一種kHz、窄脈寬、高能量激光器的研究

萬瑋華，　仇振安，　郝培育，　滕云鵬，　沈兆國

(1.光電控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽　471000；　 2.中國航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽電光設(shè)備研究所， 河南 洛陽　471000；　3.陸航駐洛陽地區(qū)軍事代表機(jī)構(gòu)，河南 洛陽　471000)

0　引言

全固態(tài)、高重頻、窄脈寬、電光調(diào)Q激光器一直是工程應(yīng)用的重點(diǎn)。在激光雷達(dá)、激光測距等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。遠(yuǎn)程測距系統(tǒng)中，kHz、窄脈寬(3～

5 ns)、高能量的激光光源研究對提升測距的測程具有重要的研究意義。采用電光調(diào)Q的方式能獲得重復(fù)頻率穩(wěn)定、高峰值功率的激光，其電光響應(yīng)迅速，有利于獲得窄脈寬激光輸出，因此被廣泛運(yùn)用。

滿足上述指標(biāo)的激光器研究較多，主要有：毛小潔等[1]利用LD端面泵浦KD*P晶體獲得了kHz，5 ns，2.7 mJ的1064 nm激光輸出；孫哲等[2]利用LD端面泵浦Nd:YVO4，在腔長為20 mm的情況下，利用KD*P晶體進(jìn)行電光調(diào)Q獲得了重復(fù)頻率為200 Hz，0.42 mJ脈寬小于600 ps的激光輸出；楊文是[3]等利用LD側(cè)面泵浦，對比KD*P與BBO晶體的調(diào)Q特性，并利用BBO晶體獲得了1 kHz，6.5 mJ的激光輸出，脈寬為17.55 ns；鐘國舜[4]等利用LD端面泵浦RTP晶體在低重頻25 Hz下，使用短腔法獲得了脈寬1.8 ns、單脈沖能量1.5 mJ的激光輸出。上述內(nèi)容所研究的激光器輸出能量普遍不高，多采用低功率LD陣列，經(jīng)光纖耦合泵浦的設(shè)計，聚焦至工作物質(zhì)內(nèi)，僅能適用于實(shí)驗(yàn)環(huán)境，在嚴(yán)格的機(jī)載和工程應(yīng)用的環(huán)境中，光纖耦合泵浦的設(shè)計并不能很好地適用。

本文使用了一種峰值功率百瓦量級的LD端泵陣列，并配合三柱透鏡耦合系統(tǒng)，對LD端面泵浦模塊進(jìn)行設(shè)計，實(shí)驗(yàn)中對比了KD*P晶體與RTP晶體的kHz的調(diào)Q特性，利用KD*P晶體能獲得11 mJ的高動態(tài)能量輸出，RTP晶體能獲得5.64 mJ的動態(tài)能量輸出，在腔型結(jié)構(gòu)確定的情況下，通過實(shí)驗(yàn)與理論仿真的對比，驗(yàn)證了短腔法實(shí)現(xiàn)窄脈寬激光輸出的可行性。

1　基本理論

1.1　調(diào)Q開關(guān)

電光開關(guān)的設(shè)計主要依據(jù)泡克耳斯效應(yīng)，晶體折射率與外加電場強(qiáng)度的一次方成正比。不加電場，入射線偏振光的偏振方向與晶體快(或慢)軸成45°夾角正入射時，線偏振光向快、慢軸方向等幅值進(jìn)行投影，通過晶體后，兩正交分量的合成方向與入射光偏振方向相同，偏振狀態(tài)不發(fā)生改變；施加外電場時，由于晶體的橫向電光效應(yīng)，快慢軸的折射率不同，兩正交偏振的相位差隨所加電壓線性變化，當(dāng)所加電壓恰好使兩正交偏振相位差為π的奇數(shù)倍時，合成偏振方向與入射偏振正交，線偏振光方向旋轉(zhuǎn)90°。

目前KD*P晶體在工程應(yīng)用中已比較成熟，具有電光系數(shù)高、消光比高、損傷閾值高等特點(diǎn)，但其拋光面易潮解，使用時需配合特殊的密封與封裝技術(shù)[5]，并且KD*P晶體的工作電壓較高，實(shí)驗(yàn)采用的KD*P晶體四分之一波電壓高達(dá)6 kV。

