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1 kHz高倍率亚纳秒全固态激光放大器研究

杜鑫彪 陈檬 任俊杰 高小强

杜鑫彪, 陈檬, 任俊杰, 高小强. 1 kHz高倍率亚纳秒全固态激光放大器研究[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(3): 0305001-0305001-5. doi: 10.3788/IRLA202049.0305001
引用本文: 杜鑫彪, 陈檬, 任俊杰, 高小强. 1 kHz高倍率亚纳秒全固态激光放大器研究[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(3): 0305001-0305001-5. doi: 10.3788/IRLA202049.0305001
Du Xinbiao, Chen Meng, Ren Junjie, Gao Xiaoqiang. Research on 1 kHz high-power sub-nanosecond all-solid-state laser amplifier[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(3): 0305001-0305001-5. doi: 10.3788/IRLA202049.0305001
Citation: Du Xinbiao, Chen Meng, Ren Junjie, Gao Xiaoqiang. Research on 1 kHz high-power sub-nanosecond all-solid-state laser amplifier[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(3): 0305001-0305001-5. doi: 10.3788/IRLA202049.0305001

1 kHz高倍率亚纳秒全固态激光放大器研究

doi: 10.3788/IRLA202049.0305001
基金项目: 国家自然科学基金天文联合基金 (U1631240)
详细信息
    作者简介:

    杜鑫彪(1993-),男,硕士生,主要从事全固态亚纳秒激光放大及倍频方面的研究。Email:duxinbiaodu@163.com

    通讯作者: 陈檬(1963-),女,研究员,博士,主要从事全固态亚纳秒、皮秒、倍频激光器件等方面的研究。Email:chenmeng@bjut.edu.cn
  • 中图分类号: TN248

Research on 1 kHz high-power sub-nanosecond all-solid-state laser amplifier

  • 摘要: 高功率全固态亚纳秒激光器具有体积小、成本低、线宽窄、峰值功率高等优势,在诸多领域具有重要的应用价值。为获得高功率亚纳秒激光输出,首先通过被动调Q激光器得到亚纳秒种子激光,然后利用LD侧泵模块,采用双模块双通放大的实验设计,在重复频率为1 kHz时,获得了平均功率达10 W,脉冲宽度816 ps,线宽39 pm,光束质量M2小于1.8的激光输出,放大器整体放大倍率达95倍以上。
  • 图  1  Nd:YAG/Cr4+:YAG键合晶体的被动调Q实验光路图

    Figure  1.  Optical path diagram of passive Q-switch experiment of Nd:YAG/Cr4+:YAG bonded crystal

    图  2  双模块双通放大实验光路图

    Figure  2.  Optical path diagram of double-module double-pass amplification experiment

    图  3  主振荡激光脉冲波形图

    Figure  3.  Waveform of the main oscillating laser pulse

    图  4  示波器余晖累积图

    Figure  4.  Oscilloscope accumulative chart

    图  5  主振荡激光线宽

    Figure  5.  Main oscillation laser line width

    图  6  双模块双通放大脉冲波形

    Figure  6.  Double-module double-pass amplified pulse waveform

    图  7  输出激光光束质量

    Figure  7.  Beam quality of output laser

    图  8  输出激光线宽

    Figure  8.  Line width of output laser

    图  9  输出功率随泵浦电流变化关系图

    Figure  9.  Relationship between output power and pump current

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出版历程
  • 收稿日期:  2019-11-02
  • 修回日期:  2019-12-26
  • 刊出日期:  2020-03-01

1 kHz高倍率亚纳秒全固态激光放大器研究

doi: 10.3788/IRLA202049.0305001
    作者简介:

    杜鑫彪(1993-),男,硕士生,主要从事全固态亚纳秒激光放大及倍频方面的研究。Email:duxinbiaodu@163.com

    通讯作者: 陈檬(1963-),女,研究员,博士,主要从事全固态亚纳秒、皮秒、倍频激光器件等方面的研究。Email:chenmeng@bjut.edu.cn
基金项目:  国家自然科学基金天文联合基金 (U1631240)
  • 中图分类号: TN248

