1 116nm单频脉冲Nd∶YAG激光器

董啸岳，刘爽，秘国江，王克强，毛小洁

（中国电子科技集团公司第十一研究所，北京 100015）

0 引言

全固态单频激光器可实现大能量的单频脉冲激光输出，具有结构紧凑、抗环境扰动性强的优点，在大气测风雷达领域起着至关重要的作用，且有利于实现大气测风雷达的车载化与机载化［1-2］。作为测风激光雷达的光源，其中心频率稳定性、线宽稳定性、抗环境扰动能力，直接关系到大气测风激光雷达的分辨率、稳定水平与精确度，相关问题已成为了研制新型大气测风雷达的关键。目前，种子注入是实现固体激光器单频输出的最常用手段，其原理是：将一束单频特性优良的低功率种子光注入到从动腔，主动改变腔长并同步探测腔内的腔模匹配状况，在从动腔纵模与种子光频率匹配最佳时，触发Q 开关，即可输出单频激光。常用的主动腔长控制技术有建立时间最小化（Q-Switch Build-Up Time Reduction，QBUTR）、Pound-Drever-Hall（PDH）、扫描-触发（Ramp-Fire，RF）等［3］。其中，建立时间最小化技术系统结构最为简单，对器件要求低，但在环境噪声的影响下难以实现长时期单频运转；PDH 技术探测腔频率与种子光的混频信号，反馈调节腔长以控制频率失配量，可以实现较高的频率稳定性，但对于法布里-珀罗参考腔的要求较高；扫描-触发技术直接对谐振腔长进行扫描，并探测腔模和种子光频率的匹配程度，在匹配最佳时触发Q 开关。扫描-触发技术具有一定的抗环境干扰能力，且系统结构较为简单实用。

随着掺钕钇铝石榴石（Nd∶YAG）的出现，单频固体激光器得到了长足发展。相关研究主要集中于1 064 nm，作为Nd∶YAG 晶体中的高增益谱线，1 064 nm 可通过三倍频变换到355 nm 波段，在平流层测风中已得到成熟应用［4-6］。但长期以来，基于Nd∶YAG 其他谱线的测风雷达研究受到的关注较少。

近年来，铁共振多普勒荧光激光雷达作为一种新型测风雷达，被认为是探测中间层顶部到热层底部（Upper Mesosphere and Lower Thermosphere，UMLT）区域的新型手段。以UMLT 区域的铁原子和铁离子为示踪物，激发并探测共振荧光信号，就能反演该区域大气温度、风速等信息［7-9］。为了精确地探测大气风速，铁共振多普勒荧光激光雷达需要372 nm 单频脉冲紫外激光作为发射光源。Nd∶YAG 的1 116 nm 谱线经过非线性三倍频后，与铁的372 nm 吸收谱线仅有GHz 量级的频率差［10］。因此，实现基于Nd∶YAG 的1 116 nm 单频固体激光输出，成为研制铁共振多普勒荧光激光雷达的关键。由于钕离子的1 116 nm 谱线对应跃迁的受激发射截面小，在与其他谱线的竞争中处于弱势，长期以来对于1 116 nm 激光器的相关研究较少。2013年，LIU Wenbin 等利用Nd∶YAG 陶瓷实现了248 W 的1 116 nm 准连续输出［11］；同年，ZHANG Huanian 等基于Nd∶YAG 陶瓷实现了1 112 nm 与1 116 nm 的双波长连续光输出［12］。2017年，德国航空航天中心（Deutsches Zentrum für Luftund Raumfahrt，DLR）的BERND K 等报道了利用建立时间最小化技术实现的1 116 nm 单频脉冲激光注入［10］，但缺乏有关频率稳定性数据的相关报道。

为研制用于探测UMLT 区域径向风速的铁共振荧光多普勒激光雷达，要求径向风速系统误差在3 m/s内，对应的1 116 nm 激光中心频率稳定性均方根（Root Mean Square，RMS）在1 MHz 以内［13］。本文设计并研制了用于产生372 nm 紫外脉冲光源的1 116 nm 全固态单频脉冲激光器，该激光器以分布式反馈（Distributed Feedback Laser，DFB）光纤激光器作为种子源，采用带偏置电压反馈的扫描-触发谐振探测技术建立单频振荡。经过长时间测量，激光器输出波长稳定，中心频率稳定性良好。

