准连续操作2.94μmer：YAG MIR-PAC激光器

可以操作Sheaumann的二极管激光泵浦2.94μmER：YAG miR-PAC激光产品^1,2在准连续波（QCW）脉冲操作模式中。该模式通常被称为正常模式或长脉冲操作，并且涉及激光器与脉冲持续时间一起操作，该脉冲持续性对于激光器具有足够的长度来达到其稳态操作条件。本文探讨了这种有用的操作模式的特征。

在它的连续运行模式MIR-Pac激光已被指定为0.75W在TEM中的输出功率下的操作₀₀模式梁(M²<1.2）具有17 mrad的典型光束分歧。虽然这是在0.75 W的输出功率的指定，激光通常是能够在输出功率为1W的量级（图1）上具有最大泵浦激光器连续驱动电流额定值6 A的操作

图1所示。输出功率与驱动器电流性能的2.94-μmmiR-pac激光器。图片来源:Sheaumann激光公司

使用二极管激光光学泵浦MIR-PAC激光器。该二极管激光器可以使用适当的驱动电流波形连续地脉冲或操作。使用具有上升时间<10μs的矩形电流脉冲驱动二极管激光器意味着相应的光学泵脉冲可以有效地产生超过激光阈值的群体反演。

达到激光阈值所需的有限构建时间导致初始群体反转密度大于阈值反转密度，当时激光开始。随后过量增益导致产生短的激光脉冲，耗尽人口反转。这个过程重复了几次。

这些初始激光脉冲通常称为增益切换。增益切换脉冲的产生迅速产生通常称为弛豫振荡的阻尼强度振荡。然后，随着强度达到稳态值（图2和图3）停止。

图2。准连续MIR-PAC激光输出（下部迹线）和驱动器0的电流波形（上迹线）至10 A，在100Hz的重复率2毫秒持续时间的电流脉冲。图片来源:Sheaumann激光公司

图3。QCW MiR-PAC激光输出（下迹线）和驱动电流波形（上部迹线）对应于图2的前0.5毫秒。图像信用：Sheaumann Laser，Inc。

一旦光泵浦脉冲完成，大多数激光器将关闭，强度单调下降。然而，MIR-Pac激光器通过发射一系列衰减的弛豫振荡而关闭(图4)。这些振荡与QCW激光脉冲开始时的振荡类型相同，因为增益介质Er:YAG独特的泵浦动力学而发生。^3,4.

图4。QCW MIR-Pac激光输出(下道)和驱动电流波形(上道)显示激光脉冲结束时的弛豫振荡衰减。图片来源:Sheaumann激光公司

图5显示了一系列泵送动态。这里，6.4 ms寿命的较低激光水平（⁴我_13/2）远远超过上激光水平的0.1毫秒寿命，（⁴我_11／2）。这将导致自饱和，如果不是从较低激光水平的强度上升，它会耗尽其群体，同时提供大于Unity量子效率。

当激光关闭时，可以看到具有上升过程的一个问题。在这种情况下，⁴我_11／2在泵脉冲终止后继续填充水平，从而产生一系列衰减的松弛振荡，类似于激光脉冲开始时的衰减振荡振荡。图5说明了ER中的能量水平动态：yag发生。

图5。Er:YAG的能级图显示了泵浦吸收和激光跃迁。从较低的激光能级4I13/2上转换，提供了比单位量子效率更高的效率。图片来源:Sheaumann激光公司

松弛振荡阻尼时间（τ₀)的理想四能级激光器⁵是由

在这里，上激光能级(τ)的特征寿命通过阈值处的粒子反转密度与增益介质抽运区域的活性离子位点总数的比值来修正，N_thN_t，光泵浦速率超过激光阈值的次数，W_pW_p，th．

可以清楚地看到，抽吸力度越大，松弛振荡阻尼时间越短，对于miR-PAC 2.94-μmer：YAG激光尽管其能级动态不与理想的四电平激光器相同。

在主泵送脉冲之前泵送MIR-Pac激光器低于其激光阈值将缩短弛豫阻尼时间，几乎完全消除了累积时间延迟(图6)。对于MIR-Pac激光器的QCW工作，最理想的脉冲驱动电流是由设置为连续激光阈值的80%(一般为2a)的连续偏置电流和较大的脉冲驱动电流组成的。