磷酸鈦氧銣(RTP)晶體為雙軸晶體，存在自然雙折射效應(yīng)。為實(shí)現(xiàn)可靠的RTP電光開關(guān)，必須補(bǔ)償自然雙折射產(chǎn)生的相位差。工程應(yīng)用中一般選取2塊折射率接近的晶體在通光方向正交運(yùn)用，以晶體y軸為通光方向，z軸施加橫向電場，取長度為L、厚度為d的單塊RTP晶體，其兩正交偏振的相位延遲為[6]

(1)

兩晶體正交放置，x軸與z軸旋轉(zhuǎn)90°，當(dāng)入射光經(jīng)過第2塊晶體后，其相位差為

(2)

于是，通過2塊晶體后的總相位差為

(3)

則當(dāng)總相位差Δφ=π時，對應(yīng)的半波電壓為

(4)

實(shí)驗(yàn)選取的RTP晶體通光面尺寸為8 mm×8 mm，晶體的厚度為10 mm；依據(jù)文獻(xiàn)[7]中的折射率色散方程，當(dāng)中心波長λ0=1.064 μm時的主折射率分別為nx=1.764，ny=1.773，nz=1.850。取有效電光系數(shù)γc為23.6 pm/V，z軸橫向加壓對應(yīng)的半波電壓為2.848 kV，四分之一波電壓為1.424 kV。受晶體主軸折射率與有效電光系數(shù)誤差的影響，RTP晶體的實(shí)際工作的四分之一波電壓要比理論值稍高一些，實(shí)驗(yàn)測得RTP晶體橫向四分之一波電壓為1.6 kV。

1.2　窄脈寬理論分析

根據(jù)Degnan的調(diào)Q理論[8]，可以得到調(diào)Q后激光脈沖寬度的表達(dá)式為

(5)

式中：a=(z-1)[z·ln(z)]；無綱量參數(shù)z=2g0lc/L，g0為小信號增益系數(shù)，lc是晶體長度，L是單程損耗；tR為振蕩往返時間，tR=2ll/c，ll是諧振腔光程。

通過式(5)可知，脈沖寬度主要由諧振腔光程ll、小信號增益系數(shù)g0與單程損耗L三者共同決定，諧振腔構(gòu)型確定后，可以將諧振腔的小信號增益系數(shù)與單程損耗測量出來，當(dāng)g0與L確定后，脈沖寬度隨著ll的增大而增長。

1.3　實(shí)驗(yàn)裝置

端面泵浦模塊由國產(chǎn)的4Bar條二維LD陣列構(gòu)成，其峰值功率最大可達(dá)450 W，陣列橫向尺寸較大，設(shè)計了三柱透鏡耦合系統(tǒng)，可以分別對陣列橫向與縱向的發(fā)散角進(jìn)行壓縮，使得泵浦光經(jīng)耦合鏡后聚焦焦點(diǎn)的光斑大小約為3 mm×0.5 mm，該光學(xué)設(shè)計能使光束充滿于工作物質(zhì)內(nèi)，獲得較大的泵浦光束利用率，其泵浦結(jié)構(gòu)與焦點(diǎn)光斑尺寸大小如圖1所示。

圖1　端面泵浦結(jié)構(gòu)設(shè)計圖Fig.1　The design of end-face pumping structure

工作物質(zhì)選用單摻Nd：YAG晶體，摻雜濃度為1 at%,在泵浦面鍍上808 nm增透膜與1064 nm的全反射膜，晶體的尺寸選為4 mm×4 mm×10 mm的矩形塊，其側(cè)面與熱沉塊充分接觸，能更好地進(jìn)行散熱，緩解高重頻運(yùn)轉(zhuǎn)過程中帶來的熱效應(yīng)問題，陣列經(jīng)熱電致冷器(TEC)與陣列熱沉塊充分接觸，工作物質(zhì)熱沉與陣列熱沉之間通過循環(huán)水路進(jìn)行散熱。

