LD侧面泵浦全固体激光器实验系统的研究

2015-01-13杜丹等

科技创新导报 2014年33期

关键词：研究

杜丹等

摘要：LD侧泵技术已经广泛应用到各行各业，所以，将LD侧泵全固体激光器的实验系统推广到国内各大高校的相关专业是非常必要的。本套实验系统可作为光信息、应用光学等相关专业的本科生的设计性实验（如腔型的设计）、综合性实验（光、机、电、算的综合）并且可以扩展为研究生实验（整机的搭建、振镜扫描等）。该文主要完成了用输出功率可达50 W的LD模块搭建激光器的光学系统，选择驱动电源、水冷系统，组建LD侧泵全固体激光器；完成装调及选模实验，了解并掌握LD侧泵全固体激光器的装调方法及相关特性。

关键词：全固体激光器 LD侧面泵浦实验系统研究

中图分类号：TN248 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）11（c）-0016-02

1 绪论

1.1 引言

LD泵浦固体激光器的英文缩写为DPSSL，它的泵浦光是固体半导体激光器发出的，所以可称为全固体激光器。DPSSL集LD与固体激光器的优势于一体，和传统的灯泵固体激光器相比，具有总体效率高、频率稳定性好，使用寿命长、使用简便还有可以全固体化等优点。

随着激光二极管技术的发展、日益成熟，国内外对LD侧面泵浦全固体激光器的研究已有了很大的进展。目前，LD侧面泵浦全固体激光器不仅在光通信、光盘贮存、激光打标、条形码扫描、测量还有医疗等领域获得了广泛应用，而且已被广泛用于制导、测距、打靶还有引爆等重要领域。

这种激光器发展极快，20世纪90年代就已从实验室阶段走上了产业化和商品化阶段，近几年来，国外市场上成型的产品有1.06 nm，532 nm，355 nm，266 nm， 430 nm，473 nm，2100 nm等连续与脉冲激光器，国内的绿光激光器也已形成产业化。现阶段，LD泵浦全固体激光器的相关配件已经标准化、商品化，其相关产品已经在市场中占有主导地位。可是，尽管半导体泵浦的固体激光器在理论与技术上都已达到了相当成熟的地步，具体的细节问题上还存在困难需要深入研究。与其他类型的激光器研究类似，对DPSSL的研究重点主要是围绕着提高转化效率、提高光束质量、降低噪声、实现单频、获得新波长还有实现腔内调制等进行的。

1.2 LD泵浦全固体激光器的基本原理

LD泵浦固体激光器是以固体半导体激光器发出的激光为泵浦源，集LD与固体激光器的优势为一体，具有总体效率高、频率稳定性好，使用寿命长、使用简便还有可以全固化等优点。下面以输出波长为808 nm的LD泵浦Nd3+：YAG晶体为例，介绍LD泵浦基本原理。

当注入半导体激光二极管电流高于阈值电流的时候，发射光谱的宽度会急剧变窄，谱线中心波长的强度会迅速增加而形成激光输出。它虽然比普通的光单色性好，但是因半导体的特殊电子结构，受激复合辐射是发生在由许多子能级组成的导带与价带之间，所以激光谱线宽度比固体或者气体激光器宽得多。在室温下，GaAs激光器发射的激光谱线宽度约为几个纳米；而且激光器在超过阈值电流的时候，发射光谱会出现多个峰。而且峰值波长会随温度的不同而改变，在低温的时候为840 nm，室温时为902 nm。实验证明：随着温度的升高，峰值波长会向长波移动。所以可利用改变温度来移动波长，使之与Nd3+：YAG的吸收光谱相匹配。由于Nd3+∶YAG激光介质在808 nm附近有三个吸收峰，其中808 nm处的吸收系数最大，其吸收宽度约为1 nm，而LD激光波长在810 nm处有较窄的谱线宽度，与Nd3+∶YAG正好匹配；但是LD光谱随温度和注入电流变化非常灵敏，为保证光谱匹配，可设置调整LD光谱温度的控制装置。

2 实验分析

2.1 实验系统的搭建

整套LD侧面泵浦全固体激光器实验系统由三大部分组成：光学系统、驱动电源部分还有水冷系统部分。

光学系统中的光学谐振腔是激光器基本组成部分之一，用来加强输出激光的亮度，调节与选定激光波长还有方向的装置。全反镜镀1064 nm高反膜，输出镜镀1064 nm反射率为80%、透过率为20%的膜。平面平行腔可看成是由R1=R2=∞的大曲率半径镜构成的特殊腔型，它很好的利用激活材料的体积，要求在固定体积范围内使腔长尽量长。全反射镜尺寸与输出镜尺寸为φ20 mm×5 mm。激光棒长度l2为65 mm，l1=160 mm；l3=100 mm；工作物质折射率n为1.82。则总腔长l= l1+l3+l3×n≈378.3 mm。

