双脉冲输出激光器设计

李腾飞，于复生，2，孙中国，殷盛江，时维康

（1.山东建筑大学机电工程学院，山东济南250101；2.山东省高校机械工程创新技术重点实验室，山东济南250101）

双脉冲输出激光器设计

李腾飞1，于复生1，2，孙中国1，殷盛江1，时维康1

（1.山东建筑大学机电工程学院，山东济南250101；2.山东省高校机械工程创新技术重点实验室，山东济南250101）

激光器作为一种重要的辅助光源已被广泛应用于用于材料加工、激光加工、精密测量和精密加工等工业环境中。文章设计了一种双脉冲输出光器，对其进行了理论及实验装置结构设计，并对设计进行了可行性验证试验，结果表明:在LD泵浦源的激励下，产生了最高功率达到0.57W的双脉冲绿色激光；随着泵浦源电流的增大，得到的绿色激光的光功率越大，直到其达到峰值；通过光电转换，采用高速示波器进行双脉冲的光信号采集，检测出激光脉冲的周期和脉宽均为20μs。

双脉冲；激光器；LD

0 引言

现如今半导体激光器的应用愈来愈普遍，固态高功率双脉冲输出绿光激光器的研究得到了快速发展，脉冲激光器因为其特有的双脉冲信号，已被用于材料加工、激光加工、精密测量和精密加工等工业环境中。经过科学家们多年的努力，针对传统固体激光器的转换效率的缺点，摒弃了闪光灯的泵浦方式，改为激光二极管泵浦。固体激光工作物质的吸收带能够与激光二极管的发射光谱完全重合，而且二极管还有体积小、效率高和寿命长的优点［1-2］，因此它是固体激光器理想的泵浦源。

LD泵浦的激光器可追溯到20世纪60年代。1960年，Newman首先提出了半导体泵浦固体激光器的思想［3］，90年代至今，高功率绿光激光器发展迅速，输出功率已达到几百瓦。Garrec等人通过30个连续激光二极管在侧面进行泵浦，KTP在Z型腔内完成倍频，获得双端27 kHz、106 W的绿光输出［4］。

文章主要研究的是全固态激光器，选用的LD采用光纤耦合方式，输出功率随电流的增大而增大，其阈值电流为0.5 A；选用的倍频晶体KTP是一种非线性倍频晶体，它具有电光系数大、非线性系数大、走离角小和相对高抗光损伤阈值的特点。通过相应的计算得到Nd:YVO4和KTP的最佳长度，其中采用的声光Q开关是一种用于产生巨脉冲激光运转方式，使谐振腔的光学品质因数Q值突变，能量瞬间产生。以此在可行性验证试验中得出了功率为0.57W的连续绿光。

1 设计理论及实验装置结构设计

1.1 设计理论依据

DPL（全固态激光器）的工作物质必须具备以下几点［5］:（1）尖锐的荧光谱线；（2）能与激光二极管（LD）发光谱线相应的强吸收带；（3）针对所需要的荧光跃迁具有相当高的量子效应。

激光二极管泵浦发射波长可以与Nd:YAG的吸收谱线相对应，使其成为科研、工程、军事和医学领域中最为重要的激光增益物质。Nd:YVO4的光谱特性比Nd:YAG晶体的光谱特性更适合激光二极管（LD）泵浦，因为Nd:YVO4吸收系数高，受发射截面大，是后者的5倍左右，在808 nm波长附近存在很强的宽吸收带，因此在实际应用中选用a轴切割的Nd:YVO4作为工作物质，其通光面大小为4 mm×4 mm。但Nd:YVO4，的缺点是较短的荧光寿命。Q开关运转时，荧光寿命是一种衡量储存能量的方法，储能越大，所需的荧光寿命就越长。

