激光脈沖耦合及性能參數(shù)測試教學實驗設計

呂 濤

(中國地質大學(武漢),湖北武漢 430074)

激光脈沖耦合及性能參數(shù)測試教學實驗設計

呂 濤

(中國地質大學(武漢),湖北武漢 430074)

用氟化鈣凸透鏡將鈥激光器輸出激光耦合進大芯徑光纖傳輸,測量了耦合后激光能量、脈沖寬度和重復頻率。將該實驗用于實際教學,激發(fā)學生的實驗積極性,深化學生對激光原理及應用的理解,提高學生的動手能力。

紅外激光;激光耦合;參數(shù)測試

自從1960年美國人梅曼制作了世界上第一臺激光器后[1],激光因其能量集中、方向性好、相干性、單色性好,于1961年最先開始在醫(yī)學眼科手術中得到研究與應用[2],從此揭開了激光生物醫(yī)學的發(fā)展序幕。目前國內(nèi)很多高校開設光電子科學與技術專業(yè)及光信息處理專業(yè),激光原理是這兩個專業(yè)的重要的必修課[3]。雖然學生做了很多光學方面的物理實驗[4-6],但沒有經(jīng)過實驗訓練,學生仍然很難將激光原理與物理學、生物學、醫(yī)學等其它相關學科交叉學習,對激光器工作原理、結構、調(diào)節(jié)方式及激光的主要性能參數(shù)測試沒有感性認識。為了彌補這一缺憾,將科研用的自由運轉鈥激光器輸出激光耦合進大芯徑光纖傳輸,采用相關設備測試激光的主要性能參數(shù),如能量、脈沖寬度、工作頻率等。

1 鈥激光耦合實驗設計

由于鈥激光波長為2.1μm,水對其吸收系數(shù)約為30 cm-1,因此不能用普通的K9玻璃材料制作凸透鏡聚焦鈥激光脈沖。另外,作為增益介質的固體棒直徑為10 mm,激光器諧振腔端面輸出的光斑直徑約為8 mm左右。因此選擇直徑20 mm、焦距15mm的氟化鈣材料制作的雙凸透鏡聚焦脈沖激光,低氫氧根的大芯徑光纖(直徑為200,400,600,800μm)作為激光的傳輸介質,要將激光脈沖高效率地耦合進光纖,關鍵是調(diào)節(jié)光纖端面與凸鏡焦點重合。具體耦合步驟可以分為四步:第一步,取一薄刀片,讓聚焦激光脈沖打在刀口上,向各個方向濺射出小火星,刀口放置在光纖端面旁邊,這樣可以比較出焦點相對光纖端面的位置。第二步,光纖端面相對于透鏡的距離可通過光纖固定在二維調(diào)節(jié)器的水平位置進行調(diào)節(jié),實現(xiàn)光纖端面位于透鏡焦平面上。第三步,如果焦點和端面位置相差較大,可通過調(diào)節(jié)固定光纖的二維調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)光纖在水平方向(x軸)和豎直方向(Y軸)的位置。第四步,為了確定最佳的激光耦合效率,開啟激光器正常工作于1Hz,在低泵浦電壓條件下輸出較低能量的激光脈沖,光纖另一輸出端面下端可放置一片未曝光的相紙(對熱量極其敏感),光纖每輸出一個激光脈沖均打在相紙上形成一個光斑。細微調(diào)節(jié)二維調(diào)節(jié)器來控制光纖端面在水平方向和豎直方向上微變化,當發(fā)現(xiàn)激光打出的光斑最顯著時,相紙?zhí)蓟顕乐?這表明激光耦合效率達到最大,焦點恰好位于光纖端面上,然后固定二維調(diào)節(jié)器上調(diào)節(jié)螺絲,這樣光纖端面就始終位于透鏡焦點上且耦合效率最高。相紙上光斑如下圖1所示。

圖1 600μm芯徑光纖耦合后激光光斑圖

2 鈥激光主要參數(shù)測試實驗設計

激光脈沖主要性能參數(shù)包括波長、能量、功率、重復頻率、脈沖寬度等,由于激光波長2.1μm固定且不可調(diào)諧,所以本實驗設計未測量激光波長,實際上采用波長計即可測量激光波長。本實驗設計主要測量激光能量/功率、重復頻率、脈沖寬度。

2.1 激光能量/功率測試

測試激光的能量/功率的實驗裝置如圖2所示。鈥激光器輸出激光耦合進入800μm芯徑的光纖傳輸,光纖另一輸出端面與光探測器間距約2 cm,避免較強激光對探測器(PE50BF-C)端面的損傷,探測到的能量/功率數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)軟件采集,同時由光功率能量計(以色列Ophir公司)附帶表頭(NOVA II)動態(tài)實時顯示。數(shù)據(jù)采集軟件可動態(tài)顯示激光能量/功率隨時間變化關系曲線,也可以使用TXT文件保存采集的數(shù)據(jù)。為了鍛煉學生運用數(shù)據(jù)軟件處理實驗數(shù)據(jù)的能力,用Origin 8.0軟件對保存的數(shù)據(jù)文件進行必要的處理。圖3為泵浦電壓1 000V、電源脈寬1.4ms、測量時間為10 s時的實驗結果圖。

