第17卷 第4期
强激光与粒子束Vol.17,No.S0 2005年4月H IGH POWER L ASER AND PAR TICL E B EAMS Apr.,2005 文章编号: 100124322(2005)S020175205
高功率高重复频率全固态激光器
热透镜效应补偿与分析3
马惠军, 孟俊清, 李小莉, 朱小磊, 陆雨田
(中国科学院上海光学精密机械研究所,上海201800)
摘 要: 将k Hz 高功率固体激光器增益介质当作厚透镜处理,建立了热透镜效应分析的理论模型,使用
矩阵的方法对等效热透镜腔进行分析。对增益介质抽运均匀性进行了改善,通过分析模拟计算结果,设计了混
合非稳腔结构,选择了最佳凸面镜曲率半径对热透镜效应进行补偿。试验结果表明,补偿效果明显,k Hz 高功
率全固态激光器的光束发散角优于1.3mrad 。
关键词: 高功率固体激光器; 厚透镜; 热透镜效应补偿
中图分类号: TN 248.1 文献标识码: A
大功率高亮度的固体激光器是当前全固态激光器研究的前沿课题。无论从军事应用还是从工业应用来看,不仅要求固体激光器具有大的激光输出功率,同时,还要求输出激光具有好的光束质量。在大功率高重复率固体激光器运转时不可避免的会出现热透镜效应,热透镜效应已经成为国内外研究二极管抽运高功率固体激光器的一个热点。对热透镜补偿的方法通常是系统中加入补偿透镜、进行动态补偿和对工作物质端面进行处理进行补偿,这些方法在小功率、低重复率的、对工作环境要求不高的固体激光器上取得了明显的效果。本文针对k Hz 高功率固体激光器热透镜效应进行建模分析,跟以往研究工作不同的是本研究工作在对增益介质抽运均匀性进行改善的基础上,将热透镜当作厚透镜进行处理,设计了混合非稳腔结构,并在此腔型条件下对热透镜效应进行模拟计算,选择了最佳曲率半径对热透镜效应进行补偿。试验结果表明,补偿结果明显,基本达到了为实验设计提供理论依据的目的。
1 理论模型
固体激光器中激光棒的热透镜效应是十分复杂的,它不仅具有随机变化的热扰特征,而且还具有明显的热畸变特征和热应力引起的双聚焦现象。
1.1 厚透镜等效
Fig.1 Schematic of t hick lens 图1 厚透镜示意图
以往分析激光棒的热透镜效应时,常将激光棒简化为薄透
镜。跟以往分析方法不同,我们将激光棒当作厚透镜进行处理。
图1为厚透镜的等效图。其中:n 1为空气折射率;n 2为工作物
质的折射率;R 1,R 2为厚透镜的曲率半径;l 为厚透镜的等效长
度;h 1,h 2为等效厚透镜的主平面位置。
我们从几何光学中光线传播的程函(Eikonal )方程出发,使
用矩阵的方法,讨论在傍轴光线近似下光线的传播问题,得到透
镜变换矩阵以及主平面的位置和焦距大小[1]。
1.2 等效热透镜腔参数
对应的透镜腔可以得到腔内单程变换矩阵,光腔G 参数、
输出镜M 1处高斯光束光斑半径、镜M 1,M 2相邻的光腰大小ω1,ω2和光腰位置L 1,L 2(以镜M 1或M 2为参考),以及当镜M 1为输出耦合镜,激光远场发散角θ1。 激光材料一方面吸收了抽运辐射而发热,另一方面散热又要求对其表面进行冷却,这两者使激光材料内部3收稿日期:2004211222; 修订日期:2005201220基金项目:国家863计划项目资助课题
作者简介:马惠军(1975—),女,现为中国科学院上海光学精密机械研究所硕士研究生,主要从事高功率、高重复率全固态激光器的研究;
上海8002211信箱;E 2mail :zhoumashiqq @https://www.doczj.com/doc/e33755035.html, 。
产生不均匀的温度分布。在激光棒中,主要的热畸变的扰动出现在端面附近,在温度和应力的作用下,棒折射率发生变化,考虑端面效应的影响,热透镜焦距表达式为[2]
f =σA P a [12d n d T +κC r,Φn 30+κr 0(n 0-1)L
]-1(1)式中:A 为棒的截面;L 为棒的长度;P a 为耗散功率;Nd :YA G 晶体的热膨胀系数κ=7.5×10-6/℃;折射率n 0=1182;热导率σ=0.14W/(cm ?℃-1);C r ,C Φ为Nd :YA G 棒径向和切向光弹系数的函数,分别为
C r =(17ν-7)p 11+(31ν-17)p 12+8(ν+1)p 44
48(
ν-1)(2)C Φ=(10ν-6)p 11+2(11ν-5)p 12
32(ν-1)(3)
式中:光弹系数值p 11,p 12,p 44分别为-0.029,0.0091,-0.0615;对于Nd :YA G 晶体,泊松比ν=0125。2 模拟计算与结论
2.1 单LDA 抽运模拟计算
由大量的理论和实践表明:激光棒的热畸变主要是由光泵对激光棒照射的不均匀性及激光的吸收不均匀性所引起的。当单个激光二极管抽运光线先后穿行石英、水和工作物质时都产生折射光线分布如图2所示,二极管单方向侧面抽运条件下,工作物质内增益分布很不均匀,这将使激光在谐振过程中产生严重的畸变,导致激光光束质量下降[3]。
2.2 热焦距与耗散功率变化关系模拟计算
由等效热透镜腔分析可以看出,由于光弹系数函数存在径向和切向分量,激光棒相当于双焦透镜,为简化设计,将棒的径向热透镜焦距和切向热透镜焦距作综合取平均值当作等效热透镜焦距f 。等效热透镜焦距f 随耗散功率P a 变化的理论计算曲线如图3所示
。
3热透镜效应补偿试验设计
3.1 抽运均匀性补偿设计
在k HZ 高功率固体激光器中为了避免光泵浦源对激光棒照射不均匀性以及激光吸收不均匀性,我们设计了9个LDA 环绕在Nd :YA G 棒(<3mm )周围的结构。
由于等间距环绕抽运用的激光二极管变多,在其他条件不变的情况下,工作物质中心处的增益变大,增益分布沿工作物质径向变化的趋势就越明显。这种增益分布能够较好地与激光谐振腔低阶模甚至与基模匹配,从而提高激光的光束质量。
鉴于高功率激光二极管的发光特性,由于所使用的Nd :YA G 的直径较小,棒快轴方向上较大的发散角对抽运耦合效率影响较大,且二极管排列方向与工作物质的轴线相互平行,晶体轴向热分布可以看作是基本相同的,因此在这里只考虑棒横截面上的抽运光分布状况。我们设定快轴发散角为40°,慢轴发散角为10°,运用光线追迹法分析抽运光功率在工作物质横截面上的分布状况,其中每束光的发散方向都用Monte 2Carlo 方法确定,当光束经过一段距离Δd 后,工作物质吸收的抽运光功率为[4]
