（光学工程专业论文）ld泵浦全固态调q激光特性及脉宽控制的理论与实验研究.pdf

山东大学硕士学位论文 4 符号说明 平均光了数密度 激活介质处的光子数密度 g 啦s 饱和吸收体处的光予数密度 声光晶体处的光子数密度 基横模的平均半径 基横模在激活介质处的半径 基横模在g a a s 饱和吸收体处的半径 基横模在声光晶体处的半径 泵浦光在激活介质中的平均半径 激活介质的长度 g a a s 饱和吸收体的厚度 声光晶体的长度 激活介质的折射率 g a a s 饱和吸收体的折射率 声光晶体的折射率 描述泵浦光空间分布的归一化函数 激活介质中的反转粒子数密度 g a a se l 2 深陷能级上的总粒子数密度 g a a s 带正电的e l 2 + 能级上的粒予数密度 g a a s 带正电的e l 2 + 能级上的初始粒子数密度 激活介质的受激发射截面 g a a s 饱和吸收体e l 2 0 能级的吸收截面； g a a s 饱和吸收体e l 2 + 能级的吸收截面； 激活介质的受激辐射寿命 激活介质对泵浦光的吸收系数， g a a s 饱和吸收体的双光子吸收系数 力力埘力 力。 力 炽觚撕舭喙唧，傩i咖蚍协盹矿 盯c b 矿 ， 口 山东大学硕士学位论文 g a a s 饱和吸收体的小信号透过率 输出耦合镜的反射率 谐振腔的损耗 声光q 开关的衍射损耗 声光q 开关的关断时间 光在谐振腔中往返一周的时间 谐振腔的物理长度 谐振腔的光学长度 泵浦功率 单位体积内的泵浦速率 泵浦光的单光子能量 基频光的单光予能量 脉冲的峰值功率 单脉冲能量 r 工 蠡 如知厶厶靠椰枷 p 层 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：益丝丝差日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 论 山东大学硕士学位论文 摘要 激光二极管( l d ) 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。 本论文采用光纤耦合输出的激光二极管作泵浦源，用n d ：y v 0 4 晶体作激光 工作物质，分剐研究了饱和吸收体g a a s 被动调q 和声光主动调q 激光特性和 脉宽控制特性。同时，运用速率方程对以上调q 激光的运转特性进行了理论分 析。论文的主要研究工作包括： i 采用l d 泵浦，实现了n d ：y v 0 4 声光主动调q 1 0 6 岬激光运转。研究了 l d 泵浦n d ：y v 0 4 声光调q 激光的脉宽控制。实验结果表明，通过改变声光调 制器在激光腔内的位置以及泵浦光在激活介质内的分布，可以有效的控制脉冲宽 度，并且随着重复频率的提高，脉宽可调范围增大。根据a b c d 矩阵传输理论， 考虑泵浦光强和腔内振荡光强的空间高斯分布 给出了u d 泵浦n d ：y v 0 4 声光 调q 激光的耦合速率方程组，理论计算与实验结果相符。 l i 实现了l d 泵浦n d ：y v 0 4 晶体、g a a s 被动调q 1 0 6 岬激光运转，研究 了g a a s 被动调q 激光的脉宽控制特性。结果表明，改变g a a s 饱和吸收体在激 光腔内的位置及泵浦光束腰在激活介质中的位置能有效地控制脉宽；在理论分析 中，考虑激活介质的薄透镜效应，利用a b c d 矩阵理论，给出了振荡光光斑半 径随泵浦功率、泵浦光半径以及在激光腔内不同位置的变化关系，运用速率方程 新模型直接获得了脉宽与振荡光和泵浦光光斑大小之间的关系，理论计算与实验 结果相符。 关键词：饱和吸收体g a a s ，声光调q ，脉宽控制，高斯分布，速牢方程模型 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t l 嬲e 卜d i o d e ( l d ) p u m p e ds o l i d s t a _ t ei a s e rh 嬲w i d ea p p l c a t i o n si nt l i e f i e l d s s u c h 猫i a s e rt e l e 。o m m u n i c a t i 0 i l ，r e m o t e - s e n s i n gd e t c c t i o n ，i n d u s “ya n dm i l i t a 叮嬲 w e l l 鹊h e a l t hd u et oi t sa d v a n t a g e ss u c ha sa l ls o l i ds t a t e ，h i g i lp u m pe 所c i e n c y s m a i l v o l u m ea n dl o n gl o n g e v i 劬锄“嬲b e e np a i dm u c ha u e n t i o no n i n t h i sd i s t i o n ，b yu s i n gt h e 矗b e r _ 伽叩l c dl a s e 州i o d e 鸽t 王i ep