采用能適用于高重頻(kHz)運(yùn)轉(zhuǎn)的RTP晶體與KD*P晶體進(jìn)行電光調(diào)Q，2塊RTP晶體正交放置，單塊RTP晶體的尺寸為8 mm×8 mm×10 mm，KD*P晶體尺寸為φ8 mm×32 mm，調(diào)Q晶體靠近半反鏡一端，采用加壓方式進(jìn)行電光調(diào)Q，其激光器結(jié)構(gòu)光路如圖2所示。

圖2　激光器結(jié)構(gòu)光路圖Fig.2　Optical path of the laser

偏振片產(chǎn)生水平方向的偏振光，四分之一波片快軸方向與水平方向成45°，當(dāng)調(diào)Q晶體不施加電壓時，偏振光通過四分之一波片后被半反鏡反射，兩次經(jīng)過四分之一波片，偏振方向旋轉(zhuǎn)90°，經(jīng)調(diào)Q晶體透射后無法再次通過偏振片，腔內(nèi)處于完全關(guān)門的狀態(tài)。當(dāng)調(diào)Q晶體施加了四分之一波電壓時，晶體相當(dāng)于四分之一波片的作用，此時水平偏振光往返兩次經(jīng)過調(diào)Q晶體和四分之一波片，產(chǎn)生的總相位差為2π，不改變偏振光的偏振狀態(tài)，諧振腔開門。通過迅速控制開關(guān)門時間，能有效實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)積累，基于調(diào)Q機(jī)制，產(chǎn)生峰值功率較高的巨脈沖。

2　實(shí)驗(yàn)和結(jié)果

2.1　LD端泵單元的光光轉(zhuǎn)化效率分析

利用激光器電源驅(qū)動LD陣列，工作重頻為1 kHz，放電脈寬為200 μs，采用NOVA-II型能量計測量LD端面泵浦單元的輸出性能，并在不加調(diào)Q器件時，測得激光器靜態(tài)輸出的能量情況如圖3所示。

圖3　陣列輸出光與靜態(tài)輸出光的效率關(guān)系Fig.3　Array and static light output characteristics

陣列泵浦近場輸出的光斑與工作物質(zhì)焦點(diǎn)處的焦點(diǎn)光斑大小相仿，呈3 mm×1.4 mm的橢圓形，陣列的光光轉(zhuǎn)化效率隨著電流的增加存在小量的提升，基于上述LD端面泵浦耦合系統(tǒng)的光光轉(zhuǎn)化效率最大能達(dá)到27%。

2.2　調(diào)Q晶體的動靜比分析

利用上述的靜態(tài)調(diào)試結(jié)果，依照圖2的激光器光路進(jìn)行調(diào)Q晶體的對比實(shí)驗(yàn)。RTP晶體自身的消光比不高(200∶ 1)，并且2塊正交放置的晶體受裝配工藝的影響很難保證較高的軸向精度，因此實(shí)驗(yàn)中很難將諧振腔內(nèi)的漏光調(diào)零，而KD*P晶體卻不存在此缺點(diǎn)，其消光比高(5000∶ 1)，腔內(nèi)漏光調(diào)試較為簡單。RTP晶體z軸橫向的實(shí)際電壓為1.6 kV，KD*P晶體的橫向電壓為6 kV，調(diào)Q延時設(shè)置為200 μs，調(diào)Q電壓上升沿時間小于10 ns，此時不同晶體動態(tài)光與靜態(tài)光的輸出特性、相應(yīng)的動靜比特性如圖4所示。

圖4　動態(tài)與靜態(tài)光輸出特性關(guān)系圖Fig.4　Dynamic and static light output characteristics

對比兩種不同的電光調(diào)Q晶體，RTP的動靜比低于KD*P，在同樣的靜態(tài)光輸入下，利用KD*P晶體進(jìn)行電光調(diào)Q能獲得較大的動態(tài)能量輸出，而對于RTP晶體的動態(tài)調(diào)試，其非線性光學(xué)效應(yīng)較為嚴(yán)重，存在較為明顯的倍頻綠光輸出。通過動靜比的曲線可知，陣列在不同電流下，動靜比的變化呈現(xiàn)出先增大后減小的一個趨勢，由于工作物質(zhì)的有效體積是一定的，隨泵浦的功率增大，動態(tài)輸出的激光能量將逐漸趨于飽和，因此存在最佳的泵浦功率與最佳工作電流，根據(jù)實(shí)測結(jié)果，此構(gòu)型設(shè)計的端面泵浦激光器最佳工作電流為40 A，對應(yīng)的此陣列的峰值功率為240 W。

