LD泵浦Nd:YAG激光器綜合實(shí)驗(yàn)建設(shè)

周建華，蘭 嵐，余學(xué)才

(電子科技大學(xué) 光電信息學(xué)院，四川 成都 610054)

二極管激光器泵浦的固體激光器(laser diode pumped solid state laser,LDPSSL或DPL)是指用激光二極管(laser diode,LD)代替閃光燈泵浦固體激光增益介質(zhì)的激光器，也稱為全固態(tài)激光器(all solid state laser)。全固態(tài)激光器具有轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、壽命長、可靠性高、結(jié)構(gòu)牢固、光束質(zhì)量好、輸出能量大、峰值功率高、工作介質(zhì)覆蓋的波段廣及運(yùn)轉(zhuǎn)方式多樣等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)代激光技術(shù)發(fā)展的主要方向[1]。DPL激光器在民用方面，如激光加工、激光通信及激光醫(yī)療等方面有極大的市場潛力[2-4]。在軍事領(lǐng)域，采用808 nm大功率半導(dǎo)體激光器作為泵浦源的小型化Nd:YAG，已在激光測距、測速、激光制導(dǎo)、激光引爆和激光雷達(dá)等方面被廣泛應(yīng)用[5]。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，該類激光器的應(yīng)用將越來越廣，很有必要向當(dāng)代光電類專業(yè)的大學(xué)本科生開設(shè)此類實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生了解該技術(shù)和原理并能進(jìn)行一些簡單的實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)處理。為此根據(jù)實(shí)驗(yàn)可操作性和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的成本，建設(shè)了相對簡單的實(shí)驗(yàn)裝置，在此裝置上進(jìn)行LD泵浦Nd:YAG激光器的多個(gè)內(nèi)容的綜合實(shí)驗(yàn)，涉及激光器的泵浦源、諧振腔、晶體光學(xué)、非線性光學(xué)、倍頻、調(diào)Q技術(shù)等多個(gè)知識點(diǎn)[6]。

1 LD泵浦Nd:YAG激光器的結(jié)構(gòu)

從LD泵浦固體激光器的方式來看，有端面泵浦方式和側(cè)面泵浦方式兩種[7]。

1.1 端面泵浦

端面泵浦是中小功率LD泵浦固體激光器常用的一種泵浦方式，具有結(jié)構(gòu)緊湊、整體效率高、空間模式好的特點(diǎn)。如圖1所示，主要由LD泵浦源、耦合光學(xué)系統(tǒng)和固體激光器Nd:YAG三部分組成[8]。耦合光學(xué)系統(tǒng)可以是光學(xué)透鏡耦合和光纖耦合。LD陣列輸出的空間相干光束沿著光學(xué)諧振腔的軸向泵浦，光束聚焦在激活介質(zhì)的一個(gè)小體積內(nèi)。諧振腔的參數(shù)保證泵浦光束和諧振腔模的激發(fā)空間能很好地重疊在一起，達(dá)到模式匹配。重疊程度直接影響光泵浦的效率和輸出光束的質(zhì)量。同時(shí)，端面泵浦在入射方向的穿透深度很大，增益介質(zhì)對泵浦光充分吸收，泵浦閾值功率低，斜效率高，因此，端面泵浦系統(tǒng)在大功率、高光束質(zhì)量、結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)換效率高的全固態(tài)激光器中得到廣泛應(yīng)用。

圖1 LD端面泵浦Nd:YAG激光器結(jié)構(gòu)圖

1.2 側(cè)面泵浦

端面泵浦雖然能夠獲得高效率、高光束質(zhì)量的激光輸出，但是由于受到泵浦區(qū)域尺寸以及熱效應(yīng)等的限制，泵浦功率不能做得很大。隨著LD輸出功率的提高和熱管理技術(shù)的進(jìn)步，根據(jù)燈泵激光器的設(shè)計(jì)思路，采用多個(gè)LD陣列，設(shè)計(jì)合理的激光介質(zhì)的結(jié)構(gòu)，通過長方體表面或者圓柱體表面將泵浦光能量泵入晶體，這為泵浦耦合和散熱都提供了較大的表面面積，因而輸出功率可以大大提高。同時(shí)靠增加激活介質(zhì)的尺度也很容易提高輸出功率。目前，百瓦級甚至萬瓦級全固態(tài)激光器大都采用陣列泵浦結(jié)構(gòu)。其中，激光介質(zhì)可以做成棒狀、板條狀和盤狀。圖2所示為一種側(cè)面泵浦的示意圖，3條LD陣列按照120°間隔均勻?qū)ΨQ排列，通過柱狀透鏡側(cè)面泵浦激光棒[9-10]。

圖2 三條二極管陣列側(cè)面泵浦Nd:YAG激光器結(jié)構(gòu)圖

2 808 nm二極管激光器的P-I特性曲線測量

LD具有輸出光功率高、光束質(zhì)量好、相干性好的優(yōu)點(diǎn)。LD的P-I特性曲線指輸出功率P隨注入電流I的變化關(guān)系，LD的典型P-I特性曲線見圖3[7]。

圖3 LD的典型P-I特性曲線

LD的P-I特性曲線具有以下特征：

(1) LD有閾值電流Ith，當(dāng)注入電流IIth時(shí)P-I特性曲線基本呈線性關(guān)系。但是，當(dāng)調(diào)制電流較大時(shí)，線性特性將遭破壞。

