高功率准连续激光二极管抽运的Nd_YVO4激光器
25kHz、约2ns声光调QNd∶YVO4激光器研究
摘要：为了获得高重频窄脉冲高光束质量激光输出，采用 ＬＤ抽运 Ｎｄ∶ＹＶＯ４晶体声光调 Ｑ方案，进行了相关理论分 析和实验验证，振荡级获得了重频 ２５ｋＨｚ、单脉冲能量 ２２．４μＪ、脉冲宽度 ２．１９ｎｓ、光束质量因子 Ｍ２ ＜１．２的种子激光，光 光转换效率为 ２４．３％；放大级获得了重频 ２５ｋＨｚ、单脉冲能量 ５８５μＪ、脉冲宽度 ２．２６ｎｓ、光束质量因子 Ｍ２ ＜１．７的激光输 出，提取效率为 １５．６％。结果表明，采用 ＬＤ抽运 Ｎｄ∶ＹＶＯ４晶体声光调 Ｑ方案能够获得高重频、窄脉冲、高光束质量激 光输出，其实验现象与理论计算结果较为符合。
关键词：激光器；高重频；窄脉冲；声光调 Ｑ 中图分类号：ＴＮ２４８．１ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０７５１０／ｊｇｊｓｉｓｓｎ１００１３８０６２０１８０１００７
ＳｔｕｄｙｏｎａｎａｃｏｕｓｔｏｏｐｔｉｃａｌＱｓｗｉｔｃｈｅｄＮｄ∶ＹＶＯ４ｌａｓｅｒｗｉｔｈ２５ｋＨｚ ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎｒａｔｅａｎｄａｂｏｕｔ２ｎｓｐｕｌｓｅｄｕｒａｔｉｏｎ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌａｓｅｒｓ；ｈｉｇｈｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ；ｓｈｏｒｔｐｕｌｓｅ；ａｃｏｕｓｔｏｏｐｔｉｃａｌｌｙＱｓｗｉｔｃｈｅｄ
引 言
目前，基 于 盖 革 模 式 雪 崩 光 电 二 极 管 （Ｇｅｉｇｅｒ ｍｏｄｅａｖａｌａｎｃｈｅｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ，ＧＭＡＰＤ）面 阵 探 测 器 组 件的非扫描式激光主动成像雷达是国际公认的最具发 展潜力的 ３维成像探测技术［１］。由于激光主动成像雷 达要求具有高的距离分辨率，而成像雷达的测距定时 电路集成于 ＡＰＤ面阵探测器组件内，受电路集成度影 响，要求照射激光脉冲具有窄的脉冲宽度；同时，基于 ＧＭＡＰＤ面阵探测器的非扫描式激光主动成像雷达要 求多脉冲累计成像探测，因此需要具有高重频、窄脉冲
LD泵浦NdYVO4 Cr4+YAG被动调Q激光特性研究
LD泵浦Nd:YVO4 /Cr4+:YAG被动调Q激光特性研究光信息科学与技术专业指导教师摘要：半导体激光(LD)泵浦的固体激光器具有全固化、体积小、泵浦效率高等特点，在激光通讯、遥感探测、工业加工、军事、医疗等领域有着广泛的应用前景，受到人们极大的关注。
使用连续激光二极管泵浦Nd：YVO4晶体，得到1064nm 的连续红外激光输出，在激光谐振腔中加入慢饱和吸收晶体Cr4+：YAG，得到了调Q脉冲激光输出，从实验上得到了泵浦功率、Cr4+：YAG小信号透过率以及输出镜透过率对输出脉冲特别是脉冲宽度的影响，并通过数值求解速率方程对实验结果进行了理论分析，实验结果与理论模拟基本相符。
关键词：LD 泵浦；Nd∶YVO4；Cr4+∶YAG；被动调Q；脉冲宽度Characteristic of a laser diode pumped passively Q switched Nd:YVO4laser with Cr4+:YAG saturable absorberStudent majoring in optics information science and technologyHeng SunTutor Xiuqin YangAbstract：Laser-diode (LD) Pumped solid-state laser has wide applications in the fields such as laser telecommunication ,remote-sensing detection ,industry and military as wellashealthduetoitsadvantagessuchasallsolidstate,high pump efficiency,smallvolumeandlonglongevity,andhasbeen ing continuous laser diode pumped Nd: YVO4crystalgets 1064 nm infrared laser outputcontinuously.Then addingslow saturable absorbercrystals Cr4 + : YAG in the laser cavity to obtain the output of theQ-switched pulse laser. Study the influence of the pump power, output transmission and cavity length to the output pulse in particularthe influence of pulse width from experiments.Through the numerical solution of rate equation to carry on the theoretical analysis with the result of the experiment and thenumericalsolutionsoftheequationsagreewiththeexperimentalresults.Keywords:LDpumped;Nd: YVO4; Cr4+:YAG; passively Q switched;pulse width第一章前言自上世纪六十年代世界上首台激光器发明以来，各类激光器和激光技术得到了迅速的发展，其中固体激光器的发展尤为突出。