1 Nd∶YAG 晶体的能级结构

Nd∶YAG 为四能级结构，其简化能级图如图1所示，在多条谱线中应用最成熟的是1 064 nm，跃迁始自4F3/2能级的R2分量，终止于4I11/2能级的Y3分量。除此之外，还有946 nm、1 319 nm 两条较强的谱线，分别对应4F3/2→4I9/2以及4F3/2→4I13/2的能级跃迁。

图1 Nd∶YAG 的简化能级图Fig.1 Schematic energy level diagrams of Nd∶YAG

Nd∶YAG 的1 116 nm 谱线同样始自4F3/2能级，终止于4I11/2能级，对应的斯塔克能级为R1→Y5，在1 116 nm 谱线附近还存在1 112、1 123 nm 两个临近波长谱线。室温下，如果不增加选择性损耗，Nd∶YAG 激光器将在最强的1 064 nm 波段工作，其振荡阈值低于其他谱线。以相对性能衡量，室温下1 064 nm 谱线相对性能为100，1 116 nm 谱线相对性能为46。根据KOECHNER W 关于调Q 激光振荡器的理论［14］，Nd∶YAG 激光器产生能级跃迁的阈值条件为

式中，Li代表往返损耗，包括反射镜、增益介质对光束的吸收损耗、衍射损耗和散射损耗；Ri为输出耦合镜的反射率；A为激光棒的横截面积；hνP代表泵浦光的单光子能量；σi为受激发射截面；τf为上能级荧光寿命；ηP为泵浦效率，与用于泵浦的808 nm 半导体激光器（Laser Diode，LD）的固有特性相关；ηT为泵浦辐射的转移效率；ηa为吸收效率，代表增益介质对泵浦辐射的有效吸收程度；ηB为交叠效率，代表谐振腔模与激光介质的增益分布之间的空间交叠程度。由于效率参数主要与LD 和增益介质的特性以及耦合程度有关，在讨论不同跃迁的阈值时，可用总泵浦效率ηpe表示总的效率因子，即ηpe=ηPηTηaηB，式（1）改写为

考虑1 064 nm 谱线与1 116 nm 谱线，上能级均处于4F3/2能级，故上能级荧光寿命τf相等；Nd∶YAG 激光器输出不同波长时，效率因子ηpe变化相对有限，其阈值主要与跃迁的受激发射截面σi、往返损耗Li以及输出耦合镜反射率Ri相关［15］。1 064 nm 对应的受激发射截面σ1=6.5×10-19cm2，大于1 116 nm 对应的受激发射截面σ2=0.3×10-19cm2［16-18］。因此需要增大1 064 nm 光波在腔内的往返损耗和输出耦合镜对于1 064 nm 的透过率。往返损耗中，增益介质对光束的吸收损耗随波长变化的改变量可忽略不计，主要可通过在输入镜镀1 064 nm 增透膜，增大输入镜对于1 064 nm 的损耗。

综上所述，为了建立1 116 nm 波长的单频振荡，首先需要在谐振腔腔镜镀1 116 nm 增反、1 064 nm 增透膜，抑制Nd∶YAG 的优势谱线起振。对于临近谱线1 112 nm 和1 123 nm，它们的受激发射截面与1 116 nm近似，且通过光学镀膜无法在几个nm 的波长差上，产生足够的透过率差值，需要进一步通过种子注入的方式，利用单频种子光及对腔长的主动控制，使从动腔纵模频率与1 116 nm 相匹配，以建立1 116 nm 的单纵模振荡。

2 实验装置

激光器装置结构如图2所示。单频连续种子源采用分布式反馈光纤激光器，可输出线宽为3.30 kHz，功率为1.5 W 的1 116 nm 激光，光谱信噪比79 dB，种子光输出光谱如图3所示。采用一个隔离度为60 dB 的隔离器，以避免后向散射光对种子源产生影响。经过隔离器先后有一半波片（Half Wave Plate，HWP）和λ/4波片（Quarter Wave Plate，QWP）用来调节进入从动腔的种子光的偏振态，以调节干涉波形的强度与对比度。

