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高斯镜参数对LD泵浦Nd:YAG激光器的影响

蒙裴贝 史文宗 蒋硕 齐明 邓永涛 李旭

蒙裴贝, 史文宗, 蒋硕, 齐明, 邓永涛, 李旭. 高斯镜参数对LD泵浦Nd:YAG激光器的影响[J]. 红外与激光工程, 2021, 50(4): 20200127. doi: 10.3788/IRLA20200127
引用本文: 蒙裴贝, 史文宗, 蒋硕, 齐明, 邓永涛, 李旭. 高斯镜参数对LD泵浦Nd:YAG激光器的影响[J]. 红外与激光工程, 2021, 50(4): 20200127. doi: 10.3788/IRLA20200127
Meng Peibei, Shi Wenzong, Jiang Shuo, Qi Ming, Deng Yongtao, Li Xu. Influence of Gaussian mirror parameters on LD-pumped Nd:YAG laser[J]. Infrared and Laser Engineering, 2021, 50(4): 20200127. doi: 10.3788/IRLA20200127
Citation: Meng Peibei, Shi Wenzong, Jiang Shuo, Qi Ming, Deng Yongtao, Li Xu. Influence of Gaussian mirror parameters on LD-pumped Nd:YAG laser[J]. Infrared and Laser Engineering, 2021, 50(4): 20200127. doi: 10.3788/IRLA20200127

高斯镜参数对LD泵浦Nd:YAG激光器的影响

doi: 10.3788/IRLA20200127
详细信息
    作者简介:

    蒙裴贝(1987−),女,高级工程师,硕士,主要研究方向为空间应用激光器,参与高分辨率对地观测系统重大专项,授权国家发明专利5项。

  • 中图分类号: TN248.1

Influence of Gaussian mirror parameters on LD-pumped Nd:YAG laser

  • 摘要: 实验研究了输出镜为不同参数高斯镜时,偏心对LD泵浦Nd:YAG激光器的影响及激光器的输出特性。仅当光轴与激光晶体中心轴、Q开关中心轴一致,且经过高斯镜反射率中心时,可同时实现最大能量、最窄脉冲宽度和最小发散角输出。存在偏心时,高斯镜反射率半径越小或中心反射率越大,则能量下降越多,脉冲宽度和发散角增大越大。对于反射率半径为2.5 mm和中心反射率为30%的高斯输出镜,偏心0.5 mm时,能量降低7%,脉冲宽度增宽33%,发散角增大20%。激光性能方面,高斯镜反射率半径越小或中心反射率越小,光束质量越好,但效率低。综合考虑偏心影响和激光性能,反射率半径为2.75 mm和中心反射率为20%的高斯镜作为输出镜最佳。泵浦能量为984 mJ时,获得了能量128 mJ,脉冲宽度7.3 ns,光束质量M2因子约4.6的1064 nm激光输出,对应光光转换效率为13%。实验结果为激光器设计和装调提供了参考。
  • 图  1  实验装置示意图

    Figure  1.  Diagram of experimental setup

    图  2  X方向位置对能量和脉冲宽度的影响:(a) state1;(b) state2

    Figure  2.  Influence of X on energy and pulse width: (a) state1; (b) state2

    图  3  M21 X方向位置对发散角的影响

    Figure  3.  Influence of X on divergence for M21

    图  4  输出特性对比:(a)Eoutτ;(b)θD

    Figure  4.  Comparison of output performance: (a) Eout and τ; (b) θ and D

    图  5  远场光斑分布:(a)M21;(b)M22;(c)M23;(d)M24;(e)M25

    Figure  5.  Far field beam distribution: (a) M21; (b) M22; (c) M23; (d) M24; (e) M25

    图  6  M24为输出镜时的性能:(a)脉冲轮廓;(b)近场光斑分布

    Figure  6.  Performance with M24 as output coupler: (a) pulse trace; (b) near field beam distribution

    表  1  M2i第一面的反射率参数

    Table  1.   Reflectivity parameters of M2i first surface

    ParameterM21M22M23M24M25
    ω02.5 mm2.75 mm3 mm2.75 mm
    R030%30%30%20%30%
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    表  2  输出镜最佳位置

