李燕凌，賈 凱,顧憲松，郭嘉偉，高 恒，王 霞

(1.西南技術(shù)物理研究所，成都 610041；2. 北京理工大學(xué) 光電學(xué)院 光電成像技術(shù)與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

25kHz、約2ns聲光調(diào)QNd∶YVO4激光器研究

李燕凌1，賈 凱1,顧憲松2*，郭嘉偉1，高 恒1，王 霞2

(1.西南技術(shù)物理研究所，成都 610041；2. 北京理工大學(xué) 光電學(xué)院 光電成像技術(shù)與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

為了獲得高重頻窄脈沖高光束質(zhì)量激光輸出，采用LD抽運(yùn)Nd∶YVO4晶體聲光調(diào)Q方案，進(jìn)行了相關(guān)理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，振蕩級(jí)獲得了重頻25kHz、單脈沖能量22.4μJ、脈沖寬度2.19ns、光束質(zhì)量因子M2<1.2的種子激光，光光轉(zhuǎn)換效率為24.3%；放大級(jí)獲得了重頻25kHz、單脈沖能量585μJ、脈沖寬度2.26ns、光束質(zhì)量因子M2<1.7的激光輸出，提取效率為15.6%。結(jié)果表明，采用LD抽運(yùn)Nd∶YVO4晶體聲光調(diào)Q方案能夠獲得高重頻、窄脈沖、高光束質(zhì)量激光輸出，其實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與理論計(jì)算結(jié)果較為符合。

激光器；高重頻；窄脈沖；聲光調(diào)Q

引 言

目前，基于蓋革模式雪崩光電二極管(Geiger-mode avalanche photo diode, GM-APD)面陣探測(cè)器組件的非掃描式激光主動(dòng)成像雷達(dá)是國(guó)際公認(rèn)的最具發(fā)展?jié)摿Φ?維成像探測(cè)技術(shù)[1]。由于激光主動(dòng)成像雷達(dá)要求具有高的距離分辨率，而成像雷達(dá)的測(cè)距定時(shí)電路集成于APD面陣探測(cè)器組件內(nèi)，受電路集成度影響，要求照射激光脈沖具有窄的脈沖寬度；同時(shí)，基于GM-APD面陣探測(cè)器的非掃描式激光主動(dòng)成像雷達(dá)要求多脈沖累計(jì)成像探測(cè)，因此需要具有高重頻、窄脈沖輸出特性的激光光源[2-3]。由于Nd∶YVO4晶體具有較短的熒光壽命及較大的受激發(fā)射截面，因此特別適合作為高重頻、窄脈沖固體激光器的增益介質(zhì)。

國(guó)內(nèi)外在高重頻、窄脈沖、調(diào)Q固體激光器領(lǐng)域已經(jīng)開(kāi)展了大量研究[4-15]。其中，ZAYHOWSKI和DILL等人于1992年利用電光調(diào)Q實(shí)現(xiàn)了重頻5kHz、脈寬270ps、單脈沖能量6.85μJ激光輸出[4]。1993年，PLAESSMANN和YAMADA等人采用總長(zhǎng)為7mm的諧振腔、3.2mm厚的TeO2聲光開(kāi)關(guān)用于實(shí)現(xiàn)高重頻、窄脈沖激光脈沖輸出[5]。2003年，美國(guó)林肯實(shí)驗(yàn)室基于被動(dòng)調(diào)Q微片固體激光器成功開(kāi)發(fā)了激光主動(dòng)成像系統(tǒng)用的三代高重頻、窄脈沖激光器，其輸出激光指標(biāo)為數(shù)千赫瓦、單脈沖能量數(shù)十微粒、脈沖寬度為亞納秒量級(jí)[6]。2016年，中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所WANG等人報(bào)道了LD端面抽運(yùn)Nd∶YVO4晶體RbTiOPO4(RTP)電光調(diào)Q激光器，在重復(fù)頻率5kHz時(shí)，獲得了脈寬1.0ns、平均功率1.22W的窄脈沖輸出；在重復(fù)頻率20kHz時(shí)，獲得了脈寬2.2ns，平均功率2.67W的調(diào)Q脈沖輸出[7]。

