3 ns RTP電光腔倒空調(diào)Q激光器

崔雪龍，張海鹍，張　峰，王　靜，李　欣，陳麗娟，周　城，陳　濤(濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東濟(jì)南　250022)

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3 ns RTP電光腔倒空調(diào)Q激光器

崔雪龍，張海鹍*，張峰，王靜，李欣，陳麗娟，周城，陳濤
(濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東濟(jì)南250022)

摘要:采用RTP(磷酸鈦氧銣)晶體為電光Q開關(guān)，利用腔倒空技術(shù)，實(shí)現(xiàn)LD(半導(dǎo)體激光器)端面抽運(yùn)Nd: YVO4晶體的1 064 nm調(diào)Q激光輸出。在不同重復(fù)頻率及不同抽運(yùn)功率條件下，激光輸出脈沖寬度保持在3．1 ±0．3 ns?？紤]腔倒空過程中凈增益為零，給出LD抽運(yùn)的Nd: YVO4腔倒空激光器的輸出脈沖波形方程，并數(shù)值求解該理論方程，其理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果相符。

關(guān)鍵詞:激光技術(shù); RTP晶體;電光調(diào)Q;腔倒空

隨著微納制造技術(shù)、MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)的發(fā)展，納秒量級(jí)的高能量短脈沖激光加工技術(shù)以無接觸、質(zhì)量好、效率高等顯著特點(diǎn)，成為最具競(jìng)爭(zhēng)力的先進(jìn)加工技術(shù)之一［1－3］。在激光加工中，激光的脈沖寬度和重復(fù)頻率是影響激光加工質(zhì)量和效率的兩個(gè)重要因素［4］。電光調(diào)Q和聲光調(diào)Q很難同時(shí)滿足高重頻和短脈沖的條件，也很難實(shí)現(xiàn)＜5 ns的穩(wěn)定脈沖輸出［5－7］;而微片被動(dòng)調(diào)Q激光器，雖然可以得到＜1 ns的脈沖輸出，但被動(dòng)調(diào)Q輸出脈沖不穩(wěn)定，在實(shí)際應(yīng)用中也受到限制［8－10］。相對(duì)于被動(dòng)調(diào)Q輸出脈沖存在抖動(dòng)等不穩(wěn)定現(xiàn)象，電光的腔倒空技術(shù)可以將腔內(nèi)儲(chǔ)存的能量在短時(shí)間內(nèi)一次性導(dǎo)出腔外，形成穩(wěn)定的高功率短脈沖激光。文獻(xiàn)［11］采用雙端抽運(yùn)Nd: YLF晶體實(shí)現(xiàn)2．5 ns左右的腔倒空脈沖輸出，但重復(fù)頻率較低，最高重復(fù)頻率僅為200 Hz。文獻(xiàn)［12］采用BBO(偏硼酸鋇)電光晶體為調(diào)制器件，利用LD抽運(yùn)Nd: YVO4晶體，實(shí)現(xiàn)了500 kHz的電光腔倒空激光運(yùn)轉(zhuǎn)，脈沖寬度為6 ns，平均功率10 W。相比于BBO等電光晶體，RTP(RbTi0P04，磷酸鈦氧銣)晶體具有更大的電光系數(shù)，較高的損傷閾值(在波長(zhǎng)1. 064 μm、脈寬10 ns脈沖串的作用下，約為1．8 GW/cm2)，適于高重復(fù)率電光調(diào)制領(lǐng)域［13］。目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于高重復(fù)頻率、窄脈寬RTP電光調(diào)Q激光器的報(bào)道還比較少。本文研究一種RTP電光腔倒空激光器。利用RTP晶體為電光調(diào)制器件，采用腔倒空技術(shù)和加壓調(diào)制方式，實(shí)現(xiàn)LD抽運(yùn)Nd: YVO4晶體調(diào)Q激光輸出，通過壓縮腔長(zhǎng)獲得窄脈寬、高重復(fù)頻率1 064 nm的激光脈沖。從理論和試驗(yàn)兩方面研究脈沖寬度與腔長(zhǎng)、Q開關(guān)開關(guān)速度的關(guān)系，分析了抽運(yùn)功率、Q開關(guān)重復(fù)頻率對(duì)輸出激光脈沖寬度的影響。

