微型人眼安全固體激光器技術

馮 江,嚴一鳴,于志偉,解朝晗,李樹平

(華北光電技術研究所,北京 100015)

1 引 言

1.57 μm激光在測距應用中具有獨特的優勢:相較于1.06 μm的波長,1.57 μm波長的激光對應的探測器量子效率更高;1.57 μm波長激光處于1.5～1.8 μm的大氣傳輸窗口,對煙、霧的穿透能力強(穿透能力比1.06 μm激光高兩倍),大氣衰減更小;在同等數據輸出頻率條件下,相同的輸出能量,使用1.57 μm波長的激光器測距系統測距能力更強[1-2]。同時,1.57 μm激光對人眼最安全,在訓練演習使用中可以最大程度的保護己方人員人眼安全。

本文研究了一種使用激光二極管側面泵浦Nd∶YAG晶體,被動調Q產生基波1.06 μm光源,OPO由1.57 μm全反鏡、非線性晶體KTP和1.57 μm輸出鏡組成,采用新型微型設計,將光學膜層蒸鍍在OPO晶體端面,安裝在激光器的諧振腔內,形成內腔式OPO結構的人眼安全脈沖固體激光器。其具有體積小、結構緊湊、環境適應性強、易于工程化等優點,適合用于各種惡劣環境條件下,具有廣泛的應用前景。

2 技術方案

根據實際可能的應用環境,充分考慮激光器系統緊湊性和電光效率,采用內腔式OPO方案,激光器的光學原理圖如圖1所示。總體方案是:采用高峰值功率、準連續梯形結構的激光二極管側面泵浦Nd∶YAG晶體,實現高功率泵浦光的均勻注入;采用被動調Q,開關晶體為Cr4+∶YAG晶體;諧振腔發射鏡鍍膜在Cr4+∶YAG晶體表面;OPO放在激光器的諧振腔內,形成內腔式OPO結構。

圖1 激光器光學原理圖

圖2 計算機模擬的梯形LD對稱側面泵浦模塊的熒光分布圖

圖3 平凸腔輸出光束質量

利用無損光膠工藝,將Nd∶YAG晶體和Cr4+∶YAG晶體連接在一起;優化設計OPO諧振腔參數,將OPO腔全反鏡和輸出鏡通過特殊鍍膜工藝結合在KTP晶體兩端。最終在極小的體積下實現了峰值功率≥2 MW、最高重頻20 Hz、激光束散角≤5 mrad的1.57 μm人眼安全激光輸出,樣機尺寸≤110 mm×40 mm×25 mm,重量≤100 g。

2.1 基波1.06 μm光束質量優化設計

通常,為了降低OPO振蕩閾值、提高OPO效率,OPO腔長選的很短。這就導致OPO諧振腔的非涅爾數變大,選模能力變弱。本產品是微型化產品,OPO諧振腔選模能力不足,需利用高光束質量的基波光源泵浦OPO,提高OPO光束質量,為此做了以下優化設計。

2.1.1 泵浦模塊優化設計

泵浦模塊采用對稱結構,考慮到泵浦均勻性和泵浦區與腔模的匹配,泵浦方式采用梯形LD對稱側面泵浦方式。LD通過導熱材料與紫銅熱沉接觸,熱沉下面是半導體制冷器,半導體制冷器與散熱器相接,通過風冷方式將熱量散掉。Nd∶YAG晶體為激光工作介質,通過與金屬熱沉接觸,經過傳導散熱。調Q采用被動Q開關Cr4+∶YAG晶體,實現窄脈沖激光輸出。

采用梯形二極管直接泵浦,效率較高,而且在理論上可以得到理想的熒光分布,應用計算機軟件對多邊形泵浦方式理論上可以達到的熒光分布情況進行了模擬分析,熒光分布已達理想的分布。

2.1.2 基波諧振腔設計

優化設計熒光分布后,基波諧振腔的設計也很關鍵。如何在諧振腔微小尺寸體積下實現高光束質量激光輸出,是一個技術難點。經過前期理論計算和模擬仿真,選擇平凸腔作為諧振腔。將諧振腔設計曲率精密光加工在Nd∶YAG晶體和Cr4+∶YAG晶體兩端,并鍍以高損傷介質膜層,使得諧振腔具有良好的選模能力。最終獲得較好好的基波光束質量,為實現高光束質量1.57 μm人眼安全激光輸出奠定了基礎。

side-pumping module′s fluorescence distribution

2.2 調Q設計

Q開關技術是通過在激光器振蕩過程中改變共振腔Q值(又稱共振腔品質因子),以產生窄脈沖寬度、高峰值功率的激光束的技術。

本方案中,Q開關方式采用Cr4+∶YAG晶體被動Q開關。之所以選用被動Q開關,主要是考慮到環境適應性、可靠性以及小型化等因素。另一個依據點是被動Q開關,不需要外加Q開關驅動源,沒有高壓干擾。激光器的尺寸也可以做的很短,有利于小型化。被動Q開關的另一個特點是有選模作用,有利于提高泵浦源的光束質量。

