Cr4+YAG 小信号透射率对被动调Q.pdf

中国光学期刊网 综合 评述 Vol 44 No 6 Jun 2007 Review激光器 Cr4 YAG 小信号透射率对被动调 Q 激光脉冲的影响 Impact of Cr4 YAG Small Signal Transmission on Passively Q Switched Laser Pulse 刘深亮 1 2 张 宁 1 2 李加庚 1 韩海 1 1 北京华源科半光电子科技有限责任公司 北京 100083 2 中国科学院半导体研究所 北京 100083 蓸蔀 LIU ShenliangZHANG NingLI JiagengHAN Hai 1 Huayuan Keban Optoelectronics Technology CO LTD Beijing 100083 2 Institute of Semiconductors The Chinese Academy of Sciences Beijing 100083 蓸蔀 摘要根据被动调 Q 速率方程 研究了 Cr4 YAG 小信号透射率与腔内透镜反射率对输出激光的峰值功 率 脉冲宽度和重复频率的影响 结合实验 给出了在被动调 Q 激光器设计中 一定抽运功率下 如 何选择不同小信号透射率的可饱和吸收体与腔镜反射率 来满足输出激光脉冲在峰值功率 脉冲宽 度和重复频率三方面的要求 关 键 词被动调 Q 小信号透射率 最佳匹配 优化设计 AbstractBased on the rate equation of passively Q switched process effects of the matching relationship between reflectivity of concave mirror and small signal transmission of Cr4 YAG crystal on peak power pulse width and repetition frequency of the output are analyzed According to the experiments the matching relationship on the condition of a fixed pumped power in the design of passively Q switched laser to meet the output requirement of peak power pulse width and repetition frequency is presented Keywords passively Q switched small signal transmission optimal match optimized design 中图分类号 TN 248 1 1 引言 现代国防和工业科技中 半 导体固体激光器将在激光测距 跟踪 目标指示 激光探潜及对潜 通讯等领域有着广泛的应用前 景 被动调 Q 方式由于 Q 开关是 被激光辐射自身启动的 特别适 用于高重复频率 大功率 窄脉冲 的激光器中 在设计激光二极管 抽运 Cr4 YAG 被动调 Q Nd YAG 激光器时 根据输出激光峰值功 率 脉冲宽度和重复频率的要求 如何选择适当的材料参数无疑成 为了面向应用的一个关键问题 本文重点探索了 Cr4 YAG 小 信号透射率与腔内透镜反射率间 的匹配关系对输出情况的影响 对一种固定结构的 Cr4 YAG 调 Q Nd YAG 激光器进行了理论计算 在考虑可饱和吸收体激发态吸收 的情况下 根据速率方程推导出 了该激光器输出脉冲能量 脉冲 宽度以及峰值功率的小信号透射 率的函数 给出了不同重复频率 38 Vol 44 No 6 Jun 2007L 激光与光电子学进展 aser Optoelectronics Progress 中国光学期刊网 下输出脉冲峰值功率随 Cr4 YAG 小信号透射率的变 化关系 2 理论分析 根据文献 1 2 描述 Cr4 YAG 调 Q 激光器的速 率方程组为 ni ln 1 R ln 1 T0 2 L 2 l 1 nt0 ln 1 R e g ln 1 T0 2 L 2 l 2 nt ni nt0 ni 1 nt0 ni nt ni 3 nf ni 1 nt0 ni ln nf ni 1 nt0 ni 4 P h Al t r ln 1 R n i nt nt0ln ni nt ni nt0 1 nt ni 嗓瑟 5 E h A 2 ln 1 R ln ni nf 6 W抑E P 7 其中 l 为 Nd YAG 晶体的厚度 本文取 l 4 mm 为 Nd YAG 晶体的受激发射截面 取 6 5伊10 19cm2 ni为初始反转粒子数密度 nf为脉冲结束时的反转粒 子数密度 nt为脉冲峰值时的反转粒子数密度 nt0为 寅肄 情况下脉冲峰值时的反转粒子数密度 L 为激 光器的耗散性损耗 取 L 0 02 T0为 Cr4 YAG 的小 信号透射率 R r 为腔镜反射率和曲率半径 取 r 40 mm S为激光器的等效腔长 取 S 12 mm tr为光 在腔内往返一周的时间 即 tr 2 S c g e为 Cr4 YAG 