激光二极管双端抽运声光调Q高重复频率NdGdVO4激光器讲解文档格式.docx
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高重复频率中图分类号TN248.1文献标识码A
LaserDiodeDoubleEndPumpedAcoustoOpticallyQSwitched
NdGdVO4LaserwithHighRepetitionRate
LIXudong,YUXin,YUJunhua,CHENDeying
(InstituteofOptoElectronicsTechnology,HarbinInstituteofTechnology,Harbin,Heilongjiang,150080,ChinaAbstractLaserdiode(LDpumpedQswitchedsolidstatelasers(SSLscanachievehighrepetitionratesandhighpeakpower.Withthedevelopmentoflidarandlasermachining,diodepumpedSSLs(DPSSLswithhigherrepetitionratesarerequired.IntheLDendpumpedacoustooptically(AOQswitchedsolidstatelasers,NdGdVO4,whichhasexcellentphysicalandlaserproperties,isabletoobtainalaseroutputofshortpulsewidthevenatveryhighrepetitionrates.Themajorfactorsthathaveinfluenceonpulseenergyandpulsewidthareanalyzed,pulsewidth,averageoutputpowerandpeakpowerasafunctionoftherepetitionrateshavebeenstudied.DoubleNdGdVO4crystalslaserendpumpedbydoubleLDisreported,andAOQswitchedlaserof1063nmwithhighrepetitionrateandshortwidthisachieved.Atthetotalpumppowerof43W,pulsewidthof10.2ns,pulseenergyof0.95mJandpeakpowerof93.1kWareobtainedattherepetitionrateof10kHz;
28.1ns,0.10mJand3.6kWareproducedrespectivelyat100kHz.
Keywordslasertechnique;
NdGdVO4lasers;
acoustoopticallyQswitched;
laserdiodedoubleendpumped;
highrepetitionrate
收稿日期:
20060913;
收到修改稿日期:
20061129基金项目:
哈尔滨工业大学优秀团队支持计划资助项目。
作者简介:
李旭东(1980,男,山东莱州人,博士研究生,主要从事半导体激光抽运固体激光器方面的研究。
Email:
kevin2025@163.com
导师简介:
陈德应(1965,男,黑龙江哈尔滨人,博士生导师,主要从事强场物理和非线性光学方面的研究。
dychen@hit.edu.cn
1引言
激光二极管(LD端面抽运的固体激光器
(DEPSSL具有结构紧凑、效率高、光束质量好和寿命长等优点,近年来在国内外发展迅速。
而且它可
第34卷第4期2007年4月
中国激光
CHINESEJOURNALOFLASERS
Vol.34,No.4
April,2007
以通过调Q来获得高重复频率、高平均功率、窄脉宽和高光光转换效率的脉冲激光输出,在激光雷达、激光加工等领域中都具有较好的发展前景。
NdGdVO4晶体是1992年由俄罗斯科学家首先研制出来的一种新型激光晶体[1],已被越来越多的人所认识和使用[2~4]。
T.Ogawa等[5]研制了高效的NdGdVO4声光调Q激光器,在重复频率40kHz时,获得了最短激光脉冲7ns激光输出;
JunhaiLiu等[6]报道了激光二极管端面抽运的NdGdVO4声光调Q激光器,在高重复频率60kHz时,获得平均功率7.25W的脉冲输出,在重复频率10kHz时,获得能量340J,峰值功率26.2kW的脉冲输出。
NdGdVO4晶体较传统的NdYAG晶体,在808nm处具有较高的吸收系数和在1063nm处具有较大的受激发射截面(7.6!
