LD侧面泵浦Nd∶YAG高重频电光调Q激光器
Nd：YAG激光器调Q激光束的放大特性
Nd:YAG激光器调Q激光束的放大特性实验目的：1. 了解固体激光器的自由振荡输出特性2. 了解调Q技术以及调Q激光输出特性3. 了解固体激光器的应用4. 掌握固体激光器的光路调整实验原理：1. 自由振荡激光输出特性通常激光器谐振腔的损耗是不变的，一旦光泵浦使反转粒子数达到或略超过阈值时，激光器便开始振荡，于是激光上能级的粒子数因受激辐射而减少，致使上能级不能积累很大的反转粒子数，只能被限制在阈值反转数附近，当低于阈值时又开始准备第二次振荡。
这使得自由振荡固体激光器的输出是由许多振幅、脉宽和间隔作随即变化的尖峰脉冲组成，尖峰脉宽非常窄（微秒量级），间隔数微秒，脉冲序列的时间长度大致等于闪光灯泵浦持续时间。
激光器的输出能量分散在这样一串脉冲中，因而不可能有很高的峰值功率，增大泵浦能量时也无助于峰值功率的提高，只会使小尖峰数量增加。
2. 调Q技术激光上能级最大粒子反转数受到激光器阈值的限制，因此可设法改变激光器的阈值来实现上能级积累大量的反转粒子。
由激光振荡阈值条件可知临界阈值与谐振腔Q值成反比。
Q 值为谐振腔的品质因数，当波长和腔长一定时，Q与谐振腔的损耗成反比，即损耗大，Q值就低，阈值高而不易起振；当损耗小，Q值就高，阈值低而易起振。
调Q技术就是通过某种方法使腔的Q值随时间按一定程序变化的技术。
本实验通过Q 晶体改变谐振腔的阈值（或Q值）。
泵浦开始时，使光腔处于低Q值，即提高振荡阈值使激光器不产生激光振荡，于是上能级反转粒子数便可大量积累，当积累达到最大值时，突然使腔的损耗减小，Q值突增，激光振荡迅速建立，在极短时间内上能级的反转粒子被消耗，受激辐射增强非常迅速，在腔的输出端形成一个峰值功率很高、脉冲宽度很窄的单一脉冲激光。
实验中所用Q晶体为Cr4+:YAG晶体，有自饱和吸收特性，对光的吸收损耗在其饱和之前很大，达到饱和之后则瞬间降低至接近于零，这样就起到了调Q的作用。
这是一种被动调Q技术。
实验装置1. He-Ne激光器2. 小孔光阑3. 1064nm全反凹面镜M14. Cr4+:YAG调Q晶体5. Nd:YAG振荡棒6. 输出镜M27. Nd:YAG放大棒8. 平板玻璃9. 能量计图1 实验光路示意图本实验采用两组Nd:Y AG晶体和泵浦氙灯，前组为振荡级，后组为放大级。
LD侧泵Nd:YAG声光调Q激光器输出特性的实验研究
LD侧泵Nd：YAG声光调Q激光器输出特性的实验研究邬家成;沈慧娟【摘要】为了进一步提高激光器的输出特性和优化器件结构,对LD侧泵Nd:YAG声光调Q激光器进行了实验,并对实验结果做出分析.研究了谐振腔腔长、泵浦电流、输出镜反射率以及重复频率等因素对输出激光的脉宽和平均输出功率的影响.实验结果表明:提高泵浦电流、增加输出镜反射率和缩短腔长能够使脉宽变窄;输出镜反射率存在最佳值,使平均输出功率达到最大;提高重复频率使脉宽变宽、增加平均输出功率;泵浦电流、输出镜反射率和腔长的变化对脉宽的影响程度因重复频率的变化而不同,在重频较高时对脉宽的影响比重频较低时更为明显.【期刊名称】《通化师范学院学报》【年(卷),期】2018(039)010【总页数】4页(P37-40)【关键词】激光技术;声光调Q;脉宽;重复频率【作者】邬家成;沈慧娟【作者单位】安徽中医药大学医药信息工程学院安徽合肥230012;【正文语种】中文【中图分类】TN248激光二极管（LD）泵浦的固体激光器具有效率高、光束质量好、结构紧凑、性能稳定和寿命长等优点［1］，采用多向对称分布的大功率激光二极管阵列进行侧面抽运，对于泵浦耦合和均匀散热提供较大的表面面积，可显著提高抽运功率，实现大功率输出.利用LD的泵浦Nd：YAG声光调Q激光器可获得高重复频率、窄脉宽和高峰值功率的激光脉冲，在激光雷达、激光通信、激光医疗和激光打标等领域得到广泛的应用［2-7］.