基于YAG_Nd：YAG_Cr%5E%284 %29：YAG键合晶体的被动调Q亚纳秒激光器.pdf

第 40 卷 第 4 期2023 年 7 月量 子 电 子 学 报CHINESE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICSVol.40 No.4Jul.2023基于基于YAG/NdYAG/Nd:YAG/Cr YAG/Cr4 4+:YAG YAG键合晶体键合晶体的被动调的被动调Q Q亚纳秒激光器亚纳秒激光器唐敬玲 1,2,齐 月 1,2,白振旭 1,2*,齐瑶瑶 1,2,丁 洁 1,2,颜秉政 1,2,王雨雷 1,2,吕志伟 1,2(1 河北工业大学先进激光技术研究中心,天津 300401;2 河北省先进激光技术与装备重点实验室,天津 300401)摘要:全固态被动调Q 激光器有光束质量好、脉冲宽度窄、结构紧凑等特点，在雷达探测、工业制造等领域具有广泛应用前景。对YAG/Nd:YAG/Cr4+:YAG键合晶体被动调Q 激光器的输出特性进行了理论和实验研究，在泵浦光中心波长为808 nm、光斑直径为230 m、泵浦功率为6.72 W的泵浦条件下，获得了平均功率1.41 W、脉宽736 ps，重复频率8.46 kHz的调Q 激光输出。进一步研究表明，随着泵浦光焦点远离Nd:YAG端面，激光光斑的对称性下降；且泵浦光焦点离Nd:YAG端面的距离沿晶体轴向增大时，激光阈值呈上升趋势。关 键 词:激光技术;全固态;键合晶体;被动调Q;Cr4+:YAG中 图 分 类 号:TN248.1 文 献 标 识 码:A 文章编号:1007-5461(2023)04-00483-09Passively Qswitched subnanosecond laser based on YAG/Nd:YAG/Cr4+:YAG composite crystalTANG Jingling 1,2,QI Yue 1,2,BAI Zhenxu 1,2*,QI Yaoyao 1,2,DING Jie 1,2,YAN Bingzheng 1,2,WANG Yulei 1,2,LYU Zhiwei 1,2(1 Center for Advanced Laser Technology,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China;2 Hebei Key Laboratory of Advanced Laser Technology and Equipment,Tianjin 300401,China)AbstracAbstract t:Due to its excellent characteristics of good beam quality,narrow pulse width and compact structure,all-solid-state passively Q-switched lasers have a wide application in radar detection,industrial manufacturing etc.Here,the output characteristics of passively Q-switched YAG/Nd:YAG/Cr4+:YAG laser are studied theoretically and experimentally.While being pumped by 808 nm laser with 230 m beam diameter and 6.72 W power,a Q-switched laser output with an average power of 1.41 W and pulse width of 736 ps at the repetition rate of 8.46 kHz is obtained.Furthermore,it is shown that the symmetry DODOI I:10.3969/j.issn.1007-5461.2023.04.007基金项目:国家自然科学基金重大科研仪器研制项目(61927815)作者简介:唐敬玲(1995-),女,山东临沂人,研究生,主要从事全固态被动调Q激光器方面的研究。E-mail:导师简介:吕志伟(1961-),山东烟台人,博士,教授,博士生导师,主要从事高能量固体激光器及非线性光学方面的研究。E-mail:收稿日期:2021-05-08;修改日期:2021-11-10*通信作者。量 子 电 子 学 报40 卷of the laser beam decreases as the focus of the pump laser moves away from the Nd:YAG end face,and the laser threshold shows an upward trend when the distance between the focus of the pump laser and the Nd:YAG end face increases along the axis of the crystal.K Keyey wordswords:laser techniques;all-solid-state;composite crystal;passively Q-switched;Cr4+:YAG0 引 言全固态被动调Q激光器具有结构紧凑、体积小等优点,被广泛应用于激光点火13、精密加工4,5等领域。