在端面泵浦情况下，这里只考虑基模状态下的情况。对于理想的四能级系统，其速率方程［6，7］可由式（1）、（2）表示为

式中:R（x，y，z）为泵浦速率密度；ΔN（x，yz）为反转粒子束密度；S（x，yz）为腔内光子数密度；τf为增益介质上能级的荧光寿命，h；c为真空中的光速，m／s；n为增益介质的折射率；σ为受激发射截面；δ为腔内的往返损耗；L为谐振腔长度，mm；S为腔内光子总数，个。

在阈值泵浦条件下，输出功率和斜效率可由（3）、（4）、（5）和（6）表示为

在强光泵浦下，输出功率和斜效率分别由（6）、（7）表示为

式中:T为输出镜的透过率；hυs为振荡光子能量；／J2为重叠效率因子。

在式（4）的理论计算中，假设腔的往返损耗δ＝T+δ0，δ0为散射吸收，则吸收效率为ηα＝1-exp（-αpl），因此，最佳透过率Topt由式（8）表示为

根据上述论述，通过公式计算得出了晶体长度与输出光功率的关系，经过反复的理论与实验论证得到Nd:YVO4晶体（掺钕离子浓度为0.2%）最佳增益尺寸为4 mm×4 mm×10 mm。

1.2 实验装置结构设计

一台激光器基本结构由三部分构成:工作物质、光学谐振腔和激励能源。文章利用国产的808 nm半导体激光器作为抽运源，端面抽运声光调Q的Nd:YVO4激光器，利用线性腔实现了KTP腔内倍频获得了准连续、双脉冲绿光输出。具体光学实验装置如图1所示，从左到右依次为LD泵浦源、Nd:YVO4晶体、Q开关、KTP晶体和输出耦合镜。

图1 腔内倍频绿光激光器的实验装置图

激光增益介质为a向切割的Nd:YVO4晶体（掺钕离子浓度为0.2%）［8］，尺寸为4 mm×4 mm× 10 mm，通过长度为10 mm。激光晶体靠近LD的一端面镀有对532 nm的光高透和1064 nm的光高反的膜，作为激光器的谐振腔的一个腔镜，减少了额外使用腔镜而引起的新损耗；Nd:YVO4晶体的另一端面镀有1064 nm的光增透介质膜。

LD耦合光纤输出光直接泵浦Nd:YVO4晶体的一端面，光纤输出端与Nd:YVO4晶体的一端面在1 mm内。这种泵浦方式可使LD与工作物质直接耦合，无需光学系统。其最大优点是无中间环节，因此耦合效率高，结构紧凑，其缺点是泵浦光与激光模式匹配不够好，容易产生髙阶模光振荡，不适合高功率泵浦［9］，声光调制器在腔内靠近Nd:YVO4晶体的另一端放置，倍频晶体采用Ⅱ类相位匹配的KTP晶体，其尺寸为7mm×7mm×4mm，在KTP晶体的两个通光面镀有1064 nm和532 nm的双增益介质膜，以降低腔内损耗，Nd:YVO4和KTP晶体分别安装在铜块上，输出耦合镜的一面镀有1064 nm的高反和532 nm的高透膜。

Q开关是一种用于产生巨脉冲激光运转方式，使谐振腔的光学品质因数Q值突变［10］，能量瞬间产生。腔内储能与每个周期的能量损耗之比被称为品质因数Q，因此品质因数越大，损耗越小。文章采用声光调Q方式。声光Q开关工作原理是超声波照射到一块石英晶体上时，光弹效应使超声波的调制被耦合到光学折射率上从而形成光学相位光栅［11-12］。激光束通过光栅时，部分光强将会衍射偏离原来的光束，射向一个或多个离散方向，使之产生衍射损耗，降低了Q值，形成不了激光振荡，这时增益介质的上能级反转粒子束不断积累达到饱和值，当撤去超声波时，衍射效应消失，腔内Q值激增，激光振荡恢复，其能量以巨脉冲形式输出，短时间内产生的能量峰值功率是普通长脉冲的峰值功率的几个数量级。

实验采用的声光调制器为Gooch＆Housego生产的MQS041-1.5C10G-4-A，如图2所示为Q开关结构及工作示意图，Q开关的主要技术参数为:工作介质是石英晶体；激光工作波长为1064 nm；通光口径为1.5 mm；静态透过率大于99%；工作频率40.68 MHz；射频功率为20W；阻抗50；过热保护点在50℃。

