環(huán)形腔單頻激光振蕩及功率放大系統(tǒng)研究

孫靜瑋，余洋，王凱鑫，高春清

（1 北京理工大學(xué) 光電學(xué)院，北京 100081）

（2 光電成像技術(shù)與系統(tǒng)教育部重點實驗室，北京 100081）

（3 信息光子技術(shù)工業(yè)與信息化部重點實驗室，北京 100081）

0 引言

全固態(tài)單頻脈沖激光器由于具有線寬窄、相干長度長、穩(wěn)定性高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于相干激光探測［1-2］、激光遙感［3-4］、激光測距［5-6］等領(lǐng)域。近年來在相干激光探測領(lǐng)域，風(fēng)場信息、大氣成分濃度、大氣氣溶膠、相干成像等的檢測需求越來越大，單頻激光器是激光雷達(dá)的關(guān)鍵器件?；贜d∶YAG 晶體的1 064 nm 單頻脈沖激光器除了可直接用作激光雷達(dá)的光源進行風(fēng)場和氣溶膠的探測外，也可以通過倍頻、和頻、光學(xué)參量振蕩等非線性變頻方式產(chǎn)生其他波長的單頻激光輸出，有重要的應(yīng)用價值［7-10］。

2009 年，XIE Shiyong 等報道了一臺1 064 nm 準(zhǔn)連續(xù)高功率可調(diào)諧的單頻激光器［11］，其振蕩級采用三鏡環(huán)形行波腔的結(jié)構(gòu)，通過腔內(nèi)插法拉第旋光器和標(biāo)準(zhǔn)具的方式，在重復(fù)頻率1 kHz 下獲得了13.2 W 的單頻可調(diào)諧的激光輸出，后經(jīng)過放大器雙程放大后獲得功率44 W 的激光輸出，放大倍數(shù)約3.3 倍。2011 年，他們使用1 064 nm 和1 319 nm 單頻光源通過和頻的方式，在589.159 nm 處獲得了的7.5 W 準(zhǔn)連續(xù)輸出［12］。2015年，ZHANG Junxuan 等報道了一臺半導(dǎo)體激光器（Laser Diode，LD）雙端脈沖泵浦單頻Nd∶YAG 激光器［13］，該激光器采用U 型駐波腔結(jié)構(gòu)，利用RbTiOPO4晶體進行電光調(diào)Q，通過種子注入的方式，在重復(fù)頻率400 Hz下獲得了9.9 mJ 的1 064 nm 單頻脈沖激光輸出。2016 年，他們使用該單頻激光器作為光學(xué)參量振蕩器的泵浦源，獲得了2.05 μm 的信號光輸出［14］。2018 年，LONG Jiangxiong 等報道了一臺種子注入單頻Nd∶YAG 激光系統(tǒng)［15］，其振蕩級采用U 型駐波腔結(jié)構(gòu)，利用電光調(diào)Q 方式在重復(fù)頻率500 Hz 下獲得了8.4 mJ 單頻脈沖激光輸出，并通過倍頻方式獲得了能量1.1 mJ 的倍頻激光脈沖輸出，通過LD 雙端泵浦Nd∶YAG 放大器進一步提升了激光能量。2020 年，CREMONS D R 等報道了一臺可用于直接探測火星軌道風(fēng)場和氣溶膠的激光雷達(dá)，該雷達(dá)發(fā)射機為基于主振蕩器和功率放大器的Nd∶YAG 激光系統(tǒng)［16］。該系統(tǒng)采用環(huán)形腔種子注入的方式獲得單頻調(diào)Q 激光輸出，并通過一級放大最終在250 Hz 的重復(fù)頻率下獲得了脈沖能量4 mJ 的1 064 nm 激光輸出。

本文設(shè)計研制了一種全固態(tài)單頻脈沖Nd∶YAG 激光振蕩及功率放大系統(tǒng)，振蕩級采用六鏡行波環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，通過腔內(nèi)插入法拉第旋光器、偏振片和半波片的方式使振蕩器單向單頻運轉(zhuǎn)，通過聲光調(diào)Q 的方式獲得單頻脈沖輸出。為了獲得更高的輸出能量，振蕩級后加入了一級放大級，有效提升了系統(tǒng)輸出能量。最終該系統(tǒng)在25 Hz 的重復(fù)頻率下獲得了脈沖能量15.85 mJ、脈沖寬度62.7 ns 的單頻脈沖激光輸出。

