一种kHz、窄脉宽、高能量激光器的研究

万玮华，　仇振安，　郝培育，　滕云鹏，　沈兆国

(1.光电控制技术重点实验室，河南 洛阳　471000；　 2.中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所， 河南 洛阳　471000；　3.陆航驻洛阳地区军事代表机构，河南 洛阳　471000)

0　引言

全固态、高重频、窄脉宽、电光调Q激光器一直是工程应用的重点。在激光雷达、激光测距等领域具有广阔的应用前景。远程测距系统中，kHz、窄脉宽(3～

5 ns)、高能量的激光光源研究对提升测距的测程具有重要的研究意义。采用电光调Q的方式能获得重复频率稳定、高峰值功率的激光，其电光响应迅速，有利于获得窄脉宽激光输出，因此被广泛运用。

满足上述指标的激光器研究较多，主要有：毛小洁等[1]利用LD端面泵浦KD*P晶体获得了kHz，5 ns，2.7 mJ的1064 nm激光输出；孙哲等[2]利用LD端面泵浦Nd:YVO4，在腔长为20 mm的情况下，利用KD*P晶体进行电光调Q获得了重复频率为200 Hz，0.42 mJ脉宽小于600 ps的激光输出；杨文是[3]等利用LD侧面泵浦，对比KD*P与BBO晶体的调Q特性，并利用BBO晶体获得了1 kHz，6.5 mJ的激光输出，脉宽为17.55 ns；钟国舜[4]等利用LD端面泵浦RTP晶体在低重频25 Hz下，使用短腔法获得了脉宽1.8 ns、单脉冲能量1.5 mJ的激光输出。上述内容所研究的激光器输出能量普遍不高，多采用低功率LD阵列，经光纤耦合泵浦的设计，聚焦至工作物质内，仅能适用于实验环境，在严格的机载和工程应用的环境中，光纤耦合泵浦的设计并不能很好地适用。

本文使用了一种峰值功率百瓦量级的LD端泵阵列，并配合三柱透镜耦合系统，对LD端面泵浦模块进行设计，实验中对比了KD*P晶体与RTP晶体的kHz的调Q特性，利用KD*P晶体能获得11 mJ的高动态能量输出，RTP晶体能获得5.64 mJ的动态能量输出，在腔型结构确定的情况下，通过实验与理论仿真的对比，验证了短腔法实现窄脉宽激光输出的可行性。

1　基本理论

1.1　调Q开关

电光开关的设计主要依据泡克耳斯效应，晶体折射率与外加电场强度的一次方成正比。不加电场，入射线偏振光的偏振方向与晶体快(或慢)轴成45°夹角正入射时，线偏振光向快、慢轴方向等幅值进行投影，通过晶体后，两正交分量的合成方向与入射光偏振方向相同，偏振状态不发生改变；施加外电场时，由于晶体的横向电光效应，快慢轴的折射率不同，两正交偏振的相位差随所加电压线性变化，当所加电压恰好使两正交偏振相位差为π的奇数倍时，合成偏振方向与入射偏振正交，线偏振光方向旋转90°。

目前KD*P晶体在工程应用中已比较成熟，具有电光系数高、消光比高、损伤阈值高等特点，但其抛光面易潮解，使用时需配合特殊的密封与封装技术[5]，并且KD*P晶体的工作电压较高，实验采用的KD*P晶体四分之一波电压高达6 kV。

磷酸钛氧铷(RTP)晶体为双轴晶体，存在自然双折射效应。为实现可靠的RTP电光开关，必须补偿自然双折射产生的相位差。工程应用中一般选取2块折射率接近的晶体在通光方向正交运用，以晶体y轴为通光方向，z轴施加横向电场，取长度为L、厚度为d的单块RTP晶体，其两正交偏振的相位延迟为[6]

(1)

两晶体正交放置，x轴与z轴旋转90°，当入射光经过第2块晶体后，其相位差为

(2)

于是，通过2块晶体后的总相位差为

(3)

则当总相位差Δφ=π时，对应的半波电压为

(4)

实验选取的RTP晶体通光面尺寸为8 mm×8 mm，晶体的厚度为10 mm；依据文献[7]中的折射率色散方程，当中心波长λ0=1.064 μm时的主折射率分别为nx=1.764，ny=1.773，nz=1.850。取有效电光系数γc为23.6 pm/V，z轴横向加压对应的半波电压为2.848 kV，四分之一波电压为1.424 kV。受晶体主轴折射率与有效电光系数误差的影响，RTP晶体的实际工作的四分之一波电压要比理论值稍高一些，实验测得RTP晶体横向四分之一波电压为1.6 kV。