图2 声光Q开关结构及工作示意图

图3 正常触发极性显示图

Q开关的脉冲控制方式如图3所示。采用固定模式时，驱动器输出的脉冲宽度由驱动器的硬件确定，调节驱动器相应电位器可使其输出脉冲宽度为1～20μs。当采用可变模式调制时，输出脉冲宽度由输入信号的脉冲宽度决定。这两种调制模式的重复频率可达到500 kHz。

2 可行性验证试验

激光增益介质为a向切割的Nd:YVO4晶体（掺钕离子浓度为0.2%），尺寸为4 mm×4 mm× 10 mm，通过长度为10 mm。激光晶体靠近LD的一端面镀有对532 nm的光高透和1064 nm的光高反的膜，Nd:YVO4晶体的另一端面镀有1064 nm的光增透介质膜。

启动LD泵浦源和声光Q开关，调节驱动电源内的电流大小，当电流达到0.5 A时，有绿光输出（如图4所示），随着电流的增大，绿光的强度也随之增大；当电流达到2.5 A时，LD光功率为12 W，输出的绿光光功率为0.57 W。其总体光光转换效率为4.75%（如图5所示）。

图4 实验中输出的绿光图

图5 LD泵浦电流与绿光功率的关系图

光脉冲序列形成之后，我们把产生的光脉冲信号通过光电转换后接入到高速示波器中，完成对每个脉冲参数的测量采集工作，高速示波器在测量脉冲序列的时候，只对其某一个脉冲的参数进行测量，示波器测得的脉冲序列是幅度最大的脉冲的幅度值［13］，而不是脉冲序列中每个脉冲的幅度值，待示波器读取完整的数据后再进行分析。

示波器通道获取的是光信号的同步信号，当示波器通道的触发状态工作以后，利用同步信号来实现对脉冲序列的定位，也就是说测量得到脉冲序列中第一个脉冲与同步脉冲的时间间隔为T，待同步信号的位置获得确认以后，把同步信号的前沿时间设置为T，从而得到同步脉冲与脉冲序列中第一个脉冲的起始时间点T+T1［14］，根据已知的脉冲宽度20μs，第一个脉冲的截止时间点设置为T+T1+ 20μs，此时将第一个脉冲的起始时间点和截止时间点分别向两侧延展10μs，这样可以得到第一个脉冲的起始时间点和截止时间点分别为T+T1-10μs和T+T1+20μs，因此只要脉冲的位置偏差不超过10μs，我们便能够捕捉到整个脉冲的波形，以此类推可以得到脉冲序列中每个脉冲的起始时间点和截止时间点（如图6所示）。通过图6可知，采集到的脉冲信号与预先设置的脉冲宽度20μs相吻合，并且其脉冲周期同样处于时间节点内，周期为20μs。由于光信号的采集存在着光照强弱的转换时间差［15］所以示波器采集的脉冲信号会产生一些波动，类似于正弦波而并不是理论意义上的方波。

图6 双脉冲激光信号数据采集显示图

3 结论

文章介绍了LD泵浦的腔内倍频KTP脉冲激光器的制作，该激光器主要由LD泵浦源、Nd:YVO4晶体、Q开关、KTP晶体、输出耦合镜组成。

设计依据理论推导公式计算得出了Nd:YVO4晶体和KTP晶体的最佳倍频长度，倍频晶体KTP的两个通光面上镀有1064 nm和532 nm的双增益介质膜，输出耦合镜一面镀有1064 nm的高反和532 nm的高透膜，并在验证实验中加装了声光Q开关，使谐振腔的光学品质因数Q值突变，试验结果表明:在LD泵浦源的激励下，产生了最大功率可达0.57 W的双脉冲绿色激光，根据光功率计测得的绿光功率，找到了LD泵浦电流与绿光功率的线性关系，即随着泵浦源电流的增大，得到的绿色激光的光功率越大，直到其达到峰值。与此同时，通过光电转换，利用高速示波器采集到双脉冲激光信号，测得的脉冲宽度与时间间隔为20μs。

［1］ Zhou D.C.，Yu F.X..，Lu J.Y..Design of Yb-doped Al-l fiber Laser Device Based on Optical Fiber Gratings Resonator［J］.Acta Photonica Sinica，2010，39（3）:390-392.

