馬超群，張 瀅，汪曉聰，韓聚洪，蔡 和，劉曉旭，安國(guó)斐，王 浟

(西南技術(shù)物理研究所，成都 610041)

引 言

激光二極管(laser diode,LD)抽運(yùn)的調(diào)Q固體激光器具有轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好、重復(fù)頻率高、峰值功率大和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，在激光雷達(dá)、激光精密加工、光通信、激光測(cè)距及生物醫(yī)療等諸多領(lǐng)域均有著十分重要的應(yīng)用[1-3]。目前基于聲光調(diào)Q激光器獲得較窄激光輸出脈寬的主要方法有[4-8]：提高抽運(yùn)速率，調(diào)節(jié)抽運(yùn)光與諧振腔內(nèi)振蕩光的匹配系數(shù)，縮短腔長(zhǎng)，減小Q開關(guān)啟閉速度等，其中的前兩個(gè)方法是為了增大反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度，提高諧振腔內(nèi)的增益系數(shù)，而減小Q開關(guān)啟閉速度則需要考慮調(diào)Q過程中所引入的兩類閾值[9]。第1類閾值是在聲光Q開關(guān)擁有高聲光衍射效率時(shí)的閾值，此時(shí)諧振腔處于高損耗的狀態(tài)；第2類閾值是聲光Q開關(guān)在打開狀態(tài)時(shí)激光不發(fā)生衍射時(shí)的閾值，此時(shí)激光器輸出脈沖。第一閾值須保證在Q開關(guān)打開之前，諧振腔內(nèi)的振蕩光不起振，如果衍射效率不足，即射頻(radio frequency,RF)功率較小時(shí)，腔內(nèi)總損耗將會(huì)小于腔內(nèi)總增益，就會(huì)出現(xiàn)漏光現(xiàn)象，此時(shí)的Q開關(guān)將不能完全關(guān)斷振蕩光振蕩。第2類閾值會(huì)影響脈沖的大小、形態(tài)、脈沖的建立時(shí)間。在第2類閾值處，即在打開Q開關(guān)時(shí)，腔內(nèi)損耗不能立即穩(wěn)定在最低值，在超聲波消失過程中，損耗就會(huì)一直處于變動(dòng)之中，因?yàn)榧す饷}沖時(shí)間較短，當(dāng)脈沖完全輸出后，損耗卻不一定會(huì)降到最低值，這將會(huì)影響出射激光脈沖的時(shí)間特性。本文中重點(diǎn)研究了高重頻(100kHz)納秒脈沖Nd∶YVO4激光器的輸出特性隨RF信號(hào)功率的變化規(guī)律，實(shí)驗(yàn)得出了既保證門信號(hào)開啟后激光脈沖序列具有一定的“上升”速度、又不會(huì)導(dǎo)致漏光過于嚴(yán)重的最佳射頻信號(hào)的功率范圍。所得到的研究結(jié)論對(duì)構(gòu)建用于激光加工的快速開啟式調(diào)Q脈沖固體激光器具有較為重要的參考價(jià)值。

1 理論分析

聲光調(diào)Q技術(shù)的基礎(chǔ)理論是電聲轉(zhuǎn)換和聲光效應(yīng)。調(diào)Q過程通過調(diào)節(jié)激光諧振腔內(nèi)的衍射效率來界定腔內(nèi)損耗和反轉(zhuǎn)粒子數(shù)分布，從而調(diào)節(jié)激光脈沖的脈寬與峰值功率等激光輸出特性[10-13]。一般說來，RF信號(hào)的功率如果發(fā)生改變，則聲光晶體所接收的超聲波功率會(huì)發(fā)生變化，其相應(yīng)的衍射效率也會(huì)隨之發(fā)生改變。Q開關(guān)的關(guān)斷，其閾值由衍射效率決定，衍射效率越高，損耗越大，相應(yīng)的閾值也越大。Q開關(guān)打開時(shí)，激光的振蕩閾值迅速減小，最后逐漸穩(wěn)定到最小值[14]，其穩(wěn)定時(shí)間受開關(guān)前后閾值大小的影響。下面對(duì)該過程進(jìn)行具體的分析。

1.1 衍射效率與漏光的關(guān)系

聲光介質(zhì)的衍射原理如圖1所示。圖中,Ii為入射光強(qiáng)，Id為衍射光強(qiáng)，θ為入射角。在聲光Q開關(guān)(acousto-opticQ-switch,AOQ)的介質(zhì)中，射頻功率產(chǎn)生高頻振蕩信號(hào)，并通過換能器轉(zhuǎn)換為聲波信號(hào)，使聲光介質(zhì)折射率發(fā)生變化，形成了等效的相位光柵。光束這時(shí)通過介質(zhì)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生布喇格衍射，其衍射效率為[15]：

