激光二极管双端抽运声光调Q高重复频率Nd_GdVO4激光器_讲解
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
激光二极管双端抽运高功率高光束质量Z型折叠腔Nd_YVO4激光器讲解
第30卷第8期文章编号:025322239(2010)0822299207光学学报Vol.30,No.8激光二极管双端抽运高功率高光束质量Z型折叠腔Nd:YVO4激光器侯军燕1舒仕江2汪岳峰1陈卫标2黄峰1贾文武12军械工程学院光学与电子工程系,河北石家庄050003中国科学院上海光学精密机械研究所上海市全固态激光器与应用技术重点实验室,上海201800摘要在高功率激光二极管(LD)抽运条件下,固体增益介质的热透镜效应是优化激光谐振腔系统所必须考虑的重要因素之一。
利用带尾纤耦合输出的激光二极管和整形聚焦透镜组组合抽运Nd:YVO4晶体,用稳腔法测量了激光晶体的等效热焦距。
利用LAS2CAD软件模拟了三种热稳腔结构在所测等效热焦距下的模式分布,对LD双端抽运Nd:YVO4激光器Z字型谐振腔进行优化设计后,实验选定后腔镜曲率半径R1=300mm,R2=100mm,腔长Ltotal=280mm,耦合输出镜透射率T=50%。
当输入61W抽运功率时,21.3W,光束质量因子M2<1.41,。
关键词激光器;LD双端面抽运;Nd:YVO4晶体;热焦距测量;中图分类号TN248.1文献标识码Adoi:..HighPowergQutual2End2PumpedZFoldedatNd:YVO4LaserHouJunyan WangYuefeng ChenWeibiao HuangFeng JiaWenwu121211TeachingandResearchSectionofOpticsEngineering,OrdnanceEngineeringCollege, Shijiazhuang,Hebei050003,China2ShanghaiKeyLaboratoryofAllSolid2StateLaserandAppliedTechniques,ShanghaiInstitut eofOpticsandFineMechanics,ChineseAcademyofSciences,Shanghai201800,ChinaAbstractWhenoperatingatahigh2powerregion,thermallenseffectofdiodepumpsolidstatelaserisani mportantfactorwhichmustbeconsideredtooptimizethelasersystem.TheNd:YVO4crystalis pumpedbyafiber2coupledlaserdiodewhichisshapedandfocusedbyalensgroup.Thefocallen gthofthermallensismeasuredbyusingstablecavitymethod.ThemodedistributionofthreethermalstableresonatorswiththethermalfocallengthissimulatedbyLAS2CADsoftware.Byusin gthisresultstheLDdual2end2pumpedNd:YVO4laserZ2foldedresonatorhasbeenoptimized ,withtotalreflectionmirrorradiusofcurvatureR1=300mm,andoutputcouplingmirrorradiuso fcurvatureR2=100mm,withlengthoftheresonatorLtotal=280mm,andtransmisttanceoftheo utputcouplingmirrorT=50%.CWTEM00modeoutputis21.3Wwhenthepumppoweris61W, andbeamqualityfactorM21.41.Theexperimentalresultsonlaseroutputcharacteristicsareing oodagreementwiththetheoreticalones.Keywordslasers;LDdual2end2pumped;Nd:YVO4crystal;measurementofthermalfocallength;compe nsationforthermallens1引言激光二极管抽运全固态激光器(DPSSL)因其收稿日期:2009210226;收到修改稿日期:2009211218光2光转换效率高、热负载小、结构紧凑、使用寿命长,而且能够获得优良的光束质量,越来越引起人们),女,博士研究生,主要从事全固态激光器方面的研究。
连续锁模Nd∶YVO_4激光器实现1GHz高频输出(英文)
连续锁模Nd∶YVO_4激光器实现1GHz高频输出(英文)彭继迎;檀慧明;王保山;苗杰光;钱龙生;王勇刚;马骁宇【期刊名称】《光子学报》【年(卷),期】2007(36)8【摘要】LD抽运全固体Nd∶YVO4激光器在连续锁模状态运转下获得了高达1GHz的重复频率.实验中采用半导体可饱和吸收镜作为锁模元件.利用透过率只有0.8%的输出镜以及可获得较小抽运光斑的2WLD作为抽运源来优化激光器设计,有效地抑制了调Q锁模状态的运转.低的激光器振荡阈值(35mW)和连续锁模阈值(0.8W)显示了饱和吸收体低的插入损耗和激光器合理的设计.在最大抽运1.6W时获得了210mW的平均输出功率.【总页数】4页(P1393-1396)【关键词】高频;连续锁模;Nd∶YVO4;SESAM【作者】彭继迎;檀慧明;王保山;苗杰光;钱龙生;王勇刚;马骁宇【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所;中国科学院半导体研究所【正文语种】中文【中图分类】TN248.1【相关文献】1.