u m p u 鸸 n d ：y v 0 4c r y s t a la st l l eg a i nm e d i 啪，、eh a v es t i i d i e dt h ep e r f o 订i l 绷c eo ft h eo u t p u t l a s e r 锄dt 1 1 ep u l s ew i d t hc o n t r o i i nt h ew i t ha c o 惦帅州c ( s w i t c h 锄dg a a s 翰t i l r a b l e a b s o r b e r s ，瑚p e c t i v e i y m 踟w h 钉e ，l 卫l ec o u p l i n gw a v er a t ec q t i o n sa r eg i v e nc o t h e o r e t i c a l l y 矾a i y z et h ep r o p e 币e so ft h ea b o v e m e n t i o n e dq - s w 硫h e dl a s e r s t h e m a nc o n t e n t so f t h j sd i s s e ：a t j o ni n c l u d e ： i b yu s i n gl 瓣埘i o d e 私p u m p i n gs o u r c e ，aa c o u 咖叩t i cq s w i t c h e dn d ：y v 0 4 l 踟i sr e a l i z e d d i f f b r e n tt e c h n i q u e st oc o n t r o it h ep u i w i d t ho fa na c o u s t o o p t i c q - s w i t c h e dn d ：y v 0 4i a s e rh a v eb nn f s l ys t u d i e d 1 ti ss h o w nt h a tv a r y i n gt h e p o s i t i o n so ft h ea c o u s t o 0 p t i cq s w i t c h e di nt h el a s e ra x i sa i l dt h ep u m pb e a mw a i s t i nt h eg a i nm e d i u mp r o v i d e sa ne f f i c i 朋tm e 觚st oc o n t r o lt h ep u l s ew i d t h a 翰t e e q u a t i i si n 删u c e d ，i nw h i c ht i l ei n t m c a v i t yp h o l o nd e n s 毋i sa s s u m e dt ob e g a u s s i a n s p a t i a id i s t r i b u t i a t h ee x p e r i m e n t a lr e 鲫l 协a c o n s i s t e n tw i mt h e n u m e r i c a lc a i c u l a t i o n so f m er a l ce q u a ：【i o n i i d i 脑懈l tt e c h n i q u e st oc 伽t r o lt h ep u l s ew i d t ho f 舯l d - p 啪p e dp 嬲s i v e l y q - s w k h e dn d ：y v 0 4l a rw i t hg a a s 鞠t i i m b l ea b r b e rh a v eb 嘲s t u d i e d i ti s s h o w nt h a tv a d r i n gt h ep o s i t i 伽so ft h e 鼢m m b j ea b s o f b e fi nt i l el a s e ra x i s 粕dm e p u m pb e ；枷w a i s ti nt h eg a i nm e d i u mp m v i d e s 锄e f f i c i 蛐tm 啪s t oc o n t r o lt l l ep u i w i d t h 1 nt h et h e o 吼i c a ic a l c u l a t i ，b yc o n s i d 耐n gt h et h 伽l a l l e n se 仃b c to f t l i eg a i n m e d i u ma n du s i n gt h ea b c dm a 埘xt 量l e o r y w eg i v et h ed e p e n d e n c e so f 咖ej a s 盯 2 山东大学硕士学位论文 k 埴mr a d i io nt h ep u m pp o w e r ，t h ep u m pb e 铘nm d i u s 锄dm ed i f f b f e n tp o s i t i o n si n t h el a rc a v i t y a n dt 1 1 蛐，b yu s i n gt h e 船t e - e q u a t i o nm o d e l ，w e d i 佗c t l yo b t a i nt h e d e p e n d e i l c e so f t l l ep u i w i d t ho nt h ep u m pp 0 惯锄dt i l ep u m pb e 枷r a d i i t h c n u m e r i c a l l u t i o n so f t h e 。