輸出鏡透過率對Cr∶YAG被動調(diào)Q激光器的影響

林洪沂，李霖欽，許英朝

(1．廈門理工學(xué)院光電與通信工程學(xué)院，福建 廈門 361024；2．福建省高校光電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361024)

·激光器技術(shù)·

輸出鏡透過率對Cr∶YAG被動調(diào)Q激光器的影響

林洪沂1，2，李霖欽1，許英朝1，2

(1．廈門理工學(xué)院光電與通信工程學(xué)院，福建 廈門 361024；2．福建省高校光電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361024)

對LDA端面泵浦Cr∶YAG被動調(diào)Q Nd∶YAG激光器的輸出特性進(jìn)行了深入細(xì)致的研究，重點(diǎn)分析了輸出耦合鏡的透過率(T=3%、8%、20%、30%、40%)對平均輸出功率、脈沖寬度、重復(fù)頻率、以及單脈沖能量和峰值功率的影響。研究結(jié)果表明：在特定的激光參數(shù)下，Cr∶YAG被動調(diào)Q Nd∶YAG激光器的某些輸出參數(shù)由輸出鏡透過率決定。T=8%時可以獲得最大輸出功率與重復(fù)頻率，而T=20%時，可以獲得最窄脈沖寬度、最高峰值功率以及最大單脈沖能量。

被動調(diào)Q；Nd∶YAG激光器；輸出特性；輸出耦合鏡

1 引 言

LD泵浦被動調(diào)Q全固態(tài)激光器具有效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、光束質(zhì)量好、性能穩(wěn)定可靠、使用壽命長的優(yōu)點(diǎn),廣泛的應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、信息等領(lǐng)域[1-3]。Cr∶YAG是應(yīng)用于0.8～1.2 μm 波段最有競爭力的飽和吸收體，具有光學(xué)性能穩(wěn)定、導(dǎo)熱性能好、抗損傷閾值高的特點(diǎn)，因而得到了廣泛應(yīng)用[4-9]。2012年，李宏斌等采用Cr∶YAG被動調(diào)Q技術(shù)，獲得的單脈沖能量大于800 mJ[3]。

本文對Cr∶YAG被動調(diào)Q Nd∶YAG激光器的輸出特性進(jìn)行了細(xì)致的實(shí)驗(yàn)研究，系統(tǒng)地分析了輸出耦合鏡透過率對激光各個參數(shù)的影響，指出激光器輸出特性與輸出耦合鏡有很大關(guān)系，通過簡單的改變輸出鏡，即可極大地改善脈沖激光器的某些輸出參數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用LDA端面泵浦結(jié)構(gòu)，LDA輸出波長808 nm，輸出功率10 W，經(jīng)光纖耦合。LDA發(fā)出的激光經(jīng)耦合透鏡(808 nm高透)聚焦，激勵Nd∶YAG激光晶體。Nd∶YAG晶體尺寸為Ф3 mm×8 mm，晶體左端(M1)鍍有808 nm增透膜與1064 nm高反膜，右端鍍有1064 nm增透膜。輸出耦合鏡M2為平面鏡，實(shí)驗(yàn)中選用1064 nm透過率T分別為3%、8%、20%、30%、40%五種不同耦合鏡。被動調(diào)Q飽和吸收體為Cr∶YAG，初始透過率To=87.6%，尺寸Ф5 mm×1 mm，兩面鍍有1064 nm增透膜。激光晶體和被動調(diào)Q晶體固定在銅塊上，采用半導(dǎo)體制冷器控溫。

圖1 Cr∶YAG被動調(diào)Q Nd∶YAG激光器實(shí)驗(yàn)裝置圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

分別測量了不同輸出鏡(T=3%、8%、20%、30%、40%)，Cr∶YAG被動調(diào)Q激光器的輸出特性，包括連續(xù)輸出功率、脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)的平均輸出功率、重復(fù)頻率和脈沖寬度，并計(jì)算出對應(yīng)的單脈沖能量和峰值功率[9]。