2.3　脈沖寬度與諧振腔光程關(guān)系

基于RTP晶體進(jìn)行電光調(diào)Q，改變諧振腔腔長，驗(yàn)證前文Degnan的調(diào)Q理論。分別在不同激光器物理腔長(諧振腔光程為對應(yīng)物理腔長+20 mm)下對輸出的動態(tài)激光進(jìn)行脈沖寬度的測量，使用納秒探測器測量，在示波器上得到了輸出激光的脈沖寬度分別為5.76 ns，10.93 ns，13.81 ns，15.69 ns，17.77 ns，20.18 ns，如圖5所示。

圖5　不同腔長下激光輸出波形圖Fig.5　Laser output waveforms under different cavity lengths

諧振腔的主要損耗來自半反鏡的透射損耗，實(shí)驗(yàn)使用的半反鏡反射率為80%，各光學(xué)部件的插入損耗約為5%，取腔內(nèi)的單程損耗系數(shù)為0.25進(jìn)行模擬；實(shí)驗(yàn)測得腔內(nèi)小信號單程增益系數(shù)約為0.26；通過分析式(5)，從理論上進(jìn)行諧振腔光程ll與脈沖寬度tp的仿真，并結(jié)合實(shí)測的脈沖寬度與諧振腔光程的關(guān)系，得到圖6所示的諧振腔光程與脈寬關(guān)系的理論實(shí)際對比圖。從圖6可以看出，在激光器腔型結(jié)構(gòu)確定時，脈沖寬度與諧振腔的光程呈一定的線性關(guān)系，實(shí)驗(yàn)中的實(shí)測數(shù)據(jù)與理論仿真的曲線具有一致性，在調(diào)Q上升沿較窄的情況下(小于10 ns)，為控制諧振腔的光程，利用短腔法實(shí)現(xiàn)小于5 ns的窄脈寬激光輸出，應(yīng)控制諧振腔的光程小于80 mm；受器件本身的結(jié)構(gòu)尺寸限制，本文能滿足的最短腔長為60 mm，利用RTP晶體進(jìn)行高重頻調(diào)制，獲得了脈寬為5.76 ns，動態(tài)能量5.64 mJ的激光輸出。

圖6　諧振腔光程與脈寬關(guān)系圖Fig.6　Optical path of the resonator vs pulse width

3　結(jié)論

考慮工程的實(shí)際應(yīng)用，高功率、多Bar條的LD陣列組合三柱透鏡耦合系統(tǒng)的設(shè)計相比于光纖耦合泵浦的設(shè)計能更好地適用于機(jī)載環(huán)境，此端面泵浦結(jié)構(gòu)的光光轉(zhuǎn)化效率為27%，還具有較大的提升空間；RTP晶體與KD*P晶體都能適用于kHz的高重頻運(yùn)轉(zhuǎn)，受整個腔型結(jié)構(gòu)與RTP晶體安裝精度等影響，實(shí)驗(yàn)測得RTP晶體的動靜比明顯低于KD*P，最大只能達(dá)到40%，晶體消光比不高是一方面的因素，后續(xù)可采用國外的RTP晶體繼續(xù)進(jìn)行調(diào)Q測試，以期能繼續(xù)提高激光器輸出能量。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了短腔法實(shí)現(xiàn)窄脈寬激光輸出的特性，最低獲得了5.76 ns的脈寬，為獲得需求指標(biāo)小于5 ns的脈寬輸出，在腔型確定、調(diào)Q上升沿較窄的情況下盡可能地縮短腔長，能獲得更短的脈寬輸出。本文所獲得的kHz、窄脈寬、高能量的激光器能為遠(yuǎn)程激光測距提供合適的光源，亦可以作為MOPA系統(tǒng)的種子源進(jìn)一步研究如何獲得高重頻、大能量的脈沖激光輸出，在工程應(yīng)用上具有重要的研究意義。

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