25kHz、約2ns聲光調Q Nd∶YVO4激光器研究

李燕凌，賈 凱,顧憲松，郭嘉偉，高 恒，王 霞

(1.西南技術物理研究所，成都 610041；2. 北京理工大學 光電學院 光電成像技術與系統教育部重點實驗室，北京 100081)

25kHz、約2ns聲光調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.西南技術物理研究所，成都 610041；2. 北京理工大學 光電學院 光電成像技術與系統教育部重點實驗室，北京 100081)

為了獲得高重頻窄脈沖高光束質量激光輸出，采用LD抽運Nd∶YVO4晶體聲光調Q方案，進行了相關理論分析和實驗驗證，振蕩級獲得了重頻25kHz、單脈沖能量22.4μJ、脈沖寬度2.19ns、光束質量因子M2<1.2的種子激光，光光轉換效率為24.3%；放大級獲得了重頻25kHz、單脈沖能量585μJ、脈沖寬度2.26ns、光束質量因子M2<1.7的激光輸出，提取效率為15.6%。結果表明，采用LD抽運Nd∶YVO4晶體聲光調Q方案能夠獲得高重頻、窄脈沖、高光束質量激光輸出，其實驗現象與理論計算結果較為符合。

激光器；高重頻；窄脈沖；聲光調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)面陣探測器組件的非掃描式激光主動成像雷達是國際公認的最具發展潛力的3維成像探測技術[1]。由于激光主動成像雷達要求具有高的距離分辨率，而成像雷達的測距定時電路集成于APD面陣探測器組件內，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，基于GM-APD面陣探測器的非掃描式激光主動成像雷達要求多脈沖累計成像探測，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。

國內外在高重頻、窄脈沖、調Q固體激光器領域已經開展了大量研究[4-15]。其中，ZAYHOWSKI和DILL等人于1992年利用電光調Q實現了重頻5kHz、脈寬270ps、單脈沖能量6.85μJ激光輸出[4]。1993年，PLAESSMANN和YAMADA等人采用總長為7mm的諧振腔、3.2mm厚的TeO2聲光開關用于實現高重頻、窄脈沖激光脈沖輸出[5]。2003年，美國林肯實驗室基于被動調Q微片固體激光器成功開發了激光主動成像系統用的三代高重頻、窄脈沖激光器，其輸出激光指標為數千赫瓦、單脈沖能量數十微粒、脈沖寬度為亞納秒量級[6]。2016年，中國科學院西安光學精密機械研究所WANG等人報道了LD端面抽運Nd∶YVO4晶體RbTiOPO4(RTP)電光調Q激光器，在重復頻率5kHz時，獲得了脈寬1.0ns、平均功率1.22W的窄脈沖輸出；在重復頻率20kHz時，獲得了脈寬2.2ns，平均功率2.67W的調Q脈沖輸出[7]。

本文中設計的高重頻、窄脈沖激光器采用了主振蕩功率放大(master oscillator power amplifier,MOPA)結構。振蕩級采用半導體激光器(laser diode,LD)端面抽運Nd∶YVO4晶體，通過短腔長、聲光調Q方案實現了具有高光束質量的高重頻、窄脈沖種子激光輸出；放大級采用LD雙端面抽運Nd∶YVO4晶體，種子激光單次通過Nd∶YVO4晶體，最終獲得了重復頻率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計

1.1 振蕩級設計

由于Nd∶YVO4晶體具有較大的發射截面，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。增益介質對抽運功率的吸收滿足如下關系：

式中，P0代表注入抽運功率，Pab表示增益介質吸收的抽運功率，α為吸收系數，l為增益介質吸收長度。對于摻雜原子數分數為0.005的Nd∶YVO4晶體，其吸收系數約為15.8cm-1@808nm；而對于、摻雜原子數分數為0.01的Nd∶YVO4晶體，其吸收系數約為31.4cm-1@808nm。由此可知，選用長度為3mm的、摻雜原子數分數為0.005的Nd∶YVO4晶體或長度為1.5mm的、摻雜原子數分數為0.01的Nd∶YVO4晶體，便可實現對抽運功率的充分吸收。本文中選用尺寸為3mm×3mm×3mm的、摻雜原子數分數為0.005的Nd∶YVO4晶體，其好處在于可以使得增益介質內部抽運分布較為均勻，并且增大了散熱面積，有利于激光晶體長時間可靠工作。同時，考慮到端面晶體具有更佳的熱性能，因此，作者設計中在Nd∶YVO4晶體后端面鍵合了厚度為1mm的YVO4晶體。

