1.3μm-2.8ns電光腔倒空Nd:YVO4激光器*

姚銘杰 葛文琦? 顏博霞 張鴻博

1) (中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院,北京 100094)

2) (中國科學院微電子研究所,北京 100094)

3) (中國科學院大學光電學院,北京 100049)

本文對1342 nm 波長的電光腔倒空調(diào)Q 的Nd:YVO4 激光器進行理論與實驗研究.理論計算了電光開關(guān)下降沿時間對腔倒空激光器輸出脈寬的影響.在實驗中,采用880 nm 準連續(xù)激光二極管同帶泵浦Nd:YVO4激光器,在1 kHz 重復頻率下,通過電光腔倒空方式,得到最大平均功率210 mW (單脈沖能量0.21 mJ)、脈沖寬度2.8 ns 的1342 nm 激光輸出,光束質(zhì)量因子M 2 優(yōu)于1.2.通過周期極化鈮酸鋰晶體(periodically poled lithium niobate,PPLN) 進行腔外倍頻,獲得脈沖寬度1.8 ns 的671 nm 波長可見激光.這是目前1.3 μm 波長主動調(diào)Q 的Nd 固體激光器產(chǎn)生的最窄脈沖寬度.

1 引言

近年來,由于在生物醫(yī)療、遙感、光譜研究、強場物理等領(lǐng)域的廣泛應用[1],1.3 μm 波段激光受到了越來越多的關(guān)注.同時,該波段激光可以通過非線性效應得到波長的拓展: 通過倍頻效應,獲得紅光激光[2];通過受激拉曼散射效應,獲得1.5 μm和1.7 μm 波段的紅外激光[3,4].這些拓展波長的激光也在醫(yī)學研究方面得到應用[5].

利用摻Nd 離子晶體4F3/2到4I13/2的受激躍遷是目前獲得1.3 μm 波段激光常用方法之一.1.3 μm摻Nd 激光器具有可獲得大功率輸出、轉(zhuǎn)化效率高、結(jié)構(gòu)簡單、器件商用化等優(yōu)點.由于一些實際應用要求激光具有窄脈沖寬度和高峰值功率,研究人員對1.3 μm 主動調(diào)Q激光器開展了大量研究[1,6,7,8].

2007 年,Sauder 等[6]報道了在1.3 μm 的Nd:YAG 聲光調(diào)Q激光器中,獲得重復頻率100 Hz、平均功率0.55 W、脈沖寬度50 ns 的脈沖激光,其單脈沖能量5.5 mJ.同年,Lu 等[9]報道了在1.3 μm的Nd:YVO4聲光調(diào)Q激光器中,獲得重復頻率10 kHz、最窄脈沖寬度19 ns 的激光輸出,其平均功率為6.3 W,最大單脈沖能量為0.63 mJ,光束質(zhì)量因子.同年,Saha 等[10]報道了在1.3 μm 二極管側(cè)泵的Nd:YAG 聲光調(diào)Q激光器中,重復頻率為37 kHz 時,獲得最窄脈沖寬度251 ns 的激光輸出,對應平均功率6.77 W,其最大單脈沖能量0.183 mJ.2011 年,Zhao 等[11]報道了在1.3 μm 的Nd:YVO4聲光調(diào)Q激光器中,重復頻率為10 kHz 時,獲得最窄脈沖寬度6.5 ns的激光輸出,對應平均功率158 mW,其最大單脈沖能量0.158 mJ.2014 年,Liu 等[12]報道了在1314 nm 二極管側(cè)泵的Nd:YLF 聲光調(diào)Q激光器中,獲得重復頻率1 kHz、平均功率38 W、脈沖寬度101.9 ns 的脈沖激光,其單脈沖能量3.8 mJ,光束質(zhì)量因子M2=17.8.2015 年,Botha 等[13]報道了在1314 nm 端泵浦雙晶體Nd:YLF 聲光調(diào)Q激光器中,獲得重復頻率500 Hz、平均功率18.6 W、脈沖寬度36 ns 的脈沖激光,其單脈沖能量5.6 mJ,光束質(zhì)量因子=2.6.2019 年,Tu 等[7]報道了在1314 nm 的Nd:YLF 聲光調(diào)Q激光器中,獲得重復頻率1 kHz、平均功率2.6 W、脈沖寬度31 ns 的脈沖激光,其單脈沖能量2.6 mJ,光束質(zhì)量因子M2=2.8.