LD泵浦高功率高斜效率Nd_YVO4声光调Q激光器
at d ifferen t ou tpu t coupler tran s m ittance 图 3 不同透过率下 , 脉冲宽度与重复频率的关系
differen t ou tpu t coup ler trans m ittance 图 4 不同透过率下 , 峰值功率和重复频率的关系
此外, 即使在相同的泵浦和谐振腔结构下 , 由于不同的输出镜透过率影响了谐振腔的能量存储与提取 , 导 [ 11 12] 致激光晶体热效应产生差别, 从而对激光器输出光束质量会产生一定影响 。实验测量了输出光束的光束 质量, 在透过率较低情况下 ( T = 25 % , T = 30 % ) , 调 Q 后的光束质量因子 M 因子反而比连续时大。原因是在 输出耦合率较低时, 对激光棒内存储的能量提取不够, 导致热效应加剧, 因此输出光束质量变差。综合考虑后 实验中选取透过率为 35% 的输出耦合镜。图 5为泵浦电流 56 A 下时调 Q 状态下脉冲宽度和平均功率与重复 频率的关系。从图中可以看出 , 随着脉冲重复频率的提高, 平均输出功率增大, 脉冲宽度增加。
Fig . 1 E xperi m en tal schem at ic of the LD end pump ed Q sw itched N d: Y VO4 laser 图 1 LD 端面泵浦的 N d : YV O4 声光调 Q 激光器实验装置图
由光纤输出的泵浦光经过放大率为 1 3的耦合系统后, 入射至尺寸为 3 mm 3 mm 15 mm 的 a 轴切割 3+ 双端键合 Nd : YVO4 晶体内。 N d : YVO4 晶体两端分别是长度 1 . 5 mm 的无掺杂晶体 , 中部 Nd 离子掺杂原子 分数为 0 . 25 % 。晶体两端镀对 1 064 nm 和 808 n m 的双色增透膜 , 侧面用铟箔包裹, 置于循环水冷却的紫铜
激光二极管抽运声光调QNd_YVO4板条激光器讲解
第37卷第5期中国激光V ol.37,N o.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 Y 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 Y V O 4板条晶体尺寸为12mm 10mm1mm,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21.1ns 。
关键词激光器;板条激光器;激光二极管抽运;Nd Y 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 Adoi:10.3788/CJL20103705.1162LD Pumpe d Acoustic Optic Q Switched Nd Y VO 4Slab LaserYan Ying Zhang Hengli Li Jing Liu Yang Sha Pengfei Xin Jianguo(School of Optoelectr on ics ,Beijin g Instit ute of T echnology ,Beijing 100081,Chin aAbstract The output characteristics of an acoustic optic (AOQ switched laser diode (LDstac ks pa rtia lly end pumped Nd YVO 4slab laser was demonstrated.A stable cavity was employed,the curvature radius of input mirror was 500mm,the transmission 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 direction.At pumping power of 104W and repetition rate of 40kHz,the average output power of 40W and single pulse energy of 1mJ were achieved with an optical t o optical efficiency of 38.4%and pulse width of 42.2ns;at repetition rate of 20kHz,the average output power of 33.3W and single pulse energy of 1.66mJ were a chieved with the pulse width of 21.1ns.Key wo rds la sers;slab laser;laser diode pumped;Nd YVO 4slab;ac oustic optic Q switched;stable resonator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。
运转于准三能级的NdLuVO4被动调Q激光器
