二極管泵浦雙摻雜YAG微片自調(diào)Q激光器講解

1、 第 14卷 第 6期強(qiáng) 激 光 與 粒 子 束 Vol. 14,No. 6 2002年 11月 HIGH POWER LASER AND PARTIC LE BE AMS Nov. ,2002 文章編號(hào) :100124322(2002 0620841204二極管泵浦雙摻雜 YAG 微片自調(diào) Q 激光器陳 軍 , 吳曉冬 , 周 濤(浙江大學(xué) 現(xiàn)代光學(xué)儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 , 浙江 杭州 310027 摘 要 : 利用激光二極管泵浦雙摻雜 Y AG 微片晶體 , 在連續(xù)泵浦時(shí)獲得了重復(fù)頻率為 2. 78kH z , 脈沖寬度為 6ns 的自調(diào) Q 激光輸出 。 并通過預(yù)泵浦加脈沖調(diào)制電流的方法

2、, 實(shí)現(xiàn)可控重復(fù)率的自調(diào) Q 脈沖輸出 。與外腔式自調(diào) Q 微片激光器相比 , 這種一體化微片激光器具有更高的轉(zhuǎn)換效率 、 更窄的輸出脈沖寬度和更高的重復(fù)頻率 , 同時(shí)結(jié)構(gòu)更為簡單緊湊 , 易于調(diào)整 。 關(guān)鍵詞 : LD 泵浦 ; 自調(diào) Q ; 雙摻雜微片激光器 中圖分類號(hào) :TN248. 1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A 近年來單摻 Cr4+:Y AG 晶體被廣泛應(yīng)用于被動(dòng)調(diào) Q 13,1993年 ZH OU Shouhuan 等人提出利用雙摻 Cr 4+, Nd 3+:Y AG 微片做自調(diào) Q 激光器 4,5, 丁磊等人利用多種復(fù)雜方法提高 Nd :Y AG 激光系統(tǒng)輸出光束質(zhì)量 6(脈 沖寬度為 3

3、ns , 我們曾對 LD 泵浦的外腔式 Cr 4+,Nd 3+:Y AG 自調(diào) Q 激光器做了研究 7。近來 , 內(nèi)腔 LD 泵浦Y AG 激光器亦有報(bào)道 8。 本文介紹一種新型激光器 , 它采用兩面鍍反射膜的雙摻 Cr 4+,Nd 3+:Y AG 微片晶體直接作為振蕩腔 , 用功率 4W 的 2m ×250m LD 進(jìn)行泵浦 , 在連續(xù)光泵浦下獲得了準(zhǔn)連續(xù)輸出激光 , 其輸出重復(fù)頻率為 2. 78kH z , 單脈沖脈寬為 6ns 。 在采用脈沖泵浦時(shí) , 通過預(yù)泵浦加脈沖電流的方法 , 實(shí)現(xiàn)可控重復(fù)率的自 調(diào) Q 脈沖輸出 。 該激光器直接由晶體二表面組成諧振腔 , 并將被動(dòng)調(diào)

4、Q 與激活介質(zhì)集成在一塊微片上 , 組成 一個(gè)一體化的微片自調(diào) Q 激光器 , 使之具有不需調(diào)整諧振腔 、 穩(wěn)定性好 、 體積小 、 結(jié)構(gòu)簡單 、 輸出功率峰值高 、 重復(fù)頻率高的優(yōu)點(diǎn) 。1 基本原理與實(shí)驗(yàn)裝置 Cr 4+,Nd 3+:Y AG 雙摻雜晶體常用于被動(dòng)調(diào) Q 激光器 。 Nd3+:Y AG 在 808nm 波段有一組吸收峰 , 可被作為 合適的泵浦源波長 , 同時(shí)由于 Cr 4+的存在 , 使在光強(qiáng)較強(qiáng)的長脈沖的作用下能夠發(fā)生可飽和吸收 , 導(dǎo)致晶體的透過率在高光強(qiáng)下突然增大 , 腔內(nèi) Q 值也相應(yīng)增大 , 最后被動(dòng)調(diào) Q , 輸出脈沖激光 。 在許多應(yīng)用場合中要求具 有窄脈寬

5、、 高重復(fù)頻率 , 高峰值功率的高性能激光脈沖 。 本文中對實(shí)驗(yàn)的各方面參數(shù)條件經(jīng)過優(yōu)化 , 獲得了良 好的自調(diào) Q 輸出脈沖激光 。 實(shí)驗(yàn)裝置如圖 1, 實(shí)驗(yàn)采用最大輸出功率為 4W 的 S D L2382-P 激光二極管作為泵浦源 , 二極管發(fā)光面尺寸為 2m ×250m , 輸出波長為 808nm 。晶體為 <6mm ×1mm 的 Cr 4+,Nd 3+:Y AG 微片 , 在晶體的前表面鍍了對808nm 增透 (T >96% 、 1064nm 高反射 (R >99. 8% 的介質(zhì)膜 , 用來直接做諧振腔的后腔鏡 ; 晶體另一面鍍了 對 1064nm

