正分支共焦非穩(wěn)腔的脈沖固體激光器研究

王燦召，李 麗，尚衛(wèi)東，孫建國，郭占斌，李忠華

（中國電子科技集團公司第二十七研究所，鄭州450047）

正分支共焦非穩(wěn)腔的脈沖固體激光器研究

王燦召，李 麗，尚衛(wèi)東，孫建國，郭占斌，李忠華

（中國電子科技集團公司第二十七研究所，鄭州450047）

為了獲得高光束質量中紅外激光抽運源，采用正分支共焦非穩(wěn)腔設計Nd∶YAG脈沖固體激光器。在考慮晶體熱效應情況下，對其腔型參量進行了數(shù)值模擬和試驗驗證，獲得重復頻率10Hz、脈沖寬度9.7ns、單脈沖能量260mJ、光束參量積3.5mm·m rad的激光輸出。該激光經(jīng)放大后抽運MgO∶LiNbO3晶體，實現(xiàn)波長3.85μm、脈沖寬度8ns、單脈沖能量104mJ的激光輸出，光光轉換效率為12.5％。結果表明，該抽運源光束質量滿足高峰值功率中紅外光參變振蕩激光器使用要求，為光電對抗領域的應用奠定了技術基礎。

激光器；激光技術；固體激光器；正分支共焦非穩(wěn)腔；數(shù)值模擬；光束質量

引 言

高功率高光束質量全固態(tài)激光器在軍事、科研等領域具有廣闊的應用前景。高功率全固態(tài)Nd∶YAG激光器是光電對抗領域重要的對抗光源；高光束質量1.06μm激光經(jīng)非線性頻率轉換所產(chǎn)生的.53μm，3μm～5μm等波段激光，可以對抗多種類型的光電觀瞄裝置及光電制導武器。因此，研究高功率高光束質量全固態(tài)1.06μm激光光源具有重要的應用價值。

然而，激光增益介質的熱透鏡效應是高功率固體激光器提高光束質量需要解決的一個關鍵問題。由于抽運吸收及冷卻不均勻致使增益介質具有徑向溫度梯度，光焦度D（熱焦距f=1/D）隨輸入功率變化而變化，激光振蕩模式及光束質量不再由腔鏡幾何參量唯一確定，而受到增益介質光焦度變化的影響，因而諧振腔設計中需要考慮增益介質的可變熱透鏡效應［1-2］。

采用穩(wěn)定腔設計，激光光束質量較依賴于輸入功率，隨輸入功率增大，光束質量明顯變差，腔內插入限模元件提高光束質量則是以犧牲增益介質模體積為代價的，導致能量轉換效率降低。而非穩(wěn)腔設計能夠同時獲得高光束質量及高能量轉換效率，成為解決高功率固體激光器工程應用的一個有效途徑［3-4］。

考慮到變反射率鏡（variable reflectivity mirror，VRM）與非穩(wěn)腔配合使用能夠一定程度上提高光束質量并改善激光光斑均勻性［5-6］。本文中對使用VRM的正分支共焦非穩(wěn)腔腔型參量進行了仿真優(yōu)化，在此基礎上試驗研究了基于此設計的Nd∶YAG脈沖固體激光器，并以此激光器抽運MgO∶LiNbO3晶體，獲得高峰值功率可調諧中紅外激光輸出，為其在光電對抗中應用奠定了技術基礎。

1 正分支共焦非穩(wěn)腔仿真設計

正分支共焦非穩(wěn)腔、棒成像共焦非穩(wěn)腔及對稱近共心非穩(wěn)腔是3種適用于高功率固體激光器工程應用的非穩(wěn)腔腔型［7-8］。其中，對稱近共心非穩(wěn)腔具有腔型對光焦度變化靈敏度低的特點，利于保持腔型穩(wěn)定，但其腔內存在兩個焦點；共焦非穩(wěn)腔主要優(yōu)點是能夠產(chǎn)生自動對準的輸出光束，理想狀態(tài)下輸出激光束近似平行光，即光束發(fā)散角很小，其中，棒成像共焦非穩(wěn)腔為負分支共焦腔，腔內存在一個焦點；而正分支共焦腔中，激光在諧振腔內不存在焦點。考慮到激光增益介質光焦度測量誤差及輸入功率抖動等外界因素影響，易造成實際腔型參量與仿真設計參量存在略微差異。此時選用棒成像共焦非穩(wěn)腔或對稱近共心非穩(wěn)腔，由于諧振腔內存在焦點，操作不當易造成腔內光學元件的損傷，危害設備安全、降低設備可靠性［9-10］。基于此，以下采用正分支共焦非穩(wěn)腔仿真設計具有可變熱透鏡的Nd∶YAG脈沖固體激光器。

