垂直腔面發(fā)射激光端面泵浦的高能量調(diào)Q Nd∶YAG激光

謝仕永，王久旺，孫 勇，黃康勝，王彩麗，2，史小玄，2，薄鐵柱，2，蔡 華，2，宋普光

(1. 中國建筑材料科學研究總院有限公司，北京 100024；2. 建材行業(yè)特種光電材料重點實驗室，北京 100024)

1 引 言

高能量低重頻調(diào)QNd∶YAG激光峰值功率高、脈沖寬度窄，具有連續(xù)運轉的激光不可比擬的優(yōu)勢，在激光雷達、激光預處理及激光測距等領域有著廣泛的應用[1-3]。基于高能量調(diào)QNd∶YAG 1 064 nm激光及其變頻產(chǎn)生的532，355 nm激光廣泛應用于大氣激光雷達中[4-8]。西安理工大學華燈鑫研究組設計和構建了波長為355， 532和1 064 nm 的多波長米散射激光雷達系統(tǒng)，實現(xiàn)了對地表氣溶膠的探測[6]。該研究組還選用355 nm 激光作為激勵源，分別設計拉曼激光雷達分光系統(tǒng)和高光譜分辨率激光雷達分光系統(tǒng)，實現(xiàn)氣溶膠的精細探測[7]。中國海洋大學吳松華研究組基于大氣粒子彈性后向散射信號的退偏振比，研究了三波長發(fā)射系統(tǒng)的水汽-云-氣溶膠激光雷達系統(tǒng)，可連續(xù)探測對流層水汽和云的垂直廓線[8]。

目前，商用的高能量低重頻調(diào)QNd∶YAG激光器多采用脈沖氙燈泵浦方式，氙燈光譜寬，導致激光器效率低，激光產(chǎn)生過程中的大量廢熱需通過水流帶走，相應的制冷系統(tǒng)增加了激光系統(tǒng)的質量，且存在冷卻水泄露等隱患。另外，氙燈壽命一般為107次脈沖，需要定期更換。全固態(tài)激光器采用半導體激光二極管(Laser Diode，LD)泵浦，可實現(xiàn)LD譜線與增益介質吸收譜線較好的匹配，能量轉換效率高，廢熱產(chǎn)生率低，通過半導體制冷即可導出熱量，大大提高了系統(tǒng)的可靠性與環(huán)境適應性；此外，LD壽命可達1010脈沖數(shù)，比氙燈提高了3個量級。LD側面泵浦Nd∶YAG晶體板條是獲取高能量 1 064 nm調(diào)Q激光的重要技術手段。Armandillo等基于板條Z形幾何光路和高斯非穩(wěn)腔設計來減小激光波前畸變和提高激光光束質量，在邊發(fā)射LD泵浦能量750 mJ條件下產(chǎn)生了100 mJ，20 ns的1 064 nm脈沖激光，光光轉換效率為13.3%[9]。中科院上海光機所的陳衛(wèi)標研究組使用布魯斯特角切割的Z形Nd∶YAG板條，通過傳導冷卻的方式將邊發(fā)射LD及激光晶體廢熱導出，利用KD*P的普克爾效應進行調(diào)Q， 獲得了100 mJ，10 ns 的1 064 nm 激光輸出，光光轉換效率為13%[10]。與側面泵浦相比，端面泵浦條件下的泵浦光束能更好地與激光振蕩模式相匹配，空間交疊程度高，有利于提高激光轉換效率。Goldberg等利用由3組不同中心波長的邊發(fā)射LD組成的列陣端面泵浦Nd∶YAG晶體，輸出1 064 nm調(diào)Q激光的能量最高為60 mJ，光光轉換效率達17%[11]。 目前，主要通過高功率的邊發(fā)射LD泵浦源產(chǎn)生高能量的調(diào)Q激光輸出。

