1.3µm-2.8ns电光腔倒空Nd:YVO4激光器*

姚铭杰 葛文琦† 颜博霞 张鸿博

1) (中国科学院空天信息创新研究院,北京 100094)

2) (中国科学院微电子研究所,北京 100094)

3) (中国科学院大学光电学院,北京 100049)

本文对1342 nm 波长的电光腔倒空调Q 的Nd:YVO4 激光器进行理论与实验研究.理论计算了电光开关下降沿时间对腔倒空激光器输出脉宽的影响.在实验中,采用880 nm 准连续激光二极管同带泵浦Nd:YVO4激光器,在1 kHz 重复频率下,通过电光腔倒空方式,得到最大平均功率210 mW (单脉冲能量0.21 mJ)、脉冲宽度2.8 ns 的1342 nm 激光输出,光束质量因子M 2 优于1.2.通过周期极化铌酸锂晶体(periodically poled lithium niobate,PPLN) 进行腔外倍频,获得脉冲宽度1.8 ns 的671 nm 波长可见激光.这是目前1.3 µm 波长主动调Q 的Nd 固体激光器产生的最窄脉冲宽度.

1 引言

近年来,由于在生物医疗、遥感、光谱研究、强场物理等领域的广泛应用[1],1.3 µm 波段激光受到了越来越多的关注.同时,该波段激光可以通过非线性效应得到波长的拓展: 通过倍频效应,获得红光激光[2];通过受激拉曼散射效应,获得1.5 µm和1.7 µm 波段的红外激光[3,4].这些拓展波长的激光也在医学研究方面得到应用[5].

利用掺Nd 离子晶体4F3/2到4I13/2的受激跃迁是目前获得1.3 µm 波段激光常用方法之一.1.3 µm掺Nd 激光器具有可获得大功率输出、转化效率高、结构简单、器件商用化等优点.由于一些实际应用要求激光具有窄脉冲宽度和高峰值功率,研究人员对1.3 µm 主动调Q激光器开展了大量研究[1,6,7,8].

2007 年,Sauder 等[6]报道了在1.3 µm 的Nd:YAG 声光调Q激光器中,获得重复频率100 Hz、平均功率0.55 W、脉冲宽度50 ns 的脉冲激光,其单脉冲能量5.5 mJ.同年,Lu 等[9]报道了在1.3 µm的Nd:YVO4声光调Q激光器中,获得重复频率10 kHz、最窄脉冲宽度19 ns 的激光输出,其平均功率为6.3 W,最大单脉冲能量为0.63 mJ,光束质量因子.同年,Saha 等[10]报道了在1.3 µm 二极管侧泵的Nd:YAG 声光调Q激光器中,重复频率为37 kHz 时,获得最窄脉冲宽度251 ns 的激光输出,对应平均功率6.77 W,其最大单脉冲能量0.183 mJ.2011 年,Zhao 等[11]报道了在1.3 µm 的Nd:YVO4声光调Q激光器中,重复频率为10 kHz 时,获得最窄脉冲宽度6.5 ns的激光输出,对应平均功率158 mW,其最大单脉冲能量0.158 mJ.2014 年,Liu 等[12]报道了在1314 nm 二极管侧泵的Nd:YLF 声光调Q激光器中,获得重复频率1 kHz、平均功率38 W、脉冲宽度101.9 ns 的脉冲激光,其单脉冲能量3.8 mJ,光束质量因子M2=17.8.2015 年,Botha 等[13]报道了在1314 nm 端泵浦双晶体Nd:YLF 声光调Q激光器中,获得重复频率500 Hz、平均功率18.6 W、脉冲宽度36 ns 的脉冲激光,其单脉冲能量5.6 mJ,光束质量因子=2.6.2019 年,Tu 等[7]报道了在1314 nm 的Nd:YLF 声光调Q激光器中,获得重复频率1 kHz、平均功率2.6 W、脉冲宽度31 ns 的脉冲激光,其单脉冲能量2.6 mJ,光束质量因子M2=2.8.