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第六届博士生学术年会论文集
一、引言
Ｎｄ：ＬｕＶ０４是钒酸盐家族一种较新的激光晶体，与Ｎｄ：ＹＶ０４和Ｎｄ：ＧｄＶ０４晶体相比，Ｎｄ：Ｉ埘Ｖ０４晶 体不但有更大的吸收系数和受激发射截面，而且破坏阈值高，热传导性比较好，易加工并可采用提拉法生 长出很大的尺寸。其独特的激光特性，使得它一出现便引起人们广泛的关注［１］。我们研究小组曾首次实 现了Ｎｄ：ＬｕＶＯ。激光器的准三能级运转∽ｊ，在此基础上我们还进行了倍频∞“３和主动（声光）调Ｑ［纠实验研 究。运转于准三能级的９００ｎｍ附近的调Ｑ脉冲激光可广泛应用于微量探测、激光通信和非线性光学等领 域。与主动调Ｑ相比，被动调Ｑ操作简单、高效稳定，同时又能大大降低成本。本文中，利用双掺的Ｎｄ， Ｃｒ：ＹＡＧ可饱和吸收体，我们首次实现了Ｎｄ：ＬｕＶＯ。被动调Ｑ激光器的准三能级运转。
１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｏｐｔｏ－Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｂｅｌｊｌｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ，１０００８１；
２．Ｌａｂｏｒａｔｏ吖ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｉｎｓｔｌｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｌｅｎｃｅｓ，
关键词
信息光学
准三能级
被动调Ｑ
Ｎｄ：ＬｕＶＯ。
Ｐａｓｓｉｖｅｌｙ Ｑ—ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｑｕａｓｉ—ｔｈｒｅｅ—ｌｅｖｅｌ Ｎｄ：ＬＵＶ０４ ｌａｓｅｒ
Ｈｅ Ｋｕｎｎａｌ Ｇａｏ Ｃｈｕｎｑｉｎ９１
Ｗｅｉ
Ｚｈｉｙｉ２
Ｌｉ Ｄｅｈｕａ２
Ｚｈａｎｇ Ｚｈ ｉｇｕ０２
Ｚｈａｎｇ Ｈｕａ ｉｊ ｉｎ３
Ｗａｎｇ Ｊ ｉｙａｎ９３
ＨＩ；ＡＩＪＩＮ，ＷＡＮＧ ＪＩＹＡＮ（，Ｄｉｏｄｅ ｐｕｍｐｅｄ
2006.高重频双端泵浦全固态Nd∶YVO4声光调Q激光器
接近 808. 7nm，与 NdI YVO4 晶体的吸收峰相匹配。 采用自行研制的非球面光学耦合系统，将泵浦光整
中 l = l0mm，通 过 试 验 分 析 取 Pph = l5% P 。 pumpPower 图 2 就是根据上述参数计算出来的激光晶体热焦距
形为直径为 750!m 左右的圆形光斑，系统的传输透 与泵浦光功率和泵浦光斑半径之间的关系曲线，可
现了 l00khz 的高重复频率下的稳定调 O 激光输
出。最终在 晶 体 注 入 总 功 率 为 50W，最 高 重 复 频
率为 l00khz 的条件下，平均输出功率为l8. 2lW， 脉 冲 宽 度 为 62ns，相 应 光 光 转 换 效 率 为36. 4% 。 在最低重 复 频 率 为 l0khz 时，具 有 最 大 单 脉 冲 能 量 l. 3mJ，相应脉冲宽度为 l6. 4ns，峰值功率达到 了 80kW。 2 实验装置
激 光 与 红 外 No. 8 2006
石朝辉 张晶 牛岗等 高重频双端泵浦全固态 NdIYVO4 声光调 O 激光器
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以明显看出，随着泵浦光功率的增加，晶体的热效应 变的越来越严重，相应的等效热焦距也越短。同时， 在同样的泵浦光功率水平下，泵浦光斑的尺寸越小， 晶体的热效应也越严重。因此，大功率泵浦时在基 本满足与腔膜匹配的条件下，泵浦光半径应该尽量 增大以减小晶体热效应。图 3 为根据有源腔结合晶 体热透镜效应，利用 ABCD 矩阵公式模拟计算出来 的激光晶体上的基模光斑半径尺寸与单个晶体热焦 距的关系曲线。在单端 25W 左右的注入功率，泵浦 光直径 750!m 的条件下，晶体热焦距为 130mm 左 右。从图 3 可以看出，在泵浦光功率的逐渐增加，相 应晶体的热焦距不断减小的整个过程中，泵浦光和 腔模之间都可以维持非常好的模式匹配，这是高功 率条件下获得基横模输出的根本条件［9］。
9 W级高功率SESAM锁模Nd∶YVO4激光器
9 W级高功率SESAM锁模Nd∶YVO4激光器杨西光;王勇刚;王江;汪太进;陈振东【摘要】通过LD端面泵浦Nd∶YVO4晶体,以半导体可饱和吸收镜(SESAM)作为被动锁模器件,利用ABCD传输矩阵法和MATLAB软件设计具有良好热稳定性和超大稳区的X-型五镜折叠谐振腔,实现了高效率和高功率的连续稳定锁模运转.在泵浦功率30 W时得到1 064nm波长最大9W的稳定锁模输出,脉冲重复频率为108.28MHz,脉宽为9.53ps,对应最大单脉冲能量84.04nJ,激光器的斜效率达到31.7％.以此为种子源放大可直接获得百瓦级高功率锁模激光输出.