LD泵浦Nd:YVO4/Cr4+:YAG被動調Q激光器性能實驗研究

劉彥明，翁潤民，劉向輝

(北部戰區72537部隊，山東 濟南 250014)

LD泵浦Nd:YVO4/Cr4+:YAG被動調Q激光器性能實驗研究

劉彥明，翁潤民*，劉向輝

(北部戰區72537部隊，山東 濟南 250014)

采用7.5 cm的直腔，對LD泵浦的Nd:YVO4/Cr4+:YAG被動調Q激光器的脈沖性能進行了相關實驗研究。采用兩塊不同透過率的輸出鏡和兩塊不同小信號透過率的Cr4+:YAG晶體，分別研究了調Q脈沖的平均輸出功率、脈沖寬度、重復頻率、單脈沖能量以及峰值功率隨泵浦功率的變化關系。在泵浦功率達到13.3 W時，采用6.5%的輸出鏡和小信號透過率為60%的Cr4+:YAG晶體得到了最短脈寬為15 ns且具有高穩定性和可靠性的調Q脈沖輸出，其相應的峰值功率可達到3.04 kW，適用于軍事國防領域。

Nd:YVO4晶體；Cr4+:YAG晶體；被動調Q

1 研究方法

半導體激光二極管(LD)泵浦的被動調Q固體激光器由于其體積小、結構簡單緊湊以及成本低等優點，在許多領域得到了廣泛的應用，引起了人們的極大關注[1-3]。在軍事領域，利用調Q技術實現巨脈沖激光輸出廣泛應用于激光測距、激光雷達和激光目標照明指示 和激光有源干擾/致眩等方面[4-6]。被動調Q技術主要是利用非線性飽和吸收介質在強激光作用下由于吸收飽和而呈現透明的特性實現調Q，被動調Q開關(可飽和吸收體)是被激光輻射自身啟動的，不需要高壓、快速電光驅動器或射頻調制器等裝置，具有設計簡單、結構緊湊、無高壓或電磁干擾、可靠性好以及成本低等顯著優點。目前，用于1.06 μm被動調Q激光器的較為成熟的飽和吸收體主要有Cr4+:YAG晶體、GaAS芯片以及半導體可飽和吸收鏡 (SESAM)[7]，但近年來，許多新型的可飽和吸收體材料也相繼出現并廣泛應用于被動調Q激光器。2013年，拓撲絕緣體Bi2Se3作為可飽和吸收體被成功應用于 1.06 μm被動調Q光纖激光器[8]，得到了最短脈寬為1.95 μs，脈沖能量為17.9 nJ的調Q脈沖。在此之前，碳納米管(CNT)[9]、石墨烯[10]和MoS2[11]等二維納米材料作為調Q可飽和吸收體已經得到廣泛研究并取得了較好的實驗結果，但是新型材料的生長技術及長時間工作下的穩定性并不成熟，因此在軍事用固體激光器中難以實現長期穩定的調Q脈沖輸出。

在這些常用的可飽和吸收體中，摻四價鉻的釔鋁石榴石晶體(Cr4+:YAG)是一種重要的被動調Q材料[12-13]，具有光化學性質穩定、熱導性好、飽和光強低、損傷閾值高、防潮、耐腐蝕及無退化等優點，符合軍事應用中對可靠性的要求。而且還具有較大的基態吸收截面和較長的基態恢復時間，在調Q過程中容易實現漂白，適合于高重頻、大能量激光輸出場合，滿足軍用激光系統對作用距離和數據率日益增長的需求，在軍事領域受到了青睞。

在1.06 μm波段，Cr4+:YAG晶體已經被廣泛應用于被動調Q固體激光器中[14-15]。為了提高調Q脈沖的輸出特性，除了選擇合適的飽和吸收體外，激光工作物質的選擇也非常重要。近年來，摻釹離子的釔鋁石榴石(YAG)和礬酸鹽晶體在固體激光器領域應用廣泛。與Nd:YAG晶體相比，Nd:YVO4晶體具有更大的吸收系數和受激發射截面以及大的吸收帶寬，可以允許摻入更多的Nd3+離子而不發生濃度碎滅效應，特別適合作為半導體泵浦固體激光器的增益介質[12]。由于Nd:YVO4晶體具有卓越的光學、機械和熱穩定等特性，近年來被廣泛應用于軍事激光系統。目前，國內外關于LD泵浦的Nd:YVO4/Cr4+:YAG被動調Q激光器的相關研究已有報道，但其脈沖輸出特性如脈沖寬度、重復頻率、單脈沖能量和峰值功率等，有待進一步提高，在軍事系統方面的應用情況還有待進一步分析。