圖2 激光能量/功率測量實驗裝置圖

圖3表明激光器初始輸出脈沖能量較大,第10 s時探測到的瞬時能量為426.0 mJ,10 s內(nèi)測得平均能量為437.8mJ,最大能量值為452mJ,最小能量值為420mJ,能量標準偏差為9.343mJ,能量波動為2.13%,可視為恒定輸出;探測到的激光頻率為5 Hz。

圖3 激光脈沖能量與時間關系(10 s內(nèi))

2.2 激光脈沖寬度的測試

測量激光脈沖寬度前首先要選擇恰當?shù)墓怆娞綔y器,對于自由運轉的鈥激光器而言,其輸出的激光脈沖寬度通常約為幾百個μs,波長約為2.1 μm,所以使用的光電探測器響應時間應該足夠短(至少遠小于激光脈沖寬度)、探測光譜范圍包含2.1μm、損傷閾值盡可能大,實驗測試時選用了高響應的紅外光電探測器(PV-3,波蘭Vigo公司,響應時間τ<15 ns)。為了避免激光直接作用光電探測器敏感端面致使探測器損傷,所探測光信號來自激光打在鐵板上的部分反射光,光探測器將部分反射光轉變?yōu)殡娦盘柡筝斎胧静ㄆ饔涗浢}沖波形,實驗裝置如圖4所示,紅色箭頭指向代表激光出射方向。

圖4 激光脈沖寬度測試裝置圖

圖5為示波器記錄的泵浦電壓1 000 V、電源脈寬1.0ms、頻率5 Hz條件下激光脈沖波形形貌圖。對于通常的激光脈沖寬度均指半高寬,所以在示波器屏幕上移動光標分別至上升沿和下降沿約一半高度時,測量出a光標和b光標對應時間差值為616μs。可見單個脈沖波形呈現(xiàn)矩形形狀,但脈沖包絡并不平坦且有高低起伏,甚至包含有多個μs級脈沖寬度的“毛刺”短脈沖。

圖5 1m s泵浦脈寬條件下鈥激光脈寬波形(616μs)

3 結 論

為了提高光電子科學與技術及光信息處理專業(yè)學生的激光技術水平,將激光原理與實驗相結合,并在實驗中進行了激光耦合進光纖的實驗,采用相關的實驗設備測試了激光的能量、脈沖寬度及工作頻率參數(shù)。該實驗用在實際的實驗教學中時,學生首次見到了書本上描述的激光器,體驗了測試激光參數(shù)的流程,在教學上有助于學生加深對激光理論的理解,促進理論與實驗的完美結合。本實驗進程中學生將分析激光耦合過程中的經(jīng)驗與教訓,在總結失敗經(jīng)驗的基礎上順利完成激光高效率的耦合輸出,間接提高學生分析問題與解決問題的能力,促進了學生不同程度創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。

[1] Maiman T.H.Stimulated Optical Radiation in Ruby [J].Nature,1960,187:493-494.

[2] 潘志方,鄧獻.光譜診斷技術在現(xiàn)代醫(yī)學中的應用[J].大學物理實驗,2007,20(3):47-51.

[3] 周炳琨,高以智,陳家驊,等.激光原理[M].北京:國防工業(yè)出版社,1995.

[4] 田金榮,王麗,宋晏蓉.基于鈦藍寶石激光器的新教學實驗設計[J].大學物理實驗,2013,26(4):8-10.

[5] 王元章,王傳坤,張星.測量光波波長的實驗研究[J].大學物理實驗,2014,27(3):50-52.

[6] 王仁洲,楊濤.一種用激光干涉測量光波波長的新方法[J].大學物理實驗,2014,27(6):41-43.

Teaching Experiment Design of Laser Pulse Couplingand Laser Parameter M easuring

LV Tao
(China University of Geosciences,HubeiWuhan 430074)

Output holmium laser pulses are coupled into big diameter fiber by means of CaF2lens.Laser parameters such as energy,pulse duration,frequency aremeasured.That this experiment is used to teach practically will arouse great enthusiasm,enhance the comprehension of laser principles and application,increase the manual operation ability of the students.

infrared laser;laser coupling;parametermeasuring

O 437

A

DOI:10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.005.013

1007-2934(2015)05-0042-03

2015-04-17

中國地質大學(武漢)教學研究項目