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高斯镜参数对LD泵浦Nd:YAG激光器的影响

蒙裴贝 史文宗 蒋硕 齐明 邓永涛 李旭

蒙裴贝, 史文宗, 蒋硕, 齐明, 邓永涛, 李旭. 高斯镜参数对LD泵浦Nd:YAG激光器的影响[J]. 红外与激光工程. doi: 10.3788/IRLA20200127
引用本文: 蒙裴贝, 史文宗, 蒋硕, 齐明, 邓永涛, 李旭. 高斯镜参数对LD泵浦Nd:YAG激光器的影响[J]. 红外与激光工程. doi: 10.3788/IRLA20200127
MENG Pei-bei, SHI Wen-zong, JIANG Shuo, QI Ming, DENG Yong-tao, LI Xu. Influence of Gaussian mirror parameters on LD-pumped Nd:YAG laser[J]. Infrared and Laser Engineering. doi: 10.3788/IRLA20200127
Citation: MENG Pei-bei, SHI Wen-zong, JIANG Shuo, QI Ming, DENG Yong-tao, LI Xu. Influence of Gaussian mirror parameters on LD-pumped Nd:YAG laser[J]. Infrared and Laser Engineering. doi: 10.3788/IRLA20200127

高斯镜参数对LD泵浦Nd:YAG激光器的影响

doi: 10.3788/IRLA20200127
详细信息
    作者简介:

    蒙裴贝(1987-),女,高级工程师,硕士,主要从事航天固体激光器设计技术方面的研究工作,Email:pbmeng@163.com

  • 中图分类号: TN248.1

Influence of Gaussian mirror parameters on LD-pumped Nd:YAG laser

  • 摘要: 实验研究了输出镜为不同参数高斯镜时,偏心对LD泵浦Nd:YAG激光器的影响及激光器的输出特性。仅当光轴与激光晶体中心轴、Q开关中心轴一致,且经过高斯镜反射率中心时,可同时实现最大能量、最窄脉冲宽度和最小发散角输出。存在偏心时,高斯镜反射率半径越小或中心反射率越大,则能量下降越多,脉冲宽度和发散角增大越大。对于反射率半径为2.5 mm和中心反射率为30%的高斯输出镜,偏心0.5 mm时,能量降低7%,脉冲宽度增宽33%,发散角增大20%。激光性能方面,高斯镜反射率半径越小或中心反射率越小,光束质量越好,但效率低。综合考虑偏心影响和激光性能,反射率半径为2.75 mm和中心反射率为20%的高斯镜作为输出镜最佳。泵浦能量为984 mJ时,获得了能量128 mJ,脉冲宽度7.3 ns,光束质量M2因子约4.6的1064 nm激光输出,对应光光转换效率为13%。实验结果为激光器设计和装调提供了参考。
  • 图  1  实验装置示意图

    Figure  1.  Diagram of experimental setup.

    图  2  X方向位置对能量和脉冲宽度的影响:(a)state1;(b)state2

    Figure  2.  Influence of X on energy and pulse width: (a) state1; (b)state2.

    图  3  M21 X方向位置对发散角的影响

    Figure  3.  Influence of X on divergence for M21.

    图  4  输出特性对比:(a)Eoutτ;(b)θD

    Figure  4.  Comparison of output performance: (a) Eout and τ; (b) θ and D.

    图  5  远场光斑分布:(a)M21;(b)M22;(c)M23;(d)M24;(e)M25

    Figure  5.  Far field beam distribution: (a) M21; (b) M22; (c) M23; (d) M24; (e) M25.

    图  6  M24为输出镜时的性能:(a)脉冲轮廓;(b)近场光斑分布

    Figure  6.  Performance with M24 as output coupler: (a) pulse trace; (b) near field beam distribution.

