多波长半导体激光阵列端泵Nd∶YAG脉冲激光器

彭 超, 刘学胜*, 司汉英 , 董 剑, 曹明真, 刘友强, 王智勇

(1. 北京工业大学 激光工程研究院， 北京 100022；2. 中国电子科技集团第五十三研究所， 辽宁 锦州 121000)

1 引 言

激光二极管(Laser diode，LD)端面泵浦小体积高能量全固态激光器由于具备重量轻、结构紧凑、功耗低、输出能量大等优点，在激光雷达、激光测距、激光制导等领域具有广阔的应用前景。但是，激光二极管作为泵浦源，其发射波长随着工作温度的升高而发生红移，其变化量通常为0.2～0.4nm/℃，温漂将导致LD的发射谱线与Nd∶YAG的吸收谱线失配，增益介质的吸收系数降低，激光器的输出效率急剧的降低，一般会采取复杂的温控系统对激光器进行制冷[1-9]，温控系统增加系统的体积与功耗，不能满足无人驾驶、激光测距、激光雷达等特殊应用对激光器的小型化的要求。因此，拓展激光器稳定工作的温度范围，精简激光器的温控散热系统，已成为小型化全固态激光器设计与工程化的关键问题。

多波长LD泵浦技术的原理是通过拓展LD的谱线数量，使得在宽温度范围内，总有泵浦光能被工作物质吸收，该系统有利于降低温控系统的压力，减小激光器的体积与功耗，同时保证激光器的高能量输出。至今为止，国内外关于多波长LD泵浦全固态激光器的研究还很少见。2007年，美国海军夜视与电子传感指挥部的Lew Goldberg等首次采用360mJ的3-λ半导体堆栈通过透镜导管耦合系统泵浦端面口径5mm×5mm×20mm的Nd∶YAG晶体得到输出能量50mJ的1064nm激光输出，脉宽为25～30ns[10]。2013年，长春理工大学孙建楠等采用在工作温度分别为23，24，25，26，27℃时中心波长为808.3nm的5-λ半导体堆栈侧面泵浦长度为22mm的Nd∶YAG晶体，在重频20Hz、温控精度1.5℃的条件下，得到了74mJ能量的激光输出，工作环境温度为-40～50℃[11]，该实验虽然采用了多波长LD作为泵浦源得到了高能量的激光输出，但是未对免温控下的激光器的输出特性进行实验。2016年，武汉军械士官学校的刘旭等以LD的光谱特性、温漂特性与Nd∶YAG晶体的吸收特性为基础，提出了一种激光器免温控泵浦源的多波长选择理论，为宽温度范围激光器免温控工作提供了新思路[12-15]。

本文设计了一款4-λ多波长激光二极管阵列(Laser diode array，LDA)端面泵浦φ6mm×60mm的Nd∶YAG晶体的电光调Q激光器，未对激光器采取任何温控措施，在LDA泵浦能量676mJ、重复频率10Hz、环境温度25℃的条件下，最高输出能量为74.4mJ，脉宽为15ns，光光转换效率为11%。

2 实验装置

2.1 多波长泵浦方案

本文所选用的泵浦源为4-λ的准连续激光二极管阵列，由20条LD封装构成，发光区域尺寸为10mm×7.6mm，bar条之间节距为0.38mm。LD的输出峰值功率为200W/bar，最大输入电流为205A/bar，输入电压为2V/bar，温漂系数为0.26nm/bar，光束发散角为8°×36°。波长变化范围为790～820nm，LD额定中心波长为799.5，804.4，809，812.7nm(在25℃)。4种波长以806nm为基准波长在其两侧对称分布，每种波长具有5-bars。图1为在780～825nm的变化范围内掺杂摩尔分数为1%的Nd∶YAG晶体的吸收系数随波长的变化曲线图。由图可知，掺杂摩尔分数为1%的Nd∶YAG晶体对780～825nm范围内的泵浦光存在多个吸收峰，中心波长为795，805，808.3nm的Nd∶YAG吸收峰要强于其他吸收峰的吸收效率，且对808.3nm附近的泵浦光吸收系数最高，吸收带宽为2nm，上能级寿命一般是230μs。

图1 1%Nd∶YAG晶体的吸收光谱

为了准确确定LDA的输出波长，采用光纤光谱仪对LDA在25,35,45,55℃的中心波长进行测定[16-18]，如图2所示。当LDA的工作温度为25℃时，LDA输出光谱的中心波长为801.8，804，808.5，811.7nm。当LDA的工作温度为35℃时，LDA输出光谱的中心波长为802.3，805.7，809，812.3nm。当LDA的工作温度为45℃时，LDA输出光谱的中心波长为804.5，811.6，814.5，818nm。当LDA的工作温度达到55℃时，LDA的输出激光的波长在810～830nm的范围内无序分布，主输出波长为811，817，820.2，823.3nm，并伴随强烈的寄生波长输出，如813.5，808.4nm，这是由于LD波导内存在巨大的热损耗，LDA产生了剧烈的寄生振荡。

图2多波长LDA的发射波长随温度的变化曲线图。(a)25℃；(b)35℃；(c)45℃；(d)55℃。

Fig.2Muti-color pump-diode wavelengthversustemperature. (a)25℃. (b)35℃. (c)45℃. (d)55℃.