电光腔倒空是一种可以获得＜5 ns 窄脉冲宽度的主动调Q方法[14,15].2015 年,Liu 等[8]报道了在1342 nm 的Nd:YVO4电光腔倒空激光器中,获得重复频率2 kHz、平均功率1.1 W、脉冲宽度4.7 ns 的脉冲激光,其单脉冲能量0.55 mJ,光束质量因子M2=1.26.

通常,电光腔倒空激光器输出的脉冲宽度与激光器谐振腔长度有关,减小谐振腔长度和激光在腔内的往返时间,可以获得更窄的脉冲宽度.而当激光在腔内的往返时间与电光开关的关断时间接近时,进一步缩短谐振腔长将不能得到更窄的脉冲宽度,电光开关的关断时间将影响脉冲宽度.本文对1.3 µm 的短腔电光腔倒空激光器进行理论和实验研究,模拟在电光开关的关断时间和腔内往返一次的渡越时间接近时的脉冲时域特性;实验采用准连续880 nm 激光二极管同带泵浦Nd:YVO4晶体,利用电光腔倒空方式获得2.8 ns 脉宽、平均功率210 mW、重复频率1 kHz 的1342 nm 红外激光,单脉冲能量为 0.21 mJ,光束质量因子为1.15,斜率效率为20%.此外,利用周期极化的非线性晶体MgO:PPLN 进行腔外倍频,产生了脉冲宽度1.8 ns 的671 nm 红光激光.截至目前文献报道,这是1.3 µm 主动调Q的Nd 固体激光器产生的最窄脉冲宽度.

2 理论研究

电光腔倒空激光器的运转过程分为3 个阶段:第1 个阶段,电光晶体两端不加电压,由于插入偏振片的反射损耗无法形成激光振荡,增益介质的反转粒子数不断积累;第2 个阶段,电光晶体两端加载电压,谐振腔偏振反射损耗降低,激光开始振荡,腔内光子数迅速增加;第3 个阶段,关闭电光晶体两端的电压,此时激光偏振反射损耗增大,腔内的光子由偏振片反射输出,获得激光脉冲.

通常,减少电光腔倒空激光器的谐振腔长度可以获得更窄的脉冲宽度.而当激光在腔内的往返时间与电光开关的关断时间接近时,缩短谐振腔长将不能得到更窄的脉冲宽度,电光开关关断的下降沿时间影响激光器输出的激光脉冲宽度.电光开光组件由电光晶体、波片、偏振片构成.在电光开关关断、输出激光脉冲过程中,电光晶体上的电压从1/4 波电压降至0,电光晶体产生的相位延迟由π/2降至 0 .在短腔长倒空激光器电光开关关断、输出激光脉冲的过程中,电光开关关断速度(即加载在电光晶体上高压的下降沿时间)对脉冲宽度的影响进行理论研究.

电光晶体上电压Uc随时间t的变化关系可以表示为

式中,td是电光晶体上脉冲电压的下降沿时间,Uλ/4为电光晶体的1/4 波电压.

电光晶体产生的相位差延迟φc随时间t的变化关系可以表示为

激光通过电光开关组件的反射输出率R随时间t的变化关系,可以表示为

假设激光在谐振腔内振荡达到功率最大、电光开关关断开始倒空输出时,腔内激光强度仅受偏振片反射的影响,而偏振片反射率随时间变化.腔内光子数密度φ正比于腔内激光能量,其变化可以表示为

其中,L为谐振腔的光学长度,c为光速.

偏振片的反射输出引起谐振腔内激光强度的变化,反射输出激光的瞬时强度I(t) 正比于 dφ/dt,可表示为

假设腔内初始光子数为φ0,对(4)式求解,可以得到解析解:

通过(5)式,可以计算输出激光的相对瞬时强度I(t).

考虑到实际光路中器件的尺寸排布,假设谐振腔光学长度L=150 mm ,脉冲往返时间tS=1 ns .在电光开关下降沿时间5 ns 的条件下进行计算.

图1(a)所示为偏振片反射率R(t) 随时间的变化关系,图1(b)所示为腔内光子数密度φ(t) 随时间的变化关系,图1(c)所示为输出激光的归一化瞬时强度I(t) .

