夏 騰，杜 丹

長(zhǎng)春中國(guó)光學(xué)科學(xué)技術(shù)館，吉林長(zhǎng)春 130117

LD側(cè)面泵浦全固體激光器聲光調(diào)Q實(shí)驗(yàn)的研究

夏 騰，杜 丹

長(zhǎng)春中國(guó)光學(xué)科學(xué)技術(shù)館，吉林長(zhǎng)春 130117

DPSSL是LD泵浦的固體激光器的英文縮寫(xiě)，因?yàn)樗谋闷止馐墙?jīng)過(guò)固體半導(dǎo)體激光器發(fā)出來(lái)的，所以稱其為全固態(tài)激光器。DPSSL具有LD和固體激光器的優(yōu)點(diǎn)，效率高，頻率的穩(wěn)定性好還有使用的壽命較長(zhǎng)都是它的優(yōu)點(diǎn)，這是以往傳統(tǒng)激光器所沒(méi)有的。文章完成了聲光調(diào)Q實(shí)驗(yàn)，掌握聲光調(diào)Q的原理和調(diào)試方法，并掌握相關(guān)參數(shù)的測(cè)量和計(jì)算方法。

LD側(cè)面泵浦；全固體激光器；聲光調(diào)Q

1 緒論

1.1 引言

輸出功率為50W的LD側(cè)泵的全固體激光器，它的成本在2～3萬(wàn)元之間，當(dāng)然，隨著半導(dǎo)體激光器價(jià)格的不斷下降，這種LD泵浦的全固體激光器的價(jià)格也在隨之下降。目前為止，人們對(duì)LD泵浦的固體激光器進(jìn)行愈來(lái)愈廣泛和深入的研究。

由于DPSSL具有強(qiáng)大的潛在研究?jī)r(jià)值和發(fā)展態(tài)勢(shì)，所以在很多的國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始廣泛的研究LD泵浦的全固體激光器。一些發(fā)達(dá)國(guó)家均對(duì)此極為關(guān)注，例如美國(guó)、德國(guó)、俄羅斯和日本等，他們投入了大量資金進(jìn)行研制和開(kāi)發(fā)。這些年以來(lái)，我國(guó)在對(duì)DPSSL方面的研究，已經(jīng)取得了豐碩的重要的研究成果。

1.2 基本原理

在聲光介質(zhì)傳播的過(guò)程中，由于超聲波是縱向的機(jī)械波，所以在傳播的過(guò)程中就會(huì)引起介質(zhì)密度發(fā)生變化，變化的形式時(shí)疏密交替的，于此同時(shí)，介質(zhì)的折射率也會(huì)發(fā)生變化。等效的相位光柵是超聲波作用的那部分介質(zhì)。光柵條紋間距等于聲波波長(zhǎng)λs，彈光效應(yīng)是當(dāng)光波通過(guò)其該介質(zhì)時(shí)，會(huì)被被介質(zhì)中的彈性波所衍射，這樣的效應(yīng)稱其為彈光效應(yīng)。

而對(duì)激光諧振腔內(nèi)光束方向進(jìn)行調(diào)制就是利用聲光介質(zhì)的這種性質(zhì)。當(dāng)加入聲光調(diào)制信號(hào)的時(shí)候，光束從腔外偏轉(zhuǎn)出，不能在腔內(nèi)形成振蕩，這時(shí)為高損耗腔。激光上能級(jí)儲(chǔ)存著泵浦光注入激光棒的能量，形成高粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。若去掉聲光調(diào)制信號(hào)，那么光束就不可能發(fā)生偏轉(zhuǎn)，則會(huì)在腔內(nèi)來(lái)回往返，形成激光振蕩。經(jīng)過(guò)前面的不斷積累，激光的閾值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于反轉(zhuǎn)粒子束，所以瞬時(shí)形成脈沖激光輸出，形成窄脈寬、高能量的激光脈沖。聲光調(diào)Q 激光器工作在幾千兆到幾十千兆的調(diào)制頻率下，便可獲得重復(fù)率較高、平均功率較高的激光輸出。

半導(dǎo)體是半導(dǎo)體激光器的基本組成部分，摻有電子施主和電子受主的兩部分，分別形成n型材料還有p型材料。分別對(duì)n型材料還有p型材料施加正負(fù)電壓，從而使電子還有空穴進(jìn)入摻有n型，p型材料的結(jié)合區(qū)。電子還有空穴將在pn結(jié)重新結(jié)合。在結(jié)合的過(guò)程中，電子從高能態(tài)傳輸?shù)搅说湍軕B(tài)，并且以光子的形式釋放出能量。使大電流經(jīng)過(guò)pn結(jié)，pn結(jié)能夠發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。晶體平行的解離面形成的法布里-珀羅諧振腔能夠提供光學(xué)反饋，使得激光二極管的增益會(huì)很高，激活材料只需不長(zhǎng)的一段，便可形成較強(qiáng)的受激輻射。

