808nmLD泵浦固體激光器及調(diào)Q實驗研究

梅映雪 趙洪霞 王敬蕊 丁志群 程培紅

摘 要 調(diào)Q技術可使激光輸出峰值功率達到Mw量級以上，半峰值帶寬壓縮到皮秒量級，在工業(yè)生產(chǎn)、軍事和醫(yī)學領域應用廣泛。目前，808nm LD泵浦固體激光器及調(diào)Q實驗已經(jīng)成為光電相關專業(yè)的首選實驗。本文針對具體實驗過程中，靜態(tài)激光輸出難度大，功率相對較低和難于實現(xiàn)調(diào)Q等關鍵問題，提出了簡單易行，可操作性強的步驟方法，并取得了較好的實驗效果。

關鍵詞 靜態(tài)激光 LD泵浦 固體激光器 激光輸出 調(diào)Q

中圖分類號：TN248.1 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2019.02.020

Experimental Study on 808nm LD Pump Solid Laser and Q-modulation

MEI Yingxue， ZHAO Hongxia， WANG Jingrui， DING Zhiqun， CHENG Peihong

（Electronic and Information Engineering College， Ningbo University of Technology， Ningbo Zhejiang 315016）

Abstract Q-modulation technology can enable laser output peak power to reach Mw magnitude and pulse width with picosecond magnitude， which is widely used in industrial production， military and medical fields. The 808nm LD pump solid laser and Q-modulation experiment have become the first choice experiments for optoelectronic related majors. Aiming at the difficulty of static laser output， low power and other key problems such as Q adjustment， this paper puts forward a simple and feasible method， and obtains a good experimental result.

Keywords Static laser； LD pump； solid lasers； Laser output； Q-modulation

0 引言

全固態(tài)808nm半導體激光器泵浦調(diào)Q激光器由于具有體積小、易于集成和裝調(diào)方便等優(yōu)點，被廣泛用于科研、農(nóng)業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)等領域。因此，LD泵浦調(diào)Q固體激光器實驗已然成了光電相近專業(yè)必設的一個首選實驗。通過該實驗操作不但可以使學生對LD泵浦固體激光器調(diào)Q設計原理有更好的理解，同時掌握光路的調(diào)節(jié)和輸出功率的測量方法；但自本校學生于2014年開設此實驗項目以來，學生普遍反映實驗中靜態(tài)激光輸出光路調(diào)節(jié)困難、輸出功率偏低，嚴重影響調(diào)Q效果。為了提升實驗成功率和調(diào)Q效率，本課題組同學經(jīng)過反復實驗摸索和分析討論，最終找到了實驗光路調(diào)節(jié)困難和實驗結果不理想的問題所在，針對問題提出了多種解決辦法，并獲得了最佳的解決方法，使實驗過程中激光輸出更容易，調(diào)Q效果更好。

1 實驗裝置及原理

實驗系統(tǒng)由北京方式科技責任有限公司提供，如圖1所示。整個實驗系統(tǒng)采用軸向泵浦方式，包括： 1半導體泵浦激光器、2聚焦透鏡、3準直透鏡、4工作物質(zhì)、5倍頻晶體（KTP晶體）、6調(diào)Q晶體和7輸出鏡等構成。

808nm半導體激光器發(fā)出的紅色方形泵浦光光斑經(jīng)聚焦透鏡和準直鏡后耦合到工作物質(zhì)上，在泵浦光的作用下，工作物質(zhì)中的粒子通過受激輻射產(chǎn)生大量的1.06um的光子，在經(jīng)倍頻晶體的非線性作用轉(zhuǎn)換成0.53um的光子，當固體激光器諧振腔內(nèi)滿足激光產(chǎn)生的閾值條件后綠光形成自激振蕩連續(xù)輸出。

根據(jù)調(diào)Q技術的機理，在靜態(tài)激光輸出的實驗操作中，關鍵問題是：（1）如何精準確定工作物質(zhì)的位置，使泵浦光位于其內(nèi)部；（2）如何提高泵浦光耦合使效率達最大。