P =P 0[1-exp (-αΔd )](4)
671强激光与粒子束第17卷
式中:α为工作物质吸收系数;P 0为经过此区域前的抽运功率。图4为9个LDA 抽运时,工作物质横截面上光功率分布图,由图可以看出,9个LDA 抽运光分布得到增强且更加均匀
。
3.2 谐振腔结构补偿设计
考虑激光棒热聚焦作用,设计谐振腔为:平2凸非稳腔结构,如图5所示。其中,M 1为输出平面镜,L 为等效热透镜,焦距为f ,M 2为后向凸面反射镜。则M 1的曲率半径R 1为∞。由实际经验可知,平2凸腔存在着大范围的动力非稳区,为使激光器能在高功率、高重复率条件下长时间、稳定工作,就必须找到其动力稳区。此外,还考虑当M 2的曲率半径R 2取多少以及L 与M 1,M 2之间的距离为多少时,激光腔进入动力非稳区的f 值可以进一步缩短,输入的光抽运功率与输出功率均可以进一步增大。对于本课题项目的特殊性,即机载特性,这就要求激光谐振腔结构紧凑,M 1,M 2之间的距离不可过长,同时,由于M 1,L ,M 2之间还需介入其它光学元件,这就说明M 1,L ,M 2之间距离不可能再有大的调整余地,因此,谐振腔的工作特性主要取决于M 2镜的曲率半径R 2。
通过计算,当抽运电流在一定值作较小范围变化时,可得R 2与光腔G 参数G 1,G 2乘积的对应关系,计算结果表明,当凸面镜曲率半径R 2在-610～-170mm 范围内取值时,谐振腔处于稳定态,输出基模光斑半径0.82～2.46mm 。当抽运电流为55A 时,后腔镜曲率半径与基模光斑半径的关系如图6所示。
研究R 2与远场发散角θ之间的关系得到如图7所示的结果。当激光器稳定工作时,要求基模光斑半径大而远场发散角小以得到好的光束质量,综合考虑以上两者因素,经过分析实验结果,本文选择R 2为-200mm ,此时激光器工作状态应较佳
。
4 试验结果与算法讨论
4.1 试验及结果
试验采用Nd :YA G 棒为<3mm ×65mm ,9个LDA 环绕抽运,冷却系统采用水冷;LD 抽运最高功率360
771增 刊马惠军等:高功率高重复频率全固态激光器热透镜效应补偿与分析
W(标称值),抽运频率1k Hz;激光器谐振腔长度230mm,试验使用的R2为-200mm。当抽运电流为60A
时,远场发散角优于1.3mrad,脉冲宽度小于10ns。采用的腔型与平2平腔作比较,静态输出功率如图8所示
。
由以上试验数据可以看出,当抽运电流较小时,热透镜效应不明显,所采用的腔型输出功率与平2平腔相比没有优势,但当抽运电流变大时,热透镜效应变大,未经补偿的腔型输出功率低于所采用的腔型,可以看出,采用R2为-200mm的平2凸腔对热透镜效应补偿作用明显。
4.2 算法讨论
将理论计算的热透镜焦距值与试验测得值相比较,结果如下图9所示。此外,当抽运电流为60A时,理论计算远场发散角为0.92mrad,实测值略小于1.30mrad;理论计算基模光斑半径0.9mm,实测值0.8mm。 将以上数据分别进行对比分析,我们可以看出理论值与实测值存在一定的差距,分析可能产生这些差距的原因为:理论计算使用的热焦距f为径向热焦距和切向热焦距的平均是否恰当,实际试验与理论计算考虑冷却影响之间的差别,当抽运电流增大时,耗散功率与抽运功率是否还是按线性变化,实际测量误差。这说明所采用的平2凸腔对热透镜效应补偿算法有待进一步研究。
5 结 论
本文针对k Hz高功率固体激光器热透镜效应进行建模分析,对增益介质抽运均匀性进行改善,将热透镜当作厚透镜进行处理,设计了平2凸腔,在此腔型条件下对热透镜效应进行模拟计算,选择了最佳曲率半径对热透镜效应进行补偿。试验结果表明,热透镜效应补偿结果明显,并能有效地提高激光器的输出功率。
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871强激光与粒子束第17卷
Study on compensation of thermal lens in high pow er
high repetition solid 2state laser
MA Hui 2jun , M EN G J un 2qing , L I Xiao 2li , ZHU Xiao 2lei , L U Yu 2tian
(S hanghai I nstitute of O ptics and Fine Mechanics ,Chinese A cadem y of S ciences ,
P.O.B ox 8002211,S hanghai 201800,China )
Abstract : A model which treated the active medium as a thick lens was established to analyze the effects of thermal lens in the resonator.By using the matrix method ,the equivalent resonator performance was studied.The uniformity of pump energy distribution was improved.An unstable plane 2convex resonant cavity with special parameters was designed based on the calcula 2tion result of thermal lens compensation.The optimum radius of the rear convex mirror was presented which could efficiently com 2pensate the effect of thermal lens.A beam divergence less than 1.3mrad was achieved.