本文利用声光Q开关对LD侧面泵浦Nd：YAG激光模块输出的连续激光进行调Q实验，主要研究了激光器谐振腔腔长、泵浦电流、输出镜反射率以及重复频率等因素对输出激光的脉宽和平均输出功率的影响，并对实验结果做出了分析，对LD侧泵Nd：YAG声光调Q激光器的设计优化具有一定的参考意义.1 实验装置实验装置如图1所示，激光器采用平—平腔结构，M1、M2分别为激光器的全反镜和输出镜；Nd：YAG激光模块采用的是北京国科激光技术公司的GKPMY-50A2，利用激光二极管进行侧面泵浦，最大泵浦功率为180W，其光-光转换效率约为30%，YAG晶体棒规格Ф3×67mm；声光Q开关为中电26所生产的QSGSU-5/Q，射频频率27MHz，关断功率 50W，调制频率 1～50kHz，对1.06μm波长光的衍射效率大于50%.输出脉冲的平均功率和脉冲信号波形分别用LI-P激光功率计和美国Tektronix公司生产的500MHz数字式TDS3054B四通道彩色示波器进行测量，探测器为德国生产的InGaAs光电探测器.图1 实验装置示意图2 实验结果2.1 腔长对脉宽和平均功率的影响图2、图3分别为泵浦电流I为25A，输出镜反射率R为84%，不同腔长L时脉宽t和平均功率P与调Q重复频率 f之间的关系.图2 不同腔长L时脉宽t与重复频率 f之间的关系图3 不同腔长L时平均功率P与重复频率 f之间的关系从图2可以看出腔长对脉宽影响较大，腔长越长脉宽越宽；在重频较高时，改变腔长对脉宽的影响比重频较低时脉宽受腔长的影响更为明显.因此，缩短腔长有利于获取窄脉冲，在重频为5kHz，腔长为21.5cm时，可得到脉宽为45ns的激光脉冲.从图3可知腔长越短平均功率越大.在重频较高时，改变腔长对平均功率的影响比重频较低时平均功率受腔长的影响更为明显.因此，缩短腔长有利于获取高平均功率.在重频为50kHz，腔长为21.5cm时，可得到平均功率为40W的激光脉冲.2.2 泵浦电流对脉宽的影响图4为腔长L为30cm，输出镜反射率R为92.4%，不同重复频率 f时脉宽t与泵浦电流I之间的关系.图4 不同重复频率 f时脉冲宽度t与泵浦电流I之间的关系从图4可以看出随着泵浦电流I的增加，脉宽不断减小；在泵浦电流较低时增加泵浦电流，脉宽变化较为明显，随着I的增加，脉宽的变化逐渐变小；在重频 f较高时，泵浦电流的变化对脉宽的影响比重频较低时更为明显.在重频为5kHz，泵浦电流I为28A时，得到脉宽为35.59ns的激光脉冲，如图5所示，此时平均输出功率为12.1W，则脉冲能量为2.42mJ，峰值功率为67.96kW.图5 脉冲波形图2.3 输出镜反射率及重复频率对脉宽和平均功率的影响图6 、图7分别为腔长L为30cm，泵浦电流I为28A，不同输出镜反射率R时脉宽t和平均输出功率P与重复频率 f之间的关系.图6 不同输出镜反射率R时脉冲宽度t与重复频率f之间的关系图7 不同输出镜反射率R时平均功率P与重复频率 f之间的关系由图6可知，输出镜反射率R对脉宽具有较大影响，R增大时脉宽t变窄；并且在重复频率f较高时，R的变化对t的影响比 f较低时的影响更大.由图7可知，输出镜反射率R对平均输出功率P的影响很大，R为84%时平均功率较大.由图6、图7可以看出，随着重复频率 f的增大，会使脉宽t变宽、平均功率P增大；当f大于35kHz时，P变化很缓慢，接近于静态连续输出功率，在R为84%，激光器静态连续输出功率为41.1W，进行声光调Q后 f为50kHz时的平均功率测得为39.6W，其动静比为0.962.3 结果分析根据调Q激光器的基本理论可推出，在调Q重复频率为 f时，激光器的平均输出功率P、单脉冲能量E和脉宽t可分别表示为［8］：式中，R为输出镜反射率；L为激光器谐振腔长度；hν为光子能量；V为腔内光子的模体积；σ受激发射截面；γ为增益介质粒子数反转因子（对于四能级系统，γ取1）；τc为腔内光子寿命；ni、nt和nf分别为初始反转粒子数密度、阈值反转粒子数密度和剩余反转粒子数密度.3.1 腔长对脉宽和平均功率的影响由（1）式知，脉宽t正比于腔内光子寿命τc，又因为为有效腔长，δ为腔内损耗，c为光速），所以假设初始反转粒子数密度ni、阈值反转粒子数密度nt和剩余反转粒子数密度nf都不变，当腔长L增加时，脉宽变宽；由（2）式知，增加腔长L 会使平均输出功率P降低.3.2 泵浦电流对脉宽的影响当泵浦电流提高时，抽运速率随之增大，使得上能级初始反转粒子数密度ni增加，而抽运速率的变化对剩余反转粒子数密度nf影响较小，对阈值反转粒子数密度nt 没有影响，因此，提高泵浦电流会增加ni/nt值.