q u a t i o n sa g r e ew t ht h ee x p c r j m e n t a lr e s u l t s k e y - d r d s ：g a a ss a t u m b l ea b s o r b e 略，a o o 吣t o 叫叫cq s 、v i t c h e d ，p u l s ew i d t hc o n 仃o l ， g 瓢娼s i 狮s 婵6 a ld i s t r b 嘶o n ，她e q u a t i o nm o d e l 3 山东大学硕士学位论文 第一章前言 半导体泵浦的固体激光器诞生于二十世纪六十年代。早在1 9 6 2 年世界上第 一支g a a s 激光二极管( l 船e rd i o d e l d ) 问世后不久，美国m i t 实验室的k e y c s 等人就将它用作固体激光器的泵浦源并实现了准连续激光输出l l l 。但由于当时半 导体激光器输出功率小、使用寿命短等缺点，一直没有得到大规模使用。直到上 世纪八十年代，半导体激光器制造工艺的飞速发展使得半导体激光器的输出功率 和使用寿命等参数都得到了很大的提高，加上半导体激光器自身发射线宽窄、光 谱可调谐范围宽等优点，使其非常适合作为固体激光器的泵浦源。随着固体材料 的革命性发展，半导体泵浦的固体激光器得到迅猛发展。进入九十年代以来，半 导体泵浦固体激光器的理论和实验研究取得了重要进展。半导体泵浦固体激光器 模式的最佳化分析为激光器的最佳化参数选择提供了重要依据【2 4 ，固体激光器 热效应模型及热焦距测量方法的提出为实现谐振腔的优化设计提供了参考 5 。， 泵浦光耦合技术的提高及固体激光介质冷却问题的解决也为固体激光器的泵浦 效率、输出功率、光束质量的提高提供了可能。目前，半导体泵浦的全固态激光 器( d i o d e p u m p e ds o i i d s t a t el 嬲盯- d p s s l ) 由于结构简单、转化效率高、热效应 小、稳定性高、寿命长、光束质量高、工作介质覆盖的波段范围广及运转方式多 样化等优势，外加上与非线性光学变频技术相结合，可以实现多种波长运转，使 其在空间通讯、光显示、光瓦联、光信息处理、激光加工、激光医疗和军事武器 装备等领域均有广泛的应用前景，从而使半导体泵浦的全固态激光器成为当前激 光器行业的主流。 1 1 激光二极管泵浦的激光工作物质 固体激光材料的革命性发展有力地推动了半导体泵浦的固体激光器的迅速 发展。目前应用最为广泛的固体激光增益介质是搀杂了激活粒子的玻璃或晶体。 由于玻璃增益介质的自身缺陷比较严重，造成激光器阈值较高，而且玻璃的散热 性较差，因此人们多以激光晶体作为增益介质。在各式各样的激光晶体中，又以 搀杂n d 3 + 离子的晶体应用最为广泛。目前应用较广的有n d ：y a g 、n d ：y v 0 4 、 6 山东大学硕士学位论文 n d ：g d v 0 4 、n d ：y x g d l - x v 0 4 、n d ：y l f 、n d ：y a p 和n d ：s v a p 等激光晶体。 n d ：y a g 是研究最成熟的激光材料，目前广泛应用于闪光灯泵浦和半导体泵 浦的y a g 激光器。其优点在于y a g 基质很硬、光学质量好、热导率高，此外 y a g 的立方结构有利于形成窄的荧光线宽，使激光器高增益和低闽值工作，是 适合半导体泵浦的理想固体材料之一。 n d ：y v 0 4 晶体属于四方晶系，锆英石结构，单轴晶体。n d ：y v 0 4 晶体中激 活离予位置具有低的点群对称性，离子振荡强度大。y v 0 4 基质对n d 离子有敏 化作用，提高了它的吸收能力。在a 轴切割时，其兀偏振( e c ) 和。偏振( e 上c ) 的光谱特性具有明显差异，其最强吸收和最强辐射都发生在兀偏振取向，有利于 腔内倍频效率的提高。n d ：y v 0 4 晶体可以允许比传统的n d ：y a g 晶体掺入更多 的n d ”离子而不发牛浓度猝灭效应，而且与n d ：y a g 晶体相比，n d ：y v 0 4 晶体 具有更大的吸收系数和受激发射截面以及大的吸收带宽珏。6 】，因此特别适合作半 导体泵浦固体激光器的增益介质。近年来，人们已经对n d ：y v 0 4 激光器及其倍 频激光特性进行了广泛的研究【1 m 。 