雙脈沖輸出激光器設計

李騰飛，于復生，2，孫中國，殷盛江，時維康

（1.山東建筑大學機電工程學院，山東濟南250101；2.山東省高校機械工程創新技術重點實驗室，山東濟南250101）

雙脈沖輸出激光器設計

李騰飛1，于復生1，2，孫中國1，殷盛江1，時維康1

（1.山東建筑大學機電工程學院，山東濟南250101；2.山東省高校機械工程創新技術重點實驗室，山東濟南250101）

激光器作為一種重要的輔助光源已被廣泛應用于用于材料加工、激光加工、精密測量和精密加工等工業環境中。文章設計了一種雙脈沖輸出光器，對其進行了理論及實驗裝置結構設計，并對設計進行了可行性驗證試驗，結果表明:在LD泵浦源的激勵下，產生了最高功率達到0.57W的雙脈沖綠色激光；隨著泵浦源電流的增大，得到的綠色激光的光功率越大，直到其達到峰值；通過光電轉換，采用高速示波器進行雙脈沖的光信號采集，檢測出激光脈沖的周期和脈寬均為20μs。

雙脈沖；激光器；LD

0 引言

現如今半導體激光器的應用愈來愈普遍，固態高功率雙脈沖輸出綠光激光器的研究得到了快速發展，脈沖激光器因為其特有的雙脈沖信號，已被用于材料加工、激光加工、精密測量和精密加工等工業環境中。經過科學家們多年的努力，針對傳統固體激光器的轉換效率的缺點，摒棄了閃光燈的泵浦方式，改為激光二極管泵浦。固體激光工作物質的吸收帶能夠與激光二極管的發射光譜完全重合，而且二極管還有體積小、效率高和壽命長的優點［1-2］，因此它是固體激光器理想的泵浦源。

LD泵浦的激光器可追溯到20世紀60年代。1960年，Newman首先提出了半導體泵浦固體激光器的思想［3］，90年代至今，高功率綠光激光器發展迅速，輸出功率已達到幾百瓦。Garrec等人通過30個連續激光二極管在側面進行泵浦，KTP在Z型腔內完成倍頻，獲得雙端27 kHz、106 W的綠光輸出［4］。

文章主要研究的是全固態激光器，選用的LD采用光纖耦合方式，輸出功率隨電流的增大而增大，其閾值電流為0.5 A；選用的倍頻晶體KTP是一種非線性倍頻晶體，它具有電光系數大、非線性系數大、走離角小和相對高抗光損傷閾值的特點。通過相應的計算得到Nd:YVO4和KTP的最佳長度，其中采用的聲光Q開關是一種用于產生巨脈沖激光運轉方式，使諧振腔的光學品質因數Q值突變，能量瞬間產生。以此在可行性驗證試驗中得出了功率為0.57W的連續綠光。

1 設計理論及實驗裝置結構設計

1.1 設計理論依據

DPL（全固態激光器）的工作物質必須具備以下幾點［5］:（1）尖銳的熒光譜線；（2）能與激光二極管（LD）發光譜線相應的強吸收帶；（3）針對所需要的熒光躍遷具有相當高的量子效應。

激光二極管泵浦發射波長可以與Nd:YAG的吸收譜線相對應，使其成為科研、工程、軍事和醫學領域中最為重要的激光增益物質。Nd:YVO4的光譜特性比Nd:YAG晶體的光譜特性更適合激光二極管（LD）泵浦，因為Nd:YVO4吸收系數高，受發射截面大，是后者的5倍左右，在808 nm波長附近存在很強的寬吸收帶，因此在實際應用中選用a軸切割的Nd:YVO4作為工作物質，其通光面大小為4 mm×4 mm。但Nd:YVO4，的缺點是較短的熒光壽命。Q開關運轉時，熒光壽命是一種衡量儲存能量的方法，儲能越大，所需的熒光壽命就越長。

在端面泵浦情況下，這里只考慮基模狀態下的情況。對于理想的四能級系統，其速率方程［6，7］可由式（1）、（2）表示為

式中:R（x，y，z）為泵浦速率密度；ΔN（x，yz）為反轉粒子束密度；S（x，yz）為腔內光子數密度；τf為增益介質上能級的熒光壽命，h；c為真空中的光速，m／s；n為增益介質的折射率；σ為受激發射截面；δ為腔內的往返損耗；L為諧振腔長度，mm；S為腔內光子總數，個。

