多波長半導體激光陣列端泵Nd∶YAG脈沖激光器

彭 超, 劉學勝*, 司漢英 , 董 劍, 曹明真, 劉友強, 王智勇

(1. 北京工業大學 激光工程研究院， 北京 100022；2. 中國電子科技集團第五十三研究所， 遼寧 錦州 121000)

1 引 言

激光二極管(Laser diode，LD)端面泵浦小體積高能量全固態激光器由于具備重量輕、結構緊湊、功耗低、輸出能量大等優點，在激光雷達、激光測距、激光制導等領域具有廣闊的應用前景。但是，激光二極管作為泵浦源，其發射波長隨著工作溫度的升高而發生紅移，其變化量通常為0.2～0.4nm/℃，溫漂將導致LD的發射譜線與Nd∶YAG的吸收譜線失配，增益介質的吸收系數降低，激光器的輸出效率急劇的降低，一般會采取復雜的溫控系統對激光器進行制冷[1-9]，溫控系統增加系統的體積與功耗，不能滿足無人駕駛、激光測距、激光雷達等特殊應用對激光器的小型化的要求。因此，拓展激光器穩定工作的溫度范圍，精簡激光器的溫控散熱系統，已成為小型化全固態激光器設計與工程化的關鍵問題。

多波長LD泵浦技術的原理是通過拓展LD的譜線數量，使得在寬溫度范圍內，總有泵浦光能被工作物質吸收，該系統有利于降低溫控系統的壓力，減小激光器的體積與功耗，同時保證激光器的高能量輸出。至今為止，國內外關于多波長LD泵浦全固態激光器的研究還很少見。2007年，美國海軍夜視與電子傳感指揮部的Lew Goldberg等首次采用360mJ的3-λ半導體堆棧通過透鏡導管耦合系統泵浦端面口徑5mm×5mm×20mm的Nd∶YAG晶體得到輸出能量50mJ的1064nm激光輸出，脈寬為25～30ns[10]。2013年，長春理工大學孫建楠等采用在工作溫度分別為23，24，25，26，27℃時中心波長為808.3nm的5-λ半導體堆棧側面泵浦長度為22mm的Nd∶YAG晶體，在重頻20Hz、溫控精度1.5℃的條件下，得到了74mJ能量的激光輸出，工作環境溫度為-40～50℃[11]，該實驗雖然采用了多波長LD作為泵浦源得到了高能量的激光輸出，但是未對免溫控下的激光器的輸出特性進行實驗。2016年，武漢軍械士官學校的劉旭等以LD的光譜特性、溫漂特性與Nd∶YAG晶體的吸收特性為基礎，提出了一種激光器免溫控泵浦源的多波長選擇理論，為寬溫度范圍激光器免溫控工作提供了新思路[12-15]。

本文設計了一款4-λ多波長激光二極管陣列(Laser diode array，LDA)端面泵浦φ6mm×60mm的Nd∶YAG晶體的電光調Q激光器，未對激光器采取任何溫控措施，在LDA泵浦能量676mJ、重復頻率10Hz、環境溫度25℃的條件下，最高輸出能量為74.4mJ，脈寬為15ns，光光轉換效率為11%。

2 實驗裝置

2.1 多波長泵浦方案

本文所選用的泵浦源為4-λ的準連續激光二極管陣列，由20條LD封裝構成，發光區域尺寸為10mm×7.6mm，bar條之間節距為0.38mm。LD的輸出峰值功率為200W/bar，最大輸入電流為205A/bar，輸入電壓為2V/bar，溫漂系數為0.26nm/bar，光束發散角為8°×36°。波長變化范圍為790～820nm，LD額定中心波長為799.5，804.4，809，812.7nm(在25℃)。4種波長以806nm為基準波長在其兩側對稱分布，每種波長具有5-bars。圖1為在780～825nm的變化范圍內摻雜摩爾分數為1%的Nd∶YAG晶體的吸收系數隨波長的變化曲線圖。由圖可知，摻雜摩爾分數為1%的Nd∶YAG晶體對780～825nm范圍內的泵浦光存在多個吸收峰，中心波長為795，805，808.3nm的Nd∶YAG吸收峰要強于其他吸收峰的吸收效率，且對808.3nm附近的泵浦光吸收系數最高，吸收帶寬為2nm，上能級壽命一般是230μs。

