聲光Q開關的漏光特性與射頻功率關系的研究

馬超群，張 瀅，汪曉聰，韓聚洪，蔡 和，劉曉旭，安國斐，王 浟

(西南技術物理研究所，成都 610041)

引 言

激光二極管(laser diode,LD)抽運的調(diào)Q固體激光器具有轉換效率高、光束質(zhì)量好、重復頻率高、峰值功率大和結構緊湊等優(yōu)點，在激光雷達、激光精密加工、光通信、激光測距及生物醫(yī)療等諸多領域均有著十分重要的應用[1-3]。目前基于聲光調(diào)Q激光器獲得較窄激光輸出脈寬的主要方法有[4-8]：提高抽運速率，調(diào)節(jié)抽運光與諧振腔內(nèi)振蕩光的匹配系數(shù)，縮短腔長，減小Q開關啟閉速度等，其中的前兩個方法是為了增大反轉粒子數(shù)密度，提高諧振腔內(nèi)的增益系數(shù)，而減小Q開關啟閉速度則需要考慮調(diào)Q過程中所引入的兩類閾值[9]。第1類閾值是在聲光Q開關擁有高聲光衍射效率時的閾值，此時諧振腔處于高損耗的狀態(tài)；第2類閾值是聲光Q開關在打開狀態(tài)時激光不發(fā)生衍射時的閾值，此時激光器輸出脈沖。第一閾值須保證在Q開關打開之前，諧振腔內(nèi)的振蕩光不起振，如果衍射效率不足，即射頻(radio frequency,RF)功率較小時，腔內(nèi)總損耗將會小于腔內(nèi)總增益，就會出現(xiàn)漏光現(xiàn)象，此時的Q開關將不能完全關斷振蕩光振蕩。第2類閾值會影響脈沖的大小、形態(tài)、脈沖的建立時間。在第2類閾值處，即在打開Q開關時，腔內(nèi)損耗不能立即穩(wěn)定在最低值，在超聲波消失過程中，損耗就會一直處于變動之中，因為激光脈沖時間較短，當脈沖完全輸出后，損耗卻不一定會降到最低值，這將會影響出射激光脈沖的時間特性。本文中重點研究了高重頻(100kHz)納秒脈沖Nd∶YVO4激光器的輸出特性隨RF信號功率的變化規(guī)律，實驗得出了既保證門信號開啟后激光脈沖序列具有一定的“上升”速度、又不會導致漏光過于嚴重的最佳射頻信號的功率范圍。所得到的研究結論對構建用于激光加工的快速開啟式調(diào)Q脈沖固體激光器具有較為重要的參考價值。

1 理論分析

聲光調(diào)Q技術的基礎理論是電聲轉換和聲光效應。調(diào)Q過程通過調(diào)節(jié)激光諧振腔內(nèi)的衍射效率來界定腔內(nèi)損耗和反轉粒子數(shù)分布，從而調(diào)節(jié)激光脈沖的脈寬與峰值功率等激光輸出特性[10-13]。一般說來，RF信號的功率如果發(fā)生改變，則聲光晶體所接收的超聲波功率會發(fā)生變化，其相應的衍射效率也會隨之發(fā)生改變。Q開關的關斷，其閾值由衍射效率決定，衍射效率越高，損耗越大，相應的閾值也越大。Q開關打開時，激光的振蕩閾值迅速減小，最后逐漸穩(wěn)定到最小值[14]，其穩(wěn)定時間受開關前后閾值大小的影響。下面對該過程進行具體的分析。

1.1 衍射效率與漏光的關系

聲光介質(zhì)的衍射原理如圖1所示。圖中,Ii為入射光強，Id為衍射光強，θ為入射角。在聲光Q開關(acousto-opticQ-switch,AOQ)的介質(zhì)中，射頻功率產(chǎn)生高頻振蕩信號，并通過換能器轉換為聲波信號，使聲光介質(zhì)折射率發(fā)生變化，形成了等效的相位光柵。光束這時通過介質(zhì)時，就會產(chǎn)生布喇格衍射，其衍射效率為[15]：