表1 11 o a t n d ：y v 0 4 晶体参数 1 2 调q 技术 早在1 9 6 0 年第一台红宝石激光问世不久，1 9 6 1 年就有人提出了调q 概念。 7 山东大学硕士学位论文 调q 就是调节激光器的q 值，即在激光器泵浦的初期，把谐振腔的q 值调得很 小，使激光器暂时不满足振荡条件，在泵浦功率的激励下，获得很高的反转粒子 数密度，这时再迅速调大谐振腔的q 值，此时反转粒子数密度远大于阈值反转 粒子数密度，激光振荡迅速建立起来，达到很高的峰值功率，同时，反转粒了数 迅速被耗尽，脉冲很快结束，这样就获得具有窄脉冲宽度和大峰值功率的巨脉冲。 1 9 6 2 年，第一台调q 激光器被制成，其输出峰值功率为6 0 0 千瓦，脉冲宽度为 l o o i l s 量级。随后的几年，调q 技术发展得很快，出现了多种调q 方法( 如电光 调q 、声光调q 、可饱和吸收调q 等) ，输出功率几乎呈直线上升，脉宽压缩也 取得了很大进展。到了8 0 年代，调q 技术产生脉宽为纳秒( n s ) 量级，峰值功率 为千兆瓦( g w ) 量级的巨脉冲已并非困难。调q 技术的出现是激光发展史上的一 个重大突破，它不仅大大推动了在工业和医疗卫生领域大量存在的激光加工和激 光医疗等应用技术的发展，而且成为科学研究的有力工具。 目前调q 技术的种类已经非常繁多，按照控制方式来分，可分为被动调q 和主动调q 两大类： 1 2 1 被动调q 根据某些物质对入射光有强烈的非线性吸收效应而制成的可饱和吸收体，将 其作为损耗片来调节激光谐振腔q 值的开关技术。饱和吸收体有着低成本、体 积小、操作方便等优点被广泛用来产生纳秒量级、高重复率的脉冲串。甘前主要 有染料调q 、色心晶体调q 、c r ：y a g 饱和吸收体调q 和半导体材料o a a s 调q 等。 虽然被动调q 有着上述的很多优点，但其脉冲重复率不可控，随着泵浦能 量的变化而有较大的波动，而且输出单脉冲能量一般为j 量级，无法满足对重 复率有精确要求且需要高峰值输出功率的场合。这时就要采用毛动调q 方式代 替被动调q 以弥补被动调q 的不足。 1 2 2 主动调q 谐振腔内损耗的改变完全由外部驱动源控制，与腔内激光的强弱和泵浦能量 的大小无关。常用的主动调q 技术包括机械调q 技术、声光调q 技术和电光调 8 山东大学硕士学位论文 q 技术等。 1 2 2 1 机械调q 技术 第一台机械q 开关是由开有一个通光孔的旋转叠片构成阱】，这种方法不久 就被抛弃，取而代之的是开关频率比旋转叠片法更高的转镜或旋转棱镜【2 3 】。有一 种机械调q 方式将谐振腔的反射镜安装在以机械谐振频率驱动的扭曲棒的一端 阱】，利用反射镜的瞬时移动就可以改变谐振腔的q 值。还有一种技术是由两个 平板法布里珀罗谐振腔替代激光谐振腔的输出镜，用压电换能器调解两板之间 的距离，就能使器件的透射峰值转变为反射峰值口5 1 以实现腔内损耗的改变。另一 种技术利用的是受抑制的全内反射瞄】，利用压电换能器改变屋脊棱镜和第二个棱 镜之间的距离，如果两个棱镜都处于屋脊棱镜表面反射出的一个波长的范围内， 就将抑制全内反射，因而屋脊棱镜的入射光被透射而不是被反射，这样就实现了 激光的输出。 在所有的机械调q 开关中，最常用的是转镜q 开关。基本结构为电机驱动 的镜面或者棱镜，利用电机的高速旋转产生谐振腔损耗的周期性变化，当镜面或 棱镜旋转到与另一端镜面或棱镜平行时实现激光输出。转镜q 开关结构较为简 单，成本也不高，它们对偏振不灵敏，因而对双折射效应不灵敏，所以在一定条 件下，机械q 开关激光输出的能量大于电光q 开关激光器的输出能量。但是机 械q 开关通过机械振动实现调q 运转，调q 重复率较低，并且受到发射多脉冲 趋向的影响，噪卢也大，其轴承的寿命较短，所以需要经常维修。 1 2 2 2 声光调q 技术 声光调q 技术的基础理论为电声转换和声光效应。当超声波入射到一块通 常为熔融石英的透明光学材料时，材料的弹光效应将超声波的调制应变场耦合到 光学折射率上【2 甜，实现折射牢的周期性变化，这时材料就相当于光学相位光 栅，光栅周期与声波的波长相一致。入射到光学材料上的光被光栅衍射，部分透 射光偏离原传播方向，实现谐振腔的高损，激光晶体在此期间不断积累能量；当 超声波逝去时，谐振腔重新变为低损，产生激光输出。选择适当的参量，就能使 衍射光束较大程度地偏离出激光谐振腔，从而产生较佳的声光调q 效果。 现在声光调q 开关已经完全商用化，调q 重复率可达到几十k h z 甚至上百 k h z ，不过声光开关利用光线偏折原理不可能把入射光完全阻挡住，因而单程消 9 山东大学硕士学位论文 光比很低，一般小于1 0 ，所以声光开关不能运用在高增益大功率激光器中。 1 2 2 3 电光调q 技术 利用晶体或液体的电光效应，可以设计出调制速率非常快的电控光闸又称电 光开关。这种光闸的关键部件是电光元件，它受到外电场作用时具有双折射特性， 双折射以两个正交方向即所谓的“快”，“慢”轴向表征，这两个轴向具有不同的 折射率。光束在入射到晶体通光表面时与这些轴成4 5 。夹角，并垂直于“快”慢” 轴构成的平面，光在晶体中传播时分解成方向相同但速度不同的两正交分量。