图1 (a) 偏振片反射率随时间的变化;(b) 腔内光子数密度随时间的变化;(c) 输出激光的归一化瞬时强度Fig.1.(a) Polarizer reflection versa time;(b) photon number density versa time;(c) normalized instantaneous intensity of output laser.

由图1(c)可见,输出激光的时域特征为前沿陡、后沿缓的非对称脉冲波形,脉冲的半高宽度大约为2.89 ns.

通过代入不同的电光开关下降沿时间,可以计算得到下降沿时间对输出激光波形的影响.在电光开关下降沿时间为1,3,5,8 ns 的条件下,计算输出激光波形,如图2 所示.输出激光脉冲的半高宽度分别为1.2,2.11,2.89,3.84 ns.可以看出,当谐振腔往返时间小于电光开关下降沿时间时,脉冲宽度大于谐振腔往返时间,且小于电光开关的下降沿时间.如果电光开关的下降沿时间增大,脉冲宽度也随之增大.

图2 不同电光开关下降沿时间下的输出激光波形 (a) 1 ns;(b) 3 ns;(c) 5 ns;(d) 8 nsFig.2.Pulse shape for different fall times: (a) 1 ns;(b) 3 ns;(c) 5 ns;(d) 8 ns.

3 实 验

1342 nm 波长Nd:YVO4电光腔倒空激光器的实验装置如图3 所示.激光器泵浦源是数值孔径NA=0.22,最高输出功率为30 W,中心波长为880 nm 的光纤耦合准连续激光二极管,光纤的纤芯直径为200 µm.采用880 nm 激光二极管激光器泵浦Nd:YVO4晶体能够有效降低量子亏损,降低无辐射跃迁带来的热效应.通过透镜组(准直透镜F1的焦距为30 mm,聚焦透镜F2的焦距为60 mm),将直径约400 µm 的泵浦光斑入射到激光晶体中.激光增益介质为Nd:YVO4晶体,掺杂原子浓度为0.3%,沿a轴切割,尺寸为3 mm ×3 mm × 5 mm,晶体端面镀制激光波长和泵浦波长的增透膜系.该晶体用铟箔包裹,并固定与接有冷却水循环的铜座上,冷却水温18 ℃.考虑到晶体的上能级寿命,实验中泵浦源采用100 µs 的脉冲宽度对晶体进行准连续泵浦,以缓解热效应.

图3 1.3 µm,Nd:YVO4 电光腔倒空激光器实验装置Fig.3.Experimental scheme for a 1.3 µm Nd:YVO4 electrooptical cavity dumping laser.

为了抑制1.06 µm 的激光振荡,入射镜M1镀制880 nm 和1.06 µm 高透射、1.3 µm 高反射的膜系.全反镜M2为曲率半径R=300 mm 的球面反射镜,其表面镀制1.06 高透射和1.3 µm 高反射膜系.电光晶体Li(NbO3)2尺寸为4 mm × 4 mm ×20 mm,其1/4 波电压约为2500 V,与1/4 波片(QWP)和偏振片(TFP)构成腔倒空的电光开关组件.利用同步机将电光开关的工作时间控制在泵浦脉冲的后沿处,脉冲激光从偏振片反射输出.激光谐振腔长为150 mm.

振荡器输出的脉冲激光通过透镜F3(F3的焦距为90 mm)聚焦进入MgO:PPLN 晶体,进行腔外倍频,以获得671 nm 的红光.MgO:PPLN 晶体长度约2 mm,极化周期约为13.2 µm.该晶体固定于接有温控装置的铜座上,工作温度26 ℃.

4 结果分析

实验采用功率计(PM30,美国Coherent 公司)测量激光功率,基频激光和倍频激光的脉冲宽度和脉冲序列采用快响应光电二极管(PDA8GS 和DET025A,美国Thorlabs 公司)和数字示波器(70804C,美国泰克公司)监控.基频激光的光束直径采用刀口法测量,倍频可见光的光斑分布特性采用光束分析仪(Laser Cam HR,美国Coherent 公司)监控.

