呂 濤

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢),湖北武漢 430074)

激光脈沖耦合及性能參數(shù)測(cè)試教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

呂 濤

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(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(jìn)大芯徑光纖傳輸,測(cè)量了耦合后激光能量、脈沖寬度和重復(fù)頻率。將該實(shí)驗(yàn)用于實(shí)際教學(xué),激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性,深化學(xué)生對(duì)激光原理及應(yīng)用的理解,提高學(xué)生的動(dòng)手能力。

紅外激光;激光耦合;參數(shù)測(cè)試

自從1960年美國(guó)人梅曼制作了世界上第一臺(tái)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(xué)眼科手術(shù)中得到研究與應(yīng)用[2],從此揭開了激光生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展序幕。目前國(guó)內(nèi)很多高校開設(shè)光電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)及光信息處理專業(yè),激光原理是這兩個(gè)專業(yè)的重要的必修課[3]。雖然學(xué)生做了很多光學(xué)方面的物理實(shí)驗(yàn)[4-6],但沒有經(jīng)過實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練,學(xué)生仍然很難將激光原理與物理學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等其它相關(guān)學(xué)科交叉學(xué)習(xí),對(duì)激光器工作原理、結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)方式及激光的主要性能參數(shù)測(cè)試沒有感性認(rèn)識(shí)。為了彌補(bǔ)這一缺憾,將科研用的自由運(yùn)轉(zhuǎn)鈥激光器輸出激光耦合進(jìn)大芯徑光纖傳輸,采用相關(guān)設(shè)備測(cè)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于鈥激光波長(zhǎng)為2.1μm,水對(duì)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(zhì)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(zhì),要將激光脈沖高效率地耦合進(jìn)光纖,關(guān)鍵是調(diào)節(jié)光纖端面與凸鏡焦點(diǎn)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(gè)方向?yàn)R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(diǎn)相對(duì)光纖端面的位置。第二步,光纖端面相對(duì)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(jìn)行調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)光纖端面位于透鏡焦平面上。第三步,如果焦點(diǎn)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(duì)熱量極其敏感),光纖每輸出一個(gè)激光脈沖均打在相紙上形成一個(gè)光斑。細(xì)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(dāng)發(fā)現(xiàn)激光打出的光斑最顯著時(shí),相紙?zhí)蓟顕?yán)重,這表明激光耦合效率達(dá)到最大,焦點(diǎn)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(diǎn)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(cè)試實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

激光脈沖主要性能參數(shù)包括波長(zhǎng)、能量、功率、重復(fù)頻率、脈沖寬度等,由于激光波長(zhǎng)2.1μm固定且不可調(diào)諧,所以本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)未測(cè)量激光波長(zhǎng),實(shí)際上采用波長(zhǎng)計(jì)即可測(cè)量激光波長(zhǎng)。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)主要測(cè)量激光能量/功率、重復(fù)頻率、脈沖寬度。

2.1 激光能量/功率測(cè)試

測(cè)試激光的能量/功率的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。鈥激光器輸出激光耦合進(jìn)入800μm芯徑的光纖傳輸,光纖另一輸出端面與光探測(cè)器間距約2 cm,避免較強(qiáng)激光對(duì)探測(cè)器(PE50BF-C)端面的損傷,探測(cè)到的能量/功率數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)軟件采集,同時(shí)由光功率能量計(jì)(以色列Ophir公司)附帶表頭(NOVA II)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示。數(shù)據(jù)采集軟件可動(dòng)態(tài)顯示激光能量/功率隨時(shí)間變化關(guān)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(xué)生運(yùn)用數(shù)據(jù)軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力,用Origin 8.0軟件對(duì)保存的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行必要的處理。圖3為泵浦電壓1 000V、電源脈寬1.4ms、測(cè)量時(shí)間為10 s時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。

圖2 激光能量/功率測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖3表明激光器初始輸出脈沖能量較大,第10 s時(shí)探測(cè)到的瞬時(shí)能量為426.0 mJ,10 s內(nèi)測(cè)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(biāo)準(zhǔn)偏差為9.343mJ,能量波動(dòng)為2.13%,可視為恒定輸出;探測(cè)到的激光頻率為5 Hz。

圖3 激光脈沖能量與時(shí)間關(guān)系(10 s內(nèi))

2.2 激光脈沖寬度的測(cè)試

測(cè)量激光脈沖寬度前首先要選擇恰當(dāng)?shù)墓怆娞綔y(cè)器,對(duì)于自由運(yùn)轉(zhuǎn)的鈥激光器而言,其輸出的激光脈沖寬度通常約為幾百個(gè)μs,波長(zhǎng)約為2.1 μm,所以使用的光電探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間應(yīng)該足夠短(至少遠(yuǎn)小于激光脈沖寬度)、探測(cè)光譜范圍包含2.1μm、損傷閾值盡可能大,實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)選用了高響應(yīng)的紅外光電探測(cè)器(PV-3,波蘭Vigo公司,響應(yīng)時(shí)間τ<15 ns)。為了避免激光直接作用光電探測(cè)器敏感端面致使探測(cè)器損傷,所探測(cè)光信號(hào)來自激光打在鐵板上的部分反射光,光探測(cè)器將部分反射光轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)后輸入示波器記錄脈沖波形,實(shí)驗(yàn)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(cè)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(duì)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(dòng)光標(biāo)分別至上升沿和下降沿約一半高度時(shí),測(cè)量出a光標(biāo)和b光標(biāo)對(duì)應(yīng)時(shí)間差值為616μs?？梢妴蝹€(gè)脈沖波形呈現(xiàn)矩形形狀,但脈沖包絡(luò)并不平坦且有高低起伏,甚至包含有多個(gè)μs級(jí)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(jié) 論

為了提高光電子科學(xué)與技術(shù)及光信息處理專業(yè)學(xué)生的激光技術(shù)水平,將激光原理與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,并在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了激光耦合進(jìn)光纖的實(shí)驗(yàn),采用相關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備測(cè)試了激光的能量、脈沖寬度及工作頻率參數(shù)。該實(shí)驗(yàn)用在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中時(shí),學(xué)生首次見到了書本上描述的激光器,體驗(yàn)了測(cè)試激光參數(shù)的流程,在教學(xué)上有助于學(xué)生加深對(duì)激光理論的理解,促進(jìn)理論與實(shí)驗(yàn)的完美結(jié)合。本實(shí)驗(yàn)進(jìn)程中學(xué)生將分析激光耦合過程中的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn),在總結(jié)失敗經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上順利完成激光高效率的耦合輸出,間接提高學(xué)生分析問題與解決問題的能力,促進(jìn)了學(xué)生不同程度創(chuàng)新意識(shí)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(xiàn).光譜診斷技術(shù)在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2007,20(3):47-51.

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

[4] 田金榮,王麗,宋晏蓉.基于鈦藍(lán)寶石激光器的新教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2013,26(4):8-10.

[5] 王元章,王傳坤,張星.測(cè)量光波波長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)研究[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2014,27(3):50-52.

[6] 王仁洲,楊濤.一種用激光干涉測(cè)量光波波長(zhǎng)的新方法[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),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(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)教學(xué)研究項(xiàng)目