侧泵激光器实验
LD侧泵Nd:YAG声光调Q激光器输出特性的实验研究
LD侧泵Nd：YAG声光调Q激光器输出特性的实验研究邬家成;沈慧娟【摘要】为了进一步提高激光器的输出特性和优化器件结构,对LD侧泵Nd:YAG声光调Q激光器进行了实验,并对实验结果做出分析.研究了谐振腔腔长、泵浦电流、输出镜反射率以及重复频率等因素对输出激光的脉宽和平均输出功率的影响.实验结果表明:提高泵浦电流、增加输出镜反射率和缩短腔长能够使脉宽变窄;输出镜反射率存在最佳值,使平均输出功率达到最大;提高重复频率使脉宽变宽、增加平均输出功率;泵浦电流、输出镜反射率和腔长的变化对脉宽的影响程度因重复频率的变化而不同,在重频较高时对脉宽的影响比重频较低时更为明显.【期刊名称】《通化师范学院学报》【年(卷),期】2018(039)010【总页数】4页(P37-40)【关键词】激光技术;声光调Q;脉宽;重复频率【作者】邬家成;沈慧娟【作者单位】安徽中医药大学医药信息工程学院安徽合肥230012;【正文语种】中文【中图分类】TN248激光二极管（LD）泵浦的固体激光器具有效率高、光束质量好、结构紧凑、性能稳定和寿命长等优点［1］，采用多向对称分布的大功率激光二极管阵列进行侧面抽运，对于泵浦耦合和均匀散热提供较大的表面面积，可显著提高抽运功率，实现大功率输出.利用LD的泵浦Nd：YAG声光调Q激光器可获得高重复频率、窄脉宽和高峰值功率的激光脉冲，在激光雷达、激光通信、激光医疗和激光打标等领域得到广泛的应用［2-7］.本文利用声光Q开关对LD侧面泵浦Nd：YAG激光模块输出的连续激光进行调Q实验，主要研究了激光器谐振腔腔长、泵浦电流、输出镜反射率以及重复频率等因素对输出激光的脉宽和平均输出功率的影响，并对实验结果做出了分析，对LD侧泵Nd：YAG声光调Q激光器的设计优化具有一定的参考意义.1 实验装置实验装置如图1所示，激光器采用平—平腔结构，M1、M2分别为激光器的全反镜和输出镜；Nd：YAG激光模块采用的是北京国科激光技术公司的GKPMY-50A2，利用激光二极管进行侧面泵浦，最大泵浦功率为180W，其光-光转换效率约为30%，YAG晶体棒规格Ф3×67mm；声光Q开关为中电26所生产的QSGSU-5/Q，射频频率27MHz，关断功率 50W，调制频率 1～50kHz，对1.06μm波长光的衍射效率大于50%.输出脉冲的平均功率和脉冲信号波形分别用LI-P激光功率计和美国Tektronix公司生产的500MHz数字式TDS3054B四通道彩色示波器进行测量，探测器为德国生产的InGaAs光电探测器.图1 实验装置示意图2 实验结果2.1 腔长对脉宽和平均功率的影响图2、图3分别为泵浦电流I为25A，输出镜反射率R为84%，不同腔长L时脉宽t和平均功率P与调Q重复频率 f之间的关系.图2 不同腔长L时脉宽t与重复频率 f之间的关系图3 不同腔长L时平均功率P与重复频率 f之间的关系从图2可以看出腔长对脉宽影响较大，腔长越长脉宽越宽；在重频较高时，改变腔长对脉宽的影响比重频较低时脉宽受腔长的影响更为明显.因此，缩短腔长有利于获取窄脉冲，在重频为5kHz，腔长为21.5cm时，可得到脉宽为45ns的激光脉冲.从图3可知腔长越短平均功率越大.在重频较高时，改变腔长对平均功率的影响比重频较低时平均功率受腔长的影响更为明显.因此，缩短腔长有利于获取高平均功率.在重频为50kHz，腔长为21.5cm时，可得到平均功率为40W的激光脉冲.2.2 泵浦电流对脉宽的影响图4为腔长L为30cm，输出镜反射率R为92.4%，不同重复频率 f时脉宽t与泵浦电流I之间的关系.图4 不同重复频率 f时脉冲宽度t与泵浦电流I之间的关系从图4可以看出随着泵浦电流I的增加，脉宽不断减小；在泵浦电流较低时增加泵浦电流，脉宽变化较为明显，随着I的增加，脉宽的变化逐渐变小；在重频 f较高时，泵浦电流的变化对脉宽的影响比重频较低时更为明显.在重频为5kHz，泵浦电流I为28A时，得到脉宽为35.59ns的激光脉冲，如图5所示，此时平均输出功率为12.1W，则脉冲能量为2.42mJ，峰值功率为67.96kW.图5 脉冲波形图2.3 输出镜反射率及重复频率对脉宽和平均功率的影响图6 、图7分别为腔长L为30cm，泵浦电流I为28A，不同输出镜反射率R时脉宽t和平均输出功率P与重复频率 f之间的关系.图6 不同输出镜反射率R时脉冲宽度t与重复频率f之间的关系图7 不同输出镜反射率R时平均功率P与重复频率 f之间的关系由图6可知，输出镜反射率R对脉宽具有较大影响，R增大时脉宽t变窄；并且在重复频率f较高时，R的变化对t的影响比 f较低时的影响更大.由图7可知，输出镜反射率R对平均输出功率P的影响很大，R为84%时平均功率较大.由图6、图7可以看出，随着重复频率 f的增大，会使脉宽t变宽、平均功率P增大；当f大于35kHz时，P变化很缓慢，接近于静态连续输出功率，在R为84%，激光器静态连续输出功率为41.1W，进行声光调Q后 f为50kHz时的平均功率测得为39.6W，其动静比为0.962.3 结果分析根据调Q激光器的基本理论可推出，在调Q重复频率为 f时，激光器的平均输出功率P、单脉冲能量E和脉宽t可分别表示为［8］：式中，R为输出镜反射率；L为激光器谐振腔长度；hν为光子能量；V为腔内光子的模体积；σ受激发射截面；γ为增益介质粒子数反转因子（对于四能级系统，γ取1）；τc为腔内光子寿命；ni、nt和nf分别为初始反转粒子数密度、阈值反转粒子数密度和剩余反转粒子数密度.3.1 腔长对脉宽和平均功率的影响由（1）式知，脉宽t正比于腔内光子寿命τc，又因为为有效腔长，δ为腔内损耗，c为光速），所以假设初始反转粒子数密度ni、阈值反转粒子数密度nt和剩余反转粒子数密度nf都不变，当腔长L增加时，脉宽变宽；由（2）式知，增加腔长L 会使平均输出功率P降低.3.2 泵浦电流对脉宽的影响当泵浦电流提高时，抽运速率随之增大，使得上能级初始反转粒子数密度ni增加，而抽运速率的变化对剩余反转粒子数密度nf影响较小，对阈值反转粒子数密度nt 没有影响，因此，提高泵浦电流会增加ni/nt值.由（3）式知，脉宽t反比于ni/nt值，泵浦电流的提高会使脉宽变窄.3.3 输出镜反射率及重复频率对脉宽和平均功率的影响增加输出镜反射率R会使腔内损耗降低，使初始反转粒子数密度ni增加，ni/nt值和ni/nf值增大，因此R增大时脉宽t变窄.由（2）式知，R的增加一方面能使ni/nf值增大，增加腔内储能，使平均功率P得到提高，另一方面，又因透过率减小而使P变小，因此，在R增加的过程中，R存在一最佳值使P达到最大值.对于调Q激光器，其最佳输出镜反射率是根据腔内增益和损耗进行选取的，一般脉冲抽运的固体激光器，其输出镜反射率最佳值在30%～50%之间［9］，而连续抽运固体激光器的输出镜反射率最佳值在80%～98%之间［10］.本文中 R 为84%时平均功率较大，这与理论值基本符合.提高重复频率 f会使脉冲之间的时间间隔变小，使上能级反转粒子数的积累时间减小，降低了上能级积累的反转粒子数，使ni/nt值减小，因此脉宽不断增加；但脉冲之间的时间间隔变小会减少因自发辐射跃迁而损耗的反转粒子数，所以平均功率得到提高.从图2、图4、图6还可以看出，随着重复频率f的不断增加，腔长L、泵浦功率（泵浦电流I）和输出镜反射率R对脉宽t的影响会不断增加.因为 f较小时，脉冲之间的时间间隔较大，上能级积累的反转粒子数较多，因L与R变化而改变的阈值反转粒子数nt和I变化而改变的初始反转粒子数ni占上能级总的反转粒子数的比例较小，对ni/nt值的影响较小，进而对脉宽t的影响较小；而当 f较大时，脉冲之间的时间间隔较较小，上能级积累的反转粒子数较少，因L、I和R变化而改变的反转粒子数占上能级总的反转粒子数的比例较大，增加了对ni/nt值的影响，因此对脉宽t的影响变大.相比于LD端泵声光调Q激光器，LD侧泵声光调Q的激光光束直径较大，脉冲脉宽较宽，但侧泵的抽运速率大、输出功率大，可通过准直、聚焦透镜压缩光束直径，以减小调Q开关超声波在声光介质中的渡越时间，可进一步减小脉宽，容易实现窄脉冲、高峰值功率的高重频激光.4 结论对LD侧泵Nd：YAG声光调Q激光器进行了实验研究，实验结果表明：提高泵浦电流、增加输出镜反射率和缩短腔长都能够使脉宽变窄；输出镜反射率存在最佳值使平均输出功率达到最大；增加调Q重复频率会使脉宽变宽、平均输出功率得到提高；泵浦电流、输出镜反射率和腔长的变化对脉宽的影响程度因重复频率的变化而不同，在重频较高时对脉宽的影响比重频较低时更为明显.参考文献：【相关文献】［1］王旭.LD泵浦的Yb：YAG薄片激光器特性研究［D］.北京：中国科学院大学（中国科学院西安光学精密机械研究所），2016.［2］黄雪松.LD泵浦Nd：YAG/Cr～（4+）：YAG被动调Q微型激光器研究［D］.北京：北京工业大学，2016.［3］余锦，张雪，刘洋，等.LD泵浦高功率高斜效率Nd：YVO4声光调Q激光器［J］.强激光与粒子束，2011，23（2）：285-289.［4］杨策，李业秋，吴杰，等.全固态声光调Q激光器重频对能量转换的影响［J］.沈阳理工大学学报，2013，32（5）：91-94.［5］董小龙，付喜宏，高兰兰，等.LD抽运声光调Q1064nm窄脉宽激光器［J］.激光与光电子学进展，2014，51（9）：135-139.［6］吴权.LD泵浦Nd：YVO4/Cr4+：YAG被动调Q激光器腔型优化及理论实验研究［D］.北京：中国科学院大学，2013.［7］安汝德.预泵浦Cr，Nd：YAG双频微片激光器研究［D］.杭州：杭州电子科技大学，2013. ［8］KoechnerW.固体激光工程［M］.北京：科学出版社，2002.［9］巨养锋，阮双琛，龙井华.固体脉冲激光器输出镜最佳反射率的普遍表达式［J］.大气与环境光学学报，2002，15（4）：15-16.［10］井旭.355nm固体脉冲激光泵浦硝酸钡晶体拉曼特性研究［D］.长春：长春理工大学，2010.。