    Table  2.   Best position of output mirror

    DirectionM21M22M23M24
    X3.8 mm3.6 mm3.7 mm3.7 mm
    Y5.1 mm5 mm3.7 mm5.3 mm
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    表  3  Δx为0.5 mm时的能量和脉冲宽度

    Table  3.   Energy and pulse width at Δx=0.5 mm

    Output mirrorStateEnergy/mJPulse width/ns
    M21state1106.3-104.27.2-9.6 (33%)
    state2106.5-99.1 (7%)~7.2
    M22state1128-126.67.3-9 (23%)
    state2128.2-121 (6%)~7.2
    M23state1~1277.3-8.3 (14%)
    state2128.2-123.6 (5%)~7.3
    M24state1~917.3-7.9 (3%)
    state291.4-88.6 (3%)~7.7
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    表  4  相同输出能量时的性能

    Table  4.   Properties under the same output energy

    ParameterM21M22M23M24M25
    Eout /mJ 128.3 128.2 127.2 128 128.1
    Epump/mJ 1020 856 856 984 802
    η 12.6% 15% 14.9% 13% 16%
    τ/ns 7 7.2 7.5 7.3 7.3
    θ/mrad 1.31 1.34 1.48 1.22 1.5
    D/mm 5.2 5.2 5.5 5.1 5.7
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  • [1] Sawruk N W, Burns P M, Edwards R E, et al. ICESat-2 laser Nd: YVO4 amplifier[C]//SPIE, 2018, 10513: 105130X.
    [2] Meng Peibei, Yan Fanjiang, Li Xu, et al. Influence of boundary condition and pump scheme on thermal effects of laser crystal [J]. Infrared and Laser Engineering, 2015, 44(1): 3216-3222. (in Chinese)
    [3] Shi Xiangchun, Chen Weibiao, Hou Xia. Application of all solid state laser in space [J]. Infrared and Laser Engineering, 2005, 34(2): 127-131. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1007-2276.2005.02.001
    [4] Cheng Yong. Development and progress of adjust-free solid state laser [J]. Infrared and Laser Engineering, 2006, 35(3): 297-301. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1007-2276.2006.03.011
    [5] Stysley P R, Coyle D B, Kay R B, et al. Long term performance of the High Output Maximum Efficiency Resonator (HOMER) laser for NASA's Global Ecosystem Dynamics Investigation (GEDI) lidar [J]. Optics & Laser Technology, 2015, 68: 67-72.
    [6] Dai Qin, Zhang Shanchun, Yang Fan, et al. Research on the high beam quality of Gaussian unstable resonators in solid state lasers [J]. Chinese Optics, 2019, 12(3): 559-566. (in Chinese) doi:  10.3788/co.20191203.0559
    [7] Zou Lu, Jin Qian, Zhou Ping, et al. Unstable resonator design for high power solid-state laser [J]. Ordnance Industry Automation, 2014, 33(7): 16-19. (in Chinese)
    [8] Li Kuohu, Ma Jingjie. Mode analysis of the circular piano-concave resonator with a deformed Gaussian-reflectivity mirror [J]. Optical Technique, 2010, 36(5): 192-195. (in Chinese)
    [9] Wang Wentao, Liu Yang, Wang Chao, et al. Study on beam-quality of slab laser by the usage of Gaussian mirrors [J]. Laser & Infrared, 2012, 42(9): 980-982. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1001-5078.2012.09.003
    [10] Liu Xu, Wang Xiaobing, Cheng Yong, et al. Design of diode pumped all-solid-state laser for SLA [J]. Infrared and Laser Engineering, 2007, 37(7): 794-800. (in Chinese)
    [11] Wang Canzhao, Li Li, Shang Wendong, et al. Study on pulsed solid-state lasers with positive branch confocal unstable resonators [J]. Laser Technology, 2013, 37(4): 441-444. (in Chinese)
