董 磊，劉欣悅，陳 浩

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MOPA結(jié)構(gòu)脈沖單頻激光器時(shí)間相干性的初步實(shí)驗(yàn)

董 磊1，劉欣悅1，陳 浩2

( 1. 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春 130033；2. 長(zhǎng)春新產(chǎn)業(yè)光電技術(shù)有限公司，長(zhǎng)春 130103 )

為了研制激光干涉成像所需的基于主振蕩功率放大(Master Oscillator Power Amplifier，MOPA)結(jié)構(gòu)的高能高相干脈沖單頻激光器，需要研究經(jīng)過(guò)功率放大后的脈沖時(shí)間相干性隨激光功率(或能量)增加的變化趨勢(shì)。本文采用聲光調(diào)Q脈沖單頻Nd:YVO4激光器作為種子源，利用Nd:YAG功率放大模塊對(duì)種子源激光進(jìn)行2.1倍的脈沖能量放大。利用邁氏干涉測(cè)量法，完成種子源和2.1倍功放后激光在0 ~6 m光程差下干涉條紋對(duì)比度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，從而初步得到脈沖激光時(shí)間相干性(線寬)隨激光功率(或能量)增加的變化趨勢(shì)。同時(shí)也完成種子源和功放后激光的單頻性、單脈沖能量、脈寬和峰值功率等基本參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量。

脈沖激光器；單頻；MOPA結(jié)構(gòu)；時(shí)間相干性；條紋對(duì)比度

0 引 言

激光干涉成像具有主動(dòng)照明提高成像信噪比和不需要獲得光強(qiáng)的空間分布而只需測(cè)量隨時(shí)間變化回波能量就可重構(gòu)圖像等優(yōu)點(diǎn)，成為非常規(guī)成像領(lǐng)域的重要組成部分。其中的一種新型成像技術(shù)—傅里葉望遠(yuǎn)術(shù)，具有主動(dòng)成像、合成孔徑、克服低階大氣湍流影響和低光學(xué)質(zhì)量能量接收的特點(diǎn)，從而成為近幾年的研究熱點(diǎn)[1-6]。

傅里葉望遠(yuǎn)術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一是產(chǎn)生光學(xué)外差干涉模式。已有產(chǎn)生該干涉模式的方法[7-8]都是采用連續(xù)單頻激光器實(shí)現(xiàn)的。連續(xù)單頻激光器在近距離成像(1 km以內(nèi))是可行的，卻不適用于遠(yuǎn)距離成像(幾十千米以上)，原因在于成像需要的激光峰值功率與距離的4次方成正比[9]。這就要求研制基于MOPA結(jié)構(gòu)的高能脈沖單頻激光器。然而一般認(rèn)為激光器的高功率和高時(shí)間相干性(窄線寬)是一個(gè)矛盾，現(xiàn)在還沒有文獻(xiàn)報(bào)道焦耳級(jí)單脈沖能量是否能保證米級(jí)以上的相干長(zhǎng)度。本文試圖從實(shí)驗(yàn)角度尋找激光時(shí)間相干性隨功率增加的變化規(guī)律。由于沒有找到成熟的可定量測(cè)量脈沖激光線寬(時(shí)間相干性)的儀器或技術(shù)，故本文采用邁克耳遜干涉法測(cè)量不同光程差下干涉條紋對(duì)比度的下降趨勢(shì)，從而得出種子源和2.1倍功率放大后激光相干性的變化規(guī)律。同時(shí)也完成種子源和功放后激光單頻性、脈寬、單脈沖能量和峰值功率等特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)量。

本文首先介紹基于MOPA結(jié)構(gòu)的脈沖單頻激光器的設(shè)計(jì)方案；然后給出開展時(shí)間相干性(線寬)測(cè)量及激光基本參數(shù)測(cè)量所需的實(shí)驗(yàn)裝置；隨后給出種子源和功放后激光時(shí)間相干性的變化趨勢(shì)和激光基本參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果；最后對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)。

1 MOPA結(jié)構(gòu)脈沖單頻激光器的設(shè)計(jì)方案

種子源激光器采用環(huán)形腔設(shè)計(jì)，在腔內(nèi)插入法拉第旋轉(zhuǎn)器、/2波片和標(biāo)準(zhǔn)具實(shí)現(xiàn)窄線寬、單縱模激光輸出。該激光器采用以下技術(shù)保證高性能的脈沖單頻激光的產(chǎn)生。