圖1 1%Nd∶YAG晶體的吸收光譜

為了準確確定LDA的輸出波長，采用光纖光譜儀對LDA在25,35,45,55℃的中心波長進行測定[16-18]，如圖2所示。當LDA的工作溫度為25℃時，LDA輸出光譜的中心波長為801.8，804，808.5，811.7nm。當LDA的工作溫度為35℃時，LDA輸出光譜的中心波長為802.3，805.7，809，812.3nm。當LDA的工作溫度為45℃時，LDA輸出光譜的中心波長為804.5，811.6，814.5，818nm。當LDA的工作溫度達到55℃時，LDA的輸出激光的波長在810～830nm的范圍內無序分布，主輸出波長為811，817，820.2，823.3nm，并伴隨強烈的寄生波長輸出，如813.5，808.4nm，這是由于LD波導內存在巨大的熱損耗，LDA產生了劇烈的寄生振蕩。

圖2多波長LDA的發射波長隨溫度的變化曲線圖。(a)25℃；(b)35℃；(c)45℃；(d)55℃。

Fig.2Muti-color pump-diode wavelengthversustemperature. (a)25℃. (b)35℃. (c)45℃. (d)55℃.

采用的多波長LDA泵浦源出射的各中心波長的泵浦光在1%Nd∶YAG中的吸收系數如表1所示。LDA的4種中心波長的LD按照1∶1∶1∶1配比。當泵浦源工作溫度在25,35,45,55℃時，Nd∶YAG晶體對泵浦光的吸收系數分別為0.33，0.24，0.188，0.165mm-1。

表1Nd∶YAG的吸收系數隨泵浦波長的變化

Tab.1 Absorption coefficient of Nd∶YAG as pump wavelength

波長/nm吸收系數/cm-1波長/nm吸收系數/cm-1801．81804．54．18043811．61．4808．58814．50．9811．71．28181．1802．30．98111．3805．738171．88094820．21．6812．31．7823．31．9

Nd∶YAG晶體對多波長LDA泵浦源的吸收系數會比單一中心波長808.3 nm泵浦源小，Nd∶YAG晶體對不同工作溫度下多波長LDA的吸收系數相差不大，采用多波長LDA作為泵浦源雖然犧牲了增益介質泵浦光的吸收系數，但是卻能減緩在寬的溫度范圍內激光器輸出功率的下降速度。因此，為了保證各工作溫度下Nd∶YAG晶體都能對泵浦光保持很高的吸收效率，應采用長吸收距離的增益介質。

2.2 多波長LDA泵浦電光調Q激光器的實驗方案

多波長LDA端面抽運Nd∶YAG電光調Q激光器實驗裝置如圖3所示，本實驗采用直腔式結構，實驗裝置由多波長LDA、Nd∶YAG晶體、透鏡導管耦合系統、諧振腔、電光調Q開關組成。