图6。QCW miR-PAC激光输出（下迹线）和驱动电流波形（上部迹线），用于以100Hz重复率为100 Hz重复率的2 A至10A，2-MS持续时间电流脉冲。图片来源:Sheaumann激光公司

峰值驱动电流可以高达二极管泵浦激光器的最大允许驱动电流15a，附加的限制是占空比修正后的MIR-Pac激光器平均输出功率不高于设备测试数据表中规定的指定的最大工作功率。

最终，MIR-PAC激光的脉冲峰值功率能力受到与连续操作中相同的热断裂机制的限制。对于目前的产品，这在0.75W时指定，具有高达1W的典型最大操作功率（图1）。

因此，在7.5W W的重复率为10％-1ms脉冲处的占空比的相应推荐的峰值功率限制为10％-1 ms脉冲的占空比。

在实践中，标准MiR-PAC激光产品中的泵二极管激光器在实践中限于15A的最大驱动电流。这对应于在2.94μm处接近4W的峰值功率。

图7和8示出了在10个峰值驱动电流下QCW操作中最高为2.5 W峰值功率的数据。这是在产生高达600Hz的脉冲重复率的毫秒调节脉冲的同时发生，相应的脉冲能量高达约为〜5 mj（200 Hz的2 ms脉冲）。

图7。QCW激光器在固定的100hz脉冲重复频率下的性能为8a驱动电流脉冲叠加在2a连续偏置电流上。图片来源:Sheaumann激光公司

图8。QCW激光器在固定脉冲持续时间为0.5 ms的情况下，驱动电流为8a的脉冲叠加在2a连续偏置电流上。图片来源:Sheaumann激光公司

这里，平均功率限制仅以50％的占空比达到，脉冲峰值高达2W。这些实施例中的相应脉冲能量为1 kHz。

用户必须小心确保用于向MIR-Pac激光器传递脉冲或连续驱动电流的任何电子器件不包括任何正或负开关瞬态，超过其内部泵浦二极管激光器的安全操作限制。不可能安全地对激光施加负电压-连续的或脉冲的。此外，正驱动电流-连续或脉冲-不应超过15 A。

根据脉冲调制格式的特定占空比，QCW操作下的MiR-PAC激光器的平均热负荷可能相当小于连续操作时的热负荷。因此，泵二极管激光器工作波长将从最佳泵浦波长漂移。

在QCW操作下，用户可能需要改变温度设定点MIR-Pac激光器的泵浦二极管激光器以获得其特定脉冲调制格式的最大平均和峰值输出功率。

虽然使用短持续时间的泵浦脉冲可以隔离在松弛振荡开始时发现的第一个增益开关激光脉冲，但这种方法并不被认为是产生短持续时间输出脉冲的可靠方法。

第一增益开关激光脉冲的构建时间和下一个脉冲对驱动激光过程的自发排放条件的固定脉冲持续时间非常敏感。因此，第一和第二增益切换激光脉冲的时序抖动是在它们之间的时间间隔的顺序。

这些情况下的净导致是一种或偶尔甚至是两个脉冲的产生，具有数百纳秒的时序抖动。

参考

1. http://www.sheaumann.com.
2. D. Chen等，“二极管泵浦1-W连续波ER：YAG 3-μm激光器”。Lett。，24,385，（1999）。
3. R.C.Stoneman和L. Estrowitz，“高效谐振泵浦2.8-μmer^3＋：GSGG激光，“选择。Lett。，17,816，（1992）。
4. S. Georgescu和O. Toma，“Er:YAG三微米激光:性能和限制”，IEEE。选取。上面。量化。电子。，11，682, (2005).
5. J.J.Zayhowski，D. Welford and J. Harrison，“微型固态激光器”第10章，光子学手册，第二版，CRC推出，2007年。

致谢

由来自Sheaumann L亚博网站下载aser，Inc。的Gary Sousa和Josh Foster撰写的材料制作

这些信息已采购，从Sheaumann Laser，Inc。提供的材料进行审核和调整亚博网站下载

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