近年來，垂直腔面發(fā)射激光(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)技術發(fā)展迅速[12-14]。與邊發(fā)射LD相比，VCSEL具有各向發(fā)散角相同，波長隨溫度漂移小等優(yōu)勢，因此作為泵浦源在耦合至增益介質時更容易進行光束整形，同時對溫度不敏感，降低了對VCSEL控溫精度的要求，甚至不需要主動控溫，從而有利于獲得高效率、結構緊湊的激光輸出。目前有關VCSEL泵浦的研究還比較少[15-19]。Goldberg等采用6.4 mm×6.4 mm的VCSEL陣列端面泵浦Nd∶YAG晶體棒，通過Cr∶YAG飽和吸收的被動調(diào)Q獲得了18 mJ的1 064 nm窄脈沖激光，光光轉換效率為12.5%[15]。Seurin等研發(fā)了VCSEL模塊用于側面泵浦Nd∶YAG晶體棒，每個模塊包含12個3 mm×3 mm 的808 nm VCSEL陣列，采用聲光調(diào)Q產(chǎn)生了21 mJ的946 nm 脈沖激光[18]。本文采用Φ8.93 mm的近似圓形VCSEL陣列端面泵浦Nd∶YAG晶體棒，電光調(diào)Q獲得了高能量、高效率的1 064 nm窄脈沖激光輸出。通過優(yōu)化Nd3+摻雜濃度和減小激光晶體泵浦端面增益，有效抑制了影響調(diào)Q激光能量提高的自激振蕩，為獲得高能量端面泵浦調(diào)Q激光輸出提供了有效的技術手段。

2 實驗及分析

2.1 實驗裝置

808 nm VCSEL端面泵浦調(diào)QNd∶YAG激光光路如圖1所示，它包括泵浦源VCSEL、VCSEL整形透鏡F、激光晶體(LC)、1 064 nm偏振器(PS)、1 064 nm 四分之一波片(QW)、電光晶體(EOC)及輸出耦合鏡(OC)。其中，808 nm VCSEL陣列(Princeton Optronics， Inc.)如圖2所示，由4個間距約為1 mm的發(fā)光象限形成一個近似圓形(Φ8.93 mm)的發(fā)光區(qū)域，每個象限包括數(shù)以千計的VCSEL發(fā)光點。VCSEL陣列隨溫度的波長漂移為0.07 nm/℃，在低占空比條件下通過銅散熱器傳導冷卻即可，無需主動控溫，有利于減小激光器的功耗與體積。808 nm VCSEL陣列在低占空比(<1%)條件下可提供最高800 W的峰值功率。陣列的數(shù)值孔徑為0.15，各方向發(fā)散角相同，通過透鏡(f=8.5 mm)可以很容易地聚焦到激光晶體內(nèi)。激光晶體采用Nd∶YAG棒，直徑為4 mm，Nd∶YAG泵浦面鍍有1 064 nm高反膜和808 nm高透膜，另一通光面鍍1 064 nm增透膜。偏振分束器對1 064 nm光進行起偏，使得垂直偏振的s光反射，水平偏振的p光透射。偏振分束器與1 064 nm四分之一波片及電光晶體構成調(diào)Q組件，對諧振腔Q值進行調(diào)制，產(chǎn)生脈沖激光輸出。電光晶體選用LN晶體，尺寸為9 mm×9 mm×25 mm， 兩通光面均鍍1 064 nm增透膜，在四分之一波脈沖電壓驅動下工作以滿足調(diào)Q需要。輸出耦合鏡與激光晶體的泵浦端面構成激光諧振腔，實現(xiàn)1 064 nm激光的振蕩輸出。

圖1 VCSEL端面泵浦調(diào)Q Nd∶YAG激光光路Fig.1 Light path of VCSEL end-pumped Q-switched Nd∶YAG laser