1.2　窄脉宽理论分析

根据Degnan的调Q理论[8]，可以得到调Q后激光脉冲宽度的表达式为

(5)

式中：a=(z-1)[z·ln(z)]；无纲量参数z=2g0lc/L，g0为小信号增益系数，lc是晶体长度，L是单程损耗；tR为振荡往返时间，tR=2ll/c，ll是谐振腔光程。

通过式(5)可知，脉冲宽度主要由谐振腔光程ll、小信号增益系数g0与单程损耗L三者共同决定，谐振腔构型确定后，可以将谐振腔的小信号增益系数与单程损耗测量出来，当g0与L确定后，脉冲宽度随着ll的增大而增长。

1.3　实验装置

端面泵浦模块由国产的4Bar条二维LD阵列构成，其峰值功率最大可达450 W，阵列横向尺寸较大，设计了三柱透镜耦合系统，可以分别对阵列横向与纵向的发散角进行压缩，使得泵浦光经耦合镜后聚焦焦点的光斑大小约为3 mm×0.5 mm，该光学设计能使光束充满于工作物质内，获得较大的泵浦光束利用率，其泵浦结构与焦点光斑尺寸大小如图1所示。

图1　端面泵浦结构设计图Fig.1　The design of end-face pumping structure

工作物质选用单掺Nd：YAG晶体，掺杂浓度为1 at%,在泵浦面镀上808 nm增透膜与1064 nm的全反射膜，晶体的尺寸选为4 mm×4 mm×10 mm的矩形块，其侧面与热沉块充分接触，能更好地进行散热，缓解高重频运转过程中带来的热效应问题，阵列经热电致冷器(TEC)与阵列热沉块充分接触，工作物质热沉与阵列热沉之间通过循环水路进行散热。

采用能适用于高重频(kHz)运转的RTP晶体与KD*P晶体进行电光调Q，2块RTP晶体正交放置，单块RTP晶体的尺寸为8 mm×8 mm×10 mm，KD*P晶体尺寸为φ8 mm×32 mm，调Q晶体靠近半反镜一端，采用加压方式进行电光调Q，其激光器结构光路如图2所示。

图2　激光器结构光路图Fig.2　Optical path of the laser

偏振片产生水平方向的偏振光，四分之一波片快轴方向与水平方向成45°，当调Q晶体不施加电压时，偏振光通过四分之一波片后被半反镜反射，两次经过四分之一波片，偏振方向旋转90°，经调Q晶体透射后无法再次通过偏振片，腔内处于完全关门的状态。当调Q晶体施加了四分之一波电压时，晶体相当于四分之一波片的作用，此时水平偏振光往返两次经过调Q晶体和四分之一波片，产生的总相位差为2π，不改变偏振光的偏振状态，谐振腔开门。通过迅速控制开关门时间，能有效实现反转粒子数积累，基于调Q机制，产生峰值功率较高的巨脉冲。

2　实验和结果

2.1　LD端泵单元的光光转化效率分析

利用激光器电源驱动LD阵列，工作重频为1 kHz，放电脉宽为200 μs，采用NOVA-II型能量计测量LD端面泵浦单元的输出性能，并在不加调Q器件时，测得激光器静态输出的能量情况如图3所示。

图3　阵列输出光与静态输出光的效率关系Fig.3　Array and static light output characteristics

阵列泵浦近场输出的光斑与工作物质焦点处的焦点光斑大小相仿，呈3 mm×1.4 mm的椭圆形，阵列的光光转化效率随着电流的增加存在小量的提升，基于上述LD端面泵浦耦合系统的光光转化效率最大能达到27%。

2.2　调Q晶体的动静比分析

利用上述的静态调试结果，依照图2的激光器光路进行调Q晶体的对比实验。RTP晶体自身的消光比不高(200∶ 1)，并且2块正交放置的晶体受装配工艺的影响很难保证较高的轴向精度，因此实验中很难将谐振腔内的漏光调零，而KD*P晶体却不存在此缺点，其消光比高(5000∶ 1)，腔内漏光调试较为简单。RTP晶体z轴横向的实际电压为1.6 kV，KD*P晶体的横向电压为6 kV，调Q延时设置为200 μs，调Q电压上升沿时间小于10 ns，此时不同晶体动态光与静态光的输出特性、相应的动静比特性如图4所示。