1　試驗(yàn)裝置及原理分析

LD抽運(yùn)Nd: YVO4電光腔倒空激光器采用L型腔結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)裝置如圖1所示。抽運(yùn)源采用光纖耦合的808 nm半導(dǎo)體激光器，最大輸出功率30 W，抽運(yùn)光經(jīng)一個(gè)1∶0．8的光纖耦合頭耦合到晶體中。激光晶體采用摻雜濃度為0．3%的Nd: YVO4晶體，一端鍍808 nm和1 064 nm的高透膜，另一端鍍1 064 nm的高透膜。晶體沿a軸切割，尺寸為3 mm×3 mm×6 mm，用銦箔包裹放在銅塊中，用水循環(huán)冷卻至室溫21℃，靠近輸入鏡放置。M1為808 nm高透和1 064 nm全反的雙色平面鏡，M2為1 064 nm全反的平面鏡。偏振分束立方體(PBS)、零級(jí)1/4波片和RTP普克爾盒構(gòu)成Q開關(guān)，PBS兼做輸出端。由于RTP晶體為雙軸晶體，普克爾盒采用兩塊RTP晶體沿通光方向正交放置，補(bǔ)償自然雙折射。采用加壓式，1/4波電壓為650 V，重復(fù)頻率的調(diào)節(jié)范圍為1～50 kHz。采用A－40－D25－HPB型功率計(jì)和1 GHz帶寬DPO4102B－L型示波器監(jiān)測(cè)功率和脈寬。

PBS反射S分量，透過P分量，從而分離S偏振光和P偏振光。調(diào)節(jié)普克爾盒使入射的線偏振光與RTP晶體的快軸(或慢軸)呈45°正入射，并將1/4波片的光軸調(diào)至與S偏振光平行。當(dāng)電光開關(guān)不工作時(shí)，工作物質(zhì)產(chǎn)生的S偏振光，經(jīng)分束立方體反射通過1/4波片，經(jīng)反射鏡反射后再次通過1/4波片，經(jīng)分束立方體再次反射到工作物質(zhì)中，諧振腔處于儲(chǔ)能狀態(tài)，在諧振腔內(nèi)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達(dá)到最大時(shí)，給RTP普克爾盒加上1/4波電壓，此時(shí)S偏振光兩次通過1/4波片和RTP普克爾盒，變?yōu)镻偏振光，完全通過分束立方體透射出去，腔內(nèi)的能量將會(huì)一次性倒空，從而形成激光脈沖。若RTP電光Q開關(guān)的開門時(shí)間足夠快，則腔內(nèi)的能量可以在經(jīng)歷一次往返傳播所需的時(shí)間內(nèi)全部倒出諧振腔，即激光脈沖寬度等于腔內(nèi)光子往返渡越時(shí)間2L/c(L為諧振腔的光學(xué)長(zhǎng)度) ;若Q開關(guān)的開門時(shí)間比2L/c長(zhǎng)，則輸出脈寬由開門時(shí)間決定。

圖1　電光腔倒空試驗(yàn)裝置示意圖

RTP電光開關(guān)的電壓變化近似為線性，如圖2所示，因此PBS輸出率R(t)可表示為t的線性函數(shù):

圖2　簡(jiǎn)化的脈沖電壓波形

式中tR為腔倒空時(shí)Q開關(guān)的開門時(shí)間。

假設(shè)腔倒空過程中，腔內(nèi)往返1次的增益和損耗相等，則腔內(nèi)儲(chǔ)存的振幅為A的激光振蕩，通過PBS輸出，腔倒空的輸出脈沖A(t)表達(dá)式［14－15］為

式中td為光在諧振腔內(nèi)往返1次的時(shí)間; L為諧振腔的光學(xué)長(zhǎng)度。

試驗(yàn)中，tR=5 ns; L=120 mm。理論計(jì)算的脈沖波形如圖3所示，腔倒空的輸出脈沖寬度為2．9 ns，與試驗(yàn)得到的3．1±0．3 ns基本一致。