2 光路調(diào)整的具體方法

2.1 泵浦光的選擇和高效耦合

本實驗系統(tǒng)要在靜態(tài)激光腔內(nèi)插入倍頻晶體和調(diào)Q晶體、引入插入損耗，所示選擇輸出功率較強的808nm大功率激光器作為泵浦源。25℃下的I-P特性和驅(qū)動電流為1安培情況下的T-P特性曲線如圖2所示。

由圖2可知，808nm半導體泵浦激光源的輸出功率與驅(qū)動電流成很好的線性關系，且隨著溫度的升高，輸出功率呈非線性增大，在28℃時存在最佳值。

本實驗選擇632.8nm紅光半導體激光器作為參考光源，因808nm半導體激光器已經(jīng)由廠家經(jīng)過校準與中心軸線平行且固定于導軌上。參考光的準直過程可通過調(diào)節(jié)其二維旋鈕使紅光對準808激光器中心位置。然后將小孔光欄置于參考光途徑光路，同時使參考光斑中心通過小孔。

本實驗系統(tǒng)的關鍵操作之一是泵浦光的耦合，耦合效果直接決定綠光輸出強度和調(diào)Q技術的實現(xiàn)。具體操作方法為聚焦透鏡靠泵浦光源放置，并通過微調(diào)其上二維旋鈕使泵浦光相對小孔光闌對稱，然后在其后放置準直透鏡，同樣調(diào)節(jié)其二維調(diào)節(jié)螺絲使參考光位于泵浦光的中心如圖3所示，并找到泵浦光經(jīng)過兩個透鏡后的焦點位置：在焦點位置放置紙片，匯聚光能會點燃紙片。

2.2 工作物質(zhì)位置的精準確定

本操作也是本實驗過程的關鍵一環(huán)，泵浦光的耦合效率直接影響綠光的輸出強度及調(diào)Q的成敗。將工作物質(zhì)置于導軌上泵浦光的焦點位置附近，并調(diào)節(jié)其上二維旋鈕使泵浦光位于晶體中心，同時關閉參考光，微調(diào)工作物質(zhì)在導軌上的位置，使聚焦光斑中心成白色亮線，且最亮后，固定工作物質(zhì)。打開參考光，調(diào)節(jié)二維微調(diào)螺絲使由工作物質(zhì)返回到小孔的參考光位于小孔光闌中心。

2.3 綠光輸出及調(diào)Q

工作物質(zhì)后放置輸出鏡，通過調(diào)節(jié)其上二維旋鈕使由其反射的參考光通過小孔中心。然后將KTP晶體插入工作物質(zhì)和輸出鏡之間，通過調(diào)節(jié)KTP上的旋轉(zhuǎn)盤，達到角度匹配，并有綠光輸出。如圖4所示。

3 實驗結果和分析

通過改變808nm泵浦激光器LD的驅(qū)動電流，同時選擇帶遮光筒的光功率計監(jiān)測輸出光功率，最后利用Excal軟件擬合得到改變實驗方法前后激光器驅(qū)動電流與輸出光功率之間的關系曲線（如圖6所示）。

由圖6可知，改變方法后輸出光功率明顯提升。證明學生創(chuàng)新團隊提出的提高LD泵浦固體激光器和調(diào)Q實驗輸出功率的方法是高效的，且具有很好的可操作性。

4 結論

LD泵浦全固態(tài)調(diào)Q激光器具有結構緊湊、轉(zhuǎn)換效率高、壽命長、易于集成和裝調(diào)方便等優(yōu)點，廣泛應用于工業(yè)、科研和醫(yī)療等諸多領域。本文針對本科學生具體實驗過程中存在的光路調(diào)節(jié)困難和輸出功率低等問題，提出了簡單易行的解決方案。通過本專業(yè)學生的具體驗證，效果良好。

基金項目：王偉明助創(chuàng)基金資助（項目編號：2017002）

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