百赫茲百毫焦全固態(tài)納秒激光器技術(shù)研究

李 剛，卜英華，李龍?bào)J，郭俊超，王 亮，劉 芳，張 佳，楊華梅，陳文建

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065）

引言

激光二極管陣列泵浦的納秒脈沖激光器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事和科研等領(lǐng)域，尤其在軍事領(lǐng)域應(yīng)用更是廣泛。軍事領(lǐng)域主要應(yīng)用于激光制導(dǎo)、激光測距、激光雷達(dá)和激光指示等方面，同時對激光器提出了嚴(yán)苛的高低溫、環(huán)境適應(yīng)性以及質(zhì)量功耗方面的要求[1-4]。2015年，延新杰等采用電光調(diào)Q、多級放大、電控偏振態(tài)切換技術(shù)實(shí)現(xiàn)100 Hz、750 mJ@1 064 nm 的激光輸出[5]。2016年，中科院光電研究院報(bào)道了全固態(tài)大能量固體激光器樣機(jī)，輸出能量3 J，重復(fù)頻率100 Hz，該激光器采用種子振蕩-功率放大(MOPA)的技術(shù)路線。工作頻率為100 Hz、單脈沖能量為10 μJ 的單縱模種子激光經(jīng)過Φ3 mm 放大模塊2 級雙程放大，隨后經(jīng)過2 個串聯(lián)的Φ6.35 mm 放大模塊雙程放大，再經(jīng)過2 個串聯(lián)的Φ10 mm 放大模塊雙程放大，光束1:1 分束后分別經(jīng)過2 個串聯(lián)的Φ15 mm 放大模塊單程放大，最后通過偏振合束獲得了3.36 J 能量的穩(wěn)定輸出。實(shí)測輸出激光的光束口徑為Φ14 mm，脈沖寬度為7.1 ns，光束質(zhì)量為1.7 倍衍射極限，能量穩(wěn)定性(PV)為4.74%[6]。同年，中科院光電研究院樊仲維，邱基斯，唐熊忻等人優(yōu)化參數(shù)，在重復(fù)頻率100 Hz，種子光注入10.73 μJ 的條件下，實(shí)現(xiàn)了3.31 J 能量輸出，脈沖寬度4.58 ns，遠(yuǎn)場光束質(zhì)量為2.12 倍衍射極限，能量穩(wěn)定性（RMS）為0.87%[7]。2017年，Li Chaoyang 等在100 Hz 重復(fù)頻率下，實(shí)現(xiàn)了諧振腔脈沖能量為185 mJ，脈寬10.7 ns，光束質(zhì)量為2.31 的激光輸出[8]。2018年，中國工程物理研究院應(yīng)用電子研究所靳全偉、龐毓等人采用大模體積腔+漸變反射率輸出鏡技術(shù)，在500 Hz 條件下，實(shí)現(xiàn)能量140 mJ，脈寬17.76 ns 的1 064 nm 激光輸出，激光光束質(zhì)量達(dá)到了1.6[9]。上述激光器根據(jù)應(yīng)用背景不同，研究的側(cè)重點(diǎn)不同，目前對軍用激光二極管陣列泵浦的納秒脈沖全固態(tài)激光器的研究聚焦在以下3 個方面：1）追求大的脈沖能量；2）追求較高的重頻；3）追求小型化，實(shí)現(xiàn)較高的能量質(zhì)量比，尤其對于機(jī)載產(chǎn)品更是苛求體積與質(zhì)量。然而，增加脈沖能量，提高重復(fù)頻率，勢必會大大增加泵浦功率，從而增加全固態(tài)結(jié)構(gòu)的散熱壓力，導(dǎo)致激光晶體熱效應(yīng)嚴(yán)重，同時結(jié)構(gòu)組件也會有明顯的熱致形變[10-14]。本文旨在研究一種方法，在有效體積質(zhì)量條件下，實(shí)現(xiàn)百赫茲百毫焦納秒脈沖激光輸出，滿足軍用產(chǎn)品對激光器的體積質(zhì)量以及功耗的苛刻要求，尤其針對機(jī)載產(chǎn)品。采用2 路50 Hz 激光，進(jìn)行偏振合束，實(shí)現(xiàn)百赫茲激光的輸出。設(shè)計(jì)時序控制電路，實(shí)現(xiàn)2 臺相同重復(fù)頻率的激光器發(fā)射的激光脈沖同軸等間隔分時輸出，從而完成激光重復(fù)頻率的疊加提升。利用固體激光器電光調(diào)Q的線偏振特性，基于偏振分光器件對于不同方向線偏振光的透反特性，實(shí)現(xiàn)2 束垂直偏振方向的線偏振激光的同軸合束輸出；再通過對電光晶體進(jìn)行時序加退電壓控制來改變其中一路輸出激光的線偏振方向，最終完成合束后激光偏振方向一致。此外，普通偏振合束在非相干輸入情況下，僅完成2 束激光合成，通過調(diào)節(jié)偏振態(tài)時序控制，可以實(shí)現(xiàn)多級多束激光合成，本文的測試結(jié)果也驗(yàn)證了多束激光基于時序偏振態(tài)控制合束的可行性。