    [12] Meng Peibei, Shi Wenzong, Yan Fanjiang, et al. Influence of resonator misalignment on performance of diode-pumped Nd:YAG laser [J]. Infrared and Laser Engineering, 2017, 46(6): 0605001. (in Chinese) doi:  10.3788/IRLA201746.0605001
  • [1] 王路达, 吴伟冲, 朱占达, 白振旭, 惠勇凌, 雷訇, 李强.  基于光谱合束的双波长输出Nd:YAG固体激光器 . 红外与激光工程, 2024, 53(1): 20230411-1-20230411-6. doi: 10.3788/IRLA20230411
    [2] 齐子钦, 毛文杰, 王鸿雁, 朱小龙, 裘馨楠, 陆欢洽, 朱海永.  端面抽运Nd:YAG/Cr4+:YAG/KTA被动调Q级联拉曼激光器 . 红外与激光工程, 2023, 52(10): 20230079-1-20230079-6. doi: 10.3788/IRLA20230079
    [3] 李牧野, 杨学宗, 孙玉祥, 白振旭, 冯衍.  单频连续波金刚石拉曼激光器研究进展(特邀) . 红外与激光工程, 2022, 51(6): 20210970-1-20210970-11. doi: 10.3788/IRLA20210970
    [4] 刘玮, 臧庆, 任梦芳, 韩效锋, 扈嘉辉, 周健, 肖树妹.  应用于EAST TS诊断的高能高频Nd:YAG激光器设计 . 红外与激光工程, 2022, 51(10): 20220002-1-20220002-6. doi: 10.3788/IRLA20220002
    [5] 刘高佑, 魏迪生, 陈毅, 杨科, 密淑一, 李俊辉, 杨超, 王瑞雪, 段小明, 戴通宇, 姚宝权, 鞠有伦, 王月珠.  2 µm单掺Ho固体激光器及ZnGeP2晶体应用于中长波输出的研究进展(特邀) . 红外与激光工程, 2020, 49(12): 20201056-1-20201056-7. doi: 10.3788/IRLA20201056
    [6] 彭红攀, 杨策, 卢尚, 陈檬.  全固态皮秒径向偏振激光器及其加工特性 . 红外与激光工程, 2019, 48(1): 106003-0106003(6). doi: 10.3788/IRLA201948.0106003
    [7] 卢尚, 吕思奇, 陈檬, 彭红攀, 杨策, 张携.  单脉冲能量3 mJ、重复频率1 kHz皮秒超高斯光束的实现 . 红外与激光工程, 2019, 48(10): 1005012-1005012(6). doi: 10.3788/IRLA201948.1005012
    [8] 张喜梅, 陈思梦, 施沈城, 周青青, 段延敏, 朱海永.  级联Nd:GdVO4自拉曼1 309 nm激光性能研究 . 红外与激光工程, 2019, 48(11): 1105002-1105002(5). doi: 10.3788/IRLA201948.1105002
    [9] 张静, 段延敏, 张栋, 张永昶, 王鸿雁, 朱海永.  声光调Q内腔式Nd:YAG/RTP级联拉曼激光特性 . 红外与激光工程, 2019, 48(6): 606006-0606006(5). doi: 10.3788/IRLA201948.0606006
    [10] 楼康平, 赵柏秦.  利用多吸收峰降低全固态激光器温控功耗 . 红外与激光工程, 2019, 48(4): 405004-0405004(5). doi: 10.3788/IRLA201948.0405004
    [11] 李景照, 陈振强, 朱思祁.  基于Yb:YAG/Cr4+:YAG/YAG键合晶体的高峰值功率短脉冲激光器 . 红外与激光工程, 2018, 47(6): 606007-0606007(5). doi: 10.3788/IRLA201847.0606007
    [12] 曹明真, 刘学胜, 何欢, 刘友强, 王智勇.  Nd:YAG调Q激光器失稳现象的理论及实验研究 . 红外与激光工程, 2018, 47(11): 1105005-1105005(6). doi: 10.3788/IRLA201847.1105005
    [13] 曹礼强, 雷军, 于益, 吕文强, 王昭.  Nd:YAG薄片激光增益介质封装技术 . 红外与激光工程, 2017, 46(12): 1205003-1205003(6). doi: 10.3788/IRLA201746.1205003
    [14] 李旭东, 周益平, 闫仁鹏, 潘虎, 陈德应, 周忠祥.  应用于高速平面激光诱导荧光的激光器研究 . 红外与激光工程, 2017, 46(12): 1205001-1205001(6). doi: 10.3788/IRLA201746.1205001
    [15] 蒙裴贝, 史文宗, 颜凡江, 李旭.  谐振腔失谐对二极管泵浦Nd:YAG激光器性能的影响 . 红外与激光工程, 2017, 46(6): 605001-0605001(7). doi: 10.3788/IRLA201746.0605001
    [16] 马欲飞, 何应, 于欣, 陈德应, 孙锐.  用于激光诱导等离子体点火技术的激光源研究进展 . 红外与激光工程, 2016, 45(11): 1136003-1136003(6). doi: 10.3788/IRLA201645.1136003
    [17] 罗宽, 王菲, 车英, 张国玉.  偏振变换法测量固体激光器的动态热焦距 . 红外与激光工程, 2016, 45(10): 1017003-1017003(5). doi: 10.3788/IRLA201645.1017003
    [18] 蒙裴贝, 颜凡江, 李旭, 郑永超.  热边界和泵浦结构对激光晶体热效应的影响 . 红外与激光工程, 2015, 44(11): 3216-3222.
    [19] 刘刚, 唐晓军, 赵鸿, 刘洋, 刘磊, 徐鎏婧, 王超, 陈三斌, 梁兴波, 王文涛.  固体激光器新型冷却热沉的设计和CFD数值研究 . 红外与激光工程, 2014, 43(4): 1111-1116.
    [20] 邓勇, 刘宁, 曹红蓓, 郭龙秋.  基于Nd:YAG激光回馈干涉效应的PZT精密测量技术与系统 . 红外与激光工程, 2014, 43(10): 3434-3438.
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-04-12
  • 修回日期:  2021-02-11
  • 网络出版日期:  2021-04-30
  • 刊出日期:  2021-04-30