半导体激光器端面泵浦Nd∶YAG激光器用In_(0.25)Ga_(0.75) As吸收体被动锁模兼做输出镜(英文) [J], 王勇刚;马骁宇;张丙元;陈檬;李港;张志刚2.用高反射率型半导体可饱和吸收镜实现半导体端面泵浦Yb:YAB激光器被动锁模(英文) [J], 王勇刚;马骁宇;薛迎红;孙虹;张志刚;王清月3.LD泵浦、1W输出的Nd：GdVO4半导体可饱和吸收镜连续锁模激光器 [J], 姜罡;宋晏蓉;张志刚4.LD泵浦Nd:YVO_4/Cr^(4+):YAG被动调Q锁模激光器的输出特性 [J], 刘辉兰;王红梅;杨海莲;杨延玲5.基于PCF实现稳定输出的主动锁模光纤激光器 [J], 王芬;陈达如;秦山;何赛灵因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
激光二极管抽运声光调Q高重复频率532nm激光器讲解
第32卷第4期2005年4月中国激光C H IN ESE J OU RNAL O F L ASERSVol. 32, No. 4April , 2005文章编号:025827025(2005 0420461205激光二极管抽运声光调Q 高重复频率532nm 激光器冯立春, 霍玉晶, 何淑芳, 杨成伟(清华大学电子工程系, 北京100084摘要实现了重复频率高达105kHz 的紧凑的全固态声光(A -O 调Q 532nm 腔内倍频激光器。
激光器使用Nd ∶Y VO 4作为激光晶体, Ⅱ类匹配的KTP 为倍频晶体, 声光器件材料为熔融石英, 由自制的声光驱动器驱动, 其最大射频输出功率为7. 5W , 重复频率1Hz ～105k Hz 可调。
使用1W 的激光二极管(LD 抽运,50k Hz 重复频率下, 得到平均功率达224mW 的532nm 脉冲激光稳定平均输出, 总光光转换效率高达22. 4%。
低重复频率下, 可以实现脉宽为17. 2ns , 峰值功率为470W , 单脉冲能量为8. 1μJ 的稳定运转。
给出了平均功率与重复频率关系的一般公式, 并提出即使是在四能级系统中, 有效储能时间也并不等于上能级寿命, 关键词激光技术; 固体激光器; 激光二极管抽运; 储能时间; Q; 中图分类号TN248. 1文献标识码 AQ 2switched 532nmLaser with High R epetition R ateFEN G Li -chun , HUO Yu -jing , H E Shu -fang , YAN G Cheng -wei(Department of Elect ronic Engineering , Tsinghua Universit y , B ei j ing 100084, ChinaAbstract A compact , all solid -state and high repetition rate as up to 105k Hz acousto 2optic (A 2O Q 2switched intracavity frequency 2doubled 532nm laser is demonstrated. A Nd ∶YVO 4crystal is used as active media and a type 2ⅡKTP (KTiPO 4 as f requency doubler , The Q switcher is made by f used silica and driven by a driver whose maximal rf output power is 7. 5W and repetition rate is variable f rom 1Hz to 105k Hz , which is made by our own. 224mW of 532nm average power at a repetition rate of 50k Hz was generated with a 1W laser diode (LD as pump source , and a high optical -to -optical conversion efficiency of 22. 4%was obtained. Under low repetition rate , steady operation is achieved with pulse width of 17. 2ns , peak power of 470W and single pulse energy of 8. 1μJ. A general formula of average 2power as a function of pulse repetition rate is presented which has good agreement with the experiment results. Analysis and experimental verification showed that , even in four 2level system , the effective storage time is not equal to the upper state lifetime.K ey w ords laser technique ; solid 2state laser ; laser diode pumped ; storage time ; acousto 2optics Q 2switched ; intracavity second harmonic generation ; high repetition 2rate1引言声光(A -O 调Q 脉冲激光器已被广泛应用于激光测距、大气监测、激光雷达、光电对抗、激光加工和医疗等领域。