6、 高反射 (R =92% 的透射膜作為輸出鏡 , 晶體的兩面平行度 <5 。激光經(jīng)過耦合系統(tǒng)后會(huì)聚在 Cr 4+,Nd 3+:Y AG 晶體上 。 為了達(dá)到高的功率密度 , 要求束腰盡可能小 , 這可經(jīng)過調(diào)整準(zhǔn)直系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn) 。最后 輸 出的激光分別用功率計(jì)和 PI N 管接收 , 在示波器上顯示脈沖形狀 , 并用 CC D 記錄光斑空間分布 。由于 Fig. 1 Experimental setup圖 1 實(shí)驗(yàn)裝置原理圖收稿日期 :2001211226; 修訂日期 :2002205228基金項(xiàng)目 :國家 8632804激光技術(shù)領(lǐng)域資助項(xiàng)目作者簡介 :陳 軍 (19462 , 女 , 教授

7、 , 博士導(dǎo)師 , 研究方向?yàn)榧す馀c非線性光學(xué) , 浙江大學(xué)光電信息系。晶體的兩個(gè)表面直接組成了激光諧振腔 , 其諧振腔的二鏡面平行度是由晶體加工來保證的 , 因此無需對諧振腔 做調(diào)整 , 只需作腔整體位置的移動(dòng) , 使之落在泵浦激光會(huì)聚點(diǎn) , 便很容易調(diào)整出激光 。同時(shí)由于其諧振腔一體 化特色 , 而具有較為穩(wěn)定抗外界振動(dòng)的優(yōu)點(diǎn) 。2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論 我們分別在連續(xù)和脈沖泵浦等不同情況下進(jìn)行了 LD 泵浦晶體微片實(shí)驗(yàn) , 均獲得了良好的激光輸出 。2. 1 連續(xù)泵浦情況 在輸入微片的功率為 1. 690W 的激光泵浦下達(dá)到閾值 , 獲得輸出的激光為高重復(fù)頻率的脈沖激光 , 重復(fù)頻 率 2.

8、78kH z , 脈寬為 6ns 。 圖 2是此時(shí)輸出的激光單脈沖在示波器上顯示的波形 。當(dāng)泵浦激光功率為 1. 814W 時(shí) , 重復(fù)脈沖輸出在示波器上顯示如圖 3。 Fig. 2 Output pulsed laser with LD CW 2pum ping 圖 2 用 LD連續(xù)泵浦時(shí)在示波器上輸出脈沖激光波形 Fig. 3 Output pluses with the repetition rate of 2. 78kH z圖 3 重復(fù)頻為 2. 78kH z 的輸出脈沖 表 1列出了輸入微片的泵浦激光功率和輸出脈沖激光功率的關(guān)系 。其中閾值泵浦功率為 1. 690W 。隨著 泵浦功率

9、的增加 , 輸出脈沖寬度未有改變 , 而重復(fù)頻率有相應(yīng)增長 。表 1 泵浦光功率與輸出功率關(guān)系T able 1 R elationship betw een pumping pow er and output pow er in CW pumpingpumping power/W1. 6901. 7591. 881. 8971. 966oput power/mW 37. 5911. 313. 52. 2 脈沖泵浦情況 為了獲得預(yù)定的重復(fù)頻率脈沖激光輸出 , 可以采用預(yù)泵浦加脈沖調(diào)制電流的方法實(shí)現(xiàn) 。實(shí)驗(yàn)中對重復(fù)頻 率為 1100H z 情況進(jìn)行了測試 。 在 LD 上加 4. 2A 的基電流作

10、直流預(yù)泵浦 (對應(yīng)預(yù)泵浦光功率為 1. 676W , 并在此基礎(chǔ)上加上 100H z 脈寬為 550s 的 0. 27A 脈沖電流 (對應(yīng)光脈沖功率為 0. 187W , 以此激光脈沖泵浦微片 , 輸出脈寬為 6ns 的脈沖激光 。圖 4為輸入預(yù)泵浦光功率為 1. 745W , 脈寬為 320s 、 重復(fù)頻率為 100H z 的 0.284W 脈沖激光泵浦下的脈沖波形 , 近 20個(gè)脈沖波形重疊 , 輸出脈寬為 6ns 。 在泵浦光重復(fù)頻率降低時(shí) , 在實(shí)驗(yàn)中仍能獲得相應(yīng)重復(fù)頻率的脈沖輸出 。圖 5是在泵浦脈沖光重復(fù)頻率為 1H z , 輸入預(yù)泵浦光功率為 1. 676W , 泵浦脈寬為 31