調Q固體激光器主要通過短腔長及高功率密度抽運的方式實現窄脈沖激光輸出。為了縮短諧振腔長度，在鍵合晶體的前端面鍍HR@1064nm、AR@808nm膜層作為諧振腔腔鏡；為了提高抽運光注入功率密度，采用帶尾纖LD端面小口徑抽運Nd∶YVO4晶體。同時，為了獲得高重頻激光輸出，并提高激光脈沖的能量穩定性，作者采用主動聲光調Q方案。因此，振蕩級由808nm帶尾纖LD、抽運光束整形系統、鍵合Nd∶YVO4晶體、聲光開關及輸出耦合平面鏡所構成，諧振腔光程長度為35mm，其原理圖如圖1所示。

Nd∶YVO4晶體的1064nm波段可以用四能級系統描述，其反轉粒子數密度n和腔內光子數φ隨時間演化的過程由一組聯立的微分方程給出[16]：

Fig.1 Sketch of master oscillator

式中，c為光速；σ21為激光發射頻率處的受激發射截面；τf為熒光壽命；n0為總摻雜粒子數密度；ωp為抽運速率。假設抽運光在增益介質內部傳輸時滿足瑞利長度條件，則將抽運速率在長度方向求平均，即可得ωp=I0/(hνpn0l)，其中I0為抽運功率密度，νp為抽運光頻率，h為普朗克常數，l為增益介質吸收長度，此處即為晶體長度。tr=2l/c為光在諧振腔內傳輸的往返時間；tc=tr/[1+ln(1/R)]為腔內光子壽命，其中L為諧振腔固有損耗，R為輸出耦合鏡反射率。由于要進行聲光調制，因此腔內損耗還應包括聲光開關的衍射損耗，β(t)=β0exp[-(t/t0)2]，其中β0為聲光開光衍射效率，t0為渡越時間。

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

由于聲光開光封鎖能力有限，因此利用4階龍格-庫塔方程求解(2)式，用以模擬聲光開關的封鎖效果。

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

計算參量為：摻雜原子數分數為0.005的Nd∶YVO4晶體，其摻雜晶體長度3mm,諧振腔光程長35mm，輸出耦合鏡反射率60%@1064nm，聲光開關的衍射效率80%，開關頻率25kHz，渡越時間20ns。在抽運功率密度分別為3500W/cm2和4000W/cm2的情況下，振蕩級輸出激光的時間波形如圖2與圖3所示。

對比圖2和圖3可看出，當抽運功率密度為3500W/cm2時，聲光開關在抽運儲能環節可以實現良好的封鎖作用；在激發階段隨著腔內Q值提高，大量反轉粒子被快速消耗，形成巨脈沖輸出，此時脈沖寬度為1.69ns。而當抽運功率密度增至4000W/cm2時，聲光開關在抽運階段無法對諧振腔進行有效封鎖，在儲能環節便有無序脈沖輸出；而在激發階段，由于無序脈沖串消耗了大量的反轉粒子，造成激勵階段腔內光子數密度接近于0，無法獲得穩定的輸出激光。

由于諧振腔長度較短，為了獲得高光束質量種子激光，要求諧振腔內通光口徑較小。因此，在設計中作者通過控制增益介質內部的抽運光斑尺寸從而達到控制諧振腔通光口徑的目的。由于抽運光斑較小，因而增益介質會產生嚴重的熱焦距。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表示增益介質的光程長度，L2為諧振腔剩余光程長度，fth為熱焦距。已知鍵合晶體總長度為4mm，因此L1≈10mm，L2≈25mm。根據高斯光束ABCD定律，晶體內部基模(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，λ=1.06μm為激光波長。

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

Fig.4 Relationship between waist radius and thermal focus length

同時，作者分析了抽運功率2W時，種子激光脈寬、單脈沖能量與輸出耦合鏡反射率之間的關系，計算結果如表1所示。

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

1.2 放大級設計

考慮到種子激光的脈沖能量較小，其放大過程屬于小信號放大，不利于放大級能量提取。因此，作者仍采用受激發射截面較大的Nd∶YVO4晶體作為放大級的增益介質。為了獲得較好的放大效果，作者采用長度較長的低摻雜Nd∶YVO4晶體，其具體參量為：摻雜原子數分數為0.003，晶體尺寸為3mm×3mm×20mm。為了減小晶體內部的熱應力，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，其光路結構相對簡單，如圖5所示。808nm帶尾纖LD經光束整形后雙端抽運Nd∶YVO4晶體，種子激光通過轉折鏡進入放大光路，再由另一塊轉折鏡輸出；兩塊轉折鏡鍍距法線方向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，N0,NTS,NTE分別為對長度積分的初始反轉粒子數密度、脈沖放大前的反轉粒子數密度和脈沖放大后的反轉粒子數密度，f為重復頻率，σ為受激吸收截面。

