高重复频率电光调Q全固态激光器研究进展
高平均功率调Q激光器及其频率变换技术的研究与发展
高峰值功率激光器的研究与发展X建丰1，2，3,樊仲维1,3,4 , 裴博3,4, 薛岩3，X晶1,2,3, 尹淑媛3，牛岗1,2,3, 石朝晖1,2,3,王培峰1,2,3 , 毕勇 4(1、中国科学院XX光学精密机械与物理研究所，XX 130022；2.、中国科学院研究生院， 100049； 3、国科世纪激光技术XX，100085；4、中国科学院光电研究院，100085），摘要: 针对高峰值功率激光器的关键技术进行了介绍和分析。
对于大能量低重复频率的高峰值功率固体激光器，采用非稳腔技术，结合聚光腔增益分布的相交圆光线追迹技术，可以得到大能量高光束质量的激光输出；对于窄脉宽的纳秒/亚纳秒激光输出，端泵微片或者脉冲LD侧泵浦腔倒空技术师很好的选择；而对于超短脉冲输出的高峰值功率激光器，稳定的种子输出和再生放大在其中起着至关重要的作用。
关键词：激光技术；固体激光；相交圆聚光腔；非稳腔；亚纳秒激光；Study and development of the high peak power laser Cui Jianfeng 1,2,3,Fan Zhongwei 1,3,4, Pei Bo 3,4, Xue Yan 3, Zhang Jing 1,2,3, Yin Shuyuan3，Niu Gang 1,2,3, Shi Zhaohui 1,2,3,Wang Peifeng1,2,3, BI Yong4(1、Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and physics, ChineseAcademy of Sciences, Changchun, 1300222、Academy of graduate, Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049作者简介：X建丰(1977—)，男，XX光学精密机械与物理研究所在读博士，国科世纪激光技术XX，主要从事半导体抽运、灯抽运高平均功率调Q激光器、高能量超快固体激光器及其频率变换技术研究。
全固态调Q激光器的实验设计
全固态调Q激光器的实验设计1激光器实验设计为了使毫无激光调节经验的学生能够尽快上手，实验采用简单的平凹谐振腔结构，研究激光谐振腔与可饱和吸收体对被动调Q激光输出特性的影响．实验装置如图1所示．泵浦源采用光纤耦合输出的激光二极管(Co-herent，FAPSystem)，光学系统压缩比为1．8∶1．输入镜M1是有一定曲率半径的凹面镜，一面镀有808nm的增透膜，另一面镀808nm的增透膜和1064nm的高反膜;输出镜M2是平面反射镜．激光工作物质为Nd：LuVO4晶体，尺寸为3×3×5mm3，Nd3+的掺杂浓度为0．5at．%．激光晶体两个3×3m m2的端面均镀有808nm和1064nm增透膜用以减少谐振腔的损耗．装置中，晶体用铟箔包裹并置于铜块中，铜块通过水循环和温控半导体致冷片进行致冷，晶体温度控制在20℃左右．激光晶体应尽量靠近输入镜M1放置以减小空间烧孔效应．调制元件为直径2cm左右的GaAs薄片，在1064nm处的小信号透过率T0分别为95．7%，92．6%和93．9%，靠近输出镜放置．实验激光的输出特性由功率计和示波器测量，选用带宽为500MHz的数字示波器(Tek-tronixInc．，USA)测量和记录波形情况，用MAX500AD激光功率计测量平均输出功率(Coherent，USA)．实验中先对学生讲解全固态激光器的优点以及具体用途，使学生充分认识到研究固体激光器的重要意义．然后讲解脉冲激光器的原理与分类，重点介绍实验中用到的调Q脉冲产生的原理．由于学生对于激光器的内部结构缺少直观认识，于是讲解从激光器的基本结构出发，介绍实验所需要的仪器以及具体的组建调节方法，让学生掌握探测设备(数字示波器和激光功率计)的基本原理和操作方法．2激光器参数对输出特性影响的实验设计2．1激光谐振腔稳定输出验证实验使用的是平凹腔结构．该腔型容易形成稳定的输出模，同时具有高的光光转换效率，有利于学生观察实验现象，但是腔型设计时必须考虑模式匹配和稳定输出问题．如图1所示，输入镜M1的曲率半径为Ｒ，输出镜M2的曲率半径为Ｒ'，腔长为L，则平凹腔中的g参数为。
固体激光倍频、调q实验
固体激光倍频、调q实验声光调Q倍频YAG激光器实验声光调制器由石英晶体、铌酸锂或重火石玻璃作为声光介质，通过压电晶体电声转换器将超声波耦合，在声光介质中产生超声波光栅，介质的折射率被周期性调制形成折射率体光栅。
