基于频率补偿的窄脉冲量子级联激光器快速驱动技术

脉冲量子级联激光器(QCL)因自热效应会导致谱线展宽,故需极短的电流脉冲驱动。理论极限线宽所需的脉宽为5~15 ns,但由于环路寄生参数的影响,窄脉冲会引起信号过冲或振荡,因此目前商用的QCL驱动器无法满足这个要求。为获得更理想的激光器线宽,在常规脉冲恒流电路的基础上,采用频率补偿的方法来消除过冲和振荡,并设计了一款稳定的纳秒级激光器驱动电路。实验结果显示该驱动装置实现了峰值电流0~2 A、脉宽8.4~200 ns、上升时间4 ns、过冲1%的脉冲电流输出。使用中国科学院半导体研究所研制的波长4.6m激光器和傅里叶变换光谱仪进行测试,当驱动脉宽由100 ns减小到10 ns时,激光器线宽由0.35 cm-1线性递减到0.12 cm-1。综合验证表明,所设计的驱动装置实现了稳定的窄脉冲电流输出,尤其适用于量子级联激光器的窄线宽驱动及应用。     

高重复率窄脉宽Nd:YVO4板条激光器

部分端面抽运的混合腔板条激光器是一种新型的全固态激光器,采用这种结构,实现了高重复率调Q运转.在脉冲抽运情况下,1 kHz运转时,得到脉宽4.6 ns,单脉冲能量4.5 mJ的激光输出.在连续抽运调Q输出情况下,5 kHz高重复率运转时,获得了脉宽6 ns,单脉冲能量3.1 mJ的脉冲序列输出,平均功率超过15 W;当重复率高达25 kHz时,得到脉宽9.5 ns,单脉冲能量1.2 mJ的激光输出,平均功率达30 W.实验结果表明,输出水平还有很大的提升空间.     

高重复率窄脉宽Nd∶YVO_4板条激光器

部分端面抽运的混合腔板条激光器是一种新型的全固态激光器,采用这种结构,实现了高重复率调Q运转。在脉冲抽运情况下,1kHz运转时,得到脉宽4.6ns,单脉冲能量4.5mJ的激光输出。在连续抽运调Q输出情况下,5kHz高重复率运转时,获得了脉宽6ns,单脉冲能量3.1mJ的脉冲序列输出,平均功率超过15W;当重复率高达25kHz时,得到脉宽9.5ns,单脉冲能量1.2mJ的激光输出,平均功率达30W。实验结果表明,输出水平还有很大的提升空间。     

利用时空变换获得超短激光脉冲

由LD抽运Nd-YLF固体激光器输出的单纵模调Q激光脉冲，脉宽约为85ns，经过快速LiNbO3电光偏转器实现时空变换，用狭缝削取脉宽约为1ns的超短激光脉冲。导出激光束通过偏转器后扫描光线长度与加到偏转器上的快速电压脉冲变化率关系，并在实验中分别用MOS管和雪崩管高压电脉冲发生器取代价格昂贵的冷阴极管高压电脉冲发生器，获得激光脉冲宽度压缩约两个量级，且实现激光脉冲宽度可调。     

采用小孔等离子体开关实现TE CO2激光窄脉冲整形

典型的TE CO2激光脉冲,通常由高功率窄脉冲（100 ns）和低功率长拖尾部分（3~5 s）组成。采用一种简单的小孔等离子体开关技术可以实现对低功率长拖尾部分的有效吸收和散射,保留需要的高功率窄脉冲前沿部分,达到激光脉冲压缩和整形目的。详细研究了小孔位于不同离焦距离时整形激光脉冲波形的变化,获得了整形激光脉宽、能量与离焦距离的变化关系,实现了50~110 ns的窄脉冲CO2激光输出。进一步研究发现,小孔等离子体开关的使用寿命主要由激光脉冲能量、重复频率、整形脉冲宽度决定。通过该技术实现的窄脉冲CO2激光可以用于极紫外光刻等离子体光源、激光雷达等领域的研究。     