1 實驗裝置

設(shè)計的單頻Nd∶YAG 脈沖激光振蕩及功率放大系統(tǒng)的光路圖如1 所示，包含一個振蕩級和一個放大級。

圖1 單頻脈沖Nd∶YAG 激光振蕩及功率放大系統(tǒng)實驗裝置Fig.1 Experiment setup of single frequency pulsed Nd∶YAG laser oscillation and power amplification system

1.1 激光振蕩器結(jié)構(gòu)

該激光振蕩器為M2 至M7 構(gòu)成的六鏡環(huán)形行波腔結(jié)構(gòu)，為了壓縮輸出激光的脈沖寬度，腔長被壓縮至930 mm 左右。M2、M4、M5 和M7 是808 nm 透射率95%和1 064 nm 反射率99.5%的45°平面雙色鏡，M3 為曲率半徑1 000 mm 的平凸反射鏡，鍍有808 nm 高透膜以及1 064 nm 高反膜，M6 為1 064 nm 透射率20%的輸出鏡，曲率半徑為-1 000 mm。

該振蕩器的泵浦源為光纖耦合的半導(dǎo)體激光器（LD），中心波長808 nm，數(shù)值孔徑為0.22，光纖芯徑為200 μm。泵浦光束通過由兩個凸透鏡（L1、L2）組成的泵浦耦合系統(tǒng)后聚焦在增益介質(zhì)中，泵浦光束在增益介質(zhì)內(nèi)的直徑約為1 mm。為了降低連續(xù)端面泵浦引起的熱效應(yīng)，采用φ4×50 mm3低摻雜的YAG/Nd∶YAG 復(fù)合晶體作為增益介質(zhì)，其中摻雜部分長度為45 mm，Nd3+粒子摻雜濃度0.2at.%，未摻雜部分的長度為5 mm，用于傳導(dǎo)晶體棒積累的熱量，降低熱退偏以及熱透鏡效應(yīng)。晶體棒的兩端面均鍍有808 nm 和1 064 nm 的增透膜。Nd∶YAG 晶體棒被銦箔均勻包裹并放置在銅制熱沉當(dāng)中，銅制熱沉的溫度由熱電制冷器（Thermo-Electric Cooler，TEC）控制在18 ℃，TEC 通過鋁制水冷熱沉進行散熱。

諧振腔內(nèi)插入的法拉第旋光器、半波片和薄膜偏振片起到光隔離的作用，通過旋轉(zhuǎn)半波片的光軸，可以使得腔內(nèi)激光單向運轉(zhuǎn)，消除空間燒孔效應(yīng)，獲得單頻激光輸出。腔內(nèi)的聲光Q 開關(guān)用于調(diào)Q 獲得脈沖激光輸出。

1.2 激光放大器結(jié)構(gòu)

由振蕩器輸出的脈沖激光通過光束整形后進入放大器中進行能量的進一步放大。放大器的泵浦源為LD 側(cè)面泵浦Nd∶YAG 模塊，該側(cè)泵模塊由兩個相同的Nd∶YAG 晶體棒以及LD 陣列構(gòu)成，Nd∶YAG 晶體棒的尺寸為φ5×25 mm3，Nd3+粒子的摻雜濃度為1.0at.%，LD 陣列為弧形排列封裝。該模塊由水冷熱沉進行散熱，溫度由TEC 控制在最佳工作溫度37 ℃。為了充分利用放大器的增益介質(zhì)，由振蕩器輸出的激光光束通過焦距為400 mm 的凸透鏡（L3）進行擴束至略小于側(cè)泵晶體棒橫截面積的尺寸。

LD 泵浦陣列的最大峰值功率為4 800 W，最大泵浦電流為200 A，脈沖寬度為250 μs，重復(fù)頻率為25 Hz。LD 側(cè)泵模塊的驅(qū)動電源可以通過外部調(diào)制的方式控制振蕩器中聲光Q 開關(guān)的驅(qū)動電源，通過實驗對比后將設(shè)置Q 開關(guān)延遲時間為250 μs，在該延遲時間下，振蕩器的增益介質(zhì)在Q 開關(guān)打開之前可以積累足夠的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)。