K ey w ords : High power solid 2state laser ; Thick lens ; Compensation of thermal effect 9
71增 刊马惠军等:高功率高重复频率全固态激光器热透镜效应补偿与分析
高功率IPG光纤激光器应用简介 一、IPG光纤激光器简介 1.光纤激光器简介 光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发出来:在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”，当适当加入正反馈回路(构成谐振腔)便可形成激光振荡输出。 2.光纤激光器的优势 首先是使用成本低，光纤激光器替代了不稳定或高维修成本的传统激光器。其次，光纤激光的柔性导光系统，非常容易与机器人或多维工作台集成。第三，光纤激光器体积小，重量轻，工作位置可移动。第四，光纤激光器可以达到前所未有的大功率(至五万瓦级)。第五，在工业应用上比传统激光器表现更优越。它有适用于金属加工的最佳波长和最佳的光束质量，而且光纤激光器在每米焊接和切割上的费用最低。第六，一器多机，即一个激光器通过光纤分光成多路多台工作。第七，免维护，使用寿命长。最后，由于其极高的稳定性，大大降低了运行中对激光质量监控的要求。简单来说就是高功率下的极好光束质量，高光束质量下的极好电光效率，高功率高光束质量下的极小体积、可移动性和柔性。 3.IPG简介 全球最大的光纤激光制造商IPG Photonics由Valentin Gapontsev博士于1991年创建，总部设在美国东部麻省。IPG在德国、美国、俄罗斯和意大利设有生产、研发基地，并在全球设有销售和服务网点，覆盖美国、英国、欧洲、印度、日本、韩国、新加坡和中国，并于2006年在美国纳斯达克上市。
十八年来，IPG致力于纵向合成，所有的核心配件均为IPG研发、生产和拥有，同时也是唯一一个能为客户提供高性价比的光纤和半导体激光器的厂家。 高功率是IPG的优势。全世界已有上千台IPG的高功率(>1KW)光纤激光器在汽车制造、船舶制造、海上平台和石油管道、航空航天和技术加工等工业领域中得以应用。在日本，我们向丰田、三菱、住友在内的客户售出了数百台IPG的大功率光纤激光器。这些激光器的成功应用，说明了IPG光纤激光已成熟，且成为制造业的技术工具之一。依近期国内各厂家、院校、集成商对IPG光纤激光器大量的订单来看，光纤激光在中国市场广泛应用的局面会很快到来，尤其是在金属加工(切割、焊接、熔覆、快速成型等)方面。 二、高功率光纤激光应用领域 1.激光焊接领域的应用 光纤激光器的光束质量好，连续功率大，适用于深熔焊和浅表热导焊。连续激光通过调制可提供激光脉冲，从而获得高峰值功率和低平均功率，适用于需要低热输入要求的焊接。由于高功率激光的调制频率高达1万赫兹，因而能够提高脉冲焊接的产能。光纤输送方式使激光能够灵活地集成在传统焊钳、振镜头、机器人和远程焊接系统内。无论采用何种光束输送方式，光纤激光器都具有无可比拟的性能。典型的点焊应用包括依靠振镜头传送光束，从而完成剃须刀片和硬盘挠曲的焊接，从而充分地利用光纤激光器的脉冲功能。光纤激光器的光斑小，焦距长，因而远距离激光焊接的能力大大提高。1-2米的工作间距与传统机器人相比使工作区域提高了数倍，配备光纤激光器的远程焊接工位包括车门焊接、多点焊接和整个车身框架的搭接焊接。光纤激光器焊接的其它例子包括传动部件全熔焊、船用厚钢板深熔焊、电池组密封焊接、高压密封等等。图1展示了光纤激光焊接的效果。
连续激光顾名思义 激光输出时间上时连续的 脉冲激光的输出是不连续的 商用的最短能到几飞秒的量级吧 所以脉冲激光常用于测量超快的物理过程。 但是连续激光也有好处 经过稳频 可以得到很窄的线宽 能用于激光测距 精细光谱。 两者峰值功率差很多 连续激光中比较好的半导体激光器能做到百W量级 而脉冲激光现在飞秒的能做到TW的量级 脉宽越短 热作用效应越少 精细加工 中都是用脉冲激光较多。 峰值功率=单脉冲能量/脉冲宽度 平均功率=单脉冲能量*重复频率 激光的脉宽是对脉冲激光器或准连续的激光器而言的 简单说可以理解为每次发射的一个激 光脉冲的作用时间或一个激光脉冲的持续时间。重复频率是每秒中激光器发射的脉冲数 如10Hz就是指一秒钟发射10个激光脉冲。但是每个激光脉冲的脉宽就因不同激光器而不同 是纳秒级的还是微妙级的还是毫秒级的。 就像上面朋友说的 有如下关系 峰值功率=单脉冲能量/脉冲宽度 平均功率=单脉冲能量*重复频率。 激光线宽是表征激光单色性的 线宽越窄 激光单色性越好 什么是连续激光和脉冲激光,区别在哪？ 发表日期：2016-06-21 文章编辑：廖浏览次数: 503 激光（英语： Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，缩写为LASER，或laser），港澳地区称“激光”、“雷射”，台湾地区称“雷射”、“镭射，是指通过受激辐射而产生，放大的光，即受激辐射的光放大。特点是单色性极好，发散度极小，亮度（功率）可以达到很高。产生激光需要“激发来源”，“增益介质”，“共振结构”这三个要素。 脉冲 就是隔一段相同的时间发出的波（电波/光波等等）等机械形式。 激光脉冲 指的是脉冲工作方式的激光器发出的一个光脉冲，简单的说，好比手电筒的工作一样，一直合上按钮就是连续工作，合上开关立刻又关掉就是发出了一个“光脉冲”。用脉冲方式工作有它的必要性，比如发送信号、减少热的产生等。激光脉冲能做到特别短，譬如“皮秒”级别，就是说脉冲的时间为皮秒这个数量级，而1皮秒等于一万亿分之一秒(10E-12秒) 连续激光 激光泵浦源持续提供能量，长时间地产生激光输出，从而得到连续激光。连续激光的输出功率一般都比较低，适合于要求激光连续工作（如激光通信、激光手术等）的场合脉冲激光
