LD泵浦Nd:YAG激光器綜合實驗建設(shè)

周建華，蘭 嵐，余學(xué)才

(電子科技大學(xué) 光電信息學(xué)院，四川 成都 610054)

二極管激光器泵浦的固體激光器(laser diode pumped solid state laser,LDPSSL或DPL)是指用激光二極管(laser diode,LD)代替閃光燈泵浦固體激光增益介質(zhì)的激光器，也稱為全固態(tài)激光器(all solid state laser)。全固態(tài)激光器具有轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、壽命長、可靠性高、結(jié)構(gòu)牢固、光束質(zhì)量好、輸出能量大、峰值功率高、工作介質(zhì)覆蓋的波段廣及運轉(zhuǎn)方式多樣等優(yōu)點，是當(dāng)代激光技術(shù)發(fā)展的主要方向[1]。DPL激光器在民用方面，如激光加工、激光通信及激光醫(yī)療等方面有極大的市場潛力[2-4]。在軍事領(lǐng)域，采用808 nm大功率半導(dǎo)體激光器作為泵浦源的小型化Nd:YAG，已在激光測距、測速、激光制導(dǎo)、激光引爆和激光雷達等方面被廣泛應(yīng)用[5]。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，該類激光器的應(yīng)用將越來越廣，很有必要向當(dāng)代光電類專業(yè)的大學(xué)本科生開設(shè)此類實驗，使學(xué)生了解該技術(shù)和原理并能進行一些簡單的實驗操作和數(shù)據(jù)處理。為此根據(jù)實驗可操作性和實驗設(shè)備的成本，建設(shè)了相對簡單的實驗裝置，在此裝置上進行LD泵浦Nd:YAG激光器的多個內(nèi)容的綜合實驗，涉及激光器的泵浦源、諧振腔、晶體光學(xué)、非線性光學(xué)、倍頻、調(diào)Q技術(shù)等多個知識點[6]。

1 LD泵浦Nd:YAG激光器的結(jié)構(gòu)

從LD泵浦固體激光器的方式來看，有端面泵浦方式和側(cè)面泵浦方式兩種[7]。

1.1 端面泵浦

端面泵浦是中小功率LD泵浦固體激光器常用的一種泵浦方式，具有結(jié)構(gòu)緊湊、整體效率高、空間模式好的特點。如圖1所示，主要由LD泵浦源、耦合光學(xué)系統(tǒng)和固體激光器Nd:YAG三部分組成[8]。耦合光學(xué)系統(tǒng)可以是光學(xué)透鏡耦合和光纖耦合。LD陣列輸出的空間相干光束沿著光學(xué)諧振腔的軸向泵浦，光束聚焦在激活介質(zhì)的一個小體積內(nèi)。諧振腔的參數(shù)保證泵浦光束和諧振腔模的激發(fā)空間能很好地重疊在一起，達到模式匹配。重疊程度直接影響光泵浦的效率和輸出光束的質(zhì)量。同時，端面泵浦在入射方向的穿透深度很大，增益介質(zhì)對泵浦光充分吸收，泵浦閾值功率低，斜效率高，因此，端面泵浦系統(tǒng)在大功率、高光束質(zhì)量、結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)換效率高的全固態(tài)激光器中得到廣泛應(yīng)用。

圖1 LD端面泵浦Nd:YAG激光器結(jié)構(gòu)圖

1.2 側(cè)面泵浦

端面泵浦雖然能夠獲得高效率、高光束質(zhì)量的激光輸出，但是由于受到泵浦區(qū)域尺寸以及熱效應(yīng)等的限制，泵浦功率不能做得很大。隨著LD輸出功率的提高和熱管理技術(shù)的進步，根據(jù)燈泵激光器的設(shè)計思路，采用多個LD陣列，設(shè)計合理的激光介質(zhì)的結(jié)構(gòu)，通過長方體表面或者圓柱體表面將泵浦光能量泵入晶體，這為泵浦耦合和散熱都提供了較大的表面面積，因而輸出功率可以大大提高。同時靠增加激活介質(zhì)的尺度也很容易提高輸出功率。目前，百瓦級甚至萬瓦級全固態(tài)激光器大都采用陣列泵浦結(jié)構(gòu)。其中，激光介質(zhì)可以做成棒狀、板條狀和盤狀。圖2所示為一種側(cè)面泵浦的示意圖，3條LD陣列按照120°間隔均勻?qū)ΨQ排列，通過柱狀透鏡側(cè)面泵浦激光棒[9-10]。