图2 激光器结构示意图Fig.2 Structural schematic of laser device

图3 种子光输出光谱Fig.3 spectrum of seed

从动谐振腔采用直腔结构，输入耦合镜（M1）为1 116 nm 透过率3%的平镜，输出耦合镜（M2）为1 116 nm透过率49%的平镜，均对于1 064 nm 作了增透处理，透过率曲线如图4、5所示。腔长L=54 cm，腔长控制装置由两个压电陶瓷和电控模块构成。谐振腔的腔镜固定在压电陶瓷（Piezoelectric Transducer，PZT）上，可以产生微米量级的腔长变化。起偏器P（Polarizer）将种子光的竖直分量反射出腔外，水平分量先后经过M2与M1的反射后再次到达起偏器P，在此过程中变为竖直分量而同样被完全反射出腔外。腔外的光电二极管（Photodiode，PD）探测这两部分反射光的干涉强度。增益介质采用φ4 mm×100 mm 的Nd∶YAG 晶体，掺杂浓度（原子数分数）为1.0%，采用LD 阵列侧面泵浦方式，共计采用25 个单根最大电流100 A、最大峰值功率100 W 的Bar 条，LD 泵浦宽度为200 μs。晶体两端镀有1 116 nm & 808 nm 增透膜。利用水冷控温至24 ℃，经过实验测试，Nd∶YAG 晶体棒在此温度下对808 nm 抽运光有较高的吸收率。晶体前后各放置一个1/4 波片（QWP3与QWP4），波片快轴方向与水平方向成45°，以形成扭转模腔结构，消除空间烧孔［19］。起偏器P、电光晶体RTP 与M1后的1/4 波片，三者组成Q 开关。

图4 输入耦合镜M1的透过率曲线Fig.4 The transmission curve of the output coupler M1

3 实验结果及分析

3.1 种子注入的实现

实验中调节HWP 和QWP1，将种子光的调节为椭圆偏振光，在PZT1上施加梯形扫描电压用以扫描腔长。由于压电陶瓷存在着迟滞效应，控制电压从扫描到保持时的拐角所包含的高频成分会引起压电陶瓷的振荡，使得电压上升及下降过程中的位移偏离线性变化，引起了频率抖动。因此实验使用改进后的ramp-fire方案，增加一个用于反馈控制的PZT2，在PZT2上施加直流偏置电压用来补偿压电陶瓷迟滞导致的非线性位移［20］，确保各周期调Q 触发位置的一致性。

图6 为实现种子注入的谐振探测信号示意图，触发信号频率设置为60 Hz。具体过程为：在LD 开始抽运130 μs 后，对PZT1施加梯形扫描电压，扫描电压上限设置为100 V，周期设置为100 μs。腔长扫描开始后，控制电路即对PD 探测到的干涉信号进行微分和检测，干涉信号周期τT约为20 μs。在PZT1的振动下，腔模匹配度发生动态变化，使两部分反射光的相位差发生改变，从而使干涉图样的强度随着腔长改变而变化。当干涉强度最大时，对应着从动腔纵模频率与1 116 nm 种子光匹配最佳的时刻。实验中，为了避免压电陶瓷的启动振荡对第一个干涉周期产生干扰，将干涉波形第二个周期的波峰处设置为触发调Q 信号的时间节点，即扫描开始20 μs 后开始出现的干涉峰值才能触发Q 开关。检测到极大值时，输出晶体管-晶体管逻辑电路（Transistor-Transistor Logic，TTL）信号，该信号分别传至补偿电路与调Q 电路。补偿电路在PZT2上施加直流偏置电压，以补偿腔长漂移，实验中发现直流偏置电压调节为+10 V 时，补偿效果最佳；调Q 电路使Q 开关打开，此时腔长与种子光频率匹配最佳，1 116 nm 振荡将率先建立，并通过增益饱和限制其他波长的起振，输出1 116 nm 单频脉冲。

图6 谐振探测信号示意图Fig.6 Schematic of ramp-fire signal

在60 Hz 的重复频率下进行实验研究，图7 为单脉冲能量随LD 泵浦电流的关系，输出能量随泵浦电流增大而增加。过大的泵浦电流会导致热透镜效应显著，为了防止器件在长时间测试中损坏，实验将泵浦电流选取为78 A，24 小时能量稳定性测试结果如图8所示，输出1 116 nm 脉冲能量的平均值6.48 mJ，能量抖动的标准差为0.25 mJ。