10-19cm2,同时其热导率也很接近NdYAG,约11.7W/(m∀K,这就保证了NdGdVO4晶体在较高功率抽运下产生较小的热透镜效应,不易发生炸裂。
再考虑到它具有偏振输出的特性,从而使其即使在很高的重复频率下,仍可获得窄脉宽、高峰值功率的激光输出。
本文利用双激光二极管双端抽运双NdGdVO4短晶体棒,研制了一台声光(AO调Q的高重复频率固体激光器,研究了脉宽、平均功率和峰值功率随重复频率的变化关系,并分别在重复频率为10kHz和100kHz时,对输出脉冲激光的性能进行了测试。
2理论分析
根据Wagner等推导出的速率方程的解,对Q开关三能级系统的输出激光能量E和脉冲宽度t可分别表示为[7]
E=4!
ln
R
lni
nf
(1
t=∀cif
ni-nt[1+ln(ni/nt]
(2式中h为光子能量,!
为受激发射截面,A为有效光束截面,R为输出镜反射率,∀c为腔内光子寿命,ni和nf分别为调Q状态下的初始和最终反转粒子数密度,它们之间满足
ni-nf=ntln(ni/nf,(3nt为阈值反转粒子数密度,即
nt=(2!
l-1[ln(1/R+L],(4式中l为激活材料的长度,L为谐振腔往返一次损耗。
由(1和(2式可以看出,在输出镜反射率R一定的条件下,要获得高能量和窄脉宽的激光输出,主要靠增加高储能和储能利用率,即提高ni/nf和ni/nt的值来解决,所以在激光器的运转过程中,一方面应该采取措施增加有效入射抽运功率,适当增加掺Nd3+浓度及晶体棒长度,提高抽运速率,使得Q开关在#关闭∃的情况下可以积累更多的反转粒子数ni;
另一方面也需要选用合适的谐振腔结构形式及腔参量,例如采用热稳平平腔尽量缩短谐振腔的长度以减少腔内衍射损耗,选择输出镜的最佳透射率等。
同时ni也受调Q重复频率f的约束,当f1/∀时,表示初始反转粒子数ni还没有积累到饱和值就产生脉冲激光输出,因此脉冲能量和脉宽都不能达到最佳值;
当f1/∀时,会造成ni达到过饱和后才开始Q突变,此时由于自发辐射跃迁的影响,部分反转粒子数将损耗掉,这必然会影响调Q器件的激光性能。
由于NdGdVO4的上能级寿命∀%90s,所以对于声光调Q的NdGdVO4激光器来讲,它的最佳调制重复频率约在11kHz左右。
在实验中,利用双激光二极管双端抽运双NdGdVO4短晶体棒构建平平热稳腔,为减小射频超声波在晶体中的渡越时间,获得窄脉宽激光输出,将Q开关放置在腔中间位置。
选取透射率T=40%的输出镜,在不同重复频率下对激光器输出激光的脉宽和平均功率进行测量,然后计算出在不同调制重复频率下的脉冲激光能量E和脉冲峰值功率PM。
在双端激光二极管总入射有效抽运功率约43W的条件下,分别测量了脉冲宽度tp和平均输出功率P随重复频率f的变化,并得出PM随f的变化关系。
3实验装置
实验装置如图1所示。
其中LD1和LD2均为最大输出功率为110W的光纤耦合激光器,循环水冷却,光纤芯径400m,数值孔径NA=0.22;
两块NdGdVO4晶体尺寸均为4mm!
4mm!
8mm,Nd3+掺杂原子数分数为0.5%,晶体M1面镀膜为808nm高透,1063nm部分反射,晶体M2面镀膜为808nm高透,1063nm高反,两晶体置于采用循环冷却水制冷的紫铜热沉上,水温为15&
;
M3为1063nm45∋全反镜;
声光Q开关由NEOS公司生产,射频频率为41MHz,最大射频功率为50W;
LD1和LD2输出的808nm激光经光学耦合系统后,在晶体中聚焦成直径约400m的光斑;
输出的
中国激光34卷
图1声光调Q装置图
Fig.1SetupofAOQswitchedlaser
P和t分别由2835C功率计(美国Newport公司和DET210/M型Si光探测器探测,TDS3032B示波器(美国Tektronix公司显示脉冲波形。
4实验结果及分析
图2和图3分别为激光脉冲的t和随f的变化曲线。
由图2可知,随着f的增加,t也逐渐增大,由10kHz时的最短脉宽10.2ns逐渐增大到120kHz时的31.6ns
。
图2脉冲宽度与重复频率的关系Fig.2Pulsewidthversuspulserepetition
rate
图3平均输出功率与重复频率的关系
Fig.3Averageoutputpowerversuspulserepetitionrate
虽然NdGdVO4的上能级寿命∀不是很长,不
利于反转粒子数的大量积累,但由于其较大的受激发射截面,使得∀!