Fig.1 Schematic diagram of diffraction of acousto-optic medium

(1)

式中，P為超聲功率，M為聲光品質(zhì)因素，L/h為換能器長(zhǎng)寬比，λ為抽運(yùn)光波長(zhǎng)。超聲功率較高時(shí)，Q值較高，損耗也較大，當(dāng)光腔內(nèi)的總損耗大于增益時(shí)，腔內(nèi)的光振蕩停止，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)逐漸積累，腔內(nèi)總損耗因子為[16]：

δh=δ0-ln(R1R2)-2ln(1-η)

(2)

式中，δ0為腔內(nèi)固有損耗，-ln(R1R2)為耦合損耗，其中的R1,R2為兩反射鏡的反射率，-2ln(1-η)為Q開關(guān)的衍射損耗，η是衍射效率。激光的振蕩閾值可表示為[17]：

(3)

式中，σ為受激發(fā)射截面，L0為增益介質(zhì)長(zhǎng)度。如果衍射損耗小于腔內(nèi)增益，即初始粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的數(shù)目ni>Nt，則在諧振腔內(nèi)就會(huì)有振蕩的激光產(chǎn)生，同時(shí)也會(huì)發(fā)生漏光現(xiàn)象[18]。

1.2 空間速率方程

Nd∶YVO4激光具有四能級(jí)系統(tǒng)，其諧振腔內(nèi)光子密度與粒子數(shù)反轉(zhuǎn)密度的速率方程為[19]：

(4)

(5)

(6)

式中，T為輸出耦合鏡的透射率，l為諧振腔長(zhǎng)度，hν0為振蕩光子的能量。由于Q開關(guān)打開時(shí)存在衍射效率的延遲過程，腔內(nèi)損耗不能夠馬上穩(wěn)定在最低值，這就使得第二閾值不夠穩(wěn)定，因?yàn)榧す饷}沖的時(shí)間較短，在腔內(nèi)損耗還沒有達(dá)到最低時(shí)，脈沖可能就已經(jīng)完成。衍射損耗越高，損耗降到最低的時(shí)間也就越長(zhǎng)，所以在Q開關(guān)打開之后，由于損耗較大，激光輸出功率比較低，之后逐漸升高并趨于穩(wěn)定，即Q開關(guān)打開后激光開啟會(huì)出現(xiàn)延時(shí)。

門信號(hào)、射頻信號(hào)以及激光輸出的脈沖序列信號(hào)之間的相互關(guān)系如圖2所示。由于對(duì)實(shí)用型連續(xù)抽運(yùn)聲光調(diào)Q激光器來說都需要抑制首個(gè)巨脈沖,一般主要都是通過選擇適當(dāng)?shù)某视蚁蝾惾亲兓腞F信號(hào)時(shí)間間隔(見圖2)來進(jìn)行抑制。時(shí)間間隔越短，抑制效果就越不佳。本實(shí)驗(yàn)中此時(shí)間間隔選定為15ms。另外，漏光大小與此時(shí)間間隔沒有直接關(guān)系。作者將在后續(xù)的文章中報(bào)道，在門信號(hào)開啟后這個(gè)時(shí)間間隔與Nd∶YVO4激光不同的偏振態(tài)之間的復(fù)雜物理關(guān)系。

Fig.2 Schematic diagram of gate signal,radio frequency signal and pulse sequence signal output by laser

2 實(shí)驗(yàn)與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。采用LD端面抽運(yùn)的聲光調(diào)Q激光器，激光增益介質(zhì)為Nd∶YVO4晶體，由平面輸出耦合鏡(output coupler,OC)、全反射鏡(rear mirror,RM)和傾斜平面鏡組成的L型諧振腔，腔長(zhǎng)為130mm，脈沖激光的1.34μm輸出信號(hào)是經(jīng)過焦距為120mm的凸透鏡聚焦后，經(jīng)由數(shù)枚衰減片減弱后由光電探測(cè)器(photonic detector,PD)接收。

Fig.3 LD pumped 1.34μm Nd∶YVO4 acousto-optic Q-switched laser experimental device diagram

