LD侧泵Nd：YAG声光调Q激光器输出特性的实验研究

邬家成，沈慧娟

激光二极管（LD）泵浦的固体激光器具有效率高、光束质量好、结构紧凑、性能稳定和寿命长等优点［1］，采用多向对称分布的大功率激光二极管阵列进行侧面抽运，对于泵浦耦合和均匀散热提供较大的表面面积，可显著提高抽运功率，实现大功率输出.利用LD的泵浦Nd：YAG声光调Q激光器可获得高重复频率、窄脉宽和高峰值功率的激光脉冲，在激光雷达、激光通信、激光医疗和激光打标等领域得到广泛的应用［2-7］.

本文利用声光Q开关对LD侧面泵浦Nd：YAG激光模块输出的连续激光进行调Q实验，主要研究了激光器谐振腔腔长、泵浦电流、输出镜反射率以及重复频率等因素对输出激光的脉宽和平均输出功率的影响，并对实验结果做出了分析，对LD侧泵Nd：YAG声光调Q激光器的设计优化具有一定的参考意义.

1 实验装置

实验装置如图1所示，激光器采用平—平腔结构，M1、M2分别为激光器的全反镜和输出镜；Nd：YAG激光模块采用的是北京国科激光技术公司的GKPMY-50A2，利用激光二极管进行侧面泵浦，最大泵浦功率为180W，其光-光转换效率约为30%，YAG晶体棒规格Ф3×67mm；声光Q开关为中电26所生产的QSGSU-5/Q，射频频率27MHz，关断功率 50W，调制频率 1～50kHz，对1.06μm波长光的衍射效率大于50%.输出脉冲的平均功率和脉冲信号波形分别用LI-P激光功率计和美国Tektronix公司生产的500MHz数字式TDS3054B四通道彩色示波器进行测量，探测器为德国生产的InGaAs光电探测器.

图1 实验装置示意图

2 实验结果

2.1 腔长对脉宽和平均功率的影响

图2、图3分别为泵浦电流I为25A，输出镜反射率R为84%，不同腔长L时脉宽t和平均功率P与调Q重复频率f之间的关系.

图2 不同腔长L时脉宽t与重复频率 f之间的关系

图3 不同腔长L时平均功率P与重复频率 f之间的关系

从图2可以看出腔长对脉宽影响较大，腔长越长脉宽越宽；在重频较高时，改变腔长对脉宽的影响比重频较低时脉宽受腔长的影响更为明显.因此，缩短腔长有利于获取窄脉冲，在重频为5kHz，腔长为21.5cm时，可得到脉宽为45ns的激光脉冲.从图3可知腔长越短平均功率越大.在重频较高时，改变腔长对平均功率的影响比重频较低时平均功率受腔长的影响更为明显.因此，缩短腔长有利于获取高平均功率.在重频为50kHz，腔长为21.5cm时，可得到平均功率为40W的激光脉冲.

2.2 泵浦电流对脉宽的影响

图4为腔长L为30cm，输出镜反射率R为92.4%，不同重复频率f时脉宽t与泵浦电流I之间的关系.

图4 不同重复频率 f时脉冲宽度t与泵浦电流I之间的关系

从图4可以看出随着泵浦电流I的增加，脉宽不断减小；在泵浦电流较低时增加泵浦电流，脉宽变化较为明显，随着I的增加，脉宽的变化逐渐变小；在重频f较高时，泵浦电流的变化对脉宽的影响比重频较低时更为明显.在重频为5kHz，泵浦电流I为28A时，得到脉宽为35.59ns的激光脉冲，如图5所示，此时平均输出功率为12.1W，则脉冲能量为2.42mJ，峰值功率为67.96kW.

图5 脉冲波形图

2.3 输出镜反射率及重复频率对脉宽和平均功率的影响

图6 、图7分别为腔长L为30cm，泵浦电流I为28A，不同输出镜反射率R时脉宽t和平均输出功率P与重复频率f之间的关系.

图6 不同输出镜反射率R时脉冲宽度t与重复频率f之间的关系

图7 不同输出镜反射率R时平均功率P与重复频率 f之间的关系

由图6可知，输出镜反射率R对脉宽具有较大影响，R增大时脉宽t变窄；并且在重复频率f较高时，R的变化对t的影响比f较低时的影响更大.由图7可知，输出镜反射率R对平均输出功率P的影响很大，R为84%时平均功率较大.

