高重頻聲光調(diào)Q Nd∶YLF激光器特性研究

楊 帆，張 楠，郭宋明，喬紅超，崔建豐，岱 欽

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 理學(xué)院，沈陽(yáng) 110159；2.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所，沈陽(yáng) 110016)

Nd∶YLF晶體在1053nm波長(zhǎng)時(shí)的激光躍遷與摻Nd的磷酸玻璃和氟磷酸玻璃的峰值增益非常匹配，所以廣泛應(yīng)用于磷酸玻璃和氟磷酸玻璃的放大器鏈的主振蕩中，同時(shí)Nd∶YLF晶體的熒光壽命是Nd∶YAG晶體的2倍[1]，而LD的泵浦功率是固定的，較長(zhǎng)的熒光壽命會(huì)帶來(lái)較長(zhǎng)的泵浦時(shí)間，所以在二極管數(shù)量相同時(shí)，Nd∶YLF提供的存儲(chǔ)能量是Nd∶YAG的2倍[2-3]。Nd∶YLF的高熱導(dǎo)率使其散熱效果良好，且Nd∶YLF的晶體折射率溫度系數(shù)為負(fù)值，具有很小的熱透鏡效應(yīng)，偏振特性好，材料的自然雙折射效應(yīng)大大超過(guò)熱致雙折射效應(yīng)，消除了YAG晶體等光學(xué)各向同性基質(zhì)材料的熱退偏效應(yīng)[4-6]。

調(diào)Q技術(shù)方面，聲光調(diào)Q具有調(diào)制電壓低、腔內(nèi)插入損耗小以及在較高的重復(fù)頻率下能夠?qū)崿F(xiàn)窄脈寬高峰值功率輸出等優(yōu)勢(shì)，適合應(yīng)用于高重復(fù)頻率運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器[7]中，由于Nd∶YLF晶體具有良好熱效應(yīng)等特性，與聲光調(diào)Q方式相結(jié)合可以獲得高重復(fù)頻率，短脈沖激光輸出，在激光工業(yè)應(yīng)用，光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，非線性光學(xué)等方面應(yīng)用廣泛。

關(guān)于Nd∶YLF固體激光器研究方面：Zhang H等[8]使用電光Q開(kāi)關(guān)的Nd∶YLF板條激光器實(shí)現(xiàn)了脈沖寬度為22.4ns,重復(fù)頻率為500Hz，光-光轉(zhuǎn)換效率為22%的激光輸出。馮承勇等[9]采用端面脈沖泵浦Nd∶YLF激光晶體和電光腔倒空技術(shù),實(shí)現(xiàn)了短脈寬、高穩(wěn)定性和高光束質(zhì)量的1053nm激光輸出。當(dāng)重復(fù)頻率為200 Hz 、注入平均功率為3.1 W時(shí),輸出平均功率為240mW。Y Sun等[10]研究了高重復(fù)頻率的聲光調(diào)Q Nd∶YLF激光器，當(dāng)泵浦功率為3.58W及重復(fù)頻率到達(dá)50kHz時(shí)，得到平均功率為1.12W，峰值功率為541W的激光輸出。Lu T等[11]采用雙二極管泵浦Nd∶YLF和腔內(nèi)倍頻結(jié)構(gòu)，在重復(fù)頻率為500Hz下采用49.8mJ入射泵浦脈沖能量，獲得脈沖能量為11mJ，平均功率5.5W，脈沖寬度小于15ns的527nm激光輸出。

本文采用聲光調(diào)Q LD側(cè)面泵浦Nd∶YLF激光器，實(shí)現(xiàn)了高功率、窄脈寬的1053nm激光輸出，在不同重復(fù)頻率和不同輸出透過(guò)率條件下，分析了Nd∶YLF激光器的輸出平均功率和脈沖寬度等輸出特性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，獲得激光器系統(tǒng)最佳參數(shù)及輸出指標(biāo)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)調(diào)試

激光器實(shí)驗(yàn)光路如圖1所示，諧振腔采用平—凹腔結(jié)構(gòu)，M1為曲率半徑為1m的平凹鏡,鏡面鍍1053nm全反膜(R>99.5%),輸出耦合鏡M2為平面鏡，鏡面鍍1053nm部分反射膜。泵浦方式采用LD側(cè)面泵浦結(jié)構(gòu)，三列LDbar成均勻三角形排列在晶體棒外側(cè)，整個(gè)陣列總功率為280W。LD泵浦源的發(fā)射波長(zhǎng)通過(guò)精密溫控系統(tǒng)固定在808nm,以提高Nd∶YLF晶體的吸收效率。Nd∶YLF晶體采用a軸切割，晶體尺寸為Ф3mm×80mm。使用的聲光Q開(kāi)關(guān)(GOOCH & HOUSEGO)的中心工作頻率為27MHz，通光孔徑為4mm，工作波長(zhǎng)為1047～1064nm，工作介質(zhì)為熔融硅,透過(guò)率T>99.8%。激光晶體及聲光Q晶體模塊的散熱方式均為去離子水循環(huán)冷卻，控制溫度保持在21℃。利用HeNe準(zhǔn)直光調(diào)試激光器光路中的諧振腔鏡及光學(xué)元件，使激光器運(yùn)行在最佳狀態(tài)。