浅析高功率光纤激光器 高功率光纤激光器，是相对于光纤通讯中作为载波的低功率光纤激光器而言（功率为mW级），是定位于机械加工、激光医疗、汽车制造和军事等行业的高强度光源。高功率光纤激光器巧妙地把光纤技术与激光原理有机地融为一体，铸造了21世纪最先进和最犀利的激光器。即使是在激光技术发达的国家，光纤激光器也是尖端、神秘和充满诱惑的代名词。2002年6月，光纤激光器空降中国，震撼了中国激光学术和产业界，引起了尊至院士的深情关注！ 一、光纤技术 光纤激光器的最大特点就是一根光纤穿到底，整台机器高度实现光纤一体化。而那些只在外部导光部分采用光纤传输或者LD泵浦源采用尾纤来耦合的激光器都不是真正意义上的光纤激光器。 光纤是以SiO2为基质材料拉成的玻璃实体纤维，主要广泛应用于光纤通讯，其导光原理就是光的全反射机理。普通裸光纤一般由中心高折射率玻璃芯(芯径一般为9-62.5μm)、中间低折射率硅玻璃包层(芯径一般为125μm)和最外部的加强树脂涂层组成。〈见图一〉光纤可分为单模光纤和多模光纤。单模光纤：中心玻璃芯较细(直径9μm+0.5μm)，只能传一种模式的光，其模间色散很小，具有自选模和限模的功能。多模光纤：中心玻璃芯较粗(50μm+1μm)，可传多种模式的光，但其模间色散较大，传输的光不纯。 用于高功率光纤激光器中的光纤不是普通的通讯光纤，而是掺杂了多种稀有离子、结构更为复杂、耐高辐射的特种光纤---双包层光纤。
双包层光纤比普通光纤在纤芯外多了一个内包层，对泵浦光而言是多模的，直径和受光角较大，能大肆吸收高亮度的多模泵浦光，在光纤内聚集大量的光子。实践证明：横截面为D型和矩形的双包层光纤具有95%的耦合效率因而得到广泛应用。对于脉冲光纤激光器而言，一个重大的课题就是如何提高光纤的耐辐射能力。目前世界上光纤激光器的单脉冲能力可以达到20,000W，一根头发丝大小的光纤如何能承受如此高的激光辐射？所以必须考虑在光纤内掺杂某种特殊离子防止光纤被烧坏。比如掺杂了铈离子的光纤就是在核辐射情况下，既不会因染色而失去透光能力，更不会受热变形。 二、传统固体激光器 激光器说白了就是一个波长转换器---波长短的泵浦光激励掺杂离子转换成长波长的光辐射，它一般由3部分组成：工作物质、谐振腔和泵浦系统。由于光纤激光器本质上属于固体激光器，所以在此仅比较一下传统Nd:YAG激光器的特性。 工作物质： 工作物质是固体激光器的心脏，它的物理性质由基质材料决定，光谱性质由激活离子内的能级结构决定。在YAG单晶体中掺入三价的Nd3+，便构成了目前广泛应用的YAG激光晶体。它主要有如下明显的特点： 1、YAG棒生长速度很慢，一般小于1mm/h。目前最大晶体棒的直径为40mm，长180mm，所以激光增益从根本上受到限制，无法实现特高功率激光输出。
第32卷第4期 2005年4月 中国激光 C H IN ESE J OU RNAL O F L ASERS Vol. 32, No. 4 April , 2005 文章编号:025827025(2005 0420461205 激光二极管抽运声光调Q 高重复频率532nm 激光器 冯立春, 霍玉晶, 何淑芳, 杨成伟 (清华大学电子工程系, 北京100084 摘要实现了重复频率高达105kHz 的紧凑的全固态声光(A -O 调Q 532nm 腔内倍频激光器。激光器使用 Nd ∶Y VO 4作为激光晶体, Ⅱ类匹配的KTP 为倍频晶体, 声光器件材料为熔融石英, 由自制的声光驱动器驱动, 其最大 射频输出功率为7. 5W , 重复频率1Hz ～105k Hz 可调。使用1W 的激光二极管(LD 抽运,50k Hz 重复频率下, 得到平均功率达224mW 的532nm 脉冲激光稳定平
均输出, 总光光转换效率高达22. 4%。低重复频率下, 可以实现脉宽为17. 2ns , 峰值功率为470W , 单脉冲能量为8. 1μJ 的稳定运转。给出了平均功率与重复频率关系的一般公式, 并提出即使是在四能级系统中, 有效储能时间也并不等于上能级寿命, 关键词激光技术; 固体激光器; 激光二极管抽运; 储能时间; Q; 中图分类号 TN248. 1文献标识码 A Q 2switched 532nm Laser with High R epetition R ate FEN G Li -chun , HUO Yu -jing , H E Shu -fang , YAN G Cheng -wei (Department of Elect ronic Engineering , Tsinghua Universit y , B ei j ing 100084, China Abstract A compact , all solid -state and high repetition rate as up to 105k Hz acousto 2optic (A 2O Q 2switched intracavity frequency 2doubled 532nm laser is demonstrated. A Nd ∶YVO 4crystal is used as active media and a type 2ⅡKTP (KTiPO 4 as f requency doubler , The Q switcher is made by f used silica and driven by a driver whose maximal rf output power is 7. 5W and repetition rate is variable f rom 1Hz to 105k Hz , which is made by our own. 224mW of 532nm average power at a repetition rate of 50k Hz was generated with a 1W laser diode (LD as pump source , and a high optical -to -optical conversion efficiency of 22. 4%was obtained. Under low repetition rate , steady operation is achieved with pulse width of 17. 2ns , peak power of 470W and single pulse energy of 8. 1μJ. A general formula of average 2power as a function of pulse repetition rate is presented which has good agreement with the experiment results. Analysis and experimental verification showed that , even in four 2level system , the effective storage time is not equal to the upper state lifetime.
