Nd：YVO4/Cr4+：YAG被动调Q激光器输出特性的提高

金元笔，金光勇，王雷，王超，金哲，洪成青

（1.长春理工大学 理学院，吉林省固体激光器与应用重点实验室，长春 130022；2.朝鲜民主主义人民共和国理科大学 朝中友谊激光实验室，朝鲜）

被动调Q激光器尤其是激光二极管（LD）抽运的被动调Q激光器，由于体积小、结构简单、输出激光脉冲峰值功率高、脉宽窄等优点，被广泛应用于激光通信、雷达探测等诸多领域［1-4］。Cr4+：YAG晶体作为被动调Q器件具有饱和光强低、热导性好、光化学性能稳定、防潮、损伤阈值、高热学和机械性能比较好等优点［1，5，6］，是Nd激光器适合的被动调Q器件，因而有许多研究者对Cr4+：YAG被动调Q激光器进行了研究，其中包括对被动调Q激光器的理论和优化研究［7-10］、输出特性稳定性研究［11，12］。Nd：YVO4晶体相对于Nd：YAG晶体具有吸收截面大（在π方向上Nd：YAG的4倍）、受激辐射截面大（在π方向上Nd：YAG的5.6倍）、上能级寿命（100μs）短等特点［11］。Nd：YVO4晶体由于受激辐射截面大、上能级受命短，储能较低，因而Nd：YVO4晶体最适合于LD抽运连续运转，但是不利于被动调Q运转［12］。比如在抽运功率、谐振腔参数一样的情况下，典型3种晶体被动调Q激光输出特性如表1所示。从表1中可以看出，Nd：YVO4比Nd：YAG、Nd：GdVO4具有更低的被动调Q特性指标，尤其是峰值功率比Nd：YAG低50倍以上。

根据被动调Q理论，提高峰值功率有两种方法，一是降低可饱和吸收体初始透过率，二是增加耦合输出镜的透过率［8］。可是Cr4+：YAG可饱和吸收体的激发能态吸收（Excited State Absorption，ESA）随初始透过率下降增加，于是晶体内发生的热量增加、激光器效率减小，而耦合输出镜透过率的影响不大。李诚对谐振腔内Cr4+：YAG器件的合理位置进行了实验研究，确定了束腰是被动调Q器件最合适的位置［13］。

从被动调Q理论出发，本文针对提高Nd：YVO4/Cr4+：YAG被动调Q激光器输出特性，提出了新的方法，该方法就是将扩束镜放在谐振腔内，以便增加饱和吸收体位置的光子密度，并把该方法用于Nd：YVO4/Cr4+：YAG被动调Q激光器将峰值功率提高了一个量级以上，单脉冲能量提高了两倍以上。

1 理论分析

根据文献［1，9，14］，激光晶体和饱和吸收体具有不同的光束截面时被动调Q速率方程可写为：

式中ϕ为激光晶体内光子数密度；n为反转粒子数密度；ng和ne分别为可饱和吸收体中基态和激发态的粒子数密度ns0为可饱和吸收体内总的粒子数密度；σ为激光受激发射截面积；A和As分别为激光晶体和可饱和吸收体内的光束截面积；l和ls分别为激光晶体和可饱和吸收体的长度；c为真空中的光速；R为谐振腔耦合输出镜反射率；γ为激光晶体的反转简并因子；tr=2l′/c为光在光程l′的谐振腔内往返的时间；σg和σe分别为饱和吸收体的基态和激发态吸收截面积；τ为激光晶体上能级寿命；τs为可饱和吸收体的亚稳态寿命；Wp为抽运功率；L为腔内无用损耗。谐振腔内激光振荡刚开始的时候光子数密度和它对时间的导数很小，可饱和吸收体的粒子几乎都在基态，可令（1）式的左侧等于0、并使ng=ns0，激光开始时初始反转密度ni可表示如下：

式中T0=exp(-σgns0ls)是可饱和吸收体的初始透过率。若A=As时的初始反转密度为ni0

从式（7）可以看出，A≠As与A=As两种情况下初始粒子数反转密度不同、在其他条件一定的情况下它们差值的大小由(A/As)决定。激光振荡开始以后谐振腔内光子数密度迅速增加，可饱和吸收体内处在基态的粒子被激发到亚稳态时ng=0、ne=ns0、ϕ达到最大值、n下降到nth。

表1 3种晶体被动调Q激光器激光输出特性比较

从式（9）可以看出，nth与nth0不同、在其他条件一定的情况下它们差值的大小由(A/As)决定、且(ni-ni0)是(nth-nth0)的四倍以上。脉冲输出以后谐振腔内反转粒子数密度迅速减小到剩余反转粒子数密度nf。