正 是因为光在“快”轴和“慢”轴方向偏振所对应折射率的不同，才使得光通过晶 体后两正交分量之间产生相位差。相位差的产生把原来在平面内振动的线偏振光 变成在空间内振动的椭圆偏振光，当然根据所加电压的大小不同会合成不同形状 的偏振光，如圆偏振光或线偏振光。对于q 开关运转，只有引起 “和x ，2 延 迟的两种特殊电压才是所感兴趣的，在x 4 延迟时，入射的线偏振光通过电光盒 之后变成圆偏振光；在九2 延迟时，输出光束是线偏振的，但是偏振面旋转了 9 0 。在电光晶体的后端放置检偏器以实现对光的通断控制，当通过晶体后的合 成光偏振方向与检偏器的透振方向垂直时，光线被阻挡，谐振腔呈高损状态；反 之，当平行时，光线完全通过，产牛激光振荡。 常用电光开关利用晶体的p o c k e t 电光效应【3 3 】又称线性电光效应，即在外加 电场作用下，通过线性电光效应改变晶体的折射率，以此调节谐振腔内的q 值。 也有利用k e r r 电光效应即二阶电光效应做成电光开关，这种开关的材料通常为 液态电光晶体。电光开关的主要特点是发生“开关动作”的驰豫时间很短并且消 光比很高，用这种开关做成的调q 激光器可获得脉冲宽度极窄，峰值功率极高， 输出频率稳定的巨脉冲。传统电光开关( l n 、d k d p 等) 的工作重复率很低，一般 低于l k h z ，很难满足耳前科研中对高重复率脉冲串的要求。近年来，新型的电 光晶体( b b o 、k t p 、r t p 等) 的不断涌现，使获得工作在远大于l k h z 频率范围 的开关的希望不再仅仅是奢望。 1 3 速率方程理论 速率方程是分析调q 激光运转特性的有效理论工具。1 9 6 3 年，a a v u y l s t e k e ( 3 4 】和w g w a 舯e r 【3 5 1 首先给出了描述快速调q 机理的速率方程组，用 1 0 山东大学硕士学位论文 两个方程分别描述腔内光予数密度和激活介质反转粒子数密度随时间的变化。之 后，a s 砑b o 等人给出了被动调q 激光的速率方程组，用第三个方程来描述饱 和吸收体粒子数密度随时问的变化【3 川。到目前为止，该方程组已被广泛引用和 适当修正【3 2 1 。但在上述这些文献中，速率方程均采用了平面波近似，即假定泵 浦光分布、腔内光予数密度分布及饱和吸收体的恢复都是均匀的。而对于l d 泵 浦的调q 激光，这些假定显然过于简单化，并使对调q 激光输出脉冲特性特别 是脉宽的理论计算值与实验结果偏差较大【4 3 1 。z h 锄g 等在用速率方程研究调q 激光运转特性时，考虑了腔内光子数密度的高斯空间分布，研究表明理论计算值 比平面波近似时更接近实验结果【4 8 1 。但在他们的研究中没有考虑泵浦速率及激 活介质的受激辐射寿命对调q 特性的影响，另外，他们虽然考虑了激光光束在 激活介质和饱和吸收体处由于横截面积的不同而对调q 特性产生的影响，但在 速率方程中只给出了一个平均光子数密度，而没能将光子数密度沿激光谐振腔的 纵向分布直接表示出来。因此欲对l d 泵浦调q 激光进行较为精确的理论分析， 必须将上述因素都要考虑进速率方程中。在本论文给出的描述调q 激光运转特 性的耦合速率方程组中，均考虑了腔内光子数密度的横向和纵向分布以及激活介 质反转粒予数密度、饱和吸收体粒子数密度和泵浦光的空间分布，通过对方程组 的数值模拟，得到了与实验值相符的理论计算结果。 1 4 本文的研究内容 本论文采用光纤耦合输出的激光二极管作泵浦源，用n d ：y v 0 4 晶体作激光 工作物质，分别研究了饱和吸收体g a a s 被动调q 激光和声光主动调q 激光的 脉宽控制特性。理论研究方面，考虑腔内光子数密度、激活介质反转粒了数密度 和泵浦光的空间分布，给出了描述以上调q 激光运转特性的耦合速率方程组， 通过数值模拟，得到了与实验结果相吻合的理论计算结果。 山东大学硕士学位论文 第二章l d 泵浦n d ：y v 0 4 声光调q 激光特性及脉宽控制研究 声光调q 技术是获得高峰值功率和高重复率激光的一种有效手段。闪光灯 泵浦的声光调q 激光器已经广泛应用于激光遥感、测距、雷达、光电对抗、激 光加工、光通讯、医疗及科研领域，采用半导体激光器( l d ) 泵浦的声光调q 激光器可进一步提高器件的效率、稳定性和使用寿命，更可以实现器件的小型化 和实用化。近年来，对于l d 泵浦卢光调q 激光器的报道较多【4 9 。5 4 1 ，对= e 动调q 激光器的理论处理已从平面波近似速率方程组发展到高斯分布近似下速率方程 组i s ”。然而在这些分析声光调q 激光器的方程组中都没有考虑声光开关本身对 调q 脉冲的影响，诸如声光开关的衍射效率、开关时间等。过振等人研究了声 光开关内衍射效率的空间分布并分析了对调q 脉冲特性的影响，对优化声光调q 性能起到了指导作用【瓢5 7 1 。本章将通过理论分析，给出考虑腔内光了数密度横向 和纵向空间高斯分布的卢光调q 速率方程组，利用该模型从理论和实验上研究 了l d 端面泵浦n d ：y v 0 4 晶体声光调q 基频激光特性。 