泵浦光聚焦特性对高重频10..._nm被动调Q激光器的影响_姚聪.pdf

第 44 卷 第 2 期2023年 2 月Vol.44 No.2Feb.,2023发光学报CHINESE JOURNAL OF LUMINESCENCE泵浦光聚焦特性对高重频 1 064 nm 被动调 Q激光器的影响姚聪1，2，付鑫鹏1，申彦鑫1，2，李文媛1，2，付喜宏1*（1.中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春130033；2.中国科学院大学，北京100049）摘要：研究了泵浦光聚焦特性对被动调 Q 激光器输出激光特性的影响。使用 10 W 激光二极管（LD）和焦距为 4 mm 的耦合聚焦镜，在不改变 LD 和谐振腔结构与间距（15 mm）的情况下，选取 5个耦合聚焦镜位置，研究对应泵浦光聚焦特性对输出激光特性的影响，特别是对输出脉冲稳定性的影响。泵浦功率为 3.550 W 时，相较于其他耦合聚焦镜位置，在耦合聚焦镜距离 LD 7.50 mm 处，被动调 Q 激光器实现了更高重复频率（160 kHz）、更高平均输出功率（360 mW）、更高单脉冲能量（2.250 J）、更低时域抖动（120 ns）的稳定脉冲输出。实验数据说明，耦合聚焦镜距离 LD 7.50 mm处，泵浦光聚焦光斑与谐振腔基模光斑的匹配程度较好。理论计算得出，耦合聚焦镜距离 LD 7.50 mm时，谐振腔基模光斑尺寸与泵浦光聚焦光斑束腰尺寸的比值为 0.854，该比值对今后开展高重频被动调 Q激光器相关研究具有一定的借鉴意义。关键词：LD端面泵浦；被动调 Q；耦合聚焦镜位置中图分类号：TN248.4 文献标识码：A DOI：10.37188/CJL.20220294Influence of Pump Light Focused Characteristics on High Repetition Frequency 1 064 nm Passively Q-switched LaserYAO Cong1，2，FU Xinpeng1，SHEN Yanxin1，2，LI Wenyuan1，2，FU Xihong1*（1.Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）*Corresponding Author，E-mail：Abstract：The effect of pump focusing characteristic on output laser characteristics of passively Q-switched solid-state（PQS）laser is studied.Using a 10 W laser diode（LD）and a coupling focusing lens with focal length of 4 mm，without changing the cavity structure and the distance between LD and resonator（15 mm），five coupling focusing lens positions were selected to research the effect of pump focusing characteristic on output laser characteristics，especially on the stability of the output pulse.When the distance between LD and the coupling focusing lens is 7.50 mm，at a continuous-wave pump power of 3.550 W，a passively Q-switched laser with higher repetition rate（160 kHz），higher average output power（360 mW），higher single-pulse energy（2.250 J）and lower time jitter（120 ns）was obtained.The experimental results indicate that the match degree between pump focusing spot and fundamental mode spot is good when the distance between LD and the coupling focusing lens is 7.50 mm.The theoretical calculation results indicate that the ratio of the fundamental mode spot size to the focusing spot size is 0.854 when the distance between LD and the coupling focusing lens is 7.50 mm.The ratio can be used as a reference for the research of high repetition-frequency PQS laser.Key words：LD-pumped；passively Q-switched；coupling focusing lens position文章编号：1000-7032（2023）02-0307-07收稿日期：20220811；修订日期：20220831基金项目：吉林省科技发展计划项目（20200401060GX，20210201028GX）Supported by Jilin Province Science and Technology Development Plan Project（20200401060GX，20210201028GX）第 44 卷发光学报1引言高重频被动调 Q 激光器结构简单、可靠性及系统兼容性较高，脉冲宽度容易达到纳秒甚至亚纳秒级，且有较高的峰值功率，可广泛应用于高精度激光雷达、微型激光源、环境探测和微细加工等领域 1。