吕 涛

(中国地质大学(武汉),湖北武汉 430074)

激光脉冲耦合及性能参数测试教学实验设计

吕 涛

(中国地质大学(武汉),湖北武汉 430074)

用氟化钙凸透镜将钬激光器输出激光耦合进大芯径光纤传输,测量了耦合后激光能量、脉冲宽度和重复频率。将该实验用于实际教学,激发学生的实验积极性,深化学生对激光原理及应用的理解,提高学生的动手能力。

红外激光;激光耦合;参数测试

自从1960年美国人梅曼制作了世界上第一台激光器后[1],激光因其能量集中、方向性好、相干性、单色性好,于1961年最先开始在医学眼科手术中得到研究与应用[2],从此揭开了激光生物医学的发展序幕。目前国内很多高校开设光电子科学与技术专业及光信息处理专业,激光原理是这两个专业的重要的必修课[3]。虽然学生做了很多光学方面的物理实验[4-6],但没有经过实验训练,学生仍然很难将激光原理与物理学、生物学、医学等其它相关学科交叉学习,对激光器工作原理、结构、调节方式及激光的主要性能参数测试没有感性认识。为了弥补这一缺憾,将科研用的自由运转钬激光器输出激光耦合进大芯径光纤传输,采用相关设备测试激光的主要性能参数,如能量、脉冲宽度、工作频率等。

1 钬激光耦合实验设计

由于钬激光波长为2.1μm,水对其吸收系数约为30 cm-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10 mm,激光器谐振腔端面输出的光斑直径约为8 mm左右。因此选择直径20 mm、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200,400,600,800μm)作为激光的传输介质,要将激光脉冲高效率地耦合进光纤,关键是调节光纤端面与凸镜焦点重合。具体耦合步骤可以分为四步:第一步,取一薄刀片,让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,光纤端面相对于透镜的距离可通过光纤固定在二维调节器的水平位置进行调节,实现光纤端面位于透镜焦平面上。第三步,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。第四步,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,相纸碳化最严重,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。相纸上光斑如下图1所示。

图1 600μm芯径光纤耦合后激光光斑图

2 钬激光主要参数测试实验设计

激光脉冲主要性能参数包括波长、能量、功率、重复频率、脉冲宽度等,由于激光波长2.1μm固定且不可调谐,所以本实验设计未测量激光波长,实际上采用波长计即可测量激光波长。本实验设计主要测量激光能量/功率、重复频率、脉冲宽度。

2.1 激光能量/功率测试

测试激光的能量/功率的实验装置如图2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2 cm,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(NOVA II)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,也可以使用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Origin 8.0软件对保存的数据文件进行必要的处理。图3为泵浦电压1 000V、电源脉宽1.4ms、测量时间为10 s时的实验结果图。

图2 激光能量/功率测量实验装置图

图3表明激光器初始输出脉冲能量较大,第10 s时探测到的瞬时能量为426.0 mJ,10 s内测得平均能量为437.8mJ,最大能量值为452mJ,最小能量值为420mJ,能量标准偏差为9.343mJ,能量波动为2.13%,可视为恒定输出;探测到的激光频率为5 Hz。

图3 激光脉冲能量与时间关系(10 s内)

2.2 激光脉冲宽度的测试

测量激光脉冲宽度前首先要选择恰当的光电探测器,对于自由运转的钬激光器而言,其输出的激光脉冲宽度通常约为几百个μs,波长约为2.1 μm,所以使用的光电探测器响应时间应该足够短(至少远小于激光脉冲宽度)、探测光谱范围包含2.1μm、损伤阈值尽可能大,实验测试时选用了高响应的红外光电探测器(PV-3,波兰Vigo公司,响应时间τ<15 ns)。为了避免激光直接作用光电探测器敏感端面致使探测器损伤,所探测光信号来自激光打在铁板上的部分反射光,光探测器将部分反射光转变为电信号后输入示波器记录脉冲波形,实验装置如图4所示,红色箭头指向代表激光出射方向。

图4 激光脉冲宽度测试装置图

图5为示波器记录的泵浦电压1 000 V、电源脉宽1.0ms、频率5 Hz条件下激光脉冲波形形貌图。对于通常的激光脉冲宽度均指半高宽,所以在示波器屏幕上移动光标分别至上升沿和下降沿约一半高度时,测量出a光标和b光标对应时间差值为616μs。可见单个脉冲波形呈现矩形形状,但脉冲包络并不平坦且有高低起伏,甚至包含有多个μs级脉冲宽度的“毛刺”短脉冲。

图5 1m s泵浦脉宽条件下钬激光脉宽波形(616μs)

3 结 论

为了提高光电子科学与技术及光信息处理专业学生的激光技术水平,将激光原理与实验相结合,并在实验中进行了激光耦合进光纤的实验,采用相关的实验设备测试了激光的能量、脉冲宽度及工作频率参数。该实验用在实际的实验教学中时,学生首次见到了书本上描述的激光器,体验了测试激光参数的流程,在教学上有助于学生加深对激光理论的理解,促进理论与实验的完美结合。本实验进程中学生将分析激光耦合过程中的经验与教训,在总结失败经验的基础上顺利完成激光高效率的耦合输出,间接提高学生分析问题与解决问题的能力,促进了学生不同程度创新意识的培养。

[1] Maiman T.H.Stimulated Optical Radiation in Ruby [J].Nature,1960,187:493-494.

[2] 潘志方,邓献.光谱诊断技术在现代医学中的应用[J].大学物理实验,2007,20(3):47-51.

[3] 周炳琨,高以智,陈家骅,等.激光原理[M].北京:国防工业出版社,1995.

[4] 田金荣,王丽,宋晏蓉.基于钛蓝宝石激光器的新教学实验设计[J].大学物理实验,2013,26(4):8-10.

[5] 王元章,王传坤,张星.测量光波波长的实验研究[J].大学物理实验,2014,27(3):50-52.

[6] 王仁洲,杨涛.一种用激光干涉测量光波波长的新方法[J].大学物理实验,2014,27(6):41-43.

Teaching Experiment Design of Laser Pulse Couplingand Laser Parameter M easuring

LV Tao
(China University of Geosciences,HubeiWuhan 430074)

Output holmium laser pulses are coupled into big diameter fiber by means of CaF2lens.Laser parameters such as energy,pulse duration,frequency aremeasured.That this experiment is used to teach practically will arouse great enthusiasm,enhance the comprehension of laser principles and application,increase the manual operation ability of the students.

infrared laser;laser coupling;parametermeasuring

O 437

A

DOI:10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.005.013

1007-2934(2015)05-0042-03

2015-04-17

中国地质大学(武汉)教学研究项目