圖3 多波長LDA泵浦Nd∶YAG全固態激光器的實驗裝置示意圖

Fig.3 Experimental device of muti-color LDA pumped Nd∶YAG all-solid-state laser

LDA固定于紫銅支架上，并使用導熱硅脂與一個15 W的風扇改善其散熱性能。額定輸出峰值功率4 000 W的LDA采用一個40 V的外接直流電源驅動，電源的工作頻率在1～20 Hz連續可調。為了減小快軸方向的發散角，在LDA表面安裝快軸準直鏡對快軸發散角進行壓縮，再通過透鏡導管對泵浦光束進行傳輸與壓縮，將泵浦光束尺寸壓縮至3.5 mm×3.5 mm。整個耦合系統的耦合效率為58%，透鏡導管輸出光束的快慢軸發散角為27.8°×12.8°。透鏡導管的泵浦光輸入面與輸出面未鍍減反射膜，泵浦光束在傳輸的過程中損耗比較嚴重，導致透鏡導管耦合系統的光束傳輸效率不高。由于透鏡導管的輸出光束的發散角比較大，透鏡導管貼近泵浦Nd∶YAG晶體。Nd∶YAG晶體的尺寸為φ6 mm×60 mm，摻雜摩爾分數為1%，選用長吸收距離的增益介質使多波長泵浦光被充分吸收，晶體的前表面鍍有雙色膜，透過率大于95.5%的790～830 nm增透介質膜與反射率大于99.8%的1 064 nm全反介質膜，后表面鍍有1 064 nm的增透介質膜，晶體的前表面與輸出耦合鏡(OC)組成平行平面腔，腔長為132 mm。調Q晶體是由兩塊沿通光方向正交的RTP晶體封裝組成，采用雙晶體結構抵消了RTP晶體自然雙折射產生的相位差。兩塊RTP晶體的通光孔徑為7.7 mm×7.7 mm×10 mm，整個調Q開關的物理長度為25 mm，與λ/4波片(QWP)、線偏振片共同實現電光調Q。

3 實驗結果與分析

首先進行1 064 nm激光輸出的自由振蕩實驗，在輸出鏡透過率T=45%、泵浦脈沖寬度為200 μs、環境溫度25 ℃的條件下，自由振蕩輸出能量隨泵浦電流的變化，如圖4所示。采用透鏡導管耦合系統的激光器自由振蕩輸出的能量隨泵浦電流的升高而上升，當電流達到200 A時，輸出能量達到最高的174 mJ，激光器的最高輸出能量隨著重復頻率的升高而減小，這是由于隨著頻率的上升，晶體內的熱透鏡效應越來越嚴重，導致輸出能量減小。在同一頻率下，當泵浦電流從60 A增加至160 A時，輸出能量隨著電流的增加而快速增大，當泵浦電流超過160 A后，腔內反轉粒子數慢慢飽和，激光器的增益逐漸減小，輸出能量也趨于飽和。

圖4 自由振蕩輸出能量隨電流的變化

Fig.4 Output energy of free oscillationversuscurrent in the different repetition rates

在諧振腔中依次插入45°線偏振片、RTP晶體、λ/4波片，進行電光調Q實驗，激光器的Q開關關斷效果良好，在泵浦脈寬200 μs、調Q延時200 μs的條件下，采用透過率為30%、45%、60%、70%的輸出鏡進行對比分析實驗，輸出鏡取不同的透過率時，調Q輸出能量隨泵浦電流的變化如圖5所示。當重復頻率5 Hz、注入電流200 A時，LDA的抽運能量為676 mJ，輸出1 064 nm的單脈沖能量達到最高的74.4 mJ，脈寬15 ns，光光轉換效率為11%。由于透鏡導管輸出的泵浦光束的發散角太大，透鏡導管輸出光束耦合進Nd∶YAG晶體時的損耗過大而使激光器的光光轉換效率偏低。 激光器輸出耦合鏡的最佳透過率為45%，諧振腔內的損耗包括散射損耗、吸收損耗、輸出損耗，當輸出鏡的透過率高于最佳輸出透過率時，輸出損耗過大，激光器的輸出能量會不斷減小，當輸出鏡的透過率低于最佳輸出透過率時，激光器的能量提取率太低。

圖5 不同重復頻率下調Q輸出能量隨泵浦電流的變化

Fig.5 AverageQ-switched output powerversuspumped current at different repetition rates

采用SPL光電二極管接收調Q輸出脈沖的散射光，連接到Tektronix MDO3000示波器來顯示輸出波形，5 Hz重復頻率下的激光輸出的脈沖寬度隨泵浦電流的變化如圖6所示。在一定的重復頻率下，激光輸出的脈沖寬度隨泵浦電流的增加而逐漸變窄，這是由于隨著泵浦能量的增加，工作物質的上能級的反轉粒子數積累的時間越短，能量的提取效率越高，則Q開關打開后，能在最短的時間消耗完反轉粒子數。當重復頻率5 Hz、泵浦電流170 A時，得到的脈沖寬度15.8 ns，相應的脈沖波形如圖7所示，激光輸出脈沖波形光滑穩定，只存在一個主尖峰且邊緣光滑。