高斯镜参数对LD泵浦Nd:YAG激光器的影响

doi: 10.3788/IRLA20200127
    作者简介:

    蒙裴贝(1987−),女,高级工程师,硕士,主要研究方向为空间应用激光器,参与高分辨率对地观测系统重大专项,授权国家发明专利5项。

  • 中图分类号: TN248.1

摘要: 实验研究了输出镜为不同参数高斯镜时,偏心对LD泵浦Nd:YAG激光器的影响及激光器的输出特性。仅当光轴与激光晶体中心轴、Q开关中心轴一致,且经过高斯镜反射率中心时,可同时实现最大能量、最窄脉冲宽度和最小发散角输出。存在偏心时,高斯镜反射率半径越小或中心反射率越大,则能量下降越多,脉冲宽度和发散角增大越大。对于反射率半径为2.5 mm和中心反射率为30%的高斯输出镜,偏心0.5 mm时,能量降低7%,脉冲宽度增宽33%,发散角增大20%。激光性能方面,高斯镜反射率半径越小或中心反射率越小,光束质量越好,但效率低。综合考虑偏心影响和激光性能,反射率半径为2.75 mm和中心反射率为20%的高斯镜作为输出镜最佳。泵浦能量为984 mJ时,获得了能量128 mJ,脉冲宽度7.3 ns,光束质量M2因子约4.6的1064 nm激光输出,对应光光转换效率为13%。实验结果为激光器设计和装调提供了参考。