激光器的基本技术激光调Q技术讲解课件
微型化与集成化
新材料与新波段
微纳激光器、芯片上集成激光器等技术的 发展，为光通信、光互联等领域提供有力 支撑。
探索新型激活介质与光学材料，拓展中红 外、太赫兹等波段的激光技术与应用。
02
激光调Q技术原理及优势
调Q技术基本原理
调Q开关
通过调节激光腔内的Q值来控制激光的输出。Q值高时，激光腔内存储能量多 ，输出激光脉冲峰值功率高；Q值低时，激光腔内能量损失多，输出激光脉冲 宽度窄。
的相关参数。
数据处理
02
对采集到的光信号进行处理，如滤波、放大等，以提取有效信
息。
数据分析
03
采用统计方法对处理后的数据进行分析，如计算平均值、标准
差等。
结果展示和讨论
结果展示
将实验结果以图表形式进行展示，如绘制光信号波形图、功率谱 图等。
结果讨论
根据实验结果进行讨论，分析激光调Q技术对激光器性能的影响 及其可能原因。
参数设置和影响因素分析
初始参数设置
根据激光器类型和实验条件，设置初始参数 ，如增益系数、损耗系数、腔长等。
调Q参数设置
设置调Q开关的参数，如调制频率、调制深度等， 实现不同的调Q效果。
影响因素分析
分析增益介质特性、泵浦源特性、腔镜反射 率等因素对激光器性能的影响，为性能优化 提供依据。
性能优化策略提出
窄脉冲宽度
调Q技术可以将激光脉冲压缩至纳秒甚至皮秒量级，有利于实现高精度、高质量的激光加 工和微观探测。
广泛应用
调Q技术在激光加工、医疗、科研、军事等领域有着广泛的应用。例如，可以用于切割、 焊接、打孔等激光加工过程，也可以用于激光雷达、光谱分析、非线性光学等科研领域。
03
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
声光调QNd_YVO4晶体1342nm激光器
第28卷 第3期光 学 学 报V ol.28,N o.32008年3月ACTA OPTICA SINICAMarch,2008文章编号:0253 2239(2008)03 0502 05声光调Q 的Nd Y V O 4晶体1342nm 激光器巩马理 陆成强*(清华大学精密仪器与机械学系,北京100084)摘要 报道了采用光纤耦合激光二极管(L D)模块端面抽运N d Y VO 4晶体实现高功率、高重复频率声光调Q 1342nm 波长的激光输出,以及采用考虑增益频谱分布的调Q 速率方程模型仿真研究该脉冲激光器的结果。
在激光器注入总功率40W 的情况下,可得到最高工作重复频率100kHz;在50kH z 重复频率工作条件下,可得到11.0W 的平均输出功率及稳定的脉冲输出。
应用与介质增益频谱相关的调Q 速率方程模型对该脉冲激光器进行了仿真研究,得到了脉冲宽度、脉冲峰值功率、脉冲建立时间等计算结果,还给出了输出在频谱上的分布以及谱宽,并与实验结果进行了比较。
考虑增益频谱分布的调Q 速率方程模型不仅可以应用于分析、设计脉冲激光器的频谱,而且由于考虑了增益在频谱上的实际分布,基于该模型的仿真计算可以获得比传统单频调Q 速率方程更为接近实际的结果。
关键词 激光器;1342nm 激光器;声光调Q ;Nd Y V O 4晶体;速率方程中图分类号 T N 248.1 文献标识码 A收稿日期:2007 06 21;收到修改稿日期:2007 09 11作者简介:巩马理(1959-),男,四川人,教授,博士生导师,主要从事激光技术与光电子信息工程等方面的研究。
E mail:go ng ml@*通信联系人。
E mail:lucq04@Acousto Optically Q Switched 1342nm Lase r with Nd YV O 4CrystalsGong Mali Lu Chengqiang(Depar t m en t of Pr ecision In str u men ts ,T sin ghu a U niv er sity ,Beijin g 100084,Chin a )Abstract A high power high repetition rate acousto optic ally Q switched 1342nm laser with double Nd YVO 4c rystals pumped by fiber coupled laser diodes and simulated results based on Q switched rate equations considering gain distribution on spectrum are presented.With total 40W pump power incidenc e,the highest pulse repetition rate of 100kHz was obtained.At 50kHz repetition rate,average output power higher than 11W and rather stable pulses were achieved.With the Q switched rate equations considering gain distribution on spectrum,not only the pulse width,peak power and build up time can be calculated,but the output distribution on the spectrum and its width can a lso be given.The experimenta l results are c ompared with the simulated ones.The model c an be applied to analyze and design the spectrum of the laser output,and more exact results can be obtained bec ause the practica l gain distribution on the spectrum was taken into c onsideration.Key wo rds la sers;1342nm laser;acousto optic Q switc h;Nd YVO 4crystal;rate equa t ions1 引 言1.3 m 波段的激光器在科研、医学、工业、军事等领域具有重要的用途和广泛的应用前景[1~3]。