由（3）式知，脉宽t反比于ni/nt值，泵浦电流的提高会使脉宽变窄.3.3 输出镜反射率及重复频率对脉宽和平均功率的影响增加输出镜反射率R会使腔内损耗降低，使初始反转粒子数密度ni增加，ni/nt值和ni/nf值增大，因此R增大时脉宽t变窄.由（2）式知，R的增加一方面能使ni/nf值增大，增加腔内储能，使平均功率P得到提高，另一方面，又因透过率减小而使P变小，因此，在R增加的过程中，R存在一最佳值使P达到最大值.对于调Q激光器，其最佳输出镜反射率是根据腔内增益和损耗进行选取的，一般脉冲抽运的固体激光器，其输出镜反射率最佳值在30%～50%之间［9］，而连续抽运固体激光器的输出镜反射率最佳值在80%～98%之间［10］.本文中 R 为84%时平均功率较大，这与理论值基本符合.提高重复频率 f会使脉冲之间的时间间隔变小，使上能级反转粒子数的积累时间减小，降低了上能级积累的反转粒子数，使ni/nt值减小，因此脉宽不断增加；但脉冲之间的时间间隔变小会减少因自发辐射跃迁而损耗的反转粒子数，所以平均功率得到提高.从图2、图4、图6还可以看出，随着重复频率f的不断增加，腔长L、泵浦功率（泵浦电流I）和输出镜反射率R对脉宽t的影响会不断增加.因为 f较小时，脉冲之间的时间间隔较大，上能级积累的反转粒子数较多，因L与R变化而改变的阈值反转粒子数nt和I变化而改变的初始反转粒子数ni占上能级总的反转粒子数的比例较小，对ni/nt值的影响较小，进而对脉宽t的影响较小；而当 f较大时，脉冲之间的时间间隔较较小，上能级积累的反转粒子数较少，因L、I和R变化而改变的反转粒子数占上能级总的反转粒子数的比例较大，增加了对ni/nt值的影响，因此对脉宽t的影响变大.相比于LD端泵声光调Q激光器，LD侧泵声光调Q的激光光束直径较大，脉冲脉宽较宽，但侧泵的抽运速率大、输出功率大，可通过准直、聚焦透镜压缩光束直径，以减小调Q开关超声波在声光介质中的渡越时间，可进一步减小脉宽，容易实现窄脉冲、高峰值功率的高重频激光.4 结论对LD侧泵Nd：YAG声光调Q激光器进行了实验研究，实验结果表明：提高泵浦电流、增加输出镜反射率和缩短腔长都能够使脉宽变窄；输出镜反射率存在最佳值使平均输出功率达到最大；增加调Q重复频率会使脉宽变宽、平均输出功率得到提高；泵浦电流、输出镜反射率和腔长的变化对脉宽的影响程度因重复频率的变化而不同，在重频较高时对脉宽的影响比重频较低时更为明显.参考文献：【相关文献】［1］王旭.LD泵浦的Yb：YAG薄片激光器特性研究［D］.北京：中国科学院大学（中国科学院西安光学精密机械研究所），2016.［2］黄雪松.LD泵浦Nd：YAG/Cr～（4+）：YAG被动调Q微型激光器研究［D］.北京：北京工业大学，2016.［3］余锦，张雪，刘洋，等.LD泵浦高功率高斜效率Nd：YVO4声光调Q激光器［J］.强激光与粒子束，2011，23（2）：285-289.［4］杨策，李业秋，吴杰，等.全固态声光调Q激光器重频对能量转换的影响［J］.沈阳理工大学学报，2013，32（5）：91-94.［5］董小龙，付喜宏，高兰兰，等.LD抽运声光调Q1064nm窄脉宽激光器［J］.激光与光电子学进展，2014，51（9）：135-139.［6］吴权.LD泵浦Nd：YVO4/Cr4+：YAG被动调Q激光器腔型优化及理论实验研究［D］.北京：中国科学院大学，2013.［7］安汝德.预泵浦Cr，Nd：YAG双频微片激光器研究［D］.杭州：杭州电子科技大学，2013. ［8］KoechnerW.固体激光工程［M］.北京：科学出版社，2002.［9］巨养锋，阮双琛，龙井华.固体脉冲激光器输出镜最佳反射率的普遍表达式［J］.大气与环境光学学报，2002，15（4）：15-16.［10］井旭.355nm固体脉冲激光泵浦硝酸钡晶体拉曼特性研究［D］.长春：长春理工大学，2010.。
LD侧面泵浦Nd：YAG激光器的研究
LD侧面泵浦Nd：YAG激光器的研究摘要介绍了YAG晶体的性质以及与其他类似晶体的比较，介绍了固体激光器泵浦的两种方式:端面泵浦和侧面泵浦，并主要分析了侧面泵浦的优点。
设计和分析了一种侧面泵浦结构的固体激光器，通过选取合适激光晶体（Nd：YAG晶体），进行侧面泵浦。
在泵浦光反向冷却套侧壁镀高反射金膜，使激光棒侧向均匀泵浦，实现低阶膜输出。
