LD側(cè)面泵浦全固體激光器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究

杜丹等

摘 要：LD側(cè)泵技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到各行各業(yè)，所以，將LD側(cè)泵全固體激光器的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)推廣到國(guó)內(nèi)各大高校的相關(guān)專(zhuān)業(yè)是非常必要的。本套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可作為光信息、應(yīng)用光學(xué)等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的本科生的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)（如腔型的設(shè)計(jì)）、綜合性實(shí)驗(yàn)（光、機(jī)、電、算的綜合）并且可以擴(kuò)展為研究生實(shí)驗(yàn)（整機(jī)的搭建、振鏡掃描等）。該文主要完成了用輸出功率可達(dá)50 W的LD模塊搭建激光器的光學(xué)系統(tǒng)，選擇驅(qū)動(dòng)電源、水冷系統(tǒng)，組建LD側(cè)泵全固體激光器；完成裝調(diào)及選模實(shí)驗(yàn)，了解并掌握LD側(cè)泵全固體激光器的裝調(diào)方法及相關(guān)特性。

關(guān)鍵詞：全固體激光器 LD側(cè)面泵浦 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 研究

中圖分類(lèi)號(hào)：TN248 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）11（c）-0016-02

1 緒論

1.1 引言

LD泵浦固體激光器的英文縮寫(xiě)為DPSSL，它的泵浦光是固體半導(dǎo)體激光器發(fā)出的，所以可稱(chēng)為全固體激光器。DPSSL集LD與固體激光器的優(yōu)勢(shì)于一體，和傳統(tǒng)的燈泵固體激光器相比，具有總體效率高、頻率穩(wěn)定性好，使用壽命長(zhǎng)、使用簡(jiǎn)便還有可以全固體化等優(yōu)點(diǎn)。

隨著激光二極管技術(shù)的發(fā)展、日益成熟，國(guó)內(nèi)外對(duì)LD側(cè)面泵浦全固體激光器的研究已有了很大的進(jìn)展。目前，LD側(cè)面泵浦全固體激光器不僅在光通信、光盤(pán)貯存、激光打標(biāo)、條形碼掃描、測(cè)量還有醫(yī)療等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，而且已被廣泛用于制導(dǎo)、測(cè)距、打靶還有引爆等重要領(lǐng)域。

這種激光器發(fā)展極快，20世紀(jì)90年代就已從實(shí)驗(yàn)室階段走上了產(chǎn)業(yè)化和商品化階段，近幾年來(lái)，國(guó)外市場(chǎng)上成型的產(chǎn)品有1.06 nm，532 nm，355 nm，266 nm， 430 nm，473 nm，2100 nm等連續(xù)與脈沖激光器，國(guó)內(nèi)的綠光激光器也已形成產(chǎn)業(yè)化?，F(xiàn)階段，LD泵浦全固體激光器的相關(guān)配件已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、商品化，其相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)在市場(chǎng)中占有主導(dǎo)地位?？墒牵M管半導(dǎo)體泵浦的固體激光器在理論與技術(shù)上都已達(dá)到了相當(dāng)成熟的地步，具體的細(xì)節(jié)問(wèn)題上還存在困難需要深入研究。與其他類(lèi)型的激光器研究類(lèi)似，對(duì)DPSSL的研究重點(diǎn)主要是圍繞著提高轉(zhuǎn)化效率、提高光束質(zhì)量、降低噪聲、實(shí)現(xiàn)單頻、獲得新波長(zhǎng)還有實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)調(diào)制等進(jìn)行的。

1.2 LD泵浦全固體激光器的基本原理

LD泵浦固體激光器是以固體半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光為泵浦源，集LD與固體激光器的優(yōu)勢(shì)為一體，具有總體效率高、頻率穩(wěn)定性好，使用壽命長(zhǎng)、使用簡(jiǎn)便還有可以全固化等優(yōu)點(diǎn)。下面以輸出波長(zhǎng)為808 nm的LD泵浦Nd3+：YAG晶體為例，介紹LD泵浦基本原理。