2 理論分析

Nd∶YAG 晶體在808 nm 處具有較高的吸收截面，晶體吸收大量泵浦光會產(chǎn)生一定的熱致退偏和熱透鏡效應(yīng)，產(chǎn)生光束質(zhì)量惡化并對諧振腔的穩(wěn)定性有一定影響，且連續(xù)單端泵浦時其熱效應(yīng)更為嚴(yán)重，因此降低晶體的熱效應(yīng)非常重要。本節(jié)以實驗使用的Nd∶YAG 晶體為基礎(chǔ)，建立LD 連續(xù)單端泵浦下的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)模型，并通過有限元分析的方法分析晶體摻雜濃度和端面鍵合對晶體溫度的影響。

2.1 穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)模型

圖2 為Nd∶YAG 晶體棒結(jié)構(gòu)示意圖，假設(shè)晶體棒左端的中心為坐標(biāo)原點，建立如圖2 所示的笛卡爾坐標(biāo)系。晶體棒的半徑為R，長度為L，泵浦光沿z軸入射到晶體中。晶體的側(cè)面在水冷熱沉及TEC 的作用下保持恒溫18 ℃，晶體兩個端面與空氣自然對流散熱。

圖2 Nd∶YAG 晶體棒結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of the Nd∶YAG rod

根據(jù)能量守恒定律和傅里葉定律，該模型下LD 連續(xù)單端泵浦的溫度場分布滿足以下三維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程和溫度邊界條件

式中，T(x，y，z)代表點(x，y，z)處的溫度，Q(x，y，z)為熱源函數(shù)，表示單位體積產(chǎn)熱量，Kx=Ky=Kz=K表示各向同性介質(zhì)在x、y、z三個方向上的熱傳導(dǎo)系數(shù)。Tc為側(cè)面冷卻溫度，T0為環(huán)境溫度，h0為晶體棒端面與空氣的自然對流換熱系數(shù)。

由于泵浦光通過光束整形后由晶體棒的端面入射，則泵浦光束可以近似看作沿x、y方向呈高斯分布，沿z方向呈指數(shù)吸收，則LD 連續(xù)單端泵浦Nd∶YAG 晶體棒的熱源函數(shù)可以表示為

式中，α為晶體對泵浦光的吸收系數(shù)，η為熱轉(zhuǎn)換系數(shù)，Pabs=ηabsPin表示被晶體吸收的泵浦功率，Pin為入射泵浦功率，ηabs為泵浦光的吸收效率。ωp（z）為泵浦光在點z處的光斑半徑，其表達(dá)式為

式中，ω0為泵浦光的束腰半徑，M2為泵浦光光束質(zhì)量因子，n為晶體折射率，λp為泵浦光波長。

2.2 仿真及結(jié)果分析

仿真使用的三個晶體模型如圖3所示，晶體棒直徑為4 mm，摻雜部分長度均為45 mm。模型A（圖3（a））的Nd3+粒子摻雜濃度為0.4at.%，模型B、C（圖3（b）、（c））的Nd3+粒子摻雜濃度為0.2at.%。僅模型C 左端面鍵合5 mm 長未摻雜的YAG 晶體。

圖3 Nd∶YAG 晶體模型Fig.3 Nd∶YAG crystal models

利用有限元分析軟件求解LD 連續(xù)單端泵浦下三個模型的端面溫度場分布情況。當(dāng)入射泵浦功率Pin為40 W、泵浦光斑束腰半徑為0.5 mm 時，模型C 左端面的溫度分布以及三個模型左端面中心軸線上的溫度分布如圖4 所示。

圖4 LD 連續(xù)單端泵浦下晶體模型的溫度場Fig.4 Temperature field of the crystal models under LD continuous single-ended pumping

由圖4 可以看出，晶體的端面溫度呈高斯分布，Nd3+粒子摻雜濃度越高，晶體端面溫度越高，使用端面鍵合的晶體端面溫度明顯小于未鍵合晶體溫度。由此證明，降低Nd3+粒子摻雜濃度和使用端面鍵合的晶體可以有效降低晶體端面溫度，減小因熱量積累產(chǎn)生的熱透鏡效應(yīng)等不良影響。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 振蕩器結(jié)果分析