声光调Q的Nd_YVO_4晶体1342nm激光器
第28卷 第3期光 学 学 报V ol.28,N o.32008年3月ACTA OPTICA SINICAMarch,2008文章编号:0253-2239(2008)03-0502-05声光调Q 的Nd B Y V O 4晶体1342nm 激光器巩马理 陆成强*(清华大学精密仪器与机械学系,北京100084)摘要 报道了采用光纤耦合激光二极管(L D)模块端面抽运N d B Y VO 4晶体实现高功率、高重复频率声光调Q 1342nm 波长的激光输出,以及采用考虑增益频谱分布的调Q 速率方程模型仿真研究该脉冲激光器的结果。
在激光器注入总功率40W 的情况下,可得到最高工作重复频率100kHz;在50kH z 重复频率工作条件下,可得到11.0W 的平均输出功率及稳定的脉冲输出。
应用与介质增益频谱相关的调Q 速率方程模型对该脉冲激光器进行了仿真研究,得到了脉冲宽度、脉冲峰值功率、脉冲建立时间等计算结果,还给出了输出在频谱上的分布以及谱宽,并与实验结果进行了比较。
考虑增益频谱分布的调Q 速率方程模型不仅可以应用于分析、设计脉冲激光器的频谱,而且由于考虑了增益在频谱上的实际分布,基于该模型的仿真计算可以获得比传统单频调Q 速率方程更为接近实际的结果。
关键词 激光器;1342nm 激光器;声光调Q ;Nd B Y V O 4晶体;速率方程中图分类号 T N 248.1 文献标识码 A收稿日期:2007-06-21;收到修改稿日期:2007-09-11作者简介:巩马理(1959-),男,四川人,教授,博士生导师,主要从事激光技术与光电子信息工程等方面的研究。
E -mail:go ng ml@*通信联系人。
E -mail:lucq04@Acousto -Optically Q -Switched 1342nm Lase r with Nd B YV O 4CrystalsGong Mali Lu Chengqiang(Depar t m en t of Pr ecision In str u men ts ,T sin ghu a U niv er sity ,Beijin g 100084,Chin a )Abstract A high -power high -repetition -rate acousto -optic ally Q -switched 1342nm laser with double Nd B YVO 4c rystals pumped by fiber -coupled laser diodes and simulated results based on Q -switched rate equations considering gain distribution on spectrum are presented.With total 40W pump power incidenc e,the highest pulse repetition rate of 100kHz was obtained.At 50kHz repetition rate,average output power higher than 11W and rather stable pulses were achieved.With the Q -switched rate equations considering gain distribution on spectrum,not only the pulse width,peak power and build -up time can be calculated,but the output distribution on the spectrum and its width can a lso be given.The experimenta l results are c ompared with the simulated ones.The model c an be applied to analyze and design the spectrum of the laser output,and more exact results can be obtained bec ause the practica l gain distribution on the spectrum was taken into c onsideration.Key wo rds la sers;1342nm laser;acousto -optic Q -switc h;Nd B YVO 4crystal;rate equa t ions1 引 言1.3L m 波段的激光器在科研、医学、工业、军事等领域具有重要的用途和广泛的应用前景[1~3]。
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。
LASER激光器的调Q技术专讲..
