小型化亚纳秒YAG_Nd_...(4+)_YAG微片激光器_孙晓晖.pdf

收稿日期：2022-08-29基金项目：国家自然科学基金（61975095）第37卷第6期2022年12月光电技术应用ELECTRO-OPTIC TECHNOLOGYAPPLICATIONVol.37，No.6December，2022大能量亚纳秒激光在激光加工1、激光测距2、激光雷达3、生物医疗4、激光点火5、光电对抗6、非线性频率变换7、拉曼光谱检测8等领域具有非常重要的应用。把增益介质和可饱和吸收体键合在一起，通过在晶体两端镀膜形成激光谐振腔构成微片激光器，可有效缩短腔内光子寿命，获得短脉宽激光输出，且光束质量好、亮度高。相比于连续泵浦，脉冲泵浦可极大缓解晶体的热效应，提高脉冲输出能量、光束质量和脉冲稳定性，因此利用脉冲LD泵浦被动调Q微片激光器成为当前获得小型化、大能量（mJ量级）、亚纳秒激光光源最有效的技术途径之一。在激光加工、光导开关激发和激光点火等特殊应用场景，亚纳秒激光器首脉冲建立时间和脉冲数目对提高加工效率和精度9、精确光导开关加压时间匹配度10、增大内燃机点火成功率和燃烧效率11具有重要意义。从被动调 Q 速率方程出发，结合脉冲LD工作特性，推导了脉冲LD泵浦被动调Q微片激光器首脉冲建立时间和多脉冲间隔时间关系式，并数值求解和分析了LD泵浦能量、泵浦脉宽等参数对输出激光脉冲宽度和数目的影响规律。激光技术 小型化亚纳秒YAG/Nd:YAG/Cr4+:YAG微片激光器孙晓晖，宋海鹏，叶帅，聂鸿坤，何京良，张百涛*（山东大学新一代半导体材料研究院，山东大学晶体材料国家重点实验室，济南）摘要：脉冲半导体激光（LD）泵浦被动调Q微片激光器是产生小型化、大能量（mJ量级）、亚纳秒激光脉冲的主要技术途径。基于速率方程理论推导了脉冲LD泵浦被动调Q微片激光器首脉冲建立时间及多脉冲间隔时间方程，数值求解并分析了泵浦功率、泵浦脉宽等参数对亚纳秒激光输出脉冲数目的影响规律，在此基础上搭建了脉冲LD端面泵浦YAG/Nd:YAG/Cr4+:YAG微片激光器，实现了单脉冲能量1.2 mJ、脉冲宽度574 ps、峰值功率2.1 MW，光束质量因子M2=1.21的1 064 nm近衍射极限亚纳秒脉冲激光输出。关键词：微片激光器；YAG/Nd:YAG/Cr4+:YAG晶体；被动调Q；速率方程中图分类号：TN248文献标识码：A：1673-1255（2022）-06-0038-07Miniatured Sub-nanosecond YAG/Nd:YAG/Cr4+:YAG Microchip LaserSUN Xiaohui,SONG Haipeng,YE Shuai,NIE Hongkun,HE Jingliang,ZHANG Baitao*(Institute of Novel Semiconductors,State Key Laboratory of Crystal Materials,Shandong University,Jinan,China)Abstract:Pulsed laser diode(LD)pumped passively Q-switched microchip laser is the most effective technique for miniatured large energy sub-nanosecond laser pulse generation.Here,the first pulse established time,time interval of the multi pulse,as well as the influence of the pump energy and pulse width on the output laserpulse number of the pulsed LD pumped passively Q-switched microchip laser are analyzed based on the rate equation theory.And YAG/Nd:YAG/Cr4+:YAG microchip laser pumped by a pulsed LD is established