对激光二极管侧面泵浦Nd∶YAG 激光器的热效应进行了分析，通过热传导方程的推导和分析，得出YAG晶体内的温度分布情况，以及对各种可能的结果进行了数值模拟和分析，得到了一些影响YAG晶体内的温度分布的因素。
关键词：固体激光器；LD侧面泵浦；Nd：YAG晶体；热效应The Study on LD Side-pumped Nd：YAG LaserAbstractDescribed the nature of the YAG crystal and other similar comparison of crystal, introduced a solid-state laser pumped in two ways: end-pumped and side-pumped. And the main analysis of the advantages is on side-pumped. Design and analyse a side-pumped solid-state laser. By choosing a suitable laser crystal (Nd: YAG crystal), For side-pumped. In the reverse cooling pump sets highly reflective gold-plated wall membrane, So that the lateral uniformity of the laser rod pumped to achieve low film output. Of the laser diode side-pumped Nd: YAG laser thermal effects are analyzed. Heat conduction equation through the derivation and analysis within the YAG crystal temperature distribution, As well as the range of possible outcomes of a numerical simulation and analysis, have been some impact on the temperature inside the YAG crystal is a factor.Key words：solid state laser ; LD side-pump; Nd：YAG crystal；Thermal effect目录摘要 0ABSTRACT (1)1 绪论 (2)2 激光器 (3)2.1激光器简介 (3)2.1.1 什么是激光器 (3)2.1.2 激光器工作原理 (4)2.1.3 激光工作物质 (4)2.1.4 激励(泵浦)系统 (4)2.1.5 光学共振腔 (5)2．2固体激光器 (5)2.2.1 什么是固体激光器 (5)2.2.2 Nd:YAG晶体 (5)2.2.3 ND：YAG激光器 (7)2.3LD泵浦固体激光器 (7)2.3.1 LD泵浦固体激光器的优点 (7)2.3.2 侧面泵浦 (8)2.3.3 LD泵浦固体激光器的发展状况 (9)3 LD侧面泵浦ND：YAG激光器 (10)3.1LD侧面泵浦N D:YAG激光器的设计与分析 (10)3.1.1 阵列管泵浦源结构分析 (10)3.1.2 激光晶体棒选取 (10)3.1.3 聚光结构设计 (11)3.2模拟分析与推导 (12)3.2.1 泵浦高斯光强修正 (12)3.2.2 热传导方程与温度场 (13)3.2.3 激光棒内的温度分布 (13)3.2.4 激光棒内的热应力和热应力双折射 (14)3.3讨论 (17)4 总结 (18)致谢 (18)参考文献 (19)1 绪论世界上第一个激光器的成功演示距今已经40多年了。
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
高重复频率LD侧面泵浦Nd_YAG电光调Q激光器
