用于種子注入的Nd∶YAG調(diào)Q激光振蕩器設(shè)計(jì)與研究

龍江雄,李 剛,楊 彬,于廣禮,丁建永,姚紅權(quán)

(1.陸軍工程大學(xué)電子與光學(xué)工程系,河北 石家莊 050003;2.南京先進(jìn)激光技術(shù)研究院,先進(jìn)全固態(tài)激光技術(shù)研發(fā)中心,江蘇 南京 210046)

1 引 言

全固態(tài)單頻激光器由于其窄線寬和較長的相干長度在激光測風(fēng)雷達(dá)[1-2]、引力波探測[3-4]以及泵浦光參量振蕩器[5]等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。目前常用的實(shí)現(xiàn)高功率單頻激光輸出的技術(shù)是種子注入諧振探測技術(shù),是根據(jù)種子光與腔內(nèi)振蕩模式的干涉情況調(diào)節(jié)腔長,在合適的時(shí)機(jī)打開Q開關(guān),從而輸出線寬較窄的單頻激光。

調(diào)Q振蕩器在該類單頻激光器中起著至關(guān)重要的作用,其輸出光束質(zhì)量,脈沖能量及脈沖寬度直接決定著種子注入的單頻激光器的相應(yīng)指標(biāo)。本文對調(diào)Q振蕩器的輸出脈沖功率和脈沖寬度進(jìn)行了理論分析,并根據(jù)需要的單頻激光器的能量和脈寬指標(biāo)要求(脈沖能量>8 mJ,脈寬<7 ns)確定了最佳輸出鏡透過率這個(gè)對振蕩器輸出能量有重要影響的參數(shù)。通過分析得到理論上的熱透鏡焦距,確定腔長范圍,并研究了在不同腔長條件下,輸出脈沖寬度的變化情況,最終確定了合適的腔長。根據(jù)這些參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),最終實(shí)現(xiàn)了脈沖能量8.6 mJ、脈沖寬度6.6 ns、重復(fù)頻率500 Hz的激光脈沖輸出,光束質(zhì)量指標(biāo)為水平方向Mx2=1.22,垂直方向My2=1.29。

2 理論分析

根據(jù)速率方程理論,由于調(diào)Q脈沖持續(xù)時(shí)間極短,Q開關(guān)期間可忽略泵浦和自發(fā)輻射對輸出激光能量的影響,因此調(diào)Q運(yùn)轉(zhuǎn)的速率方程可表示如下[6]:

(1)

式中,φ為墻內(nèi)光子數(shù)密度;n為反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度;σ為受激發(fā)射截面積;l為激光晶體長度;ε為墻內(nèi)損耗;tR為光子在腔內(nèi)的往返時(shí)間。其中:

tR=2l′/c

(2)

ε=-lnR1-lnR2+L+ζ(t)

(3)

式中,l′為諧振腔對應(yīng)的往返光程;R1和R2分別為后腔鏡和前腔鏡的反射率;L為往返損耗;ζ(t)為階躍函數(shù),在Q開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí),其值為1。

聯(lián)立公式(1)～(3),可得到Q開關(guān)激光器運(yùn)轉(zhuǎn)的解析解[7],Degnan[8]進(jìn)一步對該結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化后得出輸出脈沖能量Eout和輸出鏡最佳透過率Ropt的另一種較為簡潔的表達(dá)式:

(4)

(5)

其中,z=2g0l/L為單一無量綱變量函數(shù);g0為小信號(hào)增益;A為有效光束截面積,在高斯泵浦光束中取平均泵浦光斑面積;hν受激輻射光子能量;γ為簡并因子。

利用優(yōu)化后的解析解可以比較方便地求出最佳輸出鏡反射率。要求諧振腔輸出的1064 nm激光脈沖能量大于8 mJ、脈沖寬度小于7 ns。將Eout=8.5 mJ代入公式(4),結(jié)合表1所示參數(shù)可計(jì)算出z=12.5,將其代入公式(5)可得Ropt=70.1%。根據(jù)理論分析結(jié)果,選擇透過率為70%的平平透鏡作為耦合輸出鏡。

