半导体泵浦被动调Q高重频Nd_YAG激光器

第35卷，增刊红外与激光工程2006年10月V ol.35 Supplement Infrared and Laser Engineering Oct.2006半导体泵浦被动调Q高重频Nd：YAG激光器曾钦勇1，2，万勇1，2，朱大勇1，韩凯2（1.电子科技大学光电信息学院，四川成都 610054；2.西南技术物理研究所，四川成都 610041）摘要：从被动调Q固体激光器的速率方程出发，分析给出了Cr4+：YAG被动Q开关Nd：YAG激光脉冲的峰值功率、脉冲能量、脉宽及重频等相关参量表达式。

以此为基础，进行了光纤耦合输出的连续半导体激光纵向泵浦被动Q开关Nd：YAG激光器实验研究，采用不同参数Cr4+：YAG晶体作为被动Q开关，获得了不同参数的高重频脉冲激光输出。

关键词：半导体泵浦；被动调Q；高重频；固体激光器中图分类号：TN248 文献标识码：A文章编号：1007-2276(2006)增C-0177-06High repetition pulse rate diode pumped passivelyQ-switched Nd：YAG laserZENG Qin-yong1,2, WAN Yong1,2, ZHU Da-yong1, HAN Kai2(1.School of Optoelectronic Information, University of Electronic Science and Technology, Chengdu 610054, China;2.Southwest Institute of Technical Physics, Chengdu 610041, China)Abstract: Based on the rate equations of passively Q-switched solid state lasers, the pulse peak power, pulse energy, pulse width and pulse repetition rate are analyzed , and their expressions are given out mathematically. At the same time, a cw diode laser end-pumped passively Q-switched Nd：YAG laser for high repetition pulse rate is studied experimentally. Different pulsed laser parameters are obtained while different Cr4+：YAG wafers are employed in the laser system..Key words: Diode pumped； Passively Q-switched； High repetition rate； Solid state lasers0 引言半导体激光器泵浦固体激光器是固体激光器走向实用化的关键和发展方向。

它具有结构紧凑、稳定性好、寿命长等优点，用它作泵浦源可获得高重复频率、大峰值功率的窄脉冲激光。

这在激光测量、光电子对抗、激光遥感、激光医疗等领域有非常广泛的应用前景。

半导体泵浦的固体激光器采用纵向泵浦方式，泵浦光抽运方向与激光振荡方向一致，有利于更好地实现抽运光与振荡激光的空间耦合和模式匹配，因此可以比半导收稿日期：2006-08-25作者简介：曾钦勇（1970-），男，重庆人，高级工程师，博士生，主要从事光电对抗等方面的科研及管理工作。

178 红外与激光工程：激光技术与应用 第35卷 体侧面泵浦的方式获得更高的转换效率和光束质量。

近几年来，具有良好物理化学性能的慢饱和吸收体Cr 4+：YAG 的出现引起了国内外学者的极大兴趣，Cr 4+：YAG 被动调Q 方式已经在LD 抽运的Nd ：YAG ，Nd ：YLF 和Nd ：YVO 4等激光器中成功地得到运用，获得了高重复频率脉冲红外激光输出[1-3]。

相对主动调Q 方式，被动调Q 激光器结构简单，不需要任何外部驱动装置，Cr 4+：YAG 在0.9～1.2 Lm 范围内具有可饱和吸收的特性，可作为这一波长范围内激光器的被动调Q 元件，它除具有染料调Q 的优点外，还具有光化学性能稳定、热导性能好、饱和光强低及损伤阈值高等优点。

既可作脉冲激光器的Q 开关，又适合于连续泵浦激光器进行被动调Q ，以上优点使它成为全固化、长寿命、简单实用的调Q 激光器最广泛应用的可饱和吸收Q 开关之一。

文中采用光纤耦合输出的连续激光二极管端面泵浦Cr 4+：YAG 被动Q 开关Nd ：YAG 激光器。

采用结构紧凑，耦合效率高的梯度折射率透镜（GRIN lens ）耦合端面泵浦短谐振腔的技术方案，用光纤耦合输出的连续激光二极管作为泵浦源，选用Cr 4+：YAG 可饱和吸收体作为被动Q 开关器件，设计了结构紧凑的激光谐振腔，实现了被动调Q 高重频、高峰值功率脉冲激光输出。

用三片不同参数的Cr 4+：YAG 被动Q 开关晶体，分别获得了不同参数的高重频激光输出。

1 被动调Q 激光器理论分析被动Q 开关激光器谐振腔内损耗的变化与腔内激光光强有关。

通过可饱和吸收体对腔内激光的吸收，从而达到调整激光谐振腔Q 值的目的。

这类激光器的Q 脉冲靠自身材料特性形成，无需外界驱动，因而结构相对简单，也容易实现小型化。

在光泵浦初期，激光活介质中发出的荧光和受激光辐射相对微弱，饱和吸收体的吸收系数很大，谐振腔处于低Q 值，激光振荡不能建立，随着泵浦的持续激励，激光上能级积累了越来越多的粒子，工作物质中发出的荧光和受激辐射也越来越强，于是饱和吸收体的吸收系数迅速减少（漂白），谐振腔的Q 值很快增大；当Q 值提高到一定程度时，激光开始振荡，饱和吸收体就变得更透明，Q 值继续急剧上升，增大到最大值，产生一个巨脉冲；产生的这个巨脉冲迅速消耗了激光上能级的反转粒子数，引起激光熄灭，饱和吸收体重新变得不透明，为下一个脉冲的产生准备初始条件。

