LD泵浦Nd:YAG激光器综合实验建设

周建华，兰 岚，余学才

(电子科技大学 光电信息学院，四川 成都 610054)

二极管激光器泵浦的固体激光器(laser diode pumped solid state laser,LDPSSL或DPL)是指用激光二极管(laser diode,LD)代替闪光灯泵浦固体激光增益介质的激光器，也称为全固态激光器(all solid state laser)。全固态激光器具有转换效率高、结构紧凑、体积小、寿命长、可靠性高、结构牢固、光束质量好、输出能量大、峰值功率高、工作介质覆盖的波段广及运转方式多样等优点，是当代激光技术发展的主要方向[1]。DPL激光器在民用方面，如激光加工、激光通信及激光医疗等方面有极大的市场潜力[2-4]。在军事领域，采用808 nm大功率半导体激光器作为泵浦源的小型化Nd:YAG，已在激光测距、测速、激光制导、激光引爆和激光雷达等方面被广泛应用[5]。随着激光技术的发展，该类激光器的应用将越来越广，很有必要向当代光电类专业的大学本科生开设此类实验，使学生了解该技术和原理并能进行一些简单的实验操作和数据处理。为此根据实验可操作性和实验设备的成本，建设了相对简单的实验装置，在此装置上进行LD泵浦Nd:YAG激光器的多个内容的综合实验，涉及激光器的泵浦源、谐振腔、晶体光学、非线性光学、倍频、调Q技术等多个知识点[6]。

1 LD泵浦Nd:YAG激光器的结构

从LD泵浦固体激光器的方式来看，有端面泵浦方式和侧面泵浦方式两种[7]。

1.1 端面泵浦

端面泵浦是中小功率LD泵浦固体激光器常用的一种泵浦方式，具有结构紧凑、整体效率高、空间模式好的特点。如图1所示，主要由LD泵浦源、耦合光学系统和固体激光器Nd:YAG三部分组成[8]。耦合光学系统可以是光学透镜耦合和光纤耦合。LD阵列输出的空间相干光束沿着光学谐振腔的轴向泵浦，光束聚焦在激活介质的一个小体积内。谐振腔的参数保证泵浦光束和谐振腔模的激发空间能很好地重叠在一起，达到模式匹配。重叠程度直接影响光泵浦的效率和输出光束的质量。同时，端面泵浦在入射方向的穿透深度很大，增益介质对泵浦光充分吸收，泵浦阈值功率低，斜效率高，因此，端面泵浦系统在大功率、高光束质量、结构紧凑、转换效率高的全固态激光器中得到广泛应用。

图1 LD端面泵浦Nd:YAG激光器结构图

1.2 侧面泵浦

端面泵浦虽然能够获得高效率、高光束质量的激光输出，但是由于受到泵浦区域尺寸以及热效应等的限制，泵浦功率不能做得很大。随着LD输出功率的提高和热管理技术的进步，根据灯泵激光器的设计思路，采用多个LD阵列，设计合理的激光介质的结构，通过长方体表面或者圆柱体表面将泵浦光能量泵入晶体，这为泵浦耦合和散热都提供了较大的表面面积，因而输出功率可以大大提高。同时靠增加激活介质的尺度也很容易提高输出功率。目前，百瓦级甚至万瓦级全固态激光器大都采用阵列泵浦结构。其中，激光介质可以做成棒状、板条状和盘状。图2所示为一种侧面泵浦的示意图，3条LD阵列按照120°间隔均匀对称排列，通过柱状透镜侧面泵浦激光棒[9-10]。