on this basis,inwhich the near-diffraction limit sub-nanosecond pulse laser at1 064 nmis demonstrated with the single pulse energyof 1.2 mJ,the pulse width of 574 ps,the peak power of 2.1 MW,and the beam quality factor of M2=1.21.Key words:microchip laser;YAG/Nd:YAG/Cr4+:YAG crystal;passive Q-switching;rate equation文章编号第6期孙晓晖等：小型化亚纳秒YAG/Nd:YAG/Cr4+:YAG微片激光器1脉冲泵浦被动调Q微片激光器的理论模型基于被动调Q理论，分析了LD脉冲泵浦YAG/Nd:YAG/Cr4+:YAG微片激光器的泵浦功率、泵浦脉宽对调Q脉冲的产生速率、首脉冲建立时间以及多脉冲序列时间间隔的影响，被动调Q速率方程组如下12ddt=tr2Nl1-2gNgl2-2eNel2-ln(1 R)-L（1）dNdt=wp-cN-N（2）dNgdt=-gcNg+()Ns-Ngs（3）Ns=Ng+Ne（4）式中，为激光腔中光子数密度；tr=lc/c为光子在腔内往返一次的时间；lc为光学谐振腔的等效光程长度lc=n1(l1+l3)+n2l2；n1为 YAG/Nd:YAG 的折射率；n2为Cr4+:YAG的折射率；l1、l2、l3分别为Nd:YAG、Cr4+:YAG、YAG晶体的长度；c为真空中的光速；为Nd:YAG晶体的受激发射截面；N为反转粒子数密度；g为Cr4+:YAG晶体的基态吸收截面；Ng为其基态粒子数密度；e和Ne分别为其激发态吸收截面和激发态粒子数密度；R为输出镜反射率；L为激光器往返非饱和光损耗；wp为泵浦速率；为反转因子；为Nd:YAG晶体的上能级荧光寿命；s是 Cr4+:YAG 晶体的饱和恢复时间；Ns为Cr4+:YAG晶体的总粒子数密度。多脉冲激光输出序列特征与腔内可饱和吸收体被漂白速率密切相关，而漂白速率除与饱和吸收体自身特性（小信号透过率、饱和透过率等）有关外，受泵浦速率的影响较大，在忽略泵浦光高斯分布的情况下，泵浦速率wp可表示为13wp=Pin1-exp()-l1hvpAl1（5）式中，wp为泵浦速率；Pin为泵浦功率；hvp为泵浦光子能量；A为泵浦光束截面积；为增益介质吸收系数；假设泵浦脉冲为平顶脉冲，Pin=Ein/Tpump，Ein为泵浦能量；Tpump为泵浦脉宽。由式（5）可知，泵浦速率wp与泵浦功率Pin成正比，与泵浦光束截面积A和泵浦光子能量hvp成反比。在脉冲泵浦初期，光开关处于关闭状态，增益介质处于储能阶段，储能大小与反转粒子数密度有关，由式（2）可得反转粒子数密度为dNdt=wp-N（6）在Q开关运转中，反转粒子数密度随时间t的变化关系可表示为14N(t)=N-(N-Nf)exp-t（7）式中，N为当t时反转粒子数密度的渐进值；Nf为剩余反转粒子数密度。在储能平衡阶段，腔内反转粒子数密度达到恒定值，即dN/dt=0，可由式（6）得N=wp（8）首脉冲的反转粒子数密度从0开始积累，此时Nf=0，将式（8）代入式（7）可得腔内反转粒子数密度随时间变化，有下式N(t)=wp1-exp()-t（9）在激光脉冲建立初期，谐振腔内光子数密度近似为零，即d/dt=0；此时可饱和吸收体的粒子数处于基态，即NsNg。故由式（1）可得谐振腔内初始反转粒子数密度N0为N0=In(1 T02)+ln(1 R)+L2l（10）其中，可饱和吸收体 Cr4+:YAG 的初始透过率 T0=exp（-gNgl2）。由上式可知，激光谐振腔的参数确定后，初始反转粒子数密度N0随之确定，当反转粒子数密度N积累到N0时，在脉冲泵浦下，首根脉冲建立时间t1可由式（10）代入式（9）得出下式t1=()-ln1-ln()1 T02+ln()1 R+L2l1wp（11）由式（11）可知，首激光脉冲建立时间t1与泵浦速率有关。由式（1）可得，激光器腔内光子数密度随时间t的变化为(t)=1lcN0-N-Nthln()N0N（12）式中，Nth为阈值反转粒子数密度15；Nth=2elsNs+In（1/R）+L/2l。