描述被动调Q 激光的速率方程最早由SZABO A 和STEIN R A 推导出[4]，之后DEGNAN J J 将其简化表示为[5]：s s s r d 122ln d nl n l L t t R φφσσ⎡⎤⎛⎞=−−−⎜⎟⎢⎥⎝⎠⎣⎦(1) d d n cn tγσφ=− (2) s s s d d n cn tγσφ=− (3) 式中：φ为腔内光子数密度；n 、σ、l 分别是激活介质的瞬时反转粒子数密度、受激发射截面和通光长度；s n 、s σ、s l 分别是饱和吸收体的瞬时粒子数密度、吸收截面和吸收长度；c 为真空中的光速；r 2t l c ′=为光子在腔内往返一周的时间，l ′为谐振腔的光学长度；R 为输出镜的反射率；L 为激光器的双程无用光损耗；γ为增益介质的反转降低系数，它表示激光发出一个光子导致反转粒子数密度降低的大小；s γ表示吸收体吸收一个光子对粒子数密度的影响。

由上述速率方程结合固体激光器特征方程可推导出被动调Q 激光器的脉冲单脉冲能量表达式：增刊 曾钦勇等：半导体泵浦被动调Q 高重频Nd ：YAG 激光器 179f 1ln ln 2i n h A E R n νσγ⎛⎞⎛⎞=⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠(4) 式中：f n 为脉冲结束时增益介质的反转粒子数密度；A 为激光束在激光介质内的光斑面积。

脉冲的峰值功率：max max r 1ln h Al P t R νφγ′⎛⎞=⎜⎟⎝⎠(5) 公式(4)、(5)相除可得激光脉冲宽度（FWHM ）：p max t E P = (6)相关参数代入上述公式(4)～(6)，即可求解在一定泵浦水平下激光器所能获得的激光脉冲参数。

对Cr 4+：YAG 被动调Q 端面泵浦Nd 3+：YAG 激光器，为获得重频脉冲激光输出，需合理选择Cr 4+：YAG 被动调Q 晶体的初始透过率和耦合输出镜的透过率两个参数，以获得满足应用要求的高重频激光输出。

要获得高峰值功率、高重复频率的激光，对一定的平均功率输出，脉冲重频越高，则脉冲能量越小，同时峰值功率越低；对一定的脉冲能量，则脉宽越小，峰值功率越高。

因此，在选取谐振腔元件参数时，应跟据使用要求在重复频率和脉冲能量之间进行折衷选择，对于一定的脉冲能量，则应减小脉宽以提高脉冲的峰值功率。

2 实验装置与结果半导体泵浦被动调Q 固体激光器器件结构如图1所示，泵浦源为光纤耦合输出的连续半导体激光，光纤芯径400 µm ，数值孔径0.22，出纤发散角全角25.4°，最大输出功率27 W ，中心波长807.28 nm 。

输出泵浦光束经一梯度折射率透镜聚焦后耦合进入Nd 3+：YAG 晶体，Nd 3+：Y AG 晶体端面1镀808 nm 增透与1 064 nm 高反双色膜，端面2镀1 064 nm 增透膜，晶体端面1同时作为808 nm 耦合输入和激光谐振腔的一个腔镜，与输出耦合镜共同构成激光谐振腔，Cr 4+：YAG 晶体作为被动调Q 元件放入激光晶体和谐振腔镜之间。

Nd 3+：YAG 晶体与Cr 4+：YAG 晶体置于铜制热沉中，留直径2.5 mm 小孔作为泵浦激光耦合输入及激光振荡通路，同时对激光振荡起到限模作用，两晶体端面其余部分及Nd 3+：YAG 侧面均与热沉紧密接触以帮助散热。

由于半导体端面泵浦光经GRIN 镜聚焦后功率密度大，将导致Nd ：YAG 晶体产生不可忽略的热透镜效应，对于腔内谐振激光可将其等效于凹面镜，其曲率半径等于热透镜的焦距，因此，可将原来的平行平面谐振腔视为平凹谐振腔。

对等效的平凹谐振腔，可以计算腔内谐振的基模高斯光束的相关参量，对实验中的谐振腔结构，27 W 泵浦功率时可取激光介质热透镜焦距50 mm f =，由此可计算出TEM 00模的远场发散角为6.4 mrad 。

选取了初始透过率分别为84%，88%和93%的几片Cr 4+：YAG 进行实验，耦合输出镜的反射率取85%，获得的实验数据如图2和图3所示。

用84%初透的Cr 4+：YAG 晶体，在最大泵浦注入功率时，获得了5.8 W 平均输出功率，重复频率30 kHz ，脉冲宽度11 ns ，单脉冲能量200 μJ ，峰值功率高达18 kW 。

用88%初透的Cr 4+：YAG晶体，在最大泵浦注 图1 光纤耦合端面泵浦被动调Q 激光输出实验装置示意图Fig.1 Schematic drawing of the experimental setup180 红外与激光工程：激光技术与应用 第35卷入功率时，获得了6.9 W平均输出功率，重复频率80 kHz，脉冲宽度15 ns，单脉冲能量85 μJ，峰值功率高达5.7 kW。