劉彥明，翁潤民，劉向輝

(北部戰(zhàn)區(qū)72537部隊，山東 濟(jì)南 250014)

LD泵浦Nd:YVO4/Cr4+:YAG被動調(diào)Q激光器性能實驗研究

劉彥明，翁潤民*，劉向輝

(北部戰(zhàn)區(qū)72537部隊，山東 濟(jì)南 250014)

采用7.5 cm的直腔，對LD泵浦的Nd:YVO4/Cr4+:YAG被動調(diào)Q激光器的脈沖性能進(jìn)行了相關(guān)實驗研究。采用兩塊不同透過率的輸出鏡和兩塊不同小信號透過率的Cr4+:YAG晶體，分別研究了調(diào)Q脈沖的平均輸出功率、脈沖寬度、重復(fù)頻率、單脈沖能量以及峰值功率隨泵浦功率的變化關(guān)系。在泵浦功率達(dá)到13.3 W時，采用6.5%的輸出鏡和小信號透過率為60%的Cr4+:YAG晶體得到了最短脈寬為15 ns且具有高穩(wěn)定性和可靠性的調(diào)Q脈沖輸出，其相應(yīng)的峰值功率可達(dá)到3.04 kW，適用于軍事國防領(lǐng)域。

Nd:YVO4晶體；Cr4+:YAG晶體；被動調(diào)Q

1 研究方法

半導(dǎo)體激光二極管(LD)泵浦的被動調(diào)Q固體激光器由于其體積小、結(jié)構(gòu)簡單緊湊以及成本低等優(yōu)點，在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，引起了人們的極大關(guān)注[1-3]。在軍事領(lǐng)域，利用調(diào)Q技術(shù)實現(xiàn)巨脈沖激光輸出廣泛應(yīng)用于激光測距、激光雷達(dá)和激光目標(biāo)照明指示 和激光有源干擾/致眩等方面[4-6]。被動調(diào)Q技術(shù)主要是利用非線性飽和吸收介質(zhì)在強激光作用下由于吸收飽和而呈現(xiàn)透明的特性實現(xiàn)調(diào)Q，被動調(diào)Q開關(guān)(可飽和吸收體)是被激光輻射自身啟動的，不需要高壓、快速電光驅(qū)動器或射頻調(diào)制器等裝置，具有設(shè)計簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、無高壓或電磁干擾、可靠性好以及成本低等顯著優(yōu)點。目前，用于1.06 μm被動調(diào)Q激光器的較為成熟的飽和吸收體主要有Cr4+:YAG晶體、GaAS芯片以及半導(dǎo)體可飽和吸收鏡 (SESAM)[7]，但近年來，許多新型的可飽和吸收體材料也相繼出現(xiàn)并廣泛應(yīng)用于被動調(diào)Q激光器。2013年，拓?fù)浣^緣體Bi2Se3作為可飽和吸收體被成功應(yīng)用于 1.06 μm被動調(diào)Q光纖激光器[8]，得到了最短脈寬為1.95 μs，脈沖能量為17.9 nJ的調(diào)Q脈沖。在此之前，碳納米管(CNT)[9]、石墨烯[10]和MoS2[11]等二維納米材料作為調(diào)Q可飽和吸收體已經(jīng)得到廣泛研究并取得了較好的實驗結(jié)果，但是新型材料的生長技術(shù)及長時間工作下的穩(wěn)定性并不成熟，因此在軍事用固體激光器中難以實現(xiàn)長期穩(wěn)定的調(diào)Q脈沖輸出。

在這些常用的可飽和吸收體中，摻四價鉻的釔鋁石榴石晶體(Cr4+:YAG)是一種重要的被動調(diào)Q材料[12-13]，具有光化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、熱導(dǎo)性好、飽和光強低、損傷閾值高、防潮、耐腐蝕及無退化等優(yōu)點，符合軍事應(yīng)用中對可靠性的要求。而且還具有較大的基態(tài)吸收截面和較長的基態(tài)恢復(fù)時間，在調(diào)Q過程中容易實現(xiàn)漂白，適合于高重頻、大能量激光輸出場合，滿足軍用激光系統(tǒng)對作用距離和數(shù)據(jù)率日益增長的需求，在軍事領(lǐng)域受到了青睞。

