高功率激光的时间、空间和频率特性的测量

92
0. 53
14. 3
激光束发散度的惯例, 以光束集中了70% 能量 时的发散角作为光束发散度的标准, 则本激光 装置的输出光束发散度为0136m rad, 相当于 917倍衍射极限角。
1. 21
94
0. 58
15. 7
1. 38
97
0. 66
17. 8
1. 59
98
0. 76
20. 5
1. 83
F ig. 3 M ea su ring d ivergence of la ser beam by w edge
F ig. 4 Spo ts p ho tog rap hed by w edge
图 3 光楔法测光束发散度布局图
图 4 光楔法拍摄的焦斑列
强激光束经棱镜一个表面反射 (反射率为4% ) , 通过长焦距透镜 (焦距 f = 2120mm ) 以及
围为两个量级。因此, 若入射光强偏小, 由于随着 n 的增大, 光能量密度 E ( rn) 越来越小, 最
后低于胶片记录阈值 E T , 不再留下感光痕迹, 这样, 焦斑数量太少, 其半径也都很小, 将降低
测量精度; 若入射光强偏大, 超出了线性范围时, 焦斑周围有晕, 其半径难以确定, 这样的焦
斑应弃去。使用读数显微镜测量了各焦斑直径 D 1, D 2, …, D n, …, 并对数据进行处理[2], 得到
100
0. 87
23. 5
3 激光谱线宽度的测定
激光谱线宽度 (线宽) 是衡量激光束在限定频率 (或波长) 范围内集中程度的参量, 它反映
了激光单色性的好坏。我们使用如图6所示的测量装置对输出激光的线宽进行了测定。
这样得到了图7干涉环照片与黑度扫描曲线。已知第 m 级干涉环直径 D 的表达式为[2]D 2
表 1 焦斑列参数表 Table 1 Param eters of spots
D i mm
Γ%
Ηm rad
ΗΑ
0. 80
72
0. 38 10. 3
0. 88
82
0. 42 11. 4
0. 96
86
0. 46
12. 4
1. 05
wenku.baidu.com
90
0. 50
13. 5
表1的数据可作出图5的曲线。根据国内外衡量
1. 12
第9卷 第3期 1997年8月
强激光与粒子束
H IGH POW ER LA SER AND PA R T ICL E B EAM S
V o l. 9, N o. 3 A ug. , 1997
高功率激光的时间、空间和频率特性的测量Ξ
郭大浩 王声波 洪 昕 吴鸿兴 戴宇生
(中国科学技术大学强激光技术研究所, 合肥, 230026)
M EASUREM ENTS O F PRO PERT IES IN T IM E, SPACE AND FREQUENCY O F 1010W H IGH POW ER LASER
Guo D ahao, W ang Shengbo, Hong X in, W u Hongx ing, D a i Yu sheng Institu te of H ig h- p ow er laser T echnology , U n iv ersity of S cience and T echnology of C h ina, H ef ei, 230026
=
8f
2 2
[
1
-
(m Κ 2nL ) ], Κ为光波波长, f 2为透镜2的焦距, L 为标准具长度, n 为其折射率。若
令 D 1、D 2为相邻级次光谱环直径, d 1、d 2为最小圆环极大处的内径和外径, 则可推得激光线宽
∃ Κ的表达式为
∃ Κ=
Κ2
d
2 2
-
2nL
D
2 2
-
d
2 1
D
2 1
(2)
了表1的结果。表中, Γ 代表在相应发散角 Η(Η= D f ) 范围内占有的能量与光束总能量的比值。 根据测量时通过透镜的光束口径为 5 70mm , 光 波 长 Κ= 1. 06Λm , 可 由 爱 里 斑 公 式 Α= 2144Κ Υ 得到衍射极限角 Α= 0. 037m rad (这里 Α指全角而非半角) , 故表中最后一列 Η Α给出 了实际发散角相当于衍射极限角的倍数。按照
F ig. 7 (a) T he p ho tog rap h ic p la te of in terference fringe; and (b) T he b lacken ing scann ing cu rve 图 7 (a) 干涉环照片; (b) 相应的黑度扫描曲线
致 谢 感谢上海光机所梁向春、周复正和安徽光机所刘佩田、王佩琳等同志的帮助和有益的讨论。
衡量激光束在空间集中程度的参量为激光束发散度, 也称能量可聚焦度, 它反映了激光 束的方向性。通常可用套孔法、圆环法或光楔法[ 2 ] 等方法测量。由于套孔法及圆环法均要求高 精度的对准, 操作上难度大, 特别是对于强激光束而言, 焦点处功率密度极高, 且需要多次 开动整个激光装置并反复调节孔或圆环的位置, 既不方便, 代价又高, 一般不宜采用。而光楔 法虽然在数据处理上较麻烦, 但实验操作上相对方便些, 精确度也较高。图3为光楔法测激光 束发散度的布局图。
(1)
F ig. 1 T he m easu ring m ethod p reven ting d istu rbance of sp atial rad iation