    表  1  M2i第一面的反射率参数

    Table  1.   Reflectivity parameters of M2i first surface

    ParameterM21M22M23M24M25
    ω02.5 mm2.75 mm3 mm2.75 mm
    R030%30%30%20%30%
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    表  2  输出镜最佳位置

    Table  2.   Best position of output mirror

    DirectionM21M22M23M24
    X3.8 mm3.6 mm3.7 mm3.7 mm
    Y5.1 mm5 mm3.7 mm5.3 mm
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    表  3  Δx为0.5 mm时的能量和脉冲宽度

    Table  3.   Energy and pulse width at Δx=0.5 mm

    Output mirrorStateEnergy (mJ)Pulse width (ns)
    M21state1106.3 to104.27.2 to 9.6 (33%)
    state2106.5 to 99.1 (7%)around 7.2
    M22state1128 to 126.67.3 to 9 (23%)
    state2128.2 to 121 (6%)around 7.2
    M23state1around 1277.3 to 8.3 (14%)
    state2128.2 to 123.6 (5%)around 7.3
    M24state1around 917.3 to 7.9 (3%)
    state291.4 to 88.6 (3%)around 7.7
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    表  4  相同输出能量时的性能

    Table  4.   Properties under the same output energy

    ParameterM21M22M23M24M25
    Eout (mJ)128.3128.2127.2128128.1
    Epump (mJ)1020856856984802
    η12.6%15%14.9%13%16%
    τ (ns)77.27.57.37.3
    θ (mrad)1.311.341.481.221.5
    D (mm)5.25.25.55.15.7
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出版历程

高斯镜参数对LD泵浦Nd:YAG激光器的影响

doi: 10.3788/IRLA20200127
    作者简介:

    蒙裴贝(1987-),女,高级工程师,硕士,主要从事航天固体激光器设计技术方面的研究工作,Email:pbmeng@163.com

  • 中图分类号: TN248.1

摘要: 实验研究了输出镜为不同参数高斯镜时,偏心对LD泵浦Nd:YAG激光器的影响及激光器的输出特性。仅当光轴与激光晶体中心轴、Q开关中心轴一致,且经过高斯镜反射率中心时,可同时实现最大能量、最窄脉冲宽度和最小发散角输出。存在偏心时,高斯镜反射率半径越小或中心反射率越大,则能量下降越多,脉冲宽度和发散角增大越大。对于反射率半径为2.5 mm和中心反射率为30%的高斯输出镜,偏心0.5 mm时,能量降低7%,脉冲宽度增宽33%,发散角增大20%。激光性能方面,高斯镜反射率半径越小或中心反射率越小,光束质量越好,但效率低。综合考虑偏心影响和激光性能,反射率半径为2.75 mm和中心反射率为20%的高斯镜作为输出镜最佳。泵浦能量为984 mJ时,获得了能量128 mJ,脉冲宽度7.3 ns,光束质量M2因子约4.6的1064 nm激光输出,对应光光转换效率为13%。实验结果为激光器设计和装调提供了参考。

English Abstract

    • LD泵浦的全固态激光器结构紧凑、效率高、稳定好、寿命长,在星载激光雷达领域有广泛的应用[1-5]。星载激光雷达由于作用距离远,且接收口径受限,激光器能量通常为几十毫焦至百毫焦,同时为了获得高的测量精度,通常采用扩束镜头压缩激光器输出的发散角至几十至百微弧度。当激光器光束质量越好时,相同束腰情况下,发散角越小,则扩束镜头的扩束倍率越小,扩束镜头的口径和激光雷达系统体积越小,因此高光束质量是星载激光器的发展趋势。相对端面泵浦,侧面泵浦更容易注入高的泵浦功率,获得大能量输出。但侧面泵浦时,激光增益模式大,要实现高光束质量输出,需要采用大体积基模谐振腔。非稳腔具有良好的空间选模特性,能产生大体积基模。然而传统硬边镜非稳腔由于输出镜中心镀全反膜,边缘镀增透膜,其基模衍射损耗较大,输出光束近场为环状光斑,远场光斑有衍射环,能量分布分散,不利于应用。高斯镜沿径向渐变的反射率轮廓减少了光学谐振腔的边缘衍射效应,一定程度上消除了输出光束近场的衍射纹波,抑制了远场的旁瓣,改善了空间模式。但由于高斯镜的反射率中心无法引出和测量,光轴和反射率中心的对准只能通过结构设计和装调保证,易出现反射率中心与光轴的偏离(简称“偏心”)。目前关于高斯镜非稳腔的研究主要集中于模式分析[6-8]及激光器实验[9-11],没有对不同高斯镜参数下,激光器的输出特性及偏心的影响进行系统性的研究,而这对于激光器设计和装调是极有意义的。