的基态吸收截面和激发态吸收截面 对于 g和 e的取值 不同研究人员测试的结果差异较大 但总 的看来 吸收消光比 g e 约为 5 10 3 取 g 4 3伊 10 18cm2 e 8 2伊10 19cm2 为简并因子 对于文 中使用的 Nd YAG 脉冲透射式调 Q 激光器 当脉冲 宽度远大于各子能级间的弛豫平衡时间又远小于激 光下能级寿命时 取 0 6 4 A 为光束在 Cr4 YAG 中 的有效截面积 5 对于平凹腔取 A 1064S r S 姨 且 定义 g 琢寅肄 意味着反转粒子数密度达到阈值 后 Cr4 YAG 晶体立即达到饱和 并且 10 时的情 况已经非常接近 寅肄 时的情况 6 7 E 为输出脉冲能 量 P 为输出峰值功率 W 为输出脉冲宽度 通过上式可以发现 在腔长固定的情况下 输出 峰值功率 P 和脉冲宽度 W 最终是由 Cr4 YAG 小信 号透射率 T0和腔镜反射率 R 决定的 初始反转粒子 数密度 ni将这两方面联系起来 8 而 n i的大小由激 光二极管的抽运效率决定 所以我们将 ni转换为与 输出脉冲重复频率 F 和激光二极管抽运源有效功率 PLD 本文中取 PLD 0 4 W 有关的形式 ni PLD h AlF 8 根据 1 4 5 8 式可以得出不同重复频率 F 下 输出峰值功率 P 随 Cr4 YAG 晶体小信号透射率 T0 的变化规律 通过计算机数值解法得到的 P F T0 函 数关系如下 图 1 显示的是 F 为 10 100 kHz 时 P 与 T0的 关系 对于固定的 F P 在某一 T0时存在一个最大 值 同样 对于固定的 T0 P 在某一 F 时也存在一个 最大值 这说明在实验当中 如果想在某一重复频率 F 时获得最大输出峰值功率 P 则需要选择适当的 Cr4 YAG 晶体和腔镜 使 Cr4 YAG 小信号透射率 T0与 图 2 输出重复频率 F 为 10 kHz 100 kHz 时 脉宽 W 随 小信号透射率 T0的变化曲线 图 1 输出重复频率为 10 kHz 100 kHz 时 输出峰值 功率 P 随小信号透射率 T0的变化曲线 39 中国光学期刊网 综合 评述 Vol 44 No 6 Jun 2007 Review激光器 腔镜反射率 R 相互达到 最佳匹配 F 为 10 100 kHz 时 脉宽 W 与 T0的关系如图 2 所示 可以发现 随着 F 的增大 曲线逐渐变得陡 峭 即 W 随 T0的变化越来越显著 因而增大 F 有助 于减小 W 9 综合图 1 2 可以看出 若想得到较窄的脉宽 需 降低 Cr4 YAG 晶体的小信号透射率 T0 或者增大重 复频率 F 但这样也会减小输出峰值功率 P 10 因为 透射率的减小会增大腔内能量 调 Q 晶体被漂白的 时间间隔减小 重复频率也随之提高 反转粒子由于 来不及积累而使输出功率变小 将每一组重复频率 F 和 Cr4 YAG 小信号透射率 T0所对应的峰值功率点 P 全部投影在平面上 以 P 100 W 为标准 做出 L1和 L2两条边界 图 3 中 P 大 于 100 W 时所对应的 F 和 T0就处于 L1和 L2两条曲 线之间 其中的 Pmax就是达到 最佳匹配 时 F 和 T0 的取值情况 在 Pmax的两侧 P 值随着 F 和 T0的变化 逐渐减小 因此在设计 Cr4 YAG 被动调 Q Nd YAG 激光 器时 可以按照图 1 3 所示 根据输出峰值功率 脉冲宽度和重复频率的要求 合理选择 Cr4 YAG 晶体的小信号透射率和腔镜的反射率 使其达到 最佳匹配 3 实验分析 采用如图 4 所示的实验装置 激光抽运源为 GaAs 激光二极管 中心波长为 806 nm 平均功率为 1 W 在距 Nd YAG 晶体端面 20 m 处直接进行抽 运 其中心波长随着温度上升逐渐漂移至 808 nm 达到 Nd YAG 晶体的吸收中心时 输出脉冲的重复频率和 平均功率达到最高 Nd YAG 晶体的 Nd 离子掺杂质 量分数约为 1 0 尺寸为 椎4 mm伊4 mm 通光面为 平行平面 一面镀 808 nm 增透膜 透射率逸95豫 和 1064 nm 高反膜 反射率逸99豫 另一面镀 808 nm 高反膜 反射率逸95豫 和 1064 nm 增透膜 透射率逸 99 Cr4 YAG 晶体紧贴 Nd YAG 晶体 尺寸为 椎10 mm伊1 5 mm 腔内透镜紧贴 Nd YAG 晶体 为平凹 型 曲率半径为 40 mm 直径为 10 mm 激光器腔长 约为 12 mm 实验中选取两组不同参数的 Cr4 YAG 晶体和腔镜进行匹配 第一组 Cr4 YAG 晶体的小信 号透射率 T0为 86 腔镜对 1064 nm 激光的反射率 R 为 88 第二组 Cr4 YAG 晶体的小信号透射率 T0 为 88 腔镜对 1064 nm 激光的反射率 R 为 86 这里虽然选择小信号透射率更小的 Cr4 YAG 晶 图 5 Cr4 YAG 被动调 Q Nd YAG 激光器 a 脉冲序列波形 b 单脉冲波形 图 3 输出峰值功率 P 大于 100 W 时 输出重复频率 F 与 小信号透射率T0的取值范围关系图 图4 实验装置示意图 40 Vol 44 No 6 Jun 2007L 激光与光电子学进展 aser Optoelectronics