I第17卷增刊强激光与粒子束Vol.17,No.S0 2005年4月H IGH POWER LASER AND PARTICLE BEAM S A pr.,2005 Article ID:1001-4322(2005)S0-0029-04 Q-switched Tm,Ho:GdVO4laser with high pulse repetition frequency* YA O Bao-quan,JU You-lun,WAN G Yue-zhu,H E Wan-jun (N ational K e y L aborator y of Tuna ble L ase r Te chnolog y,H ar bin In stitute of Te chnolog y,H ar bin150001,China) Abstract:CW and Q-sw itched operat ion o f T m,Ho:G dV O4laser is r epo rted in this paper.T he T m,H o: GdV O4cry stal is coo led by liquid nitro gen and end-pumped by a laser diode of793nm.O utput pow er of4.0W and optica-l to-o ptica l efficiency of26%is achiev ed at CW mo de.With aco usto-optically Q-sw itched operatio n, an av erag e po wer3.9W o f at a pulse-r epetit ion rate of10kHz with pulse dur atio n of50ns is o bt ained.T he pulse w idth is t unable f rom23ns to50ns by chang ing r f(r adio fr equency)o ff-time of AO Q-sw itch.At a pulse- repetition rate of10kH z,0.39mJ o f pulse energ y,and7.8kW o f peak pow er w ere measur ed Key words:Dio de laser;End-pum p;AO Q-swit ch;T m,H o:GdV O4 C LC number:T N248Document code:A T he int erest in al-l solid-state laser operat ing in the ey e-safe spectral r egion near2L m is well acknow ledg ed for medica l and r e-mo te-sensing applications[1,2].Since the first demonstrat ion o f rar e-earth laser o per ation in YA G obtained at cry og enic temper a-tur e,co nsider able pro gr ess has been made.A t present,ro om-temperature,diode-pumped2L m laser(co nt inuous and Q-sw itched)[3]is integr ated in systems fo r g round-based or airbor ne lidar measurements.A dditio nal applications for w hich shor t du-r atio n o ptica l pulses at2L m ar e r equired include altimetr y,topog raphical,and nonlinea r o pt ical studies.T m,Ho codoped lasers are co nducive to operatio n in Q-sw itched mode due to their10ms fluorescence lifet ime com par ed to230L s in neo dy mium doped Y AG. Ho wever,in many ho sts studied to date upco nv ersio n there is a deleter ious influence,manifest ing as an effect ive lifet ime r educ-t ion,w ith concomitant r eduction of the energ y stor age capacity and loss of co nv ersion efficiency[4]. T he abso rption cro ss sectio n of thulium in GdV O4is co nsider ably stro ng er and br oader(770~820nm)than that in YA G and YL F,and the spectrum shifts closer to the emissio n wav elength of co mmercially av ailable A lG aA s laser diodes.In this exper-i ment,a794nm laser dio de was used as the pumping so ur ce.P rev ious r esults w ith Y L F cr ystals in prev ious ex periments have show n fracture w hen subjected t o pump densities gr eater than5kW/cm2.GdV O4host has g ood therma-l mechanical pro per ty and can ex per ience pum p densit y g reater than12kW/cm2,w hich is co nfirmed by o ur experiment,allow ing to scale up holmium laser averag e pow er by end-pum ping fabr ication without the requirement o f diffusion bo nded composit e r od.T he Boltzmann co upling l-i fetime of thulium3F4and ho lmium5I7in GdVO4host is3ms,that is shor ter than9ms fo r T m:H o:YA G and15ms f or T m:Ho: YL F.Sho rt lifetime and larg e emissio n cross sectio n are ver y favor able fo r the Q-swit ched short pulse g ener ation operated at repe-t itio n r ate up to10kH z. Wo rk by M o rr is et al[5]demonst rated the generation o f co ntinuous w ave4.6mW o utput at2.048L m w ith135mW abso rbed pump po wer in T m:Ho:GdV O4.T he slope efficiency of10%in T m:GdVO4laser pumped by a laser dio de w as achiev ed by M ikhailo v et al[6].W yss also demo nstr ated1.4W r adiat ion at1.95L m w ith32W laser dio de pumping[7].Higher peak pow er pulse w ith sho rter pulse w idth and stable pulse t rain was o btained fro m T m,H o:GdV O4laser in our ex periment. 