在首脉冲结束时，增益介质中的反转粒子密度不会降到零，仍然有部分粒子处于反转状态，剩余反转粒子数密度Nf可由式（13）确定N0-Nf=Nthln()N0Nf（13）激光器输出脉冲的脉宽tp表达式为39光电技术应用第37卷2.01.51.00.50.0Population inversion density（1025m-3）Population inversion densityPhoton density43210Photon density（1024m-3）0100200300400Pump time/s（c）Ein=25 mJ2.01.51.00.50.0Population inversion density（1025m-3）0100200300400Pump time/s43210Photon density（1024m-3）Population inversion densityPhoton density（d）Ein=34 mJ1.51.00.50.001002003004003210Population inversion density（1025m-3）Photon density（1024m-3）Population inversion densityPhoton densityPump time/s2.01.51.00.50.0Population inversion density（1025m-3）Population inversion densityPhoton density43210Photon density（1024m-3）366.591 0366.591 5 366.592 0Pump time/s（a）Ein=16 mJ（b）Ein=16 mJ下，扩大时间标度时，Q开关脉冲的形成过程tp=lcln(N0Nf)cl1N0-Nf-Nthln(N0Nth)（14）反转粒子数密度会从Nf开始重新积累，多脉冲之间的时间间隔为td，td表达式可以表示为td=()-ln 1-Nthln()N0Nfwp-Nf（15）理论模拟中使用的 YAG/Nd:YAG/Cr4+:YAG 微片激光器参数如表1所示。将表1中各项参数代入优化的被动调Q速率方程组中，可数值求解不同泵浦脉宽和泵浦功率的条件下，YAG/Nd:YAG/Cr4+:YAG微片激光器的多脉冲输出特性。当腔内振荡光斑半径为340m、泵浦脉宽450 s、泵浦重频100 Hz时数值求解模拟了不同泵浦能量下腔内光子数密度与反转粒子数密度随时间的变化规律，计算结果如图1所示。当泵浦功率分别为16 mJ、25 mJ、34 mJ时，得到首脉冲建立时间t1分别为366.6 s、198.4 s、133.4 s，脉冲的间隔时间td为359.2 s、191.4 s、129.4 s。随着泵浦能量的增加，首脉冲建立时间和脉冲间隔时间逐渐缩短，这主要由于泵浦速率的增大使增益介质的反转粒子数密度与腔内光子数密度增加，光强变强，缩短了激光脉冲输出的时间间隔，增大了激光脉冲的重复频率。设定泵浦能量 Ein=34 mJ 不变，改变泵浦脉宽Tpump，数值求解速率方程得到反转粒子数密度以及光子数密度随时间变化如图2所示。泵浦脉宽200 s，300 s，450 s下，首脉冲建立时间t1=133.4 s和脉冲间的间隔时间td=129.4 s几乎保持不变，因此在泵浦能量一定条件下，调节泵浦脉宽能够控制输出脉冲的数目，并获得首脉冲建立时间可控的单脉冲亚纳秒激光输出。参数:cm2g:cm2e:cm2h:Jhp:Jn1n2c:m/sN0:cm2数值2.810-19164.310-18178.210-19171.8710-19182.4610-19181.821.801.031081.521026参数s:sg:sa:cm-1T0RLl1:mml2:mml3:mmA:mm2数值230163.41671840%60%0.152.120.363图1 不同泵浦能量下，增益介质反转粒子数密度与腔内光子数密度随时间变化曲线表1 理论模拟中使用的YAG/Nd:YAG/Cr4+:YAG微片激光器参数40第6期2被动调Q微片激光实验2.1实验装置小型化亚纳秒YAG/Nd:YAG/Cr4+:YAG激光器实验装置如图3所示。