2　試驗(yàn)結(jié)果及討論

首先，RTP普克爾盒未加電光調(diào)制信號(hào)時(shí)，激光器處于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。通過旋轉(zhuǎn)1/4波片來調(diào)節(jié)輸出激光功率的大小，輸出透過率T(θ)是關(guān)于線偏振光偏振方向與1/4波片偏振軸夾角θ的函數(shù)，其公式為T(θ) = sin2(2θ)。當(dāng)抽運(yùn)功率為25 W，θ= 12°時(shí)，獲得最大平均輸出功率9．9 W，對(duì)應(yīng)的輸出透過率為16．5%，光光轉(zhuǎn)換效率為39. 6%，斜效率為39．8%，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖3　腔倒空輸出激光脈沖的模擬圖像

在腔倒空的工作過程中，用功率計(jì)對(duì)重復(fù)頻率50 kHz條件下的平均輸出功率進(jìn)行測(cè)量。圖4和圖5分別描述了在50 kHz時(shí)，平均輸出功率、峰值功率以及脈沖寬度隨抽運(yùn)功率的變化規(guī)律。當(dāng)抽運(yùn)功率為25 W時(shí)，獲得最大平均輸出功率為6．9 W，光光轉(zhuǎn)換效率為27．6%，斜效率為28．8%。從圖4、5中可以看出，平均輸出功率和峰值功率隨著抽運(yùn)功率的增大而增大，而脈沖寬度隨抽運(yùn)功率的增大幾乎沒有改變，脈寬穩(wěn)定在3．1±0．3 ns。圖6、7為50 kHz腔倒空激光器輸出的脈沖波形圖和脈沖序列圖，由圖6～7可觀察到輸出脈沖序列出現(xiàn)抖動(dòng)的現(xiàn)象，分析認(rèn)為可能與高脈沖頻率時(shí)腔內(nèi)的增益過小有關(guān)。圖8～10顯示了在抽運(yùn)功率為25 W時(shí)，脈沖寬度、平均輸出功率以及峰值功率隨重復(fù)頻率的變化規(guī)律。由此說明，腔倒空的激光輸出脈沖寬度與增益及重復(fù)頻率無關(guān)。當(dāng)重復(fù)頻率為50 kHz時(shí)，獲得最大平均輸出功率6．51 W。峰值功率隨著重復(fù)頻率的增大而減小，在重復(fù)頻率為5，10，30，50 kHz情況下，峰值功率分別為420. 0，104. 8，54. 3，44. 5 kW。

圖4　激光平均輸出功率隨抽運(yùn)功率的變化

圖5　激光峰值功率和脈沖寬度隨抽運(yùn)功率的變化

圖6　50 kHz電光腔倒空輸出脈沖波形

圖7　50 kHz電光腔倒空輸出脈沖序列

圖8　脈沖寬度隨重復(fù)頻率的變化

圖9　平均輸出功率隨重復(fù)頻率的變化

圖10　峰值功率隨重復(fù)頻率的變化

3　　結(jié)論

本文研究了一種激光二極管抽運(yùn)Nd: YVO4晶體的RTP電光腔倒空激光器，獲得了短脈寬、高重復(fù)頻率的1 064 nm激光脈沖輸出。當(dāng)重復(fù)頻率為5，10，30，50 kHz時(shí)，對(duì)應(yīng)的峰值功率分別為420. 0，104. 8，54．3，44．5 kW，脈沖寬度保持在3．1±0．3 ns。試驗(yàn)結(jié)果表明，RTP電光腔倒空調(diào)Q激光器可以同時(shí)滿足窄脈寬、高重復(fù)頻率的要求，在激光加工、激光打標(biāo)、激光測(cè)距中有著重要的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn):

［1］AMER M S，El－ASHRY M A，DOSSER L R，et al．Femtosecond versus nanosecond laser machining: comparison of induced stresses and structural changes in silicon wafers［J］．Applied Surface Science，2005，242(1) : 162－167．

［2］LEITZ K H，REDLINGSH?FER B，REG Y，et al．Metal ablation with short and ultrashort laser pulses［J］．Physics Procedia，2011(12) : 230－238．