Progress 中国光学期刊网 参 考 文 献 1 J J Degnan Optimization of passively Q switched lasers J IEEE J Quant Electron 1995 31 11 1890 1901 2 张行愚 赵圣之 王青圃等援 Cr4 YAG 调 Q 特性的理论和实验研究 J 援光学学报 1998 18 9 1180 1185 3 巩马理 翟刚 时顺森等援 Cr4 YAG 可饱和吸收特性测量 J 援光学学报 1998 18 1 124 127 4 张行愚 王青圃 赵圣之援 固体脉冲激光器的反转因子 J 援光学学报 1994 14 7 687 691 5 W 克希耐尔著援固体激光工程 M 援北京 科学出版社 2002 176 180 体可以得到更大的腔内能量反转粒子数密度 但由 于 Nd YAG 在 1064 nm 附近的上能级平均寿命只有 240 s 左右 过多的反转粒子快速弛豫反而会浪费 抽运能量 降低抽运效率 图 5 a 为第一组输出的脉冲序列波形 可以看到 其最高重复频率为 12 5 kHz 图 5 b 为第一组输出的 单脉冲波形 可以看到其脉冲宽度为 3 ns 图 6 为两 组输出对比 随着温度上升 输出脉冲的平均功率随 重复频率的变化 由此可以计算其峰值功率 P 的大小 峰值功率 P 平均功率 脉宽 W伊重复频率 F 随着温度上升 输出功率随重复频率 F逐渐增 大 并趋于稳定 而脉冲宽度 W 不变 第一组基本保 持为 3 ns 第二组基本保持为 5 ns 与图 2 中的计 算相符 因为两片可饱和吸收体的初始透射率 T0相 差很小 腔内净增益系数变化不大 腔内光子数的增 长及反转粒子数的衰减变化不大 因此脉冲的建立 及熄灭过程变化不大 脉冲宽度变化很小 11 12 由图 6 给出的数据 通过计算可以得出 在温度 升高的过程中 由于平均功率与重复频率 F 基本上 呈线性关系 而脉冲宽度 W 保持不变 因而两组实验 的输出峰值功率 P 全部大于 1000 W 第一组约为 3000 W 第二组约为 1200 W 与图 3 中预测的趋势 相符合 比较接近曲线 L2的上沿 即还未达到输出峰 值功率 P 的最大值 即实验中选取的 Cr4 YAG 晶体 的小信号透射率 T0与腔镜的反射率 R 并未达到 最 佳匹配 的情况 如果适当减小内腔镜的反射率 R 输 出峰值功率 P 还可以进一步提高 即峰值功率点从 L2向 Pmax移动 逐渐接近 最佳匹配 但如果腔镜的 反射率过小 透射出腔外的能量过大 腔内就无法形 成激射 峰值功率 P 反而会减小 即峰值功率点从 Pmax向 L1移动 4 讨论与结论 实验得出的结果与理论基本相符 在激光二极管 抽运 Cr4 YAG 被动调 Q Nd YAG 激光器中 满足输 出峰值功率最大的情况下 可饱和吸收体小信号透 射率与腔镜反射率间确实存在 最佳匹配 的关系 在设计这种激光器时 可以根据输出激光峰值功率 脉冲宽度和重复频率的要求 在图 1 2 中查找到适 合的 Cr4 YAG 小信号透射率 T0 然后依照 最佳匹 配 的原则 利用 1 8 两式计算出腔镜反射率 R 依照这两个参数分别选择 Cr4 YAG 晶体和腔内透 镜 就可以得到理想的输出激光脉冲 收稿日期 2006 11 14 基金项目 国家 863 计划资助项目 作者简介 刘深亮 1982 男 北京人 中国科学院半导体 研 究 所硕 士 研 究 生 主要 从 事 光 电 集 成 应 用 的 研 究 Email liushenliang 导师简介 韩海 1961 男 安徽亳州人 中国科学院半导 体研究所研究员 硕士 主要从事电路与系统的研究 Email hanhaibojie 图 6 Cr4 YAG 被动调 Q Nd YAG 平均输出功率随重复频 率的变化 41 中国光学期刊网 综合 评述 Vol 44 No 6 Jun 2007 Review激光器 6 Guohua Xiao M Bass A generalized model for passively Q switched lasers including excited state absorption in the saturable absorber J IEEE J Quant Electron 1997 33 1 41 44 7 Xingyu Zhang Shengzhi Zhao Qingpu Wang et al Optimization of Cr4 doped saturable absorber Q switched lasers J IEEE J Quant Electron 1997 33 12 2286 2294 8 Y F Chen Y P Lan H L Chang Analytical model for design criteria of passively Q switched lasers J IEEE J Quant Electron 2001 37 3 462 468 9 陈卫标 Nobuo Takeuchi援 LD 抽运的 Cr4 YAG 被动调 Q Nd YAG 激光器 J 援中国激光 2002 A29 5 385 388 10 冯衍 毕勇 张鸿博等援 20 W 腔外倍频全固态 N