2 1 声光调q 激光特性的理论与实验研究 2 1 1 声光开关时间函数 在以往的声光主动调q 速率方程中，为简化模型把开关考虑为快开关，均 未考虑声光调q 开关的开关时间对调q 性能的影响。然而根据声光开关的工作 原理，当触发电压加到超声介质上使开关打开，并使谐振腔从高损状态变化到低 损状态的过程中是需要一定的时间，即腔内声光开关造成的损耗是有一个缓变过 程，而不是一个瞬时变化。为考虑这个变化过程，z h 柚g 等人利用声光开关损耗 函数来描述【堋， 皖( f ) = 以e ) 中卜( ) 2 】( 2 1 1 ) l ， 其中，吒为声光开光的衍射损耗，岛为声光开关的关断时间。 山东大学硕士学位论文 利用( 2 1 1 ) 式，我们可以得到声光开关损耗在不同的开关关断时间情况下随 时间的变化曲线，如图2 1 所示。从图中可以看出，声光开关的关断时间越短， 声光开关损耗下降越快。当声光开关的关断时间降为0 时，我们可以认为声光开 关为一个快开关。根据速率方程理论，腔内损耗的不同变化必定对调q 脉冲的 性能造成一定的影响。 图2 1 不同开关关断时间情况下开关损耗随时间的变化关系 2 1 2 高斯分布近似下的声光主动调q 速率方程理论 如果激光运行在t e m 0 0 模状态，腔内光子数密度西( ，f ) 可以写为： 俐硼悔p ( 专) 亿 其中，烈o ，f ) 为激光谐振腔纵轴上的光子数密度，表示空间某点到激光谐振腔纵 轴的垂直距离，为时间，为基横模的平均腰斑半径，它丰要由激光谐振腔的 腔型结构决定。 由于谐振腔内振荡的激光光束为高斯光束，因此不能仅仅考虑光了数密度在 谐振腔横截面上的空间分布，还要考虑它沿谐振腔轴线方向的分布。为考虑腔内 光子数密度沿激光谐振腔的纵向分布，需要假定l - 妒，f ) 2 删r 在光束截面上的 积分是恒定的，以保证激光光束在整个调q 过程中呈空间高斯分布由此可以得 到腔内各个位置处的光子数密度分布”1 ： 山东大学硕士学位论文 以扯筹州d 一等) 叫， 其中，弛为基横模在腔内任意位置处的光束半径，其值可根据谐振腔的结构并利 用a b c d 矩阵理论计算得到，烈o ，f ) 为相应位置处谐振腔纵轴中心上的光了数密 度。 对光纤耦合输出的泵浦光，若以有效泵浦光束半径吒代替空间各处的泵浦 光束半径，则泵浦光空间分布0 ( ，z ) 可以写为瞄9 】： ( ) ：三冬e x 卧衄) e x p ( 一兰) ( ，s ) m 口pq i密p = 0 ( ，2 ) ( 2 1 4 ) 假定r ，( ，z ) 沿纵向均匀分布，则有： ，( ，) - f ( 敞 ：堡竺型粤肇型盟 ( 2 1 1 5 ) = ：- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 二- - - 一 ，l 】 嚣毋pq i l 其中，玎= 1 一p 一耐为吸收系数为口的晶体吸收率，仇为泵浦能量的有效吸收率， ，为激光介质的长度。 考虑腔内光予数密度、激活介质反转粒予数密度、泵浦光的空间分布以及声 光开关的关断时间，描述l d 泵浦激光晶体声光毛动调q 激光运转过程的速率方 程可表示为： c 。螋2 月胁 自 出 = f l n ( ， 慨( ，沪刚伽，f ) 一磁，f ) 】+ 品丛笋 2 砌 ( 2 1 6 ) 等盟吨( ，) 一舯，) 州) 一丛笋 ( 2 1 7 ) 其中，政r ，f ) 、如( r ，f ) 和幽( r ，) 分别为腔内平均、增益介质处以及声光晶体处的光 子数密度，疗m 砂是激活介质中的反转粒子数密度，f ，= 2 陋“露，矿+ ( 工。一，一d ) 】c 1 4 山东大学硕士学位论文 是腔内光子往返时间，c 是光速，疗，、抛分别为激光晶体和声光晶体的折射率， ，、j 分别为激光晶体和声光晶体的长度，厶是谐振腔的长度，t 为激活介质的受 激辐射寿命，o 是激活介质的受激发射截面，口为自发辐射立体角，刃，为泵浦光 在晶体中的有效泵浦光束半径，工为腔内损耗，j ( ，) = 气，( ，) ，如= 圪仉加u ， 为泵浦速率，k 为泵浦光功率，口是激活介质的吸收系数，_ 1 1 为泵浦光的光子 能量。 将( 2 1 3 ) 式代入( 2 1 7 ) 式，我们可以得到反转粒子数密度的解析表达式： 时，) 2 e x p 卜；x p ( _ 胁缈】 氐( ，) j e x p 哆+ 贸e x p ( - 等) j ( o ，f ) 出) 班+ 一( ， o ) ( 2 1 8 ) 其中，亿砂为初始反转粒- 了数密度，其空间分布由泵浦决定，对l d 泵浦的调q 激光有： 厅( ，o ) = 厅( o ，o ) 唧( 之，2 疗p 2 ) ( 2 。1 9 ) 一似缈为激光器轴上初始反转粒予数密度，即在q 开关关闭期间激活介质中积累 的反转粒子数密度。