微型人眼安全固体激光器技术

冯 江,严一鸣,于志伟,解朝晗,李树平

(华北光电技术研究所,北京 100015)

1 引 言

1.57 μm激光在测距应用中具有独特的优势:相较于1.06 μm的波长,1.57 μm波长的激光对应的探测器量子效率更高;1.57 μm波长激光处于1.5～1.8 μm的大气传输窗口,对烟、雾的穿透能力强(穿透能力比1.06 μm激光高两倍),大气衰减更小;在同等数据输出频率条件下,相同的输出能量,使用1.57 μm波长的激光器测距系统测距能力更强[1-2]。同时,1.57 μm激光对人眼最安全,在训练演习使用中可以最大程度的保护己方人员人眼安全。

本文研究了一种使用激光二极管侧面泵浦Nd∶YAG晶体,被动调Q产生基波1.06 μm光源,OPO由1.57 μm全反镜、非线性晶体KTP和1.57 μm输出镜组成,采用新型微型设计,将光学膜层蒸镀在OPO晶体端面,安装在激光器的谐振腔内,形成内腔式OPO结构的人眼安全脉冲固体激光器。其具有体积小、结构紧凑、环境适应性强、易于工程化等优点,适合用于各种恶劣环境条件下,具有广泛的应用前景。

2 技术方案

根据实际可能的应用环境,充分考虑激光器系统紧凑性和电光效率,采用内腔式OPO方案,激光器的光学原理图如图1所示。总体方案是:采用高峰值功率、准连续梯形结构的激光二极管侧面泵浦Nd∶YAG晶体,实现高功率泵浦光的均匀注入;采用被动调Q,开关晶体为Cr4+∶YAG晶体;谐振腔发射镜镀膜在Cr4+∶YAG晶体表面;OPO放在激光器的谐振腔内,形成内腔式OPO结构。

图1 激光器光学原理图

图2 计算机模拟的梯形LD对称侧面泵浦模块的荧光分布图

图3 平凸腔输出光束质量

利用无损光胶工艺,将Nd∶YAG晶体和Cr4+∶YAG晶体连接在一起;优化设计OPO谐振腔参数,将OPO腔全反镜和输出镜通过特殊镀膜工艺结合在KTP晶体两端。最终在极小的体积下实现了峰值功率≥2 MW、最高重频20 Hz、激光束散角≤5 mrad的1.57 μm人眼安全激光输出,样机尺寸≤110 mm×40 mm×25 mm,重量≤100 g。

2.1 基波1.06 μm光束质量优化设计

通常,为了降低OPO振荡阈值、提高OPO效率,OPO腔长选的很短。这就导致OPO谐振腔的非涅尔数变大,选模能力变弱。本产品是微型化产品,OPO谐振腔选模能力不足,需利用高光束质量的基波光源泵浦OPO,提高OPO光束质量,为此做了以下优化设计。

2.1.1 泵浦模块优化设计

泵浦模块采用对称结构,考虑到泵浦均匀性和泵浦区与腔模的匹配,泵浦方式采用梯形LD对称侧面泵浦方式。LD通过导热材料与紫铜热沉接触,热沉下面是半导体制冷器,半导体制冷器与散热器相接,通过风冷方式将热量散掉。Nd∶YAG晶体为激光工作介质,通过与金属热沉接触,经过传导散热。调Q采用被动Q开关Cr4+∶YAG晶体,实现窄脉冲激光输出。

采用梯形二极管直接泵浦,效率较高,而且在理论上可以得到理想的荧光分布,应用计算机软件对多边形泵浦方式理论上可以达到的荧光分布情况进行了模拟分析,荧光分布已达理想的分布。

2.1.2 基波谐振腔设计

优化设计荧光分布后,基波谐振腔的设计也很关键。如何在谐振腔微小尺寸体积下实现高光束质量激光输出,是一个技术难点。经过前期理论计算和模拟仿真,选择平凸腔作为谐振腔。将谐振腔设计曲率精密光加工在Nd∶YAG晶体和Cr4+∶YAG晶体两端,并镀以高损伤介质膜层,使得谐振腔具有良好的选模能力。最终获得较好好的基波光束质量,为实现高光束质量1.57 μm人眼安全激光输出奠定了基础。

side-pumping module′s fluorescence distribution

2.2 调Q设计

Q开关技术是通过在激光器振荡过程中改变共振腔Q值(又称共振腔品质因子),以产生窄脉冲宽度、高峰值功率的激光束的技术。

本方案中,Q开关方式采用Cr4+∶YAG晶体被动Q开关。之所以选用被动Q开关,主要是考虑到环境适应性、可靠性以及小型化等因素。另一个依据点是被动Q开关,不需要外加Q开关驱动源,没有高压干扰。激光器的尺寸也可以做的很短,有利于小型化。被动Q开关的另一个特点是有选模作用,有利于提高泵浦源的光束质量。

