Nd：YVO4/Cr4+：YAG被動調Q激光器輸出特性的提高

金元筆，金光勇，王雷，王超，金哲，洪成青

（1.長春理工大學 理學院，吉林省固體激光器與應用重點實驗室，長春 130022；2.朝鮮民主主義人民共和國理科大學 朝中友誼激光實驗室，朝鮮）

被動調Q激光器尤其是激光二極管（LD）抽運的被動調Q激光器，由于體積小、結構簡單、輸出激光脈沖峰值功率高、脈寬窄等優點，被廣泛應用于激光通信、雷達探測等諸多領域［1-4］。Cr4+：YAG晶體作為被動調Q器件具有飽和光強低、熱導性好、光化學性能穩定、防潮、損傷閾值、高熱學和機械性能比較好等優點［1，5，6］，是Nd激光器適合的被動調Q器件，因而有許多研究者對Cr4+：YAG被動調Q激光器進行了研究，其中包括對被動調Q激光器的理論和優化研究［7-10］、輸出特性穩定性研究［11，12］。Nd：YVO4晶體相對于Nd：YAG晶體具有吸收截面大（在π方向上Nd：YAG的4倍）、受激輻射截面大（在π方向上Nd：YAG的5.6倍）、上能級壽命（100μs）短等特點［11］。Nd：YVO4晶體由于受激輻射截面大、上能級受命短，儲能較低，因而Nd：YVO4晶體最適合于LD抽運連續運轉，但是不利于被動調Q運轉［12］。比如在抽運功率、諧振腔參數一樣的情況下，典型3種晶體被動調Q激光輸出特性如表1所示。從表1中可以看出，Nd：YVO4比Nd：YAG、Nd：GdVO4具有更低的被動調Q特性指標，尤其是峰值功率比Nd：YAG低50倍以上。

根據被動調Q理論，提高峰值功率有兩種方法，一是降低可飽和吸收體初始透過率，二是增加耦合輸出鏡的透過率［8］?？墒荂r4+：YAG可飽和吸收體的激發能態吸收（Excited State Absorption，ESA）隨初始透過率下降增加，于是晶體內發生的熱量增加、激光器效率減小，而耦合輸出鏡透過率的影響不大。李誠對諧振腔內Cr4+：YAG器件的合理位置進行了實驗研究，確定了束腰是被動調Q器件最合適的位置［13］。

從被動調Q理論出發，本文針對提高Nd：YVO4/Cr4+：YAG被動調Q激光器輸出特性，提出了新的方法，該方法就是將擴束鏡放在諧振腔內，以便增加飽和吸收體位置的光子密度，并把該方法用于Nd：YVO4/Cr4+：YAG被動調Q激光器將峰值功率提高了一個量級以上，單脈沖能量提高了兩倍以上。

1 理論分析

根據文獻［1，9，14］，激光晶體和飽和吸收體具有不同的光束截面時被動調Q速率方程可寫為：

式中?為激光晶體內光子數密度；n為反轉粒子數密度；ng和ne分別為可飽和吸收體中基態和激發態的粒子數密度ns0為可飽和吸收體內總的粒子數密度；σ為激光受激發射截面積；A和As分別為激光晶體和可飽和吸收體內的光束截面積；l和ls分別為激光晶體和可飽和吸收體的長度；c為真空中的光速；R為諧振腔耦合輸出鏡反射率；γ為激光晶體的反轉簡并因子；tr=2l′/c為光在光程l′的諧振腔內往返的時間；σg和σe分別為飽和吸收體的基態和激發態吸收截面積；τ為激光晶體上能級壽命；τs為可飽和吸收體的亞穩態壽命；Wp為抽運功率；L為腔內無用損耗。諧振腔內激光振蕩剛開始的時候光子數密度和它對時間的導數很小，可飽和吸收體的粒子幾乎都在基態，可令（1）式的左側等于0、并使ng=ns0，激光開始時初始反轉密度ni可表示如下：

式中T0=exp(-σgns0ls)是可飽和吸收體的初始透過率。若A=As時的初始反轉密度為ni0

從式（7）可以看出，A≠As與A=As兩種情況下初始粒子數反轉密度不同、在其他條件一定的情況下它們差值的大小由(A/As)決定。激光振蕩開始以后諧振腔內光子數密度迅速增加，可飽和吸收體內處在基態的粒子被激發到亞穩態時ng=0、ne=ns0、?達到最大值、n下降到nth。

表1 3種晶體被動調Q激光器激光輸出特性比較

從式（9）可以看出，nth與nth0不同、在其他條件一定的情況下它們差值的大小由(A/As)決定、且(ni-ni0)是(nth-nth0)的四倍以上。脈沖輸出以后諧振腔內反轉粒子數密度迅速減小到剩余反轉粒子數密度nf。

式中Tmax=exp(-σens0ls)為可飽和吸收體的最大透過率，nth0為A=As時閾值反轉粒子數密度。Tmax近似等于T0.230［15］。

式（10）是超越方程，通過數值解決可算出剩余反轉粒子數密度［16］。比如根據文獻［16］，σ=15.6×10-19cm2l=10cm、T0=87%、Tmax=97%、A/As=9、R=0.7、L=0.1時數值解決的結果如表2所示。

