全固态双脉冲激光器.docx

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全固态双脉冲激光器

电光调Q双脉冲输出Nd:

YAG全固态激光器

李峰王君涛殷苏勇朱小磊*

（中国科学院上海光学精密机械研究所，

上海市全固态激光与应用重点实验室,上海201800）

摘要：

文章设计了LD双端面抽运传导冷却复合Nd:

YAG晶体电光调Q激光器，实现脉冲间隔可调的双Q脉冲输出。

用两个光纤耦合输出的LD模块作为抽运源，BBO晶体作为Q开关，在一个泵浦周期内两次启动Q开关，获得脉冲能量大于14mJ/脉冲，脉宽18ns，脉冲间隔200s-230s可调的双Q脉冲输出，激光器重复频率50Hz，光-光转换效率达到24%。

探索了用KD*P调Q晶体开关实现稳定双脉冲输出的可行性，通过抑制压电环效应，消除子脉冲现象，最终获得脉冲能量约11mJ/脉冲，脉宽约18ns。

关键字激光技术；Nd:

YAG激光器；双脉冲激光；KD*P调Q；BBO调Q

中图分类号：

TN248.1文献标识码A

Electro-opticalQ-switchedDouble-pulseLaseroutputNd:

YAGAllSolid-StateLaser

LiFengWangJuntaoYinSuyongZhuXiaolei*

ShanghaiInstituteofOpticsandFineMechanics,ChineseAcademyofSciences,

ShanghaiKeyLaboratoryofAllSolid-StateLaserandAppliedTechniques,Shanghai201800,China

AbstractALDdual-endpumped,conductivelycooled,electro-opticalQ-switchedcompositeNd:

YAGlaserisdesigned.Double-pulselaseroutputwithadjustablepulseintervalisachieved.Byusingtwofiber-coupledLDmodulesasthepumpingsource,BBOcrystalastheQ-switch,weacquiredouble-pulselaseroutputbyopeningtheQ-switchtwiceinapumpingcycletime,andthelaseriscapableofproducingtwoQ-switched1064nmlaserwiththesinglepulseenergymorethan14mJandpulsewidthlessthan18ns,theintervalbetweenthetwopulsesisadjustablefrom200sto230sattherepetitionof50Hz,theoptical-to-opticalefficiencyreaches24%.Furthermore,weexplorethefeasibilityofstabledouble-pulselaseroutputbyusingtheQ-switchedcrystalKD*P,bysuppressingthepiezoelectricringeffectofKD*P,weremovethesub-pulsephenomenonandobtaindouble-pulselaseroutputwith11mJperpulseandpulsewidthlessthan18ns.

Keywordslasertechnology;Nd:

YAGlasers;double-pulselaser;

KD*PQ-switch;BBOQ-switch

OCIScodes:

140.3470;140.3540;140.3580;280.1910

作者简介：

李峰（1987--），男，硕士研究生，主要从事双脉冲激光器技术研究。

E-mail：

lf5322@

导师简介：

朱小磊（1966--），男，研究员，博士生导师，主要从事固体激光器技术及激光器应用系统等方面的研究。

xlzhu@

1引言

双脉冲全固态激光器在大气环境监测、精细加工、动态全息成像等领域都有较大的应用需求[1~3]。

研究表明，采用双激光脉冲打孔技术，在有效提高精细加工效率的同时，又能显著地改善激光打孔的质量[2]。

但这种双激光脉冲打孔技术要求将调Q双脉冲间隔控制在200ns以内，否则这种优势将很难体现，这对激光器的双脉冲控制技术提出了很高的要求[4]。

此外，在动态全息检测领域，为了实现对快速事件发展过程的连续观察，则要求双脉冲激光输出激光器作为主动成像光源[3]。

这种成像技术通常要求的双脉冲激光间隔为1μs–1000μs之间，通过把微秒量级间隔的两个脉冲照明拍摄出来的两个全息图叠置在同一张全息底板上,可以将被测物体的任何瞬态扰动都显现在双激光脉冲全息图的干涉条纹上，因而获得被测物体的动态信息。

调Q双脉冲激光器的另外一个重要的应用是作为差分吸收大气探测激光雷达的光发射源或光泵浦源。

2003年，美国NASA研制成功的Ho:

Tm:

YLF双脉冲激光振荡器[5]，利用最大抽运能量为3J的半导体激光阵列脉冲泵浦，采用一个泵浦周期两次打开调Q开关技术实现中红外2.053μm波长的双脉冲激光输出，直接用于大气探测。

该激光振荡器输出两个能量相等调Q脉冲，每个脉冲能量达到66mJ。

为了进一步提升单脉冲能量，又采用主振荡器功率放大技术，最终获得600mJ的调Q双脉冲激光输出。

2005年该课题组报道的Ho:

Tm:

LuLF晶体激光器[6]，已将调Q双脉冲激光器输出脉冲能量提升到1J量级。

2008年，在德国研制的差分吸收雷达系统CO2-IPDA（integratedpathdifferentialabsorptionlidar）系统中[7]，研制了类似的氙灯抽运Nd：