本文中設(shè)計(jì)的高重頻、窄脈沖激光器采用了主振蕩功率放大(master oscillator power amplifier,MOPA)結(jié)構(gòu)。振蕩級(jí)采用半導(dǎo)體激光器(laser diode,LD)端面抽運(yùn)Nd∶YVO4晶體，通過(guò)短腔長(zhǎng)、聲光調(diào)Q方案實(shí)現(xiàn)了具有高光束質(zhì)量的高重頻、窄脈沖種子激光輸出；放大級(jí)采用LD雙端面抽運(yùn)Nd∶YVO4晶體，種子激光單次通過(guò)Nd∶YVO4晶體，最終獲得了重復(fù)頻率25kHz、脈沖寬度2.26ns、平均功率14.6W的激光輸出。

1 高重頻窄脈沖激光器設(shè)計(jì)

1.1 振蕩級(jí)設(shè)計(jì)

由于Nd∶YVO4晶體具有較大的發(fā)射截面，且熒光壽命較短，因此特別適合作為高重頻、窄脈沖固體激光器的增益介質(zhì)。增益介質(zhì)對(duì)抽運(yùn)功率的吸收滿足如下關(guān)系：

式中，P0代表注入抽運(yùn)功率，Pab表示增益介質(zhì)吸收的抽運(yùn)功率，α為吸收系數(shù)，l為增益介質(zhì)吸收長(zhǎng)度。對(duì)于摻雜原子數(shù)分?jǐn)?shù)為0.005的Nd∶YVO4晶體，其吸收系數(shù)約為15.8cm-1@808nm；而對(duì)于、摻雜原子數(shù)分?jǐn)?shù)為0.01的Nd∶YVO4晶體，其吸收系數(shù)約為31.4cm-1@808nm。由此可知，選用長(zhǎng)度為3mm的、摻雜原子數(shù)分?jǐn)?shù)為0.005的Nd∶YVO4晶體或長(zhǎng)度為1.5mm的、摻雜原子數(shù)分?jǐn)?shù)為0.01的Nd∶YVO4晶體，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)抽運(yùn)功率的充分吸收。本文中選用尺寸為3mm×3mm×3mm的、摻雜原子數(shù)分?jǐn)?shù)為0.005的Nd∶YVO4晶體，其好處在于可以使得增益介質(zhì)內(nèi)部抽運(yùn)分布較為均勻，并且增大了散熱面積，有利于激光晶體長(zhǎng)時(shí)間可靠工作。同時(shí)，考慮到端面晶體具有更佳的熱性能，因此，作者設(shè)計(jì)中在Nd∶YVO4晶體后端面鍵合了厚度為1mm的YVO4晶體。

調(diào)Q固體激光器主要通過(guò)短腔長(zhǎng)及高功率密度抽運(yùn)的方式實(shí)現(xiàn)窄脈沖激光輸出。為了縮短諧振腔長(zhǎng)度，在鍵合晶體的前端面鍍HR@1064nm、AR@808nm膜層作為諧振腔腔鏡；為了提高抽運(yùn)光注入功率密度，采用帶尾纖LD端面小口徑抽運(yùn)Nd∶YVO4晶體。同時(shí)，為了獲得高重頻激光輸出，并提高激光脈沖的能量穩(wěn)定性，作者采用主動(dòng)聲光調(diào)Q方案。因此，振蕩級(jí)由808nm帶尾纖LD、抽運(yùn)光束整形系統(tǒng)、鍵合Nd∶YVO4晶體、聲光開(kāi)關(guān)及輸出耦合平面鏡所構(gòu)成，諧振腔光程長(zhǎng)度為35mm，其原理圖如圖1所示。

Nd∶YVO4晶體的1064nm波段可以用四能級(jí)系統(tǒng)描述，其反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度n和腔內(nèi)光子數(shù)φ隨時(shí)間演化的過(guò)程由一組聯(lián)立的微分方程給出[16]：

Fig.1 Sketch of master oscillator

式中，c為光速；σ21為激光發(fā)射頻率處的受激發(fā)射截面；τf為熒光壽命；n0為總摻雜粒子數(shù)密度；ωp為抽運(yùn)速率。假設(shè)抽運(yùn)光在增益介質(zhì)內(nèi)部傳輸時(shí)滿足瑞利長(zhǎng)度條件，則將抽運(yùn)速率在長(zhǎng)度方向求平均，即可得ωp=I0/(hνpn0l)，其中I0為抽運(yùn)功率密度，νp為抽運(yùn)光頻率，h為普朗克常數(shù)，l為增益介質(zhì)吸收長(zhǎng)度，此處即為晶體長(zhǎng)度。tr=2l/c為光在諧振腔內(nèi)傳輸?shù)耐禃r(shí)間；tc=tr/[1+ln(1/R)]為腔內(nèi)光子壽命，其中L為諧振腔固有損耗，R為輸出耦合鏡反射率。由于要進(jìn)行聲光調(diào)制，因此腔內(nèi)損耗還應(yīng)包括聲光開(kāi)關(guān)的衍射損耗，β(t)=β0exp[-(t/t0)2]，其中β0為聲光開(kāi)光衍射效率，t0為渡越時(shí)間。