在1.06 μm波段，Cr4+:YAG晶體已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于被動調(diào)Q固體激光器中[14-15]。為了提高調(diào)Q脈沖的輸出特性，除了選擇合適的飽和吸收體外，激光工作物質(zhì)的選擇也非常重要。近年來，摻釹離子的釔鋁石榴石(YAG)和礬酸鹽晶體在固體激光器領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。與Nd:YAG晶體相比，Nd:YVO4晶體具有更大的吸收系數(shù)和受激發(fā)射截面以及大的吸收帶寬，可以允許摻入更多的Nd3+離子而不發(fā)生濃度碎滅效應(yīng)，特別適合作為半導(dǎo)體泵浦固體激光器的增益介質(zhì)[12]。由于Nd:YVO4晶體具有卓越的光學(xué)、機械和熱穩(wěn)定等特性，近年來被廣泛應(yīng)用于軍事激光系統(tǒng)。目前，國內(nèi)外關(guān)于LD泵浦的Nd:YVO4/Cr4+:YAG被動調(diào)Q激光器的相關(guān)研究已有報道，但其脈沖輸出特性如脈沖寬度、重復(fù)頻率、單脈沖能量和峰值功率等，有待進(jìn)一步提高，在軍事系統(tǒng)方面的應(yīng)用情況還有待進(jìn)一步分析。

本文采用一個簡單的直腔結(jié)構(gòu)，研究了LD端面泵浦Nd:YVO4/Cr4+:YAG被動調(diào)Q激光器的輸出特性，實驗中采用了兩個小信號透過率(T0)分別為60%和80%的Cr4+:YAG晶體和透過率(T)分別為6.5%和15%的輸出鏡。通過實驗，獲得了在不同的小信號透過率和輸出鏡透過率情況下調(diào)Q脈沖的輸出功率、脈沖寬度以及重復(fù)頻率和峰值功率隨泵浦功率的變化曲線。通過示波器截圖，可以發(fā)現(xiàn)輸出的調(diào)Q脈沖穩(wěn)定性較高。當(dāng)輸入泵浦功率達(dá)到13.3 W時，小信號透過率為60%，輸出鏡透過率為6.5%的諧振腔可輸出最短調(diào)Q脈沖寬度為15 ns，重復(fù)頻率為23 kHz，脈沖能量為45.6 μJ，最終獲得的相應(yīng)的峰值功率高達(dá)3.04 kW。該Nd:YVO4/Cr4+:YAG被動調(diào)Q激光器得到調(diào)Q脈沖的相關(guān)性能優(yōu)于之前的研究結(jié)果，且具有更窄的脈寬和更高的峰值功率，更有利于軍事系統(tǒng)相關(guān)性能的優(yōu)化。

2 實驗裝置介紹

圖1所示為激光二極管端面泵浦的Nd:YVO4/Cr4+:YAG被動調(diào)Q激光器的實驗裝置，諧振腔長為7.5 cm。泵浦源激光器選用帶光纖耦合的半導(dǎo)體激光器(FAP-I system Coherent Ino. USA)，光纖芯徑為400 μm，數(shù)值孔徑NA為0.22，耦合系統(tǒng)傳輸比為1∶1，經(jīng)聚焦后泵浦光光斑半徑為200 μm，該泵浦源中心波長為808 nm，最大輸出功率為30 W。腔鏡M1是曲率半徑為150 mm的凹面鏡，作為諧振腔的輸入鏡，一端鍍808 nm增透膜，另一端鍍808 nm高透、1 064 nm高反的雙色介質(zhì)膜。平面鏡M2為諧振腔的輸出耦合鏡，實驗中共采用了兩片對1 064 nm激光的透過率分別為6.5%和15%的輸出鏡。激光工作物質(zhì)為4 mm×4 mm×5 mm、摻雜摩爾分?jǐn)?shù)為1.0 %、沿a方向切割的Nd:YVO4晶體，晶體一端鍍808 nm和1 064 nm增透膜，另一端鍍1 064 nm高透膜，以減少諧振腔的損耗。晶體用銦箔包裹并置于紫銅塊中，采用水循環(huán)方式進(jìn)行冷卻，溫度控制在17 ℃。實驗中分別采用兩塊小信號透過率分別為60%和80%的Cr4+:YAG晶體作為飽和吸收體對激光器進(jìn)行Q調(diào)制。飽和吸收體的位置盡量靠近輸出鏡放置，并測得其上的光斑半徑大約為265 μm。激光輸出功率采用LPE-1B型激光功率計測量，用一臺Tektronix公司生產(chǎn)的線寬為1 GHz，采樣率為20 G sample/s的數(shù)字示波器和上升時間為0.4 ns的快光電二極管探測器來測量脈寬和記錄脈沖波形。

