鄔家成，沈慧娟

激光二極管（LD）泵浦的固體激光器具有效率高、光束質量好、結構緊湊、性能穩(wěn)定和壽命長等優(yōu)點［1］，采用多向對稱分布的大功率激光二極管陣列進行側面抽運，對于泵浦耦合和均勻散熱提供較大的表面面積，可顯著提高抽運功率，實現(xiàn)大功率輸出.利用LD的泵浦Nd：YAG聲光調(diào)Q激光器可獲得高重復頻率、窄脈寬和高峰值功率的激光脈沖，在激光雷達、激光通信、激光醫(yī)療和激光打標等領域得到廣泛的應用［2-7］.

本文利用聲光Q開關對LD側面泵浦Nd：YAG激光模塊輸出的連續(xù)激光進行調(diào)Q實驗，主要研究了激光器諧振腔腔長、泵浦電流、輸出鏡反射率以及重復頻率等因素對輸出激光的脈寬和平均輸出功率的影響，并對實驗結果做出了分析，對LD側泵Nd：YAG聲光調(diào)Q激光器的設計優(yōu)化具有一定的參考意義.

1 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示，激光器采用平—平腔結構，M1、M2分別為激光器的全反鏡和輸出鏡；Nd：YAG激光模塊采用的是北京國科激光技術公司的GKPMY-50A2，利用激光二極管進行側面泵浦，最大泵浦功率為180W，其光-光轉換效率約為30%，YAG晶體棒規(guī)格Ф3×67mm；聲光Q開關為中電26所生產(chǎn)的QSGSU-5/Q，射頻頻率27MHz，關斷功率 50W，調(diào)制頻率 1～50kHz，對1.06μm波長光的衍射效率大于50%.輸出脈沖的平均功率和脈沖信號波形分別用LI-P激光功率計和美國Tektronix公司生產(chǎn)的500MHz數(shù)字式TDS3054B四通道彩色示波器進行測量，探測器為德國生產(chǎn)的InGaAs光電探測器.

圖1 實驗裝置示意圖

2 實驗結果

2.1 腔長對脈寬和平均功率的影響

圖2、圖3分別為泵浦電流I為25A，輸出鏡反射率R為84%，不同腔長L時脈寬t和平均功率P與調(diào)Q重復頻率f之間的關系.

圖2 不同腔長L時脈寬t與重復頻率 f之間的關系

圖3 不同腔長L時平均功率P與重復頻率 f之間的關系

從圖2可以看出腔長對脈寬影響較大，腔長越長脈寬越寬；在重頻較高時，改變腔長對脈寬的影響比重頻較低時脈寬受腔長的影響更為明顯.因此，縮短腔長有利于獲取窄脈沖，在重頻為5kHz，腔長為21.5cm時，可得到脈寬為45ns的激光脈沖.從圖3可知腔長越短平均功率越大.在重頻較高時，改變腔長對平均功率的影響比重頻較低時平均功率受腔長的影響更為明顯.因此，縮短腔長有利于獲取高平均功率.在重頻為50kHz，腔長為21.5cm時，可得到平均功率為40W的激光脈沖.

2.2 泵浦電流對脈寬的影響

圖4為腔長L為30cm，輸出鏡反射率R為92.4%，不同重復頻率f時脈寬t與泵浦電流I之間的關系.

圖4 不同重復頻率 f時脈沖寬度t與泵浦電流I之間的關系

從圖4可以看出隨著泵浦電流I的增加，脈寬不斷減?。辉诒闷蛛娏鬏^低時增加泵浦電流，脈寬變化較為明顯，隨著I的增加，脈寬的變化逐漸變?。辉谥仡lf較高時，泵浦電流的變化對脈寬的影響比重頻較低時更為明顯.在重頻為5kHz，泵浦電流I為28A時，得到脈寬為35.59ns的激光脈沖，如圖5所示，此時平均輸出功率為12.1W，則脈沖能量為2.42mJ，峰值功率為67.96kW.

圖5 脈沖波形圖

2.3 輸出鏡反射率及重復頻率對脈寬和平均功率的影響

圖6 、圖7分別為腔長L為30cm，泵浦電流I為28A，不同輸出鏡反射率R時脈寬t和平均輸出功率P與重復頻率f之間的關系.

圖6 不同輸出鏡反射率R時脈沖寬度t與重復頻率f之間的關系

圖7 不同輸出鏡反射率R時平均功率P與重復頻率 f之間的關系

由圖6可知，輸出鏡反射率R對脈寬具有較大影響，R增大時脈寬t變窄；并且在重復頻率f較高時，R的變化對t的影響比f較低時的影響更大.由圖7可知，輸出鏡反射率R對平均輸出功率P的影響很大，R為84%時平均功率較大.

由圖6、圖7可以看出，隨著重復頻率f的增大，會使脈寬t變寬、平均功率P增大；當f大于35kHz時，P變化很緩慢，接近于靜態(tài)連續(xù)輸出功率，在R為84%，激光器靜態(tài)連續(xù)輸出功率為41.1W，進行聲光調(diào)Q后f為50kHz時的平均功率測得為39.6W，其動靜比為0.962.