圖5 是25 Hz 重復(fù)頻率下輸出脈沖能量及脈沖寬度與泵浦功率的關(guān)系曲線。隨著泵浦功率的增加，輸出能量首先近似呈線性增長后趨于飽和。當(dāng)泵浦功率為42 W 時，輸出激光能量為2.18 mJ。實驗中改變調(diào)Q 重復(fù)頻率至50、100、200 和300 Hz，發(fā)現(xiàn)輸出能量曲線幾乎與圖5 一致。這是由于Nd∶YAG 晶體上能級壽命僅約230 μs，當(dāng)重復(fù)頻率小于4.3 kHz，每個脈沖經(jīng)過晶體時晶體的上能級均能積累足量的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)以供消耗，所以在低重頻的狀態(tài)下改變重復(fù)頻率，輸出能量曲線幾乎保持不變。隨著泵浦功率的增加，脈沖寬度隨之減小，且減小幅度逐漸降低。

圖5 重復(fù)頻率25 Hz 下振蕩器脈沖能量及脈沖寬度和泵浦功率的關(guān)系曲線Fig.5 Pulse energy and pulse width as a function of the pump power of the oscillator at the repetition rate of 25 Hz

在重復(fù)頻率25 Hz 下測量最大輸出能量處的激光脈沖波形圖。使用帶寬10 GHz 的PIN 光電二極管接收激光脈沖的散射光，使用帶寬1 GHz 的示波器顯示脈沖波形，實驗采集的脈沖波形如圖6 所示。當(dāng)振蕩器非單頻運轉(zhuǎn)時，會產(chǎn)生多個縱模模式，激光脈沖波形上出現(xiàn)多個調(diào)制尖峰（圖6（a））。當(dāng)振蕩器單頻運轉(zhuǎn)時，激光脈沖的波形平滑無調(diào)制，脈沖寬度約為63.2 ns（圖6（b））。經(jīng)長時間觀測，我們發(fā)現(xiàn)激光脈沖波形始終平滑且可重復(fù)，證明振蕩器為單縱模輸出。利用光譜儀測量激光脈沖光譜得，激光脈沖的中心波長為1 063.6 nm。

圖6 振蕩器輸出脈沖波形Fig.6 The output pulse waveform of the oscillator

3.2 放大器結(jié)果分析

從振蕩器輸出的脈沖激光通過側(cè)面泵浦模塊進行能量放大。圖7 是放大器輸出的脈沖能量與泵浦電流的關(guān)系曲線。放大器的輸入能量為1.85 mJ，隨著泵浦電流的增加，輸出能量隨之增長且漲幅沒有變緩的趨勢。當(dāng)泵浦電流為120 A 時，最大輸出能量為15.85 mJ，放大倍數(shù)約為8.6 倍。由于TEC 性能的限制，繼續(xù)增加泵浦電流，側(cè)面泵浦模塊的溫度無法穩(wěn)定維持在最佳工作溫度37 ℃，后續(xù)通過優(yōu)化側(cè)面泵浦模塊的制冷裝置可獲得更高能量輸出。在增加泵浦電流的同時監(jiān)測放大器輸出激光脈沖波形，發(fā)現(xiàn)在此過程中脈沖寬度幾乎保持不變，且單頻性能保持良好。實驗中輸入放大器的脈沖激光能量密度較弱，屬于小信號輸入的情況，此時放大器中不會出現(xiàn)明顯的增益飽和現(xiàn)象。小信號輸入時，脈沖的各部分功率增益是相等的，輸出脈沖波形沒有畸變，所以在此過程中脈沖寬度幾乎保持不變。在最大輸出能量時，放大器的輸出脈沖寬度約為62.7 ns，結(jié)果如圖8 所示。

圖7 重復(fù)頻率25 Hz 下放大器脈沖能量和泵浦電流的關(guān)系曲線Fig.7 Pulse energy as a function of the pump current of the amplifier at the repetition rate of 25 Hz

圖8 放大器輸出脈沖波形Fig.8 The output pulse waveform of the amplifier

4 結(jié)論

設(shè)計實現(xiàn)了重復(fù)頻率25 Hz 的1 064 nm Nd∶YAG 單頻激光振蕩-放大系統(tǒng)。采用了六鏡環(huán)形腔作為振蕩器，通過腔內(nèi)插入法拉第旋光器及聲光Q 開關(guān)的方式獲得了單頻脈沖激光輸出。經(jīng)過一級放大后，最終在重復(fù)頻率25 Hz 下獲得了脈沖寬度62.7 ns、能量15.85 mJ 的1 064 nm 單頻脈沖輸出。該系統(tǒng)在激光雷達(dá)、泵浦參量振蕩器方面具有較大的應(yīng)用價值。