LD侧面泵浦Nd：YAG激光器的研究
LD侧面泵浦Nd：YAG激光器的研究摘要介绍了YAG晶体的性质以及与其他类似晶体的比较，介绍了固体激光器泵浦的两种方式:端面泵浦和侧面泵浦，并主要分析了侧面泵浦的优点。
设计和分析了一种侧面泵浦结构的固体激光器，通过选取合适激光晶体（Nd：YAG晶体），进行侧面泵浦。
在泵浦光反向冷却套侧壁镀高反射金膜，使激光棒侧向均匀泵浦，实现低阶膜输出。
对激光二极管侧面泵浦Nd∶YAG 激光器的热效应进行了分析，通过热传导方程的推导和分析，得出YAG晶体内的温度分布情况，以及对各种可能的结果进行了数值模拟和分析，得到了一些影响YAG晶体内的温度分布的因素。
关键词：固体激光器；LD侧面泵浦；Nd：YAG晶体；热效应The Study on LD Side-pumped Nd：YAG LaserAbstractDescribed the nature of the YAG crystal and other similar comparison of crystal, introduced a solid-state laser pumped in two ways: end-pumped and side-pumped. And the main analysis of the advantages is on side-pumped. Design and analyse a side-pumped solid-state laser. By choosing a suitable laser crystal (Nd: YAG crystal), For side-pumped. In the reverse cooling pump sets highly reflective gold-plated wall membrane, So that the lateral uniformity of the laser rod pumped to achieve low film output. Of the laser diode side-pumped Nd: YAG laser thermal effects are analyzed. Heat conduction equation through the derivation and analysis within the YAG crystal temperature distribution, As well as the range of possible outcomes of a numerical simulation and analysis, have been some impact on the temperature inside the YAG crystal is a factor.Key words：solid state laser ; LD side-pump; Nd：YAG crystal；Thermal effect目录摘要 0ABSTRACT (1)1 绪论 (2)2 激光器 (3)2.1激光器简介 (3)2.1.1 什么是激光器 (3)2.1.2 激光器工作原理 (4)2.1.3 激光工作物质 (4)2.1.4 激励(泵浦)系统 (4)2.1.5 光学共振腔 (5)2．2固体激光器 (5)2.2.1 什么是固体激光器 (5)2.2.2 Nd:YAG晶体 (5)2.2.3 ND：YAG激光器 (7)2.3LD泵浦固体激光器 (7)2.3.1 LD泵浦固体激光器的优点 (7)2.3.2 侧面泵浦 (8)2.3.3 LD泵浦固体激光器的发展状况 (9)3 LD侧面泵浦ND：YAG激光器 (10)3.1LD侧面泵浦N D:YAG激光器的设计与分析 (10)3.1.1 阵列管泵浦源结构分析 (10)3.1.2 激光晶体棒选取 (10)3.1.3 聚光结构设计 (11)3.2模拟分析与推导 (12)3.2.1 泵浦高斯光强修正 (12)3.2.2 热传导方程与温度场 (13)3.2.3 激光棒内的温度分布 (13)3.2.4 激光棒内的热应力和热应力双折射 (14)3.3讨论 (17)4 总结 (18)致谢 (18)参考文献 (19)1 绪论世界上第一个激光器的成功演示距今已经40多年了。
LDA侧面泵浦1319nm_1338nm双波长激光器的研究
2 双波长激光产生的方法
1319 nm 是 Nd: YAG 的4 F3/ 2 能级 R2 分量到4 I 13/ 2 能级的
基金项目: 国家重点基础研究发展计划∀ 973 # 资助项目( 2007CB310403) ; 国家自然科学基金重点资助项目 ( 60637010) ; 国家自然科学基金资助项目 ( 60971027, 60978021, 10874128)
1 引 言
近年, 双波长和频激光器发展很快Байду номын сангаас 如 Nd: YAG 晶体的 1 064 nm 和 1319 nm 双波长同时振荡并经和频可以产生钠黄光 ( 589 nm) 激光[ 1, 2] , 946 nm 和 1 319 nm 同时振荡并经和频可以 产生青光( 500. 8 nm) 激光[ 3] 。Nd: YAG 的 1. 3 m 的两个主要 谱线( 1319 nm 和 1 338 nm) 的波长间隔适当, 通过差频可以产 生亚毫米波段的输出[ 4~ 9] 。尽管差频产生亚毫米波的方法存 在转换效率偏低的问题, 但目前仍具有一定的实用价值, 因为 它具有使用方便、 室温运转、 寿命长和性能稳定等优点。同时, 有机材料 DAST 具有有效非线性系数高的优点, 可选做 1 319 [ 10~ 12] nm 与 1 338 nm 的差频晶体 。 在做 1319 nm 的激光器时, 1 338 nm 的出现被视为负面效
3 实 验
实验中, 使用国产的 LD 连续泵浦 Nd: YAG 组件, LD 的最 [ 11, 12] 高功率为 600 W 。Q 开关是适用于 1. 3 m, 且端面镀 1. 3 m 增透膜的声 光 Q 开关。Nd: YAG 端面镀 1. 3 m 及 1. 06 m 的增透膜。激光器的光谱特性使用 Agilent 公司的 86142B 光纤光谱仪观察, 由于 1319nm 与 1338nm 的波长间隔相对光 谱仪的接收器件来讲波长间隔很小, 可以近似认为光谱仪显示 两个谱线高度 一致时双波长 的输出功率 近似相等。使用 M olectron公司的宽带响应功率计测量双波长激光的输出 功率。 将 1. 3 m 的布儒斯特偏振片放入激光腔中, 如图 1 所 示。输出镜对两个波长的透过率大约为 7% , 布儒斯特窗片 在 1. 3 m 透过率略大于 95% 。实验中, 先调节 LDA 的工 作电流到所需状态 , 然后连续调整偏振镜倾角, 利用光谱仪 可以看到, 激光器的输出状态从输出单一波长 1 319 nm 变 化到两个波长同时振荡 , 然后再变化到只输出 1 338 nm( 或 沿相反方向的连续变化 ) 。在输出双波长的状态 , 可以通过 调节偏振镜的倾角调节两个波长的输出比例。 该方法的缺点是对激光器的输出功率水平影响很大。 由于布儒斯特窗片不可能同时对两个波长同时处于最佳的 倾角。另外, 实验所用的布儒斯特偏振片的透过率仍然偏
环形大功率LD侧面泵浦固体激光器特性研究
环形大功率ＬＤ侧面泵浦固体激光器特性研究罗亦呜李明中秦兴武陈良明隋展赵润昌丁磊梁樾中田丁程物理研究院激光秉变研究中心绵扪市９１９信箱９８８分箱（６２１９００）摘要－牟史探索ｒ一种新型泵浦耦台方式．采用总功率３ｋＷ的环彤ＬＩ）阵列紧密环绕棒状增益介质进行直接泉埔，获得ｒ鞍理想的泵浦光能量转换效率和泵浦均匀性，在１０５４ｒｉｍ波艮上获得丁５６１ｍＪ的最人撇光输｝ｎ．光光转换效率达到３８．１４％。
关键词ｚ叫、形ＬＤ直接泉浦效率均匀性引言采用激光二极管作为同体激光器的泵浦源，具有效率高、能量输出的不确定性小，光求质茸高，热效应低、寿命长、结构紧凑、高重复频率等用闪光灯泵浦难以实现的优点Ｉ—ｉ。
随着半导体工业的发展．ＬＤ的功率越来越高．可靠性大大增强，用ＬＤ替代闪光灯作为泵浦潍已经成为同体激光技术的发展趋势。