高功率激光二極管作為泵浦源的進(jìn)步，在固體激光器中主要體現(xiàn)在量子阱結(jié)構(gòu)的研發(fā)上。量子阱是具有較大帶隙的兩層半導(dǎo)體之間的薄層半導(dǎo)體。在這種結(jié)構(gòu)中，在厚度小于0.02μm的外延層（量子阱）出現(xiàn)激光發(fā)射。量子阱中Ga與Al的成分決定其發(fā)射激光的波長(zhǎng)。Al的濃度越高，帶隙就會(huì)越大，輸出波長(zhǎng)就越短。

2 實(shí)驗(yàn)分析

聲光盒的選擇

熔石英、鉬酸鉛還有超重火石玻璃等等多種材料都可做為聲光材料使用。據(jù)我們實(shí)驗(yàn)的實(shí)際情況需要，來(lái)進(jìn)行選擇。本套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)需完成布拉格衍射，所需晶體選擇如下。

聲光材料性能的品質(zhì)因數(shù)等好壞，主要由以下三個(gè)參數(shù)決定：

1）M2：表示的是材料的調(diào)制效率。M2=n6p2/ρV3s，η=Il/Ii為調(diào)制效率，η∝M2ps，可見(jiàn)M2越大，則ps就會(huì)越小。

2）M1：代表布拉格帶寬的品質(zhì)因數(shù)。當(dāng)光波、聲波波長(zhǎng)發(fā)生變化的時(shí)候，布拉格角θBa隨之改變，進(jìn)而衍射效率降低。在布拉格衍射中，一級(jí)衍射光強(qiáng)下降到聲波聲波λS的衍射光強(qiáng)一半等時(shí)候，此時(shí)聲頻變化量Δfs為布拉格帶寬，Δfs=1.8nV2s/πλLfs。引入M1，使M1= nV2s*M2=n7p2/ρVs。3）M3：是聲速快慢的一個(gè)參數(shù)。聲光器件進(jìn)行聲光偏轉(zhuǎn)的時(shí)候，要使材料聲速盡量控制很小，M3=M1/ VS=n7p2/ρV2s。

通過(guò)以上的描述，聲光材料的上述要求其中一些是矛盾的，應(yīng)具體問(wèn)題進(jìn)行具體的分析，選用最合適的聲光材料。布拉格衍射，要求M1，M2，M3都是越大越好的聲光材料，本套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用的是熔融石英。熔融石英化學(xué)性能穩(wěn)定，熱穩(wěn)定性好，較耐酸堿、耐高溫、耐磨、膨脹系數(shù)較小、純度較高、絕緣性好，利于延長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的使用壽命。

本套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)選用的聲光盒適用激光波長(zhǎng)為1064nm，透過(guò)率＞99%，驅(qū)動(dòng)頻率為27MHz，工作水溫≤30℃。聲光盒的通光口徑為5mm，最大偏轉(zhuǎn)角度為5mrad，可以與LD模塊發(fā)出的直徑為3mm的輸出激光進(jìn)行很好的匹配。

聲光盒加在全反鏡和LD模塊的中間，當(dāng)水冷系統(tǒng)進(jìn)入正常循環(huán)狀態(tài)，通電LD模塊，控制電流逐漸增大，對(duì)全反鏡和輸出鏡進(jìn)行微調(diào)，直到產(chǎn)生光，且光的模式良好。

通電聲光盒，使用內(nèi)調(diào)制方式， 不選用M1、M2、M3方式。將MOD控制鍵按下（激光器件的調(diào)試時(shí)有SHUT和MOD兩種狀態(tài)可供選擇，SHUT狀態(tài)，d外部的輸入信號(hào)無(wú)法控制驅(qū)動(dòng)器，使其激光器在關(guān)斷狀態(tài)下工作，驅(qū)動(dòng)器射頻功率可在此狀態(tài)下進(jìn)行調(diào)整。在MOD的狀態(tài)下，激光脈沖的內(nèi)部振蕩脈沖頻率與輸出頻率一致，光學(xué)測(cè)試在此狀態(tài)下進(jìn)行），改變輸出激光的工作頻率。旋轉(zhuǎn)聲光晶體，找到發(fā)生布拉格衍射時(shí)的角度后，將其固定。

注入電流從閾值開(kāi)始逐漸加大，記錄輸出的功率還有注入的電壓，實(shí)驗(yàn)時(shí)輸出激光的工作頻率，與此同時(shí)用脈沖傳感器還有示波器測(cè)量并且記錄輸出激光脈寬。利用P=U*I計(jì)算輸入功率，繪制P-I曲線。由平均功率=能量*頻率，計(jì)算輸出激光的能量，能量=平均功率/頻率，再由峰值功率=能量/脈寬計(jì)算聲光調(diào)Q后的激光的峰值功率。

繪制的P-I曲線如下圖所示。

TN2

A

1674-6708（2015）148-0084-01