圖1為正分支共焦非穩(wěn)腔示意圖。圖中，增益介質及抽運源等效為具有可變光焦度D的熱透鏡，a為輸出鏡膜斑半徑，b為增益介質截面半徑，l為增益介質長度，d1為輸出鏡與相鄰主平面距離，d2為全反后鏡與相鄰主平面距離，ρ1為輸出鏡曲率半徑，ρ2為全反后鏡曲率半徑，為等效單程往返放大率，為等效單程透射放大率。

Fig.1 Schematic diagram of positive branch confocal unstable resonator

式中，M0為非穩(wěn)腔放大率；λ為激光波長；Neq為等效菲涅耳數(shù)；D0為激光增益介質光焦度。

對于高功率固體激光器，選取放大率M0=2，為提高橫模鑒別度，Neq取半整數(shù)值，d2是自由參量，為消除放大區(qū)域對提取效率的影響，盡可能取小值，同時考慮到腔內其它光學元件需要占據(jù)的結構位置，最終選擇d2=260mm。選取Nd∶YAG尺寸為?7mm× 110mm，λ=1.06μm，抽運功率每千瓦對應的光焦度取值為0.3m-1。由（4）式計算得到VRM膜斑半徑a=1.7mm；由（5）式計算得到Neq取不同值時對應的VRM曲率半徑；對（4）式～（7）式進行數(shù)值模擬，結果如圖2和圖3所示。

Fig.2 Relationship between d1and refractive power of Nd∶YAG

由輸入抽運功率計算得到D0=0.06m-1。依據(jù)數(shù)值計算結果并以設備緊湊性為設計依據(jù)，最終優(yōu)選出Nd∶YAG脈沖固體激光器所采用的正分支共焦非穩(wěn)腔腔型參量：Neq=3.5，a=1.7mm，ρ1= -0.75m，ρ2=1.6m，d1=109mm，d2=260mm。考慮實際器件加工情況，取a=2mm，ρ1=-0.8m。

Fig.3 Relationship betweenρ2and refractive power of Nd∶YAG

2 試驗研究

圖4為基于正分支共焦非穩(wěn)腔Nd∶YAG脈沖固體激光器抽運的中紅外激光試驗光路圖。根據(jù)腔型優(yōu)化計算結果，選取腔型參量為a=2mm，ρ1= -0.8m，ρ2=1.5m，d1=109mm，d2=260mm，VRM中心反射率30％，Nd∶YAG尺寸為?7mm×110mm，獲得重復頻率10Hz、脈沖寬度9.7ns、單脈沖能量60mJ、光束參量積3.5mm·mrad、波長1.06μm的本振激光輸出，經(jīng)行波放大，單脈沖能量830m J，經(jīng)擴束整形后抽運光參變振蕩（optical parametric oscillation，OPO）晶體MgO∶LiNbO3，晶體鍍對抽運光、信號光和閑頻光增透膜，將其固定在一個可以精確調節(jié)角度的1維轉臺上。M3和M4為45°HR＠1.06μm鏡，M5對抽運光高透，對信號光和閑頻光高反；M6對信號光半反，對閑頻光高透；M7為45°濾光片，對抽運光和信號光全反，對閑頻光高透，從而將閑頻光分離出來。

Fig.4 Experimental diagram ofmid-infrared laser

晶體正置時，試驗測得閑頻光波長3.85μm，線寬56nm，脈沖寬度8ns，單脈沖能量104mJ，光光轉換效率為12.5％。通過轉動轉臺，實現(xiàn)晶體與抽運光角度調諧相位匹配，以正入射角度為中心，往相位匹配角增大方向調節(jié)轉臺，實現(xiàn)波長3.9μm閑頻光輸出，往相位匹配角減小方向分步調節(jié)轉臺，實現(xiàn)波長范圍3.85μm～2.87μm的閑頻光調諧輸出。圖5為閑頻光輸出能量與波長對應關系，圖6為波長3.85μm激光脈沖波形圖。

