LD泵浦Nd:YVO4/Cr4+:YAG被动调Q激光器性能实验研究

刘彦明，翁润民，刘向辉

(北部战区72537部队，山东 济南 250014)

LD泵浦Nd:YVO4/Cr4+:YAG被动调Q激光器性能实验研究

刘彦明，翁润民*，刘向辉

(北部战区72537部队，山东 济南 250014)

采用7.5 cm的直腔，对LD泵浦的Nd:YVO4/Cr4+:YAG被动调Q激光器的脉冲性能进行了相关实验研究。采用两块不同透过率的输出镜和两块不同小信号透过率的Cr4+:YAG晶体，分别研究了调Q脉冲的平均输出功率、脉冲宽度、重复频率、单脉冲能量以及峰值功率随泵浦功率的变化关系。在泵浦功率达到13.3 W时，采用6.5%的输出镜和小信号透过率为60%的Cr4+:YAG晶体得到了最短脉宽为15 ns且具有高稳定性和可靠性的调Q脉冲输出，其相应的峰值功率可达到3.04 kW，适用于军事国防领域。

Nd:YVO4晶体；Cr4+:YAG晶体；被动调Q

1 研究方法

半导体激光二极管(LD)泵浦的被动调Q固体激光器由于其体积小、结构简单紧凑以及成本低等优点，在许多领域得到了广泛的应用，引起了人们的极大关注[1-3]。在军事领域，利用调Q技术实现巨脉冲激光输出广泛应用于激光测距、激光雷达和激光目标照明指示 和激光有源干扰/致眩等方面[4-6]。被动调Q技术主要是利用非线性饱和吸收介质在强激光作用下由于吸收饱和而呈现透明的特性实现调Q，被动调Q开关(可饱和吸收体)是被激光辐射自身启动的，不需要高压、快速电光驱动器或射频调制器等装置，具有设计简单、结构紧凑、无高压或电磁干扰、可靠性好以及成本低等显著优点。目前，用于1.06 μm被动调Q激光器的较为成熟的饱和吸收体主要有Cr4+:YAG晶体、GaAS芯片以及半导体可饱和吸收镜 (SESAM)[7]，但近年来，许多新型的可饱和吸收体材料也相继出现并广泛应用于被动调Q激光器。2013年，拓扑绝缘体Bi2Se3作为可饱和吸收体被成功应用于 1.06 μm被动调Q光纤激光器[8]，得到了最短脉宽为1.95 μs，脉冲能量为17.9 nJ的调Q脉冲。在此之前，碳纳米管(CNT)[9]、石墨烯[10]和MoS2[11]等二维纳米材料作为调Q可饱和吸收体已经得到广泛研究并取得了较好的实验结果，但是新型材料的生长技术及长时间工作下的稳定性并不成熟，因此在军事用固体激光器中难以实现长期稳定的调Q脉冲输出。

在这些常用的可饱和吸收体中，掺四价铬的钇铝石榴石晶体(Cr4+:YAG)是一种重要的被动调Q材料[12-13]，具有光化学性质稳定、热导性好、饱和光强低、损伤阈值高、防潮、耐腐蚀及无退化等优点，符合军事应用中对可靠性的要求。而且还具有较大的基态吸收截面和较长的基态恢复时间，在调Q过程中容易实现漂白，适合于高重频、大能量激光输出场合，满足军用激光系统对作用距离和数据率日益增长的需求，在军事领域受到了青睐。

在1.06 μm波段，Cr4+:YAG晶体已经被广泛应用于被动调Q固体激光器中[14-15]。为了提高调Q脉冲的输出特性，除了选择合适的饱和吸收体外，激光工作物质的选择也非常重要。近年来，掺钕离子的钇铝石榴石(YAG)和矾酸盐晶体在固体激光器领域应用广泛。与Nd:YAG晶体相比，Nd:YVO4晶体具有更大的吸收系数和受激发射截面以及大的吸收带宽，可以允许掺入更多的Nd3+离子而不发生浓度碎灭效应，特别适合作为半导体泵浦固体激光器的增益介质[12]。由于Nd:YVO4晶体具有卓越的光学、机械和热稳定等特性，近年来被广泛应用于军事激光系统。目前，国内外关于LD泵浦的Nd:YVO4/Cr4+:YAG被动调Q激光器的相关研究已有报道，但其脉冲输出特性如脉冲宽度、重复频率、单脉冲能量和峰值功率等，有待进一步提高，在军事系统方面的应用情况还有待进一步分析。