橫模選擇技術(shù)：種子激光器采用808 nm LD泵浦工作物質(zhì)，減少工作物質(zhì)中的廢熱產(chǎn)生，提高光束質(zhì)量；采用端面泵浦方式，使泵浦光光斑直徑略小于諧振腔基膜光斑直徑，達(dá)到最佳模式匹配，實(shí)現(xiàn)單橫模運(yùn)轉(zhuǎn)。

縱模選擇技術(shù)：種子激光器采用環(huán)形腔技術(shù)消除空間燒孔效應(yīng)，同時(shí)腔內(nèi)插入標(biāo)準(zhǔn)具，兩者共同作用實(shí)現(xiàn)單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)。線寬壓窄技術(shù)：在諧振腔中插入多個(gè)厚度不同的標(biāo)準(zhǔn)具壓窄線寬，保證激光器輸出窄線寬(大相干長(zhǎng)度)激光。

主動(dòng)調(diào)Q技術(shù)：采用聲光調(diào)Q產(chǎn)生重復(fù)率為10 Hz的20 ns量級(jí)脈寬的脈沖激光。

則燈器連續(xù)工作20個(gè)日歷天的耗電量為50A?h(燈器工作在陰雨天氣下，考慮電池在20天內(nèi)沒有發(fā)生充電，連續(xù)處于放電之下)。同時(shí)為保證連續(xù)的放電不對(duì)電池造成損傷，放電深度應(yīng)控制在55%。由此可知，電池容量要求為：

種子源結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖分別如圖1和圖2所示。激光器的工作原理如下：連續(xù)LD(半導(dǎo)體泵浦激光器)通過(guò)光纖耦合及耦合鏡頭將能量運(yùn)送到激光工作物質(zhì)(Nd:YVO4)，采用端面泵浦提高光束質(zhì)量確保單橫模輸出；聲光調(diào)Q器(AO Q-switch)用來(lái)產(chǎn)生重復(fù)率為10 Hz，脈寬(半幅值全寬度)約20 ns的脈沖激光；一組不同厚度的標(biāo)準(zhǔn)具用來(lái)壓縮線寬，其中薄標(biāo)準(zhǔn)具實(shí)現(xiàn)粗選頻，隨著厚度增加選頻精度提高，最終實(shí)現(xiàn)單縱模輸出；KTP晶體放在腔外，將1 064 nm激光轉(zhuǎn)換成532 nm激光，以方便CCD獲取干涉條紋分布圖像。種子源中主要的熱源均采用溫控技術(shù)保證高光束質(zhì)量的脈沖單頻激光的穩(wěn)定輸出，其中LD采用TEC半導(dǎo)體制冷和風(fēng)冷，Nd:YVO4采用TEC半導(dǎo)體制冷加水循環(huán)制冷。

圖1 種子源結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 種子源實(shí)物圖

激光功率放大部分采用兩級(jí)Nd:YAG功率放大模塊，以實(shí)現(xiàn)2.1倍的功率放大。功放模塊采用TEC制冷和水循環(huán)制冷。功放模塊實(shí)物如圖3所示。

圖3 功率放大模塊

2 參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置

2.1 時(shí)間相干性測(cè)量

利用邁克耳遜干涉法和收發(fā)同步測(cè)量法開展激光時(shí)間相干性測(cè)量。邁克耳遜干涉法是傳統(tǒng)的用來(lái)測(cè)量光波時(shí)間相干性的方法，通過(guò)改變兩臂光程差使得CCD相機(jī)靶面的干涉條紋(通過(guò)微調(diào)一面反射鏡的傾角，使得靶面條紋分布易于觀測(cè))對(duì)比度逐漸降低，從而獲得激光的時(shí)間相干性信息，示意圖如圖4所示。其中保偏分光棱鏡保證分束后的兩束激光的偏振態(tài)完全相同，可以消除偏振態(tài)不一致引起的條紋對(duì)比度的下降，從而保證條紋對(duì)比度的下降僅由兩臂光程差的增加接近或超過(guò)波列時(shí)間相干長(zhǎng)度所致。保偏分光棱鏡的分光比為1:1，確保參加干涉的兩束光的光強(qiáng)相等，排除光強(qiáng)不等對(duì)條紋對(duì)比度的影響。