圖1 二極管泵浦Nd:YVO4/Cr4+:YAG被動調(diào)Q激光器實驗裝置Fig.1 Schematic diagram of diode pumped passively Q-switched Nd:YVO4/Cr4+:YAG laser

3 實驗結(jié)果和應(yīng)用分析

首先，將兩塊小信號透過率分別為60%和80%的Cr4+:YAG晶體與透過率分別為6.5%和15%的輸出鏡進(jìn)行組合，得到了不同情況下激光器的平均輸出功率，如圖2所示。從圖2可以看出，采用透過率為6.5%和15%的平面鏡作為耦合輸出鏡，相應(yīng)的連續(xù)光平均輸出功率均隨泵浦功率的增加而線性增長。在13.3 W泵浦功率下，運用T=6.5%的輸出鏡得到的最高輸出功率為5.13 W。而輸出透過率為15%時，得到的光轉(zhuǎn)換效率有所降低。對于調(diào)Q運轉(zhuǎn)狀態(tài)，4種組合下激光器的閾值泵浦功率均小于1.5 W。從圖中可以看到，被動調(diào)Q激光器的平均輸出功率同樣地隨著泵浦功率的增大而線性地增大。當(dāng)T0不變時，采用T=15%的輸出鏡獲得的平均輸出功率高于T=6.5%的輸出鏡，這個結(jié)果與連續(xù)光運轉(zhuǎn)時恰好相反。由于在整個實驗過程中沒有對Cr4+:YAG晶體采取冷卻措施，且為了驗證激光器的穩(wěn)定性，通常是調(diào)Q激光器運行一段時間后測量，所以把這種情況的逆轉(zhuǎn)歸結(jié)于由Cr4+:YAG晶體的熱效應(yīng)引起的。而對于相同的T，T0=60%的Cr4+:YAG晶體得到的輸出功率遠(yuǎn)小于T0=80%的Cr4+:YAG晶體。分析圖中所示的結(jié)果，可以看到Cr4+:YAG晶體的小信號透過率的變化對輸出功率的影響較大。在實驗測量范圍內(nèi)，沒有發(fā)現(xiàn)晶體飽和現(xiàn)象，表明激光器沒有受到晶體熱效應(yīng)影響。

圖2 連續(xù)運轉(zhuǎn)狀態(tài)及調(diào)Q運轉(zhuǎn)狀態(tài)下平均輸出功率隨泵浦功率的變化Fig.2 Variation of average output powers with pump powers in CW and Q-switched status

利用示波器對調(diào)Q脈沖圖像進(jìn)行監(jiān)測，不同輸出鏡透過率及小信號透過率組合下，激光器的脈沖寬度隨泵浦功率的變化關(guān)系如圖3所示。從圖中可以看出，隨著泵浦功率的增大，調(diào)Q脈沖的脈寬在不斷地變窄。這是由于泵浦功率增加使腔內(nèi)凈增益系數(shù)變大，腔內(nèi)光子數(shù)的增長及反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的衰減更加迅速，所以脈沖的建立及熄滅過程就更短，使得脈沖變窄。另外，發(fā)現(xiàn)在泵浦功率較低時，小信號透過率相同的情況下，輸出鏡透過率為6.5%的激光器產(chǎn)生的脈沖寬度較小。當(dāng)泵浦功率達(dá)到13.3 W時，兩種輸出鏡透過率產(chǎn)生的脈寬非常接近。脈沖寬度還隨著小信號透過率的減小而減小，相對于輸出鏡透過率，Cr4+:YAG晶體對調(diào)Q脈沖寬度的影響更加明顯。

