高重复率窄脉宽Nd_YVO_4板条激光器

文章编号: 0258-7025( 2008) 02-0206-05 高重复率窄脉宽 NdBYVO4板条激光器 李小莉 邵 杰 臧华国 陆雨田 (中国科学院上海光学精密机械研究所, 上海 201800) 摘要 部分端面抽运的混合腔板条激光器是一种新型的全固态激光器, 采用这种结构,实现了高重复率调 Q 运转。 在脉冲抽运情况下, 1 kH z运转时,得到脉宽4. 6 ns, 单脉冲能量4. 5 mJ的激光输出。在连续抽运调 Q输出情况下, 5 kHz高重复率运转时, 获得了脉宽6 ns, 单脉冲能量3. 1 mJ的脉冲序列输出, 平均功率超过15 W ; 当重复率高达 25 kH z时 ,得到脉宽9. 5 ns,单脉冲能量1. 2 mJ的激光输出,平均功率达30 W。实验结果明, 输出水平还有很大的 提升空间。 关键词 激光器; NdBYVO 4板条激光器;高重复率; 电光调 Q 中图分类号 TN 248. 1 文献标识码 A High Repetition Rate Short Pulse Width NdBYVO4 Slab Laser Li Xiaoli Shao Jie Zang Huaguo Lu Yutian ( Shanghai I nstitute of Op tics and F ine Mechanics , The Chinese A cademy of S ciences , S hang hai 201800, China) Abstract Part ially end-pumped hybr id r esonato r slab laser is one kind o f novel so lid- state laser. H igh repetition r ate Q-sw itched oper ation using this str ucture w as achiev ed. An output pulse tr ain w ith 4. 6 ns pulse width and 4. 5 mJ pulse energ y w as obt ained at 1 kH z repet itio n rate. In the condition o f continuous pumping wit h 5 kH z oper ation, Q-swit ched laser w ith pulse w idth of 6 ns and pulse energ y of 3. 1 mJ was obtained, and output pow er w as more than 15W . The w idt h and energ y w ere 9. 5 ns and 1. 2 mJ respectively when the repet itio n rate reached 25 kH z, and output power was 30 W. Exper imental results show that the out put lev el has gr eat po tent ial fo r furt her development. Key words laser s; NdBYVO 4 slab laser; high r epetit ion rat e; electr o- optical Q-switched 收稿日期: 2007-06-12; 收到修改稿日期: 2007-10-10 作者简介:李小莉( 1971 ) ) , 女,安徽人, 助理研究员,主要从事固体激光器方面的研究。E-mail: xlli@ mail. siom. ac. cn 1 引 言 激光二极管( LD)抽运的全固态激光器以其效 率高、寿命长、结构紧凑、使用维护方便等优点,已被 广泛应用于生产、生活的各个方面。而在激光雷达、 空间通信、激光测距以及激光精细加工等许多领 域[ 1~ 4]中需要高重复率窄脉宽的激光输出[ 5, 6]。调 Q技术是压缩脉宽、提高峰值功率以获得重复巨脉 冲的一种有效方法。声光Q开关由于开关速度慢, 形 成的脉冲宽度一般比较宽[ 7~ 9] ; 而被动 Q开关工作 稳定性很差,不利于应用。电光Q开关可以弥补上述 缺点,得到稳定的窄脉宽输出, 具有不可替代的优 势。由于电光调 Q 需要在腔内插入检偏器、泡克耳 斯盒等元件,增加了谐振腔损耗。选择高增益、低阈 值、偏振输出的 N dBYVO4作为增益介质就可以降 低这些不利影响。同时 NdBYVO 4的荧光寿命较 短,适合于高重复率调 Q 运转。但由于 NdBYVO4 晶体热导率较差(只有 NdBYAG的一半)、抗损伤阈 值低,限制了其在大功率下的应用。 