圖 4 邁氏干涉儀原理圖

收發(fā)同步測(cè)量法，利用雙通道信號(hào)發(fā)生器和帶外觸發(fā)功能的CCD相機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖激光產(chǎn)生的瞬時(shí)干涉條紋的圖像獲取。信號(hào)發(fā)生器的一路信號(hào)觸發(fā)AO調(diào)Q，產(chǎn)生10 Hz的脈沖激光輸出；另一路觸發(fā)CCD相機(jī)實(shí)現(xiàn)圖像獲取。調(diào)整CCD相機(jī)的觸發(fā)延遲和曝光時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)干涉條紋圖像的準(zhǔn)確穩(wěn)定捕獲。為了獲得直紋和較大的觀測(cè)區(qū)域，實(shí)驗(yàn)中采用擴(kuò)束比為20:1的擴(kuò)束鏡，擴(kuò)束后近似為平面波，可忽略發(fā)散角對(duì)干涉的影響。邁克耳遜干涉法和收發(fā)同步測(cè)量法相結(jié)合的測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 時(shí)間相干性測(cè)量實(shí)物圖

2.2 單頻性測(cè)量

由于倍頻過(guò)程不會(huì)改變激光單頻性(即不改變激光縱模數(shù))，所以基頻光1 064 nm的單頻性是通過(guò)倍頻后綠光的單頻性來(lái)驗(yàn)證的。單頻性利用間隔為9.8 mm的標(biāo)準(zhǔn)具檢測(cè)，當(dāng)CCD顯示為清晰的單套環(huán)時(shí)，表示激光為單縱模。測(cè)量實(shí)物圖和結(jié)果分別為圖6和圖7所示。

圖6 單頻性測(cè)量

圖7 單套干涉環(huán)

2.3 激光基本參數(shù)測(cè)量設(shè)備

利用Coherent公司的激光能量計(jì)(LabMax-Top)測(cè)量單脈沖能量和重復(fù)率。利用Thorlabs公司的高速探頭(DET10A)和Tek示波器(TDS1002C-EDU)測(cè)量激光脈寬。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

3.1 時(shí)間相干性測(cè)量

利用邁氏干涉法分別測(cè)量種子源和功率放大器的時(shí)間相干性，測(cè)量光程差分別為0 m、1 m、2 m、3 m、4 m、5 m和6 m時(shí)的干涉條紋，如圖8所示，并計(jì)算其對(duì)比度。對(duì)比度的算法如下：在光束覆蓋范圍內(nèi)選擇5個(gè)具有代表性的局部單周期條紋，分別計(jì)算各自的對(duì)比度，然后將對(duì)比度平均值作為該光程差下的對(duì)比度。光程差分別為0 m、1 m、2 m、3 m、4 m、5 m和6 m時(shí)種子源干涉條紋的對(duì)比度分別為：0.977(0 m)，0.852(1 m)，0.839(2 m)，0.819(3 m)，0.762(4 m)，0.697(5 m)，0.642(6 m)。功率放大后干涉條紋的對(duì)比度分別為：0.971(0 m)，0.842(1 m)，0.830(2 m)，0.812(3 m)，0.750(4 m)，0.691(5 m)和0.640(6 m)。通過(guò)比較可知干涉條紋的對(duì)比度隨著光程差的增加大致呈現(xiàn)出遞減的趨勢(shì)，并且2.1倍功率放大引起的條紋對(duì)比度下降較小，由此推知激光相干性的下降不明顯。

圖8 在不同光程差下的干涉條紋(上行為種子源，下行為功放后)

根據(jù)文獻(xiàn)[10]中相干時(shí)間的定義，當(dāng)對(duì)比度下降為0.707時(shí)，對(duì)應(yīng)的邁氏干涉法的兩臂的光程差為相干長(zhǎng)度。由于5 m光程差對(duì)應(yīng)的種子源和功率放大后干涉條紋的對(duì)比度分別為0.697和0.691，與0.707很接近，可認(rèn)為種子源和2.1倍功放后激光的相干長(zhǎng)度近似為5 m。利用公式[11]，其中為光速，為相干長(zhǎng)度，計(jì)算得到激光的線寬約為60 MHz。

由于種子源和2.1倍功放后的激光線寬差別很小，所以我們以條紋對(duì)比度區(qū)分時(shí)間相干性的好壞。對(duì)于大部分激光干涉應(yīng)用，分光后干涉條紋對(duì)比度下降為0.5時(shí)對(duì)應(yīng)的相干性還是可以滿足應(yīng)用的。如果高能激光在光程差為1 m時(shí)還能保證0.5的條紋對(duì)比度，按照對(duì)比度隨激光功率增加線性下降的假設(shè)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)可知，這時(shí)高能激光功率(或脈沖能量)應(yīng)該為種子源的2(0.852-0.5)/(0.852-0.842)≈3.9′1010倍。當(dāng)然實(shí)際情況是，隨著激光功率的增加，相干性的衰減應(yīng)該是非線性的，即條紋對(duì)比度的下降也應(yīng)是非線性的，功率越高下降越明顯。故高能激光情況下，更準(zhǔn)確的相干性下降趨勢(shì)，還需要更多功放模塊或更高放大倍率才能夠驗(yàn)證，這是高能激光相干應(yīng)用工程化前必須要做的工作，超出了本文研究范疇。