表1 上述公式中的相關(guān)參數(shù)

激光晶體的熱透鏡焦距可以用下式進(jìn)行估算[6]:

(6)

其中,η=32%為轉(zhuǎn)化為熱的功率與吸收的功率之比;Kc=0.18 W/(cmK)為熱傳導(dǎo)系數(shù);dn/dT=7.3×10-6K-1表示折射率隨溫度變化的變化量;α=4.1 cm-1為晶體的吸收系數(shù),以上四個(gè)參量為Nd∶YAG晶體的材料參量;Pin表示晶體吸收的功率,正常工作時(shí),Pin=22 W。泵浦光通過耦合系統(tǒng)在晶體中的平均光斑半徑約為0.6 mm。將以上參量代入公式(6)可計(jì)算得到熱透鏡焦距為396 mm。實(shí)驗(yàn)腔型采用平平腔結(jié)構(gòu),為使諧振腔工作在穩(wěn)定區(qū)域,諧振腔長度必須小于晶體在最大泵浦功率下晶體的熱焦距396 mm。為滿足脈寬指標(biāo)要求,需測量不同腔長條件下輸出脈沖寬度來確定合適的腔長范圍。

3 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,諧振腔為U型腔,由透過率為5%的后腔鏡(M1)、透過率為70%的前腔鏡(M2)和兩片1064/808 nm分色鏡(DM:對808 nm高透&對1064 nm高反)組成；激光晶體采用長度40 mm、直徑4 mm的鍵合Nd∶YAG晶體,其中Nd3+粒子摻雜濃度為0.5 at.%,摻雜長度為30 mm,兩端未摻雜部分長度均為5 mm,未摻雜晶體能夠作為熱沉,有利于晶體散熱,從而降低熱量積累引起的熱致退偏和熱透鏡效應(yīng)。晶體兩端面分別鍍有1064 nm & 808 nm增透膜,晶體由銦箔裹著裝在紫銅熱沉中,連接水冷機(jī)進(jìn)行散熱,控制其溫度在(21±1)℃,因?yàn)橥ㄟ^實(shí)驗(yàn)得知在此溫度下,晶體對泵浦光的吸收率較高。腔內(nèi)光學(xué)元件還包括、工作電壓為4200 V的Q晶體(KDP)、四分之一波片(λ/4)、和薄膜偏振片(TFP)。

單頻種子激光從后腔鏡注入諧振腔。泵浦二極管(LD)為nLIGHT公司的Pearl型產(chǎn)品,中心波長808 nm,最高連續(xù)輸出功率為200 W,額定工作電流7.5 A,由光纖導(dǎo)光,纖芯直徑600 μm。由于Nd∶YAG上能級粒子壽命為230 μs,為盡可能提高諧振腔輸出功率,設(shè)置LD輸出信號(hào)脈沖寬度為250 μs,重復(fù)頻率為500 Hz。泵浦耦合系統(tǒng)由兩片焦距分別為38 mm和20 mm的平凸透鏡以及防回光保護(hù)鏡組成,聚焦腰斑在0.8～1.6 mm范圍內(nèi)可調(diào)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置原理圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

首先通過測量四種不同腔長(340 mm、290 mm、250 mm、220 mm)條件下輸出脈沖寬度,得到了如圖2所示結(jié)果,從圖中可以看出,腔長越長,輸出脈沖寬度越短,且在泵浦功率17.7 W時(shí),輸出脈沖寬度均能滿足小于7 ns的要求,我們認(rèn)為在腔長處于220～340 mm之間的長度都是合適的。為保證光學(xué)元件的工作穩(wěn)定性,盡量使系統(tǒng)工作時(shí)的峰值功率盡可能低,將腔長設(shè)置為300 mm。