下面根据引入了反转粒子数减少因子γg的被动Q开关工作过程的耦合方程,对基波调Q特性进行数值模拟。引入了反转粒子数减少因子γg对于Q开关激光器设计理论的优化非常有用。Cr4+离子掺杂的可饱和吸收体带有明显的激发态吸收,带有激发态吸收的材料用作被动调Q开关时的激光速率方程如下:

(1)

(2)

(3)

式中,φ腔内光子密度;Ng增益介质内的粒子数反转密度;Ns可饱和吸收体内的基态瞬时粒子分布密度;Nsi可饱和吸收体内的初始态瞬时粒子分布密度;σg增益材料的受激发射截面;σs可饱和吸收体的基态吸收截面;σESA可饱和吸收体的激发态吸收截面;lg激光增益介质的长度;ls可饱和吸收体的长度;R输出镜的反射率;L谐振腔损耗;γg,γs粒子数减少因子;Λp泵浦速率密度;tg,ts增益介质和可饱和吸收体的驰豫时间;c光速;tr=2l′/c光在光学长度为l′的腔内往返时间;Ag,As增益介质和可饱和吸收体的有效腔模的横截面积。

应用MATLAB软件中sumlink模块,对激光器输出特性进行了计算机模拟。其中,选定YAG晶体的直径为3 mm,Cr4+∶YAG晶体小的信号透过率为20 %。根据小信号透过率(T0)计算方程计算可饱和吸收体内的初始态瞬时粒子分布密度Nsi:

T0=exp(-Nsi·σs·ls)

(4)

方程(1)～(3)数值模拟结果如图4所示。φ曲线代表腔内光子密度的变化情况,当腔内光子密度急剧增加时,增益介质内的粒子数反转密度和可饱和吸收体内的基态瞬时粒子分布密度急剧减小,此时输出激光脉冲。激光脉冲的输出就是腔内光子经由输出镜的耦合输出,由曲线可以得到激光输出脉宽约为3.7 ns,并可计算得到输出能量约为30.9 mJ。

图4 Cr4+∶YAG被动调Q数值模拟结果

2.3 OPO设计

OPO由全反镜、非线性晶体和输出镜三部分组成,如图5所示。非线性晶体选择为非临界相位匹配的KTP晶体。方案设计上,主要考虑OPO效率和OPO光束质量两个方面。高效率OPO,主要由高光束质量的泵浦源、低的泵浦阈值、强的泵浦功率密度来实现的。设计原则为:泵浦强度至少要超过泵浦阈值的4倍以上。OPO光束质量方面,主要依靠谐振腔的选模来实现小发散角激光输出。

图5 人眼安全原理图

本文研究的激光器,为了实现微型体积,同时需要满足OPO效率和光束质量,兼顾结构设计稳定性和可靠性,OPO谐振腔的长度不超过30 mm。在强约束条件下,如何设计OPO谐振腔是一个难点。

首先分析了晶体长度对OPO阈值的影响。图6是利用公式(5),得到了晶体长度与OPO阈值的关系曲线。

对于长脉冲激光泵浦的单共振OPO的泵浦阈值,可以用下列公式计算:

(5)

从图6可以看出,随着晶体长度的增加泵浦阈值快速下降。而晶体长度大于30 mm后,泵浦阈值的下降趋于平缓、下降的幅度也减小。

其次分析OPO腔长对OPO阈值的影响。图7是通过理论计算,得到了OPO腔长与OPO阈值的关系曲线。

图7 OPO阈值与腔长间的关系曲线

图8 激光脉冲宽度测试图

图9 激光单脉冲能量和重频测试图

图10 激光发射角测试图

图11 激光中心波长测试图

图12 激光器外形图

从图7可以看到,随着腔长的增加,OPO阈值随之增加。短腔长,有利于降低OPO阈值,提高OPO效率。

综合晶体长度与腔长对阈值的影响,在满足系统的强约束条件下,晶体长度尽量长,谐振腔长尽量短,这样可以有效地降低OPO阈值,提高OPO效率。设计KTP晶体长度为30 mm,将OPO谐振腔镀膜在晶体的两端,最终实现了理想的1.57 μm激光输出。

3 实验结果

3.1 脉冲宽度

3.2 单脉冲能量和重频

3.3 光束发散角

3.4 中心波长

4 结 论

本文研制了一种微型人眼安全固体激光器,采用LD侧面泵浦、被动调Q、高效OPO等技术,在微小体积尺寸、轻重量、高环境适应性要求等强约束条件下,获得了工作频率20 Hz时,脉冲宽度≤5 ns,单脉冲能量≥10 mJ、光束发散角≤5 mrad、中心波长1.572 μm的人眼安全激光输出。产品研制成功后,较大幅度地缩小整机体积、重量,有效减轻了系统的负荷,可以广泛应用在单兵、车载、舰载、机载等平台,产生了良好的效益。