本文采用一个简单的直腔结构，研究了LD端面泵浦Nd:YVO4/Cr4+:YAG被动调Q激光器的输出特性，实验中采用了两个小信号透过率(T0)分别为60%和80%的Cr4+:YAG晶体和透过率(T)分别为6.5%和15%的输出镜。通过实验，获得了在不同的小信号透过率和输出镜透过率情况下调Q脉冲的输出功率、脉冲宽度以及重复频率和峰值功率随泵浦功率的变化曲线。通过示波器截图，可以发现输出的调Q脉冲稳定性较高。当输入泵浦功率达到13.3 W时，小信号透过率为60%，输出镜透过率为6.5%的谐振腔可输出最短调Q脉冲宽度为15 ns，重复频率为23 kHz，脉冲能量为45.6 μJ，最终获得的相应的峰值功率高达3.04 kW。该Nd:YVO4/Cr4+:YAG被动调Q激光器得到调Q脉冲的相关性能优于之前的研究结果，且具有更窄的脉宽和更高的峰值功率，更有利于军事系统相关性能的优化。

2 实验装置介绍

图1所示为激光二极管端面泵浦的Nd:YVO4/Cr4+:YAG被动调Q激光器的实验装置，谐振腔长为7.5 cm。泵浦源激光器选用带光纤耦合的半导体激光器(FAP-I system Coherent Ino. USA)，光纤芯径为400 μm，数值孔径NA为0.22，耦合系统传输比为1∶1，经聚焦后泵浦光光斑半径为200 μm，该泵浦源中心波长为808 nm，最大输出功率为30 W。腔镜M1是曲率半径为150 mm的凹面镜，作为谐振腔的输入镜，一端镀808 nm增透膜，另一端镀808 nm高透、1 064 nm高反的双色介质膜。平面镜M2为谐振腔的输出耦合镜，实验中共采用了两片对1 064 nm激光的透过率分别为6.5%和15%的输出镜。激光工作物质为4 mm×4 mm×5 mm、掺杂摩尔分数为1.0 %、沿a方向切割的Nd:YVO4晶体，晶体一端镀808 nm和1 064 nm增透膜，另一端镀1 064 nm高透膜，以减少谐振腔的损耗。晶体用铟箔包裹并置于紫铜块中，采用水循环方式进行冷却，温度控制在17 ℃。实验中分别采用两块小信号透过率分别为60%和80%的Cr4+:YAG晶体作为饱和吸收体对激光器进行Q调制。饱和吸收体的位置尽量靠近输出镜放置，并测得其上的光斑半径大约为265 μm。激光输出功率采用LPE-1B型激光功率计测量，用一台Tektronix公司生产的线宽为1 GHz，采样率为20 G sample/s的数字示波器和上升时间为0.4 ns的快光电二极管探测器来测量脉宽和记录脉冲波形。

图1 二极管泵浦Nd:YVO4/Cr4+:YAG被动调Q激光器实验装置Fig.1 Schematic diagram of diode pumped passively Q-switched Nd:YVO4/Cr4+:YAG laser

3 实验结果和应用分析

首先，将两块小信号透过率分别为60%和80%的Cr4+:YAG晶体与透过率分别为6.5%和15%的输出镜进行组合，得到了不同情况下激光器的平均输出功率，如图2所示。从图2可以看出，采用透过率为6.5%和15%的平面镜作为耦合输出镜，相应的连续光平均输出功率均随泵浦功率的增加而线性增长。在13.3 W泵浦功率下，运用T=6.5%的输出镜得到的最高输出功率为5.13 W。而输出透过率为15%时，得到的光转换效率有所降低。对于调Q运转状态，4种组合下激光器的阈值泵浦功率均小于1.5 W。从图中可以看到，被动调Q激光器的平均输出功率同样地随着泵浦功率的增大而线性地增大。当T0不变时，采用T=15%的输出镜获得的平均输出功率高于T=6.5%的输出镜，这个结果与连续光运转时恰好相反。由于在整个实验过程中没有对Cr4+:YAG晶体采取冷却措施，且为了验证激光器的稳定性，通常是调Q激光器运行一段时间后测量，所以把这种情况的逆转归结于由Cr4+:YAG晶体的热效应引起的。而对于相同的T，T0=60%的Cr4+:YAG晶体得到的输出功率远小于T0=80%的Cr4+:YAG晶体。分析图中所示的结果，可以看到Cr4+:YAG晶体的小信号透过率的变化对输出功率的影响较大。在实验测量范围内，没有发现晶体饱和现象，表明激光器没有受到晶体热效应影响。