下面根據引入了反轉粒子數減少因子γg的被動Q開關工作過程的耦合方程,對基波調Q特性進行數值模擬。引入了反轉粒子數減少因子γg對于Q開關激光器設計理論的優化非常有用。Cr4+離子摻雜的可飽和吸收體帶有明顯的激發態吸收,帶有激發態吸收的材料用作被動調Q開關時的激光速率方程如下:

(1)

(2)

(3)

式中,φ腔內光子密度;Ng增益介質內的粒子數反轉密度;Ns可飽和吸收體內的基態瞬時粒子分布密度;Nsi可飽和吸收體內的初始態瞬時粒子分布密度;σg增益材料的受激發射截面;σs可飽和吸收體的基態吸收截面;σESA可飽和吸收體的激發態吸收截面;lg激光增益介質的長度;ls可飽和吸收體的長度;R輸出鏡的反射率;L諧振腔損耗;γg,γs粒子數減少因子;Λp泵浦速率密度;tg,ts增益介質和可飽和吸收體的馳豫時間;c光速;tr=2l′/c光在光學長度為l′的腔內往返時間;Ag,As增益介質和可飽和吸收體的有效腔模的橫截面積。

應用MATLAB軟件中sumlink模塊,對激光器輸出特性進行了計算機模擬。其中,選定YAG晶體的直徑為3 mm,Cr4+∶YAG晶體小的信號透過率為20 %。根據小信號透過率(T0)計算方程計算可飽和吸收體內的初始態瞬時粒子分布密度Nsi:

T0=exp(-Nsi·σs·ls)

(4)

方程(1)～(3)數值模擬結果如圖4所示。φ曲線代表腔內光子密度的變化情況,當腔內光子密度急劇增加時,增益介質內的粒子數反轉密度和可飽和吸收體內的基態瞬時粒子分布密度急劇減小,此時輸出激光脈沖。激光脈沖的輸出就是腔內光子經由輸出鏡的耦合輸出,由曲線可以得到激光輸出脈寬約為3.7 ns,并可計算得到輸出能量約為30.9 mJ。

圖4 Cr4+∶YAG被動調Q數值模擬結果

2.3 OPO設計

OPO由全反鏡、非線性晶體和輸出鏡三部分組成,如圖5所示。非線性晶體選擇為非臨界相位匹配的KTP晶體。方案設計上,主要考慮OPO效率和OPO光束質量兩個方面。高效率OPO,主要由高光束質量的泵浦源、低的泵浦閾值、強的泵浦功率密度來實現的。設計原則為:泵浦強度至少要超過泵浦閾值的4倍以上。OPO光束質量方面,主要依靠諧振腔的選模來實現小發散角激光輸出。

圖5 人眼安全原理圖

本文研究的激光器,為了實現微型體積,同時需要滿足OPO效率和光束質量,兼顧結構設計穩定性和可靠性,OPO諧振腔的長度不超過30 mm。在強約束條件下,如何設計OPO諧振腔是一個難點。

首先分析了晶體長度對OPO閾值的影響。圖6是利用公式(5),得到了晶體長度與OPO閾值的關系曲線。

對于長脈沖激光泵浦的單共振OPO的泵浦閾值,可以用下列公式計算:

(5)

從圖6可以看出,隨著晶體長度的增加泵浦閾值快速下降。而晶體長度大于30 mm后,泵浦閾值的下降趨于平緩、下降的幅度也減小。

其次分析OPO腔長對OPO閾值的影響。圖7是通過理論計算,得到了OPO腔長與OPO閾值的關系曲線。

圖7 OPO閾值與腔長間的關系曲線

圖8 激光脈沖寬度測試圖

圖9 激光單脈沖能量和重頻測試圖

圖10 激光發射角測試圖

圖11 激光中心波長測試圖

圖12 激光器外形圖

從圖7可以看到,隨著腔長的增加,OPO閾值隨之增加。短腔長,有利于降低OPO閾值,提高OPO效率。

綜合晶體長度與腔長對閾值的影響,在滿足系統的強約束條件下,晶體長度盡量長,諧振腔長盡量短,這樣可以有效地降低OPO閾值,提高OPO效率。設計KTP晶體長度為30 mm,將OPO諧振腔鍍膜在晶體的兩端,最終實現了理想的1.57 μm激光輸出。

3 實驗結果

3.1 脈沖寬度

3.2 單脈沖能量和重頻

3.3 光束發散角

3.4 中心波長

4 結 論

本文研制了一種微型人眼安全固體激光器,采用LD側面泵浦、被動調Q、高效OPO等技術,在微小體積尺寸、輕重量、高環境適應性要求等強約束條件下,獲得了工作頻率20 Hz時,脈沖寬度≤5 ns,單脈沖能量≥10 mJ、光束發散角≤5 mrad、中心波長1.572 μm的人眼安全激光輸出。產品研制成功后,較大幅度地縮小整機體積、重量,有效減輕了系統的負荷,可以廣泛應用在單兵、車載、艦載、機載等平臺,產生了良好的效益。