      为了研究高斯镜参数对激光器的影响,文中设计了凹凸结构的非稳腔,搭建LD泵浦Nd:YAG电光调Q激光器,实验对比了不同高斯镜参数下,偏心对激光器输出特性的影响和激光器的输出特性。

    • 实验装置如图1所示。Nd:YAG晶体尺寸为Ф6×100 mm,掺杂浓度为1at.%,端面镀1064 nm增透膜(反射率<0.1%)。Nd:YAG晶体通过铟箔包裹置于热沉上。12支激光二极管阵列(LDA)分成4沿晶体轴交叉排布,组,每组的3支LDA均匀排布在晶体半侧面。每支LDA包含6个巴条,其慢轴和快轴发散角分别为10°和40°(FWHM)。LDA安装热沉通过热电制冷器控温并保持温度在293 K,以使LDA发出光中心波长在808 nm,与Nd:YAG晶体吸收峰匹配。LDA为脉冲工作模式,脉冲重复频率为5 Hz,脉冲宽度为210 μs,峰值功率可调。电光Q开关由偏振片、1/4波片和KD*P普克尔盒组成。谐振腔为凹凸非稳腔,由全反镜M1和输出镜M2ii=1,2,3,4,5)组成。谐振腔腔长为265 mm。M1为平凹镜,曲率半径为2.6 m,内表面镀1064 nm高反膜(反射率>99.9%)。输出镜M2i为弯月透镜,第一面曲率半径为−2 m,第二面曲率半径为2 m,厚度为3 mm。第一面的反射率分布为

      $$ R\left( r \right) = {R_0}{e^{ - 2\left( {r/{\omega _0}} \right)^2}} $$ (1)

      式中,R0为中心反射率,r为距反射率中心的距离,ω0为反射率降到峰值的1/e2时的径向距离,后简称“反射率半径”。当ω0为∞时,即为普通的均匀反射率镜。M2i第一面的反射率参数如表1所示。M2i第二面镀1064 nm增透膜(反射率<0.1%)。M2i安装于二维平移台的镜架上,可以调整M2i X和Y方向的位置和角度。

      图  1  实验装置示意图

      Figure 1.  Diagram of experimental setup.

      表 1  M2i第一面的反射率参数

      Table 1.  Reflectivity parameters of M2i first surface

      ParameterM21M22M23M24M25
      ω02.5 mm2.75 mm3 mm2.75 mm
      R030%30%30%20%30%
    • 图1所示,M1曲率中心O1与M2i曲率中心O2的连线作为光轴,M2i的反射率中心与O1O2偏离称为偏心。

      由于高斯镜的反射率中心无法确定,因此,于M2i不同位置处,对激光器分别按照最大能量(简称state1)和最小脉冲宽度(简称state2)进行准直,并用采用能量计(探头型号:Ophir PE50-DIF-ER-C)测试激光输出能量(Eout),采用光电探测器(型号:Thorlabs DET025A,上升时间150 ps)和示波器(型号:Keysight DSO9104A)测试脉冲宽度(τ),采用平行光管(焦距1 m)和CCD相机(位于平行光管焦面,型号:Spiricon SP620)测量远场光斑分布和发散角(θ)。为了减小测试误差影响,采用多次测试取平均值进行数据处理。实验发现,输出镜为M25时,在确保有效通光的任意位置,通过调整输出镜角度可以实现最大能量和最窄脉冲宽度同时输出;而输出镜为M21,M22,M23,M24时,存在最佳位置(如表2所示),在该位置可以同时实现最大能量和最窄脉冲宽度输出。

