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高重频紫外激光器
发表时间:2020-08-11     阅读次数:144     字体:【

LD侧面泵浦Nd∶YVO4

(1.沈阳理工大学 理学院,辽宁 沈阳 110159;2.鞍山紫玉激光科技有限公司,辽宁 鞍山 114044)

摘要:研制了二极管(LD)侧面泵浦Nd∶YVO4高重复频率355 nm紫外激光器,针对Nd∶YVO4激光晶体的增益高、泵浦带宽宽的优点,激光器采用LD均匀三角侧面泵浦结构,利用声光调Q方式,选用Ⅰ类和Ⅱ类相位匹配的LBO非线性晶体,设计了腔内三倍频V型谐振腔结构,获得了高重频、高增益的355 nm紫外激光输出。在泵浦LD电流为30 A、重复频率为20 kHz时,355 nm激光输出最大平均功率达到了8.5 W,激光脉冲宽度为37 ns,1 064 nm基频光到355 nm紫外激光的光-光转换效率为25.8%,紫外激光泵浦阈值约为16 A。

关键词:LD侧面泵浦Nd∶YVO4;紫外激光;高重频

1 引言

高重频调Q固体激光器在激光测距、激光雷达探测、激光通信和工业加工诸多领域有着重要的应用[1-4]。固体激光器重复频率越高意味着单个调Q脉冲所能获得的增益越小[5],随着脉冲重复频率的提高,调Q激光器的脉宽通常会明显变宽。虽然利用短谐振腔可以产生纳秒级甚至亚纳秒级的短脉冲,但需要激光晶体上的基横模光斑和泵浦光斑都很小,限制了泵浦功率,所以这种短脉冲调Q激光器的输出功率相对较低[6]

相比于Nd∶YAG晶体,Nd∶YVO4激光晶体受激辐射截面大,泵浦带宽宽,其激光性能更能适应二极管的温度变化。在LD端面泵浦结构中,吸收系数和增益都很高的Nd∶YVO4晶体具有很大优势,然而,在端面泵浦的系统中,泵浦光束通常是高度聚焦的,很难在超过几毫米的距离内维持小的束腰,因此限制了Nd∶YVO4激光的功率发展。另外,Nd∶YVO4较难获得侧面泵浦所需尺寸的高质量晶体,若Nd∶YVO4晶体大尺寸限制得到解决,并进一步改进晶体的生长过程,就可以获得高性能的激光输出[7]

在以前的报道中,Nd∶YVO4激光器多为端面泵浦形式,采用侧面泵浦鲜有报道。2011年,Li等报道了采用二极管端面泵浦Nd∶YVO4,实现了被动锁模激光器,在泵浦功率为19.9W 时,获得稳定锁模输出功率7.8 W [8]。2014年,李玉瑶等报道了LD端面泵浦Nd∶YVO4晶体腔内倍频和腔外和频相结合的声光调Q 准连续355 nm紫外激光器。采用LD端面泵浦双侧翼键合YVO4基质的Nd∶YVO4晶体,并采用双向和频光路,在泵浦功率为28.6 W、重复频率为20 kHz 时,355 nm激光最大输出功率4.2 W,脉宽为20.6 ns[9]。2016年,王旭等报道了连续激光二极管端面泵浦Nd∶YVO4的调Q激光器。实验研究了输出耦合镜透射率不同、重复频率不同时激光器调Q的输出特性。当重复频率为20 kHz时,得到的平均输出功率为2.67 W,脉冲宽度为2.2 ns,斜率效率为37%,并使用KTP晶体对激光器输出的1 064 nm激光进行了腔外倍频,获得了重复频率20 kHz、平均输出功率1.33 W的532 nm绿光输出,倍频效率为50%[10]。2018年,范灏然等报道了878.6 nm波长LD双端泵浦Nd∶YVO4声光调Q 激光器。在重复频率为100 kHz、晶体吸收功率58 W时,获得18.2 W的1 064 nm激光输出,光-光转换效率31.3%,脉宽15.2 ns;在重复频率为500 kHz、晶体吸收功率58 W时,获得26.1 W的1 064 nm激光输出,光-光转换效率45%,脉宽44.2 ns[11]

Nd∶YVO4晶体的增益高、荧光寿命短,在高重频运转条件下与Nd∶YAG相比,产生的Q脉冲相对也较短。论文针对Nd∶YVO4的优点,采用了LD侧面泵浦结构,利用声光调Q方式,选用Ⅰ类和Ⅱ类相位匹配的LBO晶体,设计了腔内三倍频V型谐振腔结构,获得了高重频、激光阈值低的355 nm紫外激光输出。在LD泵浦电流30 A、重复频率为20 kHz时,355 nm激光最大输出功率达到了8.5 W,脉冲宽度为37 ns,1 064 nm基频光到355 nm紫外激光的光-光转换效率为25.8%。

