N d:Y A G电光调Q泵浦固体激光器输出特性研究

张科，李兰兰，孙春艳，余海军

（淮南师范学院电子工程学院，安徽 淮南 232038）

N d:Y A G电光调Q泵浦固体激光器输出特性研究

张科，李兰兰，孙春艳，余海军

（淮南师范学院电子工程学院，安徽 淮南 232038）

本文以N d:Y A G电光调Q泵浦固体激光器为基础，采用电光调Q技术，研究了不同泵浦电压情况下的N d:Y A G电光调Q泵浦固体激光器输出的单次脉冲能量、脉冲宽度的变化特性，得到了不同泵浦电压下的单次脉冲能量、脉冲宽度的特性曲线。研究结果表明，泵浦电压的改变能更好地调节激光器的脉冲输出特性，对于N d:Y A G电光调Q泵浦固体激光器的灵活应用具有重要的意义。

Y A G电光调Q泵；输出特性；试验

1 实验装置

图1 N d:Y A G调Q泵浦固体激光器结构图

本实验采用的Nd:Y A G调Q泵浦固体激光器输出的基频光的波长为1064 n m，其内部结构如图1所示。在实验上为了调节各个光学器件同光轴，我们采用了He-Ne激光器：①作为准直光源，其输出波长为632.8 n m。He-Ne激光器输出的光束经过小孔光阑②之后，入射到全反射镜③上（对1064 n m反射率R = 99 .8 %）。④为电光调Q晶体，⑤为偏振片，⑥为Nd:Y A G调Q泵浦固体激光器的聚光腔部分，主要包括激光棒、氙灯、激励电源、冷却系统，⑦为激光腔镜的输出镜，⑧为非线性K T P倍频晶体，实验上可以实现532 n m激光的输出，⑨为分光镜，可以实现基频光和倍频光分光 ,从而输出不同波长的光脉冲。

2 实验结果和分析

2.1 N d:Y A G调Q泵浦固体激光器输出脉冲能量与泵浦电压的关系

实验上采用高分辨率、高响应度的硅光二极管能量探测器（分辨率为10 μJ，响应时间≤0.5 ms）。在室温稳定在20℃左右，全暗光的情况下对Nd：Y A G调Q泵浦固体激光器（脉冲氙灯泵浦重复频率1次/s的）的单次脉冲输出能量随时间的变化关系进行了测量。同时，为了减小误差，我们对每个泵浦电压下的能量均测量了5次，并对其稳定性（均小于2%）进行了计算，这在很大程度上提高了实验的精度。实验数据如表1所示。

图2 泵浦电压和脉冲能量的关系图

实验结果表明:（1）实验室Nd:Y A G调Q泵浦固体激光器泵浦电压的阈值电压为350 V；（2）当泵浦电压从350～900 V逐渐增大时,激光器的单次脉冲能量从19.06～344.2 mJ逐渐变大,且满足近似线性变化关系(如图 2所示)；（3）泵浦电压在770～860 V之间时, 激光器的单次输出脉冲能量稳定性比较高。造成这些现象的主要原因是因为Nd:Y A G调Q泵浦固体激光器是四能级系统激光器，但由于在激光运行过程中加入了电光调Q晶体，使得激光器输出脉冲宽度很窄。故输出巨脉冲时高能级通过自发辐射跃迁回低能级的粒子数不能立即消失，使得低能级不是空能级，所以Nd:Y A G调Q泵浦固体激光器不再是理想的四能级系统，而与三能级系统接近。激光输出脉冲能量E可以用公式（1）表示：

表1 N d:Y A G调Q泵浦固体激光器输出脉冲能量和泵浦电压的变化关系

其中，ni为初始时粒子反转数，nf为激光器腔内光子数最大时的反转粒子数，h 为普朗克常数 , ν为激光振荡频率。由公式（1）可以看出激光输出脉冲能量E与总粒子反转数成正比 , 而总粒子反转数随着泵浦电压的增加呈现线性增加,所以输出脉冲能量也随泵浦电压呈现线性增加。

2.2 N d:Y A G调Q泵浦固体激光器输出脉冲宽度与泵浦电压的关系

由于Nd:Y A G调Q泵浦固体激光器输出脉冲能量比较高，对光电探测器会造成损坏，实验上采用漫反射屏将激光脉冲进行漫反射之后再输入到光电探测器（响应时间 ≤0.5 ms）上。在激光工作为电光调Q状态下，采用示波器对Nd:Y A G调Q泵浦固体激光器输出脉冲宽度进行实验研究，具体测试数据如表2所示。

表2 N d:Y A G调Q泵浦固体激光器输出脉冲宽度随泵浦电压变化关系

图3 泵浦电压与脉冲宽度的变化关系

实验结果表明：当泵浦电压从500～900 V逐渐增大时，Nd:Y A G调Q泵浦固体激光器输出单次脉冲宽度从19.1～6.5 n s逐渐变小 ,变化曲线关系如图3所示。由激光器速率方程理论可以推导出调Q巨脉冲的时间特性方程式为：

结合理论知识，从公式（2）可以推导出随着泵浦电压的增加，激光输出脉冲宽度将呈现逐渐减小的趋势。

3 结语

通过上述实验数据和分析可知，泵浦电压的改变会对激光输出特性造成很大影响。当泵浦电压从350～900 V逐渐增大时，Nd:Y A G调Q泵浦固体激光器输出单次脉冲能量逐渐变大,且满足近似线性变化关系，同时能量稳定性较好；当泵浦电压从550～900 V逐渐增大时，Nd:Y A G调Q泵浦固体激光器输出单次脉冲宽度逐渐变小，由理论知识可知，其对应的峰值功率将逐渐增加。因此，在Nd:Y A G调Q泵浦固体激光器的实际应用过程中，可以通过控制泵浦电压来获得不同激光脉冲的输出。

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：1671-0711（2017）12（下）-0112-03

淮南师范学院科研项目（2016 x j 47）。