      表 2  输出镜最佳位置

      Table 2.  Best position of output mirror

      DirectionM21M22M23M24
      X3.8 mm3.6 mm3.7 mm3.7 mm
      Y5.1 mm5 mm3.7 mm5.3 mm

      以X方向为例,泵浦能量(Epump)为856 mJ,且M2i在Y方向位于最佳位置时,state1和state2两种准直状态下,X方向位置对输出能量和脉冲宽度的影响如图2所示。可以看出,偏离最佳位置越多,即偏心量越大,则能量越小,脉冲宽度越宽。相同偏心量情况下,ω0越大或R0越小,则偏心影响越小。X方向偏心量(Δx)为0.5 mm时,能量和脉冲宽度情况如表3所示。

      图  2  X方向位置对能量和脉冲宽度的影响:(a)state1;(b)state2

      Figure 2.  Influence of X on energy and pulse width: (a) state1; (b)state2.

      表 3  Δx为0.5 mm时的能量和脉冲宽度

      Table 3.  Energy and pulse width at Δx=0.5 mm

      Output mirrorStateEnergy (mJ)Pulse width (ns)
      M21state1106.3 to104.27.2 to 9.6 (33%)
      state2106.5 to 99.1 (7%)around 7.2
      M22state1128 to 126.67.3 to 9 (23%)
      state2128.2 to 121 (6%)around 7.2
      M23state1around 1277.3 to 8.3 (14%)
      state2128.2 to 123.6 (5%)around 7.3
      M24state1around 917.3 to 7.9 (3%)
      state291.4 to 88.6 (3%)around 7.7

      发散角方面,以M21为例,Y方向位于5.1 mm时,X方向位置对激光器发散角的影响如图3所示。可以看出,对于state2,偏离最佳位置对发散角影响不大,X由3.8 mm变化到3.3 mm时,发散角为1.18 mrad~1.19 mrad。对于state1,发散角随偏心量(Δx)的增大而增大,X由3.8 mm变化到3.3 mm时,发散角由1.17 mrad增大到1.4 mrad(20%)。远场光斑分布如图3所示,,偏离最佳位置时,X方向的发散角增大。

      图  3  M21 X方向位置对发散角的影响

      Figure 3.  Influence of X on divergence for M21.

      出现上述现象的原因为,一定激光器参数下,当光轴与激光晶体中心轴、Q开关中心轴一致,且经过高斯镜的反射率中心,即输出镜位于最佳位置时,激光器处于对准状态,能量最大,脉冲宽度最窄,发散角最小。当出现偏心,即输出镜移动至位置1时(如图1所示),曲率中心由O2移动至O2’,反射率中心由P移动至P’。对于均匀反射率镜(M25),通过调整输出镜角度将O2’调整至O2’’,光轴则与调整前一致,同时反射率均匀分布,输出特性不受影响。对于高斯镜(M21、M22、M23、M24),反射率分布不均匀,输出能量受输出镜反射率的影响[12],脉冲宽度主要由Q开关决定,发散角主要由光轴与激光晶体中心轴的匹配决定。因此,输出能量最大(state1)时,光轴接近或经过高斯镜的反射率中心,此时与Q开关和激光晶体中心轴存在一定角度,因此脉冲宽度和发散角增大;输出脉冲宽度最小(state2)时,光轴与Q开关中心轴一致,而激光晶体中心轴与Q开关中心轴一致,则此时发散角最小,而平均反射率下降,因此输出能量减小。