但在用高功率ＬＤ泵浦同体激光增益介质时所采Ｈ｛的端面或侧面泵浦方式，往往要采埘较复杂的耦合系统，以获得均匀的泵浦场。
复杂的耦台系统在一定程度上增加了损耗，影响了泵浦光的利用率，限制了激光器能颦转换效率的进一步提高。
为解决此问题，人们提出了多种新的泵浦耦合方式Ｉ”．但大多仍比较复杂或成本昂贵。
本文提出并实验了用环形ＬＤ阵列紧密环绕棒状增益介质进行直接泵浦的方案，在泵浦光能量转换散率和泵浦均匀性方面都获得了较满意的结果。
实验描述我１＇１’Ｊ将环形激光二极管紧密环绕Ｎｄ“：ＹＬＦ棒排列，单根ｂａｒ的功率为６０ｗ左右，整个ＬＤ阵列总功率为３ｋｗ。
圆柱状ＹＬＦ棒的尺寸为中９．６ｍｍ×１４ｍｍ，二极管与圆柱状ＹＬＦ棒之间的间隙小丁ｌＲＩｎ。
所有的激光二极管都安装在铜热沉上，使用大功率半导体制冷器控制热沉温度，精确调节ＬＤ的输出波长对准介质的中心吸收谱。
因为激光头尺寸较小造成加工与安姨上的困难，所以暂时未对ＹＬＦ棒安装冷却系统，二极管以１Ｈｚ的重复率短时问工作，以免ＹＬＦ棒过热。
在精确控制热沉的温度时，ＬＤ的中心发射波Ｋ为７９８ｎｌｎ。
高重复频率LD侧面泵浦Nd_YAG电光调Q激光器
第23卷增刊光电工程V o l123, Sup. 1996年12月Op to2E lectron ic Engineering D ec,1996 高重复频率LD侧面泵浦N d∶YA G电光调Q激光器Ξ王卫民 杨成龙 陈津燕 唐 淳杨森林 廖银燕 邵英斌(中国工程物理研究院流体物理研究所,成都,610003)吕百达 蔡邦维(四川联合大学激光物理与化学研究所,成都,610064)摘要 文中介绍二极管激光侧泵浦Q开关激光器,激光介质是N d∶YA板条,几何尺寸为20.3mm×5mm×2.5mm,二极管激光与板条之间用柱透镜耦合,激光谐振腔为平凹腔,输出镜曲率半径为1m,透光率T=0.33。
用KD★P电光Q开关,得到输出脉宽为12.7n s、单脉冲能量1.97m J的激光,光束质量M2x=2.69、M2y=1.87,重复频率98H z。
主题词 Q开关激光器,二极管泵浦,二极管激光器。
H igh Repetition Ra te LD Side-Pu m ped Nd∶YAGElectro-Optic Q-Sw itched La serW ang W e i m i n,Yang Chenglong,Chen J i nyan,Tang Chun,Yang Sen l i n,L i ao Y i nyan,Shao Y i ngb i n(Institu te of F lu id P hy sics,Ch ina A cad e m y ofE ng ineering P hy sics,Cheng d u,610003)L u Ba ida,Ca i Bangwe i(Institu te of laser P hy sics and Che m istry,S ichuan U n ion U n iversity,Cheng d u,610064)Abstract A di ode laser side2pum ped N d∶YA G Q2s w itched laser is p resen ted inthe pap er.T he laser m edium is N d∶YA G slab.T he slab size is20.3mm×5mm×2.5mm.A cylindrical rod len s is u sed as coup ler betw een the LD and the N d∶YA GΞ该课题得到国家高技术863资助。
LD侧面泵浦Er 3+，Yb 3+∶glass波导被动调Q激光器说明书
LD 侧面泵浦Er 3+，Yb 3+∶glass 波导被动调Q 激光器刘大鹏1， 吴伟冲1， 雷訇1，2，3，4**， 朱占达1，2，3，4， 惠勇凌1，2，3，4， 李强1，2，3，4*1北京工业大学材料与制造学部激光工程研究院，北京 100124；2北京市激光应用技术工程技术研究中心，北京 100124；3激光先进制造北京市高等学校工程研究中心，北京 100124；4跨尺度激光成型制造技术教育部重点实验室，北京 100124摘要 报道了一种LD 侧面泵浦铒镱共掺磷酸盐玻璃波导被动调Q 激光器。
采用无胶键合技术，在波导芯层（原子数分数1% Er 3+，21% Yb 3+∶glass ）的四侧键合厚度为0.1 mm 的掺钴硼硅酸盐玻璃（Co 2+∶glass ）作为包层，阻断放大自发辐射（ASE ）的形成通路，提高激光输出效率。
波导两侧分别键合硼硅酸盐K9光学玻璃作为泵浦光传输层，改善泵浦均匀性，提高输出激光的光束质量。
在自由运转模式下，激光器输出的最大脉冲能量为34.7 mJ ，斜率效率为10.6%。
被动调Q 模式下，获得稳定输出单脉冲能量2.16 mJ 、脉宽4.7 ns 、峰值功率459 kW 的1.535 μm 脉冲激光，光束质量因子M 2=1.53。
实验结果表明，在Er 3+，Yb 3+∶glass 的四侧键合Co 2+∶glass 是抑制其内部ASE 效应、提高激光器单脉冲能量输出的有效方法。
关键词 激光器；固体激光器；波导；侧面泵浦；被动调Q 中图分类号 TN248 文献标志码 ADOI ： 10.3788/LOP 220822LD Side Pumped Er 3+,Yb 3+∶Glass Waveguide Passively Q -Switched LaserLiu Dapeng 1, Wu Weichong 1, Lei Hong 1,2,3,4**, Zhu Zhanda 1,2,3,4, Hui Yongling 1,2,3,4, Li Qiang 1,2,3,4*1Institute of Laser Engineering, Faculty of Materials and Manufacturing, Beijing University of Technology,Beijing 100124, China ;2Beijing Engineering Research Center of Laser Technology, Beijing 100124, China ;3Beijing Colleges and Universities Engineering Research Center of Advanced Laser Manufacturing,Beijing 100124, China ;4Key Laboratory of Trans -Scale Laser Manufacturing Technology, Ministry of Education, Beijing 100124, ChinaAbstractLD side pumped Er 3+,Yb 3+∶glass waveguide passively Q -switched laser was reported. By adhesive -freebonding techniques, Co -doped borosilicate glass with a thickness of 0.1 mm was bonded on four sides of the core (atom fraction 1% Er 3+,21% Yb 3+∶glass) of waveguide. The aim was to block the formation pathway of amplified spontaneous emission (ASE) and improve the output efficiency of laser. In order to improve the pump uniformity and output beam quality of laser, K9 borosilicate optical glass was bonded on both sides of waveguide as the transmission layer of pump. In free -running mode, laser output was obtained with the maximum pulse energy of 34.7 mJ and the slope efficiency of 10.6%. In passively Q -switched mode, a pulse laser was achieved with wavelength of 1.535 μm, single pulse energy of 2.16 mJ, pulse width of 4.7 ns, peak power of 459 kW, and beam quality factor M 2=1.53. Experimental results demonstrate that the bonding of Co 2+∶glass on the four sides of Er 3+,Yb 3+∶glass is an effective method to inhibit ASE effect and improve the output pulse energy of laser.Key words lasers; solid -state laser; waveguide; side pumped; passively Q -switched1 引 言1.5 μm 波段的激光位于高透过率的“大气窗口”，对空气、烟雾的穿透能力强，且对人眼的损伤阈值高，是研究人眼安全激光器的热点波段［13］。