YAG的双脉冲调Q激光器作，该激光器在10Hz重复频率下，经过放大器放大后获得最大脉冲能量100mJ的1064nm双脉冲输出，脉冲宽度8ns。

本文研究工作瞄准差分吸收大气探测激光雷达泵浦源的应用需求，设计了电光调Q双脉冲全固态激光器，比较研究了BBO与KD*P晶体开关调Q双脉冲实现的可行性和性能差异。

采用BBO晶体开关实现双脉冲输出，可获得较高的脉冲能量及光-光转换效率。

而KD*P晶体开关由于存在严重的压电环效应，极易出现子脉冲现象，对调Q双脉冲的稳定输出带来严重的负面影响。

2实验理论分析和实验装置

图1是实验设计的LD双端面抽运双脉冲输出Nd:

YAG激光器原理光路图。

出于方便以后种子激光注入锁定应用的考虑，谐振腔设计采用平行平面腔结构，几何腔长约为1100mm，U形排布利于结构紧凑稳定。

图1LD双端泵浦Nd：

YAG双脉冲激光器原理光路图

Fig.1SchematicofLDdual-endpumpeddouble-pulsedNd:

YAGlaser

QWP:

quarterwaveplate;QS:

Q-switchP:

polarizer

激光增益介质采用直径为4mm、双端键合的YAG/Nd:

YAG/YAG复合结构晶体棒，晶体总长30mm，其中掺杂部分长度为20mm，Nd3+掺杂浓度为0.5at.%。

采用这种复合晶体结构能有效的减小端面效应及热焦距，在实验允许的最大抽运功率内，由热透镜的焦距公式[8],得到晶体的热焦距大于1600mm。

由铟箔包裹的Nd:

YAG晶体紧密夹持在紫铜热沉上，并置于谐振腔中央位置。

激光器后腔镜为一平面全反镜，输出耦合镜的初始透过率为60%。

根据实验需要，电光调Q开关分别采用BBO晶体开关，或KD*P晶体开关。

泵浦源采用两个光纤耦合的LD模块，其最大输出功率为150W，中心波长808nm，光纤芯径600μm，数值孔径NA为0.22。

抽运光耦合系统为焦距为1:

2.5的双镜系统，耦合效率大于95%，与振荡模体积实现较好的重合。

抽运LD模块的驱动重复频率为50Hz，驱动电流占空比约为2.2%，且可调。

根据Magni理论[9]，激光谐振腔中的固体增益介质可以等效成一个焦距随抽运功率动态变化的热透镜。

在实验设计的谐振腔结构中，增益介质处于谐振腔中央位置，此时，增益介质处振荡模光斑大小随热透镜焦距值的变化有图2所示的分布规律，显然当热透镜焦距值小于300mm时，谐振腔将进入非稳区，热透镜焦距值大于300mm时，振荡模光斑直径的变化非常平缓，有利于输出能量稳定。

本文实验过程中，在抽运脉宽420μs的条件下，增益介质热焦距远大于300mm，确保激光器远离非稳定工作区域。

图2增益介质处振荡模光斑半径随热焦距变化规律

Fig.2Radiusvariationofoscillationmodes’spotsizewiththechangeoffocallength

激光器获得双脉冲输出的机制是合理控制抽运LD的驱动电脉冲宽度与调Q开关触发信号时序关系，即在一个抽运周期内，按特定的时序关系，两次开启电光开关，因而获得两个调Q激光脉冲输出。

在相对抽运LD驱动电脉冲延时一段时间后，Q开关第一次启动，消耗了增益介质内的反转粒子数，输出Q脉冲。

由于Q开关的快速关闭，尽管LD持续抽运，激光器低Q值状态腔内完全抑制子脉冲的出现，增益介质反转粒子数重新积累，当达到与第一次Q开关启动时反转值相当时，第二次启动Q开关并获得调Q激光脉冲，电驱动同时结束。

调Q双脉冲各自的能量大小及相互之间时间间隔可以通过改变LD驱动电脉冲宽度及时序关系来主动控制，获得需要的结果。

3实验结果及分析讨论

在电光晶体开关中，BBO晶体只有微弱的压电环效应，其工作重复频率可以达到几十kHz。

实验过程中，为了获得稳定的200s间隔双调Q脉冲，我们首先采用BBO晶体开关，在LD泵浦一个周期内，并在接近200s的时间间隔内，使晶体开关两次承受加压-退压过程，以实现双调Q脉冲的产生。

当抽运LD的电脉冲宽度为420s，BBO晶体调Q高压触发延时分别为220μs和420μs时，对应60%的输出耦合率，实验获得了图3所示的双Q脉冲序列示波照片，从图3（a）上看，前后两个脉冲的峰值基本相同，双脉冲间隔严格受触发信号间隔控制。