摘要: 高功率全固态亚纳秒激光器具有体积小、成本低、线宽窄、峰值功率高等优势,在诸多领域具有重要的应用价值。为获得高功率亚纳秒激光输出,首先通过被动调Q激光器得到亚纳秒种子激光,然后利用LD侧泵模块,采用双模块双通放大的实验设计,在重复频率为1 kHz时,获得了平均功率达10 W,脉冲宽度816 ps,线宽39 pm,光束质量M2小于1.8的激光输出,放大器整体放大倍率达95倍以上。

English Abstract

    • 全固态亚纳秒激光器输出脉冲具有光谱纯度高、易得大能量的特点,在诸多领域具有重要的应用价值,例如激光测距、激光雷达、激光加工、激光光谱学以及非线性光学等方面[1-5]。因此,研究获取高平均功率、高单脉冲能量、窄脉冲宽度、窄输出线宽的亚纳秒激光具有十分重要的实际意义。

      近年来,针对高平均功率的LD连续泵浦下亚纳秒MOPA激光放大器已有诸多研究。例如Agnesi等[6]采用半导体激光抽运的主振荡功率放大系统,使用能量62 μJ、频率10 kHz、脉宽473 ps的光束作为种子激光,经过Nd:YVO4板条双通放大后,获得了能量545 μJ,脉宽577 ps的激光输出,整体放大倍率为8.8;颜凡江等[7],报道了一种采用被动调Q微片激光器作为主振荡器,单端端面泵浦块状晶体作为一级放大实现高增益的实验方案,将单脉冲能量100 μJ,脉冲宽度620 ps的种子光经双通放大获得了重复频率10 kHz,最大输出功率11.46 W,脉宽600 ps的激光输出,整体放大倍率约为11.5。此外,针对获得高单脉冲能量的低占空比LD脉冲泵浦窄脉宽MOPA激光放大器的研究亦有较多报道。例如Yukio等[8]使用脉冲半导体激光端面泵浦Nd:YVO4晶体,调Q后获得了单脉冲能量0.76 mJ,脉宽700 ps的种子激光,经氙灯泵浦Nd:YAG晶体单通放大,获得重复频率20 Hz、单脉冲能量12 mJ、脉宽700 ps的亚纳秒激光输,整体放大倍率为15.8左右;Wand等[9]使用能量3 mJ、重频10 Hz、脉宽6.4 ns的光束作为种子激光,经过端面泵浦掺杂浓度为3 at.%的Yb:YAG晶体棒四通放大后,获得重复频率10 Hz、脉冲宽度6.4 ns、能量220 mJ的激光输出,该放大系统放大倍率约为73。从上述报道来看,无论高重复频率下的LD连续泵浦,还是低重频的LD脉冲泵浦,采用板条多通放大技术方案是实现亚纳秒小信号种子光放大的较好方案,但其技术难度较大成本较高。LD侧泵模块是市场上易采购的成熟产品,增益倍率调节更加方便,易实现小型化且成本相对较低,所以在工程应用中更加广泛。然而基于高占空比的准连续LD侧泵模块亚纳秒MOPA放大系统的报道较少,有待进一步研究探索。

      该研究通过20%高占空比LD脉冲端面泵浦Nd:Cr:YAG键合晶体,利用被动调Q微片激光器作为主振荡器,同样20%高占空比LD脉冲侧面泵浦Nd:YAG模块,采用双模块双通放大的实验方案将重复频率1 kHz、脉冲宽度约810 ps、线宽34 pm、单脉冲能量为百微焦的亚纳秒种子激光,放大得到平均功率约10 W、线宽39 pm、脉宽816 ps、光束质量因子M2小于1.8的亚纳秒激光脉冲输出,总体放大倍率达95倍以上,整个实验系统结构简单且紧凑,容易实现产品小型化且具有高效的放大特性。

    • LD抽运的Nd∶YAG/Cr4+∶YAG被动调Q微型激光主振荡器,输出重复频率1 kHz,单脉冲能量106 μJ、脉冲宽度810 ps、线宽34 pm、光束质量因子为1.5的亚纳秒激光,其光路如图1所示。泵浦源为带尾纤的半导体激光器,其中心波长808 nm,光纤的芯径400 μm,数值孔径NA为0.22,泵浦光耦合系统的耦合比为2∶1并在其间加入二分之一波片用来调整泵浦光的偏振方向,以达到与被动调Q晶体偏振匹配的目的。实验中所采用的Nd:YAG/Cr4+:YAG是键合晶体,其初始透过率为40%,长度约为8 mm。前端面(S1)镀1 064 nm高反808 nm高透,后端面(S2)面镀对1 064 nm部分透过,透过率约为50%。键合晶体中Nd∶YAG部分掺杂浓度为1.1%。整个晶体用铟包裹,放入通有20 ℃冷却水的热沉中。