圖2 VCSEL陣列布局Fig.2 Layout of VCSEL array

2.2 Nd∶YAG晶體參數(shù)優(yōu)化

VCSEL端面泵浦Nd∶YAG晶體是獲得高光束質量、高轉換效率1 064 nm調(diào)Q激光輸出的有效途徑，然而工作物質端面對泵浦光的吸收形成的高增益極易引起自激振蕩，嚴重制約了高能量的調(diào)Q激光輸出。根據(jù)比爾吸收定律，激光介質對端面泵浦光的吸收呈指數(shù)規(guī)律下降，基于激光工作物質對泵浦光的吸收系數(shù)與激活粒子濃度呈比例的關系，通過降低激活粒子的摻雜濃度，減小激光介質端面對泵浦光的吸收率，可以實現(xiàn)端面增益的降低，進而有效抑制自激振蕩。理論模擬不同Nd3+摻雜濃度下Nd∶YAG晶體對808 nm VCSEL光的吸收率，結果如圖3所示，在泵浦功率為800 W時，Nd3+摻雜濃度為1.0%， 0.6%， 0.1%時泵浦端面吸收率分別為640，384及64 W/mm?？梢姡S著晶體激活粒子濃度的下降，吸收效率逐漸降低，從而可實現(xiàn)有效的自激振蕩抑制。同時，為了保證激光介質對泵浦光的充分吸收，在降低端面吸收率時則需要通過增加晶體長度實現(xiàn)。圖4數(shù)值模擬的不同Nd3+濃度下VCSEL泵浦光吸收隨晶體長度的變化。計算結果顯示，Nd3+摻雜濃度為1.0%， 0.6%， 0.1%下在達到對泵浦光95%的吸收時對應的晶體長度分別為3.7， 6.2及37 mm。通過以上分析可以看出，為了降低晶體端面增益需要減小Nd3+的摻雜濃度，而激活粒子濃度的下降則需要增加晶體長度來保證對泵浦光的充分吸收。本實驗采用Nd3+摻雜0.1%的低濃度Nd∶YAG晶體作為激光工作介質，晶體長度為37 mm，確保對泵浦光的充分吸收，以獲得高動靜比與高能量的調(diào)Q激光輸出。

圖3 不同Nd3+摻雜濃度下的VCSEL泵浦光吸收率Fig.3 Absorptivity of VCSEL pump power under different Nd3+ doping concentrations

圖4 VCSEL泵浦光吸收隨晶體長度的變化曲線Fig.4 Variation of absorption of pump power with length of laser crystal

2.3 諧振腔輸出耦合率優(yōu)化

在產(chǎn)生高能量脈沖激光的過程中，由于高的峰值功率會引起激光諧振腔內(nèi)部光學器件的損傷，為了獲得45 mJ，8 ns，光斑3.5 mm的1 064 nm 脈沖激光輸出，腔內(nèi)功率密度的計算公式如下：

(1)

其中：I2為腔內(nèi)功率密度，I1為腔外功率密度，R為輸出鏡反射率，T為輸出鏡透過率。計算結果如圖5所示，隨著輸出耦合透過率的不斷增大，腔內(nèi)功率逐漸減小，為了避免光學器件的損傷，原則上透過率越高越好。本研究中，光學器件鍍膜的損傷閾值一般為500 MW/cm2，而計算結果顯示在輸出耦合率為20%時對應的腔內(nèi)功率密度為526 MW/cm2，因此在優(yōu)化輸出耦合率時需保證透過率不低于20%才能確保激光器運行時不出現(xiàn)器件損傷。通過實驗測試了不同透過率時的激光輸出能量，發(fā)現(xiàn)隨著透過率的不斷增大，輸出能量逐漸減小，最終確定采用透過率為25%的輸出耦合鏡。

圖5 腔內(nèi)功率密度隨輸出耦合率的變化曲線Fig.5 Variation of intracavity power intensity with output coupling ratio