1Experimental setup The T m,H o:GdVO4cr ystal is end-pumped by fiber-coupled laser diode arrays w hich deliver m ax imum 14.8W content w ithin fiber co re of0.4m m and numerical value of0.3.The pumping lig ht is temperatur e tuned to794nm for o ptimal absor ption and uniform therm al distr ibution in T m,H o:GdVO4cry stal,and refocused into crystalw ith beam diam eter of approx im ately0.6mm for optim um ov er lap betw een the pump beam and the laser beam.T he input mirr or w as a plane m ir ror w ith an antireflection coating at794nm on the incident *Received date:2004-11-22;Revised date:2005-03-30 Fou ndation item:Su pported by th e Scientific Res earch Foundation of H arbin In stitute of T ech nolog(HIT200214) Biography:Yao Baoquan(1970)),male,Ph.D,as sociate profes sor,en gaged in solid state laser and n on linear frequency conversion;E-mail:bqyao@https://www.doczj.com/doc/e33755035.html,。
2009年第12 期 中文核心期刊 高功率光纤激光器发展概况 Survey of high-power fiber lasers ZHANG Jing-song (Electronic communications technology department, Shenzhen Institute of Information Technology,Shenzhen Guangdong 518029,China) Abstract :High-power fiber lasers have wide applications in the filed of optical communication,printing,marking,material processing,medicine etc.High-power fiber lasers may substitute conventional lasers large-ly,have new application of laser,broaden the scope of laser industry.The history and recent development of high-power fiber lasers home and aboard are surveyed.The prospect of high-power fiber lasers is discussed.Key words :high-power fiber laser,double-clad fiber,cladding pump 张劲松 （深圳信息职业技术学院电子通信技术系，广东深圳518029） 摘要：高功率光纤激光器以其优越的性能和超值的价格，在光通信、印刷、打标、材料加工、医疗等领域 有着广阔的应用，将会很大程度上替代传统激光器，并开辟一些新的激光应用领域，扩大激光产业的规模。概述国内外高功率光纤激光器的发展历史与现状。展望了高功率光纤激光器的发展前景。 关键词：大功率光纤激光器；双包层光纤；包层泵浦中图分类号：TN248 文献标识码：A 文章编号：1002-5561（2009）12-0008-03 0引言 从1960年第一台激光器（美国Maiman 等首先用红宝石晶体获得了激光输出）问世到现在近50年过去了，激光技术确如人们所期，渗入了各行各业：通信、生物技术、医学、印刷、制造、军事、娱乐业等。在某些领域，它已经成为不可替代的核心技术。但是激光产业规模还不够大，究其原因，不是人类不需要激光，而是传统激光器不好用：成本高、效率低、故障多。 光纤激光器的出现带来了扩大激光产业规模的希望。光纤激光器激光光束质量好，电-光转换效率高，输出功率大；所有的半导体器件及光纤组件都可以融接成一体，避免了元件的分立，可靠性得到极大提高。 1国外高功率光纤激光器发展概况 光纤激光器的最早有关研究可以追溯到20世纪 60年代初期，当时激光器刚刚出现不久，人们对激光 器的研究投入了极大热情，积极研制开发各种新型激光器。1961年，美国光学公司的E.Snitzer 等在光纤激 光器领域进行了开创性的工作，他们利用棒状掺钕（Nd 3+）玻璃波导获得了波长1.06μm 的激光。 20世纪70年代，光纤通信的研究开始起步，新兴 的光纤通信系统对新型光源的需求极大地刺激了激光器的研究工作。但由于人们的注意力集中到迅猛发展的半导体激光器技术上，以及光纤激光器自身的一些当时无法克服的困难，光纤激光器的研究逐渐沉寂下来。尽管如此，仍然取得了一些值得一提的成就。例如，1973年，J.Stone 等成功地研制出能够在室温下连续工作的掺钕光纤激光器，他们采用的半导体注入型激光器终端泵浦方式对以后实用型光纤激光器的研究具有重要的意义。 20世纪80年代，英国Southampton 大学的S.B.Poole 等用MCVD 法成功地制备了低损耗的掺钕和掺 铒光纤，因为掺铒光纤光纤激光器的激射波长恰好位于通信光纤的1.55μm 低损耗窗口，人们开始认识到光纤放大器和光纤激光器在提高传输速率和延长传输距离等方面无疑将给光纤通信带来一场革命。掺铒光纤放大器（EDFA ）得到了迅速的发展并成为一项成熟的应用技术。但是，光纤通信用的光纤激光器输出功率一般都是毫瓦级，一直以来只局限于光通讯等领域；同时由于巨大的行业差距，几乎无人把它与激光 收稿日期：2009-08-31。 作者简介：张劲松（1969-），男，博士，高工，现主要从事光纤激光器、放大器等方面的研究。 ⑧
激光器件与技术期中论文 光纤激光器浅谈浅谈光纤激光器以及我国光纤激光器研究现状
摘要： 光纤激光器作为光源在光通信领域已得到广泛应用，而随着大功率双保层光纤激光器的出现，其应用正向着激光加工、激光测距、激光雷达、激光艺术成像、激光防伪和生物医疗等更广阔的领域迅速扩展。本文以下内容概述了光纤激光器的原理、特点、应用及其发展前景。 关键词：光纤激光器应用扩展发展前景 abstract: Fiber laser as a light source in the field of optical communication has been widely used, and as the dual-protection layer of high-power fiber lasers appear, its application is toward to the laser processing, laser ranging, laser radar, laser art of imaging, security and bio-medical laser rapid expansion of a wider area. The following article outlines the principles of fiber lasers, characteristics, applications and prospects for development. Keywords: fiber laser applications development prospects.
