LD泵浦Nd:YAG激光器綜合實驗建設

周建華，蘭 嵐，余學才

(電子科技大學 光電信息學院，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的激光器，也稱為全固態激光器(all solid state laser)。全固態激光器具有轉換效率高、結構緊湊、體積小、壽命長、可靠性高、結構牢固、光束質量好、輸出能量大、峰值功率高、工作介質覆蓋的波段廣及運轉方式多樣等優點，是當代激光技術發展的主要方向[1]。DPL激光器在民用方面，如激光加工、激光通信及激光醫療等方面有極大的市場潛力[2-4]。在軍事領域，采用808 nm大功率半導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、激光引爆和激光雷達等方面被廣泛應用[5]。隨著激光技術的發展，該類激光器的應用將越來越廣，很有必要向當代光電類專業的大學本科生開設此類實驗，使學生了解該技術和原理并能進行一些簡單的實驗操作和數據處理。為此根據實驗可操作性和實驗設備的成本，建設了相對簡單的實驗裝置，在此裝置上進行LD泵浦Nd:YAG激光器的多個內容的綜合實驗，涉及激光器的泵浦源、諧振腔、晶體光學、非線性光學、倍頻、調Q技術等多個知識點[6]。

1 LD泵浦Nd:YAG激光器的結構

從LD泵浦固體激光器的方式來看，有端面泵浦方式和側面泵浦方式兩種[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，具有結構緊湊、整體效率高、空間模式好的特點。如圖1所示，主要由LD泵浦源、耦合光學系統和固體激光器Nd:YAG三部分組成[8]。耦合光學系統可以是光學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諧振腔的軸向泵浦，光束聚焦在激活介質的一個小體積內。諧振腔的參數保證泵浦光束和諧振腔模的激發空間能很好地重疊在一起，達到模式匹配。重疊程度直接影響光泵浦的效率和輸出光束的質量。同時，端面泵浦在入射方向的穿透深度很大，增益介質對泵浦光充分吸收，泵浦閾值功率低，斜效率高，因此，端面泵浦系統在大功率、高光束質量、結構緊湊、轉換效率高的全固態激光器中得到廣泛應用。

圖1 LD端面泵浦Nd:YAG激光器結構圖

1.2 側面泵浦

端面泵浦雖然能夠獲得高效率、高光束質量的激光輸出，但是由于受到泵浦區域尺寸以及熱效應等的限制，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的進步，根據燈泵激光器的設計思路，采用多個LD陣列，設計合理的激光介質的結構，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。同時靠增加激活介質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激光器大都采用陣列泵浦結構。其中，激光介質可以做成棒狀、板條狀和盤狀。圖2所示為一種側面泵浦的示意圖，3條LD陣列按照120°間隔均勻對稱排列，通過柱狀透鏡側面泵浦激光棒[9-10]。

圖2 三條二極管陣列側面泵浦Nd:YAG激光器結構圖

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、光束質量好、相干性好的優點。LD的P-I特性曲線指輸出功率P隨注入電流I的變化關系，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，當注入電流IIth時P-I特性曲線基本呈線性關系。但是，當調制電流較大時，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。

LD的P-I特性測量實驗裝置如圖4所示。LD輸出激光經過耦合系統后進入光功率計，從小到大改變LD的驅動電流，得到相應的LD激光功率見表1。作出輸出功率與驅動電流的關系曲線如圖5所示，確定閾值電流為0.5 A左右，當I>Ith時，二者基本滿足線性關系，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數據表(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系

實驗裝置如圖6所示。LD輸出激光經耦合系統后泵浦Nd:YAG激光器，從反射鏡端輸出1.064 μm的激光，再用光功率計測量輸出光功率。從小到大改變LD的驅動電流，得到LD驅動電流與Nd:YAG激光輸出功率的測量值見表2。由表1數據得到的Nd:YAG激光器的輸出功率與泵浦功率(LD激光器的輸出功率)的關系曲線見圖7，在閾值之上二者基本滿足線性關系。

圖6 LD泵浦Nd:YAG激光器實驗裝置

表2 1 064 nm激光輸出功率與LD驅動電流數據表(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系曲線

4 LD泵浦固體激光器倍頻實驗

實驗裝置見圖8。將KTP晶體放入Nd:YAG激光器的諧振腔中，旋轉KTP晶體，可以觀察到532 nm激光強度的變化，調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，可觀察到光功率計測量532 nm激光功率的值變化。當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激光器倍頻實驗裝置

5 LD泵浦固體激光器被動調Q實驗

LD泵浦的Nd:YAG/Cr4+:YAG/KTP結構被動調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Q實驗裝置

將Cr4+:YAG晶體放置在諧振腔內，在輸出鏡后放置光電二極管，將二極管輸出接入示波器。調節調Q晶體的俯仰扭擺角度，在示波器上觀察調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，當電流減小到某值時，脈沖波形消失，脈沖最小頻率對應的周期即為YAG熒光壽命。改變LD驅動電流，測得的調Q激光脈沖波形參數見表3。由波形數據可見，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Q激光的輸出波形

表3 808 nm LD激光器驅動電流與被動調Q激光脈沖波形參數的數據(LD工作溫度：25 ℃)

6 結束語

為了實驗教學的直觀性，本系統采用分離器件，由學生動手組裝調試，在操作過程中觀察實驗現象，掌握調試技巧，學習相關參數的測量并進行數據處理與分析。包括觀察LD輸出激光的光束特性、耦合系統的作用、如何將聚焦后的LD激光束泵浦Nd:YAG激光器、如何調整諧振腔得到單模輸出、在調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Q激光脈沖參數的測量等實驗內容。該實驗已經向我院2009級光通信與光電工程專業100余名本科生開放，通過該實驗，有助于學生加深對激光器的泵浦源、諧振腔、晶體光學、非線性光學、倍頻、調Q技術等知識點的理解和掌握。

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