(cè)量激光脈沖的寬度和重復(fù)頻率,用物科光電L P 23A型功率計(jì)測(cè)量平均 輸出功率。 功率降低。文獻(xiàn)［7］認(rèn)為在低重復(fù)頻率時(shí)峰值功率下降的原因是由于自發(fā)輻射 引起的上能級(jí)集居數(shù)降低，但并未對(duì)此解釋給出理論證明和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本文研究了 激光二極管端面抽運(yùn)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(fù)頻率范圍內(nèi)，平均功率、脈沖寬度和峰值功率與重復(fù)頻率的關(guān)系，與文 獻(xiàn)［7］的結(jié)果進(jìn)行了比較，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。 3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 3. 1實(shí)驗(yàn)結(jié)果 首先研究了激光平均輸出功率與脈沖重復(fù)頻率的關(guān)系，測(cè)量結(jié)果如圖2所示。 在脈沖

11、重復(fù)頻率為 50k Hz時(shí)，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(shí)驗(yàn)裝置 實(shí)驗(yàn)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(kāi)關(guān) 兩端面鍍對(duì)1064nm和532nm光的增透膜；輸出反射鏡M 2鍍對(duì)1064nm高反 和對(duì)532nm高透的介質(zhì)膜。抽運(yùn)源為功率1W的激光二極管，其輸出光經(jīng)過(guò)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(fù)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(gè)整體，對(duì)其使用半導(dǎo)體制冷器進(jìn)行整體控溫。聲光介質(zhì) 采用熔融石英，聲光作用長(zhǎng)度為2cm ,換能器工作頻率為70M Hz。聲光Q開(kāi)關(guān)驅(qū) 動(dòng)器為本實(shí)驗(yàn)室自制，射頻最大輸出功率可達(dá)7. 5W ,重復(fù)頻率在1Hz?1

13、05k Hz可 調(diào)。此驅(qū)動(dòng)器 脈沖寬度與重復(fù)頻率的關(guān)系如圖3所示。重復(fù) 頻率1Hz到1k Hz時(shí),激光脈沖寬度基本不變,為17. 2ns左右,當(dāng)重復(fù)頻率為 100k Hz時(shí)，脈沖寬度為33ns。實(shí)驗(yàn)中,激光器在高重復(fù)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(fù)頻率下，532nm 輸出的平均功 圖1聲光調(diào)Q 532nm激光器實(shí)驗(yàn)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(fù)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(yùn)聲光調(diào)Q

15、高重復(fù)頻 率532nm激光器463 率與抽運(yùn)功率的關(guān)系。在 50k Hz重復(fù)頻率下，532nm閾值抽運(yùn)功率為200mW , 在1W的抽運(yùn)功 其中n 2為激光上能級(jí)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(jí)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(jí)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(yùn)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(shí)間的關(guān)系 Fig. 6En ergy per pulse as a f unction of time betwee n adjace nt pulses T來(lái)表征抽 假設(shè)在腔內(nèi)Q開(kāi)關(guān)關(guān)閉即進(jìn)行儲(chǔ)能時(shí)，沒(méi)有激光產(chǎn)生，并引入?yún)⒘?運(yùn)速度,則可以得到 =-d t Tf + TP TP ,(3 圖5532nm平均輸出功率與抽運(yùn)功率的關(guān)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(duì)抽運(yùn)光的受激吸收截面和腔內(nèi)抽運(yùn)光的光子數(shù)密度 ，v p為工作物質(zhì)中 抽運(yùn)光的光速。 -1 引入?yún)⒘縯假設(shè)eff ,并令t eff =(1/ t f +儲(chǔ)能開(kāi)始時(shí)刻即t =0時(shí)，激光上能級(jí) 集居數(shù)近似為0,則得到上能級(jí)集居數(shù)隨儲(chǔ)能時(shí)間t變化的解析式 3. 2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 為 n 2 由于脈沖間隔時(shí)間為重復(fù)頻率的倒數(shù)，利用得到的平均功率與重復(fù)頻率關(guān)