English Abstract

    • LD泵浦的全固态激光器结构紧凑、效率高、稳定好、寿命长,在星载激光雷达领域有广泛的应用[1-5]。星载激光雷达由于作用距离远,且接收口径受限,激光器能量通常为几十毫焦至百毫焦,同时为了获得高的测量精度,通常采用扩束镜头压缩激光器输出的发散角至几十至百微弧度。当激光器光束质量越好时,相同束腰情况下,发散角越小,则扩束镜头的扩束倍率越小,扩束镜头的口径和激光雷达系统体积越小,因此高光束质量是星载激光器的发展趋势。相对端面泵浦,侧面泵浦更容易注入高的泵浦功率,获得大能量输出。但侧面泵浦时,激光增益模式大,要实现高光束质量输出,需要采用大体积基模谐振腔。非稳腔具有良好的空间选模特性,能产生大体积基模。然而传统硬边镜非稳腔由于输出镜中心镀全反膜,边缘镀增透膜,其基模衍射损耗较大,输出光束近场为环状光斑,远场光斑有衍射环,能量分布分散,不利于应用。高斯镜沿径向渐变的反射率轮廓减少了光学谐振腔的边缘衍射效应,一定程度上消除了输出光束近场的衍射纹波,抑制了远场的旁瓣,改善了空间模式。但由于高斯镜的反射率中心无法引出和测量,光轴和反射率中心的对准只能通过结构设计和装调保证,易出现反射率中心与光轴的偏离(简称“偏心”)。目前关于高斯镜非稳腔的研究主要集中于模式分析[6-8]及激光器实验[9-11],没有对不同高斯镜参数下,激光器的输出特性及偏心的影响进行系统性的研究,而这对于激光器设计和装调是极有意义的。

      为了研究高斯镜参数对激光器的影响,文中设计了凹凸结构的非稳腔,搭建LD泵浦Nd:YAG电光调Q激光器,实验对比了不同高斯镜参数下,偏心对激光器输出特性的影响和激光器的输出特性。

    • 实验装置如图1所示。Nd:YAG晶体尺寸为Ф6×100 mm,掺杂浓度为1at.%,端面镀1064 nm增透膜(反射率<0.1%)。Nd:YAG晶体通过铟箔包裹置于热沉上。12支激光二极管阵列(LDA)分成4沿晶体轴交叉排布,每组的3支LDA均匀排布在晶体半侧面。每支LDA包含6个巴条,其慢轴和快轴发散角分别为10°和40°(FWHM)。LDA安装热沉通过热电制冷器控温并保持温度在293 K,以使LDA发出光中心波长在808 nm,与Nd:YAG晶体吸收峰匹配。LDA为脉冲工作模式,脉冲重复频率为5 Hz,脉冲宽度为210 μs,峰值功率可调。电光Q开关由偏振片、1/4波片和KD*P普克尔盒组成。谐振腔为凹凸非稳腔,由全反镜M1和输出镜M2ii=1,2,3,4,5)组成。谐振腔腔长为265 mm。M1为平凹镜,曲率半径为2.6 m,内表面镀1064 nm高反膜(反射率>99.9%)。输出镜M2i为弯月透镜,第一面曲率半径为−2 m,第二面曲率半径为2 m,厚度为3 mm。第一面的反射率分布为:

      $$ R\left( r \right) = {R_0}{{\rm{e}}^{ - 2\left( {r/{\omega _0}} \right)^2}} $$ (1)

      式中:R0为中心反射率;r为距反射率中心的距离;ω0为反射率降到峰值的1/e2时的径向距离,后简称“反射率半径”。当ω0为∞时,即为普通的均匀反射率镜。M2i第一面的反射率参数如表1所示。M2i第二面镀1064 nm增透膜(反射率<0.1%)。M2i安装于二维平移台的镜架上,可以调整M2i XY方向的位置和角度。

      图  1  实验装置示意图

      Figure 1.  Diagram of experimental setup

      表 1  M2i第一面的反射率参数

      Table 1.  Reflectivity parameters of M2i first surface

      ParameterM21M22M23M24M25
      ω02.5 mm2.75 mm3 mm2.75 mm
      R030%30%30%20%30%
    • 图1所示,M1曲率中心O1与M2i曲率中心O2的连线作为光轴,M2i的反射率中心与O1O2偏离称为偏心。