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

門信號(hào)是激光加工過程中控制激光脈沖串輸出的外部電氣命令信號(hào)，任何固體激光由于熱效應(yīng)的相對(duì)滯后，不可能對(duì)電氣門信號(hào)達(dá)到“即答即應(yīng)”的響應(yīng)速度。而對(duì)于1.34μm的Nd∶YVO4激光而言，更由于其存在著嚴(yán)重的激發(fā)態(tài)吸收(excited state absorption,ESA)，激光晶體的熱效應(yīng)遠(yuǎn)比一般的Nd∶YAG激光要嚴(yán)重得多。這就使得在門信號(hào)開啟后的一段時(shí)間內(nèi)，輸出的激光脈沖序列會(huì)呈現(xiàn)逐步增強(qiáng)的趨勢(shì)。盡可能縮短這個(gè)上升時(shí)間是激光加工過程中的一個(gè)重要的工程性要求。門信號(hào)開啟后序列激光脈沖串不同的上升時(shí)間的定義如圖4所示。分別測(cè)試了高重復(fù)頻率(100kHz)下聲光Q開關(guān)在不同的射頻功率(PRF分別為0.42W,0.49W,0.58W,0.96W,2.25W,3.05W,4.40W)條件下所分別對(duì)應(yīng)的漏光功率與門信號(hào)開啟時(shí)的序列激光脈沖的上升波形(見圖5)，相應(yīng)的最終結(jié)果被歸納到表1中。對(duì)表中數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可得到門信號(hào)關(guān)閉時(shí)的漏光功率隨RF功率的變化曲線(見圖6)，從圖5和圖6可以看出，Q開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)的漏光功率隨RF功率的增大而減小，在RF功率較小時(shí)，漏光功率的變化較快，而在RF功率達(dá)到4.4W時(shí)，漏光完全消失，這就是所謂的第一閾值。這是由于在抽運(yùn)速率一定時(shí)，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)受限于腔內(nèi)總損耗，在RF功率較低時(shí)，衍射損耗較小，腔內(nèi)總增益大于總損耗，存在著較為嚴(yán)重的漏光現(xiàn)象；而當(dāng)RF功率提高到一定程度時(shí)，漏光自然也就消失了。

Fig.4 Definition of the rise time of the laser pulse sequence under different conditions

Fig.5 Rising waveform of laser pulse sequence under different RF power

Table 1 The leakage power and the rise time of the output pulse under different RF power

Fig.6 Change curve of light leakage power with RF power when Q-switch hold off

通過擬合還可得到門信號(hào)開啟后激光序列脈沖的上升時(shí)間隨RF功率變化曲線(見圖7)。從圖中可以看出，在RF功率小于0.5W時(shí)，脈沖很快就能達(dá)到峰值輸出的50%；隨著RF功率的增大，激光序列脈沖的上升時(shí)間逐漸增大，在RF功率達(dá)到0.58W之前，激光序列的脈沖上升時(shí)間變化很快，而在之后則變化較慢。這可以解釋為：在RF功率較低時(shí)，腔內(nèi)損耗較低，由于漏光原因，腔內(nèi)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度也較小，而在Q開關(guān)徹底打開后，腔內(nèi)損耗能夠較快達(dá)到平衡，脈沖上升

Fig.7 Rising time of pulse sequence as a function of RF power

時(shí)間也就隨之變短。

在構(gòu)建用于激光加工的快速開啟式調(diào)Q脈沖固體激光器時(shí)，需要同時(shí)顧及門信號(hào)“開啟”后激光脈沖序列的上升速度和較低的漏光功率，選擇較為合適的射頻信號(hào)功率范圍就具有較為重要的工程實(shí)用價(jià)值。單就本文中的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來說，RF信號(hào)功率位于2W～3W之間時(shí)，漏光功率在500mW以下，門信號(hào)開啟后激光脈沖的上升時(shí)間大約只是第一閾值時(shí)的60%～70%左右，應(yīng)該滿足大部分快速門信號(hào)開啟的快速激光加工要求。

3 結(jié) 論

首先理論分析了固體激光器的聲光調(diào)Q過程，推演了在Q開關(guān)hold-off狀態(tài)時(shí)衍射效率與激光系統(tǒng)漏光的關(guān)系。然后，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量了LD抽運(yùn)1.34μm Nd∶YVO4聲光調(diào)Q激光器的漏光特性和輸出激光脈沖序列的上升時(shí)間隨RF功率的變化，并對(duì)該結(jié)果作了系統(tǒng)分析。分析結(jié)果表明，RF功率的提高不僅能減小漏光功率，也同時(shí)會(huì)增大激光輸出脈沖序列的上升時(shí)間，所以，在構(gòu)建用于激光加工的熱效應(yīng)比較嚴(yán)重的調(diào)Q脈沖激光器時(shí)，并非一定要完全消除漏光，而是應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的RF功率來同時(shí)獲得較高的激光的開啟速度。