垂直腔面发射激光端面泵浦的高能量调Q Nd∶YAG激光

谢仕永，王久旺，孙 勇，黄康胜，王彩丽，2，史小玄，2，薄铁柱，2，蔡 华，2，宋普光

(1. 中国建筑材料科学研究总院有限公司，北京 100024；2. 建材行业特种光电材料重点实验室，北京 100024)

1 引 言

高能量低重频调QNd∶YAG激光峰值功率高、脉冲宽度窄，具有连续运转的激光不可比拟的优势，在激光雷达、激光预处理及激光测距等领域有着广泛的应用[1-3]。基于高能量调QNd∶YAG 1 064 nm激光及其变频产生的532，355 nm激光广泛应用于大气激光雷达中[4-8]。西安理工大学华灯鑫研究组设计和构建了波长为355， 532和1 064 nm 的多波长米散射激光雷达系统，实现了对地表气溶胶的探测[6]。该研究组还选用355 nm 激光作为激励源，分别设计拉曼激光雷达分光系统和高光谱分辨率激光雷达分光系统，实现气溶胶的精细探测[7]。中国海洋大学吴松华研究组基于大气粒子弹性后向散射信号的退偏振比，研究了三波长发射系统的水汽-云-气溶胶激光雷达系统，可连续探测对流层水汽和云的垂直廓线[8]。

目前，商用的高能量低重频调QNd∶YAG激光器多采用脉冲氙灯泵浦方式，氙灯光谱宽，导致激光器效率低，激光产生过程中的大量废热需通过水流带走，相应的制冷系统增加了激光系统的质量，且存在冷却水泄露等隐患。另外，氙灯寿命一般为107次脉冲，需要定期更换。全固态激光器采用半导体激光二极管(Laser Diode，LD)泵浦，可实现LD谱线与增益介质吸收谱线较好的匹配，能量转换效率高，废热产生率低，通过半导体制冷即可导出热量，大大提高了系统的可靠性与环境适应性；此外，LD寿命可达1010脉冲数，比氙灯提高了3个量级。LD侧面泵浦Nd∶YAG晶体板条是获取高能量 1 064 nm调Q激光的重要技术手段。Armandillo等基于板条Z形几何光路和高斯非稳腔设计来减小激光波前畸变和提高激光光束质量，在边发射LD泵浦能量750 mJ条件下产生了100 mJ，20 ns的1 064 nm脉冲激光，光光转换效率为13.3%[9]。中科院上海光机所的陈卫标研究组使用布鲁斯特角切割的Z形Nd∶YAG板条，通过传导冷却的方式将边发射LD及激光晶体废热导出，利用KD*P的普克尔效应进行调Q， 获得了100 mJ，10 ns 的1 064 nm 激光输出，光光转换效率为13%[10]。与侧面泵浦相比，端面泵浦条件下的泵浦光束能更好地与激光振荡模式相匹配，空间交叠程度高，有利于提高激光转换效率。Goldberg等利用由3组不同中心波长的边发射LD组成的列阵端面泵浦Nd∶YAG晶体，输出1 064 nm调Q激光的能量最高为60 mJ，光光转换效率达17%[11]。 目前，主要通过高功率的边发射LD泵浦源产生高能量的调Q激光输出。

近年来，垂直腔面发射激光(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)技术发展迅速[12-14]。与边发射LD相比，VCSEL具有各向发散角相同，波长随温度漂移小等优势，因此作为泵浦源在耦合至增益介质时更容易进行光束整形，同时对温度不敏感，降低了对VCSEL控温精度的要求，甚至不需要主动控温，从而有利于获得高效率、结构紧凑的激光输出。目前有关VCSEL泵浦的研究还比较少[15-19]。Goldberg等采用6.4 mm×6.4 mm的VCSEL阵列端面泵浦Nd∶YAG晶体棒，通过Cr∶YAG饱和吸收的被动调Q获得了18 mJ的1 064 nm窄脉冲激光，光光转换效率为12.5%[15]。Seurin等研发了VCSEL模块用于侧面泵浦Nd∶YAG晶体棒，每个模块包含12个3 mm×3 mm 的808 nm VCSEL阵列，采用声光调Q产生了21 mJ的946 nm 脉冲激光[18]。本文采用Φ8.93 mm的近似圆形VCSEL阵列端面泵浦Nd∶YAG晶体棒，电光调Q获得了高能量、高效率的1 064 nm窄脉冲激光输出。通过优化Nd3+掺杂浓度和减小激光晶体泵浦端面增益，有效抑制了影响调Q激光能量提高的自激振荡，为获得高能量端面泵浦调Q激光输出提供了有效的技术手段。

