N d:Y A G電光調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

（淮南師范學院電子工程學院，安徽 淮南 232038）

N d:Y A G電光調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

（淮南師范學院電子工程學院，安徽 淮南 232038）

本文以N d:Y A G電光調Q泵浦固體激光器為基礎，采用電光調Q技術，研究了不同泵浦電壓情況下的N d:Y A G電光調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。研究結果表明，泵浦電壓的改變能更好地調節激光器的脈沖輸出特性，對于N d:Y A G電光調Q泵浦固體激光器的靈活應用具有重要的意義。

Y A G電光調Q泵；輸出特性；試驗

1 實驗裝置

圖1 N d:Y A G調Q泵浦固體激光器結構圖

本實驗采用的Nd:Y A G調Q泵浦固體激光器輸出的基頻光的波長為1064 n m，其內部結構如圖1所示。在實驗上為了調節各個光學器件同光軸，我們采用了He-Ne激光器：①作為準直光源，其輸出波長為632.8 n m。He-Ne激光器輸出的光束經過小孔光闌②之后，入射到全反射鏡③上（對1064 n m反射率R = 99 .8 %）。④為電光調Q晶體，⑤為偏振片，⑥為Nd:Y A G調Q泵浦固體激光器的聚光腔部分，主要包括激光棒、氙燈、激勵電源、冷卻系統，⑦為激光腔鏡的輸出鏡，⑧為非線性K T P倍頻晶體，實驗上可以實現532 n m激光的輸出，⑨為分光鏡，可以實現基頻光和倍頻光分光 ,從而輸出不同波長的光脈沖。

2 實驗結果和分析

2.1 N d:Y A G調Q泵浦固體激光器輸出脈沖能量與泵浦電壓的關系

實驗上采用高分辨率、高響應度的硅光二極管能量探測器（分辨率為10 μJ，響應時間≤0.5 ms）。在室溫穩定在20℃左右，全暗光的情況下對Nd：Y A G調Q泵浦固體激光器（脈沖氙燈泵浦重復頻率1次/s的）的單次脈沖輸出能量隨時間的變化關系進行了測量。同時，為了減小誤差，我們對每個泵浦電壓下的能量均測量了5次，并對其穩定性（均小于2%）進行了計算，這在很大程度上提高了實驗的精度。實驗數據如表1所示。

圖2 泵浦電壓和脈沖能量的關系圖

實驗結果表明:（1）實驗室Nd:Y A G調Q泵浦固體激光器泵浦電壓的閾值電壓為350 V；（2）當泵浦電壓從350～900 V逐漸增大時,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系(如圖 2所示)；（3）泵浦電壓在770～860 V之間時, 激光器的單次輸出脈沖能量穩定性比較高。造成這些現象的主要原因是因為Nd:Y A G調Q泵浦固體激光器是四能級系統激光器，但由于在激光運行過程中加入了電光調Q晶體，使得激光器輸出脈沖寬度很窄。故輸出巨脈沖時高能級通過自發輻射躍遷回低能級的粒子數不能立即消失，使得低能級不是空能級，所以Nd:Y A G調Q泵浦固體激光器不再是理想的四能級系統，而與三能級系統接近。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Q泵浦固體激光器輸出脈沖能量和泵浦電壓的變化關系

其中，ni為初始時粒子反轉數，nf為激光器腔內光子數最大時的反轉粒子數，h 為普朗克常數 , 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與總粒子反轉數成正比 , 而總粒子反轉數隨著泵浦電壓的增加呈現線性增加,所以輸出脈沖能量也隨泵浦電壓呈現線性增加。

2.2 N d:Y A G調Q泵浦固體激光器輸出脈沖寬度與泵浦電壓的關系

由于Nd:Y A G調Q泵浦固體激光器輸出脈沖能量比較高，對光電探測器會造成損壞，實驗上采用漫反射屏將激光脈沖進行漫反射之后再輸入到光電探測器（響應時間 ≤0.5 ms）上。在激光工作為電光調Q狀態下，采用示波器對Nd:Y A G調Q泵浦固體激光器輸出脈沖寬度進行實驗研究，具體測試數據如表2所示。

表2 N d:Y A G調Q泵浦固體激光器輸出脈沖寬度隨泵浦電壓變化關系

圖3 泵浦電壓與脈沖寬度的變化關系

實驗結果表明：當泵浦電壓從500～900 V逐漸增大時，Nd:Y A G調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 ,變化曲線關系如圖3所示。由激光器速率方程理論可以推導出調Q巨脈沖的時間特性方程式為：

結合理論知識，從公式（2）可以推導出隨著泵浦電壓的增加，激光輸出脈沖寬度將呈現逐漸減小的趨勢。

3 結語

通過上述實驗數據和分析可知，泵浦電壓的改變會對激光輸出特性造成很大影響。當泵浦電壓從350～900 V逐漸增大時，Nd:Y A G調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系，同時能量穩定性較好；當泵浦電壓從550～900 V逐漸增大時，Nd:Y A G調Q泵浦固體激光器輸出單次脈沖寬度逐漸變小，由理論知識可知，其對應的峰值功率將逐漸增加。因此，在Nd:Y A G調Q泵浦固體激光器的實際應用過程中，可以通過控制泵浦電壓來獲得不同激光脈沖的輸出。

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：1671-0711（2017）12（下）-0112-03

淮南師范學院科研項目（2016 x j 47）。