圖6 輸出脈寬隨泵浦電流的變化

圖7 輸出脈寬的波形圖

采用轉光片檢測光斑形狀，如圖8所示，輸出光能量均勻，輸出光斑為扁平方形光斑。采用黑白激光調光像紙測量激光輸出光斑尺寸，在10 cm處激光的輸出光斑尺寸為2.9 mm×5.5 mm，在100 cm處激光輸出光斑尺寸為2.8 mm×5.3 mm。激光器輸出光束的水平方向與豎直方向的發散角分別是θx=(2.9-2.8)/(1000-100)=0.11 mrad，θy=(5.5-5.3)/(1000-100)=0.22 mrad。

圖8 激光器輸出光斑

對激光器的溫度特性進行了測試，將采用球面透鏡導管耦合方式的激光器的殼體溫度控制在25～55 ℃，反復測試在重復頻率5 Hz與10 Hz、泵浦電流200 A條件下的激光器的平均單脈沖能量隨工作溫度的變化，如圖9所示，黑線與紅線表示重復頻率在5 Hz與10 Hz時激光器輸出能量隨溫度的變化。

圖9 脈沖能量隨工作溫度的變化

由圖9可知，在同一重復頻率下，隨著LDA工作溫度的上升，泵浦光的輸出光譜逐漸漂移出Nd∶YAG晶體的強吸收帶寬，激光器的輸出能量逐漸降低。當工作溫度為25～37 ℃時，激光器輸出的能量迅速下降。這是由于紫銅熱沉與風扇的散熱效率不是太高，使LDA內的熱積累速度過快，隨著工作溫度的上升，LD的輸出波長向長波長迅速漂移，且由于部分bar條受到損傷，能與795，805，808.3 nm吸收峰相匹配的LD輸出光譜會迅速減少，特別是LDA的輸出波長會逐步遠離808.3 nm的強吸收峰帶寬，Nd∶YAG晶體對泵浦光的吸收系數迅速下降，這造成了激光器的輸出能量減小。當工作溫度在37～55 ℃時，LDA與外界環境迅速達到熱平衡，而多波長組合的4種LD的輸出光譜范圍比較窄，LD輸出波長未能與Nd∶YAG晶體的808.3 nm吸收峰相匹配，導致Nd∶YAG晶體對泵浦光的吸收系數較低，又因為吸收系數隨溫度升高的變化緩慢，激光器的能量輸出較為平穩。只有拓展LD的泵浦波長范圍與增加泵浦中心波長數目，才能在寬工作溫度范圍內獲得更加穩定的激光輸出。隨著工作溫度的上升，激光器的最低輸出能量在5 Hz與10 Hz的條件下分別為48 mJ與37 mJ，這是由于隨著重復頻率的升高，LDA與激光晶體的熱負載越來越嚴重，熱效應越來越嚴重，這導致激光器的輸出能量隨重復頻率的增加而降低。

4 結 論

針對高能量激光器的無水冷、免溫控與小型化的需求，采用多波長激光器二極管陣列端面泵浦Nd∶YAG晶體，得到了74.4 mJ、15 ns的1 064 nm的激光輸出，最后對激光器的溫度特性進行了測試，激光器的輸出能量隨著泵浦源工作溫度的升高，呈現先迅速減小然后保持穩定的趨勢，當重復頻率分別為5 Hz和10 Hz時，激光器對應的最低輸出能量穩定在48 mJ與37 mJ。本文針對多波長LDA輸出光譜的研究與多波長LDA端泵全固態激光器的實驗研究，為實現激光器的無水冷免溫控、拓展激光器的工作溫度范圍提供了一定的借鑒意義。

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