      由于高斯镜的反射率中心无法确定,因此,于M2i不同位置处,对激光器分别按照最大能量(简称state1)和最小脉冲宽度(简称state2)进行准直,并用采用能量计(探头型号:Ophir PE50-DIF-ER-C)测试激光输出能量(Eout),采用光电探测器(型号:Thorlabs DET025A,上升时间150 ps)和示波器(型号:Keysight DSO9104A)测试脉冲宽度(τ),采用平行光管(焦距1 m)和CCD相机(位于平行光管焦面,型号:Spiricon SP620)测量远场光斑分布和发散角(θ)。为了减小测试误差影响,采用多次测试取平均值进行数据处理。实验发现,输出镜为M25时,在确保有效通光的任意位置,通过调整输出镜角度可以实现最大能量和最窄脉冲宽度同时输出;而输出镜为M21,M22,M23,M24时,存在最佳位置(如表2所示),在该位置可以同时实现最大能量和最窄脉冲宽度输出。

      表 2  输出镜最佳位置

      Table 2.  Best position of output mirror

      DirectionM21M22M23M24
      X3.8 mm3.6 mm3.7 mm3.7 mm
      Y5.1 mm5 mm3.7 mm5.3 mm

      X方向为例,泵浦能量(Epump)为856 mJ,且M2iY方向位于最佳位置时,state1和state2两种准直状态下,X方向位置对输出能量和脉冲宽度的影响如图2所示。可以看出,偏离最佳位置越多,即偏心量越大,则能量越小,脉冲宽度越宽。相同偏心量情况下,ω0越大或R0越小,则偏心影响越小。X方向偏心量(Δx)为0.5 mm时,能量和脉冲宽度情况如表3所示。

      图  2  X方向位置对能量和脉冲宽度的影响:(a) state1;(b) state2

      Figure 2.  Influence of X on energy and pulse width: (a) state1; (b) state2

      表 3  Δx为0.5 mm时的能量和脉冲宽度

      Table 3.  Energy and pulse width at Δx=0.5 mm

      Output mirrorStateEnergy/mJPulse width/ns
      M21state1106.3-104.27.2-9.6 (33%)
      state2106.5-99.1 (7%)~7.2
      M22state1128-126.67.3-9 (23%)
      state2128.2-121 (6%)~7.2
      M23state1~1277.3-8.3 (14%)
      state2128.2-123.6 (5%)~7.3
      M24state1~917.3-7.9 (3%)
      state291.4-88.6 (3%)~7.7

      发散角方面,以M21为例,Y方向位于5.1 mm时,X方向位置对激光器发散角的影响如图3所示。可以看出,对于state2,偏离最佳位置对发散角影响不大,X由3.8 mm变化到3.3 mm时,发散角为1.18 mrad~1.19 mrad。对于state1,发散角随偏心量(Δx)的增大而增大,X由3.8 mm变化到3.3 mm时,发散角由1.17 mrad增大到1.4 mrad(20%)。远场光斑分布如图3所示,偏离最佳位置时,X方向的发散角增大。

      图  3  M21 X方向位置对发散角的影响

      Figure 3.  Influence of X on divergence for M21

      出现上述现象的原因为,一定激光器参数下,当光轴与激光晶体中心轴、Q开关中心轴一致,且经过高斯镜的反射率中心,即输出镜位于最佳位置时,激光器处于对准状态,能量最大,脉冲宽度最窄,发散角最小。当出现偏心,即输出镜移动至位置1时(如图1所示),曲率中心由O2移动至O2’,反射率中心由P移动至P’。对于均匀反射率镜(M25),通过调整输出镜角度将O2’调整至O2’’,光轴则与调整前一致,同时反射率均匀分布,输出特性不受影响。对于高斯镜(M21、M22、M23、M24),反射率分布不均匀,输出能量受输出镜反射率的影响[12],脉冲宽度主要由Q开关决定,发散角主要由光轴与激光晶体中心轴的匹配决定。因此,输出能量最大(state1)时,光轴接近或经过高斯镜的反射率中心,此时与Q开关和激光晶体中心轴存在一定角度,因此脉冲宽度和发散角增大;输出脉冲宽度最小(state2)时,光轴与Q开关中心轴一致,而激光晶体中心轴与Q开关中心轴一致,则此时发散角最小,而平均反射率下降,因此输出能量减小。