3.1 連續(xù)與脈沖輸出功率

首先測量了不同輸出耦合鏡透過率下，連續(xù)1064 nm激光器的輸出特性(如圖2所示)。由圖2可知,對于特定的輸出鏡，連續(xù)輸出功率會隨著泵浦功率的增加而增加。

圖2 采用不同的輸出鏡，連續(xù)1064 nm激光輸出功率

在泵浦功率7.6 W時，五個透鏡的最大功率分別為3.20 W(T=3%)、3.80 W(T=8%)、2.68 W(T=20%)、2.30 W(T=30%)、0.96 W(T=40%)，T=8%輸出功率最大，光光轉(zhuǎn)化效率為50%。由此可見對于連續(xù)輸出，有一個最佳透過率，對于此裝置，最佳透過率接近8%[3,7]。五個透鏡的閾值分別為0.5 W(T=3%)、0.6 W(T=8%)、1.9 W(T=20%)、2.1 W(T=30%)、3.9 W(T=40%)，T=3%的閾值最小，輸出鏡的透過率越小，其閾值越小。

在諧振腔內(nèi)加入Cr∶YAG晶體，可以實(shí)現(xiàn)脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)。圖3給出不同輸出耦合鏡透過率下，平均功率的輸出特性。其輸出特性與連續(xù)輸出的變化關(guān)系基本一致。在泵浦功率7.6 W時，五個透鏡的最大平均輸出功率分別為1.32 W(T=3%)、2.00 W(T=8%)、1.12 W(T=20%)、0.88 W(T=30%)、0.42 W(T=40%)，T=8%平均輸出功率最大，光光轉(zhuǎn)化效率為26%。與連續(xù)相比，功率下降主要是由插入損耗造成的。閾值分別為1.5(T=3%)、1.8 W(T=8%)、2.8 W(T=20%)、3.7 W(T=30%)、5.1 W(T=40%)。與連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)相同，T=3%閾值最小。可見，采用小透過率輸出鏡可以減小閾值，但是不一定能提高脈沖輸出功率。

圖3 采用不同的輸出鏡，被動調(diào)Q 1064 nm激光的平均輸出功率

3.2 重復(fù)頻率

圖4給出不同輸出耦合鏡透過率下，被動調(diào)Q激光器重復(fù)頻率與泵浦功率的關(guān)系。重復(fù)頻率會隨著泵浦功率的增加而增加。在泵浦功率7.6 W時，五個透鏡的重復(fù)頻率分別為22.9 kHz(T=3%)、23.4 kHz(T=8%)、11.2 kHz(T=20%)、9.3 kHz(T=30%)、6.6 kHz(T=40%)。T=8%時重復(fù)頻率最大。對于重復(fù)頻率，同樣存在一個最佳透過率。通過增加透過率，可以很有效地降低重復(fù)頻率。

圖4 采用不同的輸出鏡，被動調(diào)Q 1064 nm激光的重復(fù)頻率

根據(jù)激光物理理論，在泵浦功率固定時，當(dāng)輸出鏡透過率減小時(40%→30%→20%)，腔內(nèi)的透射損耗會減小，腔內(nèi)凈增益增加，此時輸出功率與重復(fù)頻率會上升[10]。而當(dāng)輸出鏡透過率減小到一定程度時(8%→3%)，腔內(nèi)1064 nm激光功率密度又會增加，熱透鏡效應(yīng)開始變強(qiáng)，激光晶體內(nèi)基模半徑開始增加，泵浦光斑與基模光斑交疊效率減小，腔內(nèi)增益增長變慢，此時輸出功率與重復(fù)頻率又會變小[4]。因此，對于重復(fù)頻率與輸出平均功率，存在一個最佳透過率。