由图6、图7可以看出，随着重复频率f的增大，会使脉宽t变宽、平均功率P增大；当f大于35kHz时，P变化很缓慢，接近于静态连续输出功率，在R为84%，激光器静态连续输出功率为41.1W，进行声光调Q后f为50kHz时的平均功率测得为39.6W，其动静比为0.962.

3 结果分析

根据调Q激光器的基本理论可推出，在调Q重复频率为f时，激光器的平均输出功率P、单脉冲能量E和脉宽t可分别表示为［8］：

式中，R为输出镜反射率；L为激光器谐振腔长度；hν为光子能量；V为腔内光子的模体积；σ受激发射截面；γ为增益介质粒子数反转因子（对于四能级系统，γ取1）；τc为腔内光子寿命；ni、nt和nf分别为初始反转粒子数密度、阈值反转粒子数密度和剩余反转粒子数密度.

3.1 腔长对脉宽和平均功率的影响

由（1）式知，脉宽t正比于腔内光子寿命τc，又因为为有效腔长，δ为腔内损耗，c为光速），所以假设初始反转粒子数密度ni、阈值反转粒子数密度nt和剩余反转粒子数密度nf都不变，当腔长L增加时，脉宽变宽；由（2）式知，增加腔长L会使平均输出功率P降低.

3.2 泵浦电流对脉宽的影响

当泵浦电流提高时，抽运速率随之增大，使得上能级初始反转粒子数密度ni增加，而抽运速率的变化对剩余反转粒子数密度nf影响较小，对阈值反转粒子数密度nt没有影响，因此，提高泵浦电流会增加ni/nt值.由（3）式知，脉宽t反比于ni/nt值，泵浦电流的提高会使脉宽变窄.

3.3 输出镜反射率及重复频率对脉宽和平均功率的影响

增加输出镜反射率R会使腔内损耗降低，使初始反转粒子数密度ni增加，ni/nt值和ni/nf值增大，因此R增大时脉宽t变窄.由（2）式知，R的增加一方面能使ni/nf值增大，增加腔内储能，使平均功率P得到提高，另一方面，又因透过率减小而使P变小，因此，在R增加的过程中，R存在一最佳值使P达到最大值.对于调Q激光器，其最佳输出镜反射率是根据腔内增益和损耗进行选取的，一般脉冲抽运的固体激光器，其输出镜反射率最佳值在30%～50%之间［9］，而连续抽运固体激光器的输出镜反射率最佳值在80%～98%之间［10］.本文中R为84%时平均功率较大，这与理论值基本符合.

提高重复频率f会使脉冲之间的时间间隔变小，使上能级反转粒子数的积累时间减小，降低了上能级积累的反转粒子数，使ni/nt值减小，因此脉宽不断增加；但脉冲之间的时间间隔变小会减少因自发辐射跃迁而损耗的反转粒子数，所以平均功率得到提高.

从图2、图4、图6还可以看出，随着重复频率f的不断增加，腔长L、泵浦功率（泵浦电流I）和输出镜反射率R对脉宽t的影响会不断增加.因为f较小时，脉冲之间的时间间隔较大，上能级积累的反转粒子数较多，因L与R变化而改变的阈值反转粒子数nt和I变化而改变的初始反转粒子数ni占上能级总的反转粒子数的比例较小，对ni/nt值的影响较小，进而对脉宽t的影响较小；而当f较大时，脉冲之间的时间间隔较较小，上能级积累的反转粒子数较少，因L、I和R变化而改变的反转粒子数占上能级总的反转粒子数的比例较大，增加了对ni/nt值的影响，因此对脉宽t的影响变大.

相比于LD端泵声光调Q激光器，LD侧泵声光调Q的激光光束直径较大，脉冲脉宽较宽，但侧泵的抽运速率大、输出功率大，可通过准直、聚焦透镜压缩光束直径，以减小调Q开关超声波在声光介质中的渡越时间，可进一步减小脉宽，容易实现窄脉冲、高峰值功率的高重频激光.

4 结论

对LD侧泵Nd：YAG声光调Q激光器进行了实验研究，实验结果表明：提高泵浦电流、增加输出镜反射率和缩短腔长都能够使脉宽变窄；输出镜反射率存在最佳值使平均输出功率达到最大；增加调Q重复频率会使脉宽变宽、平均输出功率得到提高；泵浦电流、输出镜反射率和腔长的变化对脉宽的影响程度因重复频率的变化而不同，在重频较高时对脉宽的影响比重频较低时更为明显.