采用的多波长LDA泵浦源出射的各中心波长的泵浦光在1%Nd∶YAG中的吸收系数如表1所示。LDA的4种中心波长的LD按照1∶1∶1∶1配比。当泵浦源工作温度在25,35,45,55℃时，Nd∶YAG晶体对泵浦光的吸收系数分别为0.33，0.24，0.188，0.165mm-1。

表1Nd∶YAG的吸收系数随泵浦波长的变化

Tab.1 Absorption coefficient of Nd∶YAG as pump wavelength

波长/nm吸收系数/cm-1波长/nm吸收系数/cm-1801．81804．54．18043811．61．4808．58814．50．9811．71．28181．1802．30．98111．3805．738171．88094820．21．6812．31．7823．31．9

Nd∶YAG晶体对多波长LDA泵浦源的吸收系数会比单一中心波长808.3 nm泵浦源小，Nd∶YAG晶体对不同工作温度下多波长LDA的吸收系数相差不大，采用多波长LDA作为泵浦源虽然牺牲了增益介质泵浦光的吸收系数，但是却能减缓在宽的温度范围内激光器输出功率的下降速度。因此，为了保证各工作温度下Nd∶YAG晶体都能对泵浦光保持很高的吸收效率，应采用长吸收距离的增益介质。

2.2 多波长LDA泵浦电光调Q激光器的实验方案

多波长LDA端面抽运Nd∶YAG电光调Q激光器实验装置如图3所示，本实验采用直腔式结构，实验装置由多波长LDA、Nd∶YAG晶体、透镜导管耦合系统、谐振腔、电光调Q开关组成。

图3 多波长LDA泵浦Nd∶YAG全固态激光器的实验装置示意图

Fig.3 Experimental device of muti-color LDA pumped Nd∶YAG all-solid-state laser

LDA固定于紫铜支架上，并使用导热硅脂与一个15 W的风扇改善其散热性能。额定输出峰值功率4 000 W的LDA采用一个40 V的外接直流电源驱动，电源的工作频率在1～20 Hz连续可调。为了减小快轴方向的发散角，在LDA表面安装快轴准直镜对快轴发散角进行压缩，再通过透镜导管对泵浦光束进行传输与压缩，将泵浦光束尺寸压缩至3.5 mm×3.5 mm。整个耦合系统的耦合效率为58%，透镜导管输出光束的快慢轴发散角为27.8°×12.8°。透镜导管的泵浦光输入面与输出面未镀减反射膜，泵浦光束在传输的过程中损耗比较严重，导致透镜导管耦合系统的光束传输效率不高。由于透镜导管的输出光束的发散角比较大，透镜导管贴近泵浦Nd∶YAG晶体。Nd∶YAG晶体的尺寸为φ6 mm×60 mm，掺杂摩尔分数为1%，选用长吸收距离的增益介质使多波长泵浦光被充分吸收，晶体的前表面镀有双色膜，透过率大于95.5%的790～830 nm增透介质膜与反射率大于99.8%的1 064 nm全反介质膜，后表面镀有1 064 nm的增透介质膜，晶体的前表面与输出耦合镜(OC)组成平行平面腔，腔长为132 mm。调Q晶体是由两块沿通光方向正交的RTP晶体封装组成，采用双晶体结构抵消了RTP晶体自然双折射产生的相位差。两块RTP晶体的通光孔径为7.7 mm×7.7 mm×10 mm，整个调Q开关的物理长度为25 mm，与λ/4波片(QWP)、线偏振片共同实现电光调Q。

3 实验结果与分析

首先进行1 064 nm激光输出的自由振荡实验，在输出镜透过率T=45%、泵浦脉冲宽度为200 μs、环境温度25 ℃的条件下，自由振荡输出能量随泵浦电流的变化，如图4所示。采用透镜导管耦合系统的激光器自由振荡输出的能量随泵浦电流的升高而上升，当电流达到200 A时，输出能量达到最高的174 mJ，激光器的最高输出能量随着重复频率的升高而减小，这是由于随着频率的上升，晶体内的热透镜效应越来越严重，导致输出能量减小。在同一频率下，当泵浦电流从60 A增加至160 A时，输出能量随着电流的增加而快速增大，当泵浦电流超过160 A后，腔内反转粒子数慢慢饱和，激光器的增益逐渐减小，输出能量也趋于饱和。

图4 自由振荡输出能量随电流的变化

Fig.4 Output energy of free oscillationversuscurrent in the different repetition rates