%High-Power and high efficiency diode end-pumped passively solid-state mode locked Nd:YVO4 laser with excellent thermal stability and super huge stable region has been demonstrated by using a semiconductor saturable absorber mirror (SESAM).The X-type laser resonator is designedby using the ABCD transmission matrix theory and is simulated by MATLAB software.A 9.1 W stable modelocked laser output with repetition rate of 108.28 MHz and pulse duration of 9.53 ps are obtained when the pump power reached 30 W.The corresponding single pulse energy is 84.04 nJ, The optical conversion efficiency and slope efficiency of the laser maser is 30.3％and 31.7％, respectively.and it could be used as a seed laser for a larger oscillator to acquire energy of the order of hundreds wattlaser output.【期刊名称】《聊城大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(031)004【总页数】5页(P27-30,47)【关键词】LD泵浦;Nd∶YVO4激光;SESAM;被动锁模;皮秒脉冲【作者】杨西光;王勇刚;王江;汪太进;陈振东【作者单位】陕西师范大学物理学与信息技术学院, 陕西西安 710119;陕西师范大学物理学与信息技术学院, 陕西西安 710119;陕西师范大学物理学与信息技术学院, 陕西西安 710119;陕西师范大学物理学与信息技术学院, 陕西西安 710119;陕西师范大学物理学与信息技术学院, 陕西西安 710119【正文语种】中文【中图分类】TN248.10 引言全固态锁模激光器因具有结构简单、稳定可靠、斜效率高、光束质量好等优点，在国防，工业，医疗和科研等领域有着极为广阔的应用前景[1]. 1992 年，Keller[2]首次把半导体可饱和吸收镜(SESAM)运用于被动锁模激光器. 现在，SESAM已成为商业领域ps量级最理想的被动锁模元件之一[3, 4]，被广泛地用在各种锁模激光器中.近年来,国内外利用SESAM作为锁模元件，在激光二极管(LD)侧面及端面泵浦的多种Nd3+激光器中实现皮秒量级锁模运转[5]. 1999 年，国外已经报道了LD侧面泵浦 Nd：YAG实现10.7 W波长1 064 nm连续锁模激光输出[6]；2009年国防科技大学李霄[7]也利用LD侧面泵浦 Nd：YAG实现9.5 W 的稳定锁模激光输出，脉宽26.4 ps. 国内的相关报道中,Nd∶YVO4连续锁模的激光器直接振荡级输出功率一般较低.2007年蔡志强[8]利用侧面泵浦Nd∶YVO4 晶体，在不同腔型下实现5 W级单路及双路锁模输出；2008年，刘士华[3]利用LD泵浦Nd∶YVO4激光器，在泵浦功率7.5 W时得到2.45 W的输出,光-光转换效率32.7%；2015年，黄玉涛[9]用SESAM作为锁模器件，通过端面泵浦Nd∶YVO4晶体实现了振荡级5.1 W ,脉宽23.7 ps的激光输出，经后级放大后获得44 W的高功率输出.本文采用ABCD传输矩阵理论并利用Matlab模拟设计出具有良好热稳定性和超大稳区的X-型五镜折叠谐振腔. 以Nd∶YVO4作为增益介质，SESAM作为锁模器件，在泵浦功率30 W时获得1 064 nm重复频率为 108.28 MHz、信噪比44 dB、脉宽为 9.53 ps的亚10 ps 量级锁模脉冲输出，最大输出功率9.1 W ，对应最大单脉冲能量84.04 nJ，光谱宽度0.29 nm, 激光器的光光转化效率为30.3%，斜效率达到31.7%.以此为种子源放大可直接获得百瓦级高功率激光输出.1 腔型设计和理论模拟1.1 简介典型的全固态锁模腔型主要有X-型、Z-型和W-型[10]. 在实验中我们采用X-型腔. X-型腔的特点是有良好的热稳定性且增益介质处的基模光斑小，有利于降低锁模阈值和提升非线性效应.锁模激光器谐振腔的设计主要考虑的因素有：SESAM以及增益介质中基模光斑的大小，激光谐振腔的稳区大小以及谐振腔参数的热稳定性. 这些参数直接影响输出锁模光的质量和激光器的运转稳定性.实验中腔型设计我们采用ABCD矩阵原理，利用Matlab 软件进行了大量模拟计算，最终设计出符合要求的谐振腔参数并成功搭建光路实现高功率稳定锁模运转. 1.2 谐振腔设计设整个谐振腔的往返传输矩阵(1)则腔内基模光斑的束腰大小由(2)式给出[11](2)设腔内SESAM 上子午光束和弧矢光束的光斑大小分别为ωt和ωs，为了降低像散，要求子午光束和弧矢光束的光斑大小尽量接近. 引入以下二维正态分布函数(3)式来表征子午光束和弧矢光束的光斑大小的相近性以及与期望光斑大小的符合程度(3)图1 固体SESAM锁模Nd∶YVO4激光器腔型结构图其中二维随机变量为ωt和ωs，分别表示谐振腔内子午光束光斑大小和弧矢光束的光斑大小，且为ωt和ωs相互独立. ω为此二维正态分布函数的边缘分布的期望，也即是期望的光斑大小. 根据正态分布函数的性质，当ωt和ωs越接近期望ω时，函数取值越大. 因而可以用k值来表征腔内实际光斑大小和期望的光斑大小ω的符合程度，k的取值范围为0-1，越接近1表明符合程度越好.其中标准差参数σ=0.011 是一个经过大量试验后确定的一个经验参数.图2 激光器腔内光斑分布曲线通过以上方法最终我们设计的具有良好热稳定性和大稳区的谐振腔如图1所示，采用X-型5腔镜折叠腔. 