3 ns RTP电光腔倒空调Q激光器

崔雪龙，张海鹍，张　峰，王　静，李　欣，陈丽娟，周　城，陈　涛(济南大学物理科学与技术学院，山东济南　250022)



3 ns RTP电光腔倒空调Q激光器

崔雪龙，张海鹍*，张峰，王静，李欣，陈丽娟，周城，陈涛
(济南大学物理科学与技术学院，山东济南250022)

摘要:采用RTP(磷酸钛氧铷)晶体为电光Q开关，利用腔倒空技术，实现LD(半导体激光器)端面抽运Nd: YVO4晶体的1 064 nm调Q激光输出。在不同重复频率及不同抽运功率条件下，激光输出脉冲宽度保持在3．1 ±0．3 ns。考虑腔倒空过程中净增益为零，给出LD抽运的Nd: YVO4腔倒空激光器的输出脉冲波形方程，并数值求解该理论方程，其理论计算与试验结果相符。

关键词:激光技术; RTP晶体;电光调Q;腔倒空

随着微纳制造技术、MEMS(微机电系统)技术的发展，纳秒量级的高能量短脉冲激光加工技术以无接触、质量好、效率高等显著特点，成为最具竞争力的先进加工技术之一［1－3］。在激光加工中，激光的脉冲宽度和重复频率是影响激光加工质量和效率的两个重要因素［4］。电光调Q和声光调Q很难同时满足高重频和短脉冲的条件，也很难实现＜5 ns的稳定脉冲输出［5－7］;而微片被动调Q激光器，虽然可以得到＜1 ns的脉冲输出，但被动调Q输出脉冲不稳定，在实际应用中也受到限制［8－10］。相对于被动调Q输出脉冲存在抖动等不稳定现象，电光的腔倒空技术可以将腔内储存的能量在短时间内一次性导出腔外，形成稳定的高功率短脉冲激光。文献［11］采用双端抽运Nd: YLF晶体实现2．5 ns左右的腔倒空脉冲输出，但重复频率较低，最高重复频率仅为200 Hz。文献［12］采用BBO(偏硼酸钡)电光晶体为调制器件，利用LD抽运Nd: YVO4晶体，实现了500 kHz的电光腔倒空激光运转，脉冲宽度为6 ns，平均功率10 W。相比于BBO等电光晶体，RTP(RbTi0P04，磷酸钛氧铷)晶体具有更大的电光系数，较高的损伤阈值(在波长1. 064 μm、脉宽10 ns脉冲串的作用下，约为1．8 GW/cm2)，适于高重复率电光调制领域［13］。目前，国内关于高重复频率、窄脉宽RTP电光调Q激光器的报道还比较少。本文研究一种RTP电光腔倒空激光器。利用RTP晶体为电光调制器件，采用腔倒空技术和加压调制方式，实现LD抽运Nd: YVO4晶体调Q激光输出，通过压缩腔长获得窄脉宽、高重复频率1 064 nm的激光脉冲。从理论和试验两方面研究脉冲宽度与腔长、Q开关开关速度的关系，分析了抽运功率、Q开关重复频率对输出激光脉冲宽度的影响。

1　试验装置及原理分析

LD抽运Nd: YVO4电光腔倒空激光器采用L型腔结构，试验装置如图1所示。抽运源采用光纤耦合的808 nm半导体激光器，最大输出功率30 W，抽运光经一个1∶0．8的光纤耦合头耦合到晶体中。激光晶体采用掺杂浓度为0．3%的Nd: YVO4晶体，一端镀808 nm和1 064 nm的高透膜，另一端镀1 064 nm的高透膜。晶体沿a轴切割，尺寸为3 mm×3 mm×6 mm，用铟箔包裹放在铜块中，用水循环冷却至室温21℃，靠近输入镜放置。M1为808 nm高透和1 064 nm全反的双色平面镜，M2为1 064 nm全反的平面镜。偏振分束立方体(PBS)、零级1/4波片和RTP普克尔盒构成Q开关，PBS兼做输出端。由于RTP晶体为双轴晶体，普克尔盒采用两块RTP晶体沿通光方向正交放置，补偿自然双折射。采用加压式，1/4波电压为650 V，重复频率的调节范围为1～50 kHz。采用A－40－D25－HPB型功率计和1 GHz带宽DPO4102B－L型示波器监测功率和脉宽。

PBS反射S分量，透过P分量，从而分离S偏振光和P偏振光。调节普克尔盒使入射的线偏振光与RTP晶体的快轴(或慢轴)呈45°正入射，并将1/4波片的光轴调至与S偏振光平行。当电光开关不工作时，工作物质产生的S偏振光，经分束立方体反射通过1/4波片，经反射镜反射后再次通过1/4波片，经分束立方体再次反射到工作物质中，谐振腔处于储能状态，在谐振腔内的反转粒子数达到最大时，给RTP普克尔盒加上1/4波电压，此时S偏振光两次通过1/4波片和RTP普克尔盒，变为P偏振光，完全通过分束立方体透射出去，腔内的能量将会一次性倒空，从而形成激光脉冲。若RTP电光Q开关的开门时间足够快，则腔内的能量可以在经历一次往返传播所需的时间内全部倒出谐振腔，即激光脉冲宽度等于腔内光子往返渡越时间2L/c(L为谐振腔的光学长度) ;若Q开关的开门时间比2L/c长，则输出脉宽由开门时间决定。