图2 连续运转状态及调Q运转状态下平均输出功率随泵浦功率的变化Fig.2 Variation of average output powers with pump powers in CW and Q-switched status

利用示波器对调Q脉冲图像进行监测，不同输出镜透过率及小信号透过率组合下，激光器的脉冲宽度随泵浦功率的变化关系如图3所示。从图中可以看出，随着泵浦功率的增大，调Q脉冲的脉宽在不断地变窄。这是由于泵浦功率增加使腔内净增益系数变大，腔内光子数的增长及反转粒子数的衰减更加迅速，所以脉冲的建立及熄灭过程就更短，使得脉冲变窄。另外，发现在泵浦功率较低时，小信号透过率相同的情况下，输出镜透过率为6.5%的激光器产生的脉冲宽度较小。当泵浦功率达到13.3 W时，两种输出镜透过率产生的脉宽非常接近。脉冲宽度还随着小信号透过率的减小而减小，相对于输出镜透过率，Cr4+:YAG晶体对调Q脉冲宽度的影响更加明显。

图4为在不同输出镜透过率及小信号透过率下输出调Q脉冲重复频率随泵浦功率的变化曲线，同样采用T=6.5%和15%的两种耦合输出镜。随着泵浦功率的增大，脉冲的重复频率也逐渐增大。这是因为激光工作物质上能级反转粒子数密度会随着泵浦功率的增加而增加，激光腔内的净增益系数也会随之变大，使得增益达到调Q阈值的时间变短，可饱和吸收体漂白的时间间隔也会相应地缩小，从而缩短了调Q周期，使得脉冲重复频率增大。从图中还可以看出，在同样的泵浦功率变化范围内，T0=60%的可饱和吸收体产生的脉冲重复频率变化范围较小且相对比较稳定。当小信号透过率固定时，两种不同的输出镜产生的重复频率基本相等，T=15%的输出镜产生的重复频率略小于T=6.5%的结果。

图3 不同输出镜透过率及小信号透过率下调Q脉冲宽度随泵浦功率的变化曲线Fig.3 Variation of Q-switched pulse width with incident pump power for different T and T0

图4 不同输出镜透过率及小信号透过率下调Q脉冲重复频率随泵浦功率的变化曲线Fig.4 Variation of Q-switched pulse frequency with pump power for different T andT0

根据图2和图4所示的脉冲平均输出功率和重复频率，可以估算得到调Q脉冲的单脉冲能量，估算结果如图5a所示。从图中可以看出，几种组合下单脉冲能量均随着泵浦功率的增大而增大。采用T=6.5%的输出镜，在泵浦功率小于12 W时，T0=80%的可饱和吸收体产生的单脉冲能量高于T0=60%的可饱和吸收体；但泵浦功率超过12 W之后，由于T0=80%的可饱和吸收体产生的重复频率增长较快，使得单脉冲能量低于T0=60%。更换T=15%的输出镜，可以发现，获得的单脉冲能量均大于T=6.5%时的能量值。由计算得到的单脉冲能量和图3所示的脉冲宽度，可以估算出调Q脉冲的峰值功率，如图5b所示。从图中可以看到，由于T0=60%的可饱和吸收体产生的脉冲宽度远小于T0=80%的可饱和吸收体，所以T0=60%的可饱和吸收体产生的脉冲峰值功率更大，且随着泵浦功率的增大，增幅也越来越大。表1列出的是泵浦功率达到13.3 W时，不同的输出镜透过率及小信号透过率组合下产生的脉冲特性的对比结果。

表1 不同组合下调Q脉冲特性的结果对比(泵浦功率为13.3 W)

图5 调Q单脉冲能量及峰值功率随泵浦功率的变化曲线Fig.5Variation of Q-switched single-pulse energy and peak power with pump power

图6所示为泵浦功率13.3 W、T=6.5%且T0=60%时Nd:YVO4/Cr4+:YAG被动调Q激光器输出的最短脉宽的单脉冲图像(a)以及脉冲序列图像(b)。从图6a可以看出Cr4+:YAG作为饱和吸收体进行被动调Q时，产生的脉冲具有前沿陡而后沿缓的特点，这是因为使用Cr4+:YAG作为饱和吸收体时，在调Q脉冲形成的初始阶段腔内激光强度快速增大，随后激光强度又按指数规律慢慢衰减[16]。从图6b所示的脉冲序列图可以看到，Cr4+:YAG作为可饱和吸收体进行被动调Q时获得的调Q脉冲的振幅波动性较小，说明此Nd:YVO4/Cr4+:YAG被动调Q激光器具有非常高的振幅稳定性。