第23卷增刊光电工程V o l123, Sup. 1996年12月Op to2E lectron ic Engineering D ec,1996 高重复频率LD侧面泵浦N d∶YA G电光调Q激光器Ξ王卫民 杨成龙 陈津燕 唐 淳杨森林 廖银燕 邵英斌(中国工程物理研究院流体物理研究所,成都,610003)吕百达 蔡邦维(四川联合大学激光物理与化学研究所,成都,610064)摘要 文中介绍二极管激光侧泵浦Q开关激光器,激光介质是N d∶YA板条,几何尺寸为20.3mm×5mm×2.5mm,二极管激光与板条之间用柱透镜耦合,激光谐振腔为平凹腔,输出镜曲率半径为1m,透光率T=0.33。
用KD★P电光Q开关,得到输出脉宽为12.7n s、单脉冲能量1.97m J的激光,光束质量M2x=2.69、M2y=1.87,重复频率98H z。
主题词 Q开关激光器,二极管泵浦,二极管激光器。
H igh Repetition Ra te LD Side-Pu m ped Nd∶YAGElectro-Optic Q-Sw itched La serW ang W e i m i n,Yang Chenglong,Chen J i nyan,Tang Chun,Yang Sen l i n,L i ao Y i nyan,Shao Y i ngb i n(Institu te of F lu id P hy sics,Ch ina A cad e m y ofE ng ineering P hy sics,Cheng d u,610003)L u Ba ida,Ca i Bangwe i(Institu te of laser P hy sics and Che m istry,S ichuan U n ion U n iversity,Cheng d u,610064)Abstract A di ode laser side2pum ped N d∶YA G Q2s w itched laser is p resen ted inthe pap er.T he laser m edium is N d∶YA G slab.T he slab size is20.3mm×5mm×2.5mm.A cylindrical rod len s is u sed as coup ler betw een the LD and the N d∶YA GΞ该课题得到国家高技术863资助。
LD泵浦声光调Q Nd∶YAG激光扫描除锈机制
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｎｅｒｇｙ ｄｅｎｓｉｔｙ；ｓｃａｎｎｉｎｇ ｔｈｒｅｅ—ｌａｙｅｒ ｍｏｄｅｌ；ｌａｓｅｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ；ｌａｓｅｒ ｒｅｍｏｖａｌ
激 光 清洗作 为一 种 型 的表 面 清 洗 技 术 ，具 有 无 机械 接触 、无基 底损 伤 、选 择 性 清洗 及绿 色 环 保等 优 点 ，在文 物保 护 、光 电子元 器 件制 备 和 轮胎 模 具 清 洗 等领 域应 用 广 泛 ．其 清 洗 机 制 的研 究 和成 品设 备
新 枝 、 新 工 艺
清 洗 世 界
Ｃｌｅａｎｉｎｇ Ｗ ｏｒｌｄ
第 ３４卷 第 期 ２０１８年 ５月
文章 编 号 ：１６７１—８９０９（２０１８）０５－００３７—０５
ＬＤ 泵 浦 声 光 调 Ｑ Ｎｄ：ＹＡＧ
激 光 扫 描 除 锈 机 制
王 欢 ，茼诗 洁 ，刘 丽飒 ，王钰 培 ，石 家榕 ，宋 峰
单 次激光 扫描 可 以清除 约 ５ ｎｍ 的铁 锈 ；当剩余铁锈 的厚度 小 于 ５ ｎｍ 时，激光 能量到 达铁基 底 ， 除 锈 机 制 由烧 蚀 效 应 变 为 振 动 效 应 。 模 拟 实 验 验 证 了 激 光 除 锈 的 三 层 模 型 ：烧 蚀 去 除 层 、振 动
去 除层 （＜５ ｎｍ左 右 ）和铁 基 底层 。
为 了进 一 步 研 究 除锈 过 程 中的 机制 ，我 们 利用 ｌ ０６４ ｎｍ 声光 调 Ｑ Ｎｄ：ＹＡＧ激 光 器 进 行 除 锈 实验 ， 确定 了在锈 层 ２０ ｎｌＹｌ时 除锈 效果 最 优 的激 光能 量 密 度 ，该 条件 下 既 能 清 除 铁 锈 、又 不 损 伤 基 底 。 同 时 ， 利用 ＡＮＳＹＳ分 析 了激 光 扫 描 过 程 中 的铁 锈 和 基 底 的最 大温 升 ，提 ｝｝｛了激 光除锈 的扫 描 ｊ层模 型 。