其中M1 为SESAM，经导热胶粘结在散热铜块上，并借助半导体制冷片对其进行良好的冷却以提高SESAM的工作稳定性. 实验所用SESAM为德国BATOP公司生产，调制深度ΔR=0.5%，非饱和损耗为0.5%，饱和恢复时间为 1 ps，损伤阈值为 1 GW/cm2，饱和通量为90 μJ/cm2；M2和M3为曲率半径R=100的1 064 nm 高反镜； M4为曲率半径R=100且凹面镀1 064 nm高反射膜的泵浦镜；为了获得高功率输出，输出镜M5为10%的输出镜. 各个腔镜之间的距离L1, L2, L3,L4 分别为为 53 mm，930 mm，113 mm，290 mm. 同时，为减小像散，折叠镜的折叠角度要求尽量小，实验三个折叠角θ1 ，θ2 ，θ3的大小分别为22°，9°，12°. 图2为模拟的腔内基模光斑的分布曲线，可以看出在SESAM 位置有一个很小的聚焦点.实验所用泵浦源(PUMP)为北京凯普林光电的30 W LD 泵浦源，采用光纤耦合输出，光纤纤芯直径为100 μm，数值孔径NA=0.22输出波长为808 nm，经准直聚焦镜(大恒光电，耦合比1∶0.8)聚焦到Nd∶YVO4增益介质上，增益晶体采用福晶科技的Nd∶YVO4激光晶体，掺杂浓度为0.7%，体积为3 mm×3 mm×10 mm, 双面镀808/1 064 nm增透膜，晶体用铟箔包裹后涂敷导热硅脂后固定在水冷铜块上.图3为在进行了一些前期运算的基础上，设置 L2和L4 的长度分别为930 mm和290 mm的条件下，利用公式(3)计算的谐振腔稳区模拟结果，模拟中设置SESAM上子午方向和弧矢方向的光斑直径大小的期望值ω为24 μm. 从模拟结果可以看出此谐振腔的L1 和 L3 两臂在一个较大且连续的区域内都有稳区(非蓝色区域)且稳区内腔内光场参数稳定(红色区域)，即即使L1和L3在较大范围内变化也不会引起激光器腔内光场参数的显著变化. 这一优点一方面保证了激光器的运转稳定性，另一方面也降低了激光器的搭建难度，简单的调节立刻能让谐振腔实现连续锁模运转.图3 激光腔稳区范围模拟结果图4 腔内SESAM,晶体以及输出镜位置光斑随热透镜焦距f变化趋势谐振腔的热稳定性也是腔质量的重要判别标准，因此我们也模拟了腔内光场模式随晶体热透镜效应等效焦距的变化情况，选取了SESAM表面，晶体中腔内光腰位置，以及输出镜三个位置的子午光斑变化作为判断依据，模拟结果如图4所示.可以看出X-型腔具有很好的热稳定性，只有当热透镜焦距f小于60 mm以下时，才会对腔内光场分布造成明显影响.实验过程中由于泵浦光的光斑最小直径在100 μm左右，而M3和M4中间的最小基模光斑半径在40 μm左右，为了充分利用泵浦光获得高功率激光输出，晶体的实际位置在靠近泵浦源一侧，偏离M3和M4 的中间10 mm处.此位置处晶体中间的基模光斑半径为80 μm.定义抽运系数K=ωp/ωc,其中ωp和ωc分别为泵浦光和腔内基模激光的束腰半径，则此时的抽运系数为K=0.625.2 实验结果通过仔细调节腔镜使激光器运转并实现稳定锁模. 实验中用光电探测器 (DET10 Thorlabs, Inc.) 接收激光脉冲信号，并分别连接至数字示波器(RTE1104, Rohde & Schwarz, Inc.) 、频谱仪 (FSL SPECTRUM ANALYZER, Rohde & Schwarz, Inc.) 和光谱仪(AQ6370D, YOKOGAWA, Inc.) . 激光器的输出功率随泵浦功率的变化曲线如图5(a) 所示：激光器的出光阈值为1.3 W, 当泵浦光功率增加到2.2 W 时，激光器实现调Q锁模运转，2 μs和400 ns分辨率下的调Q锁模波形如图5(c)所示，此时输出功率318 mW , 继续增加泵浦功率到3.5 W时，激光器实现稳定锁模运转，此时输出功率858 mW，最终在泵浦功率达30 W时实现了9.1 W的高功率连续锁模输出，对应的最大单脉冲能量达 84.04 nJ. 输出功率与泵浦功率基本呈线性关系，激光器的光光转化效率为30.3%，斜效率达到31.7%.图5(d) 为泵浦功率18 W时500 μs和20 ns示波器显示尺度下连续锁模的波形图，可以看出激光器锁模运转良好，没有出现调Q 锁模现象.图5(b)为泵浦功率18 W时输出激光的频谱图，中心频率为108.28 MHz , 与激光器的腔长1 450 mm相匹配，信噪比达44 dB. 图5(e)为泵浦功率18 W时输出激光的光谱图，可以看出输出激光中心波长为1 064.32 nm，光谱半高全宽0.29 nm. 利用自相关仪(PLUSE CHECK, APE , Inc.)测量泵浦功率18 W时输出激光的脉冲宽度，结果如图5(f)所示，以高斯型曲线进行拟合，测得脉冲宽度为9.53 ps , 脉冲的时间带宽积为0.732，是理论极限值的1.66倍.这主要是因为晶体引入的正群速度色散导致脉冲展宽.图5 锁模激光器特征描述(a)输出功率随泵浦功率变化曲线;(b)频谱图;(c)2 μs和400 ns分辨率下的调Q锁模波形图;(d)500 μs和20 ns分辨率下连续锁模波形图;(e)光谱图;(f)脉冲强度自相关曲线3 结论利用ABCD传输矩阵理论和Matlab设计了具有良好热稳定性和超大稳区的X-型五镜折叠谐振腔，并利用SESAM作为锁模元件实现9 W量级1 064 nm高功率Nd∶YVO4 固体锁模激光输出，信噪比达44 dB，脉冲重复频率为108.28 MHz，脉冲宽度9.53 ps，光谱宽度0.29 nm，激光器的光光转化效率为30.3%，斜效率达到31.7%.参考文献【相关文献】[1] 杜鹃. 全固态SESAM连续波1 064 nm被动锁模激光器的研究[D].