LD侧面泵浦全固态激光倍频和声光调Q实验
实验名称：LD侧面泵浦全固态激光倍频和声光调Q实验实验目的1、掌握LD侧面泵浦全固态激光器的基本原理和调试方法。
2、掌握声光调Q的基本原理及输出特性。
3、掌握激光倍频原理及影响倍频的基本因素。
实验原理1、激光产生的条件数反转分布一般情况下介质中的粒子数在能级上呈>样分布状态，即较低能量的-个能级的粒子数大于具有较高能量的一个能级的粒了数。
要产生激光，激光介质能级粒子数分布必须处于反转分布<，称这种状态的物质为激活物质。
减少振荡模式数激光器是通过光学谐振腔来达到减少振荡模式数的。
起振条件—阈值条件若激光器由反射率分別是R1、R2的两面镜子和长度为L的激活材料构成。
设g为在反转的激光材料中单位长度的增益系数，a为单位长度的吸收损耗系数。
则每次通过激光材料，其强度变化为exp(g-a)2L。
阈值条件为R1R2exp(g-a)2L=1。
增益饱和效应—稳定振荡条件当入射光强度足够弱时增益系数与光强无关，是一个常量；当入射光强大到一定的程度，增益系数将随光强的增大而减小，产生增益饱和效应。
2、调Q技术声光调Q是利用光的衍射效应实现调Q的。
利用光的衍射现象，光束偏离，达到声光调Q的目的。
一束光通过由声控的相位光栅时，就会发生衍射，这就是声光效应。
在激光器的光学谐振腔中，放入一个声光调制器，当有超声波作用在调制器上时，由于声光效应，激光束就会发生衍射，偏离谐振腔，从而使激光停止振荡。
当超声波消失后，损耗消失，形成振荡，产生巨脉冲输出，完成超声调Q作用。
实验内容1、测量连续Nd3+:YAG激光器电流和功率的关系曲线2、测量连续倍频Nd3+:YAG激光器电流和功率的关系曲线3、测量准连续声光调Q Nd3+:YAG激光器单脉冲能量4、测量准连续声光调Q倍频Nd3+:YAG激光器频率为5KHz、11KHz、35KHz时激光输出功率随电流的变化曲线数据记录及处理1、连续Nd3+:YAG激光器电流和功率的关系曲线I 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 15P 0 0 0 0 0.04 0.10 0.18 0.27 0.55 0.81 1.02 1.29 1.742、连续倍频Nd3+:YAG激光器电流和功率的关系曲线I 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 15P 0 0 0.002 0.004 0.006 0.011 0.023 0.028 0.037 0.040 0.046 0.052 0.0603、准连续声光调Q Nd3+:YAG激光器单脉冲能量f 5 10 15 20 25 30 35 40P 0.480 0.477 0.483 0.458 0.464 0.498 0.463 0.527E 0.0960 0.0477 0.0322 0.0229 0.0185 0.0166 0.0132 0.01314、准连续声光调Q倍频5KHz时激光输出功率随电流的变化曲线I 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 15 P 0 0.003 0.043 0.135 0.196 0.260 0.464 0.665 0.918 1.087 1.2405、准连续声光调Q倍频11KHz时激光输出功率随电流的变化曲线I 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 15P 0 0.003 0.017 0.056 0.102 0.173 0.312 0.431 0.603 0.862 1.032 1.204 1.3566、准连续声光调Q倍频35KHz时激光输出功率随电流的变化曲线I 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 15P 0 0.003 0.011 0.036 0.054 0.080 0.134 0.161 0.226 0.343 0.476 0.531 0.662。
LD侧泵Nd∶YAP连续红外激光器
激 光器 实验 研 究。在 Ｌ Ｄ泵 浦功 率为 ７ ０ ０ Ｗ 时， 获得 了１ ３ ２ ． ２ Ｗ 的平 行于 晶体 ｃ轴 线偏振 的连
续１ ３ ４ ２ ｎ ｍ输 出光 ， 光光转换 效 率为 １ ９ ％， 斜效 率为 ２ ９ ％， １ ｈ功率 抖 动优 于 ０ ． ７ ３ ％ 。测量 了 输 出激光 的峰值 波 长和 线宽 ， 输 出激光 线宽半 高 宽为 １ ０ Ｇ Ｈ ｚ 。 关键词 ： Ｌ Ｄ侧泵 ； Ｎ ｄ： Ｙ Ａ Ｐ； 连续 １ ３ ４ ２ ｎ ｍ 红 外光 ； 平 平腔
第４ ３卷 第 ９期
２ ０ １ ３年 ９月
激 光 与 红 外
Ｌ Ａ Ｓ Ｅ Ｒ ＆ Ｉ ＮＦ ＲＡＲＥ Ｄ
Ｖｏ １ ． ４３， Ｎｏ ． ９ Ｓ ｅ ｐｔ ｅ ｍｂｅ ｒ， ２０１ ３
文章编号 ） ０ ９ — １ ０ １ ４ － ０ ３
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｎ ２ ４ ８ ． １ 文献标 识 码 ： Ａ ＤＯ Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ １ ． ５ ０ ７ ８ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ９ ． １ １
Ｄｉ ｏ ｄ ｅ － ｓ ｉ ｄ ｅ － ｐ ｕ ｍｐ ｅ ｄ Ｎｄ ： ＹＡＰ ｈ ｉ ｇ ｈ ｐ ｏ ｗｅ ｒ Ｃ Ｗ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ
ｓ ｅ ｒ ｗｉ ｔ ｈ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｏ ｕ ｔ ｐ ｕ ｔ ｃ ｏ ｕ ｐ ｌ ｅ ｒ ｓ ｗｅ ｒ ｅ ｓ ｔ ｕ ｄ ｉ ｅ ｄ，ａ ｎ ｄ ａ ｃ — ａ ｘ ｉ ｓ ｐ ｏ ｌ ａ ｉ ｒ ｚ ｅ ｄ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ Ｃ Ｗ ｏ ｕ ｔ ｐ ｕ ｔ ｐ ｏ ｗｅ ｒ ｏ ｆ １ ３ ２ ． ２ Ｗ ｗ ａ ｓ ｏ ｂ ｔ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ ｗ ｉ ｔ ｈ ａ ｐ ｕ ｍｐ ｉ ｎ ｇ ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ ｏ ｆ ７ ０ ０ Ｗ ．Ｓ ｌ ｏ ｐ ｅ ｅ ｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｙ ｏ ｆ ２ ９％ ａ ｎ ｄ ｏ ｐ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｏ ｎ ｅ ｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｙ ｏ ｆ １ ９ ％ ｗ ｅ ｒ ｅ ｏ ｂ — ｔ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ，ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｌ ｉ ｎ ｅ ｗｉ ｄ ｔ ｈ ｉ ｓ ａ ｂ ｏ ｕ ｔ Ｉ Ｏ ＧＨｚ ，ｔ ｈ ｅ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ ｓ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ｉ ｓ ｂ ｅ ｔ ｔ ｅ ｒ ｔ ｈ ａ ｎ ０ ． ７ ３ ％ ｆ ｏ ｒ ｏ ｎ ｅ ｈ ｏ ｕ ｒ ． Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ： ｄ ｉ ｏ ｄ ｅ — ｓ ｉ ｄ ｅ — ｐ ｕ ｍｐ ｅ ｄ；Ｎ ｄ： Ｙ ＡＰ； １ ３ ４ ２ ｎ ｍ Ｃ Ｗ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ； ｐ ｌ ａ ｎ ｅ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｒ ｅ ｓ ｏ ｎ ａ ｔ ｏ ｒ