泵浦源为连续输出功率100 W的808 nm光纤耦合LD，光纤纤芯为200m，采用准连续泵浦方式，泵浦源重频 11 000 Hz可调，泵浦光经聚焦耦合装置耦合到激光晶体内部，晶体处泵浦光斑半径为340m。降低饱和吸收体的小信号透过率及缩短腔长可获得大能量亚纳秒激光脉冲。实验中采用YAG/Nd:YAG/Cr4+:YAG 键合晶体，尺寸为 339.1 mm3，其中YAG长度为2 mm，Nd:YAG长度为5 mm，Nd3+离子掺杂浓度为 1%，Cr4+:YAG 长度为 2.1 mm，小信号透过率 T0=40%。键合晶体的 YAG 端面镀有1 064 nm高反膜、808 nm高透膜，Cr4+:YAG端面镀有1 064 nm部分反射膜，反射率60%，其两端镀膜构成激光谐振腔。晶体侧面由铟箔包裹，固定在水冷紫铜热沉中，水冷温度设定为23。2.2实验结果与分析在泵浦重频 100 Hz、泵浦脉宽 450s时，增加LD单次泵浦能量，单次泵浦时间内将出现多脉冲序列输出的现象，使用示波器测得的脉冲序列变化如图4所示。从图中可以看出，总激光输出能量随着泵浦能量的增加呈现台阶式增长，当泵浦光能量大于20 mJ小于25 mJ时只输出一个调Q脉冲输出，如图4（a）和图4（b）所示。这是因为单个调Q激光脉冲能量一定，在下一个调 Q 脉冲激光输出产生之前，输出总能量不变，随着泵浦能量的增加，增益介质反转粒子数和腔内光强增加，脉冲间的时间间隔会减小；当泵浦能量达到25 mJ以上时，反转粒子数密度增加到阈值，在一个泵浦脉冲内将产生第二个脉冲，输出激光总能量上升一个台阶，激光器会产生稳定的双脉冲输出，当泵浦光能量达到31 mJ时，激光器单次泵浦时间内产生三个脉冲。图4（c）给出了继续升高泵浦能量得到理论和实验得到的首脉冲建立时间t1以及多脉冲间隔时间td随泵浦能量的变化曲线。从中可以看出t1td，这是由于首个调Q脉冲的反转粒子数从0开始积累，而第二个脉冲增益介质反转粒子数密度从Nf开始积累，一定时间后，达到阈值反转粒子数Nth，第二个脉冲达到阈值所需的时间相较于首脉冲所需的时间更短。由图4（c）可以看出，理论模拟值与实际实验值的变化趋势基本保持一致，但两者之间在数值上存在偏差，这与泵浦光聚焦光斑能量分布为高斯分布有关，也与腔内损耗、激光模体积的不确定性有关。为研究泵浦脉宽对输出激光脉冲参数的影响，实验设定泵浦重频100 Hz、泵浦能量33 mJ，改变泵Population inversion densityPhoton densityPopulation inversion density（1025m-3）0100200Pump time/s420Photon density（1024m-3）210Population inversion densityPhoton densityPopulation inversion density（1025m-3）0100200300Pump time/s420Photon density（1024m-3）210Population inversion densityPhoton densityPopulation inversion density（1025m-3）0100 200 300 400Pump time/s420Photon density（1024m-3）210（a）Tpump=200 s（b）Tpump=300 s（c）Tpump=450 s图2 在不同泵浦脉宽下增益介质反转粒子数密度与腔内光子数密度随时间变化曲线808 nm100 W PumpFocusing Optics S1YAG Nd:YAG Cr4+:YAG S21 064 nmLaser output图3 小型化亚纳秒YAG/Nd:YAG/Cr4+:YAG激光装置示意图孙晓晖等：小型化亚纳秒YAG/Nd:YAG/Cr4+:YAG微片激光器41光电技术应用第37卷2015105Conversion efficiency/（%）Conversion efficiencyTotal output pulse energy86420Total output pulse energy/mJ18273645Pump pulse energy/mJ（a）激光总输出能量和光光转化率随泵浦能量的变化0200400600Intensity/（a.u.）Time/sPump energy20 mJ27 mJ33 mJ（b）脉冲序列随泵浦能量的变化Pump energy200 s300 s450 s0200400600Time/sIntensity/（a.u.）