德国夫琅禾费激光所的杜可明等 [ 10~ 12]研制出 一种新型的部分端面抽运混合腔板条激光器。该激 光器利用板条激光器散热性能优良的特点, 使 N dB YVO 4可以在高功率输出下运转。同时由于采用混 合腔结构,在很短的腔长内就可以实现大功率高光 束质量的激光输出, 而且短腔也有利于压缩脉宽。 本文采用这种结构,实现了部分端面抽运混合腔板条 激光器的高重复率调 Q运转,取得了较好的实验结 果。 2 实验装置 整个系统结构如图 1所示。抽运源采用自制激 第 35卷 第 2期 2008 年 2 月 中 国 激 光 CHINESE JOURNAL OF LA SERS Vol. 35, No. 2 Februar y, 2008 光二极管阵列堆。从激光二极管出来的抽运光被整 形为细长而均匀的光束,入射到晶体端面。波导起 到混束的作用, 使抽运光均匀化。谐振腔是部分端 面抽运混合腔结构, 它由两个全反柱面镜 M 1 , M2 组 成。在竖直平面内两个柱面镜构成了一个平- 平腔; 在水平面内构成了一个正支共焦非稳腔。共焦非稳 腔输出的激光束会被自动准直;另外,与负支非稳腔 相比,正支非稳腔结构不会在腔内出现振荡激光的 焦点,避免调 Q运转时, 腔内光学元件遭到破坏。实 验中 M1 的曲率半径为500 mm, M2 的曲率半径为 - 350 mm,腔长约80 mm。 图 1 电光调 Q装置示意图 Fig. 1 Electr o- optical Q-switched experimental setup 为了配合板条状的激光介质及条状激光振荡输 出,减小晶体及系统的尺寸,降低成本, 实验中所用 的检偏器及电光晶体均制作成板条状结构。激光晶 体为 NdBYVO 4 , 掺杂原子数分数为0. 5% , a 轴切 割, 尺寸规格为12 mm @ 10 mm @ 1 mm。12 mm @ 1 mm的两个面作为通光面, 镀808 nm和1064 nm的 增透膜。其余四个面打毛,以抑制自激振荡。两个 12 mm @ 10 mm的大面与微通道水冷热沉装置紧密 联结, 以达到良好的冷却效果。电光晶体选择了抗 损伤阈值高、压电效应较小的 BBO晶体,晶体尺寸 约为14 mm @ 18 mm @ 1. 8 mm。板条状的结构大大 降低了调 Q所需的电压。实验中所加电压 VK/ 4 约为 2400 V。由于增益介质的厚度仅为1 mm, 还可以改 用厚度更小的 BBO 晶体(小于1. 8 mm) , 使调 Q 电 压进一步降低。采用的检偏器为 A-BBO(高温相偏硼 酸钡) 晶体。A-BBO 是负单轴晶体, 具有从 189 ~ 3500 nm的宽透光范围, 还具有很大的双折射性、良 好的机械性能和较高的损伤阈值。实验中所用晶体 尺寸为14 mm @ 12 mm @ 1 mm。 电光晶体放置于谐振腔内靠近输出镜的位置, 在它与激光介质之间加入了检偏器。NdBYVO 4输 出激光的偏振方向在水平方向上,与检偏器的方向 一致。 实验装置实物如图 2 所示。图中从左到右依 次是输入腔镜, NdBYVO4晶体, 检偏器, 电光调 Q 晶体和输出腔镜。 图 2 调 Q实验谐振腔实物图 Fig. 2 Image o f Q-switched resonator setup 在电光晶体上未加电压时, 激光振荡可以正常 产生; 当给电光晶体加上 K/ 4 电压时, 水平偏振的 振荡激光经过电光晶体后, 变为圆偏振光,由输出镜 M2 反射回来,再次通过电光晶体, 变为垂直方向的 线偏振光,不能通过检偏器,从而抑制了激光振荡的 产生。 高频高压驱动源是实现高重复率调 Q 的一个 关键部件,利用进口的高频开关组件,自行研制驱动 和控制电路,制成了高重复率电光 Q 开关驱动源。 图 3给出了25 kHz时的驱动源输出的高压脉冲波 形,其中图 3( b)是将图 3( a)时间轴展开得到的, 仅 保留一个脉冲的下降沿。从图 3 中可以看出,脉冲 下降沿很陡,下降时间小于10 ns; 上升沿较缓,但是 整个脉冲持续时间小于20 Ls。该驱动源为实现高重 复率调 Q提供了保证。 图 3 高压驱动源输出波形 Fig. 3 Expor t w aveform of high voltage drive 207 2期 李小莉 等: 高重复率窄脉宽 NdBYVO4板条激光器 3 脉冲抽运电光调 Q实验 采用脉冲抽运方式, 抽运脉冲宽度200 Ls, 1 kHz调 Q运转时,获得了单脉冲能量4. 6 mJ,脉宽 4. 5 ns的高重复率脉冲输出。不同重复率下的输 入-输出能量曲线如图 4 所示。1 kH z时单脉冲能 量及脉宽随抽运能量的变化曲线分别如图 5, 6 所 示。