圖2 不同腔長條件下輸出脈沖寬度隨泵浦功率的變化關(guān)系

由于LD的額定工作電流為7.7 A,將最大工作電流(限制電流)設(shè)置為7.5 A,此時(shí)泵浦功率為21.6 W。用L40(150)A-v2型功率計(jì)測量自由運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),振蕩器最大輸出功率為8.21 W,對應(yīng)的光光效率為38%,斜率效率為47.7%。其輸出特性曲線如圖3所示,從圖中可以看出,隨著泵浦功率增加,振蕩器自由運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)輸出功率線性增加。在調(diào)Q工作狀態(tài)下,振蕩器在泵浦功率17.7 W時(shí),輸出脈沖功率4.28 W,脈沖寬度6.6 ns,重復(fù)頻率500 Hz,計(jì)算得到脈沖能量為8.6 mJ,對應(yīng)的峰值功率為1.3 MW,其斜率效率為28.9%,這一數(shù)值小于自由運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的對應(yīng)數(shù)值,原因可能是隨著泵浦功率的增加,激光晶體和Q晶體的熱致退偏效應(yīng)越來越明顯[9-10],導(dǎo)致輸出的水平偏振光減少。之所以在調(diào)Q狀態(tài)下未使泵浦LD工作在最大電流,是因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)中當(dāng)設(shè)置LD工作電流為7.5 A時(shí),Q晶體的鍍膜面被激光打壞,因此為保證激光器長久穩(wěn)定運(yùn)行,調(diào)Q時(shí)的泵浦電流最大限制在6.5 A,而且此時(shí)的振蕩器輸出脈沖能量已經(jīng)能夠滿足要求。用帶寬為500 MHz的PIN管和示波器測量輸出激光的脈寬,其脈寬特性如圖3所示。泵浦功率17.7 W時(shí),輸出脈沖波形如圖4所示。在此泵浦功率條件下,用M2-200s-FW型光束質(zhì)量分析儀測量激光光束質(zhì)量,得到的結(jié)果如圖5所示,水平方向Mx2=1.22,垂直方向My2=1.29,接近光束衍射極限,其遠(yuǎn)場能量空間分布如圖6所示。從對光束質(zhì)量的測量結(jié)果中可以得到,輸出基模在束腰處的光斑半徑約為700 μm,根據(jù)平平諧振腔中的高斯分布可知在兩個(gè)腔鏡上的光斑分布面積最小,計(jì)算得到在輸出鏡上的峰值功率密度約為338 MW/cm2,小于光學(xué)元件的損傷閾值。功率穩(wěn)定性測量結(jié)果如圖7所示,1 h功率波動(dòng)范圍小于0.5%,功率穩(wěn)定性較好。

圖3 振蕩器的輸出功率及脈寬特性

圖4 泵浦功率17.7 W時(shí)輸出脈沖波形

圖5 基模光束質(zhì)量測試結(jié)果

圖6 遠(yuǎn)場光斑空間分布

圖7 輸出光功率穩(wěn)定性測量結(jié)果

5 結(jié) 論

通過理論分析設(shè)計(jì)并搭建了用于單頻種子注入的調(diào)Q激光振蕩器,振蕩器在自由運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),最高能輸出功率8.21 W,對應(yīng)的光光效率和斜效率分別為38%和47.7%。調(diào)Q運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),輸出脈沖平均功率為4.28 W,脈沖寬度為6.6 ns,相應(yīng)的脈沖能量為8.6 mJ,峰值功率為1.3 MW,調(diào)Q斜效率為28.9%。光束質(zhì)量指標(biāo)為Mx2=1.22,My2=1.29,接近衍射極限。設(shè)計(jì)的振蕩器滿足預(yù)期指標(biāo),而且輸出光束質(zhì)量較好,可用于研制種子注入的單頻激光器,也可作為獨(dú)立使用的調(diào)Q脈沖激光器。