2 实验及分析

2.1 实验装置

808 nm VCSEL端面泵浦调QNd∶YAG激光光路如图1所示，它包括泵浦源VCSEL、VCSEL整形透镜F、激光晶体(LC)、1 064 nm偏振器(PS)、1 064 nm 四分之一波片(QW)、电光晶体(EOC)及输出耦合镜(OC)。其中，808 nm VCSEL阵列(Princeton Optronics， Inc.)如图2所示，由4个间距约为1 mm的发光象限形成一个近似圆形(Φ8.93 mm)的发光区域，每个象限包括数以千计的VCSEL发光点。VCSEL阵列随温度的波长漂移为0.07 nm/℃，在低占空比条件下通过铜散热器传导冷却即可，无需主动控温，有利于减小激光器的功耗与体积。808 nm VCSEL阵列在低占空比(<1%)条件下可提供最高800 W的峰值功率。阵列的数值孔径为0.15，各方向发散角相同，通过透镜(f=8.5 mm)可以很容易地聚焦到激光晶体内。激光晶体采用Nd∶YAG棒，直径为4 mm，Nd∶YAG泵浦面镀有1 064 nm高反膜和808 nm高透膜，另一通光面镀1 064 nm增透膜。偏振分束器对1 064 nm光进行起偏，使得垂直偏振的s光反射，水平偏振的p光透射。偏振分束器与1 064 nm四分之一波片及电光晶体构成调Q组件，对谐振腔Q值进行调制，产生脉冲激光输出。电光晶体选用LN晶体，尺寸为9 mm×9 mm×25 mm， 两通光面均镀1 064 nm增透膜，在四分之一波脉冲电压驱动下工作以满足调Q需要。输出耦合镜与激光晶体的泵浦端面构成激光谐振腔，实现1 064 nm激光的振荡输出。

图1 VCSEL端面泵浦调Q Nd∶YAG激光光路Fig.1 Light path of VCSEL end-pumped Q-switched Nd∶YAG laser

图2 VCSEL阵列布局Fig.2 Layout of VCSEL array

2.2 Nd∶YAG晶体参数优化

VCSEL端面泵浦Nd∶YAG晶体是获得高光束质量、高转换效率1 064 nm调Q激光输出的有效途径，然而工作物质端面对泵浦光的吸收形成的高增益极易引起自激振荡，严重制约了高能量的调Q激光输出。根据比尔吸收定律，激光介质对端面泵浦光的吸收呈指数规律下降，基于激光工作物质对泵浦光的吸收系数与激活粒子浓度呈比例的关系，通过降低激活粒子的掺杂浓度，减小激光介质端面对泵浦光的吸收率，可以实现端面增益的降低，进而有效抑制自激振荡。理论模拟不同Nd3+掺杂浓度下Nd∶YAG晶体对808 nm VCSEL光的吸收率，结果如图3所示，在泵浦功率为800 W时，Nd3+掺杂浓度为1.0%， 0.6%， 0.1%时泵浦端面吸收率分别为640，384及64 W/mm。可见，随着晶体激活粒子浓度的下降，吸收效率逐渐降低，从而可实现有效的自激振荡抑制。同时，为了保证激光介质对泵浦光的充分吸收，在降低端面吸收率时则需要通过增加晶体长度实现。图4数值模拟的不同Nd3+浓度下VCSEL泵浦光吸收随晶体长度的变化。计算结果显示，Nd3+掺杂浓度为1.0%， 0.6%， 0.1%下在达到对泵浦光95%的吸收时对应的晶体长度分别为3.7， 6.2及37 mm。通过以上分析可以看出，为了降低晶体端面增益需要减小Nd3+的掺杂浓度，而激活粒子浓度的下降则需要增加晶体长度来保证对泵浦光的充分吸收。本实验采用Nd3+掺杂0.1%的低浓度Nd∶YAG晶体作为激光工作介质，晶体长度为37 mm，确保对泵浦光的充分吸收，以获得高动静比与高能量的调Q激光输出。

图3 不同Nd3+掺杂浓度下的VCSEL泵浦光吸收率Fig.3 Absorptivity of VCSEL pump power under different Nd3+ doping concentrations

图4 VCSEL泵浦光吸收随晶体长度的变化曲线Fig.4 Variation of absorption of pump power with length of laser crystal

2.3 谐振腔输出耦合率优化

在产生高能量脉冲激光的过程中，由于高的峰值功率会引起激光谐振腔内部光学器件的损伤，为了获得45 mJ，8 ns，光斑3.5 mm的1 064 nm 脉冲激光输出，腔内功率密度的计算公式如下：

(1)