電光腔倒空是一種可以獲得＜5 ns 窄脈沖寬度的主動調(diào)Q方法[14,15].2015 年,Liu 等[8]報道了在1342 nm 的Nd:YVO4電光腔倒空激光器中,獲得重復頻率2 kHz、平均功率1.1 W、脈沖寬度4.7 ns 的脈沖激光,其單脈沖能量0.55 mJ,光束質(zhì)量因子M2=1.26.

通常,電光腔倒空激光器輸出的脈沖寬度與激光器諧振腔長度有關(guān),減小諧振腔長度和激光在腔內(nèi)的往返時間,可以獲得更窄的脈沖寬度.而當激光在腔內(nèi)的往返時間與電光開關(guān)的關(guān)斷時間接近時,進一步縮短諧振腔長將不能得到更窄的脈沖寬度,電光開關(guān)的關(guān)斷時間將影響脈沖寬度.本文對1.3 μm 的短腔電光腔倒空激光器進行理論和實驗研究,模擬在電光開關(guān)的關(guān)斷時間和腔內(nèi)往返一次的渡越時間接近時的脈沖時域特性;實驗采用準連續(xù)880 nm 激光二極管同帶泵浦Nd:YVO4晶體,利用電光腔倒空方式獲得2.8 ns 脈寬、平均功率210 mW、重復頻率1 kHz 的1342 nm 紅外激光,單脈沖能量為 0.21 mJ,光束質(zhì)量因子為1.15,斜率效率為20%.此外,利用周期極化的非線性晶體MgO:PPLN 進行腔外倍頻,產(chǎn)生了脈沖寬度1.8 ns 的671 nm 紅光激光.截至目前文獻報道,這是1.3 μm 主動調(diào)Q的Nd 固體激光器產(chǎn)生的最窄脈沖寬度.

2 理論研究

電光腔倒空激光器的運轉(zhuǎn)過程分為3 個階段:第1 個階段,電光晶體兩端不加電壓,由于插入偏振片的反射損耗無法形成激光振蕩,增益介質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)不斷積累;第2 個階段,電光晶體兩端加載電壓,諧振腔偏振反射損耗降低,激光開始振蕩,腔內(nèi)光子數(shù)迅速增加;第3 個階段,關(guān)閉電光晶體兩端的電壓,此時激光偏振反射損耗增大,腔內(nèi)的光子由偏振片反射輸出,獲得激光脈沖.

通常,減少電光腔倒空激光器的諧振腔長度可以獲得更窄的脈沖寬度.而當激光在腔內(nèi)的往返時間與電光開關(guān)的關(guān)斷時間接近時,縮短諧振腔長將不能得到更窄的脈沖寬度,電光開關(guān)關(guān)斷的下降沿時間影響激光器輸出的激光脈沖寬度.電光開光組件由電光晶體、波片、偏振片構(gòu)成.在電光開關(guān)關(guān)斷、輸出激光脈沖過程中,電光晶體上的電壓從1/4 波電壓降至0,電光晶體產(chǎn)生的相位延遲由π/2降至 0 .在短腔長倒空激光器電光開關(guān)關(guān)斷、輸出激光脈沖的過程中,電光開關(guān)關(guān)斷速度(即加載在電光晶體上高壓的下降沿時間)對脈沖寬度的影響進行理論研究.

電光晶體上電壓Uc隨時間t的變化關(guān)系可以表示為

式中,td是電光晶體上脈沖電壓的下降沿時間,Uλ/4為電光晶體的1/4 波電壓.

電光晶體產(chǎn)生的相位差延遲φc隨時間t的變化關(guān)系可以表示為

激光通過電光開關(guān)組件的反射輸出率R隨時間t的變化關(guān)系,可以表示為

假設(shè)激光在諧振腔內(nèi)振蕩達到功率最大、電光開關(guān)關(guān)斷開始倒空輸出時,腔內(nèi)激光強度僅受偏振片反射的影響,而偏振片反射率隨時間變化.腔內(nèi)光子數(shù)密度φ正比于腔內(nèi)激光能量,其變化可以表示為

其中,L為諧振腔的光學長度,c為光速.

偏振片的反射輸出引起諧振腔內(nèi)激光強度的變化,反射輸出激光的瞬時強度I(t) 正比于 dφ/dt,可表示為

假設(shè)腔內(nèi)初始光子數(shù)為φ0,對(4)式求解,可以得到解析解:

通過(5)式,可以計算輸出激光的相對瞬時強度I(t).

考慮到實際光路中器件的尺寸排布,假設(shè)諧振腔光學長度L=150 mm ,脈沖往返時間tS=1 ns .在電光開關(guān)下降沿時間5 ns 的條件下進行計算.