2.4 實驗結果

實驗中，首先對泵浦源的輸出特性進行了研究，VCSEL的峰值功率隨驅動電流的變化如圖6所示。在20 Hz， 250 μs的條件下，VCSEL的輸出功率與電流基本呈線性關系，在電流為235 A時輸出最高800 W的泵浦功率，斜效率為3.6 W/A。通過近紅外光纖光譜儀(HR2000CG， Ocean Optics)對VCSEL的光譜進行了測量，結果如圖7所示。中心波長為808.4 nm，對準了Nd∶YAG晶體的吸收峰，譜寬(FWHM，半高全寬)為2 nm，是普通邊發(fā)射LD譜寬的1/3，較窄的譜寬保證了激光晶體對泵浦光的充分吸收。

圖6 VCSEL輸出功率隨電流的變化曲線Fig.6 Variation of VCSEL output power with drive current

圖7 VCSEL光譜Fig.7 Spectrum of VCSEL

通過能量計(PE50BF-DIFH-C， Ophir-Spiricon Inc.)對1 064 nm激光的輸出能量進行了測試，測試結果如圖8所示。在VCSEL最高泵浦能量為200 mJ時輸出了45 mJ的1 064 nm調(diào)Q激光，光光轉換效率高達22.5%。同時，對調(diào)Q過程的動靜比進行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著泵浦能量的增大動靜比并沒有明顯的下降，最高泵浦能量下靜態(tài)(未調(diào)Q)輸出48 mJ的1 064 nm激光，動靜比達到93.8%。由此可以看出，采用低濃度的Nd∶YAG 晶體降低泵浦端面增益有效地抑制了自激振蕩，在高泵浦能量下仍然保持高的動靜比，從而為獲得更高能量的1 064 nm脈沖激光提供了有效的技術手段。隨著輸出功率的不斷提高，VCSEL作為泵浦源有望獲得更高能量的Nd∶YAG 脈沖激光輸出。

圖8 1 064 nm激光輸出能量隨VCSEL泵浦能量的變化曲線Fig.8 Variation of output energy of 1 064 nm laser with pump energy of VCSEL

圖9 1 064 nm激光的二維光強分布Fig.9 Two-dimensional beam profile of 1 064 nm laser

利用光束質量分析儀(SP620U， Spiricon Inc.) 對20 Hz， 45 mJ的1 064 nm激光進行了光束質量測量，測得的光強二維分布如圖9所示?？梢钥闯?，光強近似呈高斯分布，光斑大小約為3.5 mm。利用套孔法對1 064 nm激光的發(fā)散角進行了測量，通過一長焦透鏡(f=3 m)將激光聚焦，在光束聚焦位置測得光腰直徑為3.6 mm，計算可得1 064 nm激光的發(fā)散角為1.2 mrad。1 064 nm 激光脈沖波形通過一快速響應的硅光電探測器(DET10A， Thorlabs) 和示波器(DPO 4104，Tektronix)進行測量，測量結果如圖10所示，激光脈沖寬度約為8 ns。

圖10 1 064 nm調(diào)Q激光脈沖波形Fig.10 Pulse waveform of 1 064 nm Q-switched laser

3 結 論

本文通過VCSEL端面泵浦Nd∶YAG獲得了高能量的1 064 nm調(diào)Q激光輸出。通過模擬計算分析了Nd3+摻雜濃度與自激振蕩的關系，在保證對泵浦光充分吸收的前提下確定了激光晶體的濃度與長度。為了避免光學器件的鍍膜損傷，計算了諧振腔內(nèi)的功率密度，輸出耦合鏡的透過率確定為25%。VCSEL泵浦能量為200 mJ時，產(chǎn)生了最高45 mJ的1 064 nm調(diào)Q激光輸出，光光轉換效率達到22.5%。激光脈寬為8 ns， 發(fā)散角為1.2 mrad。對調(diào)Q過程的動靜比進行了研究，采用低濃度的Nd∶YAG晶體降低泵浦端面增益能夠有效抑制自激振蕩，在高泵浦能量下仍然保持了高的動靜比，從而為獲得更高能量的1 064 nm 脈沖激光提供了有效的技術手段。