N d:Y A G電光調(diào)Q泵浦固體激光器輸出特性研究

張科，李蘭蘭，孫春艷，余海軍

（淮南師范學(xué)院電子工程學(xué)院，安徽 淮南 232038）

N d:Y A G電光調(diào)Q泵浦固體激光器輸出特性研究

張科，李蘭蘭，孫春艷，余海軍

（淮南師范學(xué)院電子工程學(xué)院，安徽 淮南 232038）

本文以N d:Y A G電光調(diào)Q泵浦固體激光器為基礎(chǔ)，采用電光調(diào)Q技術(shù)，研究了不同泵浦電壓情況下的N d:Y A G電光調(diào)Q泵浦固體激光器輸出的單次脈沖能量、脈沖寬度的變化特性，得到了不同泵浦電壓下的單次脈沖能量、脈沖寬度的特性曲線。研究結(jié)果表明，泵浦電壓的改變能更好地調(diào)節(jié)激光器的脈沖輸出特性，對于N d:Y A G電光調(diào)Q泵浦固體激光器的靈活應(yīng)用具有重要的意義。

Y A G電光調(diào)Q泵；輸出特性；試驗(yàn)

1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 N d:Y A G調(diào)Q泵浦固體激光器結(jié)構(gòu)圖

本實(shí)驗(yàn)采用的Nd:Y A G調(diào)Q泵浦固體激光器輸出的基頻光的波長為1064 n m，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。在實(shí)驗(yàn)上為了調(diào)節(jié)各個光學(xué)器件同光軸，我們采用了He-Ne激光器：①作為準(zhǔn)直光源，其輸出波長為632.8 n m。He-Ne激光器輸出的光束經(jīng)過小孔光闌②之后，入射到全反射鏡③上（對1064 n m反射率R = 99 .8 %）。④為電光調(diào)Q晶體，⑤為偏振片，⑥為Nd:Y A G調(diào)Q泵浦固體激光器的聚光腔部分，主要包括激光棒、氙燈、激勵電源、冷卻系統(tǒng)，⑦為激光腔鏡的輸出鏡，⑧為非線性K T P倍頻晶體，實(shí)驗(yàn)上可以實(shí)現(xiàn)532 n m激光的輸出，⑨為分光鏡，可以實(shí)現(xiàn)基頻光和倍頻光分光 ,從而輸出不同波長的光脈沖。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 N d:Y A G調(diào)Q泵浦固體激光器輸出脈沖能量與泵浦電壓的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)上采用高分辨率、高響應(yīng)度的硅光二極管能量探測器（分辨率為10 μJ，響應(yīng)時間≤0.5 ms）。在室溫穩(wěn)定在20℃左右，全暗光的情況下對Nd：Y A G調(diào)Q泵浦固體激光器（脈沖氙燈泵浦重復(fù)頻率1次/s的）的單次脈沖輸出能量隨時間的變化關(guān)系進(jìn)行了測量。同時，為了減小誤差，我們對每個泵浦電壓下的能量均測量了5次，并對其穩(wěn)定性（均小于2%）進(jìn)行了計算，這在很大程度上提高了實(shí)驗(yàn)的精度。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

圖2 泵浦電壓和脈沖能量的關(guān)系圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:（1）實(shí)驗(yàn)室Nd:Y A G調(diào)Q泵浦固體激光器泵浦電壓的閾值電壓為350 V；（2）當(dāng)泵浦電壓從350～900 V逐漸增大時,激光器的單次脈沖能量從19.06～344.2 mJ逐漸變大,且滿足近似線性變化關(guān)系(如圖 2所示)；（3）泵浦電壓在770～860 V之間時, 激光器的單次輸出脈沖能量穩(wěn)定性比較高。造成這些現(xiàn)象的主要原因是因?yàn)镹d:Y A G調(diào)Q泵浦固體激光器是四能級系統(tǒng)激光器，但由于在激光運(yùn)行過程中加入了電光調(diào)Q晶體，使得激光器輸出脈沖寬度很窄。故輸出巨脈沖時高能級通過自發(fā)輻射躍遷回低能級的粒子數(shù)不能立即消失，使得低能級不是空能級，所以Nd:Y A G調(diào)Q泵浦固體激光器不再是理想的四能級系統(tǒng)，而與三能級系統(tǒng)接近。激光輸出脈沖能量E可以用公式（1）表示：

表1 N d:Y A G調(diào)Q泵浦固體激光器輸出脈沖能量和泵浦電壓的變化關(guān)系

其中，ni為初始時粒子反轉(zhuǎn)數(shù)，nf為激光器腔內(nèi)光子數(shù)最大時的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，h 為普朗克常數(shù) , ν為激光振蕩頻率。由公式（1）可以看出激光輸出脈沖能量E與總粒子反轉(zhuǎn)數(shù)成正比 , 而總粒子反轉(zhuǎn)數(shù)隨著泵浦電壓的增加呈現(xiàn)線性增加,所以輸出脈沖能量也隨泵浦電壓呈現(xiàn)線性增加。

2.2 N d:Y A G調(diào)Q泵浦固體激光器輸出脈沖寬度與泵浦電壓的關(guān)系

由于Nd:Y A G調(diào)Q泵浦固體激光器輸出脈沖能量比較高，對光電探測器會造成損壞，實(shí)驗(yàn)上采用漫反射屏將激光脈沖進(jìn)行漫反射之后再輸入到光電探測器（響應(yīng)時間 ≤0.5 ms）上。在激光工作為電光調(diào)Q狀態(tài)下，采用示波器對Nd:Y A G調(diào)Q泵浦固體激光器輸出脈沖寬度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，具體測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 N d:Y A G調(diào)Q泵浦固體激光器輸出脈沖寬度隨泵浦電壓變化關(guān)系

圖3 泵浦電壓與脈沖寬度的變化關(guān)系

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)泵浦電壓從500～900 V逐漸增大時，Nd:Y A G調(diào)Q泵浦固體激光器輸出單次脈沖寬度從19.1～6.5 n s逐漸變小 ,變化曲線關(guān)系如圖3所示。由激光器速率方程理論可以推導(dǎo)出調(diào)Q巨脈沖的時間特性方程式為：

結(jié)合理論知識，從公式（2）可以推導(dǎo)出隨著泵浦電壓的增加，激光輸出脈沖寬度將呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。

3 結(jié)語

通過上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析可知，泵浦電壓的改變會對激光輸出特性造成很大影響。當(dāng)泵浦電壓從350～900 V逐漸增大時，Nd:Y A G調(diào)Q泵浦固體激光器輸出單次脈沖能量逐漸變大,且滿足近似線性變化關(guān)系，同時能量穩(wěn)定性較好；當(dāng)泵浦電壓從550～900 V逐漸增大時，Nd:Y A G調(diào)Q泵浦固體激光器輸出單次脈沖寬度逐漸變小，由理論知識可知，其對應(yīng)的峰值功率將逐漸增加。因此，在Nd:Y A G調(diào)Q泵浦固體激光器的實(shí)際應(yīng)用過程中，可以通過控制泵浦電壓來獲得不同激光脈沖的輸出。

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：1671-0711（2017）12（下）-0112-03

淮南師范學(xué)院科研項(xiàng)目（2016 x j 47）。