(2)P-I特性曲線隨溫度升高，斜率下降，即量子效率下降，輸出光功率下降。

(3)P-I特性曲線隨溫度升高，閾值電流Ith升高。

由于P-I特性受溫度的影響較大，所以一般需要采用制冷器使LD工作在恒溫狀態(tài)。

LD的P-I特性測量實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。LD輸出激光經(jīng)過耦合系統(tǒng)后進(jìn)入光功率計(jì)，從小到大改變LD的驅(qū)動電流，得到相應(yīng)的LD激光功率見表1。作出輸出功率與驅(qū)動電流的關(guān)系曲線如圖5所示，確定閾值電流為0.5 A左右，當(dāng)I>Ith時(shí)，二者基本滿足線性關(guān)系，與理論基本相符。

圖4 808 nm LD激光器P-I特性測量裝置

圖5 808 nm LD激光器的P-I特性曲線

表1 808 nm LD激光器的P-I數(shù)據(jù)表(LD工作溫度：25 ℃)

3 測量Nd:YAG激光器的輸出功率與泵浦功率關(guān)系

實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示。LD輸出激光經(jīng)耦合系統(tǒng)后泵浦Nd:YAG激光器，從反射鏡端輸出1.064 μm的激光，再用光功率計(jì)測量輸出光功率。從小到大改變LD的驅(qū)動電流，得到LD驅(qū)動電流與Nd:YAG激光輸出功率的測量值見表2。由表1數(shù)據(jù)得到的Nd:YAG激光器的輸出功率與泵浦功率(LD激光器的輸出功率)的關(guān)系曲線見圖7，在閾值之上二者基本滿足線性關(guān)系。

圖6 LD泵浦Nd:YAG激光器實(shí)驗(yàn)裝置

表2 1 064 nm激光輸出功率與LD驅(qū)動電流數(shù)據(jù)表(LD工作溫度：25 ℃)

圖7 Nd:YAG激光器的輸出功率與泵浦功率的關(guān)系曲線

4 LD泵浦固體激光器倍頻實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)裝置見圖8。將KTP晶體放入Nd:YAG激光器的諧振腔中，旋轉(zhuǎn)KTP晶體，可以觀察到532 nm激光強(qiáng)度的變化，調(diào)至最佳角度使輸出激光功率最大。再將KTP晶體放置在諧振腔不同位置，可觀察到光功率計(jì)測量532 nm激光功率的值變化。當(dāng)KTP晶體位于激光束的束腰位置處，輸出的激光功率最大[11]。

圖8 LD泵浦Nd:YAG激光器倍頻實(shí)驗(yàn)裝置

5 LD泵浦固體激光器被動調(diào)Q實(shí)驗(yàn)

LD泵浦的Nd:YAG/Cr4+:YAG/KTP結(jié)構(gòu)被動調(diào)Q綠光激光器如圖9所示[12-13]。

圖9 LD泵浦Nd:YAG激光器被動調(diào)Q實(shí)驗(yàn)裝置

將Cr4+:YAG晶體放置在諧振腔內(nèi)，在輸出鏡后放置光電二極管，將二極管輸出接入示波器。調(diào)節(jié)調(diào)Q晶體的俯仰扭擺角度，在示波器上觀察調(diào)Q激光脈沖波形(見圖10)。減小808 nm激光器的工作電流，觀察脈沖波形的變化，當(dāng)電流減小到某值時(shí)，脈沖波形消失，脈沖最小頻率對應(yīng)的周期即為YAG熒光壽命。改變LD驅(qū)動電流，測得的調(diào)Q激光脈沖波形參數(shù)見表3。由波形數(shù)據(jù)可見，808 nm激光器的工作電流越大，Nd:YAG激光器的泵浦輸入功率越大，調(diào)Q激光的輸出脈沖周期越小，脈沖半高寬度越小，但脈沖高度幾乎不變。

圖10 被動調(diào)Q激光的輸出波形

表3 808 nm LD激光器驅(qū)動電流與被動調(diào)Q激光脈沖波形參數(shù)的數(shù)據(jù)(LD工作溫度：25 ℃)

6 結(jié)束語

為了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的直觀性，本系統(tǒng)采用分離器件，由學(xué)生動手組裝調(diào)試，在操作過程中觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，掌握調(diào)試技巧，學(xué)習(xí)相關(guān)參數(shù)的測量并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。包括觀察LD輸出激光的光束特性、耦合系統(tǒng)的作用、如何將聚焦后的LD激光束泵浦Nd:YAG激光器、如何調(diào)整諧振腔得到單模輸出、在調(diào)整過程中觀察輸出激光的模式變化、KPT倍頻晶體的角度匹配、被動調(diào)Q激光脈沖參數(shù)的測量等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。該實(shí)驗(yàn)已經(jīng)向我院2009級光通信與光電工程專業(yè)100余名本科生開放，通過該實(shí)驗(yàn)，有助于學(xué)生加深對激光器的泵浦源、諧振腔、晶體光學(xué)、非線性光學(xué)、倍頻、調(diào)Q技術(shù)等知識點(diǎn)的理解和掌握。

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