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(duì)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)
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(zhǎng)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(gè)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(zhǎng)為632.8 n m。He-Ne激光器輸出的光束經(jīng)過(guò)小孔光闌②之后,入射到全反射鏡③上(對(duì)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(lì)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(zhǎng)的光脈沖。
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(cè)器(分辨率為10 μJ,響應(yīng)時(shí)間≤0.5 ms)。在室溫穩(wěn)定在20℃左右,全暗光的情況下對(duì)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(shí)間的變化關(guān)系進(jìn)行了測(cè)量。同時(shí),為了減小誤差,我們對(duì)每個(gè)泵浦電壓下的能量均測(cè)量了5次,并對(duì)其穩(wěn)定性(均小于2%)進(jìn)行了計(jì)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(shí),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(shí), 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(jí)系統(tǒng)激光器,但由于在激光運(yùn)行過(guò)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(shí)高能級(jí)通過(guò)自發(fā)輻射躍遷回低能級(jí)的粒子數(shù)不能立即消失,使得低能級(jí)不是空能級(jí),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(jí)系統(tǒng),而與三能級(jí)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(shí)粒子反轉(zhuǎn)數(shù),nf為激光器腔內(nèi)光子數(shù)最大時(shí)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。
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(duì)光電探測(cè)器會(huì)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(cè)器(響應(yīng)時(shí)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(duì)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(cè)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(shí),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(shí)間特性方程式為:
結(jié)合理論知識(shí),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(shì)。
通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析可知,泵浦電壓的改變會(huì)對(duì)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(shí),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(shí)能量穩(wěn)定性較好;當(dāng)泵浦電壓從550~900 V逐漸增大時(shí),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(shí)可知,其對(duì)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(guò)程中,可以通過(guò)控制泵浦電壓來(lái)獲得不同激光脈沖的輸出。
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淮南師范學(xué)院科研項(xiàng)目(2016 x j 47)。