      图  1  Nd:YAG/Cr4+:YAG键合晶体的被动调Q实验光路图

      Figure 1.  Optical path diagram of passive Q-switch experiment of Nd:YAG/Cr4+:YAG bonded crystal

    • 放大实验装置如图2所示,薄膜偏振片(TFP1)、法拉第光学旋转器和二分之一波片构成光学隔离系统。两个侧面泵浦模块中的增益介质均采用尺寸为φ3 mm×78 mm的棒状Nd:YAG晶体,掺杂浓度为0.6%,侧泵模块中通有20 ℃冷却水循环。M1为种子光斑与放大增益晶体内光斑的准直匹配镜。90°Rotator为石英晶体,用于补偿两晶体棒的热退偏效应。四分之一波片用于旋转激光偏振状态,M2、M3为1 064 nm 45°反射镜,M4为1 064 nm全反镜。

      图  2  双模块双通放大实验光路图

      Figure 2.  Optical path diagram of double-module double-pass amplification experiment

      主振荡器激光经过M1透镜准直后,通过隔离系统,依次进入放大模块并被全反镜M4反射,再经四分之一波片改变偏振状态,使反射激光的偏振方向相对于入射光旋转90°,因此再次经过TFP2偏振片时被反射输出。由石英晶体对两模块的热退偏进行补偿,以减少输出损耗。双模块双通放大的优势在于充分利用增益介质的储能;更好的补偿高功率泵浦下的热致双折射效应,提高放大光的光束质量。

    • 兼顾脉宽、线宽和输出功率,主振荡器选用了40%中等初始透过率的Cr4+:YAG和短于10 mm的腔长,在1 kHz、峰值功率30 W、占空比20%的脉冲泵浦下,经光纤耦合半导体激光器泵浦的Nd:YAG/Cr4+:YAG键合晶体,得到输出功率106 mW、脉宽810 ps、线宽34 pm的种子激光脉冲输出。图3为采用响应时间25 ps、带宽15 GHz的 ET-3500 InGaAs快速光电探测器和1 GHz-Tektronix的数字示波器,测量得到的脉冲波形及脉冲宽度。为确定种子激光的稳定性,实验还采用示波器余晖累积方法,测量了输出脉冲波形的稳定度,得到如图4所示的余晖累积图,经计算时间抖动性小于±2.9%,幅值不稳定度为±2.7%。

      图  3  主振荡激光脉冲波形图

      Figure 3.  Waveform of the main oscillating laser pulse

      图  4  示波器余晖累积图

      Figure 4.  Oscilloscope accumulative chart

      图34可以看出种子激光幅值稳定性和时间抖动性较好且输出脉冲波形无前后尾脉冲,为后续高效率稳定放大提供了可靠种子激光。随后,利用Solar Laser Systems波长计测量得到输出线宽为34 pm,其测量精度为±3 pm,测量结果如图5所示。采用Spiricon M2-200S光束质量分析仪对种子光光束质量进行测量,经测量得到M2=1.5。

      图  5  主振荡激光线宽

      Figure 5.  Main oscillation laser line width

    • 对于激光功率放大器,可以利用迭代方法来模拟激光的放大过程[10-11],其单程放大后输出能量可表示为:

      $$ {E_1} = {E_S}{\rm{l}}n\left\{ {1 + \left[ {{\rm{exp}}\left( {\frac{{{E_0}}}{{{E_S}}}} \right) - 1} \right]{\rm{exp}}\left( {{g_0}l} \right)} \right\} $$ (1)