2 实验装置

LD侧面泵浦Nd∶YVO4高重频紫外激光器结构如图1所示。激光晶体采用尺寸为φ 3 mm×40 mm的Nd∶YVO4晶体,a轴切割,增益介质的掺杂摩尔分数为0.5%,Nd∶YVO4晶体两个端面均镀1 064 nm增透膜。采用脉冲LD 侧面泵浦方式,采用6个BAR均匀三角侧面泵浦,单个BAR功率为30 W,满负荷电流为35 A。激光模块采用循环水冷却方式。腔内插入声光Q开关(Gooch &Housego Ltd,英国),射频功率为100 W的声光驱动电源驱动,调制重复频率在1~150 kHz可调。M1、M2、M3为平面镜,构成V型谐振腔结构。腔镜M1镀1 064 nm全反膜(R>99.5%),腔镜M2镀1 064 nm/532 nm/355 nm全反膜(R>99.5%),激光输出镜M3一面镀1 064 nm/532 nm全反膜(R>99.5%)、355 nm增透膜(T>95%),另一面镀355 nm增透膜(T>95%)。腔外利用45°分光镜滤除1 064 nm/532 nm波段激光。倍频晶体LBO1采用Ⅰ类相位匹配,θ= 90°,φ=11.2°,尺寸为5 mm×5 mm×25 mm,和频晶体LBO2采用Ⅱ类相位匹配,θ=43.3°,φ=90°,尺寸为5 mm×5 mm×30 mm,两块晶体双端面均镀1 064 nm/532 nm/355 nm增透膜。

图1 355 nm 紫外全固态激光器结构示意图
Fig.1 Schematic diagram of UV solid state laser in 355 nm

3 结果与讨论

实验中适当调节激光光路和偏振状态,使整个系统处于最佳匹配。在重复频率为20 kHz时,实验测量了1 064 nm的基频光和355 nm激光的输出特性。在激光光路中,将M2换成透过率为30%的1 064 nm输出镜,M3换成1 064 nm全反镜,去掉LBO1和LBO2,采用激光功率计(PM150-50,Coherent公司,美国)测量了1 064 nm激光的输出参数。355 nm和1 064 nm基频光输出平均功率随泵浦电流的变化曲线如图2所示,从图中可以看出,在重复频率为20 kHz、泵浦LD的注入电流达到最大30 A时,355 nm紫外激光输出最大平均功率达到了8.5 W,紫外激光泵浦阈值约为16 A。此时,1 064 nm基频光输出最大平均功率为33 W。

图2 激光输出功率随LD泵浦电流的变化曲线
Fig.2 Variation of laser output power with LD pump current

采用DET10A型探测器(Thorlabs公司,美国)和Wavepro7200A型存储示波器(2 GHz,LeCory公司,美国)测量了355 nm激光脉冲宽度,测量得到的激光脉冲波形如图3所示。在重复频率为20 kHz、355 nm激光平均功率为8.5 W时,激光脉冲宽度为36.9 ns。对应的激光单脉冲能量为425 μJ,峰值功率为11.5 kW。在重复频率20 kHz时,测量了355 nm激光脉冲宽度随LD泵浦电流的变化情况,如图4所示。可以看出,355 nm激光功率为1.35 W时,激光脉冲宽度为76 nm,随着注入电流的增大,355 nm紫外光的脉宽急剧变窄。

当LD注入电流为30 A时,在不同的重复频率条件下,测量了355 nm激光输出平均功率和脉冲宽度,如图5所示。随着激光脉冲重复频率的增加,单脉冲的储能时间降低,反转粒子数与阈值反转粒子数的比值下降,导致355 nm激光脉冲宽度变宽。同时 1 064 nm基频光峰值功率下降,导致腔内倍频转换效率下降,紫外激光的输出功率也会明显下降。

图3 355 nm激光单脉冲波形
Fig.3 Monocycle waveform of 355 nm laser

图4 脉冲宽度随LD泵浦电流的变化曲线
Fig.4 Variation of pulse width with LD pump current

图5 当LD泵浦电流为30 A时,激光脉冲宽度和输出功率随重复频率变化曲线。
Fig.5 Variation of output power and pulse width of 355 nm laser with different repetition rates

4 结论

针对增益高、泵浦带宽宽的Nd∶YVO4激光晶体,采用LD侧面泵浦方式,利用声光调Q技术,设计了腔内三倍频V型谐振腔结构,获得了高重频、高增益的355 nm紫外激光输出。在重复频率为20 kHz、LD泵浦电流为30 A时,获得了最高平均功率8.5 W、脉冲宽度为36.9 ns的355 nm紫外激光输出。随着激光技术领域的不断发展,LD侧面泵浦Nd∶YVO4高重频激光器可以充分利用Nd∶YVO4晶体的优势,有望在激光应用领域发挥更大的作用。


 
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