Fig.1 Schematic diagram of diffraction of acousto-optic medium

(1)

式中，P為超聲功率，M為聲光品質(zhì)因素，L/h為換能器長寬比，λ為抽運光波長。超聲功率較高時，Q值較高，損耗也較大，當光腔內(nèi)的總損耗大于增益時，腔內(nèi)的光振蕩停止，反轉粒子數(shù)逐漸積累，腔內(nèi)總損耗因子為[16]：

δh=δ0-ln(R1R2)-2ln(1-η)

(2)

式中，δ0為腔內(nèi)固有損耗，-ln(R1R2)為耦合損耗，其中的R1,R2為兩反射鏡的反射率，-2ln(1-η)為Q開關的衍射損耗，η是衍射效率。激光的振蕩閾值可表示為[17]：

(3)

式中，σ為受激發(fā)射截面，L0為增益介質(zhì)長度。如果衍射損耗小于腔內(nèi)增益，即初始粒子數(shù)反轉的數(shù)目ni>Nt，則在諧振腔內(nèi)就會有振蕩的激光產(chǎn)生，同時也會發(fā)生漏光現(xiàn)象[18]。

1.2 空間速率方程

Nd∶YVO4激光具有四能級系統(tǒng)，其諧振腔內(nèi)光子密度與粒子數(shù)反轉密度的速率方程為[19]：

(4)

(5)

(6)

式中，T為輸出耦合鏡的透射率，l為諧振腔長度，hν0為振蕩光子的能量。由于Q開關打開時存在衍射效率的延遲過程，腔內(nèi)損耗不能夠馬上穩(wěn)定在最低值，這就使得第二閾值不夠穩(wěn)定，因為激光脈沖的時間較短，在腔內(nèi)損耗還沒有達到最低時，脈沖可能就已經(jīng)完成。衍射損耗越高，損耗降到最低的時間也就越長，所以在Q開關打開之后，由于損耗較大，激光輸出功率比較低，之后逐漸升高并趨于穩(wěn)定，即Q開關打開后激光開啟會出現(xiàn)延時。

門信號、射頻信號以及激光輸出的脈沖序列信號之間的相互關系如圖2所示。由于對實用型連續(xù)抽運聲光調(diào)Q激光器來說都需要抑制首個巨脈沖,一般主要都是通過選擇適當?shù)某视蚁蝾惾亲兓腞F信號時間間隔(見圖2)來進行抑制。時間間隔越短，抑制效果就越不佳。本實驗中此時間間隔選定為15ms。另外，漏光大小與此時間間隔沒有直接關系。作者將在后續(xù)的文章中報道，在門信號開啟后這個時間間隔與Nd∶YVO4激光不同的偏振態(tài)之間的復雜物理關系。

Fig.2 Schematic diagram of gate signal,radio frequency signal and pulse sequence signal output by laser

2 實驗與討論

2.1 實驗裝置

實驗裝置如圖3所示。采用LD端面抽運的聲光調(diào)Q激光器，激光增益介質(zhì)為Nd∶YVO4晶體，由平面輸出耦合鏡(output coupler,OC)、全反射鏡(rear mirror,RM)和傾斜平面鏡組成的L型諧振腔，腔長為130mm，脈沖激光的1.34μm輸出信號是經(jīng)過焦距為120mm的凸透鏡聚焦后，經(jīng)由數(shù)枚衰減片減弱后由光電探測器(photonic detector,PD)接收。

Fig.3 LD pumped 1.34μm Nd∶YVO4 acousto-optic Q-switched laser experimental device diagram

