声光调Q激光关断与调制实验研究_程钰渲.pdf

第 44 卷第 1 期 温 州 大 学 学 报（自 然 科 学 版）2023 年 2 月 Vol.44 No.1 Journal of Wenzhou University(Natural Science Edition)Feb.2023 声光调 Q 激光关断与调制实验研究 程钰渲1，段延敏1，何立英1，齐子钦2，朱海永2(1温州大学数理学院，浙江温州 325035；2温州大学电气与电子工程学院，浙江温州 325035)摘 要：设计了端面抽运 Nd:YVO4晶体声光调 Q 激光实验，开展声光调 Q 激光关断与调制特性研究 将 Q 开关分别工作于自由运转、高衍射和调 Q 三种状态，对比采用 15%、30%和 45%三个透过率耦合腔镜的输出功率结果表明，在自由运转连续波状态下工作时，三个耦合腔镜对应的激光输出功率差别较小；处于高衍射状态下，耦合腔镜透过率越大，越有利于抑制激光振荡，减少激光处于关断状态对上能级粒子数的消耗；处于调 Q 状态下，抽运功率达到一定值后，总会出现输出功率饱和现象，调Q 激光腔内的功率密度非常高，过小的透过率不利于激光的有效输出，因此透过率越低的越早出现饱和现象 关键词：声光 Q 开关；激光器；Nd:YVO4晶体 中图分类号：TN248.1 文献标志码：A 文章编号：1674-3563(2023)01-0038-06 DOI：10.3875/j.issn.1674-3563.2023.01.005 本文的 PDF 文件可以从 https:/ 获得 在激光加工、测距、医疗等应用领域都需要高峰值的脉冲激光器1-2相关脉冲激光器主要通过调 Q 和锁模等方式实现，其中调 Q 可实现纳秒量级脉宽激光，锁模可实现皮秒飞秒量级脉宽激光3-4调 Q 方式又可分为利用声光 Q 开关、电光 Q 开关等器件实现的主动调 Q 和利用材料可饱和吸收特性实现的被动调 Q5-6其中声光调 Q 主要通过电声转换形成射频信号使声光介质折射率发生周期性变化，从而对入射光产生衍射损耗，引起 Q 值下降来抑制激光振荡7-8此时，激光增益介质吸收抽运光，上能级粒子数不断积累达到粒子数反转，当突然撤除射频信号时，衍射消失，腔内 Q 值猛增，激光振荡迅速建立，并产生高峰值的脉冲激光声光调 Q 可通过外部驱动控制重复频率，实现高重频激光输出，并且无需电光调 Q 所必需的高压驱动9-10 目前文献报道的关于声光调 Q 激光的研究11-14，主要是针对不同激光晶体的调 Q 激光的输出脉冲特性进行的2017 年，蒋云等15对半导体激光侧面抽运的声光调 Q 激光器进行了实验研究，对调 Q 前后激光输出功率进行了对比，分析了调 Q 重复频率对输出功率的影响2020 年，马超群等16研究了射频功率对激光关断的影响，表明增大射频信号可以提高 Q 开关关断效果，使得高衍射下，激光完全消失，但会影响激光脉冲上升时间，从而影响一些应用，所以在搭建用于激光加工声光调 Q 脉冲激光器时，并非一定要完全关断，而是应该根据实际情况选择合适的射频收稿日期：2022-03-27 基金项目：国家自然科学基金(62075167)；国家级大学生创新创业训练计划项目(202110351024)；温州大学实验室开放项目(JWSK2021020)；浙江省新苗人才计划项目(2022R429A011)作者简介：程钰渲(2001)，女，浙江温岭人，研究方向：激光与光电技术 程钰渲等：声光调 Q 激光关断与调制实验研究 39 功率来同时获得较高的激光的开启速度 尚未见到其他对声光调 Q 激光关断与调制特性的系统实验研究本文以半导体激光端面抽运 Nd:YVO4晶体声光调 Q 激光为研究对象，结合不同透过率的耦合腔镜对调 Q 激光输出的影响，研究声光 Q 开关分别工作于自由运转连续波、高衍射和调 Q三种状态的激光特性，可更好地了解声光调 Q 的机制和调制影响因素，为进一步开展声光调 Q激光实验系统设计提供重要参考 1 