作者計算了抽運功率分別為70W、90W對應不同抽運光斑面積下，放大激光的單脈沖能量，如圖6所示。種子激光參量為：重復頻率25kHz，單脈沖能量35μJ。在計算過程中，作者假定種子脈沖光斑與抽運光斑完全重合。

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，抽運光斑半徑應考慮在0.3mm附近選取。當抽運總功率為90W、抽運光斑半徑為0.3mm時，此時放大后的單脈沖能量達到了0.86mJ，平均功率為21.5W，能量提取效率為23.9%；而當抽運光斑半徑持續增大時，輸出脈沖能量不斷減小，這是由于抽運功率太過分散，導致放大級增益較小。

2 實驗研究

按照前面的設計參量，作者搭建了高重頻窄脈沖Nd∶YVO4調Q激光器，如圖7所示。其中，聲光開關選用了衍射效率85%、厚度7mm的TeO2微型聲光開關，這樣便將諧振腔的光程長度控制在了35mm之內；抽運模塊選用了JENOPTIK公司的808nm帶尾纖LD，其中振蕩級LD芯徑200μm，數值孔徑為0.22；放大級LD芯徑400μm，數值孔徑為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LD抽運模塊、抽運光束整形系統、鍵合YVO4/Nd∶YVO4晶體、輸出耦合鏡及種子激光耦合系統。通過一對等效焦距分別為9mm和12mm的透鏡組將抽運光斑耦合入鍵合晶體，在抽運功率2.3W的情況下，聲光晶體能夠實現有效封鎖，最終獲得了重復頻率25kHz、單脈沖能量22.4μJ、脈沖寬度2.19ns、光束質量因子M2<1.2的基模種子激光輸出，測試結果如圖8所示。

Fig.8 Measurement of master oscillator

從振蕩級實驗結果可以看出，最大抽運注入功率超過了理論值。作者認為造成這種現象的原因是：(1)實驗中選用的聲光開關衍射效率為85%，大于計算設定值；(2)整形后增益介質內抽運光斑半徑大于130μm，導致抽運功率密度降低，因此可注入更大的抽運功率。而獲得的脈沖寬度實驗值比計算值要大，作者認為這是由于抽運功率密度降低及聲光開關渡越時間等諸多因素共同決定的。

在放大級實驗中，作者采用了兩套帶尾纖LD雙端抽運，總抽運功率為90W，通過抽運光束整形系統使其在增益介質內的光斑半徑為300μm。實驗中獲得了重復頻率25kHz、單脈沖能量585μJ、脈沖寬度2.26ns、光束質量因子M2<1.7的激光輸出，測試結果如圖9所示。

Fig.9 Measurement of power amplifier

從放大級實驗結果來看，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，導致其在放大光路中消耗反轉粒子數的能力較弱，因此其對抽運功率的提取效率較低。同時，由于實驗中種子激光能量較小，因而其放大倍率應大于理論放大倍率，這與作者的實驗結果相符。

3 結 論

本文中設計并搭建了高重頻窄脈沖Nd∶YVO4聲光調Q激光器。通過短腔長、高功率密度端面抽運的方式獲得高光束質量窄脈沖種子激光，進而通過單程放大的方式獲得較高平均功率激光輸出。在出光實驗中，振蕩級獲得了重頻25kHz、單脈沖能量22.4μJ、脈沖寬度2.19ns、光束質量因子M2<1.2的種子激光，光光轉換效率為24.3%；放大級獲得了重頻25kHz、單脈沖能量585μJ、脈沖寬度2.26ns、光束質量因子M2<1.7的激光輸出，提取效率為15.6%。由于放大級抽運功率較大及散熱均勻性等原因，導致輸出激光光束質量的惡化，下一步將開展提高放大級提取效率及優化光束質量等方面的研究。

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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，高級工程師，現主要從事高重頻固體激光器的研究。

*通訊聯系人。 E-mail:emperorgxs@sina.com

2017-03-09；

2017-04-01

TN248.1

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2018.01.007