LD側(cè)泵Nd：YAG聲光調(diào)Q激光器輸出特性的實(shí)驗(yàn)研究

鄔家成，沈慧娟

激光二極管（LD）泵浦的固體激光器具有效率高、光束質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)［1］，采用多向?qū)ΨQ分布的大功率激光二極管陣列進(jìn)行側(cè)面抽運(yùn)，對(duì)于泵浦耦合和均勻散熱提供較大的表面面積，可顯著提高抽運(yùn)功率，實(shí)現(xiàn)大功率輸出.利用LD的泵浦Nd：YAG聲光調(diào)Q激光器可獲得高重復(fù)頻率、窄脈寬和高峰值功率的激光脈沖，在激光雷達(dá)、激光通信、激光醫(yī)療和激光打標(biāo)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用［2-7］.

本文利用聲光Q開關(guān)對(duì)LD側(cè)面泵浦Nd：YAG激光模塊輸出的連續(xù)激光進(jìn)行調(diào)Q實(shí)驗(yàn)，主要研究了激光器諧振腔腔長(zhǎng)、泵浦電流、輸出鏡反射率以及重復(fù)頻率等因素對(duì)輸出激光的脈寬和平均輸出功率的影響，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果做出了分析，對(duì)LD側(cè)泵Nd：YAG聲光調(diào)Q激光器的設(shè)計(jì)優(yōu)化具有一定的參考意義.

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，激光器采用平—平腔結(jié)構(gòu)，M1、M2分別為激光器的全反鏡和輸出鏡；Nd：YAG激光模塊采用的是北京國(guó)科激光技術(shù)公司的GKPMY-50A2，利用激光二極管進(jìn)行側(cè)面泵浦，最大泵浦功率為180W，其光-光轉(zhuǎn)換效率約為30%，YAG晶體棒規(guī)格Ф3×67mm；聲光Q開關(guān)為中電26所生產(chǎn)的QSGSU-5/Q，射頻頻率27MHz，關(guān)斷功率 50W，調(diào)制頻率 1～50kHz，對(duì)1.06μm波長(zhǎng)光的衍射效率大于50%.輸出脈沖的平均功率和脈沖信號(hào)波形分別用LI-P激光功率計(jì)和美國(guó)Tektronix公司生產(chǎn)的500MHz數(shù)字式TDS3054B四通道彩色示波器進(jìn)行測(cè)量，探測(cè)器為德國(guó)生產(chǎn)的InGaAs光電探測(cè)器.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 腔長(zhǎng)對(duì)脈寬和平均功率的影響

圖2、圖3分別為泵浦電流I為25A，輸出鏡反射率R為84%，不同腔長(zhǎng)L時(shí)脈寬t和平均功率P與調(diào)Q重復(fù)頻率f之間的關(guān)系.

圖2 不同腔長(zhǎng)L時(shí)脈寬t與重復(fù)頻率 f之間的關(guān)系

圖3 不同腔長(zhǎng)L時(shí)平均功率P與重復(fù)頻率 f之間的關(guān)系

從圖2可以看出腔長(zhǎng)對(duì)脈寬影響較大，腔長(zhǎng)越長(zhǎng)脈寬越寬；在重頻較高時(shí)，改變腔長(zhǎng)對(duì)脈寬的影響比重頻較低時(shí)脈寬受腔長(zhǎng)的影響更為明顯.因此，縮短腔長(zhǎng)有利于獲取窄脈沖，在重頻為5kHz，腔長(zhǎng)為21.5cm時(shí)，可得到脈寬為45ns的激光脈沖.從圖3可知腔長(zhǎng)越短平均功率越大.在重頻較高時(shí)，改變腔長(zhǎng)對(duì)平均功率的影響比重頻較低時(shí)平均功率受腔長(zhǎng)的影響更為明顯.因此，縮短腔長(zhǎng)有利于獲取高平均功率.在重頻為50kHz，腔長(zhǎng)為21.5cm時(shí)，可得到平均功率為40W的激光脈沖.