实验装置介绍 所采用的端面抽运 Nd:YVO4晶体声光调 Q 激光实验装置示意图见图 1 实验中以掺 Nd3+浓度0.3%的 Nd:YVO4 晶体（尺寸为 3 mm 3 mm 10 mm）为激光晶体，激光晶体侧面用铟箔包裹后置于通过半导体制冷器控温在 20的紫铜块内Nd:YVO4晶体两端面均镀制对抽运光 808 nm 和基频光 1 064 nm 增透的膜系，以减少晶体表面的反射损耗；以芯径 200 m、数值孔径 0.22 的光纤耦合输出 808 nm 半导体激光器为抽运源光纤输出抽运光经由一对色散补偿的透镜组合而成的耦合系统，准直聚焦成束腰直径为 320 m 的光斑再入射到 Nd:YVO4晶体内谐振腔是由一对抽运输入腔镜和耦合输出腔镜组成的平平腔，总腔长为 8 cm 抽运输入腔镜镀制对抽运光 808 nm增透（T 95%）、同时对基频光 1 064 nm 高反的膜系（R 99.9%）；激光耦合腔镜镀制对 1 064 nm激光部分透过的膜系，透过率分别为 15%、30%和 45%声光 Q 开关由 Gooch&Housego 公司生产，型号为 QS041-10G-GHI2，置于激光晶体与耦合输出腔镜之间，其射频驱动频率为 41 MHz，调制损耗大于 85%实验中采用 4 GHz 自由空间铟砷化镓光电探测器来接收激光输出脉冲信号，再链接到 500 MHz 泰克数字示波器（型号 DPO3052B）来显示脉冲波形及脉冲序列 图 1 端面抽运 Nd:YVO4晶体声光调 Q 激光实验装置示意图 2 实验结果与分析 实验中分别采用三个不同透过率的输出耦合腔镜（T 分别为 15%、30%、45%）研究激光输出耦合率对声光调 Q 性能的影响，并对声光 Q 开关分别工作在自由运转连续波、高衍射和固定重复率调 Q 三种状态下的输出激光进行测量分析 2.1 Q 开关处于自由运转连续波状态的研究 基于图 1 所示实验装置，关闭 Q 开关电源，使 Q 开关处于自由运转状态，输出激光为连续波实验测量采用三个不同透过率的输出耦合腔镜的输出功率，结果如图 2 所示 由图 2 可知，声光 Q 开关处于自由状态下，三个不同透过率激光系统的激光阈值非常接近，约为 1.2 W采用透过率为 15%和 45%耦合腔镜的斜效率均为 65.9%，12.2 W 抽运功率时的输出功率为 7.3 W，采用透过率为 30%的略高，斜效率为 69.5%，在 12.2 W 抽运功率时的输出功率为 温州大学学报（自然科学版）(2023)第 44 卷第 1 期 40 7.4 W所以对于连续波运转系统，透过率在 15%到 45%之间对输出功率影响较小，系统最佳透过率也在两者之间 2.2 Q 开关处于高衍射状态的研究 对声光 Q 开关加连续的射频信号，使 Q 开关处于高衍射状态，即损耗升至最大，以此来减少激光起振对激光晶体上能级粒子积累的影响理论上，Q 开关处于高衍射状态，如果能完全抑制激光振荡，就可以避免激光处于关断状态时对上能级粒子数的消耗 所以 Q 开关衍射效率越高，调 Q 关断性能就越好但在实际中，衍射效率不能达到百分之百，这使得高衍射状态时，随着抽运功率升高，粒子在上能级不断积累，当上能级粒子数积累到一定程度，其增益大于损耗时，还会达到激光阈值，从而实现激光起振文献16也指出在搭建声光调 Q 脉冲激光器时，并非一定要完全关断，而是应该根据实际情况选择合适的射频功率来同时获得较高的激光开启速度我们在实验中也用三个不同透过率的输出耦合腔镜对 Q 开关处于高衍射状态下，随着抽运功率增加而产生的激光起振现象进行研究图 3 给出了对应的输出功率与入射抽运功率之间的关系对应的激光起振阈值在 3.1 到 3.5 W 之间时，透过率越大，阈值越高但透过率大的输出的斜效率很高，透过率 45%的输出功率很快超过较低的透过率的输出，在最高 12.2 W 抽运下，获得了 1.83 W 的1 064 nm 