張 鵬，張善春，王 興，李業(yè)秋，徐送寧

(沈陽理工大學(xué) 理學(xué)院，沈陽 110159)

激光脈沖寬度是展現(xiàn)激光器輸出特性的重要參數(shù)之一。在很多實際應(yīng)用中如光譜分析、激光打靶、非線性光學(xué)響應(yīng)測量等都要求脈寬可變。能夠調(diào)整激光脈寬的方法有很多，如用非穩(wěn)腔[1]代替穩(wěn)定腔，或在激光系統(tǒng)中添加受激布里淵散射相位共軛鏡(SBS)[2-4]的方法都能實現(xiàn)激光脈寬的改變。國外已有報道用Nd：YAG激光器和KrF激光器抽運單池SBS鏡[5-6]獲得脈寬可調(diào)的激光輸出。劉強等提出了在激光重復(fù)頻率為10Hz和不改變激光器硬件參數(shù)的條件下控制激光輸出能量來調(diào)整激光輸出脈寬[7]。但通過激光輸出能量來調(diào)制激光輸出脈寬對激光器的穩(wěn)定性[8]要求較高。本文討論通過改變諧振腔腔長和輸入能量的方式來控制激光輸出脈寬的方法，理論上分析了激光諧振腔的腔長對激光輸出脈寬的影響，并通過實驗驗證改變諧振腔的腔長能夠?qū)崿F(xiàn)對激光輸出脈寬調(diào)節(jié)的結(jié)論，得到了3.3m腔長下泵浦電壓從650V到1000V時脈寬由182.7ns到62.7ns的變化。

1 理論分析

根據(jù)激光調(diào)Q理論[9-10]，當(dāng)腔內(nèi)光子數(shù)達(dá)到最大值時，激光輸出的峰值功率可以表示為

ΔNth+ΔNi]

(1)

調(diào)Q過程中的激光能量可以表示為

(2)

脈沖寬度可通過Δt=E/P來表示：

(3)

(4)

式中:Δt為輸出脈沖的脈沖寬度；T為輸出耦合鏡的透過率；L′為諧振腔的長度；c為真空中的光速。由式(4)可以看出，當(dāng)激光輸出鏡透過率T及諧振腔除透射損耗之外的其他損耗一定時，輸出脈沖寬度Δt與諧振腔的長度L′成正比，諧振腔的腔長越長，脈寬越寬[11]。

2 實驗研究

設(shè)計的1064nm激光光路如圖1所示，諧振腔腔長為3.3m。激光系統(tǒng)采用脈沖氙燈作為抽運源，使增益介質(zhì)的粒子數(shù)發(fā)生振蕩。在Nd∶YAG晶體的左側(cè)依次放置偏振片、電光晶體和曲率半徑為5m的凹鏡M1，右側(cè)為1064nm全反鏡M2；增加一個1064nm全反鏡M3使諧振腔的腔長變長，M4為輸出耦合鏡。當(dāng)增益大于損耗，光在M1、M2、M3和M4組成的諧振腔內(nèi)反復(fù)振蕩，最終形成1064nm激光輸出。為防止熱效應(yīng)使激光棒破裂，激光器采用循環(huán)水冷卻方式。

圖1 1064nm激光光路圖

調(diào)節(jié)準(zhǔn)直，緩慢增加泵浦電壓，當(dāng)泵浦電壓達(dá)到閾值電壓時，獲得1064nm激光輸出,分別測量不同泵浦電壓下1064nm激光的輸出能量和輸出脈寬。

3 結(jié)果與分析

3.1 激光輸入能量和腔長對輸出脈寬的影響

在實驗裝置中，通過改變同條件下的泵浦電壓，測量激光輸出的脈沖寬度。諧振腔的腔長為1.6m和3m時，激光的閾值電壓為750V。在相同輸入能量下，激光的輸出脈沖寬度與腔長的關(guān)系如圖2所示。

由圖2可以看出，當(dāng)激光輸入能量不變時，激光輸出脈寬隨腔長的增加而變寬。這是因為激光輸出脈沖寬度與光子的壽命成正比。在相同的能量下，腔長的增加使光子的壽命延長。因此，激光的輸出脈沖寬度隨著腔長的增加而變寬。在腔長固定時，隨著泵浦電壓的增大，激光輸出脈寬逐漸變窄。

圖2相同激光輸入能量1.6m和3m腔長下激光輸出脈寬曲線

隨著激光泵浦能量的增大，1.6m腔長下激光輸出脈寬從85.2ns到25.8ns變化，3m腔長下激光輸出脈寬由95.2ns變化到49.7ns。

3.2 3.3m腔長下激光的輸出特性

針對納秒級別的長脈沖激光輸出，將諧振腔腔長增加到3.3m，激光的閾值電壓為650V，測得激光的輸出能量和脈寬隨泵浦電壓的變化曲線如圖3所示。

圖33.3m腔長下激光輸出能量和脈寬與泵浦電壓的關(guān)系

由圖3可知，激光諧振腔腔長為3.3m時，隨著泵浦電壓的增大，激光輸出能量逐漸增大,當(dāng)泵浦電壓為1000V時激光輸出能量達(dá)到了140mJ。激光輸出脈寬隨泵浦電壓的增大而變窄，脈沖寬度變化范圍為180～60ns。

圖4為3.3m腔長下，泵浦電壓為1000V時的脈寬圖。

圖4 1000V電壓下的脈寬圖

由圖4可知，當(dāng)諧振腔腔長為3.3m,泵浦電壓為1000V時，激光輸出脈寬穩(wěn)定，大小為62.7ns。

4 結(jié)論

激光的泵浦能量和諧振腔腔長對激光輸出脈寬有較大的影響，隨著泵浦電壓的增大，激光脈寬逐漸變窄，隨著腔長的增加脈寬逐漸變寬。通過改變泵浦能量和腔長能夠?qū)崿F(xiàn)對激光輸出脈寬的調(diào)節(jié)。實驗設(shè)計實現(xiàn)了納秒級別的長脈沖可調(diào)1064nm激光輸出，具有不錯的應(yīng)用前景。

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