當(dāng)注入半導(dǎo)體激光二極管電流高于閾值電流的時(shí)候，發(fā)射光譜的寬度會(huì)急劇變窄，譜線(xiàn)中心波長(zhǎng)的強(qiáng)度會(huì)迅速增加而形成激光輸出。它雖然比普通的光單色性好，但是因半導(dǎo)體的特殊電子結(jié)構(gòu)，受激復(fù)合輻射是發(fā)生在由許多子能級(jí)組成的導(dǎo)帶與價(jià)帶之間，所以激光譜線(xiàn)寬度比固體或者氣體激光器寬得多。在室溫下，GaAs激光器發(fā)射的激光譜線(xiàn)寬度約為幾個(gè)納米；而且激光器在超過(guò)閾值電流的時(shí)候，發(fā)射光譜會(huì)出現(xiàn)多個(gè)峰。而且峰值波長(zhǎng)會(huì)隨溫度的不同而改變，在低溫的時(shí)候?yàn)?40 nm，室溫時(shí)為902 nm。實(shí)驗(yàn)證明：隨著溫度的升高，峰值波長(zhǎng)會(huì)向長(zhǎng)波移動(dòng)。所以可利用改變溫度來(lái)移動(dòng)波長(zhǎng)，使之與Nd3+：YAG的吸收光譜相匹配。由于Nd3+∶YAG激光介質(zhì)在808 nm附近有三個(gè)吸收峰，其中808 nm處的吸收系數(shù)最大，其吸收寬度約為1 nm，而LD激光波長(zhǎng)在810 nm處有較窄的譜線(xiàn)寬度，與Nd3+∶YAG正好匹配；但是LD光譜隨溫度和注入電流變化非常靈敏，為保證光譜匹配，可設(shè)置調(diào)整LD光譜溫度的控制裝置。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的搭建

整套LD側(cè)面泵浦全固體激光器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由三大部分組成：光學(xué)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電源部分還有水冷系統(tǒng)部分。

光學(xué)系統(tǒng)中的光學(xué)諧振腔是激光器基本組成部分之一，用來(lái)加強(qiáng)輸出激光的亮度，調(diào)節(jié)與選定激光波長(zhǎng)還有方向的裝置。全反鏡鍍1064 nm高反膜，輸出鏡鍍1064 nm反射率為80%、透過(guò)率為20%的膜。平面平行腔可看成是由R1=R2=∞的大曲率半徑鏡構(gòu)成的特殊腔型，它很好的利用激活材料的體積，要求在固定體積范圍內(nèi)使腔長(zhǎng)盡量長(zhǎng)。全反射鏡尺寸與輸出鏡尺寸為φ20 mm×5 mm。激光棒長(zhǎng)度l2為65 mm，l1=160 mm；l3=100 mm；工作物質(zhì)折射率n為1.82。則總腔長(zhǎng)l= l1+l3+l3×n≈378.3 mm。

LD模塊的選擇，在選擇激光器的工作物質(zhì)時(shí)一般要考慮以下五方面：工作譜線(xiàn)，能得到所要求的輸出波長(zhǎng)；吸收特性，一方面和激光二極管的輸出譜線(xiàn)相匹配，另一方面要有較小的熱吸收系數(shù)，以便實(shí)現(xiàn)較高的能量轉(zhuǎn)化效率；導(dǎo)熱系數(shù)還有熱傳遞系數(shù)，二者越大越能夠迅速轉(zhuǎn)移晶體中的熱量；熱不敏感性要好，折射率等晶體系數(shù)隨溫度的變化要?。粰C(jī)械性能合乎要求，形變系數(shù)小，強(qiáng)度大。耦合技術(shù)與散熱技術(shù)的選擇也以激光晶體為出發(fā)點(diǎn)的。

LD側(cè)泵固體激光器需要LD連續(xù)的運(yùn)轉(zhuǎn)，因此需要一個(gè)能提供合適電壓和電流的低壓直流電源。但為達(dá)到激光二極管高效可靠的運(yùn)轉(zhuǎn)，僅有電源是不夠的。激光二極管的串聯(lián)電阻值很低，因此，為了有效的轉(zhuǎn)換能量，必須將電源的內(nèi)電阻降到最低。其次，激光二極管受到電損傷的概率較高，所以過(guò)電壓、反向偏壓和電流保護(hù)都是電源設(shè)計(jì)中很關(guān)鍵的因素。本套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用GT OPTICS的GTDC2020S型驅(qū)動(dòng)電源。輸入電壓是220 V±20%，輸出電壓是0～20V，輸出電流是0～20 A。