图 1 防止空间辐射干扰的探测方法
F ig. 2 L a ser w avefo rm 图 2 装置总体输出的激光波形
2 激光束发散度的测定
强激光与粒子束
第8卷
响应时间小于5n s) , 因此我们得到的脉宽显示值 ∃ t′, 应比其实际值 ∃ t 为大。为得到实际的脉
宽, 使用脉宽已知为30p s 的锁模激光对上述探测系统响应时间进行标定。标定结果为: 本探测
系统的响应时间宽度 ∃Σ≈ 3n s。因此, 用它测得的脉冲实际脉宽
∃ t = [ (∃ t’) 2 - (∃Σ) 2 ]1 2 = (52 - 32) 1 2 = 4n s
Ξ 国家自然科学基金资助项目 1996年1月25日收到原稿, 1997年6月10日收到修改稿。 郭大浩, 男, 1936年5月出生, 高级工程师 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
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与通常的中、小强度激光束参数测量相比, 高功率激光束的时、空特性等参量的测量具有 相当大的难度。首先, 为了获取每一个所需的参数, 常常要开动庞大的多级放大系统, 操作复 杂, 代价高, 间隔时间长; 其次, 各种探测元件在强激光照射下, 大多易被破坏或导致性能畸 变, 使所测参数失真; 第三, 庞大的激光装置存在多种高频辐射, 可能干扰探测器工作。因 此, 测量必须注意既保证所测参数的真实性和准确性, 又不至于损坏探测元件, 还要争取让 系统运转尽可能少的次数来获得所需的参数。
F ig. 5 Focu sed energy v s d ivergence Η 图 5 能量可聚焦度与发散角关系曲线
F ig. 6 T he schem e of m ea su ring linew id th 图 6 测量谱线宽度的示意图
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摘 要 在万兆瓦可调谐钕玻璃激光装置上, 对激光束时空特性参数—脉宽、发散度及 线宽等进行了测量, 获得了较精确的测量结果。 关键词 高功率激光 脉宽 发散度 线宽 ABSTRACT T he m ea su ring m ethod s and resu lts of p u lse w id th (FW HM ) , d ivergence and linew id th of la ser ou tp u t from a 1010W tunab le N d: g la ss la ser system a re in troduced . KEY WO RD S h igh pow er la ser, p u lse w id th (FW HM ) , d ivergence, linew id th
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强激光与粒子束
第8卷
按照上述测量方法和公式, 并假定倍频激光与基频激光的线宽是一致的, 得到了华光装 置振荡级输出的线宽为6. 5×10- 4nm。线宽这样窄是因为激光振荡器采取了预脉冲技术与插 入 F - P 标准具等措施[3], 实现了单纵模运转, 图7也证明了激光器工作在单纵模状态。此外, 使用了W P - 1平面光栅谱仪测量了钕玻璃激光装置的波长调谐范围为 ∆Κ≥28. 6nm。
衰减片而射入光楔, 光楔第一个表面反射率为 R 1 (R 1= 70% ) , 第二个表面反射率为 R 2 (R 2=
100% ) , 两表面间夹一个小角度。在透镜焦平面处放置黑相纸或照相胶片时, 即可记录到烧
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In th is p ap er, the p u lse w id th (FW HM ) , d ivergence and linew id th, w h ich a re p a ram eters fo r p rop erties in tim e, sp ace and frequency dom a in s, of la ser ou tp u t from a 1010W h igh pow er tunab le N d: g la ss la ser sys2 tem a re m ea su red. In h igh pow er la ser system , it is d ifficu lt to m ea su re these p a ram eters becau se of sa tu ra2 tion of m ea su ring system , co llim a ting of la ser rou te, d istu rbance of sp a tia l rad ia tion s and inconven ience of op era ting huge la ser system