圖2 三條二極管陣列側(cè)面泵浦Nd:YAG激光器結(jié)構(gòu)圖

2 808 nm二極管激光器的P-I特性曲線測量

LD具有輸出光功率高、光束質(zhì)量好、相干性好的優(yōu)點。LD的P-I特性曲線指輸出功率P隨注入電流I的變化關(guān)系，LD的典型P-I特性曲線見圖3[7]。

圖3 LD的典型P-I特性曲線

LD的P-I特性曲線具有以下特征：

(1) LD有閾值電流Ith，當(dāng)注入電流IIth時P-I特性曲線基本呈線性關(guān)系。但是，當(dāng)調(diào)制電流較大時，線性特性將遭破壞。

(2)P-I特性曲線隨溫度升高，斜率下降，即量子效率下降，輸出光功率下降。

(3)P-I特性曲線隨溫度升高，閾值電流Ith升高。

由于P-I特性受溫度的影響較大，所以一般需要采用制冷器使LD工作在恒溫狀態(tài)。

LD的P-I特性測量實驗裝置如圖4所示。LD輸出激光經(jīng)過耦合系統(tǒng)后進入光功率計，從小到大改變LD的驅(qū)動電流，得到相應(yīng)的LD激光功率見表1。作出輸出功率與驅(qū)動電流的關(guān)系曲線如圖5所示，確定閾值電流為0.5 A左右，當(dāng)I>Ith時，二者基本滿足線性關(guān)系，與理論基本相符。

圖4 808 nm LD激光器P-I特性測量裝置

圖5 808 nm LD激光器的P-I特性曲線

表1 808 nm LD激光器的P-I數(shù)據(jù)表(LD工作溫度：25 ℃)

3 測量Nd:YAG激光器的輸出功率與泵浦功率關(guān)系

實驗裝置如圖6所示。LD輸出激光經(jīng)耦合系統(tǒng)后泵浦Nd:YAG激光器，從反射鏡端輸出1.064 μm的激光，再用光功率計測量輸出光功率。從小到大改變LD的驅(qū)動電流，得到LD驅(qū)動電流與Nd:YAG激光輸出功率的測量值見表2。由表1數(shù)據(jù)得到的Nd:YAG激光器的輸出功率與泵浦功率(LD激光器的輸出功率)的關(guān)系曲線見圖7，在閾值之上二者基本滿足線性關(guān)系。

圖6 LD泵浦Nd:YAG激光器實驗裝置

表2 1 064 nm激光輸出功率與LD驅(qū)動電流數(shù)據(jù)表(LD工作溫度：25 ℃)

圖7 Nd:YAG激光器的輸出功率與泵浦功率的關(guān)系曲線

4 LD泵浦固體激光器倍頻實驗

實驗裝置見圖8。將KTP晶體放入Nd:YAG激光器的諧振腔中，旋轉(zhuǎn)KTP晶體，可以觀察到532 nm激光強度的變化，調(diào)至最佳角度使輸出激光功率最大。再將KTP晶體放置在諧振腔不同位置，可觀察到光功率計測量532 nm激光功率的值變化。當(dāng)KTP晶體位于激光束的束腰位置處，輸出的激光功率最大[11]。

