LD側面泵浦Nd∶YVO4高重頻紫外激光器

崔建豐，岱 欽，鄔小嬌，李福玖，李業(yè)秋，烏日娜,楊 帆

(1．沈陽理工大學 理學院，遼寧 沈陽 110159；2．鞍山紫玉激光科技有限公司，遼寧 鞍山 114044)

1 引言

高重頻調Q固體激光器在激光測距、激光雷達探測、激光通信和工業(yè)加工諸多領域有著重要的應用[1-4]。固體激光器重復頻率越高意味著單個調Q脈沖所能獲得的增益越小[5]，隨著脈沖重復頻率的提高，調Q激光器的脈寬通常會明顯變寬。雖然利用短諧振腔可以產(chǎn)生納秒級甚至亞納秒級的短脈沖，但需要激光晶體上的基橫模光斑和泵浦光斑都很小，限制了泵浦功率，所以這種短脈沖調Q激光器的輸出功率相對較低[6]。

相比于Nd∶YAG晶體，Nd∶YVO4激光晶體受激輻射截面大，泵浦帶寬寬，其激光性能更能適應二極管的溫度變化。在LD端面泵浦結構中，吸收系數(shù)和增益都很高的Nd∶YVO4晶體具有很大優(yōu)勢，然而，在端面泵浦的系統(tǒng)中，泵浦光束通常是高度聚焦的，很難在超過幾毫米的距離內維持小的束腰，因此限制了Nd∶YVO4激光的功率發(fā)展。另外，Nd∶YVO4較難獲得側面泵浦所需尺寸的高質量晶體，若Nd∶YVO4晶體大尺寸限制得到解決，并進一步改進晶體的生長過程，就可以獲得高性能的激光輸出[7]。

在以前的報道中，Nd∶YVO4激光器多為端面泵浦形式，采用側面泵浦鮮有報道。2011年，Li等報道了采用二極管端面泵浦Nd∶YVO4，實現(xiàn)了被動鎖模激光器，在泵浦功率為19.9W 時，獲得穩(wěn)定鎖模輸出功率7.8 W[8]。2014年，李玉瑤等報道了LD端面泵浦Nd∶YVO4晶體腔內倍頻和腔外和頻相結合的聲光調Q準連續(xù)355 nm紫外激光器。采用LD端面泵浦雙側翼鍵合YVO4基質的Nd∶YVO4晶體，并采用雙向和頻光路，在泵浦功率為28.6 W、重復頻率為20 kHz 時，355 nm激光最大輸出功率4.2 W，脈寬為20.6 ns[9]。2016年，王旭等報道了連續(xù)激光二極管端面泵浦Nd∶YVO4的調Q激光器。實驗研究了輸出耦合鏡透射率不同、重復頻率不同時激光器調Q的輸出特性。當重復頻率為20 kHz時，得到的平均輸出功率為2.67 W，脈沖寬度為2.2 ns，斜率效率為37%，并使用KTP晶體對激光器輸出的1 064 nm激光進行了腔外倍頻，獲得了重復頻率20 kHz、平均輸出功率1.33 W的532 nm綠光輸出，倍頻效率為50%[10]。2018年，范灝然等報道了878.6 nm波長LD雙端泵浦Nd∶YVO4聲光調Q激光器。在重復頻率為100 kHz、晶體吸收功率58 W時，獲得18.2 W的1 064 nm激光輸出，光-光轉換效率31.3%，脈寬15.2 ns；在重復頻率為500 kHz、晶體吸收功率58 W時，獲得26.1 W的1 064 nm激光輸出，光-光轉換效率45%，脈寬44.2 ns[11]。

Nd∶YVO4晶體的增益高、熒光壽命短，在高重頻運轉條件下與Nd∶YAG相比，產(chǎn)生的Q脈沖相對也較短。論文針對Nd∶YVO4的優(yōu)點，采用了LD側面泵浦結構，利用聲光調Q方式，選用Ⅰ類和Ⅱ類相位匹配的LBO晶體，設計了腔內三倍頻V型諧振腔結構，獲得了高重頻、激光閾值低的355 nm紫外激光輸出。在LD泵浦電流30 A、重復頻率為20 kHz時，355 nm激光最大輸出功率達到了8.5 W，脈沖寬度為37 ns，1 064 nm基頻光到355 nm紫外激光的光-光轉換效率為25.8%。