Fig.2 Pulse waveform with pump intensity of 3500W/cm2

由于聲光開(kāi)光封鎖能力有限，因此利用4階龍格-庫(kù)塔方程求解(2)式，用以模擬聲光開(kāi)關(guān)的封鎖效果。

Fig.3 Pulse waveform with pump intensity of 4000W/cm2

計(jì)算參量為：摻雜原子數(shù)分?jǐn)?shù)為0.005的Nd∶YVO4晶體，其摻雜晶體長(zhǎng)度3mm,諧振腔光程長(zhǎng)35mm，輸出耦合鏡反射率60%@1064nm，聲光開(kāi)關(guān)的衍射效率80%，開(kāi)關(guān)頻率25kHz，渡越時(shí)間20ns。在抽運(yùn)功率密度分別為3500W/cm2和4000W/cm2的情況下，振蕩級(jí)輸出激光的時(shí)間波形如圖2與圖3所示。

對(duì)比圖2和圖3可看出，當(dāng)抽運(yùn)功率密度為3500W/cm2時(shí)，聲光開(kāi)關(guān)在抽運(yùn)儲(chǔ)能環(huán)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)良好的封鎖作用；在激發(fā)階段隨著腔內(nèi)Q值提高，大量反轉(zhuǎn)粒子被快速消耗，形成巨脈沖輸出，此時(shí)脈沖寬度為1.69ns。而當(dāng)抽運(yùn)功率密度增至4000W/cm2時(shí)，聲光開(kāi)關(guān)在抽運(yùn)階段無(wú)法對(duì)諧振腔進(jìn)行有效封鎖，在儲(chǔ)能環(huán)節(jié)便有無(wú)序脈沖輸出；而在激發(fā)階段，由于無(wú)序脈沖串消耗了大量的反轉(zhuǎn)粒子，造成激勵(lì)階段腔內(nèi)光子數(shù)密度接近于0，無(wú)法獲得穩(wěn)定的輸出激光。

由于諧振腔長(zhǎng)度較短，為了獲得高光束質(zhì)量種子激光，要求諧振腔內(nèi)通光口徑較小。因此，在設(shè)計(jì)中作者通過(guò)控制增益介質(zhì)內(nèi)部的抽運(yùn)光斑尺寸從而達(dá)到控制諧振腔通光口徑的目的。由于抽運(yùn)光斑較小，因而增益介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的熱焦距。將圖1中的鍵合晶體M面作為參考面，諧振腔的ABCD方程可近似表示為[17]：

式中，L1表示增益介質(zhì)的光程長(zhǎng)度，L2為諧振腔剩余光程長(zhǎng)度，fth為熱焦距。已知鍵合晶體總長(zhǎng)度為4mm，因此L1≈10mm，L2≈25mm。根據(jù)高斯光束ABCD定律，晶體內(nèi)部基模(TEM00)與拉蓋爾-高斯光束(TEMpl)的束腰半徑由下式給出：

式中，w0代表基模束腰半徑，wpl為拉蓋爾-高斯光束的束腰半徑，p與l代表拉蓋爾-高斯光束的階數(shù)，λ=1.06μm為激光波長(zhǎng)。

圖4中給出了諧振腔第一穩(wěn)區(qū)內(nèi)晶體熱焦距與束腰半徑之間的關(guān)系曲線。從圖中可知，基模束腰半徑在90μm～117μm，TEM01模的束腰半徑在130μm～178μm。將晶體內(nèi)的抽運(yùn)光斑半徑控制在120μm～130μm，可以較好地抑制TEM01模式起振，從而獲得高光束質(zhì)量種子激光。綜上所述，在聲光開(kāi)關(guān)頻率25kHz、衍射效率80%、輸出耦合鏡反射率60%的情況下，為了獲得高光束質(zhì)量的種子激光，抽運(yùn)最大功率不能超過(guò)2W。

Fig.4 Relationship between waist radius and thermal focus length

同時(shí)，作者分析了抽運(yùn)功率2W時(shí)，種子激光脈寬、單脈沖能量與輸出耦合鏡反射率之間的關(guān)系，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

