燈泵浦固體激光器的脈寬特性研究

張 鵬，張善春，王 興，李業(yè)秋，徐送寧

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 理學(xué)院，沈陽(yáng) 110159)

激光脈沖寬度是展現(xiàn)激光器輸出特性的重要參數(shù)之一。在很多實(shí)際應(yīng)用中如光譜分析、激光打靶、非線性光學(xué)響應(yīng)測(cè)量等都要求脈寬可變。能夠調(diào)整激光脈寬的方法有很多，如用非穩(wěn)腔[1]代替穩(wěn)定腔，或在激光系統(tǒng)中添加受激布里淵散射相位共軛鏡(SBS)[2-4]的方法都能實(shí)現(xiàn)激光脈寬的改變。國(guó)外已有報(bào)道用Nd：YAG激光器和KrF激光器抽運(yùn)單池SBS鏡[5-6]獲得脈寬可調(diào)的激光輸出。劉強(qiáng)等提出了在激光重復(fù)頻率為10Hz和不改變激光器硬件參數(shù)的條件下控制激光輸出能量來調(diào)整激光輸出脈寬[7]。但通過激光輸出能量來調(diào)制激光輸出脈寬對(duì)激光器的穩(wěn)定性[8]要求較高。本文討論通過改變諧振腔腔長(zhǎng)和輸入能量的方式來控制激光輸出脈寬的方法，理論上分析了激光諧振腔的腔長(zhǎng)對(duì)激光輸出脈寬的影響，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證改變諧振腔的腔長(zhǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)激光輸出脈寬調(diào)節(jié)的結(jié)論，得到了3.3m腔長(zhǎng)下泵浦電壓從650V到1000V時(shí)脈寬由182.7ns到62.7ns的變化。

1 理論分析

根據(jù)激光調(diào)Q理論[9-10]，當(dāng)腔內(nèi)光子數(shù)達(dá)到最大值時(shí)，激光輸出的峰值功率可以表示為

ΔNth+ΔNi]

(1)

調(diào)Q過程中的激光能量可以表示為

(2)

脈沖寬度可通過Δt=E/P來表示：

(3)

(4)

式中:Δt為輸出脈沖的脈沖寬度；T為輸出耦合鏡的透過率；L′為諧振腔的長(zhǎng)度；c為真空中的光速。由式(4)可以看出，當(dāng)激光輸出鏡透過率T及諧振腔除透射損耗之外的其他損耗一定時(shí)，輸出脈沖寬度Δt與諧振腔的長(zhǎng)度L′成正比，諧振腔的腔長(zhǎng)越長(zhǎng)，脈寬越寬[11]。

2 實(shí)驗(yàn)研究

設(shè)計(jì)的1064nm激光光路如圖1所示，諧振腔腔長(zhǎng)為3.3m。激光系統(tǒng)采用脈沖氙燈作為抽運(yùn)源，使增益介質(zhì)的粒子數(shù)發(fā)生振蕩。在Nd∶YAG晶體的左側(cè)依次放置偏振片、電光晶體和曲率半徑為5m的凹鏡M1，右側(cè)為1064nm全反鏡M2；增加一個(gè)1064nm全反鏡M3使諧振腔的腔長(zhǎng)變長(zhǎng)，M4為輸出耦合鏡。當(dāng)增益大于損耗，光在M1、M2、M3和M4組成的諧振腔內(nèi)反復(fù)振蕩，最終形成1064nm激光輸出。為防止熱效應(yīng)使激光棒破裂，激光器采用循環(huán)水冷卻方式。

圖1 1064nm激光光路圖

調(diào)節(jié)準(zhǔn)直，緩慢增加泵浦電壓，當(dāng)泵浦電壓達(dá)到閾值電壓時(shí)，獲得1064nm激光輸出,分別測(cè)量不同泵浦電壓下1064nm激光的輸出能量和輸出脈寬。

3 結(jié)果與分析

3.1 激光輸入能量和腔長(zhǎng)對(duì)輸出脈寬的影響

在實(shí)驗(yàn)裝置中，通過改變同條件下的泵浦電壓，測(cè)量激光輸出的脈沖寬度。諧振腔的腔長(zhǎng)為1.6m和3m時(shí)，激光的閾值電壓為750V。在相同輸入能量下，激光的輸出脈沖寬度與腔長(zhǎng)的關(guān)系如圖2所示。

由圖2可以看出，當(dāng)激光輸入能量不變時(shí)，激光輸出脈寬隨腔長(zhǎng)的增加而變寬。這是因?yàn)榧す廨敵雒}沖寬度與光子的壽命成正比。在相同的能量下，腔長(zhǎng)的增加使光子的壽命延長(zhǎng)。因此，激光的輸出脈沖寬度隨著腔長(zhǎng)的增加而變寬。在腔長(zhǎng)固定時(shí)，隨著泵浦電壓的增大，激光輸出脈寬逐漸變窄。

圖2相同激光輸入能量1.6m和3m腔長(zhǎng)下激光輸出脈寬曲線

隨著激光泵浦能量的增大，1.6m腔長(zhǎng)下激光輸出脈寬從85.2ns到25.8ns變化，3m腔長(zhǎng)下激光輸出脈寬由95.2ns變化到49.7ns。

3.2 3.3m腔長(zhǎng)下激光的輸出特性

針對(duì)納秒級(jí)別的長(zhǎng)脈沖激光輸出，將諧振腔腔長(zhǎng)增加到3.3m，激光的閾值電壓為650V，測(cè)得激光的輸出能量和脈寬隨泵浦電壓的變化曲線如圖3所示。

圖33.3m腔長(zhǎng)下激光輸出能量和脈寬與泵浦電壓的關(guān)系

由圖3可知，激光諧振腔腔長(zhǎng)為3.3m時(shí)，隨著泵浦電壓的增大，激光輸出能量逐漸增大,當(dāng)泵浦電壓為1000V時(shí)激光輸出能量達(dá)到了140mJ。激光輸出脈寬隨泵浦電壓的增大而變窄，脈沖寬度變化范圍為180～60ns。

圖4為3.3m腔長(zhǎng)下，泵浦電壓為1000V時(shí)的脈寬圖。

圖4 1000V電壓下的脈寬圖

由圖4可知，當(dāng)諧振腔腔長(zhǎng)為3.3m,泵浦電壓為1000V時(shí)，激光輸出脈寬穩(wěn)定，大小為62.7ns。

4 結(jié)論

激光的泵浦能量和諧振腔腔長(zhǎng)對(duì)激光輸出脈寬有較大的影響，隨著泵浦電壓的增大，激光脈寬逐漸變窄，隨著腔長(zhǎng)的增加脈寬逐漸變寬。通過改變泵浦能量和腔長(zhǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)激光輸出脈寬的調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了納秒級(jí)別的長(zhǎng)脈沖可調(diào)1064nm激光輸出，具有不錯(cuò)的應(yīng)用前景。

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