图7 输出能量与泵浦电流关系Fig.7 Output energy versus pump current

图8 能量稳定性测试Fig.8 Energy stability diagram

使用5 GHz 带宽的铟镓砷（InGaAs）探测器和带宽为16 GHz 的WaveMaster 816Zi-A 示波器观察输出脉冲波形。如图9所示，种子注入前，输出多纵模脉冲，波形存在调制尖峰；种子注入成功后，脉冲建立时间提前，输出单纵模脉冲，波形光滑，脉宽为75.7 ns。将输出光衰减后，利用HighFinesse 公司的WS-7 波长计对输出波长测量，经过35 min 的测量，输出波长长时间稳定于1 116.297 9 nm 附近，结果如图10所示。激光器输出1 116 nm 激光的能量与波长均有较好的稳定性。

图9 激光器脉冲波形Fig.9 Pulse profile of laser

图10 输出激光波长Fig.10 Wavelength of output laser

3.2 频率稳定性测定

共振荧光激光雷达不仅要求激光发射源输出单纵模脉冲激光，还对激光发射源的中心频率稳定性提出要求。在风速测量过程中，需要利用共振荧光谱线在中心频率和两翼频率上的有效散射截面比值，计算得到风速的响应函数。因此，雷达发射光源的中心频率抖动，会在对有效截面的探测过程中引入系统误差。研究分析表明，1 MHz 的中心频率抖动，会导致0.32 m/s 的径向风速误差［13］。

实验中需要观测MHz 以内的中心频率抖动，干涉仪与波长计的精度难以满足测量要求，而实验采用的种子激光器本身具有极窄的线宽与良好的频率稳定性，可以作为频率参考对象。因此实验采用了外差拍频的方式，将种子源分束，其中CH1作为频率参考，移频后与谐振腔输出的1 116 nm 脉冲激光混频以测定拍频信号，拍频光路如图11所示。种子光的分束CH2注入从动腔，建立单纵模调Q 脉冲。通过声光移频器（Acoustic Optical Modulator，AOM）将种子光分束CH1相对于CH2引入1.17 GHz 的频移，以缩小拍信号周期，便于拍信号的采集。混频信号通过5 GHz 带宽的铟镓砷（InGaAs）探测器转换为电信号，由WaveMaster 816 Zi-A 示波器进行采集，采集到稳定的拍频信号，如图12所示。利用示波器的快速傅里叶变换功能，得到拍频信号的频谱信息。对频谱数据进行拟合，如图13所示，输出线宽为33.2 MHz。

图11 拍频测量装置示意图Fig.11 Structural schematic of beat frequency measurement device

图12 拍频信号Fig.12 Beat frequency signal diagram

图13 外差拍频信号的频谱Fig.13 Spectrum of heterodyne beat signal

在测量过程中，记录频谱中心频率对应的坐标，就可以得到中心频率的抖动情况。图14 为120 min 的中心频率稳定性测量结果，拍频率的平均值为1.156 GHz，与移频量1.17 GHz 相近；频率稳定性（RMS）为818.3 kHz。

图14 频率稳定性测量结果Fig.14 Frequency stability measurement

结果表明，实验搭建的1 116 nm 单纵模脉冲激光器能够在较长时间内保持均方根在1 MHz 以内的频率稳定性。说明通过应用带直流偏置电压反馈的扫描-触发腔长控制方案，能够有效控制从动腔与种子光的频率失配量，实现1 116 nm 单频种子光的注入。同时，实验中发现，冷却水压的变化、平台振动和工作温度变化，可能会对谐振腔等效腔长产生扰动，均对种子注入效果有明显的影响。818.3 kHz 的中心频率抖动主要由PD 对干涉信号的探测误差、泵浦强度及冷却强度的不均匀等原因导致，通过优化散热结构、精确控制激光器温湿度环境，可进一步优化频率稳定性。

4 结论

本文设计了种子注入的LD 侧面泵浦Nd∶YAG 单频1 116 nm 脉冲激光器，在重复频率为60 Hz、LD 工作电流为78 A 的条件下，输出1 116 nm 激光单脉冲能量为6.48 mJ，能量抖动标准差为0.25 mJ，脉冲宽度为75.7 ns。利用外差拍频方式测试频率特性，测量得到线宽为33.2 MHz，120 min 的中心频率稳定性（RMS）为818.3 kHz。该激光器实现了全固态结构，具有良好的工作稳定性，频率稳定性指标符合共振荧光测风雷达要求，经多级能量放大和372 nm 非线性频率变换后，可以作为铁共振荧光测风雷达的激光光源。