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1、第16卷 第6期强激光与粒子束Vol.16,No.62004年6月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSJun.,2004文章编号:100124322(2004)0620712205X种子注入的短脉冲激光器特性研究11112赵 卫, 王 涛, 朱少岚, 杨延龙, 朱宝亮,1112王屹山, 陈国夫, 程 昭, 刘 丽(1.中国科学院西安光学精密机械研究所,瞬态光学技术国家重点实验室,陕西西安710068;2.北京理工大学光电技术系,北京100081) 摘 要:从LD泵浦固体激光器优化设计原则出发,设计了一种微型二极管泵浦激光器,并对种子激光
2、器的结构和参数进行了优化。该激光器运转稳定,输出光束质量高,光束发散角小,光2光转化效率为1714%,斜率效率可达24%,输出功率可达80mW。将此种子激光注入到调Q激光器中,改善了调Q激光器的输出特性,使得激光脉冲的建立时间缩短了40ns,输出的横模场分布得到了明显改善。 关键词:种子注入; 调Q激光器; 微型激光器 中图分类号:TN242文献标识码:A 高功率、高质量光束的短脉冲激光光源在相干检测、激光雷达、光化学、光诱导以及等离子体物理等方面有许多应用。普通高功率激光器,由于激光增益较高而产生的多模(横模、纵模)振荡,空间烧孔效应,热致透镜效[1]应
3、和双折射效应,都会不同程度降低输出光束质量。注入锁定技术是获得高质量、高功率激光输出的一种[2～7]简单有效的方法,可以有效地控制激光的时间特性、空间特性和方向性等。在该技术中,性能优良的种子[8]激光是实现注入锁定的关键因素之一。由于LD泵浦薄片激光器可获得很好的基横模分布,且体积小,结构[9～11]紧凑,总体转换效率高,因而我们选用了LD泵浦薄片激光器作为种子激光器,并对这种种子注入的短脉冲激光器进行了优化设计和实验研究。1 系统构成及实验研究 实验系统主要由四部分组成,即种子激光器、耦合系统、功率振荡器和测量装置,如图1所示。Fig.1Experimen
4、tschemeofseedinjection图1 种子激光注入实验光路图1.1 种子激光器的输出特性 实验中Nd:YVO4晶体与凹面镜放置在同一个调整架上,与激光二极管固定在同一个平台上。通过调节凹面镜的中心位置和俯仰角来改变激光空间模式特性,由此获得基横模输出。旋转Nd:YVO4晶体,种子激光输出将发生变化。在某个位置,最大输出功率可达80mW,由晶体性质可以确定为π偏振光。将LD温度设定在X收稿日期:2003203225;修订日期:2003212204基金项目:国家自然科学基金资助课题(60078004) 作者简介:赵 卫(1963—),男,研究员,主
5、要从事超快光学技术研究;西安市80号信箱25分箱。©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.第6期 赵 卫等:种子注入的短脉冲激光器特性研究71325℃,实际温度波动小于0.4℃。由实际输入输出曲线计算,得到种子激光器阈值为98mW,光2光转换效率为[8]17.4%,斜率效率为24%。 使用红外探测卡,可以直观地观察到激光的空间模式分布。微调俯仰角,种子激光的场分布发生相应变化,由清晰的多模向基模过渡,最终得到亮度较高,光斑对称,光强分布均匀的基横模种
6、子激光。用CCD相机记录种子激光的场分布,然后做图像处理,得到了其横向光斑分布和光强分布,如图2、图3所示。Fig.2LaserfieldofseedlaserFig.3Intensityprofileofseedlaser图2 种子激光器光斑图3 种子激光器光强分布 很明显,光强的空间分布基本对称,且只有一个极大值,说明场分布为基横模。实验结果表明,对此微型种子激光器的优化设计获得了较好的空间分布(基横模)和高的斜率效率(24%),同时具有较高的输出功率(80mW),满足种子激光器的要求。1.2 模式匹配的分析和设计 种子注入的模式匹配主要考虑的是横模匹配
7、。如果基横模场不匹配将会降低基横模本征模式耦合效率,从而影响基横模的质量;对于能量的传输,高级本征模式往往具有较大的传输损耗,不匹配将造成能量的损耗;另外,由于激光是在微弱的自发辐射噪声的基础上增长起来的,而种子注入信号强度比噪声场强度大得多,所以模式匹配的好坏将会影响到腔内种子光分布及强度,对功率激光器脉冲建立的时间特性也会有很大的影响。所以有必要对模式匹配进行分析,以便优化系统参数。在两光束束腰的纵向和横向位置及传输方向相同的情[1]况下,基横模耦合系数为22π∞ρ2ρ2Cω=πωω∫exp(-2-2)ρdρdφ(1)10200∫0ω10ω20式中:ω10,
8、ω20分别为种子激光器与