在閾值泵浦條件下，輸出功率和斜效率可由（3）、（4）、（5）和（6）表示為

在強光泵浦下，輸出功率和斜效率分別由（6）、（7）表示為

式中:T為輸出鏡的透過率；hυs為振蕩光子能量；／J2為重疊效率因子。

在式（4）的理論計算中，假設腔的往返損耗δ＝T+δ0，δ0為散射吸收，則吸收效率為ηα＝1-exp（-αpl），因此，最佳透過率Topt由式（8）表示為

根據上述論述，通過公式計算得出了晶體長度與輸出光功率的關系，經過反復的理論與實驗論證得到Nd:YVO4晶體（摻釹離子濃度為0.2%）最佳增益尺寸為4 mm×4 mm×10 mm。

1.2 實驗裝置結構設計

一臺激光器基本結構由三部分構成:工作物質、光學諧振腔和激勵能源。文章利用國產的808 nm半導體激光器作為抽運源，端面抽運聲光調Q的Nd:YVO4激光器，利用線性腔實現了KTP腔內倍頻獲得了準連續、雙脈沖綠光輸出。具體光學實驗裝置如圖1所示，從左到右依次為LD泵浦源、Nd:YVO4晶體、Q開關、KTP晶體和輸出耦合鏡。

圖1 腔內倍頻綠光激光器的實驗裝置圖

激光增益介質為a向切割的Nd:YVO4晶體（摻釹離子濃度為0.2%）［8］，尺寸為4 mm×4 mm× 10 mm，通過長度為10 mm。激光晶體靠近LD的一端面鍍有對532 nm的光高透和1064 nm的光高反的膜，作為激光器的諧振腔的一個腔鏡，減少了額外使用腔鏡而引起的新損耗；Nd:YVO4晶體的另一端面鍍有1064 nm的光增透介質膜。

LD耦合光纖輸出光直接泵浦Nd:YVO4晶體的一端面，光纖輸出端與Nd:YVO4晶體的一端面在1 mm內。這種泵浦方式可使LD與工作物質直接耦合，無需光學系統。其最大優點是無中間環節，因此耦合效率高，結構緊湊，其缺點是泵浦光與激光模式匹配不夠好，容易產生髙階模光振蕩，不適合高功率泵浦［9］，聲光調制器在腔內靠近Nd:YVO4晶體的另一端放置，倍頻晶體采用Ⅱ類相位匹配的KTP晶體，其尺寸為7mm×7mm×4mm，在KTP晶體的兩個通光面鍍有1064 nm和532 nm的雙增益介質膜，以降低腔內損耗，Nd:YVO4和KTP晶體分別安裝在銅塊上，輸出耦合鏡的一面鍍有1064 nm的高反和532 nm的高透膜。

Q開關是一種用于產生巨脈沖激光運轉方式，使諧振腔的光學品質因數Q值突變［10］，能量瞬間產生。腔內儲能與每個周期的能量損耗之比被稱為品質因數Q，因此品質因數越大，損耗越小。文章采用聲光調Q方式。聲光Q開關工作原理是超聲波照射到一塊石英晶體上時，光彈效應使超聲波的調制被耦合到光學折射率上從而形成光學相位光柵［11-12］。激光束通過光柵時，部分光強將會衍射偏離原來的光束，射向一個或多個離散方向，使之產生衍射損耗，降低了Q值，形成不了激光振蕩，這時增益介質的上能級反轉粒子束不斷積累達到飽和值，當撤去超聲波時，衍射效應消失，腔內Q值激增，激光振蕩恢復，其能量以巨脈沖形式輸出，短時間內產生的能量峰值功率是普通長脈沖的峰值功率的幾個數量級。

實驗采用的聲光調制器為Gooch＆Housego生產的MQS041-1.5C10G-4-A，如圖2所示為Q開關結構及工作示意圖，Q開關的主要技術參數為:工作介質是石英晶體；激光工作波長為1064 nm；通光口徑為1.5 mm；靜態透過率大于99%；工作頻率40.68 MHz；射頻功率為20W；阻抗50；過熱保護點在50℃。

圖2 聲光Q開關結構及工作示意圖

圖3 正常觸發極性顯示圖

Q開關的脈沖控制方式如圖3所示。采用固定模式時，驅動器輸出的脈沖寬度由驅動器的硬件確定，調節驅動器相應電位器可使其輸出脈沖寬度為1～20μs。當采用可變模式調制時，輸出脈沖寬度由輸入信號的脈沖寬度決定。這兩種調制模式的重復頻率可達到500 kHz。

2 可行性驗證試驗

激光增益介質為a向切割的Nd:YVO4晶體（摻釹離子濃度為0.2%），尺寸為4 mm×4 mm× 10 mm，通過長度為10 mm。激光晶體靠近LD的一端面鍍有對532 nm的光高透和1064 nm的光高反的膜，Nd:YVO4晶體的另一端面鍍有1064 nm的光增透介質膜。