专业实验 实验二 半导体泵浦固体激光器综合实验
半导体泵浦固体激光器综合实验实验讲义大恒新纪元科技股份有限公司版权所有不得翻印半导体泵浦固体激光器综合实验一、前言半导体泵浦固体激光器（Diode-Pumped solid-state Laser，DPL），是以激光二极管（LD）代替闪光灯泵浦固体激光介质的固体激光器，具有效率高、体积小、寿命长等一系列优点，在光通信、激光雷达、激光医学、激光加工等方面有巨大应用前景，是未来固体激光器的发展方向。
本实验的目的是熟悉半导体泵浦固体激光器的基本原理和调试技术，以及其调Q 和倍频的原理和技术。
二、实验目的a)掌握半导体泵浦固体激光器的工作原理和调试方法；b)掌握固体激光器被动调Q的工作原理，进行调Q脉冲的测量；c)了解固体激光器倍频的基本原理。
三、实验原理与装置d)半导体激光泵浦固体激光器工作原理：上世纪80年代起，生长半导体激光器（LD）技术得到了蓬勃发展，使得LD的功率和效率有了极大的提高，也极大地促进了DPSL技术的发展。
与闪光灯泵浦的固体激光器相比，DPSL的效率大大提高，体积大大减小。
在使用中，由于泵浦源LD的光束发散角较大，为使其聚焦在增益介质上，必须对泵浦光束进行光束变换（耦合）。
泵浦耦合方式主要有端面泵浦和侧面泵浦两种，其中端面泵浦方式适用于中小功率固体激光器，具有体积小、结构简单、空间模式匹配好等优点。
侧面泵浦方式主要应用于大功率激光器。
本实验采用端面泵浦方式。
端面泵浦耦合通常有直接耦合和间接耦合两种方式。
e)直接耦合：将半导体激光器的发光面紧贴增益介质，使泵浦光束在尚未发散开之前便被增益介质吸收，泵浦源和增益介质之间无光学系统，这种耦合方式称为直接耦合方式。
直接耦合方式结构紧凑，但是在实际应用中较难实现，并且容易对LD造成损伤。
f)间接耦合：指先将LD输出的光束进行准直、整形，再进行端面泵浦。
常见的方法有：g)组合透镜系统聚光：用球面透镜组合或者柱面透镜组合进行耦合。
h)自聚焦透镜耦合：由自聚焦透镜取代组合透镜进行耦合，优点是结构简单，准直光斑的大小取决于自聚焦透镜的数值孔径。
LDA 侧面泵浦 Nd YAG激光器的热效应分析
第19卷 第2期强激光与粒子束Vol.19,No.2 2007年2月H IGH POWER L ASER AND PAR TICL E B EAMS Feb.,2007 文章编号: 100124322(2007)022*******LDA侧面泵浦Nd:YAG激光器的热效应分析3岱 钦1,2, 李新忠1,2, 王希军1(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室,长春130031; 2.中国科学院研究生院,北京100039) 摘 要: 在高斯光强近似下对泵浦LD光强分布模型进行修正,建立了LDA侧面泵浦固体激光介质内热源分布的数值模型。
用有限元法计算模拟了三角均匀分布侧面泵浦结构激光棒瞬态温升过程及稳态温度分布情况。
讨论比较了泵浦源的高斯强度近似和均匀强度近似下激光棒内温度分布情况,并对激光棒的类热透镜的焦距进行实验测量。
实验和数值计算说明了LDA泵浦结构和冷却场的非均匀分布使实际温度场偏离均匀泵浦时的二次曲线分布模型,激光晶体热效应产生的类透镜会聚作用的不对称导致了激光器输出光束质量在x,y方向上的不同。
关键词: 半导体泵浦固体激光器; 温度场; 热效应; 数值模型; 有限元法 中图分类号: TN248.1 文献标识码: A 全固体激光器的应用不仅要求固体激光器具有高的激光输出功率,还要求激光具有较高的光束质量。
由于泵浦光场分布和冷却液体的共同作用,使激光晶体内产生的温度场经常是非均匀分布的。
由此产生的晶体热作用对激光光束质量的影响较大,因此,激光器的热效应控制是提高高功率固体激光器光束质量的重要手段之一[125]。
由于激光二极管阵列(LDA)泵浦与灯泵浦在结构以及光强分布上的差异,泵浦光在介质横截面内产生的温度分布不同[627]。
激光器运转时,泵浦光场分布不均匀和激光棒冷却不均匀等原因导致激光棒内部形成非对称温度梯度分布,进而产生热畸变或类热透镜效应,使振荡的激光束的光束质量变差。
高效率侧面泵浦Nd∶YAG激光器
高效率侧面泵浦Nd∶YAG激光器李含;谷开慧;齐晓宇;赵帅【摘要】太阳能是地球上资源最为丰富的一种能源,但是其能量密度较低,不足以实现泵浦激光器的需求.为了实现利用太阳能泵浦激光器的目的,需要对太阳光进行高效聚焦,来达到泵浦激光器能量阈值的要求.我们采用三维复合抛物镜(3D-CPC)与菲涅尔透镜相结合的聚光系统来实现太阳光的高效聚焦,实验中将3D-CPC聚光系统的出口放置在激光器椭圆柱形泵浦腔的一个焦点处,聚焦后太阳光高效耦合进入激光器谐振腔,实现了聚光比的大幅度提升.利用此聚光系统与椭圆柱形泵浦腔的结合,泵浦Nd∶YAG晶体,得到6.2W的激光功率输出,光收集效率达到6.2 W/m2.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2018(048)011【总页数】5页(P1363-1367)【关键词】太阳能;激光器;菲涅尔透镜;Nd∶YAG;复合抛物镜聚光器【作者】李含;谷开慧;齐晓宇;赵帅【作者单位】长春理工大学光电信息学院光电科学分院,吉林长春130000;长春理工大学光电信息学院光电科学分院,吉林长春130000;长春理工大学光电信息学院光电科学分院,吉林长春130000;长春理工大学光电信息学院光电科学分院,吉林长春130000【正文语种】中文【中图分类】O432.121 引言太阳光是地球上取之不尽的一种可再生光源，自从激光器产生之后，人们开始期待直接将太阳光转化成激光。
如果能将这种宽光谱的非相干光，作用于激光工作物质，直接产生出相干的窄带激光，那么这种太阳能泵浦式激光器将拥有很大的应用前景。
随着地球上能源的枯竭，这种太阳光直接转化激光的方式，可以作为新能源的一种利用方式。
太阳光作用于工作物质的激光器，直接将太阳光转化成激光，代替了中间电到光的转化环节，所以能量损失较少，能量利用率较高。
在自由空间光通信，无限电传输和光化学等应用领域，太阳能直接泵浦式激光器具有更大的优势。
1966年，C.G Young首次实现了从太阳光到激光的直接转化［1］，利用抛物镜成像聚光系统，将太阳光聚焦泵浦工作物质，输出功率达到0.8 W，虽然聚光效率仅仅达到1%，但是此项工作标志着太阳光泵浦激光器的诞生。
LD_侧面泵浦Nd：YAG_激光器介质的瞬态热效应
文章编号：2095-6835（2023）22-0126-05LD侧面泵浦Nd：YAG激光器介质的瞬态热效应杜丹，夏腾（长春中国光学科学技术馆，吉林长春130117）摘要：基于热传导理论建立了LD脉冲单向侧面泵浦棒状Nd：YAG晶体的瞬态温度场分析模型，利用有限元软件模拟了LD单脉冲泵浦和重复脉冲泵浦过程中晶体的瞬态温度场，考察并分析了温度场分布规律及其影响因素。
研究结果表明，单脉冲泵浦过程中的升温阶段，随着泵浦光功率、冷却水温度、吸收系数的增大，晶体中心的温升逐渐增加，而随着对流换热系数的增加，温升逐渐下降；在降温阶段，随着晶体半径和冷却水温度的增大，降温速率下降，而随着对流换热系数的增加，降温速率也增加；对重复脉冲泵浦过程中，占空比越大，引起棒的温升幅值越大、温升的周期性改变程度有所下降。
该研究结果对LD侧面泵浦激光工作物质的热效应研究具有指导意义。
关键词：LD侧面泵浦；瞬态热效应；Nd：YAG；有限元软件中图分类号：TN248文献标志码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2023.22.035短脉冲、长周期泵浦的脉冲激光器，常常会出现热效应的瞬态过程[1]。
当单脉冲泵浦时，晶体的热效应会随时间变化而改变；在周期脉冲泵浦光作用中，激光晶体的热耗也会随之发生周期性变化，最终导致晶体内空间位置的温度跟着发生改变，而且对激光谐振腔也有一定的影响。
在泵浦光脉冲出现的过程中，振荡光受到谐振腔的影响，并且晶体的热效应直接影响着激光谐振腔的构造，从而热效应随着时间变化的这一特性，影响着振荡光的特性。
所以对脉冲泵浦激光晶体内的瞬态温度场研究具有重要意义。
本文分别对单脉冲和重复脉冲过程的单侧泵浦激光介质内的温度分布随时间的变化情况进行了分析，结果可以为研究多侧泵浦激光介质内的温度提供参考。
1物理模型LD阵列单向侧面泵浦棒状Nd：YAG激光器的截面图如图1所示。
图1LD单向侧面泵浦棒状Nd：YAG激光器的截面图考虑晶体对泵浦光的吸收，晶体内单个LD阵列泵浦光场表示为[2]：⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=dyIyxIαωω222expπ2），（式中：I0为沿着激光激光介质轴线z方向单位长度上的泵浦功率的数值；ω为晶体内泵浦光束半径的平均值；α为晶体对泵浦光的吸收系数；d为泵浦光在晶体内传播距离的数值。
