激光二极管抽运声光调QNdYVO4板条激光器讲解.docx

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激光二极管抽运声光调QNdYVO4板条激光器讲解

第37卷第5期中国激光

Vol.37,No.52010年5月

CHINESEJOURNALOFLASERS

May,2010

文章编号:

02587025（201005116204

激光二极管抽运声光调QNdYVO4板条

激光器

闫莹张恒利李静刘洋沙鹏飞辛建国

（北京理工大学光电学院,北京100081

摘要报道了采用激光二极管（LD阵列部分端面抽运NdYVO4板条声光（AO调Q激光输出特性。

实验中采用了平凹稳定谐振腔,输入镜曲率半径500mm,输出透射率为T=35%,腔长为L=110mm。

NdYVO4板条晶体尺寸为12mm10mm1mm,a轴切割,c轴平行于12mm方向,掺杂浓度为0.3%。

在抽运功率为104W,重复频率为40kHz时,得到最高平均输出功率为40W,单脉冲能量为1mJ,脉宽为42.2ns,光光转换效率为38.4%;在重复频率为20kHz时,得到最高平均输出功率为33.3W,单脉冲能量为1.66mJ,最短脉宽为21.1ns。

关键词激光器;板条激光器;激光二极管抽运;NdYVO4板条;声光调Q;稳定腔中图分类号TN248.1文献标识码Adoi:

10.3788/CJL20103705.1162

LDPumpedAcousticOpticQSwitchedNdYVO4SlabLaser

YanYingZhangHengliLiJingLiuYangShaPengfeiXinJianguo

（SchoolofOptoelectronics,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China

AbstractTheoutputcharacteristicsofanacousticoptic（AOQswitchedlaserdiode（LDstackspartiallyendpumpedNdYVO4slablaserwasdemonstrated.Astablecavitywasemployed,thecurvatureradiusofinputmirrorwas500mm,thetransmissionoftheoutputmirrorwas35%,andthecavitylengthis110mm.Thesizeofthe0.3%NdYVO4slabcrystalwas12mm10mm1mm,withacutandthecaxisalongits12mmdirection.Atpumpingpowerof104Wandrepetitionrateof40kHz,theaverageoutputpowerof40Wandsinglepulseenergyof1mJwereachievedwithanopticaltoopticalefficiencyof38.4%andpulsewidthof42.2ns;atrepetitionrateof20kHz,theaverageoutputpowerof33.3Wandsinglepulseenergyof1.66mJwereachievedwiththepulsewidthof21.1ns.

Keywordslasers;slablaser;laserdiodepumped;NdYVO4slab;acousticopticQswitched;stableresonator

收稿日期:

20090522;收到修改稿日期:

20090630

作者简介:

闫莹（1984!

女,博士研究生,主要从事LD固体激光器件方面的研究。

Email:

yanying0709@g导师简介:

张恒利（1968!

男,研究员,主要从事LD固体激光器件方面的研究。

Email:

zhl040325@

1引言

随着激光二极管（LD抽运全固态激光器的发展,同时也为了满足在激光加工、激光雷达和激光打标等[1]领域的需要,高功率、高重复频率、窄脉宽固体激光器得到了越来越多的重视。

电光调Q和声光（AO调Q是目前应用较多的两种调制方式,由于基本原理不同,因此输出脉冲激光也具有不同的特点。

电光调Q的响应时间比较短,容易获得窄脉宽的激光输出,但同时电光晶体需要的驱动电压比较高（一般为几千伏特,因此不容易获得高重复频率;声光调Q开关基于衍射原理,属于慢开关,不容易得到窄脉宽的激光输出,但调制频率高,可以实现

几十至上百千赫兹的重复频率[2~4]。

激光二极管抽运全固态板条激光器由于其增益介质具有较大的散热面积,增益介质热效应得到一定缓解,因此容易获得较高功率的激光输出。

激光二极管部分端面抽运板条激光器是一种可以获得高功率高光束质量的板条激光器件[5,6],同时利用这种结构和电光调Q装置已获得了高功率、窄脉宽的高光束质量输出[7~9]。

本文采用声光调Q方式和激光二极管抽运板条NdYVO4晶体,采用平凹稳定腔结构,在腔长L=110mm时获得在水平方向近似为一维平顶的声光调Q激光输出,在重复频率为40kHz,输出透射率为35%时,得到的最高平均输

5期闫莹等:

激光二极管抽运声光调QNdYVO4板条激光器

出功率为40W,脉宽为42.2ns,光光转换效率为38.4%。

2实验装置

图1为实验装置示意图。

激光器抽运源为激光

二极管阵列,由4个bar条组成,输出光中心波长为808nm,每个激光二极管都由一个微透镜对其输出光进行准直。

耦合系统与文献[5]中的相同,将激光二极管发出的抽运光整形为一条水平方向光强近似

均匀分布的矩形抽运线（尺寸约为0.4mm12mm入射到激光晶体端面,抽运光在晶体端面的强度分布如图2所示。

NdYVO4晶体尺寸为12mm10mm1mm,Nd3+

掺杂原子数分数为0.3%。

输入镜M1为凹面球面镜,曲率半径为500mm,镀有对808nm高透和1064nm高反的介质膜;M2为平面输出镜,对1064nm激光具有一定的透射率T。

激光器腔长为110mm。

声光Q开关重复频率范围为1~100kHz

。

图1实验装置示意图Fig.1Experimental

setup

图2抽运光在晶体端面的强度分布

Fig.2Intensitydistributionofpumpinglaseratthe

endoflasercrystal

3实验结果与讨论

输出透射率是影响激光输出功率的主要因素之一,在一定的抽运功率下存在一个最佳输出透射率使得激光器的输出功率达到最高。

M2处的输出光强可以表示[10]为Iout

=TI

s（1+r2/r1（1-r1r2lnG0-ln1

r1r2

（1

式中Is

为饱和光强,T为输出透射率,G0

为腔内往返两次的增益,G0=exp（2g0l∀（1-,r1=R1,r2=

R2,R1,R2分别为输入镜M1和输出镜

M2的反射率,为透射率以外的其他损耗,g0为小

信号增益系数。

计算中所用到的参数分别为:

输入镜M1反射率R1为0.99,YVO4发射截面为2510-19cm2,上能级寿命为100s,增益介质长度l为10mm,抽运功率为100W,谐振腔损耗为0.01。

计算结果如图3所示。

由图3可知,此时的最佳透射率在0.2~0.3之间。

本文分别采用了T=15%,25%,35%的输出镜进行了连续输出和调Q输出实验。

图3抽运功率100W连续运转时,输出透射率与

输出功率的关系Fig.3Relative

output

power

as

a

function

of

transmissioninCWoperationatthepumping

powerof100W

图4为输出透射率15%,25%,35%激光器连续运转情况下,输出功率随抽运功率的变化。

实验

发现,输出透射率为25%和35%条件下,相同抽运

1163

中国激光37卷

功率获得的激光输出功率相当,均高于T=15%情况下的输出功率,因此25%和35%更接近于激光器的最佳输出透射率,这与理论分析得到的结果相

一致。

图4连续运转条件下,不同透射率的激光器

输入输出特性

Fig.4Outputpowerasafunctionofpumpingpowerin

CWoperationwithdifferenttransmissio

ns

图5透射率T=35%时,激光器输出平均功率随

抽运功率的变化

Fig.5Averageoutputpowerasafunctionofpumping

powerwithT=35%

从调Q脉冲产生的原理上分析,脉冲宽度与初始反转粒子数密度（谐振腔Q值降低时的反转粒子数、阈值反转粒子数密度、腔内光子寿命等因素有关,激光脉冲的前沿（上升时间主要取决于初始反转粒子数密度与阈值反转粒子数密度的比值,而脉冲的后沿（下降时间与腔内光子寿命成正比

[11]

。

图5~7分别为输出透射率35%时声光调Q脉冲激光器的输出平均功率、脉宽和单脉冲能量随抽运功率的变化关系。

在重复频率为40kHz,抽运功率为104W时,得到的最高平均输出功率为40W,脉宽为42.2ns,光光转换效率为38.3%。

在重复频率为20kHz,抽运功率为104W时获得的最短脉宽为

21.1ns,此时平均输出功率为33.3W,单脉冲能量

图6透射率T=35%时,激光器脉冲宽度随

抽运功率的变化

Fig.6Pulsewidthasafunctionofpumpingpower

withT=35%

图7透射率T=35%时,激光器单脉冲能量随

抽运功率的变化

Fig.7Energyperpulseasafunctionofpumpingpower

withT=35%

为1.66mJ。

随着抽运功率的增加,激光器的输出功率和单脉冲能量都在不断增加,而脉宽逐渐变窄。

这是由于增加抽运功率,即增大了初始反转粒子数与阈值反转粒子数之比,腔内光子数的增加和反转粒子数的下降速度都加快,因此脉宽变窄。

同时,实验结果表明,在相同的抽运功率下,高重复频率可以获得更高的输出平均功率,但同时其脉宽相对低重复频率较宽,单脉冲能量也更低。

其原因在于,高重复频率不利于增益介质储存大量的反转粒子数,使反转粒子数初始值降低,因此脉宽较宽,单脉冲能量也低于相同条件下低重复频率的调Q激光。

图8为典型的脉冲波形,此时的脉冲宽度为28.6ns。

图9为重复频率30kHz时,输出透射率对脉冲宽度的影响。

在脉冲宽度较宽时,相同抽运功率下,透射率越高输出脉宽越窄。

在脉宽40ns以下,这种趋势并不明显,此时不同透射率的结果差距不大。

由于不同透射率所对应的谐振腔损耗不同,透射率

1164

5期闫莹等:

激光二极管抽运声光调QNdYVO4板条激光

器

图8典型调Q脉冲波形

Fig.8TypicalQswitchedpulsepro

file

图9不同透射率下,30kHz时激光脉冲宽度与

抽运功率的关系

Fig.9Pulsewidthasafunctionofpumpingpowerat

30kHzwithdifferenttransmissions

高时,腔内光子寿命较短,因此输出激光脉宽较窄。

由于板条增益介质本身宽度方向和厚度方向的尺寸相差较大,并且实验中采用的为稳定腔结构,因

此激光器在两个方向上的光束质量差别也很大[7]。

采用了刀口法测量了在抽运功率为100W,激光连续输出时的光束质量M2

因子,竖直方向为1.3,水平方向约为140。

在竖直方向由于抽运光和基模振荡光之间具有良好的模式匹配,因此光束质量很好;在水平方向的菲涅耳数较大,在此方向的光强分布是多个模式叠加形成的一维平顶分布。

4结论

采用激光二极管阵列端面抽运板条NdYVO4

激光晶体,结合不同透射率的平凹稳定腔结构,获得了高功率、高重复频率的声光调Q激光输出。

在重复频率为40kHz,输出透射率为35%时,得到的

最高平均输出功率为40W,脉宽为42.2ns,光光转换效率为38.4%。

在重复频率为20kHz,抽运功率104W时获得的最短脉宽为21.1ns。

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