栅声常波数频率等较于声高波.声波光长作λ用s.光长束度射d足经够此大介,质满时足发生衍射,一部d分光 偏2s离原来方向。当
时(λs与λ分别为声波与光波波si长n),如 果λ射光与声波波面的夹角θ满足 2s
只有振荡持续到t＝tD时，增长 到了ΦD ，雪崩过程才形成， Φ才迅速增大，受激辐射才迅 速超过自发辐射而占优势。
ΦD Φi 图3 从开始振荡到脉冲形成的过程
②激光产生输出 忽略泵浦和自发辐射的影响。
因此，调Q脉冲从振荡开始建立到巨脉冲激光形成需要一定的延迟时间△t (也 就是Q开关开启的持续时间)。光子数的迅速增长，使△ni迅速减少，到t=tp时 刻， △ni= △nt，光子数达到最大值Φm之后，由△n ＜ △nt ，则Φ 迅速减少， 此时△n = △nf ，为振荡终止后工作物质中剩余的粒子数。可见，调Q脉冲的 峰值是发生在反转粒子数等于阈值反转粒子数(△ni= △nt)的时刻。
声光调Q开关时间一般小于光脉冲建立时间,属快开关类型。由于开关的调制 电压只需100多伏,所以可用于低增益的连续激光器,可获得峰值功率几百千瓦、 脉宽约为几十纳秒的高重复率巨脉冲。但是,声光开关对高能量激光器的开关能 力差,不宜用于高能调Q激。
光轴方向z施加一外电场E ,由于普克尔效应,主轴变为x‘、y’,z‘。令光束沿z轴方 向传播,经偏振器后变为平行于x轴的线偏振光,入射到晶体表面时分解为等幅的x' 和y'方向的偏振光,在晶体中二者具有不同的折射率η’x和η’y。经过晶体长度d距 离后,二偏振分量产生了相位差δ
2vd
c
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文章编号 :0258 7025(2007 04 046104激光二极管双端抽运声光调 Q 高重复频率 Nd GdVO 4激光器李旭东 , 于欣 , 于俊华 , 陈德应(哈尔滨工业大学光电子技术研究所 , 黑龙江哈尔滨 150080摘要激光二极管 (L D 抽运的固体激光器 (DP SSL 的调 Q 器件是获得高重复频率、高峰值功率的有效手段之一 , 随着激光雷达、激光加工业的发展 , 要求调Q 器件向着更高重复频率的方向发展。
N d G dV O 4以其优异的物理和激光特性 , 使得它在激光二极管端面抽运固体激光器的声光 (A O 调 Q 器件中 , 即使在很高的调制重复频率下 , 仍可获得窄脉宽、高峰值功率的脉冲激光输出。
理论分析了影响脉冲激光的输出能量和脉宽大小的决定因素 , 研究了脉宽、平均输出功率及峰值功率随调 Q 重复频率的变化关系。
利用双激光二极管双端抽运 N d GdV O 4晶体棒 , 实现了声光调 Q 高重复频率窄脉宽 1063nm 激光输出。
在晶体入射端面总抽运功率约 43W 条件下 , 当重复频率 f =10kH z 时 , 获得脉宽 t =10. 2ns, 单脉冲能量 E =0. 95mJ, 峰值功率 P M =93. 1kW 的输出 ; 在重复频率 f =100kHz 时 , 获得 t =28. 1ns, E =0. 10mJ, P M =3. 6kW 的结果。
关键词激光技术 ; N d GdV O 4激光器 ; 声光调 Q; 激光二极管双端抽运 ; 高重复频率中图分类号 T N 248. 1 文献标识码 ALaser Diode Double End Pumped Acousto Optically Q SwitchedNd GdVO 4Laser with High Repetition RateLI Xu dong, YU Xin, YU Jun hua, CHEN De ying(I nstitute of O p to Electr onics T echnolog y , H arbin I nstitute of T echnology , H ar bin, H eilongj iang, 150080, China Abstract Laser dio de (LD pumped Q sw itched solid state laser s (SSLs can achiev e hig h repetitio n r ates and hig h peak po wer. With the dev elo pment of lidar and laser machining, dio de pumped SSL s (DP SSL s w ith higher repet itio n r ates are required. In the L D end pumped acoust o optically (A O Q sw itched so lid state lasers, N d GdVO 4, w hich has excellent phy sical and laser pr operties, is able to o bt ain a laser output of shor t pulse width even at very hig h r epetition r ates. T he major factor s that have influence o n pulse ener gy and pulse w idt h are analyzed, pulse w idth, aver age output po wer and peak pow er as a funct ion o f the r epetit ion r ates have been studied. Double Nd G dV O 4cry sta ls laser end pumped by do uble LD is r epo rted, and A O Q sw itched laser o f 1063nm w ith hig h repet itio n rate and sho rt w idth is achieved. A t the total pump pow er of 43W , pulse w idth of 10. 