济南：山东师范大学，2004.[2] Keller U，Miller D A B，Boyd G D，et al. Solid-state low-loss intracavity saturable absorber for Nd :YLF lasers：an antiresonant semiconductor Fabry-Perot saturable absorber [J].Optics Letters，1992，17(7)：505-507.[3] 刘士华, 王广刚, 王春慧，等. LD泵浦Nd∶YVO4/SESAM锁模激光器实验研究[J]. 激光与红外，2008，38(1)：32-34.[4] 李立卫, 王加贤, 王娟娟. SESAM实现Nd:YAG激光器被动锁模研究及皮秒脉冲测量[J]. 量子光学学报，2008，14(2)：213-217.[5] Eshghi M J，Majdabadi A，Koohian A. Low threshold diode-pumped picosecondmode-locked Nd:YAG laser with a semiconductor saturable absorber mirror[J].Laser Physics，2017，27：015002.[6] Spǜhler G J，Paschotta R, Keller U，et al. Diode-pumped passively mode-locked Nd∶YAG laser with 10 W average power in a diffraction-limited beam [J].Optics Letters，1999，24(8)：528.[7] 李霄，王勇刚，张世强，等. 半导体可饱和吸收镜被动锁模侧面抽运Nd∶YAG激光器研究[J]. 光学学报，2009，29(11)：3103-3107.[8] 蔡志强，王鹏，温午麒，等. 端面抽运全固态皮秒被动锁模激光器[J].中国激光，2007，34(7)：901-907.[9] 黄玉涛，王璐璐，石朝辉，等. SESAM无损伤运转的大功率高重复频率皮秒激光器[J]. 中国激光，2015，42(8)：08020101-08020107.[10] 侯佳. 几种新型全固态锁模激光器件的研究[D].济南：山东大学，2016.[11] 张志刚. 飞秒激光技术[M]. 北京：科学出版社，2011.。
激光二极管端面泵浦Nd：YVO4／YVO4复合晶体激光器热效应研究
１ 晶体热效应 分析
１１ 热模 型 ．
Байду номын сангаас
晶体在连续泵浦情 况下 ，达到热平衡时，热传￣Ｐ ｉ ｏ 方程可写为 ｏｓ ｎ ｓ
旦
＋
＋ 旦
＋ｇ（
， ，
）。 ＝
式 中ｇ ， ， 为晶体吸收泵浦光产生的内热源的发热率ｎ Ｙ ） 们
收 稿 日期 ： ０ ７ ０ — １ ２０ — ４ ６
作 者 简 介 ： 明 真 （１ ８ 一 ） 女 ． 东 鱼 台 人 ， 要 从 事 非 线 性 光 学 及 图 像 处 理 研 究 。 李 ９１ ， 山 主
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东 莞 理 工 学 院 学 报
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体 中的温度 场分布 ．定量分 析 了Ｌ Ｄ端 面泵 浦条件 下激 光 晶体 的长度及 折射 率 与温 度 变化 的关 系，得 到 晶 体 在不 同泵浦功 率下 的热 焦距 ．在 此基础 上 ，采用三镜折 叠腔，设计 出高转换 效率ＫＴ 腔 内倍 频连续绿 光 Ｐ
激光 器． 当泵 浦功率 ｌ Ｗ 时，得 到９３ Ｗ ０ ４ ｍ和 ５０ Ｗ ３ ｎ ７ ．３ １ ６ ｎ ．１ ５ ２ ｍ的激光 输 出 ，最 高光一 光转换效 率分别 为
ｑ ， ） （ Ｙ， ：
“ ｗ Ｏ
（ Ｐ 卜
ｑ
（） ２
方程 （ ），（ ）中 ， １ ２
， 为 晶体在 ， 方 向上的导热 系数 ，Ｑ ，Ｙ 为激光 晶体 中的总热 耗，口
为晶体的吸收系数 ，∞ 为泵浦光束腰半径，， 为激光晶体长度 。
在 本实 验采 用 的ＮｄＹＶ Ｙ ｔ 合 晶体 中 ，无掺 杂 Ｙ ｔ ： Ｏｄ ＶＯ键 ＶＯ 晶体 充 当 热沉 ，ｚ 向为通 光 方 向 ，晶 方 体结 构如 图ｌ 。无掺 杂ＹＶ 。 示 Ｏ 晶体尺 寸 为４ ｍｍｘ ｍｍｘ ｍｍ，ＮｄＹ ， ４ ４ ：ＶＯ 晶体尺 寸为４ ｍｍｘ４ ｍｍｘ７ ｍｍ。 图２ 冷 却装 置 示意 图， 晶体 置 于水 冷 装 置 中周 边 冷却 ，假 设 两通 光 面 绝 热 。 为
LD端面泵浦Nd∶YVO_4激光放大器的理论及实验
１ 引 言
顾 高 脉 冲能量 、 光束 质 量 的优 点 而 成 为获 取 高 质 高 量、 高重 频 脉 冲 激 光 的 有 效 方 法 。 在 ＭＯ Ａ 系 统 Ｐ 中 ， 荡器 通过声 光 调 Ｑ技 术产 生 １ ｓ 右 、 束 振 ０ｎ 左 光 发 散 角小 、 光谱 宽度 窄 的低能 量种 子脉 冲 ， 后通 过 然 放 大器 实现 单程 或 者 多 程 功率 放 大 ， 终 获 得 高 能 最 量、 高光束 质量 的激 光脉 冲输 出 。