［2］ 张晓娟，蔡军，许宏.Tm脉冲激光器泵浦的中红外固体激光器［J］.光电技术应用，2011（26）:15-17.

［3］ Newman R..Exeitation of the Nd3+fluorescence in CaWO4 by recombination in GaAs［J］.Journal of Applied Physics，1963，34（2）:437-439.

［4］ Carrec B.J.，Raze G.，.High-average-power diode array pumped frequency doubled YAG laser［J］.Optics Letters，1996，1（24）:1990-1992.

［5］ 姚建铨，徐德刚.全固态激光及非线性光学频率变换技术［M］.北京:科学出版社，2007:48-64.

［6］ 田宏宾，王丽，毛丽琴.Nd:GdVO4和Nd:YAG全固态激光器输出特性的比较［J］.激光与红外，2005，35（8）:566-569.

［7］ 石梦静.LD泵浦全固体连续绿光激光器［D］.厦门:厦门大学，2008.

［8］ 田宏宾，王丽，毛丽琴.Nd:GdVO4和Nd:YAG全固态激光器输出特性的比较［J］.激光与红外.2005，35（8）:566-569.

［9］ 苗峰，曹霞.KTP晶体的研究进展［J］.西南民族大学学报·自然科学版，2011，37（5）:34-37.

［10］张荣禄.LD泵浦的双脉冲激光散斑测量系统的研制［D］.济南:山东建筑大学，2012.

［11］郭丽，姚建铨，禹国俊，周睿.百瓦级全固态绿光激光器的研究［J］.光子学报，2004，33（9）:1025-1027.

［12］徐德刚，姚建铨，周睿.104W全固态532nm Nd:YAG激光器［J］.中国激光，2003，30（9）:864.

［13］王锐.多路光脉冲信号数据采集技术的设计［J］.光纤与电缆及其技术应用，2011（5）:42-46.

［14］魏磊，胡学浩，韩隆.激光二极管双端抽运Tm∶YAP激光器［J］.中国激光，2011（38）:3-5.

［15］Quentin D.C.，Dennis M.F..Statistics of subpixel registration algorithms based on spatiotemporal gradients or block matching［J］.Optical Engineering，1998，37（4）:1290-1298.

（责任编辑：李雪蕾）

Design of the double pulse laser

Li Tengfei1，Yu Fusheng1，2，Sun Zhongguo1，et al.

（1.School of Mechanical and Electronic Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2，Key Laboratory of Mechanical Engineering＆Innovation Technology in Universities of Shandong，Jinan 250101，China）

As an important secondary source，laser has been widely used in materials processing，laser processing，precision measurement and precision machining.Based on the stress changes of the facemilling cutter tools under the high-speed intermittent cutting，the paper created a kind of double pulse laser，designed its experimental device and theory，and carried out a good feasibility test.The results show:through the LD as the pump source，getting the double pulse green lightwhichmaximum power is up to 0.57 W；with the increase of pump source current，the green laser's power is bigger and bigger，until reach the peak.Through the photoelectric conversion，in the experiment，highspeed oscilloscope is used for double-pulse optical signal collection，testing the laser pulse period and pulse width being 20us.

double pulse；laser；LD

TN242

A

1673-7644（2014）06-0585-05

2014-06-07

国家自然科学基金项目（51075245）

李腾飞（1988-），男，在读硕士，主要从事机械电子工程等方面的研究.E-mail:ltf225＠163.com

*通讯作者：于复生（1969-），男，教授，博士，主要从事机电精密测控系统等方面的研究.E-mail:romeatrol＠163.com