输出脉冲的稳定性影响因素众多，包括泵浦光中心频率的波动、泵浦功率的波动、增益介质中的热梯度以及自发辐射噪声等，限制了被动调 Q激光器更广泛的应用。随着脉冲重复频率提高，脉冲的稳定性会进一步变差，极大地阻碍了高重频被动调 Q激光器的研究与应用。研究人员发现2，泵浦光聚焦尺寸、泵浦光发散角的大小和泵浦光聚焦光斑的位置直接影响着泵浦光与振荡光模式匹配程度，从而影响激光器的阈值和输出功率等输出激光特性。1980 年，Hall等通过速率方程求解3，首次指出泵浦光聚焦光斑束腰处半径（p0）与谐振腔基模光斑半径（0）比值 p0/0对出射激光的阈值存在影响，p0/0越大，出射激光阈值越高。并比较了 p0/0=1，2，2三种情况时输出功率随泵浦功率的变化。结果表明，p0/0=1时，输出功率曲线斜效率最大；p0/0=2 时，斜效率最小。1991 年，Laporta和 Brussard通过速率方程计算以及实验验证4，发现较低功率连续泵浦（200 mW3 W）下，p范围在 80120 m 之间、泵浦光椭圆度参数 范 围 为 0.30.9 时，0/p0的 优 选 范 围 为 1.53.5。2000年，Chen等发现5，p0/0对晶体热效应同样存在影响。实验结果表明，为了获得较高的输出功率，p0/0应该低于 1.600，从而降低晶体热效应的影响。上述研究都是针对连续输出的激光器的输出特性，本文研究了泵浦光聚焦特性对被动调 Q激光器输出激光特性的影响。实验中，被动调 Q激光器输出脉冲的稳定性对耦合聚焦镜位置非常敏感，仅移动 0.30 mm，输出脉冲特性即有明显 变 化，因 此 开 展 了 进 一 步 实 验。以 10 W T-Mount作为泵浦源，以焦距为 4 mm 的非球面镜作为耦合聚焦镜，在不改变 LD 和谐振腔结构与间距（15 mm）的情况下，通过调节耦合聚焦镜与 LD的距离，选取 5个耦合聚焦镜位置，研究对应泵浦光聚焦特性对输出激光特性的影响，特别是对输出脉冲稳定性的影响。实验结果表明，耦合聚焦镜存在较为合适的位置，使输出脉冲的时域抖动较小。通过 ZEMAX 模拟和理论分析，计算时域抖动较小时耦合聚焦镜位置处谐振腔基模光斑尺寸与泵浦光聚焦光斑束腰尺寸的比值，该比值对今后开展高重频被动调 Q 激光器研究具有一定的借鉴意义。2实验装置LD端面泵浦 Nd YAG/Cr YAG激光器的结构如图 1 所示。激光增益介质是 Nd+离子掺杂浓度为 1.0%的 Nd YAG 晶体，尺寸为 3 mm3 mm 3 mm，晶体前端面镀有 808 nm 高透、1 064 nm 高反的光学薄膜，后表面镀有 1 064 nm 高透膜。被动调 Q 晶体为初始透过率为 95.39%的 Cr4+YAG晶体，尺寸为 3 mm3 mm1.50 mm。Cr4+YAG 晶体 前 端 面 与 Nd YAG 晶 体 后 端 面 距 离 为 2.50 mm。输出镜选用透过率为 94.31%的平面镜，Nd YAG 晶体的前表面与输出镜构成光学谐振腔。为压缩脉宽，谐振腔腔长缩短到 8 mm。实验中采用半导体制冷器（TEC）进行精密温控，LD温度设置为 25，Nd YAG 晶体与 Cr YAG 晶体温度设置为 22。LD 为山东华光光电子股份有限公司提供的型号 DM-820C 的 T-Mount，室温下的输出阈值为1.15 A，中心波长为 808 nm，最大输出功率为 10 W，其发光面积为 1 m200 m。LD 快轴方向发散角为 30，慢轴方向发散角为 10。为压缩 LD快轴方向发散角，将半径为 200 m 的光纤棒放置在 LD 发光区之前。泵浦光快轴方向发散角受光纤棒压缩后，经过焦距为 4 mm的非球面耦合聚焦镜聚焦，进入 Nd YAG晶体。Nd YAGCr YAGOutput couplerTECHR1 064 nmHT808 nmFocus lenLaser diode808 nmL1L图 1耦合聚焦镜位置变化下的 Nd YAG/Cr YAG 被动调Q激光器示意图Fig.1Experimental setup for the LD-pumped passively Q-switched Nd YAG/Cr4+YAG laser308第 2 期姚聪，等：泵浦光聚焦特性对高重频 1 064 nm 被动调 Q激光器的影响3实验结果与分析3.1被动调 Q激光器实验结果3.1.1耦合聚焦镜不同位置的输出脉冲特性耦合聚焦镜位置变化的具体过程如图 1 所示。实验过程中，将 LD 与谐振腔间距（L）固定为15 mm，调节耦合聚焦镜的位置（即调节 LD 与耦合镜焦平面的距离 L1），选取 5 个耦合聚焦镜位置，观察 5个位置下，不同泵浦光聚焦特性对输出脉 冲 特 性 的 影 响。耦 合 镜 位 置 15 代 表 L1=6.90，7.20，7.50，7.90，8.20 mm 的情况，位置从 15代表耦合镜与 LD 的距离逐渐增大。实验测量时，采用 THORLABS 生产的型号 S142C 的功率探头测量激光输出功率，THORLABS 生产的型号DET-02AFC 高速光电探测器探测输出激光脉冲信号，并在 RIGOL 公司型号 DS2202A-S 的示波器上记录脉冲波形。实验结果如下列各图所示。耦合聚焦镜位置对高重频被动调 Q激光器输出脉冲重复频率的影响如图 2所示。耦合聚焦镜不同位置对应输出脉冲的阈值功率存在差异。位置 3 处对应输出激光阈值功率最低，为