雙脈沖輸出激光器設(shè)計(jì)

李騰飛，于復(fù)生，2，孫中國(guó)，殷盛江，時(shí)維康

（1.山東建筑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101；2.山東省高校機(jī)械工程創(chuàng)新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南250101）

雙脈沖輸出激光器設(shè)計(jì)

李騰飛1，于復(fù)生1，2，孫中國(guó)1，殷盛江1，時(shí)維康1

（1.山東建筑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101；2.山東省高校機(jī)械工程創(chuàng)新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南250101）

激光器作為一種重要的輔助光源已被廣泛應(yīng)用于用于材料加工、激光加工、精密測(cè)量和精密加工等工業(yè)環(huán)境中。文章設(shè)計(jì)了一種雙脈沖輸出光器，對(duì)其進(jìn)行了理論及實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了可行性驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明:在LD泵浦源的激勵(lì)下，產(chǎn)生了最高功率達(dá)到0.57W的雙脈沖綠色激光；隨著泵浦源電流的增大，得到的綠色激光的光功率越大，直到其達(dá)到峰值；通過(guò)光電轉(zhuǎn)換，采用高速示波器進(jìn)行雙脈沖的光信號(hào)采集，檢測(cè)出激光脈沖的周期和脈寬均為20μs。

雙脈沖；激光器；LD

0 引言

現(xiàn)如今半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用愈來(lái)愈普遍，固態(tài)高功率雙脈沖輸出綠光激光器的研究得到了快速發(fā)展，脈沖激光器因?yàn)槠涮赜械碾p脈沖信號(hào)，已被用于材料加工、激光加工、精密測(cè)量和精密加工等工業(yè)環(huán)境中。經(jīng)過(guò)科學(xué)家們多年的努力，針對(duì)傳統(tǒng)固體激光器的轉(zhuǎn)換效率的缺點(diǎn)，摒棄了閃光燈的泵浦方式，改為激光二極管泵浦。固體激光工作物質(zhì)的吸收帶能夠與激光二極管的發(fā)射光譜完全重合，而且二極管還有體積小、效率高和壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)［1-2］，因此它是固體激光器理想的泵浦源。

LD泵浦的激光器可追溯到20世紀(jì)60年代。1960年，Newman首先提出了半導(dǎo)體泵浦固體激光器的思想［3］，90年代至今，高功率綠光激光器發(fā)展迅速，輸出功率已達(dá)到幾百瓦。Garrec等人通過(guò)30個(gè)連續(xù)激光二極管在側(cè)面進(jìn)行泵浦，KTP在Z型腔內(nèi)完成倍頻，獲得雙端27 kHz、106 W的綠光輸出［4］。

文章主要研究的是全固態(tài)激光器，選用的LD采用光纖耦合方式，輸出功率隨電流的增大而增大，其閾值電流為0.5 A；選用的倍頻晶體KTP是一種非線(xiàn)性倍頻晶體，它具有電光系數(shù)大、非線(xiàn)性系數(shù)大、走離角小和相對(duì)高抗光損傷閾值的特點(diǎn)。通過(guò)相應(yīng)的計(jì)算得到Nd:YVO4和KTP的最佳長(zhǎng)度，其中采用的聲光Q開(kāi)關(guān)是一種用于產(chǎn)生巨脈沖激光運(yùn)轉(zhuǎn)方式，使諧振腔的光學(xué)品質(zhì)因數(shù)Q值突變，能量瞬間產(chǎn)生。以此在可行性驗(yàn)證試驗(yàn)中得出了功率為0.57W的連續(xù)綠光。

1 設(shè)計(jì)理論及實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)理論依據(jù)

DPL（全固態(tài)激光器）的工作物質(zhì)必須具備以下幾點(diǎn)［5］:（1）尖銳的熒光譜線(xiàn)；（2）能與激光二極管（LD）發(fā)光譜線(xiàn)相應(yīng)的強(qiáng)吸收帶；（3）針對(duì)所需要的熒光躍遷具有相當(dāng)高的量子效應(yīng)。

激光二極管泵浦發(fā)射波長(zhǎng)可以與Nd:YAG的吸收譜線(xiàn)相對(duì)應(yīng)，使其成為科研、工程、軍事和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中最為重要的激光增益物質(zhì)。Nd:YVO4的光譜特性比Nd:YAG晶體的光譜特性更適合激光二極管（LD）泵浦，因?yàn)镹d:YVO4吸收系數(shù)高，受發(fā)射截面大，是后者的5倍左右，在808 nm波長(zhǎng)附近存在很強(qiáng)的寬吸收帶，因此在實(shí)際應(yīng)用中選用a軸切割的Nd:YVO4作為工作物質(zhì)，其通光面大小為4 mm×4 mm。但Nd:YVO4，的缺點(diǎn)是較短的熒光壽命。Q開(kāi)關(guān)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，熒光壽命是一種衡量?jī)?chǔ)存能量的方法，儲(chǔ)能越大，所需的熒光壽命就越長(zhǎng)。