3.3 單脈沖能量

通過平均功率和重復(fù)頻率，可以計(jì)算單脈沖能量，如圖5所示。當(dāng)泵浦功率為7.6 W時，五種不同輸出耦合鏡的單脈沖能量分別為：57.7 μJ(T=3%)、85.5 μJ(T=8%)、100.4 μJ(T=20%)、94.6 μJ(T=30%)、63.6 μJ(T=40%)。T=20%時可以獲得最大單脈沖能量100.4 μJ。對于最大單脈沖能量來講，最佳透過率規(guī)律不太明顯。

圖5 采用不同的輸出鏡，被動調(diào)Q 1064 nm激光的單脈沖能量

3.4 脈沖寬度與峰值功率

采用Tektronix(MDO4054-3)示波器和快速InGaAs光電二極管測量了激光脈沖寬度，如圖6所示。對于T=3%、8%、20%、30%四種輸出鏡來講，脈沖寬度變化范圍不大，在泵浦功率7.6 W時，分別為69.5 ns、46.6 ns、38.5 ns、45.7 ns；對于T=40%輸出鏡，脈沖寬度隨著泵浦功率的增加而減小，開始減小的幅度很大，最后趨于飽和，泵浦功率7.6 W時，脈沖寬度為82.2 ns。T=20%時可以獲得最窄脈沖38.5 ns。

圖6 采用不同的輸出鏡，被動調(diào)Q 1064 nm激光的脈沖寬度

通過單脈沖能量和脈沖寬度，可以計(jì)算峰值功率，如圖7所示。對于T=3%、8%、30%、40%四種輸出鏡來講，峰值功率隨著泵浦功率的增加而增加，在泵浦功率7.6 W時，分別為0.83 kW、1.83 kW、2.07 kW、0.77 kW；對于T=20%輸出鏡，峰值功率隨著泵浦功率的增加變化起伏很大，泵浦功率7.6 W時，峰值功率達(dá)到最高值2.61 kW。

圖7 采用不同的輸出鏡，被動調(diào)Q 1064 nm激光的峰值功率

對于T=20%輸出鏡，雖然平均功率得不到最大值，但是可以獲得最大單脈沖能量、最高峰值功率、最窄脈沖寬度。而T=8%輸出鏡，雖然可以獲得最大平均輸出功率和重復(fù)頻率，但是其單脈沖能量、峰值功率和脈寬表現(xiàn)一般。

4 結(jié) 論

輸出耦合鏡對于Cr∶YAG被動調(diào)Q激光器的輸出特性產(chǎn)生很大的影響。對于閾值來講，透過率越小，閾值越小。而對于平均輸出功率、單脈沖能量、峰值功率和脈沖寬度則存在一個最佳值，在實(shí)踐中，需要考慮實(shí)際的需要，作出最合理的選擇。文中深入細(xì)致地分析了輸出鏡透過率對脈沖激光器的各個參數(shù)的影響，為脈沖激光器的設(shè)計(jì)與制作提供了參考。

[1] Kang Cheng,Shengzhi Zhao,Yufei Li,et al.Diode-pumped doubly passively Q-switched Nd∶GdVO41.34μm laser with V3+∶YAG and Co∶LMA saturable absorbers[J].J.Opt.Soc.Am.B,2011,28(1):149-154.

[2] Zhe Sun,Qiang Li,Xin Chen,et al.Stable polarized diode-pumped passively Q-switched[100]-cut Nd∶ YAG laser with Cr4+∶YAG crystal[J].Opt.& Laser Technol.,2014,60: 56-60.

[3] LI Hongbin,DONG Yi,WANG Pengfei,et al.Passive Q-switch high power burst laser[J].Laser & Infrared,2012,42(7):762-765.(in Chinese) 李宏斌,董怡,王鵬飛,等.被動調(diào)Q高功率脈沖串激光器[J].激光與紅外,2012,42(7):762-765.