在谐振腔中依次插入45°线偏振片、RTP晶体、λ/4波片，进行电光调Q实验，激光器的Q开关关断效果良好，在泵浦脉宽200 μs、调Q延时200 μs的条件下，采用透过率为30%、45%、60%、70%的输出镜进行对比分析实验，输出镜取不同的透过率时，调Q输出能量随泵浦电流的变化如图5所示。当重复频率5 Hz、注入电流200 A时，LDA的抽运能量为676 mJ，输出1 064 nm的单脉冲能量达到最高的74.4 mJ，脉宽15 ns，光光转换效率为11%。由于透镜导管输出的泵浦光束的发散角太大，透镜导管输出光束耦合进Nd∶YAG晶体时的损耗过大而使激光器的光光转换效率偏低。 激光器输出耦合镜的最佳透过率为45%，谐振腔内的损耗包括散射损耗、吸收损耗、输出损耗，当输出镜的透过率高于最佳输出透过率时，输出损耗过大，激光器的输出能量会不断减小，当输出镜的透过率低于最佳输出透过率时，激光器的能量提取率太低。

图5 不同重复频率下调Q输出能量随泵浦电流的变化

Fig.5 AverageQ-switched output powerversuspumped current at different repetition rates

采用SPL光电二极管接收调Q输出脉冲的散射光，连接到Tektronix MDO3000示波器来显示输出波形，5 Hz重复频率下的激光输出的脉冲宽度随泵浦电流的变化如图6所示。在一定的重复频率下，激光输出的脉冲宽度随泵浦电流的增加而逐渐变窄，这是由于随着泵浦能量的增加，工作物质的上能级的反转粒子数积累的时间越短，能量的提取效率越高，则Q开关打开后，能在最短的时间消耗完反转粒子数。当重复频率5 Hz、泵浦电流170 A时，得到的脉冲宽度15.8 ns，相应的脉冲波形如图7所示，激光输出脉冲波形光滑稳定，只存在一个主尖峰且边缘光滑。

图6 输出脉宽随泵浦电流的变化

图7 输出脉宽的波形图

采用转光片检测光斑形状，如图8所示，输出光能量均匀，输出光斑为扁平方形光斑。采用黑白激光调光像纸测量激光输出光斑尺寸，在10 cm处激光的输出光斑尺寸为2.9 mm×5.5 mm，在100 cm处激光输出光斑尺寸为2.8 mm×5.3 mm。激光器输出光束的水平方向与竖直方向的发散角分别是θx=(2.9-2.8)/(1000-100)=0.11 mrad，θy=(5.5-5.3)/(1000-100)=0.22 mrad。

图8 激光器输出光斑

对激光器的温度特性进行了测试，将采用球面透镜导管耦合方式的激光器的壳体温度控制在25～55 ℃，反复测试在重复频率5 Hz与10 Hz、泵浦电流200 A条件下的激光器的平均单脉冲能量随工作温度的变化，如图9所示，黑线与红线表示重复频率在5 Hz与10 Hz时激光器输出能量随温度的变化。

图9 脉冲能量随工作温度的变化

由图9可知，在同一重复频率下，随着LDA工作温度的上升，泵浦光的输出光谱逐渐漂移出Nd∶YAG晶体的强吸收带宽，激光器的输出能量逐渐降低。当工作温度为25～37 ℃时，激光器输出的能量迅速下降。这是由于紫铜热沉与风扇的散热效率不是太高，使LDA内的热积累速度过快，随着工作温度的上升，LD的输出波长向长波长迅速漂移，且由于部分bar条受到损伤，能与795，805，808.3 nm吸收峰相匹配的LD输出光谱会迅速减少，特别是LDA的输出波长会逐步远离808.3 nm的强吸收峰带宽，Nd∶YAG晶体对泵浦光的吸收系数迅速下降，这造成了激光器的输出能量减小。当工作温度在37～55 ℃时，LDA与外界环境迅速达到热平衡，而多波长组合的4种LD的输出光谱范围比较窄，LD输出波长未能与Nd∶YAG晶体的808.3 nm吸收峰相匹配，导致Nd∶YAG晶体对泵浦光的吸收系数较低，又因为吸收系数随温度升高的变化缓慢，激光器的能量输出较为平稳。只有拓展LD的泵浦波长范围与增加泵浦中心波长数目，才能在宽工作温度范围内获得更加稳定的激光输出。随着工作温度的上升，激光器的最低输出能量在5 Hz与10 Hz的条件下分别为48 mJ与37 mJ，这是由于随着重复频率的升高，LDA与激光晶体的热负载越来越严重，热效应越来越严重，这导致激光器的输出能量随重复频率的增加而降低。

4 结 论

针对高能量激光器的无水冷、免温控与小型化的需求，采用多波长激光器二极管阵列端面泵浦Nd∶YAG晶体，得到了74.4 mJ、15 ns的1 064 nm的激光输出，最后对激光器的温度特性进行了测试，激光器的输出能量随着泵浦源工作温度的升高，呈现先迅速减小然后保持稳定的趋势，当重复频率分别为5 Hz和10 Hz时，激光器对应的最低输出能量稳定在48 mJ与37 mJ。本文针对多波长LDA输出光谱的研究与多波长LDA端泵全固态激光器的实验研究，为实现激光器的无水冷免温控、拓展激光器的工作温度范围提供了一定的借鉴意义。

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