由于LD的輸出功率還有退化機(jī)理和溫度密切相關(guān)，對(duì)半導(dǎo)體激光器，特別是連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的LD，必須采用制冷措施與溫度控制，使它能夠在恒定溫度下工作，以保證激光器工作的穩(wěn)定性。

本套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所采用的LD模塊要求工作水溫為20 ℃，因此實(shí)驗(yàn)時(shí)將水溫設(shè)置在20 ℃，溫差目前定為1 ℃（溫差設(shè)置不應(yīng)太小，以免壓縮機(jī)啟動(dòng)過(guò)于頻繁，會(huì)造成故障），水的實(shí)際溫度在溫差范圍內(nèi)變化。開(kāi)機(jī)5 s后水泵開(kāi)始運(yùn)行，壓縮機(jī)延時(shí)20 s后運(yùn)行，主機(jī)運(yùn)行指示燈由閃亮轉(zhuǎn)變?yōu)楹懔?。除了出現(xiàn)故障外，壓縮機(jī)與水泵不停運(yùn)行。注意：冷水機(jī)有報(bào)警功能，當(dāng)溫度代碼顯示窗顯示E03報(bào)警時(shí)，需按開(kāi)/關(guān)鍵將其關(guān)閉，重新接電后恢復(fù)正常狀態(tài)。endprint

激光水冷機(jī)是采用深圳東露陽(yáng)公司的PH-LW16～72型。它的水溫設(shè)定范圍是5～25 ℃，水溫最小波動(dòng)范圍為±0.5 ℃，水泵功率為550 W，使用電源為220 V/50 Hz。

2.2 裝調(diào)及選模實(shí)驗(yàn)

2.2.1 平-平腔做裝調(diào)實(shí)驗(yàn)

接通總電源，按下冷水機(jī)開(kāi)關(guān)，5 s左右的延時(shí)后水冷系統(tǒng)開(kāi)始工作。30 s左右的延時(shí)后冷水機(jī)引出的插座開(kāi)始給LD模塊電源供電。啟動(dòng)LD模塊電源ON和工作開(kāi)關(guān)START，逐漸增大電流至9.0 A左右，電流要控制在18 A以下（關(guān)閉時(shí)反向進(jìn)行），微微調(diào)整全反鏡和輸出鏡至有光產(chǎn)生。

觀察到激光輸出后，逐漸減小注入電流到產(chǎn)生激光的臨界點(diǎn)，記錄下閾值電流。從閾值電流開(kāi)始逐漸加大電流，記錄輸入的電壓，同時(shí)記錄輸出的功率，根據(jù)η=P輸出/P輸入=P輸出/I*U計(jì)算轉(zhuǎn)換效率，繪制P-I曲線(xiàn)。繪制的P-I曲線(xiàn)如圖1所示。

2.2.2 平-平腔做選模實(shí)驗(yàn)

在LD模塊和輸出鏡之間加小孔光闌，將小孔中心調(diào)整到光軸上，通過(guò)KTP倍頻晶體和擴(kuò)束鏡觀察模式的變化，選擇能量均勻的單橫模，改變電流，測(cè)量輸出功率，并繪制P-I曲線(xiàn)，這里擴(kuò)束鏡將光斑直徑從3 mm擴(kuò)大到9 mm，放大了3倍，因此能夠很清楚的觀察模式。繪制的P-I曲線(xiàn)如圖2所示。

在進(jìn)行裝調(diào)與選模實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：嚴(yán)格按照時(shí)序關(guān)系，保證水路正常循環(huán)后再給LD模塊和聲光盒供電，以免損壞激光棒和聲光晶體；電流應(yīng)控制在18 A以下（靜態(tài)激光閾值電流：7.4 A左右）；當(dāng)冷水機(jī)溫度代碼顯示窗顯示E03報(bào)警時(shí)，馬上關(guān)掉冷水機(jī)，再重新開(kāi)啟；對(duì)閾值電流和P—I關(guān)系的測(cè)量應(yīng)在開(kāi)機(jī)半小時(shí)以后激光器穩(wěn)定工作時(shí)測(cè)量；激光器停止工作后，盡快關(guān)掉冷水機(jī)，以免結(jié)露。

3 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還存在著一些待解決的問(wèn)題。由于諧振腔腔長(zhǎng)、小孔尺寸等因素，實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的模式并不是很好。另外，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也不是很好，經(jīng)過(guò)移動(dòng)后需要重新調(diào)節(jié)光路。所以，以后還要繼續(xù)對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 張玲，楊少辰，李文博.LD側(cè)面泵浦Nd：YAG激光器的熱效應(yīng)研究[J].激光器技術(shù)，2003，33（1）：37-39.