（d）延长泵浦脉宽后得到的多脉冲激光脉冲序列20016012080Time/sPump pulse energy/mJ253035404550t1in simulationtdin simulationt1in experimenttdin experiment（c）激光首脉冲建立时间与多脉冲间隔时间随泵浦能量的变化图4 被动调Q激光输出结果在低重频准连续泵浦实验中，低占空比有利于被动调Q激光器的稳定运转。当泵浦源参数重频100 Hz、占空比2%（脉宽200s）、能量33 mJ时，采用Tektronix公司带宽为4 GHz的MSO 70404C型数字示波器连接 Thorlabs 公司的 DET025A/M 型光电探测器接收脉冲激光信号，测得激光单脉冲波形如图5（a）所示，调Q激光脉宽tp=574 ps。使用能量计测得激光单脉冲能量为 1.2 mJ，峰值功率为2.1 MW。采用 M2光束质量分析仪（NanoScan byPHOTOH，Inc.）测量了输出激光的光束质量及光斑能量分布情况，结果如图5（b）所示，M2=1.21，光束呈现良好的基横模分布。采用 Thorlabs PM100D型功率计对激光输出功率进行测量，每 2 s 取一个数据，2 h 内测得 3 600个数据点，激光功率与时间的变化关系如图 5（c）所示，不稳定性均方根（RMS）为1.08%，激光能量随时间变化波动性较小，激光器具有较好的功率稳定性。浦脉宽得到脉冲的变化如图4（d）所示。当泵浦脉宽200s时，只输出一个调Q脉冲，延长泵浦脉宽至300s，得到双脉冲输出，脉冲间的时间间隔与首脉冲建立时间基本不变。在相同的泵浦能量下，改变泵浦脉宽使可饱和吸收体在产生一个脉冲之后，重新积累一定时间直到达到阈值反转粒子数，产生第二个调Q脉冲输出。该实验结果与理论模拟基本一致。根据理论模拟和实验分析可知，为获得稳定的脉冲建立时间可控的激光单脉冲输出，可通过降低泵浦能量或缩小泵浦时间的方式实现。0.150.100.050.00Intensity/（a.u.）574 ps-4-2024Time/ns（a）调Q激光脉冲的脉宽42第6期3结论首先通过理论模拟得到了脉冲激光泵浦YAG/Nd:YAG/Cr4+:YAG调Q微片激光器的首脉冲建立时间以及多脉冲间隔时间的解析表达式，通过数值求解分析了泵浦功率与泵浦脉宽对激光输出性能的影响。实验通过脉冲 LD 端面泵浦 YAG/Nd:YAG/Cr4+:YAG键合晶体对理论模拟结果进行了验证，泵浦能量和泵浦脉宽对调Q激光输出结果的影响与理论模拟结果基本一致，并在低占空比的泵浦条件下获得了单脉冲能量1.2 mJ、脉冲宽度574 ps、峰值功率2.1 MW，光束质量因子M2=1.21的1 064 nm近衍射极限调Q脉冲激光输出。参考文献1BRYGO F，DUTOUQUET C，GUERN F L，et al.La-ser fluence，repetition rate and pulse duration effects onpaint ablationJ.Applied Surface Science，2006，252（6）:2131-2138.2姜海娇，来建成，王春勇，等.激光雷达的测距特性及其测距精度研究J.中国激光，2011，38（5）:7.3罗远，贺岩，耿立明，等.基于光子计数技术的远程测距激光雷达J.中国激光，2016，43（5）:8.4俞顺星，朱晓芳.皮秒激光在色素性疾病中的应用J.中国麻风皮肤病杂志，2019（3）:189-192.5杨林，董俊.基于被动调Q固体激光器的激光点火系统的研究进展J.激光与光电子学进展，2015，52（3）:12.6刘照虹，樊榕，李宁，等.基于SBS的百皮秒激光在光电对抗中的应用前景（特邀）J.