图4　动态与静态光输出特性关系图Fig.4　Dynamic and static light output characteristics

对比两种不同的电光调Q晶体，RTP的动静比低于KD*P，在同样的静态光输入下，利用KD*P晶体进行电光调Q能获得较大的动态能量输出，而对于RTP晶体的动态调试，其非线性光学效应较为严重，存在较为明显的倍频绿光输出。通过动静比的曲线可知，阵列在不同电流下，动静比的变化呈现出先增大后减小的一个趋势，由于工作物质的有效体积是一定的，随泵浦的功率增大，动态输出的激光能量将逐渐趋于饱和，因此存在最佳的泵浦功率与最佳工作电流，根据实测结果，此构型设计的端面泵浦激光器最佳工作电流为40 A，对应的此阵列的峰值功率为240 W。

2.3　脉冲宽度与谐振腔光程关系

基于RTP晶体进行电光调Q，改变谐振腔腔长，验证前文Degnan的调Q理论。分别在不同激光器物理腔长(谐振腔光程为对应物理腔长+20 mm)下对输出的动态激光进行脉冲宽度的测量，使用纳秒探测器测量，在示波器上得到了输出激光的脉冲宽度分别为5.76 ns，10.93 ns，13.81 ns，15.69 ns，17.77 ns，20.18 ns，如图5所示。

图5　不同腔长下激光输出波形图Fig.5　Laser output waveforms under different cavity lengths

谐振腔的主要损耗来自半反镜的透射损耗，实验使用的半反镜反射率为80%，各光学部件的插入损耗约为5%，取腔内的单程损耗系数为0.25进行模拟；实验测得腔内小信号单程增益系数约为0.26；通过分析式(5)，从理论上进行谐振腔光程ll与脉冲宽度tp的仿真，并结合实测的脉冲宽度与谐振腔光程的关系，得到图6所示的谐振腔光程与脉宽关系的理论实际对比图。从图6可以看出，在激光器腔型结构确定时，脉冲宽度与谐振腔的光程呈一定的线性关系，实验中的实测数据与理论仿真的曲线具有一致性，在调Q上升沿较窄的情况下(小于10 ns)，为控制谐振腔的光程，利用短腔法实现小于5 ns的窄脉宽激光输出，应控制谐振腔的光程小于80 mm；受器件本身的结构尺寸限制，本文能满足的最短腔长为60 mm，利用RTP晶体进行高重频调制，获得了脉宽为5.76 ns，动态能量5.64 mJ的激光输出。

图6　谐振腔光程与脉宽关系图Fig.6　Optical path of the resonator vs pulse width

3　结论

考虑工程的实际应用，高功率、多Bar条的LD阵列组合三柱透镜耦合系统的设计相比于光纤耦合泵浦的设计能更好地适用于机载环境，此端面泵浦结构的光光转化效率为27%，还具有较大的提升空间；RTP晶体与KD*P晶体都能适用于kHz的高重频运转，受整个腔型结构与RTP晶体安装精度等影响，实验测得RTP晶体的动静比明显低于KD*P，最大只能达到40%，晶体消光比不高是一方面的因素，后续可采用国外的RTP晶体继续进行调Q测试，以期能继续提高激光器输出能量。实验验证了短腔法实现窄脉宽激光输出的特性，最低获得了5.76 ns的脉宽，为获得需求指标小于5 ns的脉宽输出，在腔型确定、调Q上升沿较窄的情况下尽可能地缩短腔长，能获得更短的脉宽输出。本文所获得的kHz、窄脉宽、高能量的激光器能为远程激光测距提供合适的光源，亦可以作为MOPA系统的种子源进一步研究如何获得高重频、大能量的脉冲激光输出，在工程应用上具有重要的研究意义。

[1]毛小洁,秘国江，杨文是，等.二极管端面抽运千赫兹激光器[J].激光技术,2012,36(5)：639-641.

[2]孙哲,李强，姜梦华，等.亚纳秒脉宽半导体泵浦电光调Q Nd:YVO4激光器[J].光电子·激光,2012,23(11)：2074-2078.

[3]杨文是，于继承，吕明春，等.千赫兹二极管抽运 Nd:YAG激光器[J].激光与红外,2009,39(8)：861-864.

[4]钟国舜，毛小洁，秘国江，等.高光束质量窄脉宽激光器[J].激光技术,2013,37(6)：766-768.

[5]卢秀权，陈绍和.KTP电光开关[J].中国激光,1999,26(4):

321-324.

[6]李世忱,倪文俊,杨天新，等.KTP(KTiPO4)晶体电光开关研究[J].光电子·激光,1999,10(2):95-98.

[7]ROTH M,TSEITLIN M,ANGERT N.Oxide crystals for electro-optic Q-switching of lasers[J].Glass Physics and Chemistry,2005,31(1):86-95.

[8]DEGNAN J J.Theory of the optimally coupled Q-switched laser[J].IEEE Journal of Quantum Electronics,1989,25(2):214-220.