脉冲激光耦合及性能参数测量

世界上第一台激光器诞生于1960年，中国于1961年研制出第一台激光器。50多年来，激光技术与应用发展迅猛，已与多个学科相结合形成多个应用技术领域，比如光电技术、激光医疗与光子生物学、激光加工技术、激光检测与计量技术、激光全息技术、激光光谱分析技术、非线性光学、超快激光学、激光化学、量子光学、激光雷达、激光制导、激光分离同位素、激光可控核聚变、激光武器等。这些交叉技术与新的学科的出现，大大地推动了传统产业和新兴产业的发展。然而激光与物质相互作用的机理十分复杂，其原因与物质特性的多样性、作用激光参数的多样化以及作用条件的多变性有关。其中与激光特性有关的参数，例如激光波长、能量、功率、脉宽、脉冲结构、重复频率以及脉冲个数等，任何一个参数变化都会对激光与物质相互作用过程产生影响。此外，为提高激光与物质相互作用的可操作性，通常都会将激光耦合进入光纤传输，这在激光微外科手术中最为普遍。本实验主要研究固体激光器输出激光耦合进入大芯径光纤传输并通过相关仪器设备测量输出激光主要性能参数。

一、实验目的

(1) 将自由运转近红外脉冲激光耦合进入大芯径光纤传输。

(2) 测量脉冲激光能量、功率、脉冲宽度、重复频率等参数。

二、主要实验仪器

自由运转钬激光器，光纤固定支架，大芯径光纤，激光能量/功率计，示波器，红外凸透镜，红外光探测器等。

三、实验原理

1． 激光脉冲耦合进入光纤传输原理

由于钬激光波长为2．1μm，水对其吸收系数约为30cm－1，因此不能用普通的K9玻璃材料制作凸透镜聚焦钬激光脉冲。另外，作为增益介质的固体棒直径为10mm，激光器谐振腔端面输出的光斑直径约为8mm左右。选择直径20mm、焦距15mm的氟化钙材料制作的双凸透镜聚焦脉冲激光。低氢氧根的大芯径光纤(直径为200μm、400μm、600μm、800μm)作为激光的传输介质，要将激光脉冲高效率地耦合进入光纤，关键是调节光纤端面与凸镜焦点重合，从而实现将激光脉冲耦合进入大芯径光纤传输。

2． 激光主要性能参数测量原理

利用光电效应把光信息(光能) 转变为电信息(电能) 的各种器件称为光电探测器件。光电探测器的工作原理主要基于光辐射与物质相互作用所产生的光电效应和热电效应。固体的电学性质取决于固体中电子的运动状态，当光束入射到固体表面时，进入体内的光子如果直接与电子作用(吸收、动量传递等)，引起电子运动状态的改变，则固体电学性质会随之而改变，这类现象称为固体的光电效应。如果物质的某些性质随入射光的加热作用引起的温度变化而变化，其特点是入射光与材料的晶格相互作用，晶格因吸收光能而增加振动能量，引起材料的温度上升，从而引起与温度有关的材料电学参量发生变化，这与光子能量直接转换给光电子的光电效应有本质不同。本实验进程中利用光电效应测量自由运转钬激光脉冲宽度、利用热电效应测量自由运转钬激光脉冲能量/功率及工作频率。探测器的输出上升到稳定值或下降到照射前的值所需要的时间叫作探测器的响应时间，为了准确探测激光脉冲宽度，探测器的响应时间应该在纳秒级。

四、实验内容

1． 激光器操作

首先开启循环制冷水机;待工作10分钟左右后开启泵浦电源;设置电源参数(电压、脉宽、频率) 后开启预燃;闭合电源线开关，激光器开始出光;利用Ca F2透镜将激光脉冲耦合进入光纤，可实现光纤传输激光;工作完成后断开电源线开关，激光器停止出光;然后关闭泵浦电源预燃;关闭泵浦电源;最后关闭循环制冷水机。

2． 激光器关键部件

本实验所用的激光器关键部件电源前面板如图20－1所示。

图20－1 激光泵浦电源的前面板

a．泵浦电源开关键;b．紧急停止键;c．电源参数调节键;d．激光器开关键

图20－1为激光泵浦电源的前面板(北京华泽宏大光电科技有限公司，型号BJHZ－SP06)。由放大的参数面板可看出该泵浦电源有操控模式选择、信号模式选择、预燃选项，可调节参数有频率1 ～50Hz、脉宽0．2 ～2ms、电压200 ～1000V。