LD模块的选择，在选择激光器的工作物质时一般要考虑以下五方面：工作谱线，能得到所要求的输出波长；吸收特性，一方面和激光二极管的输出谱线相匹配，另一方面要有较小的热吸收系数，以便实现较高的能量转化效率；导热系数还有热传递系数，二者越大越能够迅速转移晶体中的热量；热不敏感性要好，折射率等晶体系数随温度的变化要小；机械性能合乎要求，形变系数小，强度大。耦合技术与散热技术的选择也以激光晶体为出发点的。

LD侧泵固体激光器需要LD连续的运转，因此需要一个能提供合适电压和电流的低压直流电源。但为达到激光二极管高效可靠的运转，仅有电源是不够的。激光二极管的串联电阻值很低，因此，为了有效的转换能量，必须将电源的内电阻降到最低。其次，激光二极管受到电损伤的概率较高，所以过电压、反向偏压和电流保护都是电源设计中很关键的因素。本套实验系统采用GT OPTICS的GTDC2020S型驱动电源。输入电压是220 V±20%，输出电压是0～20V，输出电流是0～20 A。

由于LD的输出功率还有退化机理和温度密切相关，对半导体激光器，特别是连续运转的LD，必须采用制冷措施与温度控制，使它能够在恒定温度下工作，以保证激光器工作的稳定性。

本套实验系统所采用的LD模块要求工作水温为20 ℃，因此实验时将水温设置在20 ℃，温差目前定为1 ℃（温差设置不应太小，以免压缩机启动过于频繁，会造成故障），水的实际温度在温差范围内变化。开机5 s后水泵开始运行，压缩机延时20 s后运行，主机运行指示灯由闪亮转变为恒亮。除了出现故障外，压缩机与水泵不停运行。注意：冷水机有报警功能，当温度代码显示窗显示E03报警时，需按开/关键将其关闭，重新接电后恢复正常状态。endprint

激光水冷机是采用深圳东露阳公司的PH-LW16～72型。它的水温设定范围是5～25 ℃，水温最小波动范围为±0.5 ℃，水泵功率为550 W，使用电源为220 V/50 Hz。

2.2 装调及选模实验

2.2.1 平-平腔做装调实验

接通总电源，按下冷水机开关，5 s左右的延时后水冷系统开始工作。30 s左右的延时后冷水机引出的插座开始给LD模块电源供电。启动LD模块电源ON和工作开关START，逐渐增大电流至9.0 A左右，电流要控制在18 A以下（关闭时反向进行），微微调整全反镜和输出镜至有光产生。

观察到激光输出后，逐渐减小注入电流到产生激光的临界点，记录下阈值电流。从阈值电流开始逐渐加大电流，记录输入的电压，同时记录输出的功率，根据η=P输出/P输入=P输出/I*U计算转换效率，绘制P-I曲线。绘制的P-I曲线如图1所示。

2.2.2 平-平腔做选模实验

在LD模块和输出镜之间加小孔光阑，将小孔中心调整到光轴上，通过KTP倍频晶体和扩束镜观察模式的变化，选择能量均匀的单横模，改变电流，测量输出功率，并绘制P-I曲线，这里扩束镜将光斑直径从3 mm扩大到9 mm，放大了3倍，因此能够很清楚的观察模式。绘制的P-I曲线如图2所示。

在进行装调与选模实验时应注意以下几点：严格按照时序关系，保证水路正常循环后再给LD模块和声光盒供电，以免损坏激光棒和声光晶体；电流应控制在18 A以下（静态激光阈值电流：7.4 A左右）；当冷水机温度代码显示窗显示E03报警时，马上关掉冷水机，再重新开启；对阈值电流和P—I关系的测量应在开机半小时以后激光器稳定工作时测量；激光器停止工作后，尽快关掉冷水机，以免结露。

3 结语

实验系统还存在着一些待解决的问题。由于谐振腔腔长、小孔尺寸等因素，实验中观测到的模式并不是很好。另外，系统的稳定性也不是很好，经过移动后需要重新调节光路。所以，以后还要继续对实验系统进行优化设计。

参考文献

[1] 张玲，杨少辰，李文博.LD侧面泵浦Nd：YAG激光器的热效应研究[J].激光器技术，2003，33（1）：37-39.