在端面泵浦情況下，這里只考慮基模狀態(tài)下的情況。對(duì)于理想的四能級(jí)系統(tǒng)，其速率方程［6，7］可由式（1）、（2）表示為

式中:R（x，y，z）為泵浦速率密度；ΔN（x，yz）為反轉(zhuǎn)粒子束密度；S（x，yz）為腔內(nèi)光子數(shù)密度；τf為增益介質(zhì)上能級(jí)的熒光壽命，h；c為真空中的光速，m／s；n為增益介質(zhì)的折射率；σ為受激發(fā)射截面；δ為腔內(nèi)的往返損耗；L為諧振腔長(zhǎng)度，mm；S為腔內(nèi)光子總數(shù)，個(gè)。

在閾值泵浦條件下，輸出功率和斜效率可由（3）、（4）、（5）和（6）表示為

在強(qiáng)光泵浦下，輸出功率和斜效率分別由（6）、（7）表示為

式中:T為輸出鏡的透過(guò)率；hυs為振蕩光子能量；／J2為重疊效率因子。

在式（4）的理論計(jì)算中，假設(shè)腔的往返損耗δ＝T+δ0，δ0為散射吸收，則吸收效率為ηα＝1-exp（-αpl），因此，最佳透過(guò)率Topt由式（8）表示為

根據(jù)上述論述，通過(guò)公式計(jì)算得出了晶體長(zhǎng)度與輸出光功率的關(guān)系，經(jīng)過(guò)反復(fù)的理論與實(shí)驗(yàn)論證得到Nd:YVO4晶體（摻釹離子濃度為0.2%）最佳增益尺寸為4 mm×4 mm×10 mm。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一臺(tái)激光器基本結(jié)構(gòu)由三部分構(gòu)成:工作物質(zhì)、光學(xué)諧振腔和激勵(lì)能源。文章利用國(guó)產(chǎn)的808 nm半導(dǎo)體激光器作為抽運(yùn)源，端面抽運(yùn)聲光調(diào)Q的Nd:YVO4激光器，利用線(xiàn)性腔實(shí)現(xiàn)了KTP腔內(nèi)倍頻獲得了準(zhǔn)連續(xù)、雙脈沖綠光輸出。具體光學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，從左到右依次為L(zhǎng)D泵浦源、Nd:YVO4晶體、Q開(kāi)關(guān)、KTP晶體和輸出耦合鏡。

圖1 腔內(nèi)倍頻綠光激光器的實(shí)驗(yàn)裝置圖

激光增益介質(zhì)為a向切割的Nd:YVO4晶體（摻釹離子濃度為0.2%）［8］，尺寸為4 mm×4 mm× 10 mm，通過(guò)長(zhǎng)度為10 mm。激光晶體靠近LD的一端面鍍有對(duì)532 nm的光高透和1064 nm的光高反的膜，作為激光器的諧振腔的一個(gè)腔鏡，減少了額外使用腔鏡而引起的新?lián)p耗；Nd:YVO4晶體的另一端面鍍有1064 nm的光增透介質(zhì)膜。

LD耦合光纖輸出光直接泵浦Nd:YVO4晶體的一端面，光纖輸出端與Nd:YVO4晶體的一端面在1 mm內(nèi)。這種泵浦方式可使LD與工作物質(zhì)直接耦合，無(wú)需光學(xué)系統(tǒng)。其最大優(yōu)點(diǎn)是無(wú)中間環(huán)節(jié)，因此耦合效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，其缺點(diǎn)是泵浦光與激光模式匹配不夠好，容易產(chǎn)生髙階模光振蕩，不適合高功率泵浦［9］，聲光調(diào)制器在腔內(nèi)靠近Nd:YVO4晶體的另一端放置，倍頻晶體采用Ⅱ類(lèi)相位匹配的KTP晶體，其尺寸為7mm×7mm×4mm，在KTP晶體的兩個(gè)通光面鍍有1064 nm和532 nm的雙增益介質(zhì)膜，以降低腔內(nèi)損耗，Nd:YVO4和KTP晶體分別安裝在銅塊上，輸出耦合鏡的一面鍍有1064 nm的高反和532 nm的高透膜。