本文采用一個簡單的直腔結構，研究了LD端面泵浦Nd:YVO4/Cr4+:YAG被動調Q激光器的輸出特性，實驗中采用了兩個小信號透過率(T0)分別為60%和80%的Cr4+:YAG晶體和透過率(T)分別為6.5%和15%的輸出鏡。通過實驗，獲得了在不同的小信號透過率和輸出鏡透過率情況下調Q脈沖的輸出功率、脈沖寬度以及重復頻率和峰值功率隨泵浦功率的變化曲線。通過示波器截圖，可以發現輸出的調Q脈沖穩定性較高。當輸入泵浦功率達到13.3 W時，小信號透過率為60%，輸出鏡透過率為6.5%的諧振腔可輸出最短調Q脈沖寬度為15 ns，重復頻率為23 kHz，脈沖能量為45.6 μJ，最終獲得的相應的峰值功率高達3.04 kW。該Nd:YVO4/Cr4+:YAG被動調Q激光器得到調Q脈沖的相關性能優于之前的研究結果，且具有更窄的脈寬和更高的峰值功率，更有利于軍事系統相關性能的優化。

2 實驗裝置介紹

圖1所示為激光二極管端面泵浦的Nd:YVO4/Cr4+:YAG被動調Q激光器的實驗裝置，諧振腔長為7.5 cm。泵浦源激光器選用帶光纖耦合的半導體激光器(FAP-I system Coherent Ino. USA)，光纖芯徑為400 μm，數值孔徑NA為0.22，耦合系統傳輸比為1∶1，經聚焦后泵浦光光斑半徑為200 μm，該泵浦源中心波長為808 nm，最大輸出功率為30 W。腔鏡M1是曲率半徑為150 mm的凹面鏡，作為諧振腔的輸入鏡，一端鍍808 nm增透膜，另一端鍍808 nm高透、1 064 nm高反的雙色介質膜。平面鏡M2為諧振腔的輸出耦合鏡，實驗中共采用了兩片對1 064 nm激光的透過率分別為6.5%和15%的輸出鏡。激光工作物質為4 mm×4 mm×5 mm、摻雜摩爾分數為1.0 %、沿a方向切割的Nd:YVO4晶體，晶體一端鍍808 nm和1 064 nm增透膜，另一端鍍1 064 nm高透膜，以減少諧振腔的損耗。晶體用銦箔包裹并置于紫銅塊中，采用水循環方式進行冷卻，溫度控制在17 ℃。實驗中分別采用兩塊小信號透過率分別為60%和80%的Cr4+:YAG晶體作為飽和吸收體對激光器進行Q調制。飽和吸收體的位置盡量靠近輸出鏡放置，并測得其上的光斑半徑大約為265 μm。激光輸出功率采用LPE-1B型激光功率計測量，用一臺Tektronix公司生產的線寬為1 GHz，采樣率為20 G sample/s的數字示波器和上升時間為0.4 ns的快光電二極管探測器來測量脈寬和記錄脈沖波形。

圖1 二極管泵浦Nd:YVO4/Cr4+:YAG被動調Q激光器實驗裝置Fig.1 Schematic diagram of diode pumped passively Q-switched Nd:YVO4/Cr4+:YAG laser

3 實驗結果和應用分析

首先，將兩塊小信號透過率分別為60%和80%的Cr4+:YAG晶體與透過率分別為6.5%和15%的輸出鏡進行組合，得到了不同情況下激光器的平均輸出功率，如圖2所示。從圖2可以看出，采用透過率為6.5%和15%的平面鏡作為耦合輸出鏡，相應的連續光平均輸出功率均隨泵浦功率的增加而線性增長。在13.3 W泵浦功率下，運用T=6.5%的輸出鏡得到的最高輸出功率為5.13 W。而輸出透過率為15%時，得到的光轉換效率有所降低。對于調Q運轉狀態，4種組合下激光器的閾值泵浦功率均小于1.5 W。從圖中可以看到，被動調Q激光器的平均輸出功率同樣地隨著泵浦功率的增大而線性地增大。當T0不變時，采用T=15%的輸出鏡獲得的平均輸出功率高于T=6.5%的輸出鏡，這個結果與連續光運轉時恰好相反。由于在整個實驗過程中沒有對Cr4+:YAG晶體采取冷卻措施，且為了驗證激光器的穩定性，通常是調Q激光器運行一段時間后測量，所以把這種情況的逆轉歸結于由Cr4+:YAG晶體的熱效應引起的。而對于相同的T，T0=60%的Cr4+:YAG晶體得到的輸出功率遠小于T0=80%的Cr4+:YAG晶體。分析圖中所示的結果，可以看到Cr4+:YAG晶體的小信號透過率的變化對輸出功率的影響較大。在實驗測量范圍內，沒有發現晶體飽和現象，表明激光器沒有受到晶體熱效應影響。