LDA 侧面泵浦 Nd YAG激光器的热效应分析
第19卷 第2期强激光与粒子束Vol.19,No.2 2007年2月H IGH POWER L ASER AND PAR TICL E B EAMS Feb.,2007 文章编号: 100124322(2007)022*******LDA侧面泵浦Nd:YAG激光器的热效应分析3岱 钦1,2, 李新忠1,2, 王希军1(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室,长春130031; 2.中国科学院研究生院,北京100039) 摘 要: 在高斯光强近似下对泵浦LD光强分布模型进行修正,建立了LDA侧面泵浦固体激光介质内热源分布的数值模型。
用有限元法计算模拟了三角均匀分布侧面泵浦结构激光棒瞬态温升过程及稳态温度分布情况。
讨论比较了泵浦源的高斯强度近似和均匀强度近似下激光棒内温度分布情况,并对激光棒的类热透镜的焦距进行实验测量。
实验和数值计算说明了LDA泵浦结构和冷却场的非均匀分布使实际温度场偏离均匀泵浦时的二次曲线分布模型,激光晶体热效应产生的类透镜会聚作用的不对称导致了激光器输出光束质量在x,y方向上的不同。
关键词: 半导体泵浦固体激光器; 温度场; 热效应; 数值模型; 有限元法 中图分类号: TN248.1 文献标识码: A 全固体激光器的应用不仅要求固体激光器具有高的激光输出功率,还要求激光具有较高的光束质量。
由于泵浦光场分布和冷却液体的共同作用,使激光晶体内产生的温度场经常是非均匀分布的。
由此产生的晶体热作用对激光光束质量的影响较大,因此,激光器的热效应控制是提高高功率固体激光器光束质量的重要手段之一[125]。
由于激光二极管阵列(LDA)泵浦与灯泵浦在结构以及光强分布上的差异,泵浦光在介质横截面内产生的温度分布不同[627]。
激光器运转时,泵浦光场分布不均匀和激光棒冷却不均匀等原因导致激光棒内部形成非对称温度梯度分布,进而产生热畸变或类热透镜效应,使振荡的激光束的光束质量变差。
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LD侧面泵浦Nd∶YAG高重频电光调Q激光器毛鑫;沈兆国;付洁;唐刚锋;羊毅;程建新【摘要】To acquire high efficiency middle wave infrared(MWIR) laser of 3 μm~5μm,the high repetition rate driving electro-optic Q-switched synchronization technology and LD side-pumped technology were used to get high repetition rate laser output with 1.06 μm narrowwidth.Periodically poled lithium tantalate (PPLT) was pumped to achieve high-power MWIR laser output of 3 μm ~5 μm.As the input current was 20 A and the Q-switched frequency was 10kHz, the 1.06 μm laser with 15 W power was obtained.After pumping PPLT by the laser, the 3.9 μm laser with maximum power of 2.6 W was got.The conversion efficiency from 1.06 μm to 3.9 μm was 17.3%.Experiment results indicate that the high repetition rate driving e-lectro-optical Q-switched technology and LD side-pumped technology can be used to obtain high-repetition narrow-width 1.06 μm polarized laser, and pumping PPLT can obtain high-power high-efficiency 3.9 μm MWIR laser.