实验中,对1342 nm 激光器的振荡特性进行了研究.激光器工作在1 kHz 重复频率下,当泵浦峰值功率为7.05 W、对应泵浦能量为0.705 mJ时,达到工作阈值,此时电光开关的导通时间为310 ns.

增加泵浦能量,输出单脉冲能量也随之增大.在此过程中,由于增益增大,激光在谐振腔内达到最佳输出能量所需的往返程数减少,即电光开关导通时间和激光振荡时间缩短,如图4 所示.

图4 1 kHz 重频下,单脉冲能量和电光导通时间随泵浦能量的变化Fig.4.The pulse energy and switching time versus pump energy for 1 kHz pulse repetition rate.

在1 kHz 重复频率下,当泵浦峰值功率达到15.5 W,泵浦能量15.5 mJ 时,激光器输出最大功率210 mW,对应单脉冲能量0.21 mJ.此时,电光开关的导通时间,即激光振荡时间为110 ns.输出脉冲宽度为2.8 ns,对应的斜率效率为20%.对脉冲能量稳定性进行30 min 的连续测量,其不稳定度RMS 为3.05%.

入射MgO: PPLN 晶体的基频激光能量为0.103 mJ 时,得到671 nm 倍频激光的能量为17.44 µJ,倍频效率为17%.非线性晶体的长度有限,限制了倍频效率,未来可以通过增大晶体长度进一步提高倍频效率.

1342 nm 腔倒空激光器输出的波形图如图5(a)所示,在实验中得到的基频光脉宽为2.8 ns.671 nm倍频激光的波形图如图5(b)所示,在实验中得到的倍频光脉宽为1.8 ns.

图5 (a) 1342 nm 基频光时域波形;(b) 671 nm 倍频光时域波形Fig.5.(a) Temporal pulse shape of 1342 nm laser;(b) temporal pulse shape of 671 nm laser.

在最大输出功率下,分别测量了基频光和倍频光的横模特性.由于受光斑分析仪响应波长的限制,采用刀口法对1342 nm 激光器的光束直径进行了测量,并拟合得出激光光束质量因子M2,如图6(a)所示.基频激光的光束质量因子M2为=1.15,接近衍射极限.

图6 (a) 1342 nm 基频光的光束质量;(b) 671 nm 倍频光的光束质量与光斑分布Fig.6.(a) The beam quality of 1342 nm laser;(b) the beam quality and spot distribution of 671 nm laser.

利用CCD 光斑分析仪对激光器腔外非线性倍频,得到671 nm 红色激光的光束质量进行监测,并拟合得出激光光束质量因子M2.如图6(b)所示,红色激光的光斑的分布为TEM00模式,光束质量因子M2为=1.13,接近于衍射极限.

实验中电光高压脉冲的下降沿约为5 ns,输出的脉冲宽度为2.8 ns.而理论计算结果为2.89 ns,实验获得的脉冲时域波形(图5(a))也与理论计算(图2(c))有一定偏差.实验结果与理论计算存在差异的原因如下.

1) 本文激光器为多纵模振荡,纵模之间的时域干涉效应引起了波形的强度调制.激光脉冲波形的调制周期约为1 ns,与激光脉冲在谐振腔内往返一程的时间(t2L=2L/(c)=1ns)、激光器1 GHz的纵模间隔相对应.由于调制周期与脉冲宽度相接近,在一定程度上影响了脉冲的时域波形.

2) 电光高压实际的下降沿与直线模型略有偏差,故理论计算与实验结果也存在一定偏差.

5 结论

本文对1.3 µm 的短腔电光腔倒空激光器进行了理论和实验研究.计算了电光开关的下降沿时间对脉冲时域特性的影响,实验中获得重复频率1 kHz,2.8 ns 脉宽、平均功率210 mW 的1342 nm 波长Nd:YVO4激光,单脉冲能量为 0.21 mJ,光束质量因子为=1.03,M2y=1.15,斜率效率为20%.利用周期极化的非线性晶体MgO:PPLN进行腔外倍频,产生了最大能量17.44 µJ、脉冲宽度1.8 ns的671 nm 红光激光.