3.2 激光基本參數(shù)測(cè)量

在單縱模條件下，測(cè)量種子源和功率放大后1 064 nm激光的單脈沖能量及脈寬，如表1所示。根據(jù)式summit=pulse/計(jì)算峰值功率summit，其中pulse為單脈沖能量，為脈寬(半幅值全寬度)。種子源和功率放大后激光的峰值功率也分別在表1中給出。結(jié)合前面激光相干性隨功放級(jí)數(shù)(每級(jí)2倍)的增加而線性衰減的假設(shè)，則當(dāng)最終放大后的激光峰值功率達(dá)到7.64′3.4′1010=2.6′1014W時(shí)，仍能保證1 m的相干長(zhǎng)度。經(jīng)過(guò)多次測(cè)量發(fā)現(xiàn)，最終輸出的激光脈沖的偏振方向和偏振比不隨時(shí)間變化，偏振方向?yàn)樗?，偏振比約為50:1。

表1 種子源和功放后激光的單脈沖能量、脈寬及峰值功率

Table 1 Pulse energy, pulse width and peak power of seed and amplified laser

4 結(jié) 論

本文對(duì)MOPA結(jié)構(gòu)脈沖單頻激光器的時(shí)間相干性隨激光功率(或能量)的增加而下降的趨勢(shì)進(jìn)行初步實(shí)驗(yàn)研究。研究表明按照激光相干性隨功放級(jí)數(shù)(每級(jí)2倍)的增加而線性衰減的假設(shè)，則當(dāng)最終放大后的激光峰值功率達(dá)到7.64′3.4′1010=2.6′1014W時(shí)，仍能保證1 m的相干長(zhǎng)度。當(dāng)然實(shí)際情況是，隨著激光功率的增加，相干性的衰減應(yīng)該是非線性的，即條紋對(duì)比度的下降也應(yīng)是非線性的，功率越高下降越明顯。本文的研究只能作為高峰值功率(或單脈沖能量)條件下激光時(shí)間相干性變化趨勢(shì)的最初步的工作。更準(zhǔn)確的相干性下降趨勢(shì)，還需要更多功放模塊或更高放大倍率才能夠驗(yàn)證，這是高能激光相干應(yīng)用工程化前必須要做的工作。為了具體體現(xiàn)MOPA結(jié)構(gòu)脈沖單頻激光器時(shí)間相干性測(cè)量的研究方法，文章詳細(xì)給出激光器設(shè)計(jì)方案、實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并且也給出種子源和2倍功放后激光的單頻性、單脈沖能量、脈寬和峰值功率等激光基本參數(shù)的測(cè)量結(jié)果。本文可作為高能高相干脈沖激光器研制的初步實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，為將來(lái)的工程化提供初步參考。

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The Primary Experiment of Temporal Coherence of Pulse Single-frequency Laser Based on MOPA Structure

DONG Lei1，LIU Xinyue1，CHEN Hao2

(1.Changchun Institute of Optics, Fine Machines and Physics, Chinese Academy of Science, Chanchun 130033, China;2.Changchun New Industries Optoelectronics Technology Co,Ltd, Chanchun130103, China)

In order to manufacture MOPA structure pulse single-frequency laser used for laser coherence imaging, the changes of temporal coherence of pulse single-frequency laser with the increment of laser power is required to be studied. This paper adopted acousto-optic Q-switch pulse single-frequency Nd:YVO4laser as seed，and adopted Nd:YAG power amplifier modules to double the power of seed laser. The Michelson interferometry was used to complete the measurement of the contrast of fringes of seed laser and amplifier under the optical path difference from 0 m to 6 m. Then, the change of temporal coherence of pulse single-frequency laser with the increment of laser power was primarily obtained. The measurements of basic parameters of seed laser and amplifier such as the property of single-frequency, pulse energy, pulse width and peak power etc was completed.

pulse laser; single-frequency; MOPA structure; temporal coherence; contrast of fringe

TN248

A

10.3969/j.issn.1003-501X.2016.04.013

2015-04-19；

2015-08-17

國(guó)家863基金資助項(xiàng)目(2014AAXXX1003X)

董磊(1982-)，男(漢族)，山東濟(jì)寧人。助理研究員，碩士，主要研究工作是物理光學(xué)與激光技術(shù)應(yīng)用研究。

E-mail: nodepression@126.com。