2 實驗裝置

LD側面泵浦Nd∶YVO4高重頻紫外激光器結構如圖1所示。激光晶體采用尺寸為φ3 mm×40 mm的Nd∶YVO4晶體，a軸切割，增益介質的摻雜摩爾分數(shù)為0.5%，Nd∶YVO4晶體兩個端面均鍍1 064 nm增透膜。采用脈沖LD 側面泵浦方式，采用6個BAR均勻三角側面泵浦，單個BAR功率為30 W，滿負荷電流為35 A。激光模塊采用循環(huán)水冷卻方式。腔內插入聲光Q開關(Gooch &Housego Ltd，英國)，射頻功率為100 W的聲光驅動電源驅動，調制重復頻率在1～150 kHz可調。M1、M2、M3為平面鏡，構成V型諧振腔結構。腔鏡M1鍍1 064 nm全反膜(R>99.5%)，腔鏡M2鍍1 064 nm/532 nm/355 nm全反膜(R>99.5%)，激光輸出鏡M3一面鍍1 064 nm/532 nm全反膜(R>99.5%)、355 nm增透膜(T>95%)，另一面鍍355 nm增透膜(T>95%)。腔外利用45°分光鏡濾除1 064 nm/532 nm波段激光。倍頻晶體LBO1采用Ⅰ類相位匹配，θ= 90°，φ=11.2°，尺寸為5 mm×5 mm×25 mm，和頻晶體LBO2采用Ⅱ類相位匹配，θ=43.3°，φ=90°，尺寸為5 mm×5 mm×30 mm，兩塊晶體雙端面均鍍1 064 nm/532 nm/355 nm增透膜。

圖1 355 nm 紫外全固態(tài)激光器結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of UV solid state laser in 355 nm

3 結果與討論

實驗中適當調節(jié)激光光路和偏振狀態(tài)，使整個系統(tǒng)處于最佳匹配。在重復頻率為20 kHz時，實驗測量了1 064 nm的基頻光和355 nm激光的輸出特性。在激光光路中，將M2換成透過率為30%的1 064 nm輸出鏡，M3換成1 064 nm全反鏡，去掉LBO1和LBO2，采用激光功率計(PM150-50，Coherent公司，美國)測量了1 064 nm激光的輸出參數(shù)。355 nm和1 064 nm基頻光輸出平均功率隨泵浦電流的變化曲線如圖2所示，從圖中可以看出，在重復頻率為20 kHz、泵浦LD的注入電流達到最大30 A時，355 nm紫外激光輸出最大平均功率達到了8.5 W，紫外激光泵浦閾值約為16 A。此時，1 064 nm基頻光輸出最大平均功率為33 W。

圖2 激光輸出功率隨LD泵浦電流的變化曲線Fig.2 Variation of laser output power with LD pump current

采用DET10A型探測器(Thorlabs公司，美國)和Wavepro7200A型存儲示波器(2 GHz，LeCory公司，美國)測量了355 nm激光脈沖寬度，測量得到的激光脈沖波形如圖3所示。在重復頻率為20 kHz、355 nm激光平均功率為8.5 W時，激光脈沖寬度為36.9 ns。對應的激光單脈沖能量為425 μJ，峰值功率為11.5 kW。在重復頻率20 kHz時，測量了355 nm激光脈沖寬度隨LD泵浦電流的變化情況，如圖4所示?？梢钥闯?，355 nm激光功率為1.35 W時，激光脈沖寬度為76 nm，隨著注入電流的增大，355 nm紫外光的脈寬急劇變窄。

當LD注入電流為30 A時，在不同的重復頻率條件下，測量了355 nm激光輸出平均功率和脈沖寬度，如圖5所示。隨著激光脈沖重復頻率的增加，單脈沖的儲能時間降低，反轉粒子數(shù)與閾值反轉粒子數(shù)的比值下降，導致355 nm激光脈沖寬度變寬。同時 1 064 nm基頻光峰值功率下降，導致腔內倍頻轉換效率下降，紫外激光的輸出功率也會明顯下降。

圖3 355 nm激光單脈沖波形Fig.3 Monocycle waveform of 355 nm laser

圖4 脈沖寬度隨LD泵浦電流的變化曲線Fig.4 Variation of pulse width with LD pump current

圖5 當LD泵浦電流為30 A時，激光脈沖寬度和輸出功率隨重復頻率變化曲線。Fig.5 Variation of output power and pulse width of 355 nm laser with different repetition rates

4 結論

針對增益高、泵浦帶寬寬的Nd∶YVO4激光晶體，采用LD側面泵浦方式，利用聲光調Q技術，設計了腔內三倍頻V型諧振腔結構，獲得了高重頻、高增益的355 nm紫外激光輸出。在重復頻率為20 kHz、LD泵浦電流為30 A時，獲得了最高平均功率8.5 W、脈沖寬度為36.9 ns的355 nm紫外激光輸出。隨著激光技術領域的不斷發(fā)展，LD側面泵浦Nd∶YVO4高重頻激光器可以充分利用Nd∶YVO4晶體的優(yōu)勢，有望在激光應用領域發(fā)揮更大的作用。