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基于同一调Q晶压的Nd:YAG 1064nm/1319nm脉冲激光器理论研究

2019-09-02段育盛孙晶东李述涛金光勇

关键词:谐振腔光子增益

段育盛,孙晶东,李述涛,金光勇

(长春理工大学 理学院,长春 130022)

Nd:YAG晶体具有优良的物理光学特性,它的机械特性和热特性良好,而且增益很高,作为十分重要的固体激光物质,它在目前的光纤通讯、激光遥感、雷达及光谱学、环境监测、大气研究、激光医疗和军事上等领域中都能得到广泛的应用[1-4],而以Nd:YAG晶体为激光增益介质的全固态激光器,可以获得输出能量高,输出功率高的1064nm和1319nm激光。但在一些1064nm和1319nm激光的应用领域中,要求两种波长的激光除了要脉冲输出外,还需要有低的重复频率、高的峰值功率、激光能量输出稳定,这就需要对两种波长激光进行调Q。

2009年,孙晓泉等人[5]选择KD*P作为电光调Q晶体,对KD*P晶体施加3670V调Q晶压,获得1319nm激光调Q输出,得到调Q输出最大能量56mJ,脉宽约36ns,斜效率约为0.2%,激光发散角2.5mrad,输出能量不稳定度约为4%。

2008年,姚建铨等人[6]选择KD*P作为电光调Q晶体,对KD*P晶体施加3400V的四分之一波长调Q晶压,获得1064nm激光调Q输出,当腔长310mm,输入能量为16J时,输出的1064nm调Q脉冲能量210mJ,电光转换效率1.3%,平均脉宽13ns。

本文对KD*P晶体施加同一调Q晶压,可以分别实现1064nm和1319nm两种波长激光调Q输出,为小型化的双波长激光器研制提供了理论依据。

1 电光调Q理论分析

本文采用Nd:YAG晶体作为激光工作物质,其工作波长分别为1064nm和1319nm,属于四能级系统。在激光原理的基础上,可以直接写出四能级系统的速率方程[7-10]:

式中,N为单位体积反转粒子数,n1为下能级粒子数密度,W14为受激跃迁几率,A为自发辐射几率,g为腔内自发辐射波型数,Φ为单位体积腔内光子数,δ为腔内损耗。

由于Nd:YAG晶体受到外界激励时,粒子主要集中在两个能级之间实现粒子数反转,而且采用电光调Q输出的巨脉冲脉冲宽度为纳秒量级,远远小于热弛豫时间和上下能级寿命,为了便于分析,用一个二能级系统的模型代替实际的四能级系统。

假设Q值是阶跃式突变,忽略泵浦激励和自发辐射两过程的影响,公式(1)简化为:

将公式(3)带入公式(2)中,得到电光调Q激光振荡的速率方程:

接下来求解公式(4),将公式(4)中的第一个方程除以第二个方程,把时间t消掉,得:

将公式(5)取积分有:

式中,Φm为腔内最大光子数,Ni表示初始反转粒子数。

公式(6)积分后得:

可近似地认为,这些光子在腔内的寿命tc内逸出,每个光子的能量为hν,则激光的瞬时功率P=hνΦ/tc,利用公式(7)可得:

当N=Nt时,输出功率达到极大值,即峰值功率为:

若以光子数从极大值Φm下降到Φf的时刻作为脉冲结束,则Φf对应的反转粒子数为Nf,则调Q脉冲的总能量可表示为:

因此,可以得到调Q巨脉冲的宽度为:

2 基于同一电光调Q晶压的1064nm/1319nm激光输出的模拟

本文采用如图1所示激光器示意图,基于同一3797V的λ1319/4调Q晶压、相同的腔长、Nd:YAG增益介质、KD*P调Q晶体情况下,分别实现1064nm/1319nm激光调Q输出。激光器由全反射镜、Nd:YAG激光增益介质、LD bar条、激光电源、起偏器、KD*P晶体、调Q电源、输出镜组成。其中:全反射镜、Nd:YAG激光增益介质、起偏器、KD*P晶体、输出镜构成1064nm/1319nm激光谐振腔;激光电源作为LD bar条的电源;LD bar条作为泵浦源泵浦Nd:YAG激光增益介质,调Q电源对调Q晶体施加调Q晶压。