Fig.5 Relationship between idler output energy and wavelength

Fig.6 Pulse width of 3.85μm wavelength laser

進一步提高抽運光能量時發(fā)現(xiàn)，MgO∶LiNbO3晶體表面出現(xiàn)膜層損傷和體損傷，若要繼續(xù)提高中紅外激光輸出能量，需要提供更高光束質量更好光斑均勻性抽運源。通過精確測量激光增益介質光焦度、定制更接近最優(yōu)化參量的VRM、減少測量誤差，能夠進一步提高輸出抽運光的光束質量和光斑均勻性。

3 結 論

通過建立可變熱透鏡激光諧振腔仿真模型，對采用正分支共焦非穩(wěn)腔的Nd∶YAG脈沖固體激光器腔型參量進行了數(shù)值計算，實現(xiàn)了優(yōu)化設計，依此激光器作為抽運源抽運MgO∶LiNbO3晶體，實驗中獲得重復頻率10Hz、脈沖寬度8ns、最大單脈沖能量104m J、波長2.87μm～3.9μm的中紅外激光輸出，證明所設計抽運源光束質量滿足要求，為其在光電對抗領域中應用奠定了技術基礎。

［1］KOECHNERW.Solid-state laser engineering［M］.New York，USA：Springer Science+Business Media，2006：282-295.

［2］HODGSON N，WEBER H.Laser resonators and beam propagation［M］.New York，USA：Springer Science+Business Media，2005：451-500.

［3］HODGSON N，WEBER H.High power solid state lasers with unstable resonators［J］.Optical and Quantum Electronics，1990，22（12）：39-55.

［4］HEG Y，GUO J，JIAO Zh X，et al.Control of the thermal lensing effect in solid-state laser［J］.Acta Physica Sinica，2012，61（9）：0942171（in Chinese）.

［5］GUO R H，LID J，YANGG L，etal.Design and experimentof unstable resonator for high-power TEA CO2laser［J］.Chinese Journal of Optics and Applied Optics，2009，2（3）：253-257（in Chinese）.

［6］GAO H W，PENG Q J，CUIQ J，et al.Double focus thermallynear-unstable resonator laser［J］.Chinese Journal of Lasers，2009，36（1）：56-58（in Chinese）.

［7］MAGNIV，DESILVESTRIS，QIAN L J，etal.Rod-imaging supergaussian unstable resonator for high power solid-state lasers［J］.Optics Communications，1992，94（1）：87-91.

［8］HODGSON N，BOSTANJOGLO G.The near-concentric unstable resonator（NCUR）-an improved resonator design for high power solid state lasers［J］.Optics Communications，1993，99（1/2）：75-81.

［9］HODGSON N，BOSTANJOGLO G，WEBER H.Multirod unstable resonators for high power solid-state lasers［J］.Applied Optics，1993，32（30）：5902-5917.

［10］HODGSON N，WEBER H.Influence of spherical aberration of the activemedium on the performance of Nd∶YAG lasers［J］.IEEE Journal of Quantum Electronics，1993，29（9）：2497-2507.

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國內郵發(fā)代號：62-74；國內統(tǒng)一刊號：CN51-1125/TN

Study on pulsed solid-state lasersw ith positive branch confocal unstable resonators

WANG Can-zhao，LILi，SHANGWei-dong，SUN Jian-guo，GUO Zhan-bin，LIZhong-hua
（The 27th Research Institute，China Electronic Technology Group Corporation，Zhengzhou 450047，China）

To obtain high beam quality pump sources formid-infrared lasers，a Nd∶YAG pulsed solid-state laser was designed with positive branch confocal unstable resonator.Under the influence of thermal effect，parameters of the positive branch confocal unstable resonator were optimized after numerical simulation and experimental verification.Single pulse energy of 260mJ，pulse width of 9.7ns and beam parameter product of 3.5mm·mrad were achieved at 10Hz.After amplification and pumping MgO∶LiNbO3crystal，single pulse energy of104m Jat3.85μm was obtained with pulse width of 8ns，and its optical-optical conversion efficiency gets up to 12.5％.The results demonstrate that beam quality of laser pump sourcemeets the requirements of themid-infrared optical parametric oscillation laser.The research lays the technical foundation for its application in the field of optoelectronic countermeasures.

lasers；laser technique；solid-state lasers；positive branch confocal unstable resonator；numerical simulation；beam quality

TN248.1

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2013.04.006

1001-3806（2013）04-0441-04

王燦召（1981-），男，碩士，工程師，主要從事固體激光器及其工程應用的研究。

E-mail：wangcanzhao2003＠163.com

2012-10-15；

2012-11-26