圖8 LD泵浦Nd:YAG激光器倍頻實驗裝置

5 LD泵浦固體激光器被動調(diào)Q實驗

LD泵浦的Nd:YAG/Cr4+:YAG/KTP結(jié)構(gòu)被動調(diào)Q綠光激光器如圖9所示[12-13]。

圖9 LD泵浦Nd:YAG激光器被動調(diào)Q實驗裝置

將Cr4+:YAG晶體放置在諧振腔內(nèi)，在輸出鏡后放置光電二極管，將二極管輸出接入示波器。調(diào)節(jié)調(diào)Q晶體的俯仰扭擺角度，在示波器上觀察調(diào)Q激光脈沖波形(見圖10)。減小808 nm激光器的工作電流，觀察脈沖波形的變化，當(dāng)電流減小到某值時，脈沖波形消失，脈沖最小頻率對應(yīng)的周期即為YAG熒光壽命。改變LD驅(qū)動電流，測得的調(diào)Q激光脈沖波形參數(shù)見表3。由波形數(shù)據(jù)可見，808 nm激光器的工作電流越大，Nd:YAG激光器的泵浦輸入功率越大，調(diào)Q激光的輸出脈沖周期越小，脈沖半高寬度越小，但脈沖高度幾乎不變。

圖10 被動調(diào)Q激光的輸出波形

表3 808 nm LD激光器驅(qū)動電流與被動調(diào)Q激光脈沖波形參數(shù)的數(shù)據(jù)(LD工作溫度：25 ℃)

6 結(jié)束語

為了實驗教學(xué)的直觀性，本系統(tǒng)采用分離器件，由學(xué)生動手組裝調(diào)試，在操作過程中觀察實驗現(xiàn)象，掌握調(diào)試技巧，學(xué)習(xí)相關(guān)參數(shù)的測量并進行數(shù)據(jù)處理與分析。包括觀察LD輸出激光的光束特性、耦合系統(tǒng)的作用、如何將聚焦后的LD激光束泵浦Nd:YAG激光器、如何調(diào)整諧振腔得到單模輸出、在調(diào)整過程中觀察輸出激光的模式變化、KPT倍頻晶體的角度匹配、被動調(diào)Q激光脈沖參數(shù)的測量等實驗內(nèi)容。該實驗已經(jīng)向我院2009級光通信與光電工程專業(yè)100余名本科生開放，通過該實驗，有助于學(xué)生加深對激光器的泵浦源、諧振腔、晶體光學(xué)、非線性光學(xué)、倍頻、調(diào)Q技術(shù)等知識點的理解和掌握。

[1] 郭龍成,過振,王石語，等.二極管泵浦固體激光器熱透鏡焦距的數(shù)值模擬[J].電子科技，2010,23(9):63.

[2] 鄭權(quán),趙嶺,錢龍生.大功率二極管泵浦固體激光器的應(yīng)用和發(fā)展[J].光學(xué)精密工程，2001,9(1):6-9.

[3] 過振,王石語,文建國,等.高重復(fù)頻率二極管泵浦激光器窄脈寬調(diào)Q技術(shù)[J].紅外與激光工程,2001,30(4):208-211.

[4] 任旭升,檀慧明,錢龍生.半導(dǎo)體泵浦固體激光器在激光加工中的應(yīng)用[J].激光技術(shù)與應(yīng)用，2005,11(1):1-4.

[5] 杜秀蘭,吳峰.固體激光器的燈泵浦和二極管泵浦方式比較[J].應(yīng)用光學(xué)，2004,25(3):37-40.

[6] 聞春敖,葛劍虹.半導(dǎo)體激光器泵浦固體激光器實驗建設(shè)[J].光學(xué)技術(shù)，2009,35(增刊):238-242.

[7] 呂百達.固體激光器[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社,2002：85-89.

[8] 呂百達,張彬,蔡邦維，等.高功率二極管泵浦固體激光器研究的進展[J].強激光與粒子束，1994,6(2):303-309.

[9] 王海林,黃維玲,周卓尤,等.二極管側(cè)面泵浦連續(xù)固體激光器的研究[J].激光雜志，2001,22(5)：31-32.

[10] 趙鴻,姜東升,周壽桓,等.二極管抽運200 Hz TEM00模Q開關(guān)Nd:YAG激光器[J].中國激光，2000,27(11):965-968.

[11] 周炳坤,高以智,陳倜嶸.激光原理[M].6版.北京:國防工業(yè)出版社,2012：330-331.

[12] 王鵬飛,金煜堅,潘虎.二極管泵浦被動調(diào)Q激光器[J].激光與紅外，2005,35(8):560-562.

[13]王鵬飛,馮江,李強，等.小型被動調(diào)Q二極管泵浦固體激光器[J].激光與紅外，2008,38(11):1087-1089.