激光输出耦合腔镜透过越大，同样越有利于抑制激光振荡，减少激光处于关断状态对上能级粒子数的消耗，所以实验中的阈值也越高实现激光起振后，激光的输出分为 Q 开关衍射输出和耦合腔镜输出两部分当输出镜片的透过率大时，从耦合输出腔镜输出的激光比例也大，所以会出现实验中透过率大，从耦合输出镜测量到输出功率也更高的情况 2.3 Q 开关处于调 Q 状态的研究 当对声光 Q 开关加特定重复频率调制的射频信号时，激光将处于调 Q 状态之前已有很多文献报道过，在调 Q 状态下重复频率对激光输出特性的影响重复频率越低，一个周期内 Q 开关高衍射时间越长，激光晶体上能级粒子数的积累越多，激光脉冲能量越大，峰值越高；但高衍射时间过长，特别是大于上能级粒子寿命时，会增加自发辐射损耗，影响激光输出的平均功率以及高抽运功率下的自由振荡激光产生 所以调 Q 时的激光平均输出功率一般随重复频率减少而减图 2 自由运转连续波状态下不同输出 镜片的输出功率 图 3 高衍射状态下不同输出镜片的 输出功率 程钰渲等：声光调 Q 激光关断与调制实验研究 41 少，特别是重复频率较低时，减少得更快17-18 图4给出了固定重复频率下，不同透过率腔镜时激光平均输出功率随入射抽运功率的关系 从图 4 可知，三个腔镜的输出功率随抽运功率增大而增大，且在增大后期，都会出现饱和现象；在12.2 W 的抽运下，透过率 15%、30%和 45%的腔镜分别获得了 3.8 W、5.0 W 和 5.6 W 的平均功率输出还可以看出，透过率越低的越早出现饱和现象，这主要是因为调 Q 以后，激光振荡时腔内的功率密度非常高，过小的透过率不利于激光的有效输出所以，随着抽运功率的增加，增益加强后，需要采用更高透过率的耦合腔镜来保证有效输出 图 5 给出了在 12.2 W 抽运功率下三种腔镜激光输出的脉宽，透过率 15%、30%和 45%的腔镜分别对应脉宽为 9.1 ns、7.8 ns 和 6.8 ns 的平均功率输出随着耦合腔镜透过率的增大，输出激光的脉宽在减小 3 结 论 本文以端面抽运 Nd:YVO4晶体声光调 Q 激光为研究对象，开展声光调 Q 激光关断与调制的实验研究，对声光 Q 开关分别工作于自由运转连续波、高衍射和调 Q 三种状态的激光特性进行了系统分析首先，在声光 Q 开关处于自由运转连续波状态时，对比 15%、30%和 45%三个不同透过率的输出耦合腔镜的输出功率，发现三个耦合腔镜对应的激光输出功率差别较小其次，在声光 Q 开关处于高衍射状态时，分析不同透过率的输出耦合腔镜对关断效果的影响，发现耦合腔镜透过越大，越有利于抑制激光振荡，减少激光处于关断状态对上能级粒子数的消耗最后，在声光 Q 开关处于调 Q 状态时，研究调 Q 激光性能，发现抽运功率达到一定值后，总会出现输出功率饱和现象；由于调 Q 后，激光振荡时腔内的功率密度非常高，随着抽运功率增加，过小的透过率不利于激光的有效输出，因此透过率越低的越早出现饱和现象 参考文献 1 顾波.激光加工技术及产业的现状与应用发展趋势J.金属加工:热加工,2020(10):37-42.2 杨域博,陆浩宇,张文凯.基于法布里-珀罗干涉仪的窄带宽激光脉冲产生及其应用J.物理实验,2021,41(4):图 4 调 Q 状态下不同输出镜片的 输出功率 图5 12.2 W抽运功率下不同透过率 腔镜激光输出的脉宽 温州大学学报（自然科学版）(2023)第 44 卷第 1 期 42 17-21.3 克希耐尔.固体激光工程M.孙文,江泽文,程国祥,译.5 版.北京:科学出版社,2002:410-504.4 刘凤芹,张百涛,孙晓莉,等.基于 SESAM 的 Yb:KYW 飞秒激光器的研究J.物理实验,2020,40(2):16-21.5 Duan Y M,Zhang J,Zhu H Y,et al.Compact Passively Q-switched RbTiOPO4 Cascaded Raman Operation J.Optics Letters,2018,43:4550-4553.6 周建