崔建豐，岱 欽，鄔小嬌，李福玖，李業(yè)秋，烏日娜,楊 帆

(1．沈陽理工大學(xué) 理學(xué)院，遼寧 沈陽 110159；2．鞍山紫玉激光科技有限公司，遼寧 鞍山 114044)

1 引言

高重頻調(diào)Q固體激光器在激光測(cè)距、激光雷達(dá)探測(cè)、激光通信和工業(yè)加工諸多領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用[1-4]。固體激光器重復(fù)頻率越高意味著單個(gè)調(diào)Q脈沖所能獲得的增益越小[5]，隨著脈沖重復(fù)頻率的提高，調(diào)Q激光器的脈寬通常會(huì)明顯變寬。雖然利用短諧振腔可以產(chǎn)生納秒級(jí)甚至亞納秒級(jí)的短脈沖，但需要激光晶體上的基橫模光斑和泵浦光斑都很小，限制了泵浦功率，所以這種短脈沖調(diào)Q激光器的輸出功率相對(duì)較低[6]。

相比于Nd∶YAG晶體，Nd∶YVO4激光晶體受激輻射截面大，泵浦帶寬寬，其激光性能更能適應(yīng)二極管的溫度變化。在LD端面泵浦結(jié)構(gòu)中，吸收系數(shù)和增益都很高的Nd∶YVO4晶體具有很大優(yōu)勢(shì)，然而，在端面泵浦的系統(tǒng)中，泵浦光束通常是高度聚焦的，很難在超過幾毫米的距離內(nèi)維持小的束腰，因此限制了Nd∶YVO4激光的功率發(fā)展。另外，Nd∶YVO4較難獲得側(cè)面泵浦所需尺寸的高質(zhì)量晶體，若Nd∶YVO4晶體大尺寸限制得到解決，并進(jìn)一步改進(jìn)晶體的生長(zhǎng)過程，就可以獲得高性能的激光輸出[7]。

在以前的報(bào)道中，Nd∶YVO4激光器多為端面泵浦形式，采用側(cè)面泵浦鮮有報(bào)道。2011年，Li等報(bào)道了采用二極管端面泵浦Nd∶YVO4，實(shí)現(xiàn)了被動(dòng)鎖模激光器，在泵浦功率為19.9W 時(shí)，獲得穩(wěn)定鎖模輸出功率7.8 W[8]。2014年，李玉瑤等報(bào)道了LD端面泵浦Nd∶YVO4晶體腔內(nèi)倍頻和腔外和頻相結(jié)合的聲光調(diào)Q準(zhǔn)連續(xù)355 nm紫外激光器。采用LD端面泵浦雙側(cè)翼鍵合YVO4基質(zhì)的Nd∶YVO4晶體，并采用雙向和頻光路，在泵浦功率為28.6 W、重復(fù)頻率為20 kHz 時(shí)，355 nm激光最大輸出功率4.2 W，脈寬為20.6 ns[9]。2016年，王旭等報(bào)道了連續(xù)激光二極管端面泵浦Nd∶YVO4的調(diào)Q激光器。實(shí)驗(yàn)研究了輸出耦合鏡透射率不同、重復(fù)頻率不同時(shí)激光器調(diào)Q的輸出特性。當(dāng)重復(fù)頻率為20 kHz時(shí)，得到的平均輸出功率為2.67 W，脈沖寬度為2.2 ns，斜率效率為37%，并使用KTP晶體對(duì)激光器輸出的1 064 nm激光進(jìn)行了腔外倍頻，獲得了重復(fù)頻率20 kHz、平均輸出功率1.33 W的532 nm綠光輸出，倍頻效率為50%[10]。2018年，范灝然等報(bào)道了878.6 nm波長(zhǎng)LD雙端泵浦Nd∶YVO4聲光調(diào)Q激光器。在重復(fù)頻率為100 kHz、晶體吸收功率58 W時(shí)，獲得18.2 W的1 064 nm激光輸出，光-光轉(zhuǎn)換效率31.3%，脈寬15.2 ns；在重復(fù)頻率為500 kHz、晶體吸收功率58 W時(shí)，獲得26.1 W的1 064 nm激光輸出，光-光轉(zhuǎn)換效率45%，脈寬44.2 ns[11]。

Nd∶YVO4晶體的增益高、熒光壽命短，在高重頻運(yùn)轉(zhuǎn)條件下與Nd∶YAG相比，產(chǎn)生的Q脈沖相對(duì)也較短。論文針對(duì)Nd∶YVO4的優(yōu)點(diǎn)，采用了LD側(cè)面泵浦結(jié)構(gòu)，利用聲光調(diào)Q方式，選用Ⅰ類和Ⅱ類相位匹配的LBO晶體，設(shè)計(jì)了腔內(nèi)三倍頻V型諧振腔結(jié)構(gòu)，獲得了高重頻、激光閾值低的355 nm紫外激光輸出。在LD泵浦電流30 A、重復(fù)頻率為20 kHz時(shí)，355 nm激光最大輸出功率達(dá)到了8.5 W，脈沖寬度為37 ns，1 064 nm基頻光到355 nm紫外激光的光-光轉(zhuǎn)換效率為25.8%。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