图6 泵浦功率为13.3 W时激光器在T=6.5%且T0=60%情况下输出的单脉冲图像和脉冲序列图像Fig.6 The shortest Q-switched pulse image and Q-switched pulse train image for pump power of 13.3W at T=6.5% and T0=60%

在现代军事领域，被动调Q激光技术主要适合于激光测距、光电对抗、激光雷达和激光引信等多种军事系统，而激光器的高峰值功率、小型化已成为当前研究的主要方向。本文介绍的Nd:YVO4/Cr4+:YAG被动调Q激光器在军事领域的主要优势[17]为：(1)相对于其他的可饱和吸收体，Cr4+:YAG晶体具有良好的可饱和吸收特性，其饱和吸收光谱范围为0.9～1.2 μm，尤其是对1 μm附近的光吸收截面较大，能够产生非常稳定的调Q现象；(2)Nd:YVO4晶体作为激光工作物质，具有良好的光学和物理特性，在长时间工作下晶体性能的稳定性较高，满足军事激光系统对于固体激光增益介质的要求；(3)Cr4+:YAG晶体可以获得较高的掺杂浓度，作为调Q开关器件，其尺寸可以做得非常小，大大减小了激光器的整体体积，在航空高分辨雷达装备中也有着重要的应用；(4)本文介绍的Nd:YVO4/Cr4+:YAG被动调Q激光器腔长较短，且能够获得较短的调Q脉冲和高的峰值功率，这些性能对于提高激光测距仪的精确度具有重要的意义；(5)Nd:YVO4/Cr4+:YAG被动调Q激光器具有稳定的物化性能和高的激光损伤阈值，且能够抗电磁干扰，对调试也无高要求，适合于长时间稳定工作，满足军事应用领域对稳定性的高要求。

当然，Nd:YVO4/Cr4+:YAG被动调Q激光器在应用方面也具有一些有待克服的缺点。该激光器对于重复频率的稳定性和可控性较差，这使得频率精度较差，从而无法应用于激光目标指示等方面；另外在军用激光器中，为了克服环境的影响，对于激光器的输出效率要求较高，而该激光器由于Cr4+:YAG晶体对于能量的吸收作用，使得其输出效率较之电光或声光调Q激光器要低，有待于进一步提高。

4 结语

本文研究了激光二极管泵浦的Nd:YVO4/Cr4+:YAG被动调Q激光器的输出特性，采用短直腔和透过率6.5%的平面输出镜和小信号透过率为60%的Cr4+:YAG晶体作为可饱和吸收体，在泵浦功率为13.3W时得到了脉宽最短为15 ns的调Q巨脉冲，其单脉冲能量达到45.6 μJ，相应的峰值功率高达3.04 kW。此激光器具有非常高的振幅稳定性和可靠性，且具有尺寸小、重量轻、成本低、抗电磁干扰以及对调试无高要求等优点，非常适合用于激光武器，在军事国防领域有着非常广泛的应用前景。

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Performance experiment of LD-pumped passively Q-switched Nd:YVO4/Cr4+:YAG laser

LIU Yan-ming, WENG Run-min*, LIU Xiang-hui

(No. 72537 Troop, The Northern War Zone, Jinan 250014, China)

∶We investigated the pulse performance of a LD-pumped passively Q-switched Nd:YVO4/Cr4+:YAG laser with a 7.5 cm straight cavity. We employed two output plane mirrors with different transmissions and two Cr4+:YAG crystals with different initial transmissions to research the variation of average output power, pulse width, pulse frequency, single-pulse energy and pulse peak power with pump power. High stability and reliability Q-switched pulse with the shortest pulse width of 15 ns was obtained atT=6.5% andT0=60% when pump power was 13.3 W. Its corresponding peak power can reach 3.04 kW, so it has very broad application prospect in military defense.

∶ Nd:YVO4crystal; Cr4+; YAG crystal; passively Q-switched

10.3976/j.issn.1002-4026.2016.06.018

2015-11-20

刘彦明(1977—)，男，工程师，研究方向为光电技术。

＊通信作者，翁润民(1987—)，男，助理工程师，研究方向为光电技术。E-mail:wengrmjn@163.com

TN248.3

A

1002-4026(2016)06-111-06