［3］凌銘，張建文，章世駿，等．基于Nd: YAP偏振特性的電光調(diào)Q激光器［J］．激光與紅外，2013，2(43) : 162－166．

［4］CHEN T C，ROBERT B D．Laser micromachining of the materials using in microfluidics by high precision pulsed near and mid-uitraviolet Nd: YAG lasers［J］．Journal of Material Processing Technology，2008，198(3) : 248－253．

［5］朱小磊，唐昊，李小莉，等．高重復(fù)頻率電光調(diào)Q全固態(tài)激光器研究進(jìn)展［J］．中國(guó)激光，2009，36(7) : 1654－1659．

［6］沈兆國(guó)，付潔，惠祥云，等．高重復(fù)頻率電光調(diào)Q雙波長(zhǎng)激光器［J］．光電子技術(shù)，2014，34(1) : 53－56．

［7］閆瑩，張恒利，李靜，等．激光二極管抽運(yùn)聲光調(diào)Q Nd: YVO4板條激光器［J］．中國(guó)激光，2010，37(5) : 1162－1165．

［8］ZAYHOWSKI J J．Microchip lasers［J］．Optical Materials，1999(11) : 255－267．

［9］李桂秋，趙圣之，楊克建，等．LD泵浦Nd: GdVO4晶體Cr4+: YAG被動(dòng)調(diào)Q激光特性研究［J］．光子學(xué)報(bào)，2005，34(6)，810－813．

［10］岱欽，崔建豐，毛有明，等．LD脈沖泵浦被動(dòng)調(diào)Q窄脈沖大能量全固態(tài)激光器［J］．紅外與激光工程，2014，43(7) : 2066－2069．

［11］邱基斯，樊仲維，唐熊忻，等．高效雙端泵電光腔倒空Nd: YLF 1053 nm激光器［J］．光電子激光，2011，22(7)，961－964．

［12］石朝輝，劉學(xué)松，黃玉濤，等．500 kHz，6 ns高重復(fù)頻率電光腔倒空Nd: YVO4激光器［J］．中國(guó)激光，2014，41(10) : 1002006－1－6．

［13］YU Y，CHEN X，WANG C，et al．A 200 kHz Q-switched adhesive-free bond composite Nd: YVO4 laser using a double-crystal RTP electrooptic modulator［J］．Chinese Physics Letters，2012，2(29) : 024206－1－4．

［14］湯沂，梁作亮，虞鎖本．脈沖傳輸式激光技術(shù)［J］．激光與紅外，1981，4(5) : 3－5．

［15］田兆碩，王騏，王雨三．電光腔倒空與調(diào)Q射頻波導(dǎo)CO2激光器［J］．光學(xué)學(xué)報(bào)，2000，20(12) : 1613－1616．

(責(zé)任編輯:郭守真)

3 ns RTP Electro-Optical Cavity-Dumped and Q-Switched Laser

CUI Xuelong，ZHANG Haikun*，ZHANG Feng，WANG Jing，LI Xin，CHEN Lijuan，ZHOU Cheng，CHEN Tao
(School of Physics and Technology，University of Jinan，Jinan 250022，China)

Abstract:In this paper，RTP (Rubidium Titanyl Phosphate) crystal is used as the electro-optical Q-switch and the cavity-dumped technology is also used to realize the output of a 1 064 nm Nd: YVO4Q-switched laser endpumped by LD (Laser Diode)．With different repetition rate and different input pumped powers，a constant 3. 1 ±0．3 ns pulse width is obtained．Considering that the net profit is zero in the cavity-dumped process，the pulse equation is presented by the LD-pumped Nd: YVO4cavity-dumped laser and also the theoretical equation is obtained by the numerical solution，whose theoretical calculations are in agreement with the experimental results．

Key words:lasers technique; RTP crystal; electro-optical Q-switch; cavity dumping

作者簡(jiǎn)介:崔雪龍(1989—)，男，山東威海人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榧す馕锢砼c技術(shù); *張海鹍(1978—)，男，山東濟(jì)寧人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榧す馕锢砼c技術(shù)．

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61308057) ;山東省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2010G0020423)

收稿日期:2015－01－20

DOI:10．3969/j．issn．1672－0032．2015．01．017

文章編號(hào):1672－0032(2015) 01－0083－04

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

中圖分類號(hào):TN248．1