2.2 實驗結果與分析

門信號是激光加工過程中控制激光脈沖串輸出的外部電氣命令信號，任何固體激光由于熱效應的相對滯后，不可能對電氣門信號達到“即答即應”的響應速度。而對于1.34μm的Nd∶YVO4激光而言，更由于其存在著嚴重的激發(fā)態(tài)吸收(excited state absorption,ESA)，激光晶體的熱效應遠比一般的Nd∶YAG激光要嚴重得多。這就使得在門信號開啟后的一段時間內(nèi)，輸出的激光脈沖序列會呈現(xiàn)逐步增強的趨勢。盡可能縮短這個上升時間是激光加工過程中的一個重要的工程性要求。門信號開啟后序列激光脈沖串不同的上升時間的定義如圖4所示。分別測試了高重復頻率(100kHz)下聲光Q開關在不同的射頻功率(PRF分別為0.42W,0.49W,0.58W,0.96W,2.25W,3.05W,4.40W)條件下所分別對應的漏光功率與門信號開啟時的序列激光脈沖的上升波形(見圖5)，相應的最終結果被歸納到表1中。對表中數(shù)據(jù)進行擬合，可得到門信號關閉時的漏光功率隨RF功率的變化曲線(見圖6)，從圖5和圖6可以看出，Q開關處于關閉狀態(tài)時的漏光功率隨RF功率的增大而減小，在RF功率較小時，漏光功率的變化較快，而在RF功率達到4.4W時，漏光完全消失，這就是所謂的第一閾值。這是由于在抽運速率一定時，反轉粒子數(shù)受限于腔內(nèi)總損耗，在RF功率較低時，衍射損耗較小，腔內(nèi)總增益大于總損耗，存在著較為嚴重的漏光現(xiàn)象；而當RF功率提高到一定程度時，漏光自然也就消失了。

Fig.4 Definition of the rise time of the laser pulse sequence under different conditions

Fig.5 Rising waveform of laser pulse sequence under different RF power

Table 1 The leakage power and the rise time of the output pulse under different RF power

Fig.6 Change curve of light leakage power with RF power when Q-switch hold off

通過擬合還可得到門信號開啟后激光序列脈沖的上升時間隨RF功率變化曲線(見圖7)。從圖中可以看出，在RF功率小于0.5W時，脈沖很快就能達到峰值輸出的50%；隨著RF功率的增大，激光序列脈沖的上升時間逐漸增大，在RF功率達到0.58W之前，激光序列的脈沖上升時間變化很快，而在之后則變化較慢。這可以解釋為：在RF功率較低時，腔內(nèi)損耗較低，由于漏光原因，腔內(nèi)反轉粒子數(shù)密度也較小，而在Q開關徹底打開后，腔內(nèi)損耗能夠較快達到平衡，脈沖上升

Fig.7 Rising time of pulse sequence as a function of RF power

時間也就隨之變短。

在構建用于激光加工的快速開啟式調(diào)Q脈沖固體激光器時，需要同時顧及門信號“開啟”后激光脈沖序列的上升速度和較低的漏光功率，選擇較為合適的射頻信號功率范圍就具有較為重要的工程實用價值。單就本文中的實驗系統(tǒng)來說，RF信號功率位于2W～3W之間時，漏光功率在500mW以下，門信號開啟后激光脈沖的上升時間大約只是第一閾值時的60%～70%左右，應該滿足大部分快速門信號開啟的快速激光加工要求。

3 結 論

首先理論分析了固體激光器的聲光調(diào)Q過程，推演了在Q開關hold-off狀態(tài)時衍射效率與激光系統(tǒng)漏光的關系。然后，通過實驗測量了LD抽運1.34μm Nd∶YVO4聲光調(diào)Q激光器的漏光特性和輸出激光脈沖序列的上升時間隨RF功率的變化，并對該結果作了系統(tǒng)分析。分析結果表明，RF功率的提高不僅能減小漏光功率，也同時會增大激光輸出脈沖序列的上升時間，所以，在構建用于激光加工的熱效應比較嚴重的調(diào)Q脈沖激光器時，并非一定要完全消除漏光，而是應該根據(jù)實際情況選擇合適的RF功率來同時獲得較高的激光的開啟速度。