圖4為在不同輸出鏡透過率及小信號透過率下輸出調(diào)Q脈沖重復(fù)頻率隨泵浦功率的變化曲線，同樣采用T=6.5%和15%的兩種耦合輸出鏡。隨著泵浦功率的增大，脈沖的重復(fù)頻率也逐漸增大。這是因為激光工作物質(zhì)上能級反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度會隨著泵浦功率的增加而增加，激光腔內(nèi)的凈增益系數(shù)也會隨之變大，使得增益達(dá)到調(diào)Q閾值的時間變短，可飽和吸收體漂白的時間間隔也會相應(yīng)地縮小，從而縮短了調(diào)Q周期，使得脈沖重復(fù)頻率增大。從圖中還可以看出，在同樣的泵浦功率變化范圍內(nèi)，T0=60%的可飽和吸收體產(chǎn)生的脈沖重復(fù)頻率變化范圍較小且相對比較穩(wěn)定。當(dāng)小信號透過率固定時，兩種不同的輸出鏡產(chǎn)生的重復(fù)頻率基本相等，T=15%的輸出鏡產(chǎn)生的重復(fù)頻率略小于T=6.5%的結(jié)果。

圖3 不同輸出鏡透過率及小信號透過率下調(diào)Q脈沖寬度隨泵浦功率的變化曲線Fig.3 Variation of Q-switched pulse width with incident pump power for different T and T0

圖4 不同輸出鏡透過率及小信號透過率下調(diào)Q脈沖重復(fù)頻率隨泵浦功率的變化曲線Fig.4 Variation of Q-switched pulse frequency with pump power for different T andT0

根據(jù)圖2和圖4所示的脈沖平均輸出功率和重復(fù)頻率，可以估算得到調(diào)Q脈沖的單脈沖能量，估算結(jié)果如圖5a所示。從圖中可以看出，幾種組合下單脈沖能量均隨著泵浦功率的增大而增大。采用T=6.5%的輸出鏡，在泵浦功率小于12 W時，T0=80%的可飽和吸收體產(chǎn)生的單脈沖能量高于T0=60%的可飽和吸收體；但泵浦功率超過12 W之后，由于T0=80%的可飽和吸收體產(chǎn)生的重復(fù)頻率增長較快，使得單脈沖能量低于T0=60%。更換T=15%的輸出鏡，可以發(fā)現(xiàn)，獲得的單脈沖能量均大于T=6.5%時的能量值。由計算得到的單脈沖能量和圖3所示的脈沖寬度，可以估算出調(diào)Q脈沖的峰值功率，如圖5b所示。從圖中可以看到，由于T0=60%的可飽和吸收體產(chǎn)生的脈沖寬度遠(yuǎn)小于T0=80%的可飽和吸收體，所以T0=60%的可飽和吸收體產(chǎn)生的脈沖峰值功率更大，且隨著泵浦功率的增大，增幅也越來越大。表1列出的是泵浦功率達(dá)到13.3 W時，不同的輸出鏡透過率及小信號透過率組合下產(chǎn)生的脈沖特性的對比結(jié)果。

表1 不同組合下調(diào)Q脈沖特性的結(jié)果對比(泵浦功率為13.3 W)

圖5 調(diào)Q單脈沖能量及峰值功率隨泵浦功率的變化曲線Fig.5Variation of Q-switched single-pulse energy and peak power with pump power

圖6所示為泵浦功率13.3 W、T=6.5%且T0=60%時Nd:YVO4/Cr4+:YAG被動調(diào)Q激光器輸出的最短脈寬的單脈沖圖像(a)以及脈沖序列圖像(b)。從圖6a可以看出Cr4+:YAG作為飽和吸收體進(jìn)行被動調(diào)Q時，產(chǎn)生的脈沖具有前沿陡而后沿緩的特點，這是因為使用Cr4+:YAG作為飽和吸收體時，在調(diào)Q脈沖形成的初始階段腔內(nèi)激光強度快速增大，隨后激光強度又按指數(shù)規(guī)律慢慢衰減[16]。從圖6b所示的脈沖序列圖可以看到，Cr4+:YAG作為可飽和吸收體進(jìn)行被動調(diào)Q時獲得的調(diào)Q脈沖的振幅波動性較小，說明此Nd:YVO4/Cr4+:YAG被動調(diào)Q激光器具有非常高的振幅穩(wěn)定性。

圖6 泵浦功率為13.3 W時激光器在T=6.5%且T0=60%情況下輸出的單脈沖圖像和脈沖序列圖像Fig.6 The shortest Q-switched pulse image and Q-switched pulse train image for pump power of 13.3W at T=6.5% and T0=60%

