激光二极管抽运声光调QNd_YVO4板条激光器讲解

1、第37卷第5期中国激光V ol.37,N 0.52010 年 5 月CHINESE JO URNAL OF LASERSMay,2010文章编号：0258 7025（201005 1162 04激光二极管抽运声光调 Q Nd Y V O 4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（L D阵列部分端面抽运N d 丫 VO 4板条声光（A O 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。 N d 丫 V O 4板条晶体尺寸为12mm 10mm 1mm,a

2、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40kH z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20kH z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21.1 ns。关键词 激光器;板条激光器；激光二极管 抽运;Nd 丫 V O 4板条;声光调Q ;稳定腔中图分类号T N 248.1文献标识码A doi:10.3788/CJL20103705.1162LD Pumpe d Acoustic Optic Q Switched Nd 丫 VO 4S

3、lab LaserYan Yi ng Zhang Hen gli Li Ji ng Liu Yang Sha Pen gfei Xin Jia nguo(School of Optoelectr o n ics ,Beijin g In stit ute of T ech no logy ,Beiji ng 100081,Chi nAbstract The output characteristics of an acoustic optic （AOQ switched laser diode （LDstac ks pa rtia lly end pumped Nd YVO 4slab las

4、er was dem on strated.A stable cavity was employed,the curvature radius of in put mirror was 500mm,the tran smissi on of the output mirror wa s 35%,and the ca vity length is 110mm.The size of the 0.3%Nd YVO 4slab crystal was 12mm 10mm 1mm,with a cut and the c axis along it s 12mm directi on.At pump

5、ing power of 104W and repetiti on rate of 40kHz,the average output power of 40W and single pulse energy of 1mJ were achieved with an optical t o optical efficie ncy of 38.4%a nd pulse width of 42.2 ns;at repetiti on rate of 20kHz,the average output power of 33.3W and sin gle pulse en ergy of 1.66mJ

6、were a chieved with the pulse width of 21.1 ns.Key wo rds la sers;slab laser;laser diode pumped;Nd YVO 4slab;ac oustic optic Q switched;stable res on ator收稿日期:2009 05 22;收到修改稿日期:2009 06 30作者简介：闫莹（1984!,女，博士研究生,主要从事L D固体激光器件方面的研 究。E mail:y anying0709g 导师简介：张恒利（1968!，男,研究员，主要从事L D固体激光器件方面的研究。E mail:zh

7、.c n1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24激光二极管抽运全固态板条激光器

8、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79。本 文采用声光调Q方式和激光二极管抽运板条 Nd YVO 4晶体,采用平凹稳定腔结构, 在腔长L =110m m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40kH乙输出透射率为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 Q N d YV O 4板条激光器出功率为40W,脉宽为42.2ns光光转换效率为38.4

9、%。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0.4mm 12m m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。Nd YVO 4晶体尺寸为12m m 10mm 1mm ,Nd 3+掺杂原子数分数为0.3%。输入镜M 1为凹面球面镜，曲率半径为500m m,镀有 对808nm高透和1064nm高反的介质膜;M 2为平面输出镜，对1064nm激光具有一 定

10、的透射率T。激光器腔长为110mm。声光Q开关重复频率范围为1100kH zosetupU)waveguide图1实验装置示意图图2抽运光在晶体端面的强度分布10 |ETECTW irRMJCNCDMEREfCIRRrtQD*L_waveguideF ig.2lntensity distr ibut ion of pumping laser at t heend of laser cry sta l3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。M 2处的输出光强可以表示10为 I out=TIs (1+r 2

11、/r 1(1-r 1r 2ln G 0-ln 1r 1r 2,(1式中I s为饱和光强,T为输出透射率,G 0为腔内往返两次的增益,G O=ex p (2g 0? (1- ,r 1=R 1,r 2=R 2,R 1,R 2分别为输入镜M 1和输出镜M 2的反射率，为透射率以外的其他损耗,g 0为小信号增益系数。计算中所用到的参数分别为：输入镜M 1反射率R 1为0.99,YVO 4发射截面为25 10-19cm 2,上能级寿命为100 s增益介质长度I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0.20.3之间。本文分别采用了 T

12、 =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.3Relat iveo utputpow erasafunct ionoftran smissi on in CW o per ati on at t he pump ingpow er of 100W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4530 4050 607080 90 100 110 120Pumping power /W功率获得的激

13、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45 r30 4050 607080 90 100 110 120Pumping power /W图4连续运转条件下，不同透射率的激光器输入输出特性30 4050 607080 90 100 110 120Pumping power /WFig.40utput po wer as a funct ion of pump ing po wer inCW operatio n w ith differ ent tr an smissions11o4505050505 4 3

14、 3 2 2 1 1 uorlsjddoo fcsoa Ins-rio30 4050 607080 90 100 110 120Pumping power /W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F ig.5A verag e output pow er as a funct ion of pum pingpow er w ith T =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

15、降时间与腔内光子寿命成正比图57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40kH乙抽运功率为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20kH乙抽运功率为104W时获得的最短脉宽为21.1 ns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F ig.6Pulse width as a fun ctio n o f pump ing pow erwith T =35%图7透射率T =35%时,激光器单脉冲能量随抽运功率

16、的变化Fig.7E nerg y per pulse as a functio n o f pump ing pow erwith T =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

17、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30kH z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11645期闫莹等：激光二极管抽运声光调 Q N d YV O 4板条激光器2CH2 200 mV M 25.0 ns CH2 厂380 mV 20.5666 kHzF ig.8T ypical Q sw it ched pulse profile图8典型调Q脉冲波形图

18、9不同透射率下，30kH z时激光脉冲宽度与抽运功率的关系Fig.9Pulse w idth as a funct ion of pump ing po wer at30kH z w ith differe nt tr an smissio ns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 M 2100kH z Q s witched operati on in rea n svers ely di

19、od e pumped ceram ic Nd 3+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Nd YVO 4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40kH乙输出透射率为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20kH乙抽运功率104W时获得的最短脉宽为21.1 ns。参考文献1 K

20、.DuJBiese ndbach, D.Ehrlichma nn e t aL.Lasers formaterial process ing:specificatio n and trends J .Opt .Quantum E le ctron.,1995,27(12:108911022 T akash ige Om atsu ,Tomohiro lsogami,Ara M in assia n e t al .YAG laser in boun ce geom etry J .Opt .Com mun .,2005,249(4 6:5315373 Yan Xin pe n g,Liu Qi

21、a ng,Fu Xin g et al.A 108W,500k HzQ s witchi ng Nd YVO 4laser w ith th e M OPA con figur atio nJ .Opt .Ex press ,2008,16(5:335633614 Liu Qia n g,Ya n Xin pe ng,Fu Xi ng e t al.183W TEM 00modeacoustic optic Q sw itched M OPA laser at 850kH z J .Opt .Exp ress,2009,17(7:563656445 Shi Pen g,Li Daiju n,

22、Zha ng H en gli et al.H igh pow er partiallyen d pum ped slab laser w ith hyb rid res on ator J .Ac ta Op tica Sinica ,2004,24(4:491494石鹏,李代军，张恒利等.大功率部分端面抽运混合腔板条激光器J.光学学报,2004,24(4:4914946 Wang Nin g,Lu Yutia n.Partially end pum ped Nd YVO 4s labsolid state laser J.Ch ine se J 丄 asers ,2006,33(10:13191323王宁,陆雨田.部分端面抽运的Nd YVO 4板条固体激光器J.中国激光,2006,33(10:131913237 Shi Peng,Zh ang H en gli,Wang Yongdong et al.Highrepetition rate electro optically Q sw itch ed Nd