1 百赫茲百毫焦激光設(shè)計(jì)

1.1 激光泵浦功率配置設(shè)計(jì)

激光器輸出能量轉(zhuǎn)換主要依賴于泵浦源輻射功率、泵浦系統(tǒng)效率、工作物質(zhì)吸收泵浦光并傳送到泵浦上能級的效率、工作物質(zhì)的量子效率以及諧振腔提取效率等。

泵浦源采用激光二極管陣列，根據(jù)指標(biāo)要求的百毫焦激光輸出，依據(jù)前期數(shù)據(jù)積累，泵浦系統(tǒng)效率取值70%，工作物質(zhì)吸收泵浦光并傳送到泵浦上能級的效率為80%，工作物質(zhì)的量子效率為76%，諧振腔提取效率為20%。計(jì)算出本方案激光器的總體光光效率為8.512%，選取激光二極管列陣以額定功率的80%工作，電流脈寬在230 μs 的情況下，實(shí)現(xiàn)百毫焦激光輸出，泵浦光的功率不低于5 115 W，額定功率為6 393 W，一般的單條激光二極管陣列的輸出功率為200 W，其電光效率一般為55%左右。因此選取大約32 個bar 的激光二極管陣列作為泵浦源。

1.2 激光諧振腔設(shè)計(jì)

為了保證激光光束質(zhì)量和束散角指標(biāo)，選取正分支共焦非穩(wěn)激光諧振腔進(jìn)行有效的光束質(zhì)量控制。調(diào)Q方式采用主動電光調(diào)Q技術(shù)，其具備良好的開關(guān)能力，能夠保證激光器的光光效率[15]，同時樣機(jī)輸出光束質(zhì)量等激光參數(shù)也較優(yōu)，為后期激光器應(yīng)用打下了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。圖1 為激光諧振腔示意圖。

圖 1 正分支共焦非穩(wěn)激光諧振腔示意圖Fig.1 Schematic diagram of positive branch confocal unstable laser resonator

這里振蕩級采用的輸出鏡為變反射率的超高斯輸出鏡，采用這種非穩(wěn)腔結(jié)構(gòu)具有以下4 個優(yōu)點(diǎn)：1）利用幾何光學(xué)方法可全面地分析高斯非穩(wěn)腔內(nèi)的模式分布；2）可獲得用于諧振腔腔鏡設(shè)計(jì)的有效公式；3）變反射率的超高斯透過率空間分布，綜合了變反射率高斯鏡與硬邊鏡的優(yōu)點(diǎn)，光滑的透過率變化曲率可以有效消除硬片鏡帶來的衍射環(huán)，有效增大激光諧振腔模體積，獲得較高輸出效率的高光束質(zhì)量激光；4）變反射率的超高斯輸出鏡比高斯輸出鏡在鍍膜工藝上更易實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)激光相關(guān)指標(biāo)要求，同時兼顧樣機(jī)尺寸要求，確定諧振腔幾何腔長L0和諧振腔放大率M。設(shè)li和ni分別為諧振腔內(nèi)光學(xué)元件的幾何長度和激光波段對應(yīng)的折射率，那么該激光諧振腔的有效腔長L為

同時凸面輸出鏡的曲率半徑R1與凹面全反鏡曲率半徑R2由(2)式確定：

設(shè)定諧振腔幾何腔長L0為207.05 mm，諧振腔放大率M為1.828 2。將腔內(nèi)各光學(xué)元件的長度和折射率代入公式，得到諧振腔有效長度L=283.59 mm，計(jì)算凸面輸出鏡曲率半徑R1=-500 mm，凹面全反射鏡曲率半徑R2＝914.1 mm。

1.3 雙激光諧振腔分時工作設(shè)計(jì)