圖2 連續運轉狀態及調Q運轉狀態下平均輸出功率隨泵浦功率的變化Fig.2 Variation of average output powers with pump powers in CW and Q-switched status

利用示波器對調Q脈沖圖像進行監測，不同輸出鏡透過率及小信號透過率組合下，激光器的脈沖寬度隨泵浦功率的變化關系如圖3所示。從圖中可以看出，隨著泵浦功率的增大，調Q脈沖的脈寬在不斷地變窄。這是由于泵浦功率增加使腔內凈增益系數變大，腔內光子數的增長及反轉粒子數的衰減更加迅速，所以脈沖的建立及熄滅過程就更短，使得脈沖變窄。另外，發現在泵浦功率較低時，小信號透過率相同的情況下，輸出鏡透過率為6.5%的激光器產生的脈沖寬度較小。當泵浦功率達到13.3 W時，兩種輸出鏡透過率產生的脈寬非常接近。脈沖寬度還隨著小信號透過率的減小而減小，相對于輸出鏡透過率，Cr4+:YAG晶體對調Q脈沖寬度的影響更加明顯。

圖4為在不同輸出鏡透過率及小信號透過率下輸出調Q脈沖重復頻率隨泵浦功率的變化曲線，同樣采用T=6.5%和15%的兩種耦合輸出鏡。隨著泵浦功率的增大，脈沖的重復頻率也逐漸增大。這是因為激光工作物質上能級反轉粒子數密度會隨著泵浦功率的增加而增加，激光腔內的凈增益系數也會隨之變大，使得增益達到調Q閾值的時間變短，可飽和吸收體漂白的時間間隔也會相應地縮小，從而縮短了調Q周期，使得脈沖重復頻率增大。從圖中還可以看出，在同樣的泵浦功率變化范圍內，T0=60%的可飽和吸收體產生的脈沖重復頻率變化范圍較小且相對比較穩定。當小信號透過率固定時，兩種不同的輸出鏡產生的重復頻率基本相等，T=15%的輸出鏡產生的重復頻率略小于T=6.5%的結果。

圖3 不同輸出鏡透過率及小信號透過率下調Q脈沖寬度隨泵浦功率的變化曲線Fig.3 Variation of Q-switched pulse width with incident pump power for different T and T0

圖4 不同輸出鏡透過率及小信號透過率下調Q脈沖重復頻率隨泵浦功率的變化曲線Fig.4 Variation of Q-switched pulse frequency with pump power for different T andT0

根據圖2和圖4所示的脈沖平均輸出功率和重復頻率，可以估算得到調Q脈沖的單脈沖能量，估算結果如圖5a所示。從圖中可以看出，幾種組合下單脈沖能量均隨著泵浦功率的增大而增大。采用T=6.5%的輸出鏡，在泵浦功率小于12 W時，T0=80%的可飽和吸收體產生的單脈沖能量高于T0=60%的可飽和吸收體；但泵浦功率超過12 W之后，由于T0=80%的可飽和吸收體產生的重復頻率增長較快，使得單脈沖能量低于T0=60%。更換T=15%的輸出鏡，可以發現，獲得的單脈沖能量均大于T=6.5%時的能量值。由計算得到的單脈沖能量和圖3所示的脈沖寬度，可以估算出調Q脈沖的峰值功率，如圖5b所示。從圖中可以看到，由于T0=60%的可飽和吸收體產生的脈沖寬度遠小于T0=80%的可飽和吸收體，所以T0=60%的可飽和吸收體產生的脈沖峰值功率更大，且隨著泵浦功率的增大，增幅也越來越大。表1列出的是泵浦功率達到13.3 W時，不同的輸出鏡透過率及小信號透過率組合下產生的脈沖特性的對比結果。

表1 不同組合下調Q脈沖特性的結果對比(泵浦功率為13.3 W)

圖5 調Q單脈沖能量及峰值功率隨泵浦功率的變化曲線Fig.5Variation of Q-switched single-pulse energy and peak power with pump power

圖6所示為泵浦功率13.3 W、T=6.5%且T0=60%時Nd:YVO4/Cr4+:YAG被動調Q激光器輸出的最短脈寬的單脈沖圖像(a)以及脈沖序列圖像(b)。從圖6a可以看出Cr4+:YAG作為飽和吸收體進行被動調Q時，產生的脈沖具有前沿陡而后沿緩的特點，這是因為使用Cr4+:YAG作為飽和吸收體時，在調Q脈沖形成的初始階段腔內激光強度快速增大，隨后激光強度又按指數規律慢慢衰減[16]。從圖6b所示的脈沖序列圖可以看到，Cr4+:YAG作為可飽和吸收體進行被動調Q時獲得的調Q脈沖的振幅波動性較小，說明此Nd:YVO4/Cr4+:YAG被動調Q激光器具有非常高的振幅穩定性。