    • 当M2i位于最佳位置时,不同泵浦能量下,对激光器输出能量、脉冲宽度和发散角进行测试,同时在输出镜后20 mm处采用CCD相机(型号Spiricon SP620)和缩束镜头(缩束倍率4倍)对近场光斑直径(D)进行测试,由于激光器输出光为发散光,近场光斑近似为激光束腰,测试结果如图4所示。可以看出,当R0为30%时,ω0越大,则平均反射率越大,对应的阈值越小。相比M21、M22和M23,M25为输出镜时,激光器的阈值最小。M24平均反射率最小,因此,M24为输出镜时,激光器的阈值最大。斜率效率方面,M24和M25为输出镜时斜率效率最大,M21为输出镜时,斜率效率最低。随着泵浦能量的增加,发散角和近场光斑逐步增大,M25增长最快,ω0越小,限模作用越明显,发散角和近场光斑直径增长越慢。

      图  4  输出特性对比:(a)Eoutτ;(b)θD

      Figure 4.  Comparison of output performance: (a) Eout and τ; (b) θ and D

      相同输出能量时的性能对比如表4图5所示。可以看出,相同输出能量下,脉冲宽度类似。M21对应的泵浦能量最大,光光效率(η)最低(12.6%),相比M22、M23和M25R0相同),θD最小,光束质量最好。M25为输出镜时,光光效率最高(16%),但θD最大,光束质量最差。相对M21,M22为输出镜时的光束质量接近,但是光光效率明显增大。相比M22,M24为输出镜时的光光效率较低(13%),但是θ减少9%,光束质量较好,M2因子约为4.6,对应的脉宽轮廓和近场光斑分布如图6所示。可以看出,脉冲宽度为7.3 ns,CCD相机测试光斑直径为1.28 mm,由于缩束镜头缩束倍率为4倍,因此实际光斑直径D约为5.1 mm。

      表 4  相同输出能量时的性能

      Table 4.  Properties under the same output energy

      ParameterM21M22M23M24M25
      Eout /mJ 128.3 128.2 127.2 128 128.1
      Epump/mJ 1020 856 856 984 802
      η 12.6% 15% 14.9% 13% 16%
      τ/ns 7 7.2 7.5 7.3 7.3
      θ/mrad 1.31 1.34 1.48 1.22 1.5
      D/mm 5.2 5.2 5.5 5.1 5.7

      图  5  远场光斑分布:(a)M21;(b)M22;(c)M23;(d)M24;(e)M25

      Figure 5.  Far field beam distribution: (a) M21; (b) M22; (c) M23; (d) M24; (e) M25

      图  6  M24为输出镜时的性能:(a)脉冲轮廓;(b)近场光斑分布

      Figure 6.  Performance with M24 as output coupler: (a) pulse trace; (b) near field beam distribution

    • 文中对比了使用不同参数的高斯输出镜时,高斯镜的偏心量对激光器输出特性的影响及激光器的输出特性。仅当光轴与激光晶体、Q开关中心轴一致,且经过反射率中心时,可同时实现最大能量、最窄脉冲宽度和最小发散角输出。出现偏心时,高斯镜反射率半径越小或中心反射率越大,则能量下降越多,脉冲宽度和发散角增大越大。对于反射率半径为2.5 mm及中心反射率为30%的高斯输出镜,偏心0.5 mm时,能量降低7%,脉冲宽度变宽33%,发散角增大20%。输出镜反射率均匀分布时,偏心对激光输出特性影响小。激光性能方面,相同中心反射率情况下,高斯镜反射率半径越小,则激光阈值越大,光束质量越好,但是光光效率低。中心反射率对激光阈值及光束质量均有影响。综合考虑偏心影响和激光性能,反射率半径为2.75 mm及中心反射率为20%的高斯镜作为输出镜最佳,泵浦能量为984 mJ时,输出能量为128 mJ,脉冲宽度为7.3 ns,发散角为1.22 mrad,光束质量M2因子约为4.6,对应光光转换效率为13%。后续可以通过增加谐振腔腔长或优化LDA和晶体的参数及分布,提升增益均匀性而进一步优化光束质量。

参考文献 (12)

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