与传统可饱和吸收体(如染料片等)相比,Cr4+:YAG晶体具有基态吸收截面大(10-18 cm2)、散热性能好、损伤阈值高(500 MW/cm2)等优点,是一种在1 m波段理想的被动Q开关材料610。目前,全固态被动调Q激光器已经广泛应用在科研、军事等领域,但严重的热效应却阻止了其性能进一步提高。将激光晶体与可饱和吸收体进行热键合处理,并在键合晶体两端直接镀膜构成平-平腔结构,不仅能够有效改善激光器的热效应问题1113,也能够进一步压缩腔长、减少腔内损耗,获得高效率、短脉冲的调Q激光输出1416。2017年,Li等14报道了一种YAG/Nd:YAG/Cr4+:YAG激光器,泵浦脉宽为1 ms时,获得了11个调Q脉冲的稳定输出,其脉冲能量为210 J、脉宽为1.7 ns。2016年,Dascalu等17利用键合晶体Nd:YAG/Cr4+:YAG,实现了独立的四光斑输出,且光斑间距在毫米量级。本文研究了激光二极管(LD)端面泵浦的YAG/Nd:YAG/Cr4+:YAG被动调Q激光器的输出特性。在泵浦光中心波长为808 nm、光斑直径为230 m、泵浦功率为6.72 W的条件下,实现了脉冲宽度为736 ps、平均功率为1.41 W、重复频率为8.46 kHz的调Q激光输出。1 模拟分析为研究晶体键合方式对激光器输出特性的影响,首先利用LASCAD软件对单Nd:YAG晶体、以及三种不同键合方式的Nd:YAG激光器的输出特性进行建模分析,键合方式及晶体长度如表1所示,晶体的端面尺寸均设置为3 mm 3 mm。四种不同的谐振腔结构及其泵浦方式如图1(a)(d)所示。表1 激光晶体尺寸表Table 1 Laser crystals lengthParameterCrystal length/mmComposite crystalNd:YAG7YAG/Nd:YAG2+5Nd:YAG/YAG5+2YAG/Nd:YAG/YAG1+5+1在仿真模型中,设置泵浦功率为90 W,泵浦光斑直径为400 m,腔长为晶体长度7 mm,输出镜反射率为70%时,仿真所得结果如表2所示。由表2可知,基于YAG/Nd:YAG的激光器,其光束质量因子M 2最小,这表明长的前端键合YAG晶体能够有效改善热效应对激光器的影响。分析可知,键合晶体能够有效提高激光晶体的散热能力,降低热效应对激光器的影响。基于以上模拟分析,使用LASCAD软件模拟分析键合方式对晶体内部温度及热应力分布的影响。四种激光晶体内部的温度分布如图1(e)(h)所示,由图可知,键合晶体YAG/Nd:YAG的中心温度低于其他晶体的中心温度,且靠近泵浦光一侧的端面温度最低。因此,Nd:YAG晶体的入射前端键合YAG晶体能够有效减少晶体端面的形变量,提高泵浦光的利用率。四种激光晶体内部484第 4 期唐敬玲等:基于YAG/Nd:YAG/Cr4+:YAG键合晶体的被动调Q亚纳秒激光器的热应力分布如图1(i)(l)所示,由图可知,前端键合晶体能够有效缓解端面热应力问题,且能够有效降低热透镜效应对激光器的影响,避免出现因晶体端面热应力过大而造成晶体破裂现象。表2 不同键合晶体对应的激光输出特性仿真结果Table 2 Simulation results of laser output characteristics corresponding to different composite crystalsOutput parameterThreshold/WOutput power/WThermal focal length/mmSpot radius/mBeam quality M 2Composite crystalNd:YAG3.015.0327.6956.601.19YAG/Nd:YAG3.174.9233.9558.201.13Nd:YAG/YAG3.24.7829.8859.601.75YAG/Nd:YAG/YAG3.24.8334.4960.801.17图1(a)(d)激光晶体示意图;(e)(h)Pin=10.72 W,激光晶体温度分布切面图;(i)(l)Pin=10.72 W,激光晶体热应力分布切面图Fig.1(a)-(d)Schematic of laser crystal;(e)-(h)Pin=10.72 W,Schematic diagram of temperature distribution inside laser crystals;(i)-(l)Pin=10.72 W,Schematic diagram of thermal stress distribution of laser crystals将LASCAD模拟的YAG/Nd:YAG/Cr4+:YAG激光器仿真结果与已有的研究成果进行对比,对比结果如表3所示,从表中可知,短的腔长有利于激光器输出特性的提高。