從表2可以看出，A/As=9相對于A/As=1初始反轉粒子數密度4倍以上，且剩余反轉粒子數密度變小，所以，脈沖能量會更大、峰值功率會更高、脈寬會更窄。連續抽運調Q激光器激光脈沖間隔時間小于激光粒子的上能級壽命時初始反轉粒子數密度可寫成：［1］

式中n∞為脈沖間隔時間比激光上能級壽命τ大時形成的初始反轉粒子數密度，Δt為脈沖間隔時間。

式中Rp為抽運速度，上式表明，一定的抽運功率下ni越大和nf越小、脈沖間隔時間就越長。由上面的分析可得，通過可飽和吸收體內的光束面積，可以提高被動調Q激光器輸出特性。

2 實驗結果

實驗裝置如圖1所示。

圖1 LD抽運Nd：YVO4/Cr4+：YAG被動調Q激光器實驗示意圖

泵浦源為中心波長808nm的連續激光二極管、最大輸出功率25W，激光晶體LC為3mm×3mm×10mm的Nd：YVO4晶體、朝泵浦源的面鍍有對808nm和1064nm高透過膜、另一個面鍍有對1064nm高透過膜，PQ為初始透過率87%的Cr4+：YAG晶體，M1為平凹1064nm全反鏡、凹面曲率反徑為2m、朝LD的平面鍍有對808nm高透過膜、曲面鍍有對808nm高透、對1064nm高反射膜，M2為平平輸出鏡，用DET10A高速探測器和TDS-3054B型示波器（500MHz）探測激光脈沖波形、脈沖間隔時間，能量計為OPHIR公司的NOVAII，擴束鏡BA的擴大倍率為3，諧振腔長度為150mm。實驗中，首先在腔內未放置擴束鏡時，測了峰值功率，脈沖能量、脈寬、脈沖間隔時間隨泵浦功率（泵浦原電流）的變化，結果如圖2至圖5所示。耦合輸出鏡透過率分別為32%、48%、60%時最大峰值功率分別為150W、350W、500W，最大脈沖能量分別為 15μJ、30μJ、33μJ。脈寬和脈沖間隔時間在電流4A以上的區域基本上具有穩定性。耦合輸出鏡透過率分別為32%、48%、60%時最窄脈寬分別為95ns、65ns、63ns，在電流4A以上的區域最長的脈沖間隔時間分別為10.5μs、11.8μs、11.3μs。

從上述的實驗結果可以看出，耦合輸出鏡的透過率變化時，對被動調Q輸出特性的影響不大。Nd：YVO4晶體的激發態壽命為100 μs，因而50～100μs的脈沖間隔時間對Nd：YVO4被動調Q激光器比較合理，但是得到的脈沖間隔時間為10μs左右，所以上能級儲能時間不夠長，結果導致峰值功率低，脈寬大，脈沖能量小。輸出鏡透過率32%、諧振腔內放在擴束鏡時得到的實驗結果如圖6、圖7所示。

表2 A/As=1與A/As=9時數值求解結果

圖2 Nd：YVO4/Cr4+：YAG被動調Q激光器峰值功率隨泵浦功率變化

圖3 Nd：YVO4/Cr4+：YAG被動調Q激光器脈沖能量隨泵浦功率變化

圖4 Nd：YVO4/Cr4+：YAG被動調Q激光器脈寬隨泵浦功率變化

圖5 Nd：YVO4/Cr4+：YAG被動調Q激光器脈沖間隔時間隨泵浦功率變化

圖6 把擴束鏡放在諧振腔內時被動調Q激光器峰值功率和脈沖能量隨泵浦功率變化

圖7 把擴束鏡放在諧振腔內時被動調Q激光器脈寬和脈沖間隔時間隨泵浦功率變化

在電流4A以上區域脈沖間隔時間為50～100μs，脈寬為25～40ns，峰值功率3kW左右，脈沖能量70～80μJ。從實驗結果可以看出，將擴束鏡放諧振腔內可以得到良好的被動調Q激光輸出特性。從理論分析可以看出，這個方法的效果與激光晶體種類沒有關系，也可以在其他被動調Q激光器中會用該方法，以便提高激光輸出特性。

3 結論

基于被動調Q速率方程提出了將擴束鏡放在諧振腔內的新方法，從而提高了Nd：YVO4/Cr4+：YAG被動調Q激光器激光輸出特性。通過方程分析和數值求解、對比實驗，驗證了該方法的可靠性。當把擴束比1∶3的擴束鏡放在Nd：YVO4/Cr4+：YAG被動調Q激光器諧振腔內時，峰值功率提高了一個量極以上，脈沖能量從10～30μJ變大到70～80μJ，脈寬從60～150ns變窄到25～40ns，脈沖間隔時間從5～20μs變寬到50～100μs。其他被動調Q激光器也可以應用此方法提高激光器輸出特性。

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