圖1(a)所示為偏振片反射率R(t) 隨時間的變化關(guān)系,圖1(b)所示為腔內(nèi)光子數(shù)密度φ(t) 隨時間的變化關(guān)系,圖1(c)所示為輸出激光的歸一化瞬時強度I(t) .

圖1 (a) 偏振片反射率隨時間的變化;(b) 腔內(nèi)光子數(shù)密度隨時間的變化;(c) 輸出激光的歸一化瞬時強度Fig.1.(a) Polarizer reflection versa time;(b) photon number density versa time;(c) normalized instantaneous intensity of output laser.

由圖1(c)可見,輸出激光的時域特征為前沿陡、后沿緩的非對稱脈沖波形,脈沖的半高寬度大約為2.89 ns.

通過代入不同的電光開關(guān)下降沿時間,可以計算得到下降沿時間對輸出激光波形的影響.在電光開關(guān)下降沿時間為1,3,5,8 ns 的條件下,計算輸出激光波形,如圖2 所示.輸出激光脈沖的半高寬度分別為1.2,2.11,2.89,3.84 ns.可以看出,當諧振腔往返時間小于電光開關(guān)下降沿時間時,脈沖寬度大于諧振腔往返時間,且小于電光開關(guān)的下降沿時間.如果電光開關(guān)的下降沿時間增大,脈沖寬度也隨之增大.

圖2 不同電光開關(guān)下降沿時間下的輸出激光波形 (a) 1 ns;(b) 3 ns;(c) 5 ns;(d) 8 nsFig.2.Pulse shape for different fall times: (a) 1 ns;(b) 3 ns;(c) 5 ns;(d) 8 ns.

3 實 驗

1342 nm 波長Nd:YVO4電光腔倒空激光器的實驗裝置如圖3 所示.激光器泵浦源是數(shù)值孔徑NA=0.22,最高輸出功率為30 W,中心波長為880 nm 的光纖耦合準連續(xù)激光二極管,光纖的纖芯直徑為200 μm.采用880 nm 激光二極管激光器泵浦Nd:YVO4晶體能夠有效降低量子虧損,降低無輻射躍遷帶來的熱效應.通過透鏡組(準直透鏡F1的焦距為30 mm,聚焦透鏡F2的焦距為60 mm),將直徑約400 μm 的泵浦光斑入射到激光晶體中.激光增益介質(zhì)為Nd:YVO4晶體,摻雜原子濃度為0.3%,沿a軸切割,尺寸為3 mm ×3 mm × 5 mm,晶體端面鍍制激光波長和泵浦波長的增透膜系.該晶體用銦箔包裹,并固定與接有冷卻水循環(huán)的銅座上,冷卻水溫18 ℃.考慮到晶體的上能級壽命,實驗中泵浦源采用100 μs 的脈沖寬度對晶體進行準連續(xù)泵浦,以緩解熱效應.

圖3 1.3 μm,Nd:YVO4 電光腔倒空激光器實驗裝置Fig.3.Experimental scheme for a 1.3 μm Nd:YVO4 electrooptical cavity dumping laser.

為了抑制1.06 μm 的激光振蕩,入射鏡M1鍍制880 nm 和1.06 μm 高透射、1.3 μm 高反射的膜系.全反鏡M2為曲率半徑R=300 mm 的球面反射鏡,其表面鍍制1.06 高透射和1.3 μm 高反射膜系.電光晶體Li(NbO3)2尺寸為4 mm × 4 mm ×20 mm,其1/4 波電壓約為2500 V,與1/4 波片(QWP)和偏振片(TFP)構(gòu)成腔倒空的電光開關(guān)組件.利用同步機將電光開關(guān)的工作時間控制在泵浦脈沖的后沿處,脈沖激光從偏振片反射輸出.激光諧振腔長為150 mm.

振蕩器輸出的脈沖激光通過透鏡F3(F3的焦距為90 mm)聚焦進入MgO:PPLN 晶體,進行腔外倍頻,以獲得671 nm 的紅光.MgO:PPLN 晶體長度約2 mm,極化周期約為13.2 μm.該晶體固定于接有溫控裝置的銅座上,工作溫度26 ℃.

4 結(jié)果分析

實驗采用功率計(PM30,美國Coherent 公司)測量激光功率,基頻激光和倍頻激光的脈沖寬度和脈沖序列采用快響應光電二極管(PDA8GS 和DET025A,美國Thorlabs 公司)和數(shù)字示波器(70804C,美國泰克公司)監(jiān)控.基頻激光的光束直徑采用刀口法測量,倍頻可見光的光斑分布特性采用光束分析儀(Laser Cam HR,美國Coherent 公司)監(jiān)控.