LDA侧面泵浦薄片激光器的泵浦光和温度分布
LDA侧面泵浦薄片激光器的泵浦光和温度分布刘全喜;钟鸣【摘要】建立了激光二极管阵列(LDA)环绕侧而泵浦复合薄片激光器的数值模型,LDA的快轴垂直于薄片表面并被压缩.依据LDA的输出光束特性,考虑到介质与空气的对流热交换和材料热导率的温度相关性,根据经典热传导方程,运用有限单元法,得出了薄片内的泵浦光和温度分布.分析了LDA个数、泵浦距离、吸收系数和光束发散角对薄片内泵浦光分布和吸收效率的影响规律,讨论了温度与泵浦功率、换热系数、冷却液温度和时间的变化规律,所得的有关规律与相关实验相符合.计算结果可为LDA泵浦固体激光器的结构优化设计和实验研究提供理论参考.【期刊名称】《发光学报》【年(卷),期】2010(031)006【总页数】6页(P888-893)【关键词】复合薄片激光器;激光二极管阵列侧面泵浦;泵浦光分布;瞬态温度分布;有限单元法【作者】刘全喜;钟鸣【作者单位】西南技术物理研究所,四川成都610041;西南技术物理研究所,四川成都610041【正文语种】中文【中图分类】TN248.11 引言激光二极管阵列 (LDA)泵浦固体激光器具有效率高、谱线窄、寿命长、结构简单、可制成小体积全固化器件等优点,被认为是固体激光器的一次革命,近年来得到了迅速发展,广泛应用于高输出平均功率的激光器中[1～3]。
在高输出平均功率激光器中,增益介质内泵浦光分布的不均匀和废热产生的温度梯度等热效应问题会降低激光器的输出功率和光束质量,甚至可能会造成介质的断裂。
薄片激光器是解决这一问题的有效手段之一。
薄片激光器有端面泵浦和侧面泵浦两种方式,侧面泵浦可以减少耦合系统的复杂性,同时也提供了一条长的吸收路径,进而可以降低增益介质的掺杂浓度,是一种较好的泵浦方式[4～6]。
要获得高效率和高光束质量的激光输出,就要合理选取泵浦结构及其参数,以提高增益介质对泵浦光的吸收均匀性,减小温度梯度,所以研究介质内泵浦光和温度的分布具有重要的意义。
LD侧面泵浦被动Q开关NdYAG激光器模拟与实验研究
工 业 技 术在被动调Q实际过程中,随着纳秒级激光脉冲的形成,可饱和吸收体基态粒子数逐渐变小,上能级粒子数逐渐变大,可饱和吸收体的透过率会逐渐变大,可饱和吸收体的吸收系数就会逐渐变小,即在调Q过程中损耗是逐渐变小的。
关于不考虑动态损耗下,对LD侧面泵浦被动Q开关Nd:YAG激光器主要输出参数的理论和实验研究,已有大量的文献报告[1]-[4]。
如果把调Q过程中的损耗看成定值,得到的单脉冲能量等输出参数与实际情况相比会有较大的误差 。
而考虑调Q过程的动态损耗,得到的单脉冲能量和脉宽等输出参数会更符合实际。
该研究考虑调Q过程中可饱和吸收体的吸收系数随时间的变化,以及可饱和吸体的透过率随时间的变化,求解被动调Q速率方程,得到光强、单脉冲能量、脉宽的表达式。
再通过数值模拟,得到不同可饱和吸收体初始透过率情况下,单脉冲能量和脉宽随初始透过率的变化规律,以及不同的输出镜耦合镜透过率情况下,单脉冲能量和脉宽随输出耦合镜透过率的变化规律。
并展开了实验研究,将实验测量结果和理论分析结果进行了对比分析。
1 理论模型LD侧面泵浦被动调Q实验中,考虑可饱和吸收体激发态吸收,为了简化计算,所以在计算中可以用平面波近似。
根据被动调Q理论,考虑可饱和吸收体激发态吸收的被动调Q速率方程组写为如下形式[5]:DOI:10.16661/ki.1672-3791.2015.23.074L D 侧面泵浦被动Q 开关N d :Y A G 激光器模拟与实验研究吴霞芳(长春理工大学理学院 吉林长春 130000)摘 要该研究考虑被动调Q过程的动态损耗,即考虑可饱和吸收体的吸收系数随时间的变化,分析了LD端面泵浦被动Q开关Nd:YAG激光器的速率方程组。
数值模拟了在不同可饱和吸收体初始透过率,以及不同输出耦合镜透过率的情况下,输出激光的单脉冲能量和脉宽。
并与试验结果进行了对比。
模拟结果和实验结果相符合。
研究结果表明随着初始透过率的增加单脉冲能量逐渐减小,而脉宽逐渐增大。
侧面泵浦Nd_YAG连续激光器
第32卷 第4期 激光与红外Vol.32,No.4 2002年8月 LASER & INFRARED August,2002・激光器技术・ 文章编号:100125078(2002)0420240203侧面泵浦Nd∶Y A G连续激光器刘 媛,方高瞻,王小薇,刘 斌,马骁宇,肖建伟(中国科学院半导体研究所,北京100083)摘 要:介绍了一种二极管侧面泵浦的Nd∶Y A G连续激光器,采用了简单、实用的侧面泵浦结构,获得37.9W的连续1.064nm的激光输出,斜效率为31.5%,光效率为23.7%。
关键词:侧面泵浦;二极管泵浦头;光纤准直;泵浦腔中图分类号:TN248.1;TN365 文献标识码:ALaser Diode Side2pumped CW Nd∶YAG LasersL IU Yuan,FAN G G ao2zhan,WAN G Xiao2wei,L IU Bin,MA Xiao2yu,XIAO Jian2wei(Institute of Semiconductors,CAS,Beijing100083,China)Abstract:a LD side2pumped cw Nd∶Y A G laser is introduced.By using a simple,practical side2pum ped structure,theoutput of37.9W in1.064nm is obtained.The slo pe efficiency is31.5%and the optical efficiency is23.7%K ey w ords:side2pumped;diode pumped head;fibre align;pump cavity1 引 言进入九十年代以来,随着大功率半导体激光器的制作工艺进一步成熟,大功率半导体泵浦的固体激光器(DPSSL)得到了蓬勃的发展。
专业实验实验二半导体泵浦固体激光器综合实验
半导体泵浦固体激光大恒新纪元科技股份有限公司版权所有不得翻印半导体泵浦固体激光器综合实验.、八、-刖言半导体泵浦固体激光器 <Diode-Pumped solid-state Laser,DPL）,是以激光二极管 <LD ）代替闪光灯泵浦固体激光介质地固体激光器，具有效率高、体积小、寿命长等一系列优点，在光通信、激光雷达、激光医学、激光加工等方面有巨大应用前景，是未来固体激光器地发展方向•本实验地目地是熟悉半导体泵浦固体激光器地基本原理和调试技术，以及其调 Q和倍频地原理和技术.b5E2RGbCAP二、实验目地a）掌握半导体泵浦固体激光器地工作原理和调试方法；b）掌握固体激光器被动调Q地工作原理，进行调Q脉冲地测量；c）了解固体激光器倍频地基本原理.三、实验原理与装置d）半导体激光泵浦固体激光器工作原理：上世纪80年代起，生长半导体激光器<LD ）技术得到了蓬勃发展，使得LD地功率和效率有了极大地提高，也极大地促进了DPSL技术地发展.与闪光灯泵浦地固体激光器相比,DPSL地效率大大提高，体积大大减小.在使用中，由于泵浦源 LD地光束发散角较大，为使其聚焦在增益介质上，必须对泵浦光束进行光束变换< 耦合）.泵浦耦合方式主要有端面泵浦和侧面泵浦两种，其中端面泵浦方式适用于中小功率固体激光器，具有体积小、结构简单、空间模式匹配好等优点.侧面泵浦方式主要应用于大功率激光器.本实验采用端面泵浦方式.端面泵浦耦合通常有直接耦合和间接耦合两种方式.p1EanqFDPwe) 直接耦合：将半导体激光器地发光面紧贴增益介质 ，使泵浦光束在尚未发散开之前便被增益介质吸收，泵浦源和增益介质之间无光学系统，这种耦合方式称为直接耦合 方式.直接耦合方式结构紧凑，但是在实际应用中较难实现，并且容易对 LD 造成损 伤.DXDiTa9E3d f) 间接耦合：指先将 LD 输出地光束进行准直、整形，再进行端面泵浦•常见地方法 有：g)组合透镜系统聚光：用球面透镜组合或者柱面透镜组合进行耦合 h) 自聚焦透镜耦合：由自聚焦透镜取代组合透镜进行耦合，优点是结构简单，准直光斑 地大小取决于自聚焦透镜地数值孔径• RTCrpUDGiT i) 光纤耦合：指用带尾纤输出地 LD 进行泵浦耦合•优点是结构灵活.本实验先用光纤柱透镜对半导体激光器进行快轴准直 ，压缩发散角，然后采用组合透镜对泵浦光束进行整形变换，各透镜表面均镀对泵浦光地增透膜，耦合效率高•本实验地压缩和耦 图1半导体激光泵浦固体激光器地常用耦合方式图2 本实验LD 光束快轴压缩耦合泵浦简图j)激光晶体LD 自聚焦透镜激光晶体3.LD 光纤 激光晶体4. 