其中：I2为腔内功率密度，I1为腔外功率密度，R为输出镜反射率，T为输出镜透过率。计算结果如图5所示，随着输出耦合透过率的不断增大，腔内功率逐渐减小，为了避免光学器件的损伤，原则上透过率越高越好。本研究中，光学器件镀膜的损伤阈值一般为500 MW/cm2，而计算结果显示在输出耦合率为20%时对应的腔内功率密度为526 MW/cm2，因此在优化输出耦合率时需保证透过率不低于20%才能确保激光器运行时不出现器件损伤。通过实验测试了不同透过率时的激光输出能量，发现随着透过率的不断增大，输出能量逐渐减小，最终确定采用透过率为25%的输出耦合镜。

图5 腔内功率密度随输出耦合率的变化曲线Fig.5 Variation of intracavity power intensity with output coupling ratio

2.4 实验结果

实验中，首先对泵浦源的输出特性进行了研究，VCSEL的峰值功率随驱动电流的变化如图6所示。在20 Hz， 250 μs的条件下，VCSEL的输出功率与电流基本呈线性关系，在电流为235 A时输出最高800 W的泵浦功率，斜效率为3.6 W/A。通过近红外光纤光谱仪(HR2000CG， Ocean Optics)对VCSEL的光谱进行了测量，结果如图7所示。中心波长为808.4 nm，对准了Nd∶YAG晶体的吸收峰，谱宽(FWHM，半高全宽)为2 nm，是普通边发射LD谱宽的1/3，较窄的谱宽保证了激光晶体对泵浦光的充分吸收。

图6 VCSEL输出功率随电流的变化曲线Fig.6 Variation of VCSEL output power with drive current

图7 VCSEL光谱Fig.7 Spectrum of VCSEL

通过能量计(PE50BF-DIFH-C， Ophir-Spiricon Inc.)对1 064 nm激光的输出能量进行了测试，测试结果如图8所示。在VCSEL最高泵浦能量为200 mJ时输出了45 mJ的1 064 nm调Q激光，光光转换效率高达22.5%。同时，对调Q过程的动静比进行了研究，发现随着泵浦能量的增大动静比并没有明显的下降，最高泵浦能量下静态(未调Q)输出48 mJ的1 064 nm激光，动静比达到93.8%。由此可以看出，采用低浓度的Nd∶YAG 晶体降低泵浦端面增益有效地抑制了自激振荡，在高泵浦能量下仍然保持高的动静比，从而为获得更高能量的1 064 nm脉冲激光提供了有效的技术手段。随着输出功率的不断提高，VCSEL作为泵浦源有望获得更高能量的Nd∶YAG 脉冲激光输出。

图8 1 064 nm激光输出能量随VCSEL泵浦能量的变化曲线Fig.8 Variation of output energy of 1 064 nm laser with pump energy of VCSEL

图9 1 064 nm激光的二维光强分布Fig.9 Two-dimensional beam profile of 1 064 nm laser

利用光束质量分析仪(SP620U， Spiricon Inc.) 对20 Hz， 45 mJ的1 064 nm激光进行了光束质量测量，测得的光强二维分布如图9所示。可以看出，光强近似呈高斯分布，光斑大小约为3.5 mm。利用套孔法对1 064 nm激光的发散角进行了测量，通过一长焦透镜(f=3 m)将激光聚焦，在光束聚焦位置测得光腰直径为3.6 mm，计算可得1 064 nm激光的发散角为1.2 mrad。1 064 nm 激光脉冲波形通过一快速响应的硅光电探测器(DET10A， Thorlabs) 和示波器(DPO 4104，Tektronix)进行测量，测量结果如图10所示，激光脉冲宽度约为8 ns。

图10 1 064 nm调Q激光脉冲波形Fig.10 Pulse waveform of 1 064 nm Q-switched laser

3 结 论

本文通过VCSEL端面泵浦Nd∶YAG获得了高能量的1 064 nm调Q激光输出。通过模拟计算分析了Nd3+掺杂浓度与自激振荡的关系，在保证对泵浦光充分吸收的前提下确定了激光晶体的浓度与长度。为了避免光学器件的镀膜损伤，计算了谐振腔内的功率密度，输出耦合镜的透过率确定为25%。VCSEL泵浦能量为200 mJ时，产生了最高45 mJ的1 064 nm调Q激光输出，光光转换效率达到22.5%。激光脉宽为8 ns， 发散角为1.2 mrad。对调Q过程的动静比进行了研究，采用低浓度的Nd∶YAG晶体降低泵浦端面增益能够有效抑制自激振荡，在高泵浦能量下仍然保持了高的动静比，从而为获得更高能量的1 064 nm 脉冲激光提供了有效的技术手段。