    • 当M2i位于最佳位置时,不同泵浦能量下,对激光器输出能量、脉冲宽度和发散角进行测试,同时在输出镜后20 mm处采用CCD相机(型号Spiricon SP620)和缩束镜头(缩束倍率4倍)对近场光斑直径(D)进行测试,由于激光器输出光为发散光,近场光斑近似为激光束腰,测试结果如图4所示。可以看出,当R0为30%时,ω0越大,则平均反射率越大,对应的阈值越小。相比M21、M22和M23,M25为输出镜时,激光器的阈值最小。M24平均反射率最小,因此,M24为输出镜时,激光器的阈值最大。斜率效率方面,M24和M25为输出镜时斜率效率最大,M21为输出镜时,斜率效率最低。随着泵浦能量的增加,发散角和近场光斑逐步增大,M25增长最快,ω0越小,限模作用越明显,发散角和近场光斑直径增长越慢。

      图  4  输出特性对比:(a)Eoutτ;(b)θD

      Figure 4.  Comparison of output performance: (a) Eout and τ; (b) θ and D.

      相同输出能量时的性能对比如表4图5所示。可以看出,相同输出能量下,脉冲宽度类似。M21对应的泵浦能量最大,光光效率(η)最低(12.6%),相比M22、M23和M25R0相同),θD最小,光束质量最好。M25为输出镜时,光光效率最高(16%),但θD最大,光束质量最差。相对M21,M22为输出镜时的光束质量接近,但是光光效率明显增大。相比M22,M24为输出镜时的光光效率较低(13%),但是θ减少9%,光束质量较好,M2因子约为4.6,对应的脉宽轮廓和近场光斑分布如图6所示。可以看出,脉冲宽度为7.3 ns,CCD相机测试光斑直径为1.28 mm,由于缩束镜头缩束倍率为4倍,因此实际光斑直径D约为5.1 mm。

      表 4  相同输出能量时的性能

      Table 4.  Properties under the same output energy

      ParameterM21M22M23M24M25
      Eout (mJ)128.3128.2127.2128128.1
      Epump (mJ)1020856856984802
      η12.6%15%14.9%13%16%
      τ (ns)77.27.57.37.3
      θ (mrad)1.311.341.481.221.5
      D (mm)5.25.25.55.15.7

      图  5  远场光斑分布:(a)M21;(b)M22;(c)M23;(d)M24;(e)M25

      Figure 5.  Far field beam distribution: (a) M21; (b) M22; (c) M23; (d) M24; (e) M25.

      图  6  M24为输出镜时的性能:(a)脉冲轮廓;(b)近场光斑分布

      Figure 6.  Performance with M24 as output coupler: (a) pulse trace; (b) near field beam distribution.

    • 文中对比了使用不同参数的高斯输出镜时,高斯镜的偏心量对激光器输出特性的影响及激光器的输出特性。仅当光轴与激光晶体、Q开关中心轴一致,且经过反射率中心时,可同时实现最大能量、最窄脉冲宽度和最小发散角输出。出现偏心时,高斯镜反射率半径越小或中心反射率越大,则能量下降越多,脉冲宽度和发散角增大越大。对于反射率半径为2.5 mm及中心反射率为30%的高斯输出镜,偏心0.5 mm时,能量降低7%,脉冲宽度变宽33%,发散角增大20%。输出镜反射率均匀分布时,偏心对激光输出特性影响小。激光性能方面,相同中心反射率情况下,高斯镜反射率半径越小,则激光阈值越大,光束质量越好,但是光光效率低。中心反射率对激光阈值及光束质量均有影响。综合考虑偏心影响和激光性能,反射率半径为2.75 mm及中心反射率为20%的高斯镜作为输出镜最佳,泵浦能量为984 mJ时,输出能量为128 mJ,脉冲宽度为7.3 ns,发散角为1.22 mrad,光束质量M2因子约为4.6,对应光光转换效率为13%。后续可以通过增加谐振腔腔长或优化LDA和晶体的参数及分布,提升增益均匀性而进一步优化光束质量。

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