[2] 王衛(wèi)民，高清松，尹湘寧，等.二極管面陣側(cè)泵Nd：YAG雙板條激光器[J].強(qiáng)激光與粒子束，1999（5）：527-530.

[3] 何慧娟，廖嚴(yán).連續(xù)激光二極管泵浦Nd：YVO4激光器的腔內(nèi)倍頻[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，1995（5）：544-547.endprint

激光水冷機(jī)是采用深圳東露陽(yáng)公司的PH-LW16～72型。它的水溫設(shè)定范圍是5～25 ℃，水溫最小波動(dòng)范圍為±0.5 ℃，水泵功率為550 W，使用電源為220 V/50 Hz。

2.2 裝調(diào)及選模實(shí)驗(yàn)

2.2.1 平-平腔做裝調(diào)實(shí)驗(yàn)

接通總電源，按下冷水機(jī)開(kāi)關(guān)，5 s左右的延時(shí)后水冷系統(tǒng)開(kāi)始工作。30 s左右的延時(shí)后冷水機(jī)引出的插座開(kāi)始給LD模塊電源供電。啟動(dòng)LD模塊電源ON和工作開(kāi)關(guān)START，逐漸增大電流至9.0 A左右，電流要控制在18 A以下（關(guān)閉時(shí)反向進(jìn)行），微微調(diào)整全反鏡和輸出鏡至有光產(chǎn)生。

觀察到激光輸出后，逐漸減小注入電流到產(chǎn)生激光的臨界點(diǎn)，記錄下閾值電流。從閾值電流開(kāi)始逐漸加大電流，記錄輸入的電壓，同時(shí)記錄輸出的功率，根據(jù)η=P輸出/P輸入=P輸出/I*U計(jì)算轉(zhuǎn)換效率，繪制P-I曲線(xiàn)。繪制的P-I曲線(xiàn)如圖1所示。

2.2.2 平-平腔做選模實(shí)驗(yàn)

在LD模塊和輸出鏡之間加小孔光闌，將小孔中心調(diào)整到光軸上，通過(guò)KTP倍頻晶體和擴(kuò)束鏡觀察模式的變化，選擇能量均勻的單橫模，改變電流，測(cè)量輸出功率，并繪制P-I曲線(xiàn)，這里擴(kuò)束鏡將光斑直徑從3 mm擴(kuò)大到9 mm，放大了3倍，因此能夠很清楚的觀察模式。繪制的P-I曲線(xiàn)如圖2所示。

在進(jìn)行裝調(diào)與選模實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：嚴(yán)格按照時(shí)序關(guān)系，保證水路正常循環(huán)后再給LD模塊和聲光盒供電，以免損壞激光棒和聲光晶體；電流應(yīng)控制在18 A以下（靜態(tài)激光閾值電流：7.4 A左右）；當(dāng)冷水機(jī)溫度代碼顯示窗顯示E03報(bào)警時(shí)，馬上關(guān)掉冷水機(jī)，再重新開(kāi)啟；對(duì)閾值電流和P—I關(guān)系的測(cè)量應(yīng)在開(kāi)機(jī)半小時(shí)以后激光器穩(wěn)定工作時(shí)測(cè)量；激光器停止工作后，盡快關(guān)掉冷水機(jī)，以免結(jié)露。

3 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還存在著一些待解決的問(wèn)題。由于諧振腔腔長(zhǎng)、小孔尺寸等因素，實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的模式并不是很好。另外，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也不是很好，經(jīng)過(guò)移動(dòng)后需要重新調(diào)節(jié)光路。所以，以后還要繼續(xù)對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 張玲，楊少辰，李文博.LD側(cè)面泵浦Nd：YAG激光器的熱效應(yīng)研究[J].激光器技術(shù)，2003，33（1）：37-39.