在q 开关打开之前，谐振腔中的光予数可以认为是o ，式( 2 1 7 ) 变为： 型竽：毛( ，) 一型 魂 7 ( 2 1 1 0 ) 求解可得到q 开关关闭期间，调制频率为l 的一个周期内激活介质中积累 的反转粒予数密度为： 一( o ，o ) = 置h ( o ) f 1 一e x p ( 一圭) 】 ( 2 1 1 1 ) j 一 将( 2 1 8 ) ，( 2 1 9 ) 和( 2 1 1 1 ) 式代入( 2 1 6 ) 式，可得： 掣= 掣m 吨，y 等e x p ( 一刳州蓦e x p ( 一刳 一工d + 詈半，陆 叫2 ， 山东大学硕士学位论文 方程( 2 1 1 2 ) 即为考虑腔内光强的空间高斯分布及声光开关关断时间时， 声光调q 激光器轴上光子数密度庐( o ，f ) 随时间变化的微分方程。利用激光晶体及 谐振腔参数，数值求解( 2 1 1 2 ) 式我们可以得到光予数密度砂( o ，f ) 随时间t 的变 化规律，并能从理论上得到声光调q 激光器输出脉冲的脉宽。利用d e 印a l l 的方 法，我们可以得到输出脉冲的单脉冲能量e 及峰值功率p ： e = ( 刀砰h 垤4 ) l n ( 1 r ) j - 庐( o t ) d t ( 2 1 1 3 ) p = ( 疵砰h 4 ) l n ( 1 r ) 丸( o ，t ) ( 2 1 1 4 ) 其中，r 为输出镜反射率，h ，为输出的单光子能量，妒m ( o ，t ) 为妒( o ，1 ) 的峰值。利 用上述理论模型，可以用来理论分析l d 泵浦的声光主动调q 激光的性能。在下 面的章节中，我们将对这一模型进行实验验证。 利用表2 1n d ：y v 0 4 晶体参数、表2 1 声光晶体及激光器谐振腔参数，数值 求解( 2 1 1 2 ) ( 2 1 1 4 ) 式，可以从理论上得到l d 泵浦n d ：y v 0 4 晶体声光调 q 1 0 6 岬激光的脉冲宽度、单脉冲能量及峰值功率，分别如图2 4 、图2 5 和图 2 6 中的实线所示。从图2 4 到2 6 的实线可以看出，理论计算值与实验结果相符， 验证了高斯分布近似下的声光调q 速率方程理论。图2 7 ( a ) 中的虚线为3 4 w 泵 浦功率、调q 重复率为4 0 k h z 时的理论计算脉冲波形。 表2 1l d 泵浦n d ：y v 0 4 晶体声光调q 激光器参数值 1 6 山东大学硕士学位论文 2 1 3 声光调q 激光特性的实验研究 在某些应用中，如高速扫描的材料加工，具有高重复频率、高峰值功率和短 脉宽的激光脉冲是非常有用的。象n d ：y a g 和n d ：y l f 一样激光上能级寿命很长 的激光材料，虽然有利于存储能量和获得高能量单脉冲，但是在重复频率较高的 情况下，脉冲宽度将会变得特别长嘲】。然而对于n d ：y v 0 4 晶体，它的受激发射 截面比较大，激光上能级寿命比较短，所以非常适合于产生高重复频率、高峰值 功率和短脉宽的激光脉冲。在过去的几年中，人们己对l d 泵浦的n d ：y v 0 4 晶 体激光器，特别是调q 激光器进行了一定的研究【6 l 彤】。 在本节中，我们在平凹腔中利用半导体激光器单端泵浦n d y v 0 4 ，采用声 光调q 获得了高重复频率和短脉宽的1 0 6 u m 激光脉冲。 2 1 3 1 实验装置 实验采用平凹腔结构如图2 2 所示，谐振腔的腔长为l l c m 。泵浦源激光器 选用带光纤耦合的半导体激光器( f a p is y s t e mc o h e r e n ti n c u s a ) ，光纤芯径 为8 0 0 岬，数值孔径n a 为0 2 2 ，光学系统传输比为1 8 ：l ，经聚焦系统后泵浦 光光斑半径2 2 0 n ，远场半角是1 8 0 ，最高输出功率1 6 w ，2 2 时的中心波长 8 0 7 5 n m 。腔镜m l 是曲率半径1 5 0 m m 的凹面镜，一端镀8 0 8 n m 增透膜，另一端 镀8 0 8 n m 高透、1 0 6 4 n m 高反的双色介质膜，作为谐振腔的后反镜；激光工作物 质分别为4 4 5 m m 3 、掺杂浓度为1 0 a t 、沿口方向切割的n d ：y v 0 4 晶体。 两激光晶体均一端镀8 0 8 n m 和1 0 6 4 n m 增透膜，另一端镀1 0 6 4 m 高透膜，以减 少谐振腔的损耗。n d ：y v 0 4 晶体用铟箔包紧置于紫铜块中通过水循环和温控半 导体致冷片致冷，温度控制在2 0 。平面镜m 2 作为谐振腔的输出镜，镀1 0 “n m 透过率分别为l o 和1 5 的部分反射膜。声光器件为中国电子科技第二十六研 究所生产的q s g s u 6 q 型声光调q 开关，作用长度为2 4 m m ，两端镀l o “n m 增透膜，衍射损耗为8 5 ，调制重复频率在l k h z - 4 0 k h z 可调，由中心频率为 7 0 m h z 、电功率为2 3 w 驱动电源驱动，电脉冲上升时间为8 n s ，下降时间为1 4 n s ， 靠近n d ：y v 0 4 晶体放置。激光输出功率采用l p e 1 b 型激光功率计测量，用快 速光电二极管( 响应时间小于i n s ) 和5 0 0 m h z 数字存储示波器t d s 6 2 0 b ( t e l ( t r o n i xi n c u s a ) 测量输出调q 脉冲信号。 