      式中:E0为放大器的输入能量密度;ES为饱和能量密度;E1为输出能量密度;g0为小信号增益系数;l为增益介质长度。其中g0是由泵浦条件,增益介质等诸多因素所确定的,根据固体激光工程可得:

      $$ {g_0}l = {{{{K}}}}{E_P} $$ (2)
      $$ {{{{K}}}} = {{\rm{\eta }}_T}{\eta _a}{\eta _S}{\eta _Q}{\eta _B}{\eta _{ST}}{\eta _{ASE}}/A{E_S} $$ (3)
      $$ {g_0} = {{\rm{\eta }}_T}{\eta _a}{\eta _S}{\eta _Q}{\eta _B}{\eta _{ST}}{\eta _{ASE}}{E_P}/A{E_S}l $$ (4)

      式中:ηT表示泵浦耦合效率;ηa表示增益介质的吸收效率;ηS表示Stokes效率;ηQ表示量子效率;ηB表示光斑与激光棒横截面之比;ηST表示上能级储存效率;ηASE表示放大自发辐射损耗;EP表示泵浦能量密度;ES表示饱和能量密度;A为光束在增益介质中的有效横截面积。从公式(4)中可以看出小信号增益系数g0与诸多能量转换过程密切相关,且这些能量转换过程都是影响小信号增益的重要因素,且在实际过程中,上面这些参数彼此相关又复杂,很难进行清晰的测量。因此,可在单通放大的实验中推导得出g0,进而在双通放大实验中验证输出结果。实验获得双模块单通输出1.5 W代入公式(1)中可推导得出g0l=2.44。

      双程放大器的输出能量密度表达式:

      $$ {E_2} = {E_S}{\rm{l}}n\left\{ {1 + \left[ {{\rm{exp}}\left( {\frac{{{E_1}}}{{{E_S}}}} \right) - 1} \right]{\rm{exp}}\left( {{g_0}^{'}l} \right)} \right\} $$ (5)
      $$ {g_0}^{'} = \left( {1 - {\eta _1}} \right){g_0} $$ (6)
      $$ {\eta _1} = \left( {{E_1} - {E_0}} \right)/{g_0}l{E_S} $$ (7)

      联立以上公式(5)~(7),当入射光平均功率为106 mW,计算得到双模块双通放大的理论输出功率为13.8 W。

    • 在获得亚纳秒种子激光输出后,将其导入双模块进行双通放大,实验中将所用侧泵模块的电源与种子光的泵浦驱动电源做了同步驱动控制。在模块泵浦脉宽200 μs,电流80 A时,经两个特性相同的Nd:YAG侧泵模块双通放大,通过调整光路最后获得了功率10.1 W、单脉冲能量10.1 mJ、脉宽816 ps的亚纳秒激光输出,图6为放大输出的脉冲波形。

      采用Spiricon M2-200S光束质量分析仪测量了双通放大后的光束质量,获得M2=1.8的测量结果,光斑分布如图7所示。利用Solar Laser Systems的波长计测量其输出线宽39 pm,所得结果如图8所示。所得输出功率随泵浦电流变化曲线如图9所示。

      图  6  双模块双通放大脉冲波形

      Figure 6.  Double-module double-pass amplified pulse waveform

      图  7  输出激光光束质量

      Figure 7.  Beam quality of output laser

      图  8  输出激光线宽

      Figure 8.  Line width of output laser

      从实验结果来看,实验所得输出功率为10.1 W比理论计算值13.8 W要小;输出脉冲宽度和线宽与种子光相比,没有明显的变化;输出光束质量略有变差。分析放大输出功率低于理论设计值的原因在于,退偏补偿不能100%补偿,退偏光未经TFP2反射输出而是经光隔离器后从TFP1反射输出,进而降低了双通放大从TFP2处的输出功率。

      图  9  输出功率随泵浦电流变化关系图

      Figure 9.  Relationship between output power and pump current

    • 报道了一种结构简单紧凑的亚纳秒激光放大器,且兼具放大效率高,输出功率高,脉冲宽度窄,线宽窄等特点。该放大器采用双模块双通放大的实验设计,通过侧面泵浦两根性质均一的Nd:YAG棒状晶体,实现了重复频率1 kHz,输出脉宽816 ps,平均功率10.1 W,线宽39 pm的激光输出。该放大方案较好的提升了放大效率,使之整体放大倍率到达95倍左右,且输出光束质量较种子光没有较大差异,是一种具有应用潜力的放大器设计方案。

参考文献 (11)

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