图2 三条二极管阵列侧面泵浦Nd:YAG激光器结构图

2 808 nm二极管激光器的P-I特性曲线测量

LD具有输出光功率高、光束质量好、相干性好的优点。LD的P-I特性曲线指输出功率P随注入电流I的变化关系，LD的典型P-I特性曲线见图3[7]。

图3 LD的典型P-I特性曲线

LD的P-I特性曲线具有以下特征：

(1) LD有阈值电流Ith，当注入电流IIth时P-I特性曲线基本呈线性关系。但是，当调制电流较大时，线性特性将遭破坏。

(2)P-I特性曲线随温度升高，斜率下降，即量子效率下降，输出光功率下降。

(3)P-I特性曲线随温度升高，阈值电流Ith升高。

由于P-I特性受温度的影响较大，所以一般需要采用制冷器使LD工作在恒温状态。

LD的P-I特性测量实验装置如图4所示。LD输出激光经过耦合系统后进入光功率计，从小到大改变LD的驱动电流，得到相应的LD激光功率见表1。作出输出功率与驱动电流的关系曲线如图5所示，确定阈值电流为0.5 A左右，当I>Ith时，二者基本满足线性关系，与理论基本相符。

图4 808 nm LD激光器P-I特性测量装置

图5 808 nm LD激光器的P-I特性曲线

表1 808 nm LD激光器的P-I数据表(LD工作温度：25 ℃)

3 测量Nd:YAG激光器的输出功率与泵浦功率关系

实验装置如图6所示。LD输出激光经耦合系统后泵浦Nd:YAG激光器，从反射镜端输出1.064 μm的激光，再用光功率计测量输出光功率。从小到大改变LD的驱动电流，得到LD驱动电流与Nd:YAG激光输出功率的测量值见表2。由表1数据得到的Nd:YAG激光器的输出功率与泵浦功率(LD激光器的输出功率)的关系曲线见图7，在阈值之上二者基本满足线性关系。

图6 LD泵浦Nd:YAG激光器实验装置

表2 1 064 nm激光输出功率与LD驱动电流数据表(LD工作温度：25 ℃)

图7 Nd:YAG激光器的输出功率与泵浦功率的关系曲线

4 LD泵浦固体激光器倍频实验

实验装置见图8。将KTP晶体放入Nd:YAG激光器的谐振腔中，旋转KTP晶体，可以观察到532 nm激光强度的变化，调至最佳角度使输出激光功率最大。再将KTP晶体放置在谐振腔不同位置，可观察到光功率计测量532 nm激光功率的值变化。当KTP晶体位于激光束的束腰位置处，输出的激光功率最大[11]。

图8 LD泵浦Nd:YAG激光器倍频实验装置

5 LD泵浦固体激光器被动调Q实验

LD泵浦的Nd:YAG/Cr4+:YAG/KTP结构被动调Q绿光激光器如图9所示[12-13]。

图9 LD泵浦Nd:YAG激光器被动调Q实验装置

将Cr4+:YAG晶体放置在谐振腔内，在输出镜后放置光电二极管，将二极管输出接入示波器。调节调Q晶体的俯仰扭摆角度，在示波器上观察调Q激光脉冲波形(见图10)。减小808 nm激光器的工作电流，观察脉冲波形的变化，当电流减小到某值时，脉冲波形消失，脉冲最小频率对应的周期即为YAG荧光寿命。改变LD驱动电流，测得的调Q激光脉冲波形参数见表3。由波形数据可见，808 nm激光器的工作电流越大，Nd:YAG激光器的泵浦输入功率越大，调Q激光的输出脉冲周期越小，脉冲半高宽度越小，但脉冲高度几乎不变。

图10 被动调Q激光的输出波形

表3 808 nm LD激光器驱动电流与被动调Q激光脉冲波形参数的数据(LD工作温度：25 ℃)

6 结束语

为了实验教学的直观性，本系统采用分离器件，由学生动手组装调试，在操作过程中观察实验现象，掌握调试技巧，学习相关参数的测量并进行数据处理与分析。包括观察LD输出激光的光束特性、耦合系统的作用、如何将聚焦后的LD激光束泵浦Nd:YAG激光器、如何调整谐振腔得到单模输出、在调整过程中观察输出激光的模式变化、KPT倍频晶体的角度匹配、被动调Q激光脉冲参数的测量等实验内容。该实验已经向我院2009级光通信与光电工程专业100余名本科生开放，通过该实验，有助于学生加深对激光器的泵浦源、谐振腔、晶体光学、非线性光学、倍频、调Q技术等知识点的理解和掌握。

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