而在键合晶体两端直接镀膜构成平-平腔结构,在减小激光器尺寸的基础上,降低腔内损耗,从而可进一步提高激光器的输出特性。表3 YAG/Nd:YAG/Cr4+:YAG被动调Q激光器仿真结果与其他研究成果对比表Table 3 Comparison of simulation result of YAG/Nd:YAG/Cr4+:YAG passively Qswitched lasers and other research resultsMeasured parameterCrystal size/mm3Cavity length/mmSingle pulse energy/JPulse width/nsM 2Composite crystalYAG/Nd:YAG/Cr4+:YAG33(2+5+2)96911.421.13YAG/Nd:YAG/Cr4+:YAG/YAG1633(1+7+1+1)1018.21.231.18YAG/Nd:YAG/Cr4+:YAG1433(2+5.5+1.5)25425.81.91.7485量 子 电 子 学 报40 卷2 实验装置及结果2.1 实验装置根据模拟仿真结构,对YAG/Nd:YAG/Cr4+:YAG键合晶体进行激光实验研究,实验装置以及采用的晶体分别如图2(a)和(b)所示。LD耦合输出光纤的纤芯直径为200 m,波长为808 nm,光纤耦合头的光斑放大倍率分别为1倍和2倍,实测泵浦光束腰直径0分别为230 m、530 m。YAG/Nd:YAG/Cr4+:YAG的尺寸为3 mm 3 mm (2+5+2)mm。泵浦光入射端(YAG端)镀有HR808 nm/HT1064 nm的膜层作为前腔镜,Cr4+:YAG端镀有R=40%1064 nm的反射膜作为输出镜,Cr4+:YAG初始透过率为40%。晶体由铜热沉包裹,并以水冷方式进行冷却。2.2 实验结果及分析理论上,在相同泵浦功率情况下,泵浦光光斑口径越小,光斑处的光功率密度越大,所产生的激光阈值功率越低,但是入射光斑越小也会导致晶体内部热应力加剧。因此,选择合适的泵浦光半径0对获得稳定的激光输出具有重要意义。0分别在230 m和530 m两种情况下,测得输出光的平均功率Pout及脉冲宽度随注入泵浦功率Pin的变化关系如图3所示。由图3(a)可知,在相同泵浦功率情况下,0=530 m的激光产生阈值为0=230 m的四倍以上,一方面是由于泵浦功率密度下降,另一方面是泵浦光斑尺寸的增加影响入射光与腔内振荡光的模式匹配,且入射光斑越大腔内模式竞争越严重。该实验结果与泵浦光直径对固体激光器和半导体激光器激光阈值的影响吻合18,19。此外,由图3(b)可看出,泵浦功率确定的情况下,输出激光的脉冲宽度与0正相关。0=230 m,Pin=6.72 W时,脉宽测得最小值736 ps;0=530 m,Pout=13.82 W时,脉宽测得最小值1300 ps。其主要原因是泵浦光功率密度减小,导致脉冲产生及饱和吸收体漂白的时间大幅增加;且随着泵浦功率的增加,调Q脉冲激光的脉宽呈先下降后上升的趋势。当0=230 m时,调Q激光的单脉冲时域波形随泵浦功率的变化如图4所示。在一定功率范围内,Pin的增加会压缩调Q激光的脉冲宽度;但当Pin进一步增加,Cr4+:YAG晶体出现Q开关“关不断”的现象,并观察到脉冲串的出现,使得整体脉宽呈上升趋势。图2(a)实验装置实物图;(b)键合晶体YAG/Nd:YAG/Cr4+:YAG实物图Fig.2(a)Experimental setup;(b)Physical diagram of composite crystal YAG/Nd:YAG/Cr4+:YAG486第 4 期唐敬玲等:基于YAG/Nd:YAG/Cr4+:YAG键合晶体的被动调Q亚纳秒激光器图4 单脉冲波形示意图(10 ns/div)Fig.4 Schematic diagram of single pulse trace(10 ns/div)脉冲的重复频率随Pin的变化关系如图5所示。从中可见,0越大,重复频率越低。主要原因是:随着0的增加,入射光的功率密度减小,导致Cr4+:YAG达到饱和状态所需时间增长,重复频率呈下降趋势。结合图35可知,0=230 m时,激光器的输出特性较好,故选取泵浦光束腰直径为230 m进行后续实验。图3(a)输出光平均功率随泵浦功率的变化曲线;(b)脉冲宽度随泵浦功率的变化曲线Fig.3(a)Average output power versus pump power;(b)Pulse duration versus pump power487量 子 电 子 学 报40 卷图5 输出光重复频率随泵浦功率的变化曲线Fig.5 Repetition rate versus pump power调Q激光的近场光斑随Pin的变化关系如图6所示。由图可知,随着Pin的增加,晶体热累积量变大,导致晶体出现热致双折射效应,进而导致激光光斑对称性变差。当Pin=10.72 W时,Pout=2.70 W,实验测得调Q激光x和y方向上的光斑半径如图7所示。由图可知,热致双折射效应导致晶体不同位置处的折射率发生改变,进而导致输出光半径出现偏差,通过计算可得,Mx2=4.06,My2=3.19。