ｑ ｅ ｃ ｅ ． ｉ ｇ ｔ ｉ ｍｏ ｅ ， ｅ ｃ ｎ ｃ ｎ ｌ ｄ ｈ ｔａ ｐｉ ｌ ａｎ ｌ ｎ ｘｓｓ ｔ ｂ ａｎ ｍ￣ ｉ ｍ ｍｐ ｉ ｃ ｔ ｎ ｆｒ ａ ｕ ｎ ｉｓ Ｕｓ ｓ ｎ ｈ ｄ ｌ ｗ ａ ｏ ｃｕ ｅ ｔ ａ ｎ ｏ ｔ ｍａ ｇ ｉ ｅ ￣ｈ ｅ ｉｔ ｏ ｏ ｔ ｉ ｍｕ ａ ｌ ａｉ ｏ ｉ ｆ ｏ ｇ ｖ ｎ ＭＯＰ ｔ ｃｕ ｅ Ｉ ｕ ｘ ｅ ｍｅ ｔ ｔ ｉ ｅ ｇｈ ｉ ｆｕ ｄ ｔ ｅ ａ ｏ ｔ８ ５ ｍｍ． ｉｅ Ａ ｓｒ ｔ ｒ ． ｎ ｏ ｒｅ ｐ ｒ ｎ ，ｈ ｓｌ ｎ ｓ ｏ ｎ ｏ ｂ ｂ ｕ ． ｕ ｉ ｔ
・ 激光 器技 术 ・
Ｌ Ｄ端 面泵 浦 Ｎ ： Ｖ ４激 光 放 大 器 的理 论 及 实 验 ｄＹ Ｏ
黄 科 ， 樊仲维 ， 余 锦 ， 石朝 辉 王小 发 ， 玉涛 ， ， 黄
（． １ 中国科学院光电研究院 ， 北京 １０ ９ ２ 中国科 学院研 究生院 ， 京 １０ ８ ； ． ００ ４；． 北 ０ ０ １３ 北京 国科世纪激光技术有限公司 ， 北京 １ｏ ９ ） ｏ １２
LD泵浦的NdYVO4KTP全固态连续激光器
2020.17科学技术创新主要原因 第二层原因第三层原因确认原因及采取措施一、人员因素1. 机组过于依赖GPS 导航对机组人员开展培训，提升机组人员技能 2. 机长混淆飞行位置机长应熟悉作业区域的地理环境3. 机长未采取副驾驶建议，两人配合行动通过锻炼，提升机组的配合能力机组人员基本地理知识欠缺 通过培训，补充机组人员相关知识机组在处理突发情况时，未充分利用现有条件，可以加强锻炼来提高机组人员在面对突发情况时的突发应变及处理能力，以及提升机组人员心理及生理的抗压能力 二、组织因素1. 考虑机组人员搭配是否合理制定合适的机组搭配方案 2. 机组人员的业务能力机组人员的状态及技能3. 该区域人口密集，环境复杂作业前，该区域地理环境的了解 作业过程中可能遇到的问题制定完善的飞行计划 三、设备因素1. GPS 导航出现错误提高设备的安全性2. 尾桨效应改善通航设备的操作性3结论本文就是通过对近十年通航事故的分类汇总，根据事故的发生具体情况及收集到的相关资料信息，得出通航飞行事故的发生的原因主要包括以下几个方面：3.1人员因素：①飞行员的能力不足；②地面维修人员的维修失误；③机组与塔台交流障碍，导致飞行事故等因素。
3.2组织因素：①机组人员培训不够严格导致飞行过程中操作错误导致飞行事故；②机组配置不合理；③指挥员或是领航员指挥错误。
3.3环境因素：①天气因素（雾霾，降雪等天气）不适合飞行；②低空电缆等因素。
3.4设备因素：①设备机械故障；②设备设计存在缺陷等因素。
因此利用鱼骨图从人，机，物，法，环等方面对事故原因展开全面调查，可以较直观的找到导致事故发生的关键原因，并针对关键原因提出有建设性意义，最简便的防范措施而达到最大的避免事故发生的效果。
本文对于通航事故调查具有重要理论和实践价值。
参考文献[1]杨晓强,郎鑫星,张智华.通用航空不安全事件信息系统分析[J].电脑知识与技术,2018,14(9):281-284[2]庆民,王延霞,李学伟,李晰睿,牛林清,金真.国家通用航空业发展安全保障体系建设研究[J].中国民航飞行学院学报,2019,30(5):10-14.[3]陈时德.民用航空安全风险评估技术[J].科学技术创新,2018(6):186-187.[4]刘雷.浅谈如何从人为因素方面提升通用航空安全管理水平[J].技术与市场,2019,26(8):183-184.[5]司妍.通用航空管制中人为因素对航空安全的影响[J].科技视界,2018(22):223-224.[6]宋小军,宋菊红.用鱼骨图分析手指割伤事故[J].现代职业安全,2019(1):92-95.[7]汪君涛.事故调查与分析管理要点[J].安全、健康和环境,2018,18(11):6-8.资助项目:河南省大学生创新创业训练项目（S201910485029）：河南省科技计划项目（192102310253）；安全生产重特大事故防治关键技术科技项目(henan-0012-2017AQ)。
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*国家科委863高科技项目。
收稿日期:2000-04-17;收到修改稿日期:2000-05-29第20卷 第12期2000年12月光 学 学 报ACT A OPT ICA SINICA V ol.20,No.12D ecember ,2000高功率准连续激光二极管抽运的Nd YVO 4激光器*宁继平 鲁笑春 詹仰钦 记国勤 姚建铨(天津大学精仪学院教育部光电信息技术科学开放实验室,天津300072)摘 要 对高功率准连续激光二极管端面抽运的N d Y V O 4固体激光器进行了实验研究。
研究了抽运功率、温度、重复率及输出镜的透过率对激光器输出功率的影响。
当激光二极管重复率达到720Hz 、抽运功率33.2W 时,激光输出最大平均功率为11W 。
关键词 高功率准连续激光二极管, 端面抽运, N d Y V O 4激光器。
1 引 言激光二极管抽运的固体激光器(DPL)兼有效率高、体积小、重量轻、寿命长、重复频率高等优点,并可制成组件化和集成化的产品,在军事、医疗、通信、加工和科学研究中得到广泛的应用。
激光二极管端面抽运相对侧面抽运具有模式匹配好、激光阈值低、效率高等特点,可获得高功率的激光输出。
掺钕钒酸钇晶体有着较大的发射截面、较宽的吸收带宽、较高的吸收系数、较短的上能级寿命以及偏振输出等特点[1～4],因此,用激光二极管抽运效率更高,更易于与激光二级管匹配,可在更宽的温度范围下运行,适用于高重复率运转。
本文报道了高功率准连续激光二极管端面抽运Nd YVO 4固体激光器的研究情况,达到了平均功率11W 的激光输出。
2 理论分析激光二极管抽运的固体激光器其抽运光波长一般位于增益介质的吸收峰内,只要介质足够长,抽运光就可以被增益介质完全吸收,全部用于抽运粒子数反转,这在本质上决定了激光二极管抽运的固体激光器具有较高的光转换效率。