[4] YANG Xiaodong,HOU Xinhua.Investigation on the Output characteristics of LD end-pumped Cr4+∶YAG passively Q-switched laser[J].Acta Photonica Sinica,2012,41(10): 1145-1148.(in Chinese)

楊曉冬,侯新華.LD端面泵浦Cr4+∶YAG被動調(diào)Q激光器輸出特性研究[J].光子學(xué)報,2012,41(10):1145-1148.

[5] E R?ikk?nena,O Kimmelmab,M Kaivolaa,et al.Passively Q-switched Nd∶YAG/KTA laser at 561 nm[J].Opt.Commun.,2008,281(15-16):4088-4091.

[6] Marziyeh Erfani Jazi,Mahdi Dehghan Baghi,Morteza Hajimahmodzadeh,et al.Pulsed Nd∶YAG passive Q-switched laser using Cr4+∶YAG crystal[J].Opt.& Laser Technol.,2012,44(3):522-527.

[7] LIN Hongyi,MIAO Jieguang,TAN Huiming,et al.Extra-cavity,wide-tunable,passively Q-switched Nd:YVO4/PPMgLN optical parametric oscillator[J].High Power Laser and Particle Beams,2010,22(1):15-18.(in Chinese) 林洪沂,苗杰光,檀慧明,等.外腔式寬調(diào)諧被動調(diào)Q Nd∶YVO4/PPMgLN光學(xué)參量振蕩器[J].強(qiáng)激光與粒子束,2010,22(1):15-18.

[8] Chunhua Zuo,Jingliang He,Haitao Huang,et al.Effcient passively Q-switched operation of a diode-pumped Nd∶ GGG laser with a Cr4+∶YAG saturable absorber[J].Opt.& Laser Technol.,2009,41(1):17-20.

[9] LIN Hongyi,TAN Huiming,TOAN Yubing,et al.LDA End-pumped acousto-optics Q-switched Yb∶YAG 1.03 μm Laser[J].Laser & Infrared,2008,38(1): 25-27.(in Chinese) 林洪沂,檀慧明,田玉冰,等.LDA端面泵浦聲光調(diào)Q Yb∶YAG 1.03 μm激光器[J].激光與紅外,2008,38(1):25-27.

[10]Y Shimony,Z Burshtein,A B Baranga.Repetitive Q-switching of a CW Nd∶YAG laser using Cr∶YAG satura ble absorbers[J].IEEE J.Quantum Elect.,1996,32(2):305-310.

Influence of output mirror transmissivity on the output characteristics of Cr∶YAG passively Q-switched laser

LIN Hong-yi1,2,LI Lin-qin1,XU Ying-chao1,2

(1. School of Optoelectronic and Communication Engineering,Xiamen University of Technology,Xiamen 361024,China;2. Key Laboratory of Optoelectronic Technology,Fujian Province University,Xiamen 361024,China)

The output characteristics of a LDA end-pumped Cr∶YAG passively Q-switched Nd:YAG laser are investigated. The influence of the transmissivity of the output coupling mirror (T=3%,8%,20%,30%,40%) on the average output power,pulse width,repetition frequency,energy per pulse and peak power was analyzed. The results show that,with specific laser parameters,output mirror transmissivity decides some output parameters of Cr∶YAG passively Q-switched Nd:YAG laser. When the transmissivity is 8%,the maximum output power and repetition frequency are obtained;and when the transmissivity is 20%,the narrowest pulse width,the highest peak power and the maximum energy per pulse are gotten.

passively Q-switched;Nd:YAG laser;output characteristics;output mirror

1001-5078(2015)01-0037-04

福建省教育廳A類科技項(xiàng)目(No.JA12248);國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.11304259)資助。

林洪沂(1982-)，男，博士，主要從事全固態(tài)激光技術(shù)的研究。E-mail：linyi0714@163.com

2014-05-19

TN 248.1

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.01.008