2.2 泵浦電流對(duì)脈寬的影響

圖4為腔長(zhǎng)L為30cm，輸出鏡反射率R為92.4%，不同重復(fù)頻率f時(shí)脈寬t與泵浦電流I之間的關(guān)系.

圖4 不同重復(fù)頻率 f時(shí)脈沖寬度t與泵浦電流I之間的關(guān)系

從圖4可以看出隨著泵浦電流I的增加，脈寬不斷減??；在泵浦電流較低時(shí)增加泵浦電流，脈寬變化較為明顯，隨著I的增加，脈寬的變化逐漸變小；在重頻f較高時(shí)，泵浦電流的變化對(duì)脈寬的影響比重頻較低時(shí)更為明顯.在重頻為5kHz，泵浦電流I為28A時(shí)，得到脈寬為35.59ns的激光脈沖，如圖5所示，此時(shí)平均輸出功率為12.1W，則脈沖能量為2.42mJ，峰值功率為67.96kW.

圖5 脈沖波形圖

2.3 輸出鏡反射率及重復(fù)頻率對(duì)脈寬和平均功率的影響

圖6 、圖7分別為腔長(zhǎng)L為30cm，泵浦電流I為28A，不同輸出鏡反射率R時(shí)脈寬t和平均輸出功率P與重復(fù)頻率f之間的關(guān)系.

圖6 不同輸出鏡反射率R時(shí)脈沖寬度t與重復(fù)頻率f之間的關(guān)系

圖7 不同輸出鏡反射率R時(shí)平均功率P與重復(fù)頻率 f之間的關(guān)系

由圖6可知，輸出鏡反射率R對(duì)脈寬具有較大影響，R增大時(shí)脈寬t變窄；并且在重復(fù)頻率f較高時(shí)，R的變化對(duì)t的影響比f(wàn)較低時(shí)的影響更大.由圖7可知，輸出鏡反射率R對(duì)平均輸出功率P的影響很大，R為84%時(shí)平均功率較大.

由圖6、圖7可以看出，隨著重復(fù)頻率f的增大，會(huì)使脈寬t變寬、平均功率P增大；當(dāng)f大于35kHz時(shí)，P變化很緩慢，接近于靜態(tài)連續(xù)輸出功率，在R為84%，激光器靜態(tài)連續(xù)輸出功率為41.1W，進(jìn)行聲光調(diào)Q后f為50kHz時(shí)的平均功率測(cè)得為39.6W，其動(dòng)靜比為0.962.

3 結(jié)果分析

根據(jù)調(diào)Q激光器的基本理論可推出，在調(diào)Q重復(fù)頻率為f時(shí)，激光器的平均輸出功率P、單脈沖能量E和脈寬t可分別表示為［8］：

式中，R為輸出鏡反射率；L為激光器諧振腔長(zhǎng)度；hν為光子能量；V為腔內(nèi)光子的模體積；σ受激發(fā)射截面；γ為增益介質(zhì)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)因子（對(duì)于四能級(jí)系統(tǒng)，γ取1）；τc為腔內(nèi)光子壽命；ni、nt和nf分別為初始反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度、閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度和剩余反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度.

3.1 腔長(zhǎng)對(duì)脈寬和平均功率的影響

由（1）式知，脈寬t正比于腔內(nèi)光子壽命τc，又因?yàn)闉橛行婚L(zhǎng)，δ為腔內(nèi)損耗，c為光速），所以假設(shè)初始反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度ni、閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度nt和剩余反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度nf都不變，當(dāng)腔長(zhǎng)L增加時(shí)，脈寬變寬；由（2）式知，增加腔長(zhǎng)L會(huì)使平均輸出功率P降低.