3 結果分析

根據(jù)調(diào)Q激光器的基本理論可推出，在調(diào)Q重復頻率為f時，激光器的平均輸出功率P、單脈沖能量E和脈寬t可分別表示為［8］：

式中，R為輸出鏡反射率；L為激光器諧振腔長度；hν為光子能量；V為腔內(nèi)光子的模體積；σ受激發(fā)射截面；γ為增益介質粒子數(shù)反轉因子（對于四能級系統(tǒng)，γ取1）；τc為腔內(nèi)光子壽命；ni、nt和nf分別為初始反轉粒子數(shù)密度、閾值反轉粒子數(shù)密度和剩余反轉粒子數(shù)密度.

3.1 腔長對脈寬和平均功率的影響

由（1）式知，脈寬t正比于腔內(nèi)光子壽命τc，又因為為有效腔長，δ為腔內(nèi)損耗，c為光速），所以假設初始反轉粒子數(shù)密度ni、閾值反轉粒子數(shù)密度nt和剩余反轉粒子數(shù)密度nf都不變，當腔長L增加時，脈寬變寬；由（2）式知，增加腔長L會使平均輸出功率P降低.

3.2 泵浦電流對脈寬的影響

當泵浦電流提高時，抽運速率隨之增大，使得上能級初始反轉粒子數(shù)密度ni增加，而抽運速率的變化對剩余反轉粒子數(shù)密度nf影響較小，對閾值反轉粒子數(shù)密度nt沒有影響，因此，提高泵浦電流會增加ni/nt值.由（3）式知，脈寬t反比于ni/nt值，泵浦電流的提高會使脈寬變窄.

3.3 輸出鏡反射率及重復頻率對脈寬和平均功率的影響

增加輸出鏡反射率R會使腔內(nèi)損耗降低，使初始反轉粒子數(shù)密度ni增加，ni/nt值和ni/nf值增大，因此R增大時脈寬t變窄.由（2）式知，R的增加一方面能使ni/nf值增大，增加腔內(nèi)儲能，使平均功率P得到提高，另一方面，又因透過率減小而使P變小，因此，在R增加的過程中，R存在一最佳值使P達到最大值.對于調(diào)Q激光器，其最佳輸出鏡反射率是根據(jù)腔內(nèi)增益和損耗進行選取的，一般脈沖抽運的固體激光器，其輸出鏡反射率最佳值在30%～50%之間［9］，而連續(xù)抽運固體激光器的輸出鏡反射率最佳值在80%～98%之間［10］.本文中R為84%時平均功率較大，這與理論值基本符合.

提高重復頻率f會使脈沖之間的時間間隔變小，使上能級反轉粒子數(shù)的積累時間減小，降低了上能級積累的反轉粒子數(shù)，使ni/nt值減小，因此脈寬不斷增加；但脈沖之間的時間間隔變小會減少因自發(fā)輻射躍遷而損耗的反轉粒子數(shù)，所以平均功率得到提高.

從圖2、圖4、圖6還可以看出，隨著重復頻率f的不斷增加，腔長L、泵浦功率（泵浦電流I）和輸出鏡反射率R對脈寬t的影響會不斷增加.因為f較小時，脈沖之間的時間間隔較大，上能級積累的反轉粒子數(shù)較多，因L與R變化而改變的閾值反轉粒子數(shù)nt和I變化而改變的初始反轉粒子數(shù)ni占上能級總的反轉粒子數(shù)的比例較小，對ni/nt值的影響較小，進而對脈寬t的影響較??；而當f較大時，脈沖之間的時間間隔較較小，上能級積累的反轉粒子數(shù)較少，因L、I和R變化而改變的反轉粒子數(shù)占上能級總的反轉粒子數(shù)的比例較大，增加了對ni/nt值的影響，因此對脈寬t的影響變大.

相比于LD端泵聲光調(diào)Q激光器，LD側泵聲光調(diào)Q的激光光束直徑較大，脈沖脈寬較寬，但側泵的抽運速率大、輸出功率大，可通過準直、聚焦透鏡壓縮光束直徑，以減小調(diào)Q開關超聲波在聲光介質中的渡越時間，可進一步減小脈寬，容易實現(xiàn)窄脈沖、高峰值功率的高重頻激光.

4 結論

對LD側泵Nd：YAG聲光調(diào)Q激光器進行了實驗研究，實驗結果表明：提高泵浦電流、增加輸出鏡反射率和縮短腔長都能夠使脈寬變窄；輸出鏡反射率存在最佳值使平均輸出功率達到最大；增加調(diào)Q重復頻率會使脈寬變寬、平均輸出功率得到提高；泵浦電流、輸出鏡反射率和腔長的變化對脈寬的影響程度因重復頻率的變化而不同，在重頻較高時對脈寬的影響比重頻較低時更為明顯.