Table 1 Parameters of output coupler reflectivity, pulse width and energy

1.2 放大級(jí)設(shè)計(jì)

考慮到種子激光的脈沖能量較小，其放大過(guò)程屬于小信號(hào)放大，不利于放大級(jí)能量提取。因此，作者仍采用受激發(fā)射截面較大的Nd∶YVO4晶體作為放大級(jí)的增益介質(zhì)。為了獲得較好的放大效果，作者采用長(zhǎng)度較長(zhǎng)的低摻雜Nd∶YVO4晶體，其具體參量為：摻雜原子數(shù)分?jǐn)?shù)為0.003，晶體尺寸為3mm×3mm×20mm。為了減小晶體內(nèi)部的熱應(yīng)力，在晶體兩端分別鍵合厚度為2mm的YVO4。由于采用單程放大方案，其光路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，如圖5所示。808nm帶尾纖LD經(jīng)光束整形后雙端抽運(yùn)Nd∶YVO4晶體，種子激光通過(guò)轉(zhuǎn)折鏡進(jìn)入放大光路，再由另一塊轉(zhuǎn)折鏡輸出；兩塊轉(zhuǎn)折鏡鍍距法線方向45°的AR@808nm、HR@1064nm膜層。

Fig.5 Sketch of power amplifier

激光放大過(guò)程可由Franz-Nodvik方程描述[18]：

式中，Eout為輸出能量通量，Ein為種子脈沖能量通量，Es為飽和能量通量，M=1為放大次數(shù)，N0,NTS,NTE分別為對(duì)長(zhǎng)度積分的初始反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度、脈沖放大前的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度和脈沖放大后的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度，f為重復(fù)頻率，σ為受激吸收截面。

作者計(jì)算了抽運(yùn)功率分別為70W、90W對(duì)應(yīng)不同抽運(yùn)光斑面積下，放大激光的單脈沖能量，如圖6所示。種子激光參量為：重復(fù)頻率25kHz，單脈沖能量35μJ。在計(jì)算過(guò)程中，作者假定種子脈沖光斑與抽運(yùn)光斑完全重合。

Fig.6 Relationship between amplified pulse energy and pump redius

圖6中可以看出，要獲得較大的提取效率，抽運(yùn)光斑半徑應(yīng)考慮在0.3mm附近選取。當(dāng)抽運(yùn)總功率為90W、抽運(yùn)光斑半徑為0.3mm時(shí)，此時(shí)放大后的單脈沖能量達(dá)到了0.86mJ，平均功率為21.5W，能量提取效率為23.9%；而當(dāng)抽運(yùn)光斑半徑持續(xù)增大時(shí)，輸出脈沖能量不斷減小，這是由于抽運(yùn)功率太過(guò)分散，導(dǎo)致放大級(jí)增益較小。

2 實(shí)驗(yàn)研究

按照前面的設(shè)計(jì)參量，作者搭建了高重頻窄脈沖Nd∶YVO4調(diào)Q激光器，如圖7所示。其中，聲光開(kāi)關(guān)選用了衍射效率85%、厚度7mm的TeO2微型聲光開(kāi)關(guān)，這樣便將諧振腔的光程長(zhǎng)度控制在了35mm之內(nèi)；抽運(yùn)模塊選用了JENOPTIK公司的808nm帶尾纖LD，其中振蕩級(jí)LD芯徑200μm，數(shù)值孔徑為0.22；放大級(jí)LD芯徑400μm，數(shù)值孔徑為0.22，額定功率為45W；輸出耦合鏡反射率為60%@1064nm。

Fig.7 Picture of Nd∶YVO4Q-switched lasera—master oscillator b—power amplifier

圖7a中的器件從左至右分別為L(zhǎng)D抽運(yùn)模塊、抽運(yùn)光束整形系統(tǒng)、鍵合YVO4/Nd∶YVO4晶體、輸出耦合鏡及種子激光耦合系統(tǒng)。通過(guò)一對(duì)等效焦距分別為9mm和12mm的透鏡組將抽運(yùn)光斑耦合入鍵合晶體，在抽運(yùn)功率2.3W的情況下，聲光晶體能夠?qū)崿F(xiàn)有效封鎖，最終獲得了重復(fù)頻率25kHz、單脈沖能量22.4μJ、脈沖寬度2.19ns、光束質(zhì)量因子M2<1.2的基模種子激光輸出，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