10ns～500ns宽度连续可调的快速光脉冲发生器

脉宽可调的脉冲发生器常用于精密检测。本文阐述了一种运用叠加原理设计的脉冲宽度从10ns到500ns连续可调的快速光脉冲发生器。在驱动电路中应用了脉冲叠加原理。     

高重频激光地面足印探测器峰检电路的设计

设计了一款两级峰值检测电路,实现对上升沿为3 ns、脉宽为5 ns、下降沿为3 ns、重频为10 kHz的脉冲信号的峰值检测与保持,利用STM32单片机的模数转换器完成电压信号采集。给出以APD为光电探测器件的地面探测器系统的基本结构框图,利用探测器系统中的放大电路模块使接收激光脉冲宽度从1 ns展宽至5 ns,搭配峰值检测电路模块实现窄脉宽、高重频激光信号的检测与数据记录。利用信号源完成峰值检测电路部分的功能测试,使用重频为1 kHz、脉宽约为1 ns的激光器完成探测器系统整体的功能测试,实验证明此系统可以较好地检测并记录该激光信号的峰值。     

高能量MOPA脉宽可调激光器

利用MOPA激光种子源,结合氙灯泵浦行波放大方法研制了高能量脉宽可调1 064 nm波段激光器。激光器采用电调制脉宽方式控制MOPA光纤激光器脉冲信号的输出,在保证高光束质量的前提下,实现了脉宽8.6~220.9 ns可调的1 064 nm种子激光输出。选用双通放大级设计,利用氙灯泵浦Nd:YAG晶体实现五级行波放大,分析讨论了抑制自激振荡方法和行波放大过程中脉宽变窄的原因。当氙灯注入能量为60 J,重复频率10 Hz时,实现了脉宽调范围为4.2~173.3 ns的稳定1 064 nm激光输出,单脉冲能量最高可达158 mJ。     

高重频可调小型高功率半导体激光电源研究

为了获得高功率、高重频半导体激光脉冲,设计了一种体积小、重量轻、造价低的纳米级大功率半导体激光器驱动电源。采用改进的单稳态触发器产生窄脉冲,经放大后驱动快速开关MOSFET获得大电流窄脉冲;电源脉冲电流驱动能力0A～80A,脉冲上升时间2.8ns,下降时间3.8ns,脉冲宽度5ns～500ns范围内可调,最小5.2ns,重复频率可达200kHz。用该电源实验测试了激光波长为905nm的半导体激光器,在重复频率为10kHz时,激光脉冲峰值功率达到70W以上。结果表明,采用窄脉冲驱动MOSFET可以得到高重复频率10ns以内的大电流窄脉冲,可以驱动大功率半导体激光器,若驱动100A以上的激光器需进一步研究。     

1064nm激光诱导等离子体开关控制355nm脉宽可调输出

为得到脉宽可控的355nm紫外脉冲激光输出,采用1064nm脉冲激光诱导等离子体开关技术,控制355nm激光脉冲宽度,在激光电离Cu小孔内壁表面及空气击穿共同作用下,获得了2.8ns～10ns的脉宽可调输出.讨论了1064nm单脉冲输出能量对脉宽压缩的影响,在无延时情况下得到了脉宽最短达2.8ns的脉冲激光输出.在此基础上,保持1064nm单脉冲输出能量不变,采用延时装置改变两光路间的光程差,以控制等离子体开关相对于355nm激光脉冲的形成时间,最终得到脉宽可调的脉冲激光输出.结果表明,等离子体开关结构简单、操作方便、适用范围广,是一种较好的脉冲整形手段.     