4•光纤耦合 3•自聚焦透镜耦合2•组合透镜耦合1•直接耦合TEC 和 散热片 耦合系统Nd:YAG快轴准直电源图3Nd:YAG 晶体中Nd 3+吸收光谱图激光晶体是影响 DPL 激光器性能地重要器件•为了获得高效率地激光输出，在一定运转方式下选择合适地激光晶体是非常重要地•目前已经有上百种晶体作为增益介质实现了连续 波和脉冲激光运转，以钕离子<Nd 3+）作为激活粒子地钕激光器是使用最广泛地激光器•其中, 以Nd 3+离子部分取代 Y 3AI 5O 12晶体中丫3+离子地掺钕钇铝石榴石 <Nd:YAG ），由于具有量子 效率高、受激辐射截面大、光学质量好、热导率高、容易生长等地优点，成为目前应用最广 泛地LD 泵浦地理想激光晶体之一 .Nd ：YAG 晶体地吸收光谱如图 3所示.jLBHrnAlLg从Nd:YAG 地吸收光谱图我们可以看出,Nd:YAG 在807.5nm 处有一强吸收峰.我们如果 选择波长与之匹配地 LD 作为泵浦源，就可获得高地输出功率和泵浦效率，这时我们称实现了 光谱匹配.但是丄D 地输出激光波长受温度地影响，温度变化时，输出激光波长会产生漂移 ，输出功率也会发生变化.因此,为了获得稳定地波长，需采用具备精确控温地LD 电源，并把LD 地温度设置好，使LD 工作时地波长与 Nd:YAG 地吸收峰匹配.xHAQX74J0X另外,在实际地激光器设计中，除了吸收波长和出射波长外 ，选择激光晶体时还需要考虑掺杂浓度、上能级寿命、热导率、发射截面、吸收截面、吸收带宽等多种因素.LDAYtRyKfE k ） 端面泵浦固体激光器地模式匹配技术图4是典型地平凹腔型结构图.激光晶体地一面镀泵浦光增透和输出激光全反膜，并作 为输入镜，镀输出激光一定透过率地凹面镜作为输出镜 .这种平凹腔容易形成稳定地输出模 , 同时具有高地光光转换效率，但在设计时必须考虑到模式匹配问题 .Zzz6ZB2Ltk如图4所示，则平凹腔中地g 参数表示为:EDO 81Q vavelsngth (mt)pn LEJ根据腔地稳定性条件，L! 时腔为稳定腔•故当I时腔稳定•同时容易算出其束腰位置在晶体地输入平面上，该处地光斑尺寸为：本实验中,R i为平面，R2=200mm,L=80mm.由此可以算出_大小.所以,泵浦光在激光晶体输入面上地光斑半径应该工!1 ,这样可使泵浦光与基模振荡模式匹配，在容易获得基模输出.l）半导体激光泵浦固体激光器地被动调Q技术目前常用地调 Q方法有电光调 Q、声光调 Q和被动式可饱和吸收调Q.本实验采用地Cr4+:YAG是可饱和吸收调 Q地一种，它结构简单，使用方便，无电磁干扰，可获得峰值功率大、脉宽小地巨脉冲.dvzfvkwMIlCr4+:YAG被动调Q地工作原理是：当 Cr4+:YAG被放置在激光谐振腔内时，它地透过率会随着腔内地光强而改变.在激光振荡地初始阶段,Cr4+:YAG地透过率较低＜初始透过率），随着泵浦作用增益介质地反转粒子数不断增加，当谐振腔增益等于谐振腔损耗时，反转粒子数达到最大值，此时可饱和吸收体地透过率仍为初始值.随着泵浦地进一步作用，腔内光子数不断增加，可饱和吸收体地透过率也逐渐变大，并最终达到饱和.此时,Cr4+:YAG地透过率突然增大,光子数密度迅速增加，激光振荡形成.腔内光子数密度达到最大值时，激光为最大输出，此后, 由于反转粒子地减少，光子数密度也开始减低，则可饱和吸收体Cr4+:YAG地透过率也开始减低.当光子数密度降到初始值时，Cr4+：YAG地透过率也恢复到初始值，调Q脉冲结束.rqyn14ZNXI m）半导体激光泵浦固体激光器地倍频技术光波电磁场与非磁性透明电介质相互作用时，光波电场会出现极化现象.当强光激光产生后,由此产生地介质极化已不再是与场强呈线性关系，而是明显地表现出二次及更高次地非线性效应.倍频现象就是二次非线性效应地一种特例.本实验中地倍频就是通过倍频晶体实现对Nd:YAG输出地1064nm红外激光倍频成 532nm绿光.EmxvxOtOco常用地倍频晶体有 KTP、KDP、LBO、BBO和LN等.其中，KTP晶体在1064nm光附近有高地有效非线性系数，导热性良好，非常适合用于 YAG激光地倍频.KTP晶体属于负双轴晶体,对它地相位匹配及有效非线性系数地计算，已有大量地理论研究，通过KTP地色散方程，人们计算出其最佳相位匹配角为：壬90 ° ,=二,S° ,对应地有效非线性系数d eff=7.36 X012V/m. SixE2yXPq5倍频技术通常有腔内倍频和腔外倍频两种.腔内倍频是指将倍频晶体放置在激光谐振腔之内，由于腔内具有较高地功率密度，因此较适合于连续运转地固体激光器•腔外倍频方式指将倍频晶体放置在激光谐振腔之外地倍频技术，较适合于脉冲运转地固体激光器 .6ewMyirQFL 四、实验内容与要求n) LD安装及系统准直o) 将LD电源接通•通过上转换片观察LD出射光近场和远场地光斑.测量LD经快轴压缩后地阈值电流和输出特性曲线.kavU42VRUsp) 将耦合系统、激光晶体、输出镜、Q开关、准直器等各元器件安装在调整架和滑块上；q) 将准直器安装在导轨上，利用直尺将其调整成光束水平出射，中心高度50mm,水平并且水平入射在激光晶体中心位置；y6v3ALoS89r) 通过调整架旋钮微调耦合系统地倾斜和俯仰，使晶体反射光位于准直器中心，并且准直光通过晶体后仍垂直进入LD ；M2ub6vSTnPs) 通过调整架旋钮微调Nd:YAG晶体地倾斜和俯仰，重复上一步地调节步骤.t) 在准直器前安装T1输出镜，调整旋钮使输出镜地反射光点位于准直器中心.u) 半导体泵浦固体激光器实验图5 半导体泵浦固体激光器实验装置图w) 在准直器前安装T1输出镜，调整旋钮使输出镜地反射光点位于准直器中心•根据实验装置图设置其与晶体之间地距离•打开LD电源，缓慢调节工作电流到 1.3A.微调输出镜倾斜和俯仰使系统出光，然后微调激光晶体、耦合系统，使激光输出得到最大值；OYujCfmUCwx)将LD电流调到最小，然后从小到大渐渐增大LD电流，从激光阈值电流开始，每格0.2A测量一组固体激光器系统输出功率•结合LD地功率-电流关系，在实验报告上绘出激光输出功率-泵浦功率曲线；eUts8ZQVRdy) 更换为T2输出耦合镜，重复3.b、3.C地步骤，测试不同LD电流下地激光输出功率；z) 根据实验数据和曲线，计算两种耦合输出下地激光斜效率和光光转换效率，并作简要分析•aa)半导体泵浦固体激光器调Q实验图6调Q 实验装置图dd ）安装Cr 4+：YAG 晶体，在准直器前准直后放入谐振腔内 丄D 电流调到1.7A,观察输出地平均功率，微调调整架，使激光输出平均功率最大； sQsAEJkW5Tee ）降低LD 电流到零 撚后从小到大缓慢增加，测量1.7A 、2.0A 、2.3A 时输出脉冲地 平均功率；ff ）安装探测器，取三个不同地LD 工作电流＜1.7A 、2.0A 、2.3A ）,分别测量输出脉冲地脉宽、重频；gg ）计算不同功率下地峰值功率，对不同功率下地输出脉冲进行对比，并作简要分析 hh ）半导体泵浦固体激光器倍频实验ii) jj)图7倍频实验装置图kk ）将输出镜换为短波通输出镜 ，微调调整架使其反射光点在准直器中心 .打开LD 电源,取工作电流1.7A,微调输出镜、激光晶体、耦合系统地旋钮，使输出激光功率最 大; GMslasNXkAll ） 安装KTP 晶体 ＜或LBO ），在准直器前准直后放入谐振腔内 ，倍频晶体尽量靠近激光晶体•调节调整架，使得输出绿光功率最亮；然后旋转 KTP 晶体 ＜或LBO ），观察 旋转过程中绿光输出有何变化； TlrRGchYzg五、实验结果与思考1. 什么是半导体泵浦固体激光器中地光谱匹配和模式匹配？2. 可饱和吸收调 Q 中地激光脉宽、重复频率随泵浦功率如何变化？为什么？实验装置图 电源 TEC 禾口 耦合系统Nd:YAG KTP 输岀镜 准直器2.把倍频晶体放在激光谐振腔内对提高倍频效率有何好处？半导体泵浦固体激光器注意事项1.半导体激光器＜LD ）对环境有较高要求，因此本实验系统需放置于洁净实验室内.实验完成后，应及时盖上仪器罩，以免LD沾染灰尘.7EqZcWLZNX2.LD对静电非常敏感.所以严禁随意拆装LD和用手直接触摸LD外壳.如果确实需要拆装,请带上静电环操作，并将拆下地LD两个电极立即短接.lzq7IGfO2E3.不要自行拆装LD电源.电源如果出现问题，请与产家联系.同时丄D电源地控制温度已经设定，对应于LD地最佳泵浦波长,请不要自行更改.zvpgeqJIhk4.LD、耦合系统、激光晶体，两两滑块之间距离大约为32mm、8mm,经调整好以后最好不要随意变动，以免影响实验使用.NrpoJac3v15.准直好光路后需用遮挡物＜如功率计或硬纸片）挡住准直器，避免准直器被输出地红外激光打坏.6.实验过程避免双眼直视激光光路.人眼不要与光路处与同一高度，最好能带上激光防护镜操作.典型实验结果＜参考）：T仁5%,T2=10%。
半导体侧泵模块激光晶体内吸收光场分析
Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔ ｈ ｅａ ｂ ｓ ｏ ｒ ｂ ｅ ｄｌ ｉ ｇ ｈ ｔ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄｄ ｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｏ ｆ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｃ ｒ ｙ ｓ ｔ ａ ｌ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ Ｌ Ｄ Ａｐ ｕ ｍ ｐ ｅ ｄｓ ｏ ｌ ｉ ｄｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｉ ｓ ｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｉ ｓ ｈ ｅ ｄ ， ｔ ｈ ｅｎ ｏ ｒ ｍ ａ ｌ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｄ ｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎｍ ｏ ｒ ｐ ｈ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｏ ｆ ａ ｂ ｓ ｏ ｒ ｂ ｅ ｄｌ ｉ ｇ ｈ ｔ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄｉ ｓ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄｂ ｙ Ｍ Ａ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ Ｔ ｗ ｏ ｉ ｍ ｐ ｏ ｒ ｔ ａ ｎ ｔ ｐ ａ ｒ ａ ｍ ｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ａ ｒ ｅｐ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｔ ｅ ｄｓ ｕ ｃ ｈａ ｓ ａ ｒ ｒ ａ ｙｔ ａ ｎ ｇ ｅ ｎ ｔ ｉ ａ ｌ ｄ ｉ ｓ ｐ ｌ ａ ｃ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｎ ｄｒ ａ ｄ ｉ ａ ｌ ａ ｎ ｇ ｌ ｅｄ ｅ ｖ ｉ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｔ ｈ ｅｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅｐ ａ ｒ ａ ｍ ｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ｓ ｕ ｃ ｈａ ｓｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｉ ｖ ｅａ ｂ ｓ ｏ ｒ ｐ ｔ ｉ ｏ ｎｓ ｔ ｒ ｅ ｎ ｇ ｔ ｈａ ｎ ｄｌ ｉ ｇ ｈ ｔ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄｕ ｎ ｉ ｆ ｏ ｒ ｍ ｉ ｔ ｙｏ ｆ ｔ ｈ ｅｃ ｒ ｙ ｓ ｔ ａ ｌ ａ ｒ ｅｎ ｅ ａ ｒ ｌ ｙｉ ｎ ｖ ａ ｒ ｉ ａ ｎ ｔ ｗ ｈ ｅ ｎａ ｒ ｒ ａ ｙｔ ａ ｎ ｇ ｅ ｎ ｔ ｉ ａ ｌ ｄ ｉ ｓ ｐ ｌ ａ ｃ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｉ ｓ ０～ ０ ５ｍ ｍ ；ｗ ｈ ｅ ｎａ ｒ ｒ ａ ｙｔ ａ ｎ ｇ ｅ ｎ ｔ ｉ ａ ｌ ｄ ｉ ｓ ｐ ｌ ａ ｃ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｉ ｓ ｇ ｒ ｅ ａ ｔ ｅ ｒ ｔ ｈ ａ ｎ０ ５ｍ ｍ ， ａ ｂ ｓ ｏ ｒ ｐ ｔ ｉ ｏ ｎｓ ｔ ｒ ｅ ｎ ｇ ｔ ｈｒ ａ ｐ ｉ ｄ ｌ ｙｄ ｅ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｓ ， ａ ｎ ｄｌ ｉ ｇ ｈ ｔ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄｕ ｎ ｉ ｆ ｏ ｒ ｍ ｉ ｔ ｙｒ ａ ｐ ｉ ｄ ｌ ｙｉ ｎ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｓ Ｃ ｏ ｍ ｐ ａ ｒ ｅ ｄｗ ｉ ｔ ｈａ ｒ ｒ ａ ｙｔ ａ ｎ ｇ ｅ ｎ ｔ ｉ ａ ｌ ｄ ｉ ｓ ｐ ｌ ａ ｃ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ， ｒ ａ ｄ ｉ ａ ｌ ａ ｎ ｇ ｌ ｅｄ ｅ ｖ ｉ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｈ ａ ｓ ｌ ｅ ｓ ｓ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｏ ｎｔ ｈ ｅａ ｂ ｓ ｏ ｒ ｂ ｅ ｄｌ ｉ ｇ ｈ ｔ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄｄ ｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ， ａ ｂ ｓ ｏ ｒ ｐ ｔ ｉ ｏ ｎｓ ｔ ｒ ｅ ｎ ｇ ｔ ｈｄ ｅ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｓ ａ ｎ ｄｌ ｉ ｇ ｈ ｔ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄｕ ｎ ｉ ｆ ｏ ｒ ｍ ｉ ｔ ｙｉ ｎ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｓ ｗ ｉ ｔ ｈｒ ａ ｄ ｉ ａ ｌ ａ ｎ ｇ ｌ ｅｄ ｅ ｖ ｉ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｉ ｎ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ Ｔ ｈ ｉ ｓ ｓ ｔ ｕ ｄ ｙｐ ｒ ｏ ｖ ｉ ｄ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｅ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｄ ｉ ｒ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍ ｅ ｎ ｔ ｏ ｆ Ｌ Ｄ Ａｓ ｉ ｄ ｅｐ ｕ ｍ ｐ ｅ ｄｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｃ ｒ ｙ ｓ ｔ ａ ｌ Ｋ ｅ ｙｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ： Ｓ ｉ ｄ ｅｐ ｕ ｍ ｐ ｅ ｄ ； ａ ｂ ｓ ｏ ｒ ｐ ｔ ｉ ｏ ｎｌ ｉ ｇ ｈ ｔ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ； Ｎ ｄ∶ Ｙ Ａ Ｇｃ ｒ ｙ ｓ ｔ ａ ｌ ； ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｓ ｐ ｏ ｔ
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1.1 LD侧面泵浦激光器腔外倍频实验研究
图4. 侧面泵浦DPL的热稳定工作区随L1长度的变化
图4. 泵浦电流为30A时1064nm激光输出功率304W
图4. 1064nm激光输出功率与泵浦光功率、泵浦电功率之间的关系
泵浦功率835W时，1064nm输出功率约为388W，对应光光转换效率46.6%，电光转换效率31.1%。
图中激光输出功率随泵浦速率增加几乎呈线性上升，证明激光器工作在稳定区，若
增大泵浦功率有望进一步提升激光输出功率。
图4. 为侧泵激光器1064nm激光的输出功率和泵浦光功率、泵浦电功率之间的关系。
激光输出功率随泵浦速率增加几乎呈线性上升，证明激光器稳定区覆盖了全部泵浦功率动态范围。
若增大泵浦功率有望进一步提升激光输出功率。
图4. 采用远场法测量1064nm DPL远场发散角
激光输出功率300W时，测得远场发散角约为5.8mrad。
图5. KTP晶体水冷封装
实验中采用的倍频晶体为8×8×7mm3的KTP，将其侧面均匀涂抹少量导热硅脂后封装于不锈钢水冷盒中。
图4. LD侧面泵浦双望远镜腔外倍频DPL
图4. 采用Ocean Optics QE6500光纤光栅光谱仪测得的532nm激光谱线。