!
s=6.84!
10-23
s∀cm2
(这是高重复频率、窄脉宽激光二极管抽运固体激光器的一项很有利的综合指标,因此仍可获得窄脉宽的激光输出,这足可看出NdGdVO4晶体是非常适合于高重复频率窄脉宽的激光二极管抽运固体激光器激
光输出的。
由图3可以看出,随着重复频率的增加,平均输出功率逐步提高。
当f>
60kHz时,平均功率上升趋于缓慢,已接近连续功率,这时动静比接近于1。
图4和图5分别为调制重复频率为10kHz和100kHz
时的脉冲图。
图410kHz时的脉冲图
Fig.4Pulseshapeatthepulserepetitionrate
of10kH
z
图5100kHz时的脉冲图
Fig.5Pulseshapeatthepulserepetitionrate
of100kHz
图6为根据测得的tp和P推算出来的PM随f的变化关系。
由图6可以看出,随着f的增加,脉冲峰值功率PM在逐渐减小。
当f在10~60kHz之间
时,PM变化幅度很大,这主要是由两方面原因造成
的:
一方面,随着f的增大,tp增大;
而另一方面,P随f的增加而趋向饱和。
在这两方面的综合作用下,导致PM下降趋势很大。
当f在60~120kHz之间
时,PM下降趋势缓慢,这主要是由于f在此范围内
4期李旭东等:
激光二极管双端抽运声光调Q高重复频率NdGdVO4激光器
图6峰值功率与重复频率的关系
Fig.6PeakpowerversuspulserepetitionrateP变化缓慢而tp持续增加的缘故。
5结论
作为一种新型的激光晶体,NdGdVO4以其较高的热导率、较大的受激发射截面、较大的吸收系数、适中的上能级寿命及偏振输出等优异特性,采用声光Q开关调制,可确保即使在很高的重复频率下,也可获得窄脉宽的激光输出,在调Q的激光二极管固体激光器中日益发挥出巨大潜力。
实验利用双激光二极管双端抽运双NdGdVO4晶体棒,实现了声光调Q高重复频率的1063nm激光输出。
在晶体入射端面总抽运功率约43W的条件下,当f=10kHz时,获得t=10.2ns,E=0.95mJ,PM=93.1kW的输出;
当f=100kHz时出,获得t=28.1ns,E=0.10mJ,PM=3.6kW的输出。
在今后工作中,若能进一步优化参量,声光调QNdGdVO4激光器还具有深入挖掘的巨大潜力,特别是在100kHz的高重复调制频率下,相信可以取得更佳的调Q脉冲激光输出。
参考文献
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1374~1377
尹钊,沈德元,植天宪一.激光二极管抽运的NdGdVO4激光器[J].光学学报,2000,20(10:
1374~1377
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5T.Ogawa,T.Imai,K.Onoderaetal..EfficientpulseoperationofNdGdVO4laserwithAOQswitch[J].Appl.Phys.B,2005,81(4:
521~524
6JunhaiLiu,ChangqingWang,ChenlinDuetal..HighpoweractivelyQswitchedNdGdVO4laserendpumpedbyafibercoupleddiodelaserarray[J].Opt.Commun.,2001,188(14:
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7W.Koechner.SolidStateLaserEngineering[M].Beijing:
SciencePress,2005.469~474
W.克希耐尔.固体激光工程[M].北京:
科学出版社,2005.469~474
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