Fig.8 Measurement of master oscillator

從振蕩級(jí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，最大抽運(yùn)注入功率超過(guò)了理論值。作者認(rèn)為造成這種現(xiàn)象的原因是：(1)實(shí)驗(yàn)中選用的聲光開(kāi)關(guān)衍射效率為85%，大于計(jì)算設(shè)定值；(2)整形后增益介質(zhì)內(nèi)抽運(yùn)光斑半徑大于130μm，導(dǎo)致抽運(yùn)功率密度降低，因此可注入更大的抽運(yùn)功率。而獲得的脈沖寬度實(shí)驗(yàn)值比計(jì)算值要大，作者認(rèn)為這是由于抽運(yùn)功率密度降低及聲光開(kāi)關(guān)渡越時(shí)間等諸多因素共同決定的。

在放大級(jí)實(shí)驗(yàn)中，作者采用了兩套帶尾纖LD雙端抽運(yùn)，總抽運(yùn)功率為90W，通過(guò)抽運(yùn)光束整形系統(tǒng)使其在增益介質(zhì)內(nèi)的光斑半徑為300μm。實(shí)驗(yàn)中獲得了重復(fù)頻率25kHz、單脈沖能量585μJ、脈沖寬度2.26ns、光束質(zhì)量因子M2<1.7的激光輸出，測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

Fig.9 Measurement of power amplifier

從放大級(jí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，放大后輸出激光的單脈沖能量低于理論值。這是由于注入種子激光的單脈沖能量較低，導(dǎo)致其在放大光路中消耗反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的能力較弱，因此其對(duì)抽運(yùn)功率的提取效率較低。同時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)中種子激光能量較小，因而其放大倍率應(yīng)大于理論放大倍率，這與作者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。

3 結(jié) 論

本文中設(shè)計(jì)并搭建了高重頻窄脈沖Nd∶YVO4聲光調(diào)Q激光器。通過(guò)短腔長(zhǎng)、高功率密度端面抽運(yùn)的方式獲得高光束質(zhì)量窄脈沖種子激光，進(jìn)而通過(guò)單程放大的方式獲得較高平均功率激光輸出。在出光實(shí)驗(yàn)中，振蕩級(jí)獲得了重頻25kHz、單脈沖能量22.4μJ、脈沖寬度2.19ns、光束質(zhì)量因子M2<1.2的種子激光，光光轉(zhuǎn)換效率為24.3%；放大級(jí)獲得了重頻25kHz、單脈沖能量585μJ、脈沖寬度2.26ns、光束質(zhì)量因子M2<1.7的激光輸出，提取效率為15.6%。由于放大級(jí)抽運(yùn)功率較大及散熱均勻性等原因，導(dǎo)致輸出激光光束質(zhì)量的惡化，下一步將開(kāi)展提高放大級(jí)提取效率及優(yōu)化光束質(zhì)量等方面的研究。

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Studyonanacousto-opticalQ-switchedNd∶YVO4laserwith25kHzrepetitionrateandabout2nspulseduration

LIYanling1,JIAKai1,GUXiansong2,GUOJiawei1,GAOHeng1,WANGXia2

(1.Southwest Institute of Technical Physics, Chengdu 610041, China; 2.Key Laboratory of Photo Electronic Imaging Technology and System, School of Optoelectronics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

In order to achieve laser output with high repetition rate, short pulse duration and high beam quality, a LD pumped acousto-opticallyQ-switched Nd∶YVO4solid-state laser was designed and set up. In the lasing experiments, the seed laser with an excellent beam quality was obtained from the master oscillator. The parameters of the seed laser are 25kHz repetition, 22.4μJ pulse energy, 2.19ns pulse duration, 24.3% optical-to-optical conversion. efficiency andM2<1.2. The output laser from the power amplifier is with 25kHz repetition, 585μJ pulse energy, 2.26ns pulse duration, 15.6% extraction efficiency andM2<1.7. The result shows that laser output with high repetition rate, short pulse duration and high beam quality could be achieved by LD pumped acousto-opticallyQ-switched Nd∶YVO4lasers and the experimental results are almost in accordance with the theoretical calculation results.

lasers; high repetition; short pulse; acousto-opticallyQ-switched

1001-3806(2018)01-0034-05

李燕凌(1981-)，男，碩士，高級(jí)工程師，現(xiàn)主要從事高重頻固體激光器的研究。

*通訊聯(lián)系人。 E-mail:emperorgxs@sina.com

2017-03-09；

2017-04-01

TN248.1

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2018.01.007