%为了获得高效率3 μm～5 μm中红外激光输出,利用电光调Q晶体RbTiOPO4(RTP),通过高重复频率驱动调Q同步技术和LD侧面泵浦技术,获得高重频窄脉宽1.06 μm激光输出,泵浦非线性晶体周期极化钽酸锂(PPLT)进行频率变换,实现高功率3μm～5 μm中红外激光输出.在电源输入电流20 A、调Q 驱动频率10 kHz的条件下,获得15W的1.06 μm激光.利用该1.06μm激光泵浦PPLT获得最高功率为2.6W的3.9 μm中红外激光,1.06μm到3.9μm的转化效率为17.3％.实验结果表明:通过高重频电光调Q技术和LD侧面泵浦技术,可以实现高重频窄脉宽1.06 μm偏振光输出,泵浦PPLT可获得高功率高效率3.9 μm中红外激光输出.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2013(034)002【总页数】4页(P355-358)【关键词】电光调Q;光参量振荡器;中红外【作者】毛鑫;沈兆国;付洁;唐刚锋;羊毅;程建新【作者单位】中航工业洛阳电光设备研究所,河南洛阳471009;中航工业洛阳电光设备研究所,河南洛阳471009;中航工业洛阳电光设备研究所,河南洛阳471009;中航工业洛阳电光设备研究所,河南洛阳471009;中航工业洛阳电光设备研究所,河南洛阳471009;中航工业洛阳电光设备研究所,河南洛阳471009【正文语种】中文【中图分类】TN242引言半导体激光器泵浦的固体激光器（LDPSSL，简称全固态激光器）具有转换效率高、体积小、质量轻、寿命长等优点，与非线性光学频率变换技术相结合可实现更广波段的运转。
为了获得较高的频率变换效率，需要利用高重复频率调Q技术（被动调Q、机械调Q、声光调Q和电光调Q）实现高重复频率和窄脉宽激光输出，这种激光可用于激光光电对抗、激光雷达、远程激光测距等领域［1－5］。
由于被动调Q温度特性比较敏感，重复频率不可控，目前在高功率高重频激光器中较少采用。
机械调Q噪声大，寿命短，也较少应用。
声光调Q和电光调Q均可以实现高重频激光输出，但是声光调Q晶体一般需要较大体积的冷却系统，不利于工程化。
电光调Q方式可以实现高重频窄脉宽激光输出，非常有利于非线性频率变换以及工程化应用［6－8］。
本文采用RTP作为电光晶体，对LD连续泵浦的Nd∶YAG进行电光调Q，实现高重频窄脉宽1.06μm激光输出，泵浦PPLT获得较高转化效率的3.9μm激光输出。
1 LD侧面泵浦Nd∶YAG电光调Q 1.06μm激光器试验研究试验装置如图1所示。
激光器采用传统平－平腔结构，M1为1.06μm全反镜，M2为1.064μm激光输出镜，透过率T＝35%，M1、M2构成1.064 μm激光谐振腔，腔长L＝230mm。
激光增益介质为Nd∶YAG，直径3mm，长65mm，两端面镀对1.064μm高透的介质膜以减少激光振荡损耗。
泵浦源采用目前比较成熟的半导体激光侧面泵浦连续输出模块，阵列电源所使用的最大输出电流为20A，电压15V。
腔内利用2个RTP电光晶体正交放置，以达到关断高功率激光的效果。
两电光晶体通过驱动电源实现调Q，获得窄脉冲激光输出。
驱动电源采用同一触发控制，可以实现同步调制。
冷却系统采用专用的激光冷却机，对泵浦模块进行循环液体（蒸馏水）冷却，实验过程中精确控制Nd∶YAG的温度，冷却水温设置在25℃。
液体冷却方式能够对高功率泵浦所造成激光晶体废热起到有效的散热作用，可以提高激光器输出功率的稳定性和光束质量。
图1 LD侧面泵浦Nd∶YAG电光调Q激光器试验装置图Fig.1 Experiment setup of LD pumped Nd∶YAG electro-optical Q-switched laser在电源输入电流20A、调Q驱动频率10kHz条件下，获得1.06μm静态激光的最高输出功率为28W，动态15W，脉冲宽度80ns。
1.06μm输出功率和电流的关系曲线如图2所示。