Q開(kāi)關(guān)是一種用于產(chǎn)生巨脈沖激光運(yùn)轉(zhuǎn)方式，使諧振腔的光學(xué)品質(zhì)因數(shù)Q值突變［10］，能量瞬間產(chǎn)生。腔內(nèi)儲(chǔ)能與每個(gè)周期的能量損耗之比被稱(chēng)為品質(zhì)因數(shù)Q，因此品質(zhì)因數(shù)越大，損耗越小。文章采用聲光調(diào)Q方式。聲光Q開(kāi)關(guān)工作原理是超聲波照射到一塊石英晶體上時(shí)，光彈效應(yīng)使超聲波的調(diào)制被耦合到光學(xué)折射率上從而形成光學(xué)相位光柵［11-12］。激光束通過(guò)光柵時(shí)，部分光強(qiáng)將會(huì)衍射偏離原來(lái)的光束，射向一個(gè)或多個(gè)離散方向，使之產(chǎn)生衍射損耗，降低了Q值，形成不了激光振蕩，這時(shí)增益介質(zhì)的上能級(jí)反轉(zhuǎn)粒子束不斷積累達(dá)到飽和值，當(dāng)撤去超聲波時(shí)，衍射效應(yīng)消失，腔內(nèi)Q值激增，激光振蕩恢復(fù)，其能量以巨脈沖形式輸出，短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的能量峰值功率是普通長(zhǎng)脈沖的峰值功率的幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

實(shí)驗(yàn)采用的聲光調(diào)制器為Gooch＆Housego生產(chǎn)的MQS041-1.5C10G-4-A，如圖2所示為Q開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)及工作示意圖，Q開(kāi)關(guān)的主要技術(shù)參數(shù)為:工作介質(zhì)是石英晶體；激光工作波長(zhǎng)為1064 nm；通光口徑為1.5 mm；靜態(tài)透過(guò)率大于99%；工作頻率40.68 MHz；射頻功率為20W；阻抗50；過(guò)熱保護(hù)點(diǎn)在50℃。

圖2 聲光Q開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)及工作示意圖

圖3 正常觸發(fā)極性顯示圖

Q開(kāi)關(guān)的脈沖控制方式如圖3所示。采用固定模式時(shí)，驅(qū)動(dòng)器輸出的脈沖寬度由驅(qū)動(dòng)器的硬件確定，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器相應(yīng)電位器可使其輸出脈沖寬度為1～20μs。當(dāng)采用可變模式調(diào)制時(shí)，輸出脈沖寬度由輸入信號(hào)的脈沖寬度決定。這兩種調(diào)制模式的重復(fù)頻率可達(dá)到500 kHz。

2 可行性驗(yàn)證試驗(yàn)

激光增益介質(zhì)為a向切割的Nd:YVO4晶體（摻釹離子濃度為0.2%），尺寸為4 mm×4 mm× 10 mm，通過(guò)長(zhǎng)度為10 mm。激光晶體靠近LD的一端面鍍有對(duì)532 nm的光高透和1064 nm的光高反的膜，Nd:YVO4晶體的另一端面鍍有1064 nm的光增透介質(zhì)膜。

啟動(dòng)LD泵浦源和聲光Q開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電源內(nèi)的電流大小，當(dāng)電流達(dá)到0.5 A時(shí)，有綠光輸出（如圖4所示），隨著電流的增大，綠光的強(qiáng)度也隨之增大；當(dāng)電流達(dá)到2.5 A時(shí)，LD光功率為12 W，輸出的綠光光功率為0.57 W。其總體光光轉(zhuǎn)換效率為4.75%（如圖5所示）。

圖4 實(shí)驗(yàn)中輸出的綠光圖

圖5 LD泵浦電流與綠光功率的關(guān)系圖

光脈沖序列形成之后，我們把產(chǎn)生的光脈沖信號(hào)通過(guò)光電轉(zhuǎn)換后接入到高速示波器中，完成對(duì)每個(gè)脈沖參數(shù)的測(cè)量采集工作，高速示波器在測(cè)量脈沖序列的時(shí)候，只對(duì)其某一個(gè)脈沖的參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，示波器測(cè)得的脈沖序列是幅度最大的脈沖的幅度值［13］，而不是脈沖序列中每個(gè)脈沖的幅度值，待示波器讀取完整的數(shù)據(jù)后再進(jìn)行分析。