式中Tmax=exp(-σens0ls)为可饱和吸收体的最大透过率，nth0为A=As时阈值反转粒子数密度。Tmax近似等于T0.230［15］。

式（10）是超越方程，通过数值解决可算出剩余反转粒子数密度［16］。比如根据文献［16］，σ=15.6×10-19cm2l=10cm、T0=87%、Tmax=97%、A/As=9、R=0.7、L=0.1时数值解决的结果如表2所示。

从表2可以看出，A/As=9相对于A/As=1初始反转粒子数密度4倍以上，且剩余反转粒子数密度变小，所以，脉冲能量会更大、峰值功率会更高、脉宽会更窄。连续抽运调Q激光器激光脉冲间隔时间小于激光粒子的上能级寿命时初始反转粒子数密度可写成：［1］

式中n∞为脉冲间隔时间比激光上能级寿命τ大时形成的初始反转粒子数密度，Δt为脉冲间隔时间。

式中Rp为抽运速度，上式表明，一定的抽运功率下ni越大和nf越小、脉冲间隔时间就越长。由上面的分析可得，通过可饱和吸收体内的光束面积，可以提高被动调Q激光器输出特性。

2 实验结果

实验装置如图1所示。

图1 LD抽运Nd：YVO4/Cr4+：YAG被动调Q激光器实验示意图

泵浦源为中心波长808nm的连续激光二极管、最大输出功率25W，激光晶体LC为3mm×3mm×10mm的Nd：YVO4晶体、朝泵浦源的面镀有对808nm和1064nm高透过膜、另一个面镀有对1064nm高透过膜，PQ为初始透过率87%的Cr4+：YAG晶体，M1为平凹1064nm全反镜、凹面曲率反径为2m、朝LD的平面镀有对808nm高透过膜、曲面镀有对808nm高透、对1064nm高反射膜，M2为平平输出镜，用DET10A高速探测器和TDS-3054B型示波器（500MHz）探测激光脉冲波形、脉冲间隔时间，能量计为OPHIR公司的NOVAII，扩束镜BA的扩大倍率为3，谐振腔长度为150mm。实验中，首先在腔内未放置扩束镜时，测了峰值功率，脉冲能量、脉宽、脉冲间隔时间随泵浦功率（泵浦原电流）的变化，结果如图2至图5所示。耦合输出镜透过率分别为32%、48%、60%时最大峰值功率分别为150W、350W、500W，最大脉冲能量分别为 15μJ、30μJ、33μJ。脉宽和脉冲间隔时间在电流4A以上的区域基本上具有稳定性。耦合输出镜透过率分别为32%、48%、60%时最窄脉宽分别为95ns、65ns、63ns，在电流4A以上的区域最长的脉冲间隔时间分别为10.5μs、11.8μs、11.3μs。

从上述的实验结果可以看出，耦合输出镜的透过率变化时，对被动调Q输出特性的影响不大。Nd：YVO4晶体的激发态寿命为100 μs，因而50～100μs的脉冲间隔时间对Nd：YVO4被动调Q激光器比较合理，但是得到的脉冲间隔时间为10μs左右，所以上能级储能时间不够长，结果导致峰值功率低，脉宽大，脉冲能量小。输出镜透过率32%、谐振腔内放在扩束镜时得到的实验结果如图6、图7所示。

表2 A/As=1与A/As=9时数值求解结果

图2 Nd：YVO4/Cr4+：YAG被动调Q激光器峰值功率随泵浦功率变化

图3 Nd：YVO4/Cr4+：YAG被动调Q激光器脉冲能量随泵浦功率变化

图4 Nd：YVO4/Cr4+：YAG被动调Q激光器脉宽随泵浦功率变化

图5 Nd：YVO4/Cr4+：YAG被动调Q激光器脉冲间隔时间随泵浦功率变化

图6 把扩束镜放在谐振腔内时被动调Q激光器峰值功率和脉冲能量随泵浦功率变化

图7 把扩束镜放在谐振腔内时被动调Q激光器脉宽和脉冲间隔时间随泵浦功率变化

在电流4A以上区域脉冲间隔时间为50～100μs，脉宽为25～40ns，峰值功率3kW左右，脉冲能量70～80μJ。从实验结果可以看出，将扩束镜放谐振腔内可以得到良好的被动调Q激光输出特性。从理论分析可以看出，这个方法的效果与激光晶体种类没有关系，也可以在其他被动调Q激光器中会用该方法，以便提高激光输出特性。

3 结论

基于被动调Q速率方程提出了将扩束镜放在谐振腔内的新方法，从而提高了Nd：YVO4/Cr4+：YAG被动调Q激光器激光输出特性。通过方程分析和数值求解、对比实验，验证了该方法的可靠性。当把扩束比1∶3的扩束镜放在Nd：YVO4/Cr4+：YAG被动调Q激光器谐振腔内时，峰值功率提高了一个量极以上，脉冲能量从10～30μJ变大到70～80μJ，脉宽从60～150ns变窄到25～40ns，脉冲间隔时间从5～20μs变宽到50～100μs。其他被动调Q激光器也可以应用此方法提高激光器输出特性。

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