實驗中,對1342 nm 激光器的振蕩特性進行了研究.激光器工作在1 kHz 重復頻率下,當泵浦峰值功率為7.05 W、對應泵浦能量為0.705 mJ時,達到工作閾值,此時電光開關(guān)的導通時間為310 ns.

增加泵浦能量,輸出單脈沖能量也隨之增大.在此過程中,由于增益增大,激光在諧振腔內(nèi)達到最佳輸出能量所需的往返程數(shù)減少,即電光開關(guān)導通時間和激光振蕩時間縮短,如圖4 所示.

圖4 1 kHz 重頻下,單脈沖能量和電光導通時間隨泵浦能量的變化Fig.4.The pulse energy and switching time versus pump energy for 1 kHz pulse repetition rate.

在1 kHz 重復頻率下,當泵浦峰值功率達到15.5 W,泵浦能量15.5 mJ 時,激光器輸出最大功率210 mW,對應單脈沖能量0.21 mJ.此時,電光開關(guān)的導通時間,即激光振蕩時間為110 ns.輸出脈沖寬度為2.8 ns,對應的斜率效率為20%.對脈沖能量穩(wěn)定性進行30 min 的連續(xù)測量,其不穩(wěn)定度RMS 為3.05%.

入射MgO: PPLN 晶體的基頻激光能量為0.103 mJ 時,得到671 nm 倍頻激光的能量為17.44 μJ,倍頻效率為17%.非線性晶體的長度有限,限制了倍頻效率,未來可以通過增大晶體長度進一步提高倍頻效率.

1342 nm 腔倒空激光器輸出的波形圖如圖5(a)所示,在實驗中得到的基頻光脈寬為2.8 ns.671 nm倍頻激光的波形圖如圖5(b)所示,在實驗中得到的倍頻光脈寬為1.8 ns.

圖5 (a) 1342 nm 基頻光時域波形;(b) 671 nm 倍頻光時域波形Fig.5.(a) Temporal pulse shape of 1342 nm laser;(b) temporal pulse shape of 671 nm laser.

在最大輸出功率下,分別測量了基頻光和倍頻光的橫模特性.由于受光斑分析儀響應波長的限制,采用刀口法對1342 nm 激光器的光束直徑進行了測量,并擬合得出激光光束質(zhì)量因子M2,如圖6(a)所示.基頻激光的光束質(zhì)量因子M2為=1.15,接近衍射極限.

圖6 (a) 1342 nm 基頻光的光束質(zhì)量;(b) 671 nm 倍頻光的光束質(zhì)量與光斑分布Fig.6.(a) The beam quality of 1342 nm laser;(b) the beam quality and spot distribution of 671 nm laser.

利用CCD 光斑分析儀對激光器腔外非線性倍頻,得到671 nm 紅色激光的光束質(zhì)量進行監(jiān)測,并擬合得出激光光束質(zhì)量因子M2.如圖6(b)所示,紅色激光的光斑的分布為TEM00模式,光束質(zhì)量因子M2為=1.13,接近于衍射極限.

實驗中電光高壓脈沖的下降沿約為5 ns,輸出的脈沖寬度為2.8 ns.而理論計算結(jié)果為2.89 ns,實驗獲得的脈沖時域波形(圖5(a))也與理論計算(圖2(c))有一定偏差.實驗結(jié)果與理論計算存在差異的原因如下.

1) 本文激光器為多縱模振蕩,縱模之間的時域干涉效應引起了波形的強度調(diào)制.激光脈沖波形的調(diào)制周期約為1 ns,與激光脈沖在諧振腔內(nèi)往返一程的時間(t2L=2L/(c)=1ns)、激光器1 GHz的縱模間隔相對應.由于調(diào)制周期與脈沖寬度相接近,在一定程度上影響了脈沖的時域波形.

2) 電光高壓實際的下降沿與直線模型略有偏差,故理論計算與實驗結(jié)果也存在一定偏差.

5 結(jié)論

本文對1.3 μm 的短腔電光腔倒空激光器進行了理論和實驗研究.計算了電光開關(guān)的下降沿時間對脈沖時域特性的影響,實驗中獲得重復頻率1 kHz,2.8 ns 脈寬、平均功率210 mW 的1342 nm 波長Nd:YVO4激光,單脈沖能量為 0.21 mJ,光束質(zhì)量因子為=1.03,M2y=1.15,斜率效率為20%.利用周期極化的非線性晶體MgO:PPLN進行腔外倍頻,產(chǎn)生了最大能量17.44 μJ、脈沖寬度1.8 ns的671 nm 紅光激光.