LD側(cè)面泵浦Nd∶YVO4高重頻紫外激光器結(jié)構(gòu)如圖1所示。激光晶體采用尺寸為φ3 mm×40 mm的Nd∶YVO4晶體，a軸切割，增益介質(zhì)的摻雜摩爾分?jǐn)?shù)為0.5%，Nd∶YVO4晶體兩個(gè)端面均鍍1 064 nm增透膜。采用脈沖LD 側(cè)面泵浦方式，采用6個(gè)BAR均勻三角側(cè)面泵浦，單個(gè)BAR功率為30 W，滿負(fù)荷電流為35 A。激光模塊采用循環(huán)水冷卻方式。腔內(nèi)插入聲光Q開關(guān)(Gooch &Housego Ltd，英國(guó))，射頻功率為100 W的聲光驅(qū)動(dòng)電源驅(qū)動(dòng)，調(diào)制重復(fù)頻率在1～150 kHz可調(diào)。M1、M2、M3為平面鏡，構(gòu)成V型諧振腔結(jié)構(gòu)。腔鏡M1鍍1 064 nm全反膜(R>99.5%)，腔鏡M2鍍1 064 nm/532 nm/355 nm全反膜(R>99.5%)，激光輸出鏡M3一面鍍1 064 nm/532 nm全反膜(R>99.5%)、355 nm增透膜(T>95%)，另一面鍍355 nm增透膜(T>95%)。腔外利用45°分光鏡濾除1 064 nm/532 nm波段激光。倍頻晶體LBO1采用Ⅰ類相位匹配，θ= 90°，φ=11.2°，尺寸為5 mm×5 mm×25 mm，和頻晶體LBO2采用Ⅱ類相位匹配，θ=43.3°，φ=90°，尺寸為5 mm×5 mm×30 mm，兩塊晶體雙端面均鍍1 064 nm/532 nm/355 nm增透膜。

圖1 355 nm 紫外全固態(tài)激光器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of UV solid state laser in 355 nm

3 結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)中適當(dāng)調(diào)節(jié)激光光路和偏振狀態(tài)，使整個(gè)系統(tǒng)處于最佳匹配。在重復(fù)頻率為20 kHz時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量了1 064 nm的基頻光和355 nm激光的輸出特性。在激光光路中，將M2換成透過率為30%的1 064 nm輸出鏡，M3換成1 064 nm全反鏡，去掉LBO1和LBO2，采用激光功率計(jì)(PM150-50，Coherent公司，美國(guó))測(cè)量了1 064 nm激光的輸出參數(shù)。355 nm和1 064 nm基頻光輸出平均功率隨泵浦電流的變化曲線如圖2所示，從圖中可以看出，在重復(fù)頻率為20 kHz、泵浦LD的注入電流達(dá)到最大30 A時(shí)，355 nm紫外激光輸出最大平均功率達(dá)到了8.5 W，紫外激光泵浦閾值約為16 A。此時(shí)，1 064 nm基頻光輸出最大平均功率為33 W。

圖2 激光輸出功率隨LD泵浦電流的變化曲線Fig.2 Variation of laser output power with LD pump current

采用DET10A型探測(cè)器(Thorlabs公司，美國(guó))和Wavepro7200A型存儲(chǔ)示波器(2 GHz，LeCory公司，美國(guó))測(cè)量了355 nm激光脈沖寬度，測(cè)量得到的激光脈沖波形如圖3所示。在重復(fù)頻率為20 kHz、355 nm激光平均功率為8.5 W時(shí)，激光脈沖寬度為36.9 ns。對(duì)應(yīng)的激光單脈沖能量為425 μJ，峰值功率為11.5 kW。在重復(fù)頻率20 kHz時(shí)，測(cè)量了355 nm激光脈沖寬度隨LD泵浦電流的變化情況，如圖4所示?？梢钥闯?，355 nm激光功率為1.35 W時(shí)，激光脈沖寬度為76 nm，隨著注入電流的增大，355 nm紫外光的脈寬急劇變窄。

當(dāng)LD注入電流為30 A時(shí)，在不同的重復(fù)頻率條件下，測(cè)量了355 nm激光輸出平均功率和脈沖寬度，如圖5所示。隨著激光脈沖重復(fù)頻率的增加，單脈沖的儲(chǔ)能時(shí)間降低，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)與閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的比值下降，導(dǎo)致355 nm激光脈沖寬度變寬。同時(shí) 1 064 nm基頻光峰值功率下降，導(dǎo)致腔內(nèi)倍頻轉(zhuǎn)換效率下降，紫外激光的輸出功率也會(huì)明顯下降。

圖3 355 nm激光單脈沖波形Fig.3 Monocycle waveform of 355 nm laser

圖4 脈沖寬度隨LD泵浦電流的變化曲線Fig.4 Variation of pulse width with LD pump current

圖5 當(dāng)LD泵浦電流為30 A時(shí)，激光脈沖寬度和輸出功率隨重復(fù)頻率變化曲線。Fig.5 Variation of output power and pulse width of 355 nm laser with different repetition rates

4 結(jié)論

針對(duì)增益高、泵浦帶寬寬的Nd∶YVO4激光晶體，采用LD側(cè)面泵浦方式，利用聲光調(diào)Q技術(shù)，設(shè)計(jì)了腔內(nèi)三倍頻V型諧振腔結(jié)構(gòu)，獲得了高重頻、高增益的355 nm紫外激光輸出。在重復(fù)頻率為20 kHz、LD泵浦電流為30 A時(shí)，獲得了最高平均功率8.5 W、脈沖寬度為36.9 ns的355 nm紫外激光輸出。隨著激光技術(shù)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，LD側(cè)面泵浦Nd∶YVO4高重頻激光器可以充分利用Nd∶YVO4晶體的優(yōu)勢(shì)，有望在激光應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。