圖1 聲光調(diào)Q Nd∶YLF激光器實(shí)驗(yàn)裝置

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 激光器的輸出功率測(cè)試分析

在輸出鏡M2的透過(guò)率不同條件下，實(shí)驗(yàn)測(cè)量了聲光Q開(kāi)關(guān)重復(fù)頻率與激光器的平均輸出功率關(guān)系，此時(shí)泵浦電流為19.5A，如圖2所示。

圖2 激光平均輸出功率隨聲光Q信號(hào)重復(fù)頻率的變化曲線

從圖2可以看出，激光器平均輸出功率隨著聲光Q信號(hào)重復(fù)頻率的增大而增大。并且激光器的輸出鏡存在一個(gè)最佳的透過(guò)率，同時(shí)，隨著聲光Q開(kāi)關(guān)重復(fù)頻率的增加，激光器的平均功率并不會(huì)一直呈線性增長(zhǎng)，當(dāng)重復(fù)頻率大于5kHz時(shí)，增長(zhǎng)放緩。這是因?yàn)殡S著重復(fù)頻率的增加，亞穩(wěn)態(tài)上的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)無(wú)法積累到最高的狀態(tài)，導(dǎo)致單脈沖能量降低，隨著重復(fù)頻率的增加，最終使平均功率上升放緩。

2.2 激光器的脈沖寬度測(cè)試分析

對(duì)于聲光調(diào)Q的LD側(cè)面泵浦Nd∶YLF激光器而言，聲光Q開(kāi)關(guān)重復(fù)頻率也會(huì)對(duì)輸出激光的脈沖寬度產(chǎn)生影響。實(shí)驗(yàn)利用DET10A型探測(cè)器(Thorlabs公司，美國(guó))和TDS3034B型示波器(Tektronix公司，美國(guó))，在輸出鏡M2的透過(guò)率不同的條件下，實(shí)驗(yàn)測(cè)量了激光器Q開(kāi)關(guān)重復(fù)頻率對(duì)激光脈沖寬度的影響，如圖3所示。

圖3 輸出激光脈沖寬度隨聲光Q信號(hào)重復(fù)頻率的變化曲線

由圖3可以看出，輸出激光的脈沖寬度隨聲光Q信號(hào)重復(fù)頻率的增大而變寬。主要原因是當(dāng)重復(fù)頻率較高時(shí)，由于脈沖之間沒(méi)有足夠的時(shí)間使激光上能級(jí)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達(dá)到最大值，使得凈增益減小，導(dǎo)致激光輸出的單脈沖能量下降，脈沖寬度增大。在泵浦電流設(shè)定為19.5A，聲光Q信號(hào)的重復(fù)頻率設(shè)定為1kHz時(shí)，不同透過(guò)率的輸出鏡會(huì)使輸出激光的脈沖寬度有所變化，脈沖寬度分別為104.2ns(T=10%)，81.92ns(T=15%)，88ns(T=20%)，124.7ns(T=30%)。

2.3 激光器峰值功率的優(yōu)化

在激光加工等工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，脈沖激光器的峰值功率是一個(gè)很重要的指標(biāo)，重復(fù)頻率及脈沖寬度是影響峰值功率的重要因素，為了獲得更高的峰值功率，對(duì)該激光器進(jìn)行了優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。

通過(guò)激光平均功率和脈沖寬度隨重復(fù)頻率的變化特性曲線分析激光峰值功率與重復(fù)頻率的關(guān)系。圖4為在輸出鏡M2的透過(guò)率不同條件下，輸出激光峰值功率隨Q開(kāi)關(guān)重復(fù)頻率的變化情況。

圖4 輸出激光峰值功率隨聲光Q信號(hào)重復(fù)頻率的變化曲線

由圖4可以看出，當(dāng)輸出鏡透過(guò)率為15%時(shí)，激光器可以得到最大的輸出峰值功率達(dá)到45.2kW。圖5為輸出激光單脈沖波形圖。

圖5 1053nm激光單脈沖波形

由圖5可以看出，最小脈沖寬度為81.92ns。

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)聲光調(diào)Q LD側(cè)面泵浦Nd∶YLF激光器，并對(duì)激光器輸出特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，在不同輸出鏡透過(guò)率和重復(fù)頻率條件下，分析激光器的輸出平均功率和脈沖寬度等輸出特性的影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，最終在激光輸出鏡透過(guò)率為15%、聲光Q開(kāi)關(guān)重復(fù)頻率為1kHz、LD泵浦電流為19.5A時(shí)，獲得激光器最大峰值功率為45.2kW,最小脈寬為81.92ns。