High Efficient, Intense and Compact Pulsed D2O Terahertz Laser Pumped With a TEA CO2 Laser

A high efficient, intense and compact pulsed D₂O terahertz laser is presented, which is pumped by a multi-transverse mode TEA CO₂ laser. For D₂O gas as the active medium, with the cavity length of 120 cm, pulse energy of the THz laser has been investigated as the variation of pump energy and gas pressure. When the pump energy was 1.41 J, the maximum single pulse energy of 6.2 mJ was achieved at the wavelength of 385 μm. Photon conversion efficiency as high as 36.5% was obtained when laser operated at the maximum output energy. As the pump energy was raised from 0.57 to 1.41 J, the optimum pressure was slightly changed from 400 to 700 Pa. The THz pulse consisted of a spike pulse with pulse width of 120 ns and a tail pulse with pulse width of about 170 ns. The peak power of the spike pulse is about 44.3 kW. Comparing with the occurring time and pulse width of pump pulse, 70 ns delay and 10ns broadening were observed in the THz spike pulse.     

脉宽及重频对HgCdTe探测器损伤阈值影响分析

为了研究脉宽及重频对HgCdTe探测器损伤阈值影响,采用有限元法对HgCdTe红外探测器进行2维建模,以及激光辐照探测器温度场的仿真,得到了波段内外脉宽从10ns~1000ns的单脉冲激光损伤阈值。由于采用实验测定所有脉宽激光损伤阈值的办法不现实,故通过仿真计算,给出了从ns~μs量级不同激光脉宽的单脉冲探测器损伤阈值公式。结果表明,波段外单脉冲损伤阈值为9MW/cm2~0.9MW/cm2,波段内为150MW/cm2~15MW/cm2,并且探测器单脉冲损伤阈值与激光脉冲宽度呈负指数关系;当采用重频激光辐照探测器时,在相同的重复频率下,因长脉冲激光比窄脉冲宽激的脉冲间隔小,故长脉冲激光辐照时更容易出现温度积累效应,从而出现大面积损伤。这为进一步研究探测器的热应力场热弹性波和激光防护等提供了重要的理论分析依据。     

布里渊传感系统中超高速方波脉冲源的设计

为了解决布里渊传感器技术中缺少超高速方波脉冲源的实际情况,实现总线较小的码间串扰及高速发送器通道较好的信号完整性,采用对系统中的敏感信号线进行串扰分析、建模及电磁场仿真分析并在此基础上进行制版测试的方法,提出了一种基于现场可编程门阵列器件的超高速脉冲源的设计方案,并进行了理论分析和实验验证。通过宽带示波器对实际板路的测量,取得了脉冲信号不同脉宽的时域波形及眼图数据。结果表明,输出脉冲的最小脉宽1ns,最大幅度1.0V,上升/下降时间均小于300ps,脉冲宽度在1ns~5ns间可调,重复频率在1kHz~10kHz间可调。这一结果对超高速脉冲源的设计理论的完善是有帮助的。     

高能量1 ns Nd:YAG激光器系统

为了实现高能量、窄脉宽的输出,设计了一种半导体端面泵浦Nd:YVO4的主振荡器与功率放大器(MOPA)结构的Nd:YAG激光器。半导体端面泵浦布儒斯特切角Nd:YVO4晶体调Q主振荡器,获得了单脉冲能量0.16mJ,重复频率5Hz,脉冲宽度0.964ns的种子激光输出。通过使用光隔离器和端面切角的Nd:YAG晶体,避免了Nd:YAG双通预放大器的ASE效应,获得了单脉冲能量88mJ,脉宽0.972ns的激光输出。通过空间滤波器后,两级主放大器单通放大后,最终获得了单脉冲能量大于3.25J,脉宽1.051ns,M2为1.9,不稳定度小于±3%ns激光放大输出。     