圖6 泵浦功率為13.3 W時激光器在T=6.5%且T0=60%情況下輸出的單脈沖圖像和脈沖序列圖像Fig.6 The shortest Q-switched pulse image and Q-switched pulse train image for pump power of 13.3W at T=6.5% and T0=60%

在現代軍事領域，被動調Q激光技術主要適合于激光測距、光電對抗、激光雷達和激光引信等多種軍事系統，而激光器的高峰值功率、小型化已成為當前研究的主要方向。本文介紹的Nd:YVO4/Cr4+:YAG被動調Q激光器在軍事領域的主要優勢[17]為：(1)相對于其他的可飽和吸收體，Cr4+:YAG晶體具有良好的可飽和吸收特性，其飽和吸收光譜范圍為0.9～1.2 μm，尤其是對1 μm附近的光吸收截面較大，能夠產生非常穩定的調Q現象；(2)Nd:YVO4晶體作為激光工作物質，具有良好的光學和物理特性，在長時間工作下晶體性能的穩定性較高，滿足軍事激光系統對于固體激光增益介質的要求；(3)Cr4+:YAG晶體可以獲得較高的摻雜濃度，作為調Q開關器件，其尺寸可以做得非常小，大大減小了激光器的整體體積，在航空高分辨雷達裝備中也有著重要的應用；(4)本文介紹的Nd:YVO4/Cr4+:YAG被動調Q激光器腔長較短，且能夠獲得較短的調Q脈沖和高的峰值功率，這些性能對于提高激光測距儀的精確度具有重要的意義；(5)Nd:YVO4/Cr4+:YAG被動調Q激光器具有穩定的物化性能和高的激光損傷閾值，且能夠抗電磁干擾，對調試也無高要求，適合于長時間穩定工作，滿足軍事應用領域對穩定性的高要求。

當然，Nd:YVO4/Cr4+:YAG被動調Q激光器在應用方面也具有一些有待克服的缺點。該激光器對于重復頻率的穩定性和可控性較差，這使得頻率精度較差，從而無法應用于激光目標指示等方面；另外在軍用激光器中，為了克服環境的影響，對于激光器的輸出效率要求較高，而該激光器由于Cr4+:YAG晶體對于能量的吸收作用，使得其輸出效率較之電光或聲光調Q激光器要低，有待于進一步提高。

4 結語

本文研究了激光二極管泵浦的Nd:YVO4/Cr4+:YAG被動調Q激光器的輸出特性，采用短直腔和透過率6.5%的平面輸出鏡和小信號透過率為60%的Cr4+:YAG晶體作為可飽和吸收體，在泵浦功率為13.3W時得到了脈寬最短為15 ns的調Q巨脈沖，其單脈沖能量達到45.6 μJ，相應的峰值功率高達3.04 kW。此激光器具有非常高的振幅穩定性和可靠性，且具有尺寸小、重量輕、成本低、抗電磁干擾以及對調試無高要求等優點，非常適合用于激光武器，在軍事國防領域有著非常廣泛的應用前景。

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Performance experiment of LD-pumped passively Q-switched Nd:YVO4/Cr4+:YAG laser

LIU Yan-ming, WENG Run-min*, LIU Xiang-hui

(No. 72537 Troop, The Northern War Zone, Jinan 250014, China)

∶We investigated the pulse performance of a LD-pumped passively Q-switched Nd:YVO4/Cr4+:YAG laser with a 7.5 cm straight cavity. We employed two output plane mirrors with different transmissions and two Cr4+:YAG crystals with different initial transmissions to research the variation of average output power, pulse width, pulse frequency, single-pulse energy and pulse peak power with pump power. High stability and reliability Q-switched pulse with the shortest pulse width of 15 ns was obtained atT=6.5% andT0=60% when pump power was 13.3 W. Its corresponding peak power can reach 3.04 kW, so it has very broad application prospect in military defense.

∶ Nd:YVO4crystal; Cr4+; YAG crystal; passively Q-switched

10.3976/j.issn.1002-4026.2016.06.018

2015-11-20

劉彥明(1977—)，男，工程師，研究方向為光電技術。

＊通信作者，翁潤民(1987—)，男，助理工程師，研究方向為光電技術。E-mail:wengrmjn@163.com

TN248.3

A

1002-4026(2016)06-111-06