1 7 山东大学硕士学位论文 m lm 2 f i b 小u p i e df o 哪i n g嘶c r y s a i k i s e i o d e o p t i c s 2 1 3 2 实验结果 图2 2 l d 泵浦的声光调q 实验装置图 实验中测量了调q 运转的平均输出功率、重复率和脉冲宽度随泵浦功率的 变化关系。利用测得的平均功率、重复率和脉冲宽度可以计算得到单脉冲能量和 脉冲峰值功率。图2 3 和图2 4 中的点分别表示了l d 泵浦n d ：y v 0 4 晶体声光调 q 激光在不同重复率下的平均输出功率、脉冲宽度与泵浦功率的关系。 1 8 图2 3n d ：y v 0 4 激光器声光调q 激光器不同重复率下的平均输出功率 山东大学硕士学位论文 图2 4 n d ：y v 0 4 激光器声光调q 激光器不同重复率下的脉冲宽度 图2 5n d ：y v 0 4 激光器声光调q 激光器不同重复率下的单脉冲能量 图2 6 n d ：y v 0 4 激光器声光调q 激光器不同重复率下的脉冲峰值功率 ( s u j c 芍i m 8 | n 乱 山东大学顼士学位论文 图2 7泵浦功率为3 4 w 、重复率为4 0 k h z 时n d ：y v 0 4 激光器的脉冲波形：实 线表示示波器显示波形，虚线表示理论计算值 由脉宽和重复率实验值，利用公式e = 户f 和p 南i = 点犯，便可以计算出输 出激光脉冲的单脉冲能量e 和峰值功率匕诫，分别如图2 5 和图2 6 中的点所示。 从图2 ，3 到图2 6 可以看出，在相同调q 重复率下，随着泵浦功率的增加，平均 输出功率增大，脉宽不断减小。在相同泵浦功率下，随着声光开关重复率的升高， 输出脉冲的平均输出功率、脉宽增加，而单脉冲能量和蜂值功率减小。影响激光 单脉冲峰值功率的主要因素是以q 开关关闭期间所积累的上能级粒子数多少，因 此与激光介质n d ：y v 0 4 晶体的上能级寿命有直接关系。当调制脉冲间隔周期接 近n d ：y v 0 4 晶体上能级寿命时( 此时对应的重复率大约为1 0 k h z ) ，q 开关关闭 期间所积累的上能级粒子数达到最大值，在声光调制电压不变的情况下，输出单 脉冲能量最大，相应峰值功率最高。当调制频率小于1 0k h z 时，由于自发辐射， 导致了反转粒子数的减少，输出脉冲能量和峰值功率下降；当声光调q 频率高于 l ok h z 时，上能级积累的粒子数仅与调o 频率有关，因此随着调q 重复率的进 一步增加，声光开关的间隔周期缩短，在泵浦功率一定的情况下，激活介质在q 开关关闭期间所积累的上能级粒子数减少，因而单脉冲能量和蜂值功率下降。在 整个实验过程中，平均输出功率随泵浦功率的增加均成线性增加趋势，没有出现 饱和现象。这说明在我们的泵浦范围内，通过致冷可以消除激光介质中热效应的 影响。在泵浦功率为3 4 w ，调q 重复频率为4 0 k h z 时。我们可以得到n d ：y v 0 4 激光器的输出脉冲波形，如图2 7 所示。从图2 7 可以看出，声光主动调q 脉冲 2 0 富岳芒一口黑一goz 山东大学硕士学位论文 波形具有前沿陡后沿缓的特点。 从图2 3 一图2 7 可以看出，实验结果与理论计算值基本符合。 2 2l d 泵浦n d ：y v 0 4 声光调0 激光的脉宽控制 激光二极管( l d ) 泵浦的调q 激光器具有全固化，体积小和泵浦效率高等特 点，在激光通讯、遥感探测、工业加工、军事和医疗等领域有着广泛的应用前 景。脉冲宽度是调q 激光器的的主要参数之一，其可调控性可以满足多方面的 需求6 “s j 。在声光调ol d 端面泵浦固体激光器的相关报道中，速率方程大多采 用了平面波近似，即假定泵浦光分布、腔内光了数密度分布都是均匀的。而对于 l d 泵浦的调q 激光器，这些假定显然过于简单，并使对调q 激光输出脉冲特性 特别是脉宽的理论计算值与实验结果偏差较大嗍。 本文从理论和实验方面对l d 泵浦n d ：y v 0 4 声光调q 激光的脉宽控制进行 了研究。根据a b c d 矩阵传输理论，考虑泵浦光强和腔内振荡光强的，空间高斯 分布，给出了声光调q 激光的耦合速率方程组，经数值求解，获得脉冲宽度随 声光( a o ) 调制器在激光腔内的位置以及泵浦光在激活介质内的分布的变化关系， 理论计算与实验结果相符。 2 2 1 实验 实验采用平凹腔结构，如图2 8 所示，腔结构除了谐振腔的腔长为1 2 c m 、 输出镜m 2 反射率为9 0 外，与图2 2 完全相同。 光纤耦合l d 光学聚焦系统 m如 图2 8 l d 泵浦n d ：y v 0 4 声光调q 激光器实验装置 实验中，首先调节泵浦功率至1 3 w ，声光调制器到腔镜m 2 的距离z g 等于 o 8 锄，并保持不变。将光学聚焦系统安装在标有刻度的导轨上，以泵浦光束腰位 于激活介质泵浦端时的刻度作参考点，沿轴向移动该系统以改变泵浦光束腰在激 2 l 山东大学硕士学位论文 活介质内的位置，在重复频率等于5 k h z 、2 0 k h z 、4 0 k h z 时分别测量脉宽和平均 输出功率随泵浦光束腰到激活介质泵浦端的距离z 的变化，如图2 9 2 1 0 中的点 所示。当z