3.2 泵浦電流對(duì)脈寬的影響

當(dāng)泵浦電流提高時(shí)，抽運(yùn)速率隨之增大，使得上能級(jí)初始反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度ni增加，而抽運(yùn)速率的變化對(duì)剩余反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度nf影響較小，對(duì)閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度nt沒(méi)有影響，因此，提高泵浦電流會(huì)增加ni/nt值.由（3）式知，脈寬t反比于ni/nt值，泵浦電流的提高會(huì)使脈寬變窄.

3.3 輸出鏡反射率及重復(fù)頻率對(duì)脈寬和平均功率的影響

增加輸出鏡反射率R會(huì)使腔內(nèi)損耗降低，使初始反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度ni增加，ni/nt值和ni/nf值增大，因此R增大時(shí)脈寬t變窄.由（2）式知，R的增加一方面能使ni/nf值增大，增加腔內(nèi)儲(chǔ)能，使平均功率P得到提高，另一方面，又因透過(guò)率減小而使P變小，因此，在R增加的過(guò)程中，R存在一最佳值使P達(dá)到最大值.對(duì)于調(diào)Q激光器，其最佳輸出鏡反射率是根據(jù)腔內(nèi)增益和損耗進(jìn)行選取的，一般脈沖抽運(yùn)的固體激光器，其輸出鏡反射率最佳值在30%～50%之間［9］，而連續(xù)抽運(yùn)固體激光器的輸出鏡反射率最佳值在80%～98%之間［10］.本文中R為84%時(shí)平均功率較大，這與理論值基本符合.

提高重復(fù)頻率f會(huì)使脈沖之間的時(shí)間間隔變小，使上能級(jí)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的積累時(shí)間減小，降低了上能級(jí)積累的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，使ni/nt值減小，因此脈寬不斷增加；但脈沖之間的時(shí)間間隔變小會(huì)減少因自發(fā)輻射躍遷而損耗的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，所以平均功率得到提高.

從圖2、圖4、圖6還可以看出，隨著重復(fù)頻率f的不斷增加，腔長(zhǎng)L、泵浦功率（泵浦電流I）和輸出鏡反射率R對(duì)脈寬t的影響會(huì)不斷增加.因?yàn)閒較小時(shí)，脈沖之間的時(shí)間間隔較大，上能級(jí)積累的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)較多，因L與R變化而改變的閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)nt和I變化而改變的初始反轉(zhuǎn)粒子數(shù)ni占上能級(jí)總的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的比例較小，對(duì)ni/nt值的影響較小，進(jìn)而對(duì)脈寬t的影響較?。欢?dāng)f較大時(shí)，脈沖之間的時(shí)間間隔較較小，上能級(jí)積累的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)較少，因L、I和R變化而改變的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)占上能級(jí)總的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的比例較大，增加了對(duì)ni/nt值的影響，因此對(duì)脈寬t的影響變大.

相比于LD端泵聲光調(diào)Q激光器，LD側(cè)泵聲光調(diào)Q的激光光束直徑較大，脈沖脈寬較寬，但側(cè)泵的抽運(yùn)速率大、輸出功率大，可通過(guò)準(zhǔn)直、聚焦透鏡壓縮光束直徑，以減小調(diào)Q開關(guān)超聲波在聲光介質(zhì)中的渡越時(shí)間，可進(jìn)一步減小脈寬，容易實(shí)現(xiàn)窄脈沖、高峰值功率的高重頻激光.

4 結(jié)論

對(duì)LD側(cè)泵Nd：YAG聲光調(diào)Q激光器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：提高泵浦電流、增加輸出鏡反射率和縮短腔長(zhǎng)都能夠使脈寬變窄；輸出鏡反射率存在最佳值使平均輸出功率達(dá)到最大；增加調(diào)Q重復(fù)頻率會(huì)使脈寬變寬、平均輸出功率得到提高；泵浦電流、輸出鏡反射率和腔長(zhǎng)的變化對(duì)脈寬的影響程度因重復(fù)頻率的變化而不同，在重頻較高時(shí)對(duì)脈寬的影響比重頻較低時(shí)更為明顯.