11、5s 、 調(diào)制功率為 0. 29W 的脈沖光泵浦下輸出波形 。輸出光脈沖達(dá)到 8ns 的脈寬 。 改變 LD 泵浦脈沖的脈寬 , 造成在泵浦脈沖時(shí)間內(nèi)泵浦功率不同 , 可能產(chǎn)生一個(gè)或者多個(gè)輸出脈沖 。圖 6是在一個(gè)泵浦脈沖內(nèi)只有一個(gè)輸出脈沖的情況 (預(yù)泵浦激光功率 1. 697W , 脈沖調(diào)制泵浦激光功率 0. 262W , 泵 浦脈沖重復(fù)頻率 100H z , 脈寬 315s 。 圖 7是在一個(gè)泵浦脈沖中包含多個(gè)輸出子脈沖的情況 (輸入預(yù)泵浦光功率 1. 579W ; 脈沖泵浦光功率 0. 256W 、 泵浦脈沖頻率 300H z 、 脈寬 615s 。 通過調(diào)節(jié)泵浦脈沖的寬度 、 泵浦功率

12、大小等參數(shù) , 可以根據(jù)要求來控制獲得單個(gè)或多個(gè)子脈沖 。 實(shí)驗(yàn)中觀察了不同重復(fù)頻率下激光輸出特性 , 并測量了泵浦脈沖重復(fù)率為 1H z 時(shí)的情況 。在示波器上觀 察到輸出的單脈沖非常穩(wěn)定 , 能量計(jì)測量了幾十個(gè)單脈沖能量 , 其波動(dòng)十分小 。例如對于在預(yù)泵浦激光功率1. 676W 的基礎(chǔ)上加峰值功率為 0. 311W 、 脈寬為 315s 的調(diào)制泵浦脈沖光 , 獲得的輸出激光單脈沖能量為 (1107±0. 03 J 。 Fig. 4 Oscilloscope trace of 20output laser pulses pum ped with the LD using the

13、m odulated base current of 100H z 圖 4 用 100H z 基電流調(diào)制的 LD 泵浦時(shí)輸出的多脈沖激光波形Fig. 5 Oscilloscope trace of the output laser pulse pum ped with the LD using 1H z m odulated base current 圖 5 用 1H z 基電流調(diào)制 LD 泵浦時(shí)輸出的單脈沖激光波形Fig. 6 One putput pulse included in one pum ping pulse圖 6 一個(gè)泵浦脈沖中只含單個(gè)輸出激光脈沖Fig. 7 Multi 2p

14、luses output included in one pum ping pulse.圖 7 一個(gè)泵浦脈沖中含多個(gè)輸出激光脈沖Fig. 8 Output pulsed laser intensity distributing usingthe LD pum ping with 1H z current m odulation one base圖 8 用基電流加 1H z 調(diào)制的 LD 泵浦下的輸出脈沖激光光強(qiáng)分布Fig. 9 Output power vs LD pum p power圖 9 輸出功率與 LD 泵浦功率關(guān)系 同時(shí) , 我們用 CC D 記錄了輸出光斑的光強(qiáng)空間分布如圖 8。2

15、. 3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較 晶體兩面直接鍍反射膜做振蕩腔的一體化微片激光器由于腔長比較短 , 所以相對外腔式微片激光器能夠 減少衍射損耗 , 提高激光輸出性能 。 圖 9是一體化微片激光器和非一體化微片激光器的輸出功率的比較 7, x 軸為經(jīng)過 LD 輸出光功率 (耦合系統(tǒng)前的泵浦光功率 , y 軸為微片激光器輸出激光功率 。 可以看出一體化的微 片激光器比外腔的微片激光器的光 2光轉(zhuǎn)換效率有相當(dāng)大的提高 。當(dāng)泵浦光功率再增加時(shí) , 光 2光轉(zhuǎn)換效率將 有進(jìn)一步提高 。 一體化微片激光器與外腔微片激光器的輸出特性理論計(jì)算分析我們將在以后的文章中予以闡述 。3 結(jié) 論 用 LD 泵浦一體化 Cr 4+

16、,Nd 3+:Y AG 微片激光器達(dá)到了 ns 量級(jí)的輸出脈寬 。該類激光器具有結(jié)構(gòu)簡單 、 輸 出脈寬窄 , 重復(fù)頻率高的優(yōu)良特性 。 在連續(xù)和脈沖等多種情況下 , 實(shí)驗(yàn)證明一體化微片激光器相對于外腔微片 激光器具有激光質(zhì)量明顯的改善 , 脈沖寬度縮小 、 輸出功率增加 、 重復(fù)頻率增加 。 此類激光器由于體積小 、 性能 好 、 出光容易 、 結(jié)構(gòu)簡單等性能將在小型化激光儀器中有廣泛用途 , 可以用于腔外倍頻 , 制作高效小型化綠光激 光器 。參考文獻(xiàn) :1 Shinony Y , Bursgteub Z , K alisky Y. Cr 4+:Y AG as passive Q 2swi

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