文章编号:025827025(2005)0420461205 激光二极管抽运声光调Q 高重复频率532nm 激光器 冯立春,霍玉晶,何淑芳,杨成伟 (清华大学电子工程系,北京100084) 摘要 实现了重复频率高达105kHz 的紧凑的全固态声光(A -O )调Q 532nm 腔内倍频激光器。激光器使用 Nd ∶Y VO 4作为激光晶体,Ⅱ类匹配的KTP 为倍频晶体,声光器件材料为熔融石英,由自制的声光驱动器驱动,其最大 射频输出功率为7.5W ,重复频率1Hz ～105k Hz 可调。使用1W 的激光二极管(LD )抽运,50k Hz 重复频率下,得到平均功率达224mW 的532nm 脉冲激光稳定平均输出,总光光转换效率高达22.4%。低重复频率下,可以实现脉宽为17.2ns ,峰值功率为470W ,单脉冲能量为8.1μJ 的稳定运转。给出了平均功率与重复频率关系的一般公式,并提出即使是在四能级系统中,有效储能时间也并不等于上能级寿命,理论计算结果与实验结果吻合得很好。关键词 激光技术;固体激光器;激光二极管抽运;储能时间;声光调Q;内腔倍频;高重复频率中图分类号 TN248.1 文献标识码 A LD 2pumped Acousto 2optically Q 2switched 532nm Laser with High R epetition R ate FEN G Li -chun ,HUO Yu -jing ,H E Shu -fang ,YAN G Cheng -wei (Department of Elect ronic Engineering ,Tsinghua Universit y ,B ei j ing 100084,China ) Abstract A compact ,all solid -state and high repetition rate as up to 105k Hz acousto 2optic (A 2O )Q 2switched intracavity frequency 2doubled 532nm laser is demonstrated.A Nd ∶YVO 4crystal is used as active media and a type 2ⅡKTP (KTiPO 4)as f requency doubler ,The Q switcher is made by f used silica and driven by a driver whose maximal rf output power is 7.5W and repetition rate is variable f rom 1Hz to 105k Hz ,which is made by our own.224mW of 532nm average power at a repetition rate of 50k Hz was generated with a 1W laser diode (LD )as pump source ,and a high optical -to -optical conversion efficiency of 22.4%was obtained.Under low repetition rate ,steady operation is achieved with pulse width of 17.2ns ,peak power of 470W and single pulse energy of 8.1μJ.A general formula of average 2power as a function of pulse repetition rate is presented which has good agreement with the experiment results.Analysis and experimental verification showed that ,even in four 2level system ,the effective storage time is not equal to the upper state lifetime. K ey w ords laser technique ;solid 2state laser ;laser diode pumped ;storage time ;acousto 2optics Q 2switched ;intracavity second harmonic generation ;high repetition 2rate 收稿日期:2004202209;收到修改稿日期:2004206223 基金项目:国家863计划(2001AA311060)资助项目。 作者简介:冯立春(1974—),男,清华大学电子工程系博士研究生,主要从事固体激光技术及器件的研究。E 2mail :fenglc97@https://www.doczj.com/doc/e33755035.html, 1 引 言 声光(A -O )调Q 脉冲激光器已被广泛应用于激光测距、大气监测、激光雷达、光电对抗、激光加工和医疗等领域。相对闪光灯抽运激光器而言,激光二极管(LD )抽运的固体激光器因其高效、紧凑、使用寿命长,且易获得高质量光束等特点而更具有优势。Nd ∶YVO 4晶体在较宽的抽运波长范围内都有 很好的吸收,在激光发射波长上有很大的受激发射截面,而且具有线偏振发射的特性,使其在激光二极 管抽运腔内倍频激光器中得到广泛的应用[1～3]。 近年来,使用Nd ∶YA G [4,5]和Nd ∶YVO 4[6]的声光调Q 腔内倍频绿光激光器都达到了较高的水平,被动调Q 绿光激光器也有报道[7]。中国科学院物理所实现了大功率激光二极管抽运的Nd ∶YVO 42KTP 声 第32卷 第4期2005年4月 中 国 激 光 C H IN ESE J OU RNAL O F L ASERS Vol.32,No.4 April ,2005
第17卷 第4期 强激光与粒子束Vol.17,No.S0 2005年4月H IGH POWER L ASER AND PAR TICL E B EAMS Apr.,2005 文章编号: 100124322(2005)S020175205 高功率高重复频率全固态激光器 热透镜效应补偿与分析3 马惠军, 孟俊清, 李小莉, 朱小磊, 陆雨田 (中国科学院上海光学精密机械研究所,上海201800) 摘 要: 将k Hz 高功率固体激光器增益介质当作厚透镜处理,建立了热透镜效应分析的理论模型,使用 矩阵的方法对等效热透镜腔进行分析。对增益介质抽运均匀性进行了改善,通过分析模拟计算结果,设计了混 合非稳腔结构,选择了最佳凸面镜曲率半径对热透镜效应进行补偿。试验结果表明,补偿效果明显,k Hz 高功 率全固态激光器的光束发散角优于1.3mrad 。 关键词: 高功率固体激光器; 厚透镜; 热透镜效应补偿 中图分类号: TN 248.1 文献标识码: A 大功率高亮度的固体激光器是当前全固态激光器研究的前沿课题。无论从军事应用还是从工业应用来看,不仅要求固体激光器具有大的激光输出功率,同时,还要求输出激光具有好的光束质量。