啟動LD泵浦源和聲光Q開關，調節驅動電源內的電流大小，當電流達到0.5 A時，有綠光輸出（如圖4所示），隨著電流的增大，綠光的強度也隨之增大；當電流達到2.5 A時，LD光功率為12 W，輸出的綠光光功率為0.57 W。其總體光光轉換效率為4.75%（如圖5所示）。

圖4 實驗中輸出的綠光圖

圖5 LD泵浦電流與綠光功率的關系圖

光脈沖序列形成之后，我們把產生的光脈沖信號通過光電轉換后接入到高速示波器中，完成對每個脈沖參數的測量采集工作，高速示波器在測量脈沖序列的時候，只對其某一個脈沖的參數進行測量，示波器測得的脈沖序列是幅度最大的脈沖的幅度值［13］，而不是脈沖序列中每個脈沖的幅度值，待示波器讀取完整的數據后再進行分析。

示波器通道獲取的是光信號的同步信號，當示波器通道的觸發狀態工作以后，利用同步信號來實現對脈沖序列的定位，也就是說測量得到脈沖序列中第一個脈沖與同步脈沖的時間間隔為T，待同步信號的位置獲得確認以后，把同步信號的前沿時間設置為T，從而得到同步脈沖與脈沖序列中第一個脈沖的起始時間點T+T1［14］，根據已知的脈沖寬度20μs，第一個脈沖的截止時間點設置為T+T1+ 20μs，此時將第一個脈沖的起始時間點和截止時間點分別向兩側延展10μs，這樣可以得到第一個脈沖的起始時間點和截止時間點分別為T+T1-10μs和T+T1+20μs，因此只要脈沖的位置偏差不超過10μs，我們便能夠捕捉到整個脈沖的波形，以此類推可以得到脈沖序列中每個脈沖的起始時間點和截止時間點（如圖6所示）。通過圖6可知，采集到的脈沖信號與預先設置的脈沖寬度20μs相吻合，并且其脈沖周期同樣處于時間節點內，周期為20μs。由于光信號的采集存在著光照強弱的轉換時間差［15］所以示波器采集的脈沖信號會產生一些波動，類似于正弦波而并不是理論意義上的方波。

圖6 雙脈沖激光信號數據采集顯示圖

3 結論

文章介紹了LD泵浦的腔內倍頻KTP脈沖激光器的制作，該激光器主要由LD泵浦源、Nd:YVO4晶體、Q開關、KTP晶體、輸出耦合鏡組成。

設計依據理論推導公式計算得出了Nd:YVO4晶體和KTP晶體的最佳倍頻長度，倍頻晶體KTP的兩個通光面上鍍有1064 nm和532 nm的雙增益介質膜，輸出耦合鏡一面鍍有1064 nm的高反和532 nm的高透膜，并在驗證實驗中加裝了聲光Q開關，使諧振腔的光學品質因數Q值突變，試驗結果表明:在LD泵浦源的激勵下，產生了最大功率可達0.57 W的雙脈沖綠色激光，根據光功率計測得的綠光功率，找到了LD泵浦電流與綠光功率的線性關系，即隨著泵浦源電流的增大，得到的綠色激光的光功率越大，直到其達到峰值。與此同時，通過光電轉換，利用高速示波器采集到雙脈沖激光信號，測得的脈沖寬度與時間間隔為20μs。

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（責任編輯：李雪蕾）

Design of the double pulse laser

Li Tengfei1，Yu Fusheng1，2，Sun Zhongguo1，et al.

（1.School of Mechanical and Electronic Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2，Key Laboratory of Mechanical Engineering＆Innovation Technology in Universities of Shandong，Jinan 250101，China）

As an important secondary source，laser has been widely used in materials processing，laser processing，precision measurement and precision machining.Based on the stress changes of the facemilling cutter tools under the high-speed intermittent cutting，the paper created a kind of double pulse laser，designed its experimental device and theory，and carried out a good feasibility test.The results show:through the LD as the pump source，getting the double pulse green lightwhichmaximum power is up to 0.57 W；with the increase of pump source current，the green laser's power is bigger and bigger，until reach the peak.Through the photoelectric conversion，in the experiment，highspeed oscilloscope is used for double-pulse optical signal collection，testing the laser pulse period and pulse width being 20us.

double pulse；laser；LD

TN242

A

1673-7644（2014）06-0585-05

2014-06-07

國家自然科學基金項目（51075245）

李騰飛（1988-），男，在讀碩士，主要從事機械電子工程等方面的研究.E-mail:ltf225＠163.com

*通訊作者：于復生（1969-），男，教授，博士，主要從事機電精密測控系統等方面的研究.E-mail:romeatrol＠163.com