光电技术应用，2021，36（5）:8.7HAYASHISI，NAWATAK，SAKAIH，et al.High-power，single-longitudinal-mode terahertz-wave generationpumped by a microchip Nd:YAG laser InvitedJ.Op-tics Express，2012，20（3）:2881-2886.8FREEDMAN A，IANNARILLI F J，WORMHOUDT JC.Aluminum alloy analysis using microchip-laser in-duced breakdown spectroscopyJ.Spectrochimica ActaPart BAtomic Spectroscopy，2005，60（7-8）:1076-1082.9GONZALEZ J J，FERNANDEZ A，OROPEZA D，et 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radius/mm01020304050Relative distance/mmM2x=1.210M2y=1.209（b）单脉冲的光束质量以及光斑能量分布图0.150.100.050.00Average output power/mW0306090120Time/min图5 调Q脉冲激光输出结果（c）输出单脉冲条件下2 h的功率稳定性RMS=1.08%孙晓晖等：小型化亚纳秒YAG/Nd:YAG/Cr4+:YAG微片激光器43光电技术应用第37卷dependent stimulated emission cross section and concen-tration quenching in highly doped Nd3+:YAG crystalsJ.Physica Status Solidi，2010，202（13）:2565-2573.17 BURSHTEIN Z，BLAU P，KALISKY Y，et al.Excited-state absorption studies of Cr4+ions in several garnet hostcrystalsJ.IEEE Journal of Quantum Electronics，1998，34（2）：292-299.18 LICY，DONGJ.Pumpbeamwaist-dependentpulseener-gy generation in Nd:YAG/Cr4+:YAG passively Q-switchedmicrochip laserJ.Journal of Modern Optics，2016，63（14）:1-8.光电技术应用 编辑部征稿通知光电技术应用 期刊是中国电子科技集团公司主管，中国电子科技集团公司光电研究院主办，公开发行的学术性中文科技期刊。以光电技术为主要专业特色，传播光电技术、光电系统应用技术专业领域的先进科技信息，报道新型科技成果，推动工程技术交流，促进行业科技进步与发展。期刊已成为 中国核心期刊（遴选）数据库 收录期刊、中文科技期刊数据库 收录期刊、中国期刊全文数据库 全文收录期刊、中国学术期刊综合评价数据库 统计源期刊、美国 乌利希期刊指南 收录期刊。期刊的影响因子连续几年上升，20152022年连续入选 中国学术期刊影响因子年报 统计源期刊。本刊征集具有创新性的未曾公开发表过的最新研究成果。期刊所设栏目主要有：综述，光电系统，光学设计，红外技术，激光技术，光电探测，光电器件与材料，信号与信息处理，电路与控制，测试、试验与仿真等。来稿应内容新颖，论点明确，论据充分，数据可靠，文字精炼，用词规范。论文应含中文与英文的文章题目（20字以内）、作者姓名、作者所在单位的对外名称、单位所在省、市、邮政编码、摘要、关键词（38个）。期刊拥有优秀的编委会成员，审稿专家涉及光电技术的各个领域，审稿速度快、质量高；编辑人员具有较高的职业素质、反馈速度快；期刊版面设计合理、美观大方；印刷质量好，出刊及时。对于优秀论文可以减收或不收版面费。编辑部通信地址：天津市空港经济区纬五道9号300308联系电话：[phone]投稿邮箱：联系人：朱编辑 牛编辑 杨编辑光电技术应用 编辑部44