2ns, pulse energy of 0. 95mJ and peak pow er of 93. 1kW ar e obtained at the repetition r ate o f 10kHz;28. 1ns, 0. 10mJ and 3. 6kW are produced respect ively at 100kH z.Key words laser technique; N d G dV O 4lasers; acousto o ptically Q switched; laser dio de do uble end pumped; hig h repet itio n r ate收稿日期 :2006 09 13; 收到修改稿日期 :2006 11 29 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。
E mail:kev in2025@163. co m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。
E mail:dy chen@hit. edu. cn1 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CH INESE JOU RNAL OF LASERSV o l. 34, N o. 4A pril, 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。
Nd GdVO 4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. Ogaw a 等 [5]研制了高效的 Nd GdVO 4声光调 Q 激光器 , 在重复频率 40kH z 时 , 获得了最短激光脉冲 7ns 激光输出 ; Junhai Liu 等 [6]报道了激光二极管端面抽运的 Nd GdVO 4声光调 Q 激光器 ,在高重复频率 60kH z 时 , 获得平均功率 7. 25W 的脉冲输出 , 在重复频率10kH z 时 , 获得能量 340 J, 峰值功率 26. 2kW 的脉冲输出。
Nd GdVO 4晶体较传统的 Nd YA G 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! 10-19cm 2 , 同时其热导率也很接近 Nd YA G, 约 11. 7W/(m ∀K , 这就保证了 Nd GdVO 4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 Nd GdVO 4短晶体棒 , 研制了一台声光 (A O 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10kH z 和 100kH z 时 , 对输出脉冲激光的性能进行了测试。
2 理论分析根据 Wag ner 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! lnRln in f, (1t =∀ c i fn i -n t [1+ln (n i /n t ], (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 , n i 和 n f 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n i -n f =n t ln (n i /n f , (3 n t 为阈值反转粒子数密度 , 即n t =(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 n i /n f 和 n i /n t 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 Nd 3+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 n i ; 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 n i 也受调 Q 重复频率 f 的约束 , 当 f 1/∀时 , 表示初始反转粒子数 n i 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 f 1/∀时 , 会造成 n i 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 Nd GdVO 4的上能级寿命∀ %90 s, 所以对于声光调 Q 的 Nd GdV O 4激光器来讲 , 它的最佳调制重复频率约在 11kH z 左右。
在实验中 , 利用双激光二极管双端抽运双 N d GdVO 4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 P M 。
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 t p 和平均输出功率 P 随重复频率 f 的变化 , 并得出 P M 随 f 的变化关系。