此时光-光转换效率低于 10% , 斜率效率低于 20% 。效率低是由于 NdBYVO4的上能级寿命只有 100 Ls左右,为获得更大的单脉冲能量, 用了200 Ls 抽运脉宽,能量有很大损失;另外脉冲抽运时, 峰值 功率很高, Q开关没有完全关闭也会降低效率。 图 4 不同重复率时的输入-输出能量曲线 Fig. 4 Pulse energ y ver sus pump ener g y at different r epetition r ates 图 5 1 kH z 时单脉冲能量随抽运能量的变化 F ig . 5 Sing le pulse ener gy versus pump energ y at the repetition rate of 1 kHz 同样采用脉冲抽运方式, 1 kHz调Q运转,抽运 脉宽 100 Ls时, 可获得单脉冲能量3. 5 mJ, 脉宽 5. 1 ns的输出, 光-光转换效率 13%, 斜率效率 31%。 图 7给出了典型的调 Q脉冲波形。 改变抽运脉冲宽度, 得到了重复率1 kHz时输 出功率随抽运脉冲宽度的变化曲线, 如图 8所示。 可以看出,随着抽运脉冲宽度的增加,输出逐渐趋于 饱和。这是因为所使用的增益介质 NdBYVO4的上 图 6 1 kH z 时脉宽随抽运能量的变化 F ig . 6 Pulse w idth ver sus pump ener gy at the r epetition r ate of 1 kH z 图 7 典型的调 Q脉冲波形 F ig. 7 Typica l Q-sw itched pulse pr ofile 图 8 1 kH z 时脉冲能量随抽运脉宽的变化 F ig . 8 Pulse energ y versus pump duration at the r epetition r ate of 1 kH z 能级寿命约100 Ls,随着抽运脉冲宽度的增大,增加 的抽运能量越来越多地被自发辐射所消耗,不能转 化为上能级储能。所以,脉冲抽运方式下,抽运脉冲 宽度略大于增益介质的上能级寿命为宜。对于使用 的 NdBYVO4晶体, 最佳抽运脉冲宽度约 120 ~ 130 Ls。 4 连续抽运电光调 Q 实验 连续抽运的情况下,腔内插入检偏器及电光晶 208 中 国 激 光 35 卷 体,抽运功率为119 W时得到了33 W的连续激光输 出,光-光转换效率约为 28%,斜率效率接近 40%。 连续抽运调 Q 输出的实验结果如图 9~ 11 所 示,分别给出了不同重复率下的功率曲线、单脉冲能 量曲线和脉宽曲线。可以看出, 输出功率并没有出 现饱和的迹象。可以预计,随着抽运功率的加大, 输 出水平将进一步提高。受高压驱动源功率所限, 未 能完成高于25 kHz重复率的实验。 图 9 平均输出功率曲线 F ig. 9 Aver age output power versus pump power 图 10 单脉冲能量随频率及功率的变化 Fig . 10 Single pulse energ y versus pum p pow er at different repetition rates 图 11 脉宽随频率及功率的变化 F ig . 11 Pulse w idt h versus pump pow er at differ ent r epetition r ates 可以看出, 在连续抽运调 Q输出情况下, 5 kHz 高重复率运转时, 获得了脉宽6 ns, 单脉冲能量 3. 1 mJ的脉冲序列输出, 平均功率超过15 W; 当重 复率高达25 kHz时, 得到脉宽9. 5 ns, 单脉冲能量 1. 2 mJ的激光输出, 平均功率达30 W。 用 Spir icon公司生产的 M2-200型光束传输分 析仪测量了混合腔连续运转时的输出光的 M2 因 子。在抽运功率110 W, 激光输出41. 5 W时, 即最 大输出的情况下,测得非稳腔方向M 2x = 1. 59, 稳腔 方向 M2y = 1. 55。在调 Q运转时,用 CCD检测到的 输出光束的光场分布与连续运转时的图样没有明显 变化,这说明获得了高光束质量的窄脉冲激光。 5 结 论 实现了部分端面抽运混合腔板条激光器的高重 复率调 Q运转。获得了最高重复率25 kHz的窄脉 宽激光输出,平均功率达30 W。实验结果表明,输出 水平还有很大的提升空间, 通过增加抽运源功率、改 进高压电源就可以获得平均功率更大、脉冲重复率 更高的激光输出。 致谢 感谢朱小磊研究员在实验中给予的帮助。感 谢付文强等在电路方面的大力帮助。 参 考 文 献 1 John J. 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