图1　电光腔倒空试验装置示意图

RTP电光开关的电压变化近似为线性，如图2所示，因此PBS输出率R(t)可表示为t的线性函数:

图2　简化的脉冲电压波形

式中tR为腔倒空时Q开关的开门时间。

假设腔倒空过程中，腔内往返1次的增益和损耗相等，则腔内储存的振幅为A的激光振荡，通过PBS输出，腔倒空的输出脉冲A(t)表达式［14－15］为

式中td为光在谐振腔内往返1次的时间; L为谐振腔的光学长度。

试验中，tR=5 ns; L=120 mm。理论计算的脉冲波形如图3所示，腔倒空的输出脉冲宽度为2．9 ns，与试验得到的3．1±0．3 ns基本一致。

2　试验结果及讨论

首先，RTP普克尔盒未加电光调制信号时，激光器处于连续运转状态。通过旋转1/4波片来调节输出激光功率的大小，输出透过率T(θ)是关于线偏振光偏振方向与1/4波片偏振轴夹角θ的函数，其公式为T(θ) = sin2(2θ)。当抽运功率为25 W，θ= 12°时，获得最大平均输出功率9．9 W，对应的输出透过率为16．5%，光光转换效率为39. 6%，斜效率为39．8%，试验结果如图4所示。

图3　腔倒空输出激光脉冲的模拟图像

在腔倒空的工作过程中，用功率计对重复频率50 kHz条件下的平均输出功率进行测量。图4和图5分别描述了在50 kHz时，平均输出功率、峰值功率以及脉冲宽度随抽运功率的变化规律。当抽运功率为25 W时，获得最大平均输出功率为6．9 W，光光转换效率为27．6%，斜效率为28．8%。从图4、5中可以看出，平均输出功率和峰值功率随着抽运功率的增大而增大，而脉冲宽度随抽运功率的增大几乎没有改变，脉宽稳定在3．1±0．3 ns。图6、7为50 kHz腔倒空激光器输出的脉冲波形图和脉冲序列图，由图6～7可观察到输出脉冲序列出现抖动的现象，分析认为可能与高脉冲频率时腔内的增益过小有关。图8～10显示了在抽运功率为25 W时，脉冲宽度、平均输出功率以及峰值功率随重复频率的变化规律。由此说明，腔倒空的激光输出脉冲宽度与增益及重复频率无关。当重复频率为50 kHz时，获得最大平均输出功率6．51 W。峰值功率随着重复频率的增大而减小，在重复频率为5，10，30，50 kHz情况下，峰值功率分别为420. 0，104. 8，54. 3，44. 5 kW。

图4　激光平均输出功率随抽运功率的变化

图5　激光峰值功率和脉冲宽度随抽运功率的变化

图6　50 kHz电光腔倒空输出脉冲波形

图7　50 kHz电光腔倒空输出脉冲序列

图8　脉冲宽度随重复频率的变化

图9　平均输出功率随重复频率的变化

图10　峰值功率随重复频率的变化

3　　结论

本文研究了一种激光二极管抽运Nd: YVO4晶体的RTP电光腔倒空激光器，获得了短脉宽、高重复频率的1 064 nm激光脉冲输出。当重复频率为5，10，30，50 kHz时，对应的峰值功率分别为420. 0，104. 8，54．3，44．5 kW，脉冲宽度保持在3．1±0．3 ns。试验结果表明，RTP电光腔倒空调Q激光器可以同时满足窄脉宽、高重复频率的要求，在激光加工、激光打标、激光测距中有着重要的应用。

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(责任编辑:郭守真)

3 ns RTP Electro-Optical Cavity-Dumped and Q-Switched Laser

CUI Xuelong，ZHANG Haikun*，ZHANG Feng，WANG Jing，LI Xin，CHEN Lijuan，ZHOU Cheng，CHEN Tao
(School of Physics and Technology，University of Jinan，Jinan 250022，China)

Abstract:In this paper，RTP (Rubidium Titanyl Phosphate) crystal is used as the electro-optical Q-switch and the cavity-dumped technology is also used to realize the output of a 1 064 nm Nd: YVO4Q-switched laser endpumped by LD (Laser Diode)．With different repetition rate and different input pumped powers，a constant 3. 1 ±0．3 ns pulse width is obtained．Considering that the net profit is zero in the cavity-dumped process，the pulse equation is presented by the LD-pumped Nd: YVO4cavity-dumped laser and also the theoretical equation is obtained by the numerical solution，whose theoretical calculations are in agreement with the experimental results．

Key words:lasers technique; RTP crystal; electro-optical Q-switch; cavity dumping

作者简介:崔雪龙(1989—)，男，山东威海人，硕士研究生，主要研究方向为激光物理与技术; *张海鹍(1978—)，男，山东济宁人，副教授，硕士生导师，主要研究方向为激光物理与技术．

基金项目:国家自然科学基金项目(61308057) ;山东省科技发展计划项目(2010G0020423)

收稿日期:2015－01－20

DOI:10．3969/j．issn．1672－0032．2015．01．017

文章编号:1672－0032(2015) 01－0083－04

文献标志码:A

中图分类号:TN248．1