图1 1064nm/1319nm激光调Q输出示意图

首先,利用如图1所示示意图,调Q电源对调Q晶体施加3797V的λ1319/4电压,运用MATLAB模拟实现1319nm激光调Q输出:谐振腔长5cm,工作波长为1319nm激光的受激发射截面为1.1×10-19cm2。从图1中可以看出,激光器的调Q方式是退压调Q。当KD*P晶体上施加3797V的调Q晶压时,激光电源驱动LD bar条发光,对Nd:YAG激光增益介质进行能量注入,1319nm激光经过起偏器变成线偏振光,在外加电场的作用下,往返两次经过KD*P晶体后,1319nm线偏振光的偏振方向发生了90°偏转。因此,1319nm激光在谐振腔内往返一次经过起偏器时,在起偏器处偏振方向与起偏器透光轴方向正交而被反射出谐振腔外,无法在腔内形成振荡,从而使得谐振腔处于高损耗状态,Nd:YAG激光增益介质处于粒子数反转状态;经过一段时间的能量注入后,Nd:YAG激光增益介质上能级粒子数达到饱和,激光电源停止工作,调Q电源对KD*P晶体退去3797V的调Q晶压,无外加电场的作用下,1319nm激光在谐振腔内往返一次经过起偏器时,在起偏器处偏振方向与起偏器透光轴方向平行,谐振腔内损耗瞬间减小,1319nm激光在腔内形成振荡,最终实现1319nm激光调Q输出。1319nm激光谐振腔内反转粒子数密度和光子数密度随时间变化的关系如图2、图3所示。

图2 1319nm激光腔内反转粒子数密度变化

图3 1319nm激光腔内光子数密度变化

其次,利用如图1所示示意图,调Q电源对调Q晶体施加3797V的λ1319/4电压,运用MATLAB模拟实现1064nm激光调Q输出:谐振腔长5cm,工作波长为1064nm激光的受激发射截面为4.8×10-19cm2。工作原理类似于1319nm激光起振原理,激光器的调Q方式仍是退压调Q。不同的是,工作波长为1064nm激光时,仍对KD*P晶体施加3797V的λ1319/4电压,在外加电场的作用下,往返经过KD*P晶体的1064nm线偏振光的偏振方向旋转的角度会小于90°,1064nm激光在谐振腔内往返一次,在起偏器处偏振方向与起偏器透光轴方向不会正交,即同一λ1319/4调Q晶压无法实现对1064nm激光关门。但是通过MATLAB模拟发现,通过调节泵浦速率可以弥补一定损耗,从而对电光调Q晶体施加3797V调Q晶压,在外加电场的作用下,往返经过KD*P晶体的1064nm激光的偏振方向旋转的角度仍可以达到90°,1064nm激光在谐振腔内往返一次经过起偏器时,在起偏器处偏振方向与起偏器透光轴方向正交而被反射出谐振腔外,无法在腔内形成振荡,从而使得谐振腔处于储能状态;经过一段时间的能量注入后,Nd:YAG激光增益介质上能级粒子数达到饱和,激光电源停止工作,调Q电源对KD*P晶体退去3797V调Q晶压,无外加电场的作用下,1064nm激光在起偏器处偏振方向与起偏器透光轴方向平行,谐振腔内损耗瞬间减小,1064nm激光在腔内形成振荡,最终实现1064nm激光调Q输出。从而,基于相同KD*P晶体,本文实现了同一λ1319/4调Q晶压达到对1064nm/1319nm激光同时关门的效果。1064nm激光腔内反转粒子数密度和光子数密度随时间变化的关系如图4、图5所示。

图4 1064nm激光腔内反转粒子数密度变化

图5 1064nm激光腔内光子数密度变化

3 结论

本文基于同一KD*P晶体,施加相同调Q晶压,可以实现对1064nm/1319nm两种波长激光均关门的效果。在相同的腔长、Nd:YAG增益介质、KD*P调Q晶体情况下,KD*P晶体施加同一3797V的λ1319/4调Q晶压,分别对1064nm和1319nm两种波长激光进行调Q输出模拟,虽然λ1319/4电压不能同时对1064nm和1319nm激光同时关门,但可以通过调节1064nm激光的泵浦速率来弥补相应损耗,使得同一调Q晶压可以同时对两种波长激光均关门。

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