針對項(xiàng)目所需激光參數(shù)、技術(shù)狀態(tài)、約束條件等進(jìn)行設(shè)計(jì)思想的建立。選用納秒、百毫焦級固體激光器作為主要技術(shù)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。本激光器采用2 路50 Hz 固體脈沖激光器通過時序偏振態(tài)控制的激光重頻提升技術(shù)，形成100 Hz 脈沖激光輸出。此項(xiàng)技術(shù)的基本原理是：利用偏振分光組件對于不同方向線偏振光的透反特性，以及Nd:YAG（neodymium-doped yttrium aluminum garnet）電光調(diào)Q脈沖激光器良好的線偏振度激光，進(jìn)行多束脈沖激光的合束，并通過對電光晶體進(jìn)行快速加壓推壓控制，完成單束激光的偏振方向轉(zhuǎn)置，從而控制該束激光的通過情況。設(shè)計(jì)時序控制電路，實(shí)現(xiàn)各臺激光器發(fā)射的激光脈沖同軸等間隔分時輸出，從而完成激光重復(fù)頻率的提升。該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，可以在不改變激光光束質(zhì)量以及單脈沖能量的情況下，使發(fā)射激光的重復(fù)頻率倍增，從而使發(fā)射激光的平均功率倍增。

根據(jù)偏振分光組件的透反特性，2 路偏振方向不同的線偏脈沖激光可在偏振分光組件處合成1 束，通過時序控制2 路脈沖激光的輸出光，使得2 路激光脈沖等間隔交替發(fā)射，即可獲得激光重頻的2 倍提升。在本方案中，2 路脈沖激光重頻均為50 Hz，偏振光路合成并時序控制脈沖交替發(fā)射后，則變成同軸的100 Hz 脈沖激光。

為了適應(yīng)后續(xù)系統(tǒng)對輸出激光偏振態(tài)的要求，本方案還需對重頻合成后的激光進(jìn)行偏振態(tài)的統(tǒng)一化轉(zhuǎn)置。在合束偏振棱鏡后設(shè)置電光晶體，對電光晶體進(jìn)行時序的半波電壓的加壓退壓控制，對2 路偏振激光中的某一路進(jìn)行偏振態(tài)的轉(zhuǎn)置，使其與另一路偏振態(tài)一致，從而形成了1 束線偏振的100 Hz 脈沖激光。圖2 為百赫茲百毫焦納秒全固態(tài)激光器光學(xué)示意圖。

圖 2 百赫茲百毫焦納秒全固態(tài)激光器光學(xué)示意圖Fig.2 Schematic diagram of hundred hertz and hundred millijoules all-solid-state nanosecond laser

1.4 分布式陣列溫度控制設(shè)計(jì)

激光二極管陣列泵浦激光器的一個重要設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)就是激光二極管陣列的高效率、高精度溫度控制技術(shù)。根據(jù)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)的要求，設(shè)計(jì)激光二極管陣列為單溫度點(diǎn)陣列，即在陣列溫度工作溫度點(diǎn)時其發(fā)射光譜為808 nm。具體的溫控方案采用TEC（thermoelectric cooler）與散熱片組合的方式進(jìn)行。溫度控制電路采用基于PID（proportional integral differential）算法的溫度控制程序，能夠?qū)㈥嚵袦囟瓤刂凭忍岣叩健? ℃以內(nèi)。而陣列溫度控制精度主要由Nd:YAG 的吸收光譜寬度決定。側(cè)面泵浦Nd:YAG 的吸收寬度基本上在1.5 nm 左右，再根據(jù)激光二極管陣列的溫漂系數(shù)0.28 nm/℃，得到可接受溫度變化范圍±2.69 ℃?？紤]到冗余設(shè)計(jì)和吸收效率，只需要將激光二極管陣列溫控精度控制在±2 ℃內(nèi)，而設(shè)計(jì)的溫控方案完全滿足該要求。

系統(tǒng)總共有4 個需要溫控的激光單元，每個激光單元都有2 個泵浦模塊。通過計(jì)算，得到每個激光單元的激光二極管陣列的發(fā)熱功率為51.75 W，則每個泵浦模塊的激光二極管陣列的最大發(fā)熱功率為25.88 W。綜合TEC 尺寸及其電壓電流，選擇最大制冷功率為21 W，電流相對較小，型號為20013/071/040B 的TEC，2 個串聯(lián)做為激光器單面的激光二極管陣列的制冷器件。因此，需要8 路陣列溫控電路，電路與系統(tǒng)的連接如圖3 所示。