示波器通道獲取的是光信號(hào)的同步信號(hào)，當(dāng)示波器通道的觸發(fā)狀態(tài)工作以后，利用同步信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖序列的定位，也就是說(shuō)測(cè)量得到脈沖序列中第一個(gè)脈沖與同步脈沖的時(shí)間間隔為T(mén)，待同步信號(hào)的位置獲得確認(rèn)以后，把同步信號(hào)的前沿時(shí)間設(shè)置為T(mén)，從而得到同步脈沖與脈沖序列中第一個(gè)脈沖的起始時(shí)間點(diǎn)T+T1［14］，根據(jù)已知的脈沖寬度20μs，第一個(gè)脈沖的截止時(shí)間點(diǎn)設(shè)置為T(mén)+T1+ 20μs，此時(shí)將第一個(gè)脈沖的起始時(shí)間點(diǎn)和截止時(shí)間點(diǎn)分別向兩側(cè)延展10μs，這樣可以得到第一個(gè)脈沖的起始時(shí)間點(diǎn)和截止時(shí)間點(diǎn)分別為T(mén)+T1-10μs和T+T1+20μs，因此只要脈沖的位置偏差不超過(guò)10μs，我們便能夠捕捉到整個(gè)脈沖的波形，以此類(lèi)推可以得到脈沖序列中每個(gè)脈沖的起始時(shí)間點(diǎn)和截止時(shí)間點(diǎn)（如圖6所示）。通過(guò)圖6可知，采集到的脈沖信號(hào)與預(yù)先設(shè)置的脈沖寬度20μs相吻合，并且其脈沖周期同樣處于時(shí)間節(jié)點(diǎn)內(nèi)，周期為20μs。由于光信號(hào)的采集存在著光照強(qiáng)弱的轉(zhuǎn)換時(shí)間差［15］所以示波器采集的脈沖信號(hào)會(huì)產(chǎn)生一些波動(dòng)，類(lèi)似于正弦波而并不是理論意義上的方波。

圖6 雙脈沖激光信號(hào)數(shù)據(jù)采集顯示圖

3 結(jié)論

文章介紹了LD泵浦的腔內(nèi)倍頻KTP脈沖激光器的制作，該激光器主要由LD泵浦源、Nd:YVO4晶體、Q開(kāi)關(guān)、KTP晶體、輸出耦合鏡組成。

設(shè)計(jì)依據(jù)理論推導(dǎo)公式計(jì)算得出了Nd:YVO4晶體和KTP晶體的最佳倍頻長(zhǎng)度，倍頻晶體KTP的兩個(gè)通光面上鍍有1064 nm和532 nm的雙增益介質(zhì)膜，輸出耦合鏡一面鍍有1064 nm的高反和532 nm的高透膜，并在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中加裝了聲光Q開(kāi)關(guān)，使諧振腔的光學(xué)品質(zhì)因數(shù)Q值突變，試驗(yàn)結(jié)果表明:在LD泵浦源的激勵(lì)下，產(chǎn)生了最大功率可達(dá)0.57 W的雙脈沖綠色激光，根據(jù)光功率計(jì)測(cè)得的綠光功率，找到了LD泵浦電流與綠光功率的線(xiàn)性關(guān)系，即隨著泵浦源電流的增大，得到的綠色激光的光功率越大，直到其達(dá)到峰值。與此同時(shí)，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換，利用高速示波器采集到雙脈沖激光信號(hào)，測(cè)得的脈沖寬度與時(shí)間間隔為20μs。

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（責(zé)任編輯：李雪蕾）

Design of the double pulse laser

Li Tengfei1，Yu Fusheng1，2，Sun Zhongguo1，et al.

（1.School of Mechanical and Electronic Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2，Key Laboratory of Mechanical Engineering＆Innovation Technology in Universities of Shandong，Jinan 250101，China）

As an important secondary source，laser has been widely used in materials processing，laser processing，precision measurement and precision machining.Based on the stress changes of the facemilling cutter tools under the high-speed intermittent cutting，the paper created a kind of double pulse laser，designed its experimental device and theory，and carried out a good feasibility test.The results show:through the LD as the pump source，getting the double pulse green lightwhichmaximum power is up to 0.57 W；with the increase of pump source current，the green laser's power is bigger and bigger，until reach the peak.Through the photoelectric conversion，in the experiment，highspeed oscilloscope is used for double-pulse optical signal collection，testing the laser pulse period and pulse width being 20us.

double pulse；laser；LD

TN242

A

1673-7644（2014）06-0585-05

2014-06-07

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51075245）

李騰飛（1988-），男，在讀碩士，主要從事機(jī)械電子工程等方面的研究.E-mail:ltf225＠163.com

*通訊作者：于復(fù)生（1969-），男，教授，博士，主要從事機(jī)電精密測(cè)控系統(tǒng)等方面的研究.E-mail:romeatrol＠163.com