从图3（b）可以看出，双脉冲的脉冲周期为20ms，对应重频50Hz,由于双脉冲间隔200us，所以在宽X的时间轴上不能清晰的分辨出双脉冲。

改变两个高压触发信号的延时差，就能获得不同时间间隔的调Q双脉冲输出。

而调Q双脉冲输出能量的大小及相对比值则直接受抽运能量大小的影响，在初始的小泵浦输入条件下，第一个脉冲的能量大于第二个脉冲，随着抽运功率的增大，第二个脉冲能量增大幅度大于第一个脉冲，直到两个脉冲输出能量基本接近。

在输入116mJ抽运光的条件下，获得最大脉冲能量输出大于14mJ/脉冲。

图4为实验测得双调Q激光器的输入-输出曲线，显示了在特定驱动电流脉冲宽度的条件下，双脉冲能量的变化趋势，在抽运输入能量105mJ—120mJ范围内，双脉冲能量基本保持相同。

图3（a）BBO调Q双脉冲图（b）BBO调Q双脉冲周期图

Fig.3（a）Doublepulselaseroutputusing（b）cycletimeofdoublepulselaserwithBBO

BBOQ-switchQ-switch

图4双脉冲激光器的输入-输出曲线

Fig.4Doublepulselaseroutputatdifferentpumpenergy

当抽运光脉冲的输入能量为108mJ时，实验对双Q脉冲的脉冲宽度值进行分别测量，结果见图5。

第一个调Q脉冲示波器显示的脉冲宽度约为18ns，第二个调Q脉冲的脉冲宽度值约为17.5ns，基本实现了两个脉冲宽度的一致。

（a）（b）

图5双脉冲的瞬时脉冲波形（a）第一个脉冲，（b）第二个脉冲

Fig.5Thetemporalpulseprofileofthedouble-pulselaser

（a）Thefirstpulse,（b）thesecondpulse

图6给出该激光器输出平均功率随泵浦输入平均功率的变化曲线，对于T=60%的输出耦合率，当抽运电流脉冲宽度为420μs时，该双Q脉冲输出激光器的斜效率达到31%。

在最大输出条件下，光-光转换效率接近24%，此时，用SpiriconM2-200激光光束质量分析仪对激光光束质量M2值进行测量，测量结果如图7所示，光束在x轴、y轴向的M2值分别为M2X=1.36,M2Y=1.35。

图6激光输出功率随抽运功率变化

Fig.6Q-switchedlaserpowerasafunctionofpumppower.

图7光束质量（M2）测量图

Fig.7Measurementoflaserbeamquality（M2）

实验中，我们用KD*P调Q晶体开关替代BBO晶体开关研究双脉冲输出特性，由于KD*P晶体本身存在严重的压电环效应[10,11]，原则上不适合200μs间隔双脉冲输出应用。

当抽运能量提高的一定水平时，出现子脉冲输出现象，参见图8,即在第二次Q开关打开信号达到之前，已有随机的调Q子脉冲输出。

产生这种现象的原因是实验中当第一个Q高压完全退压后，由于压电环效应存在，KD*P晶体双折射存在弛豫消退的过程，对于420μs泵浦脉宽系统，在第一个脉冲输出后的200μs时间内，KD*P晶体开关处于非完全关闭状态，随着抽运的持续激光器能在第二次高压信号前多次达到阈值，因而输出调Q子脉冲。

图8KD*P调Q输出的子脉冲包络

Fig.8ThepulsetrainfromKD*PQ-switchedlaser

针对调Q子脉冲形成的机制，实验中我们通过提高激光器振荡阈值，优化第一个调Q信号延时时间，并降低泵浦输入能量来抑制200μs周期内子脉冲的出现，最终在实验上获得了类似图3的无子脉冲的双调Q脉冲序列稳定输出，最大双脉冲输出能量达到11mJ/脉冲，调Q脉冲宽度小于18ns，激光器光光转换效率达到21.8%。

4结论

在双端面抽运的传导冷却Nd：

YAG电光调Q激光器中，插入BBO晶体开关或KD*P晶体开关，在50Hz重复频率条件下，采用在一个泵浦周期内两次启动晶体开关高压技术，成功实现了脉冲间隔在200μs附近可调的调Q双脉冲输出，前后两个脉冲的能量和脉冲宽度能够保持基本一致。

实验结果显示，BBO晶体开关比KD*P晶体开关更适合在双Q脉冲输出机制激光器的应用。

文中针对KD*P晶体开关采取的抑制压电环效应引起的子脉冲技术，在相关激光器的研制中具有参考价值。

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实验创新点：

1.通过一个抽运周期两次打开电光Q快关，实现了调Q双脉冲输出，并且实现了了脉冲间隔200μs附近可调，通过对泵浦脉宽以及调Q触发时间的控制，实现了能量近似相等，两个脉冲脉宽近似相等的双脉冲输出。

2.文章对比分析了BBO和KD*P调Q双脉冲的实验差异，并结合两个调Q晶体的自身差异，给出了分析解释。

3.KD*P晶体开关存在压电环效应，文章中抑制压电环效应引起的子脉冲技术，在相关激光器的研制中具有参考价值。