[2] 王衛(wèi)民，高清松，尹湘寧，等.二極管面陣側(cè)泵Nd：YAG雙板條激光器[J].強(qiáng)激光與粒子束，1999（5）：527-530.

[3] 何慧娟，廖嚴(yán).連續(xù)激光二極管泵浦Nd：YVO4激光器的腔內(nèi)倍頻[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，1995（5）：544-547.endprint

激光水冷機(jī)是采用深圳東露陽(yáng)公司的PH-LW16～72型。它的水溫設(shè)定范圍是5～25 ℃，水溫最小波動(dòng)范圍為±0.5 ℃，水泵功率為550 W，使用電源為220 V/50 Hz。

2.2 裝調(diào)及選模實(shí)驗(yàn)

2.2.1 平-平腔做裝調(diào)實(shí)驗(yàn)

接通總電源，按下冷水機(jī)開(kāi)關(guān)，5 s左右的延時(shí)后水冷系統(tǒng)開(kāi)始工作。30 s左右的延時(shí)后冷水機(jī)引出的插座開(kāi)始給LD模塊電源供電。啟動(dòng)LD模塊電源ON和工作開(kāi)關(guān)START，逐漸增大電流至9.0 A左右，電流要控制在18 A以下（關(guān)閉時(shí)反向進(jìn)行），微微調(diào)整全反鏡和輸出鏡至有光產(chǎn)生。

觀察到激光輸出后，逐漸減小注入電流到產(chǎn)生激光的臨界點(diǎn)，記錄下閾值電流。從閾值電流開(kāi)始逐漸加大電流，記錄輸入的電壓，同時(shí)記錄輸出的功率，根據(jù)η=P輸出/P輸入=P輸出/I*U計(jì)算轉(zhuǎn)換效率，繪制P-I曲線(xiàn)。繪制的P-I曲線(xiàn)如圖1所示。

2.2.2 平-平腔做選模實(shí)驗(yàn)

在LD模塊和輸出鏡之間加小孔光闌，將小孔中心調(diào)整到光軸上，通過(guò)KTP倍頻晶體和擴(kuò)束鏡觀察模式的變化，選擇能量均勻的單橫模，改變電流，測(cè)量輸出功率，并繪制P-I曲線(xiàn)，這里擴(kuò)束鏡將光斑直徑從3 mm擴(kuò)大到9 mm，放大了3倍，因此能夠很清楚的觀察模式。繪制的P-I曲線(xiàn)如圖2所示。

在進(jìn)行裝調(diào)與選模實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：嚴(yán)格按照時(shí)序關(guān)系，保證水路正常循環(huán)后再給LD模塊和聲光盒供電，以免損壞激光棒和聲光晶體；電流應(yīng)控制在18 A以下（靜態(tài)激光閾值電流：7.4 A左右）；當(dāng)冷水機(jī)溫度代碼顯示窗顯示E03報(bào)警時(shí)，馬上關(guān)掉冷水機(jī)，再重新開(kāi)啟；對(duì)閾值電流和P—I關(guān)系的測(cè)量應(yīng)在開(kāi)機(jī)半小時(shí)以后激光器穩(wěn)定工作時(shí)測(cè)量；激光器停止工作后，盡快關(guān)掉冷水機(jī)，以免結(jié)露。

3 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還存在著一些待解決的問(wèn)題。由于諧振腔腔長(zhǎng)、小孔尺寸等因素，實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的模式并不是很好。另外，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也不是很好，經(jīng)過(guò)移動(dòng)后需要重新調(diào)節(jié)光路。所以，以后還要繼續(xù)對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 張玲，楊少辰，李文博.LD側(cè)面泵浦Nd：YAG激光器的熱效應(yīng)研究[J].激光器技術(shù)，2003，33（1）：37-39.

[2] 王衛(wèi)民，高清松，尹湘寧，等.二極管面陣側(cè)泵Nd：YAG雙板條激光器[J].強(qiáng)激光與粒子束，1999（5）：527-530.

[3] 何慧娟，廖嚴(yán).連續(xù)激光二極管泵浦Nd：YVO4激光器的腔內(nèi)倍頻[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，1995（5）：544-547.endprint