图2 1.06μm输出功率和电流关系Fig.2 Relation between 1.06μm outputpower and input current2 RTP电光晶体理论分析2.1 双RTP晶体补偿自然双折射图3为2块RTP电光晶体正交放置补偿自然双折射的原理图。
2块晶体均垂直主轴切割，光束沿y方向传播，通光长度为L，在晶体的z方向加电场，电极间距为d。
放在晶体前端的偏振片的偏振方向与z轴成45°［9－10］。
图3 双RTP晶体补偿自然双折射原理图Fig.3 Birefringence compensated double-crystal design for RTP线偏振光通过第一块RTP晶体后的相位延迟为通过第2块RTP后，相位延迟为式中：L、L＊分别为第1块RTP和第2块RTP的长度；nz、nx、n＊z、n＊x分别为第1块和第2块RTP 2个方向的折射率；rc1、r＊c2分别为第1块和第2块RTP的有效电光系数；d为晶体截面尺寸。
当2块RTP的折射率、尺寸、电光系数完全相同时，光通过2块正交放置的RTP晶体后总相位延迟为从（3）式可以看出，当2块相同的RTP晶体正交放置时，自然双折射部分相互抵消，双折射效应得到了很好的补偿。
2.2 RTP晶体正交放置时工作电压的计算令（3）式中Δδ＝π，可得到半波电压的表达式：将λ＝1 064nm，nz＝1.85，rc＝23.6pm／V，d＝8mm，Lz＝12mm代入（4）式，计算得双RTP晶体正交使用时半波电压Vπ＝2 372.6V。
3 1.06μm高重频泵浦PPLT光参量试验研究3.1 1.06μm高重频泵浦中红外激光器试验装置目前，一般采用高重频声光调Q激光器泵浦PPLT晶体，这类激光器输出脉宽一般大于150 ns。
并且采用Nd∶YAG晶体时，输出光为非偏振态，不利于光参量频率的转化。
在腔外加起偏器获得线偏振光时激光能量约衰减一半。
如果在腔内加起偏器，在高功率连续泵浦情况下，腔内热畸变严重，输出功率急剧降低，而且输出光斑不均匀，同样不利于光参量运转［9－10］。
本试验采用在腔内加入起偏器的方法输出偏振光，选择合适的泵浦功率，输出脉宽达到80ns，同时光束质量较好，有利于频率变换。
目前PPLT晶体厚度一般为0.5mm～1.0mm，宽度可以做到10mm，使用大光斑进行晶体泵浦，难以完全吸收，需将光斑聚焦到200μm～300μm以获得中红外激光输出。
试验采用的聚焦透镜焦距为200mm。
图4 3.9μm光参量振荡器实验装置图Fig.4 Experiment setup of 3.9μm OPO图4 为电光调Q Nd∶YAG 1.064μm激光抽运的外腔式PPLT-OPO产生3.9μm激光的试验装置图。
PPLT尺寸为1mm×10mm×40mm，极化周期约为29μm。
采用1.064μm激光抽运时，该周期的PPLT晶体输出的中红外激光波长为3.9μm，相应的信号光波长为1.46μm。
在图1的基础上增加了OPO装置，图中M3为中红外输入镜（1.06μm 高透，1.4μm～1.6μm 和3.7μm～4.0μm激光全反），M4为中红外输出镜（1.06μm与1.4μm～1.6μm全反，3.7μm～4.0 μm激光高透）。
3.2 1.06μm高重频泵浦中红外激光器试验结果分析经过PPLT-OPO频率变换技术实现3.9μm激光输出，采用外腔频率变换，在电源输入电流20 A、调Q驱动频率10kHz的条件下，获得3.9μm激光的最高输出功率为2.6W，1.06μm到3.9 μm的转化效率为17.3%。
3.9μm输出能量与注入电流关系如图5所示。
由图5可以看出，随着注入电流的增大，3.9μm激光的输出功率线性增加。
图5 3.9μm输出能量与注入电压关系Fig.5 Relationship between 3.9μm output power and input current4 结论利用RTP电光调Q方式获得高功率1.06 μm激光输出。
将该1.06μm激光作为泵浦源，采用外腔式OPO对非线性晶体PPLT进行频率变换，获得高重复频率、高功率3.9μm激光输出。
在电源输入电流20A，调Q驱动频率10kHz的条件下，获得3.9μm激光的最高输出功率为2.6 W，1.06μm到3.9μm转化效率为17.3%。