用于紫外激光脉冲电光开关的驱动脉冲源

利用雪崩晶体管作为高速开关器件、根据并联充电、串联放电原理设计了一种串并联相结合的MARX电路,以该电路为基础设计了一种低抖动高压脉冲驱动源,并将其应用于紫外激光脉冲的电光开关削波系统。通过同步调节器调节高压驱动脉冲和激光电光系统的时间匹配度,获得了驱动电脉冲与电光开关耦合的最佳工作状态;对匹配过程中的电光开关工作状态以及激光脉冲压缩过程进行了分析和研究,当高压驱动电脉冲幅度为2 690 V,脉宽为7.9 ns时,可以将脉宽为7.1 ns的紫外激光脉冲压缩至2.1 ns,KDP晶体的透光率达到了92.2%,电光开关的效率达到了31.7%。     

纳秒脉冲宽度对介质阻挡放电图像对比度的影响

采用4．7、7．6和10．6ns 3种不同宽度的高压脉冲,对硬币进行了介质阻挡放电照相（DBDP）。结果表明,介质阻挡放电图像的对比度明显与脉冲宽度有关,脉冲宽度越窄,图像的对比度越高;反之,脉冲宽度越宽,图像对比度越差。对DBDP的分析表明,外电压施加在硬币上后,与放电电流脉冲对应的时间滞后与放电间隙有关。采用放电时间滞后的观点,就纳秒脉冲宽度对介质阻挡放电图像对比度的影响进行了合理的解释。     

外腔式KTP光学参量振荡器的实验研究

利用脉冲氙灯抽运的Nd：YAG被动调Q激光器输出的1．06μm激光脉冲泵浦KTP光学参量振荡器,获得脉宽3ns、单脉冲能量30mJ、中心波长1568nm的信号光输出。信号光脉冲宽度（3ns）比抽运光脉冲宽度（12ns）4,得多。实验表明,随着OPO腔长的增加单脉冲输出能量减小,随着抽运光能晕的增加单脉冲输出．能晕增大,...     

光纤受激布里渊散射的光信号特性分析

为了研究抽运光的脉冲宽度对布里渊散射光的影响,对光纤传感系统中基于受激布里渊散射的三波耦合方程进行了分析,采用频域分析和一种微扰近似理论推导了散射光的近似表达式,然后通过数值计算分析了散射光随着脉冲宽度的变化规律。结果表明,在宽度接近于20ns(声子寿命)的脉冲下,散射谱出现多波峰结构;当宽度越来越接近于40ns时,主波峰逐渐增大,次波峰逐渐减小;当采用的脉冲宽度远远大于声子寿命时,散射谱只出现一个波峰并且维持一个波峰不变。此研究为传感中选取合适的脉冲宽度提供了参考。     

改进的YAG对撞增强型相位共轭腔研究

报道了在YAG激光器上运行一种改进对撞增强型YAG受激布里渊散射(SBS)相位共轭激光腔(改进型对撞腔)的输出特性。与未改进型撞腔相比,改进型对撞腔最高能输出150mJ的能量,输出脉宽最窄为11ns,光束发散角为1．1mrad;同等条件下,改进型对撞腔输出能量约提高了约40％,脉冲压窄了约10ns,发散角减小0．1mrad。     

Study of Lasing Action in a Pulsed Optically Pumped D<Subscript>2</Subscript>O Gas Terahertz Laser

A modified three-level laser kinetics model for a pulsed high-power optically pumped gas terahertz laser is introduced and used to model the lasing kinetics process of a gas terahertz laser system. We, for the first time to our knowledge, investigated the time evolution dynamics process of the pump intensity, population distribution among the energy levels, pump and THz signal gain coefficient, and the THz laser intensity within the pulsed D₂O gas THz laser. High-power THz pulse with peak power of about 7.4 kW and pulse width of 145 ns at wavelength of 385 μm were obtained in the simulation, using an incident pump pulse with peak power of 2.2 MW and pulse width of 110 ns. THz pulse delay of 40 ns and pulse broadening of 35 ns were quantitatively analyzed. In addition, the experimental results for the pulse profile, pulse width, pulse broadening, pulse energy, and peak power are in agreement with the theoretical simulation results.