由于抽运光没有充满整个增益介质,在增益介质内抽运光也不是均匀分布,在纵向和径向均有变化,所以必须考虑抽运光与振荡光的纵向和径向变化,在空间上的耦合重叠即模式匹配,也就是要考虑辐射场在介质内的纵向和径向分布。
抽运速率密度W (x ,y ,z ,t )是空间的函数,腔内光子数密度 (x ,y ,z ,t )也是空间的函数,而且对不同的横模则有不同的空间分布,这是激光二极管抽运的固体激光器在理论模型上有别于传统的灯抽运的情况。
激光二极管抽运的固体激光器其理论分析采用激光速率方程,通过理论推导[5,6]得到了以下的结论。
2.1 近阈值近似下的输出功率当抽运光比较弱,激光器在阈值附近运转时,激光器的输出功率为:P out= p TJ2(0)J1(P-P th),(1)式中,T为输出镜的透过率,P为抽运功率, 为光在腔内的往返损耗, p为抽运效率,P th为阈值抽运功率,J2(0)/J1为抽运光与振荡光模匹配因子。
由(1)式可知,激光器输出功率与抽运效率、抽运功率、模匹配因子及透过损耗与总损耗的比值成正比。
2.2 强抽运时的输出功率如果抽运光很强,激光器远离激光阈值状态运转,这时激光器的输出功率为:P out= p TP.(2)这种情况满足了激光模体积远远大于抽运模体积的要求,即J2(0)/J1=1。
3 实验装置与结果图1为高功率准连续激光二级管端面抽运的Nd YVO4固体激光器的实验原理图。
实验Fig.1Experimental set up of diode-pumped N d Y V O4laser 中采用准连续激光二极管面阵列端面抽运Nd YVO4晶体方式,激光二极管发光尺寸为4.8mm×40m m,激光二极管输出的抽运光在垂直和平行于结面方向上的发散角分别为40°和10°,激光二极管采用温控冷却方式,保证发射中心波长808nm与Nd YVO4晶体的吸收峰相匹配。
谐振腔为平-平腔结构,腔长15cm,激光晶体尺寸为4mm×4mm×8mm,Nd YVO4用铟箔包裹放在水冷却的铜块上。
晶体的一端镀对1064nm光高反射、对808nm抽运光高透射的多层介质膜,另一端镀对1064nm光增透膜,M为激光输出镜。
实验研究了抽运光功率、温度、重复率、输出镜的透过率及腔长等参数对激光输出特性的影响,其结果与理论分析一致。
图2表示了激光输出功率随抽运光输入功率变化的曲线。
实验中固定激光二极管的重复率为50Hz,脉宽为200 s,输出镜的透过率为19%。
实验证明,随着抽运光的平均功率的增加,激光输出平均功率近似成正比地增加,这与理论分析相符。
当抽运光平均功率为3W(每个脉冲60m J)时,1064nm激光输出的最大平均功率为1.02W(每个脉冲20mJ),光-光转换效率则为33%。
图3表示了激光输出功率随激光二极管温控装置温度变化的曲线。
实验中固定激光二极管的脉宽为200 s,输出镜的透过率为19%,重复率为200Hz及抽运光平均功率为7.2W。
改变激光二极管的温度,虽然激光二极管的输出功率及波长随着温度的改变而变化,但由于Nd YVO4晶体的吸收带较宽,因此对激光二极管波长要求就不如Nd YAG那样严格,激光二极管的温度变化范围可以比较宽。
由图3可以看出,Nd YVO4晶体受温度影响不如Nd YAG晶体那样敏感。
图4为改变激光二极管的重复率对激光输出功率变化的曲线。
实验中选取激光二极管的脉宽为200 s,激光二极管的输入电流为55A,输出镜的透过率为19%。
增加激光二极管的重1610光 学 学 报20卷 Fig.2Laser output pow er versus input pumpingpower F ig.3L aser output pow er as a function of temper -ature for a diode laser复率,激光输出功率近似线性增加,当激光二极管的重复率达到720Hz 时,激光最大输出功率达到11W 。
这是由于增加激光二极管的重复率,其输出功率也相应地增加的缘故。
图4也表明,当激光二极管处在高重复率抽运时,曲线虽有些弯曲,但不严重,这说明腔内热效应并不严重。
这是对激光晶体进行冷却的结果。
由于抽运阈值与腔内总损耗呈正比,所以透过损耗的改变,使得抽运阈值也相应地改变,因此,输出镜透过率也是影响激光输出特性的参量之一。
由(1)式和(2)式可知,激光输出功率与输出损耗和腔内总损耗的比值成正比,因此,对应一定的抽运功率,总存在一最佳的输出镜透过率,使激光输出功率最大,如图5所示。
实验中选取激光二极管的重复率为200Hz ,脉宽为200 s,抽运功率为8.8W,其输出镜的最佳透过率为19%。
F ig.4O utput pow er versus dio de repet ition rat e Fig.5Laser pow er v er sus output mir ror tr ansmis-sibility实验中采用平-平腔结构,改变腔长,理论上并不改变腔内基模光斑大小,只改变腔内横模个数。
但如果在高功率抽运时,腔内有一定的热效应,因而腔长的改变,对基模光斑大小也有影响。
但由于激光二极管抽运的固体激光器一般腔长都比较短,大约在5～25cm 范围内,所以改变抽运功率,最佳腔长差别不大。
总之,对于高功率准连续激光二极管端面抽运的Nd YVO 4固体激光器,通过控制激光二极管面阵列的抽运功率、脉宽、温度、重复率及输出镜的透过率,可得到激光器的最佳输出。
达到平均功率为11W 激光脉冲输出。
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