在大功率高重复率固体激光器运转时不可避免的会出现热透镜效应,热透镜效应已经成为国内外研究二极管抽运高功率固体激光器的一个热点。对热透镜补偿的方法通常是系统中加入补偿透镜、进行动态补偿和对工作物质端面进行处理进行补偿,这些方法在小功率、低重复率的、对工作环境要求不高的固体激光器上取得了明显的效果。本文针对k Hz 高功率固体激光器热透镜效应进行建模分析,跟以往研究工作不同的是本研究工作在对增益介质抽运均匀性进行改善的基础上,将热透镜当作厚透镜进行处理,设计了混合非稳腔结构,并在此腔型条件下对热透镜效应进行模拟计算,选择了最佳曲率半径对热透镜效应进行补偿。试验结果表明,补偿结果明显,基本达到了为实验设计提供理论依据的目的。 1 理论模型 固体激光器中激光棒的热透镜效应是十分复杂的,它不仅具有随机变化的热扰特征,而且还具有明显的热畸变特征和热应力引起的双聚焦现象。 1.1 厚透镜等效 Fig.1 Schematic of t hick lens 图1 厚透镜示意图 以往分析激光棒的热透镜效应时,常将激光棒简化为薄透 镜。跟以往分析方法不同,我们将激光棒当作厚透镜进行处理。 图1为厚透镜的等效图。其中:n 1为空气折射率;n 2为工作物 质的折射率;R 1,R 2为厚透镜的曲率半径;l 为厚透镜的等效长 度;h 1,h 2为等效厚透镜的主平面位置。 我们从几何光学中光线传播的程函(Eikonal )方程出发,使 用矩阵的方法,讨论在傍轴光线近似下光线的传播问题,得到透 镜变换矩阵以及主平面的位置和焦距大小[1]。 1.2 等效热透镜腔参数 对应的透镜腔可以得到腔内单程变换矩阵,光腔G 参数、 输出镜M 1处高斯光束光斑半径、镜M 1,M 2相邻的光腰大小ω1,ω2和光腰位置L 1,L 2(以镜M 1或M 2为参考),以及当镜M 1为输出耦合镜,激光远场发散角θ1。 激光材料一方面吸收了抽运辐射而发热,另一方面散热又要求对其表面进行冷却,这两者使激光材料内部3收稿日期:2004211222; 修订日期:2005201220基金项目:国家863计划项目资助课题 作者简介:马惠军(1975—),女,现为中国科学院上海光学精密机械研究所硕士研究生,主要从事高功率、高重复率全固态激光器的研究; 上海8002211信箱;E 2mail :zhoumashiqq @https://www.doczj.com/doc/e33755035.html, 。
文章编号 :0258 7025(2007 04 0461 04激光二极管双端抽运声光调 Q 高重复频率 Nd GdVO 4激光器 李旭东 , 于欣 , 于俊华 , 陈德应 (哈尔滨工业大学光电子技术研究所 , 黑龙江哈尔滨 150080 摘要激光二极管 (L D 抽运的固体激光器 (DP SSL 的调 Q 器件是获得高重复频率、高峰值功率的有效手段之一 , 随着激光雷达、激光加工业的发展 , 要求调Q 器件向着更高重复频率的方向发展。 N d G dV O 4以其优异的物理和激光特性 , 使得它在激光二极管端面抽运固体激光器的声光 (A O 调 Q 器件中 , 即使在很高的调制重复频率下 , 仍可获得窄脉宽、高峰值功率的脉冲激光输出。理论分析了影响脉冲激光的输出能量和脉宽大小的决定因素 , 研究了脉宽、平均输出功率及峰值功率随调 Q 重复频率的变化关系。利用双激光二极管双端抽运 N d GdV O 4晶体棒 , 实现了声光调 Q 高重复频率窄脉宽 1063nm 激光输出。在晶体入射端面总抽运功率约 43W 条件下 , 当重复频率 f =10kH z 时 , 获得脉宽 t =10. 2ns, 单脉冲能量 E =0. 95mJ, 峰值功率 P M =93. 1kW 的输出 ; 在重复频率 f =100kHz 时 , 获得 t =28. 1ns, E =0. 10mJ, P M =3. 6kW 的结果。 关键词激光技术 ; N d GdV O 4激光器 ; 声光调 Q; 激光二极管双端抽运 ; 高重复频率中图分类号 T N 248. 1 文献标识码 A Laser Diode Double End Pumped Acousto Optically Q Switched Nd GdVO 4Laser with High Repetition Rate LI Xu dong, YU Xin, YU Jun hua, CHEN De ying (I nstitute of O p to Electr onics T echnolog y , H arbin I nstitute of T echnology , H ar bin, H eilongj iang, 150080, China Abstract Laser dio de (LD pumped Q sw itched solid state laser s (SSLs can achiev e hig h repetitio n r ates and hig h peak po wer. With the dev elo pment of lidar and laser machining, dio de pumped SSL s (DP SSL s w ith hig
光纤激光器常见问题解答 1. 我现在使用的是灯泵浦YAG激光器，改用光纤激光器会给我带来哪些好处？ ?光纤激光器的电光转换效率高达28 %，而灯泵浦YAG激光只有1.5%～2% ?不用更换灯管，因而更加省钱：光纤激光器中使用了寿命长达10万小时的电信级单芯结半导体激光管 ?所有功率级的光斑大小和形状都是固定的 ?免维护或低维护 ?备件极少 ?风冷或基本不需要冷却 ?体积相当小 ?工作距离更长 ?不需要调整 ?无需预热，立即可用 2. 哪里能够买到光纤激光器的光束传送部件？ 目前，所有第三方光束传送部件制造商都可提供光纤激光器使用的光束传送部件，IPG可为您提供制造商名单。 3.原有的YAG光束传送部件是否还能使用？ 基本可以，但是需要使用适配器对IPG光纤连接器进行转换。有些情况下为了充分发挥光纤激光器的优势，需要提高焦距。 4. 这些激光器产品是否能够集成在我现在的工作单元内？ 可以，光纤激光器配备了各种工业接口，能够很容易地对接标准的工业控制装置。 5. 有提供交钥匙服务的系统集成商吗？ 有，有许多多年从事光纤激光器交钥匙服务的系统集成商，IPG可提供交钥匙服务集成商和OEM的名单。 6. 光纤激光器有质保服务吗？ 在业内，IPG提供的质保期最长：光纤激光器的标准质保期为购买后整2年时间，IPG最长可提供8年质保期，详情请与我们的销售人员联系。 7. 哪里能够实际观摩到光纤激光器产品？ IPG在许多地方设有应用开发设施，包括马萨诸塞州牛津市、密歇根州的底特律市、德国的Burbach 市、日本的横滨市，目前我们正计划在俄罗斯、中国和牛津总部建立增设新的应用开发设施。另外，我们还在北美、欧洲、亚洲的多所大学内设有光纤激光器技术研究中心。 8. 你们的竞争对手说你们的光纤激光器存在后向反射的问题，是真的吗？ 说这些话的人并不熟悉光纤激光器技术，如果传送光纤选择合适的话，我们的数千瓦功率低模光纤激光器不会发射后向反射问题。单模激光都很少出现这种问题。但是，如果后向反射太高的话，设备一旦检测到会自动关闭。使用隔离器也能消除该问题。IPG已经有无数的设备应用在铜和铝等高反光材料的切割和焊接领域。