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(shí)間的關(guān)系，如圖6所示。結(jié)果顯示，當(dāng)脈沖間 隔時(shí)間較小時(shí)，單脈沖能量隨間隔時(shí)間增加增長(zhǎng)較快，間隔時(shí)間大于0. 1ms時(shí)，單脈 沖能量隨脈沖間隔的增長(zhǎng)就變得緩慢，呈現(xiàn)飽和趨勢(shì)。對(duì)于基頻光脈沖能量隨間隔 時(shí)間的變化規(guī)律，可以從下列推導(dǎo)得到。設(shè)四能級(jí)系統(tǒng)中由低到高各個(gè)能級(jí)集居數(shù) 分別為n 0, n 1, n 2和n 3,并假設(shè)n仁0, n 3=0,則有 (1 n 0+n 1+n 2+n 3=n ,四能級(jí)系統(tǒng)激光上能級(jí)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?yàn)榍懊嬉呀?jīng)假設(shè)激光下能級(jí)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(guān)，假設(shè)基頻光脈沖輸出 能量接近增益介質(zhì)中的總有效儲(chǔ)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(rèn)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(chǔ)能時(shí)間[13],有效儲(chǔ)能時(shí)間被認(rèn) 為與抽運(yùn)條件和激光器設(shè)計(jì)都有關(guān)系，而非由工作物質(zhì)單獨(dú)決定［14］

21、。有效儲(chǔ) 能時(shí)間可以表明儲(chǔ)能過(guò)程進(jìn)行的快慢 ,對(duì)于調(diào)Q激光器的設(shè)計(jì)和性能估算而 464中 國(guó) 激 光 32卷 言， ? 它是一個(gè)很有用的參量。 考慮到隨脈沖間隔時(shí)間的減少，基頻光單脈沖 能量降低和脈沖寬度增加會(huì)帶來(lái)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(shí)際的四能級(jí)系統(tǒng)中，激光下能級(jí)粒子數(shù)不為零，所以從儲(chǔ)能開(kāi)始 到實(shí)現(xiàn)集居數(shù)反轉(zhuǎn)需要一段時(shí)間，引入?yún)⒘縏從圖6可以看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果e。 與（6式吻合得較好。其中對(duì)應(yīng)的 tfi為23卩s而Nd : YVO 4上能級(jí)壽命約為 100卩s二者明顯相差較大，從而

22、從實(shí)驗(yàn)上表明對(duì)于四能級(jí)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(fù)頻率變化時(shí)，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(fù)頻率近似于正比增加 高重復(fù)頻率時(shí)，基頻與倍頻單脈沖能量隨重復(fù)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(fù)頻率增加而稍有下降。 脈沖建立時(shí)間即脈沖前沿隨重復(fù)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(fù)頻率增加而減小，結(jié)合(8式 即可知脈沖前沿隨重復(fù)頻率的增加而變寬，而整個(gè)脈沖的寬度也隨之變寬。物理過(guò) 程可以解釋為：隨脈沖重復(fù)頻

24、率的增加，每周期內(nèi)儲(chǔ)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(xiàn)[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(fù)頻率范圍不 夠?qū)?最大重復(fù)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(guān)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(fù)頻率的增加而下降的，可以推出峰 值功率也隨重復(fù)頻率的增加而下降。 圖7為根據(jù)實(shí)驗(yàn)中平均功率和脈沖寬度的數(shù)據(jù)計(jì)算得到的峰值功率隨重復(fù)頻率

25、 變化的曲線(xiàn)。在重復(fù)頻率1k時(shí)，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(xiàn)［8］的結(jié)果中，脈沖峰值功率隨重復(fù)頻率先增加再減小 Pulse repetition rate /ki lz IA^t'300* */|| qtfft閑 VOLUME V ,在重復(fù)頻率10k Hz時(shí)出現(xiàn)最大值。文獻(xiàn)［8］對(duì)此現(xiàn)象解釋為,當(dāng)調(diào)Q的間隔周 期大于晶體上能級(jí)壽命時(shí)，上能級(jí)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(shí)間的增加是增加的。 圖7的實(shí)驗(yàn)結(jié)果同樣表明，532nm輸出的峰值功率隨重復(fù)頻率增加

26、是單調(diào)下降的。 圖7脈沖峰值功率隨重復(fù)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(shí)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(yùn),在50k Hz重復(fù)頻率時(shí),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(yùn)聲光調(diào)Q高重復(fù)頻 率 532nm 激光器465 22. 4%。研究了 1?100k Hz重復(fù)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(fù)頻率的關(guān)系，結(jié)果顯示脈沖峰值功率 隨重復(fù)頻率增加是單調(diào)下降的，并給出了相應(yīng)的解釋。提出了單脈沖能量和平均功 率隨重復(fù)頻率變化的一般公式，依據(jù)此公式進(jìn)行的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得較好。同 時(shí)提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了，即使在四能級(jí)系統(tǒng)中，表征儲(chǔ)能速度的有效儲(chǔ)能時(shí)間也并不等 于上能級(jí)壽命。 參考 獻(xiàn) 1 Du Chenlin , Liu J unhai , Wang Zhengping et al. . LD 2pumped acousto 2optic Q 2switched Nd : YVO 4laser wit h high repetition r

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