m any tim es. A fter ca refu l con sidera tion of m ea su rem en t m ethod s, the rela tively better m ethod s a re adop ted. A nd thu s the m o re p recise resu lts a re ga ined. T he exact p u lse w id th of la ser is ob ta ined after exclud ing the effect of respon sing tim e of m ea su ring system on m ea su red la ser p u lse w id th. B e2 cau se its conven ience and accu racy, w edge is u sed in d ivergence m ea su rem en t. In o rder to get linew id th, the frequency of la ser is doub led and then fo rm ed a in terference ring after F - P eta lon p la te. T h rough th is in ter2 ference ring, the linew id th can be ca lcu la ted ea sily. T he p a ram eters of la ser a re a s fo llow ing: Pu lse w id th (FW HM ) , 4n s; D ivergence ang le, 0. 36m rad, w h ich 9. 7 tim es the d iffraction lim it ang le; L inew id th, 6. 5× 10- 4nm. W ith la ser of such good p u lse w id th, d ivergence and linew id th p rop erties, g rea t p rog resses in field s (such a s in teraction betw een h igh pow er la ser and m a teria ls and m o lecu la r, b io log ica l p hysics, a tc. ) a re ex2 p ected.
第4期
郭大浩等: 高功率激光的时间、空间和频率特性的测量
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蚀或感光光斑列, 其光斑半径依次为 r1, r2, …, rn, …, 而且他们的强度比是已知的, 这是一
列远场焦斑, 如图4所示。要摄得有用的焦斑列的前提是入射激光强度要合适。因为胶片感光
强度的线性范围是有限的, 例如上海 GB 21°胶片, 据上海光机所多次实验的经验, 其线性范
1 激光脉冲宽度的测定
脉宽 (FW HM ) 是衡量脉冲激光能量在时间上集中程度的参量。中国科学技术大学强激光 技术研究所的华光装置[1]是一台万兆瓦可调谐钕玻璃激光系统, 其振荡级输出的调 Q 激光脉 宽约为75n s。为了获得脉宽仅数 n s 的窄脉冲, 装置中设置了双电光晶体削波开关, 保证了输 出的窄激光脉冲有较大和较稳定的能量。 由于装置总输出激光功率比振荡级要大几个数量级, 易使探测器产生饱和效应, 导致所 显示脉宽比实际脉宽大, 产生失真; 此外, 激光装置工作时, 其各个电源系统所产生的高频 电磁辐射常常通过空间干扰示波器工作, 使之无法正常显示激光脉冲波形。因此, 在采用 P IN 硅光二极管及 T ek7834存储示波器探测激光波形时, 我们首先在 P IN 管前覆盖合适的衰减片 以确保 P IN 管不产生饱和效应; 第二, 为使波形有较大的幅度, 示波器应被置于较灵敏档 (如100mV 档) , 但这样又使示波器易受空间辐射干扰。我们采用如图1所示的方案来解决。利 用分光板将激光信号分为二路, 一路由 P IN 管1接收而经电缆 L 1 送到示波器的外触发输入 端; 另一路由 P IN 管2接收并经电缆L 2送到示波器 Y 轴输入端。这里, 要使L 1比L 2短些, 以确 保触发扫描在先, 同时第一路信号比第二路信号大 (作为触发扫描信号使 P IN 管饱和也没关 系)。第三, 示波器触发电平旋钮也要置于较大值以抑制空间辐射干扰。利用这一方法拍摄的 装置总体输出激光波形示于图2。 由于所用 P IN 管及示波器系统有一定的响应时间 (示波器的响应时间为0. 9n s, P IN 管的
参考文献
1 吴鸿兴、郭大浩等. 万兆瓦可调谐窄线宽新型钕玻璃激光装置. 中国科学A 辑, 1991, (8) : 883～ 889 2 激光参数测量编写组. 激光参数测量. 上海: 上海人民出版社, 1976. 23、28、58 3 郭大浩等. 激光自锁模现象的消除. 中国激光, 1993, A 20 (5) : 341～ 344