灯泵浦固体激光器的脉宽特性研究

张 鹏，张善春，王 兴，李业秋，徐送宁

(沈阳理工大学 理学院，沈阳 110159)

激光脉冲宽度是展现激光器输出特性的重要参数之一。在很多实际应用中如光谱分析、激光打靶、非线性光学响应测量等都要求脉宽可变。能够调整激光脉宽的方法有很多，如用非稳腔[1]代替稳定腔，或在激光系统中添加受激布里渊散射相位共轭镜(SBS)[2-4]的方法都能实现激光脉宽的改变。国外已有报道用Nd：YAG激光器和KrF激光器抽运单池SBS镜[5-6]获得脉宽可调的激光输出。刘强等提出了在激光重复频率为10Hz和不改变激光器硬件参数的条件下控制激光输出能量来调整激光输出脉宽[7]。但通过激光输出能量来调制激光输出脉宽对激光器的稳定性[8]要求较高。本文讨论通过改变谐振腔腔长和输入能量的方式来控制激光输出脉宽的方法，理论上分析了激光谐振腔的腔长对激光输出脉宽的影响，并通过实验验证改变谐振腔的腔长能够实现对激光输出脉宽调节的结论，得到了3.3m腔长下泵浦电压从650V到1000V时脉宽由182.7ns到62.7ns的变化。

1 理论分析

根据激光调Q理论[9-10]，当腔内光子数达到最大值时，激光输出的峰值功率可以表示为

ΔNth+ΔNi]

(1)

调Q过程中的激光能量可以表示为

(2)

脉冲宽度可通过Δt=E/P来表示：

(3)

(4)

式中:Δt为输出脉冲的脉冲宽度；T为输出耦合镜的透过率；L′为谐振腔的长度；c为真空中的光速。由式(4)可以看出，当激光输出镜透过率T及谐振腔除透射损耗之外的其他损耗一定时，输出脉冲宽度Δt与谐振腔的长度L′成正比，谐振腔的腔长越长，脉宽越宽[11]。

2 实验研究

设计的1064nm激光光路如图1所示，谐振腔腔长为3.3m。激光系统采用脉冲氙灯作为抽运源，使增益介质的粒子数发生振荡。在Nd∶YAG晶体的左侧依次放置偏振片、电光晶体和曲率半径为5m的凹镜M1，右侧为1064nm全反镜M2；增加一个1064nm全反镜M3使谐振腔的腔长变长，M4为输出耦合镜。当增益大于损耗，光在M1、M2、M3和M4组成的谐振腔内反复振荡，最终形成1064nm激光输出。为防止热效应使激光棒破裂，激光器采用循环水冷却方式。

图1 1064nm激光光路图

调节准直，缓慢增加泵浦电压，当泵浦电压达到阈值电压时，获得1064nm激光输出,分别测量不同泵浦电压下1064nm激光的输出能量和输出脉宽。

3 结果与分析

3.1 激光输入能量和腔长对输出脉宽的影响

在实验装置中，通过改变同条件下的泵浦电压，测量激光输出的脉冲宽度。谐振腔的腔长为1.6m和3m时，激光的阈值电压为750V。在相同输入能量下，激光的输出脉冲宽度与腔长的关系如图2所示。

由图2可以看出，当激光输入能量不变时，激光输出脉宽随腔长的增加而变宽。这是因为激光输出脉冲宽度与光子的寿命成正比。在相同的能量下，腔长的增加使光子的寿命延长。因此，激光的输出脉冲宽度随着腔长的增加而变宽。在腔长固定时，随着泵浦电压的增大，激光输出脉宽逐渐变窄。

图2相同激光输入能量1.6m和3m腔长下激光输出脉宽曲线

随着激光泵浦能量的增大，1.6m腔长下激光输出脉宽从85.2ns到25.8ns变化，3m腔长下激光输出脉宽由95.2ns变化到49.7ns。

3.2 3.3m腔长下激光的输出特性

针对纳秒级别的长脉冲激光输出，将谐振腔腔长增加到3.3m，激光的阈值电压为650V，测得激光的输出能量和脉宽随泵浦电压的变化曲线如图3所示。

图33.3m腔长下激光输出能量和脉宽与泵浦电压的关系

由图3可知，激光谐振腔腔长为3.3m时，随着泵浦电压的增大，激光输出能量逐渐增大,当泵浦电压为1000V时激光输出能量达到了140mJ。激光输出脉宽随泵浦电压的增大而变窄，脉冲宽度变化范围为180～60ns。

图4为3.3m腔长下，泵浦电压为1000V时的脉宽图。

图4 1000V电压下的脉宽图

由图4可知，当谐振腔腔长为3.3m,泵浦电压为1000V时，激光输出脉宽稳定，大小为62.7ns。

4 结论

激光的泵浦能量和谐振腔腔长对激光输出脉宽有较大的影响，随着泵浦电压的增大，激光脉宽逐渐变窄，随着腔长的增加脉宽逐渐变宽。通过改变泵浦能量和腔长能够实现对激光输出脉宽的调节。实验设计实现了纳秒级别的长脉冲可调1064nm激光输出，具有不错的应用前景。

参考文献：

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