圖 3 溫控與系統(tǒng)連接示意圖Fig.3 Temperature control and system connection diagram

1.5 百赫茲百毫焦納秒脈沖激光器控制時序設(shè)計(jì)

百赫茲百毫焦納秒全固態(tài)激光器主要是由4路最高頻率為25 Hz 的激光二極管泵浦的激光器組成，其中2 個25 Hz 激光單元共用諧振腔，其頻率可從1 Hz～100 Hz 變化。因此，要實(shí)現(xiàn)1 Hz～100 Hz的頻率可調(diào)的功能，則需要控制好觸發(fā)4 路激光器的時序，將輸入的觸發(fā)信號4 分頻后，分成4 路觸發(fā)信號（上升沿觸發(fā)），并且相鄰2 個觸發(fā)信號間的間隔相同，其值為輸入的觸發(fā)信號的周期，最后將這4 路信號分別給4 路激光器做為觸發(fā)信號，控制時序圖如圖4 所示。

圖 4 百赫茲激光器時序控制圖Fig.4 Time sequence control diagram of hundred-hertz laser

考慮到4 路激光器還需要調(diào)Q觸發(fā)信號，而激光器1 與激光器3 共用一個電光調(diào)Q晶體Q1，激光器2 與激光器4 共用一個電光調(diào)Q晶體Q2。所以如圖3 所示，將激光器1 調(diào)Q觸發(fā)信號和激光器3 調(diào)Q觸發(fā)信號連接到一個或門的輸入，或門的輸出連接調(diào)Q1電路，即輸出信號做為Q1觸發(fā)信號；同理，將激光器2 調(diào)Q觸發(fā)信號和激光器4 調(diào)Q觸發(fā)信號連接到一個或門的輸入，或門的輸出連接調(diào)Q2電路，即輸出信號做為Q2觸發(fā)信號。同時，4 路激光器的輸出需要經(jīng)過偏振Q3晶體，該晶體也需要上升沿觸發(fā)信號，其工作時序如圖4 所示。當(dāng)激光器1 或激光器3 工作時，不觸發(fā)Q3，當(dāng)激光器2 或激光器4 工作時，輸出偏振Q3觸發(fā)信號，觸發(fā)其工作。由于調(diào)Q或偏振Q觸發(fā)信號需要相對于激光器的觸發(fā)信號有一個微秒級的延時，所以為實(shí)現(xiàn)此功能，使用STM32 微控制器上的定時器的外部觸發(fā)，OnePulse PWM 輸出模式。激光器的觸發(fā)信號做為定時器輸入觸發(fā)信號，定時器輸出觸發(fā)信號做為調(diào)Q或者偏振Q觸發(fā)信號，2 者之間的延時d或者t可以通過配置STM32 微控制器進(jìn)行調(diào)整。一般來說，d比t略大，具體根據(jù)試驗(yàn)效果而定。

2 測試結(jié)果

基于上述設(shè)計(jì)，開展了光機(jī)電設(shè)計(jì)、加工、裝配與調(diào)試，最終完成了百赫茲百毫焦納秒脈沖全固態(tài)激光器樣機(jī)，一體化樣機(jī)質(zhì)量僅15.5 kg。按照GB/T 15175—2012 規(guī)定的方法，對激光器的輸出能量及其穩(wěn)定性、脈沖寬度、光束質(zhì)量進(jìn)行了測量[16]。圖5 和圖6 為樣機(jī)近場光斑、束散角光斑和脈沖寬度測試照片。在工作頻率100 Hz 時，輸出激光平均能量112 mJ，能量穩(wěn)定性優(yōu)于±9%，脈沖寬度約10.8 ns，光束質(zhì)量達(dá)到了11 mm·mrad。

圖 5 百赫茲百毫焦激光器近場光斑和束散角光斑Fig.5 Near-field spot and beam divergence angle spot of hundred hertz and hundred millijoules laser

圖 6 百赫茲百毫焦激光器脈寬和激光能量及其穩(wěn)定性測試照片F(xiàn)ig.6 Test of pulse width,laser energy and stability of hundred hertz and hundred millijoules laser

3 結(jié)論

本文基于諧振腔內(nèi)分時雙泵浦共用調(diào)Q 方式，通過偏振合束和偏振轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了一束偏振態(tài)一致的高光束質(zhì)量的百赫茲百毫焦納秒脈沖激光輸出。設(shè)計(jì)的樣機(jī)及測試結(jié)果可以滿足多目標(biāo)和偽隨機(jī)編碼激光半主動末制導(dǎo)，以及快速目標(biāo)測距對激光光源的需求。