在現(xiàn)代軍事領(lǐng)域，被動調(diào)Q激光技術(shù)主要適合于激光測距、光電對抗、激光雷達(dá)和激光引信等多種軍事系統(tǒng)，而激光器的高峰值功率、小型化已成為當(dāng)前研究的主要方向。本文介紹的Nd:YVO4/Cr4+:YAG被動調(diào)Q激光器在軍事領(lǐng)域的主要優(yōu)勢[17]為：(1)相對于其他的可飽和吸收體，Cr4+:YAG晶體具有良好的可飽和吸收特性，其飽和吸收光譜范圍為0.9～1.2 μm，尤其是對1 μm附近的光吸收截面較大，能夠產(chǎn)生非常穩(wěn)定的調(diào)Q現(xiàn)象；(2)Nd:YVO4晶體作為激光工作物質(zhì)，具有良好的光學(xué)和物理特性，在長時間工作下晶體性能的穩(wěn)定性較高，滿足軍事激光系統(tǒng)對于固體激光增益介質(zhì)的要求；(3)Cr4+:YAG晶體可以獲得較高的摻雜濃度，作為調(diào)Q開關(guān)器件，其尺寸可以做得非常小，大大減小了激光器的整體體積，在航空高分辨雷達(dá)裝備中也有著重要的應(yīng)用；(4)本文介紹的Nd:YVO4/Cr4+:YAG被動調(diào)Q激光器腔長較短，且能夠獲得較短的調(diào)Q脈沖和高的峰值功率，這些性能對于提高激光測距儀的精確度具有重要的意義；(5)Nd:YVO4/Cr4+:YAG被動調(diào)Q激光器具有穩(wěn)定的物化性能和高的激光損傷閾值，且能夠抗電磁干擾，對調(diào)試也無高要求，適合于長時間穩(wěn)定工作，滿足軍事應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ψ€(wěn)定性的高要求。

當(dāng)然，Nd:YVO4/Cr4+:YAG被動調(diào)Q激光器在應(yīng)用方面也具有一些有待克服的缺點。該激光器對于重復(fù)頻率的穩(wěn)定性和可控性較差，這使得頻率精度較差，從而無法應(yīng)用于激光目標(biāo)指示等方面；另外在軍用激光器中，為了克服環(huán)境的影響，對于激光器的輸出效率要求較高，而該激光器由于Cr4+:YAG晶體對于能量的吸收作用，使得其輸出效率較之電光或聲光調(diào)Q激光器要低，有待于進(jìn)一步提高。

4 結(jié)語

本文研究了激光二極管泵浦的Nd:YVO4/Cr4+:YAG被動調(diào)Q激光器的輸出特性，采用短直腔和透過率6.5%的平面輸出鏡和小信號透過率為60%的Cr4+:YAG晶體作為可飽和吸收體，在泵浦功率為13.3W時得到了脈寬最短為15 ns的調(diào)Q巨脈沖，其單脈沖能量達(dá)到45.6 μJ，相應(yīng)的峰值功率高達(dá)3.04 kW。此激光器具有非常高的振幅穩(wěn)定性和可靠性，且具有尺寸小、重量輕、成本低、抗電磁干擾以及對調(diào)試無高要求等優(yōu)點，非常適合用于激光武器，在軍事國防領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用前景。

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Performance experiment of LD-pumped passively Q-switched Nd:YVO4/Cr4+:YAG laser

LIU Yan-ming, WENG Run-min*, LIU Xiang-hui

(No. 72537 Troop, The Northern War Zone, Jinan 250014, China)

∶We investigated the pulse performance of a LD-pumped passively Q-switched Nd:YVO4/Cr4+:YAG laser with a 7.5 cm straight cavity. We employed two output plane mirrors with different transmissions and two Cr4+:YAG crystals with different initial transmissions to research the variation of average output power, pulse width, pulse frequency, single-pulse energy and pulse peak power with pump power. High stability and reliability Q-switched pulse with the shortest pulse width of 15 ns was obtained atT=6.5% andT0=60% when pump power was 13.3 W. Its corresponding peak power can reach 3.04 kW, so it has very broad application prospect in military defense.

∶ Nd:YVO4crystal; Cr4+; YAG crystal; passively Q-switched

10.3976/j.issn.1002-4026.2016.06.018

2015-11-20

劉彥明(1977—)，男，工程師，研究方向為光電技術(shù)。

＊通信作者，翁潤民(1987—)，男，助理工程師，研究方向為光電技術(shù)。E-mail:wengrmjn@163.com

TN248.3

A

1002-4026(2016)06-111-06