图6 激光光斑随泵浦功率(a)3.8 W;(b)10.72 W;(c)13.5 W;(d)14.8 W;(e)16.7 W;(f)17.8 W的变化关系图Fig.6 Lasers beam distribution versus pump power(a)3.8 W;(b)10.72 W;(c)13.5 W;(d)14.8 W;(e)16.7 W;(f)17.8 W 图7 光束质量因子示意图 图8 键合晶体端面示意图 Fig.7 Schematic diagram of beam quality factor Fig.8 End face diagram of composite crystal488第 4 期唐敬玲等:基于YAG/Nd:YAG/Cr4+:YAG键合晶体的被动调Q亚纳秒激光器上述实验中,泵浦光焦点位置位于Nd:YAG的中心,由于泵浦光半径仅为百微米量级,因此研究不同焦点位置(水平和轴向)对激光器输出特性的影响,将有助于优化激光输出参数和激光器稳定性。图8为晶体端面示意图,以Nd:YAG晶体端面正中心为原点,焦点沿x轴变化,实验采用调节精度为10 m位移平台精准控制焦点位置的变化。结果表明激光器阈值未发生改变,但调Q激光的近场光斑发生恶化。Pin=10.72 W时,激光光斑与焦点位置的关系如图9所示,当焦点位置发生变化时,晶体内部热应力分布不均匀,导致晶体不同位置处的折射率发生改变,进而导致调Q激光的光斑恶化。图10为焦点位置沿晶体轴向变化的示意图,设置YAG和Nd:YAG键合面为原点,焦点位置沿晶体轴向(z轴)变化,使用位移平台精准控制焦点位置。实验发现,当z=0 mm时,激光阈值功率最低;随着|z|的增大,激光阈值呈上升趋势。但是z=(0 0.5)mm范围内,激光的产生阈值变化并不明显(0.2 W),这意味着该键合结构对泵浦光轴向位置具有较强的不敏感性,容易实现稳定的激光输出。图10 激光阈值随焦点位置的变化曲线(插图:焦点位置沿晶体轴向变化示意图)Fig.10 Lasers threshold versus focus position(insert:focus position along crystal axis)3 结论对基于键合晶体的YAG/Nd:YAG/Cr4+:YAG被动调Q激光器进行了研究。使用LASCAD软件建立光路模型,对激光系统的工作物质及可饱和吸收体进行详细设计与优化。基于仿真结果,对YAG/Nd:YAG/Cr4+:YAG被动调Q激光器进行实验研究,在泵浦光中心波长为808 nm、光斑直径为230 m、泵浦功率为6.72 W图9 激光光斑随焦点位置变化关系图Fig.9 Lasers beam distribution versus focus position489量 子 电 子 学 报40 卷的条件下,获得了平均功率1.41 W、脉宽736 ps、重复频率8.46 kHz的调Q脉冲激光输出。实验结果表明,当泵浦光焦点位于增益介质端面中心、且位于YAG和Nd:YAG键合交界处时,激光器具有最佳的输出特性。本研究结果对优化键合晶体设计、实现稳定的小型化全固态被动调Q激光器具有一定的参考意义。参考文献参考文献:1Tsunekane M,Inohara T,Ando A,et al.High peak power,passively Q-switched microlaser for ignition of engines J.IEEE Journal of Quantum Electronics,2010,46(2):277-284.2Pavel N,Tsunekane M,Kanehara K,et al.Composite all-ceramics,passively Q-switched Nd:YAG/Cr4+:YAG monolithic micro-laser with two-beam output for multi-point ignition C.IEEE Conference on Laser Science to Photonic Applications.Baltimore,USA,IEEE,2011.3Ma Y F,He Y,Yu X,et al.Multiple-beam,pulse-burst,passively Q-switched ceramic Nd:YAG laser under micro-lens array pumping J.Optics Express,2015,23(19):24955-24961.4Zayhowski J J.Compact solid-state sources and their applications C.SPIE Conference on Solid State Laser Technologies and Femtosecond Phenomena.London,UK,SPIE,2004.5Dong J,Ma J.Advances in passively Q-switched Yb3+-doped laser materials microchip solid-state lasers J.Chinese Journal of 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