图20－2为激光泵浦电源的后面板，图中所示左端两根a为激光器电源线，连接激光器并为泵浦灯供电;右端b为泵浦电源电源线，用于泵浦电源供电。

图20－2 激光泵浦电源的后面板

a．激光器电源线;b．泵浦电源电源线

图20－3 激光器系统结构

a．开放式谐振腔;b．激励物质;c．出、入水管;

d．泵浦氙灯;e．Ca F2透镜;f．石英光纤

图20－3为激光器系统结构图，由a开放式谐振腔、b激励物质、d泵浦氙灯组成。为了能长期稳定工作需要制冷，该装置采用循环水冷的方法，c为水冷系统的入水管和出水管;e为用于将脉冲激光耦合进入光纤的Ca F2透镜;f为石英光纤。

图20－4为循环制冷水机，由压缩机、风扇、水箱组成，可设定预定温度。

图20－4 循环制冷水机

3． 激光耦合步骤

具体耦合步骤可以分为四步。第一步，取一薄刀片，低泵浦电压条件下聚焦激光脉冲打在刀口上，向各个方向溅射出小火星，刀口放置在光纤端面旁边，这样可以比较出焦点相对光纤端面的位置。第二步，如果焦点和端面位置相差较大，可通过调节固定光纤的二维调节器来调节光纤在水平方向(X轴) 和竖直方向(Y轴) 的位置。第三步，为了确定最佳的激光耦合效率，开启激光器正常工作于1Hz，在低泵浦电压条件下输出较低能量的激光脉冲，光纤另一输出端面下端可放置一片未曝光的相纸(对热量极其敏感)，光纤每输出一个激光脉冲均打在相纸上形成一个光斑。细微调节二维调节器来控制光纤端面在水平方向和竖直方向上微变化，当发现激光打出的光斑最显著时，相纸炭化最严重，这表明激光耦合效率达到最大，焦点恰好位于光纤端面上，然后固定二维调节器上的调节螺丝，这样光纤端面就始终位于透镜焦点上且耦合效率最高。相纸上形成的光斑如图20－5所示。

图20－5 600μm芯径光纤耦合后激光在相纸上形成的光斑图

4． 激光主要性能参数测试

测试激光的能量/功率的实验装置如图20－6所示。钬激光器输出激光耦合进入800μm芯径的光纤传输，光纤另一输出端面与光探测器间距约2cm，避免较强激光对探测器(PE50BF－C) 端面的损伤，探测到的能量/功率数据由数据软件采集，同时由光功率能量计(以色列Ophir公司)附带表头(NOVAII)动态实时显示。数据采集软件可动态显示激光能量/功率随时间变化关系曲线，也可以TXT文件保存采集的数据。为了锻炼学生运用数据软件处理实验数据的能力，用Origin8．0软件对保存的数据文件进行必要的处理。为了防止激光热效应对探头操作，连续测试时间最好在10s内，激光工作频率通常不超过5Hz。距离光功率能量计探头5cm处，以一定角度放置一个光电探测器(PV－3，波兰Vigo公司)，探测探头端面部分反射光信号，光电转换后的电压信号输入示波器(泰克，DPO4104)，示波器记录激光脉冲波形，如图20－7所示。

图20－6 激光参数测量流程

图20－7 钬激光脉冲波形图(半高宽为400μs)

五、数据处理

激光能量/功率实验数据

将泵浦电压调整至900V左右，最大不超过1000V，在不同泵浦脉冲宽度条件下测试激光器输出脉冲能量、功率、脉冲宽度、脉冲波形。其中能量、功率、脉冲宽度值以数据形式记录在表20-1中，脉冲波形以图片保存记录。

表20-1 激光器输出脉冲能量、功率、脉冲宽度结果记录

六、注意事项

(1) 严格按照激光器操作流程操作，防止对激光器不可逆性损伤。

(2) 注意探测器与光纤输出端面距离，防止对光探测器的损伤。

(3) 初始光纤耦合时，激光工作频率设置为低频率且泵浦电压要低。

七、思考题

(1) 激光脉冲宽度对光纤端面损伤的影响。

(2) 探测器响应时间及频谱响应范围对探测光脉冲宽度的影响。

(3) 光纤芯径对激光脉冲耦合效率的影响。

(4) 激光器泵浦电压脉冲宽度与实际输出激光脉冲宽度的关系。