在腔内采用该技术，可将连续的1064nm基频光变换成10KHz的高重复率脉冲激光，由于具有重复频率和峰值功率高的特点，可获得高平均功率的倍频绿光输出。
【实验目的】(1)掌握声光调Q连续激光器及其倍频的工作原理; (2)学习声光调Q倍频激光器的调整方法;(3)了解声光调Q固体激光器的静态和动态特性，并掌握测试方法; (4)学习倍频激光器的调整方法。
【实验原理】【实验原理】声光调Q倍频连续YAG激光器的工作原理(1) 声光调Q基本原理:图1 声光调制器工作原理声光调制器是由石英晶体、铌酸锂、或重火石玻璃做为声光介质，通过电声换能器(压电晶体)将超声波耦合进去，在声光介质中产生超声波光栅。
超声波光栅将介质的折射率进行周期性调制，从而进一步形成折射率体光栅。
如图1所示。
光栅公式如下式(1) 式(1)中，是声光介质中的超声波波长，为布拉格衍射角，为入射光波波长，n为声光介质的折射率。
当入射光以布拉格角入射时，出射光将被介质中的体光栅衍射到一级衍射最大方向上。
利用声光介质的这种性质，可以对激光谐振腔内的光束方向进行调制。
当加入声光调制信号时，光束偏转出腔外，不能在腔内形成振荡，即此时为高损耗腔。
在此期间泵浦灯注入给激活介质(激光晶体)的能量储存在激光上能级，形成高反转粒子数。
当去掉声光调制信号时，光束不被偏转，在腔内往返，形成激光振荡。
由于前面积累的高反转粒子数远远超过激光阈值，所以瞬时形成脉冲激光输出，从而形成窄脉宽、高能量的激光脉冲。
声光调Q激光器工作在几千周到几十千周的调制频率下，所以可以获得高重复率、高平均功率的激光输出。
(2)倍频器件工作原理:图2 倍频晶体折射率椭球及通光方向示意图由于晶体中存在色散现象，所以在倍频晶体中的通光方向上，基频光与倍频光所经历的折射率与是不同的。
固体激光倍频、调Q实验
声光调Q倍频YAG激光器实验声光调制器由石英晶体、铌酸锂或重火石玻璃作为声光介质，通过压电晶体电声转换器将超声波耦合，在声光介质中产生超声波光栅，介质的折射率被周期性调制形成折射率体光栅。
在腔内采用该技术，可将连续的1064nm基频光变换成10KHz的高重复率脉冲激光，由于具有重复频率和峰值功率高的特点，可获得高平均功率的倍频绿光输出。
【实验目的】（1）掌握声光调Q连续激光器及其倍频的工作原理；（2）学习声光调Q倍频激光器的调整方法；（3）了解声光调Q固体激光器的静态和动态特性，并掌握测试方法；（4）学习倍频激光器的调整方法。
【实验原理】【实验原理】声光调Q倍频连续YAG激光器的工作原理（1）声光调Q基本原理：图1 声光调制器工作原理声光调制器是由石英晶体、铌酸锂、或重火石玻璃做为声光介质，通过电声换能器（压电晶体）将超声波耦合进去，在声光介质中产生超声波光栅。
超声波光栅将介质的折射率进行周期性调制，从而进一步形成折射率体光栅。
如图1所示。
光栅公式如下式（1）式（1）中，是声光介质中的超声波波长，为布拉格衍射角，为入射光波波长，n为声光介质的折射率。
当入射光以布拉格角入射时，出射光将被介质中的体光栅衍射到一级衍射最大方向上。
利用声光介质的这种性质，可以对激光谐振腔内的光束方向进行调制。
当加入声光调制信号时，光束偏转出腔外，不能在腔内形成振荡，即此时为高损耗腔。
在此期间泵浦灯注入给激活介质（激光晶体）的能量储存在激光上能级，形成高反转粒子数。
当去掉声光调制信号时，光束不被偏转，在腔内往返，形成激光振荡。
由于前面积累的高反转粒子数远远超过激光阈值，所以瞬时形成脉冲激光输出，从而形成窄脉宽、高能量的激光脉冲。
声光调Q激光器工作在几千周到几十千周的调制频率下，所以可以获得高重复率、高平均功率的激光输出。
（2）倍频器件工作原理：图2 倍频晶体折射率椭球及通光方向示意图由于晶体中存在色散现象，所以在倍频晶体中的通光方向上，基频光与倍频光所经历的折射率与是不同的。
激光二极管抽运声光调Q高重复频率532nm激光器讲解
第32卷第4期2005年4月中国激光C H IN ESE J OU RNAL O F L ASERSVol. 32, No. 4April , 2005文章编号:025827025(2005 0420461205激光二极管抽运声光调Q 高重复频率532nm 激光器冯立春, 霍玉晶, 何淑芳, 杨成伟(清华大学电子工程系, 北京100084摘要实现了重复频率高达105kHz 的紧凑的全固态声光(A -O 调Q 532nm 腔内倍频激光器。
激光器使用Nd ∶Y VO 4作为激光晶体, Ⅱ类匹配的KTP 为倍频晶体, 声光器件材料为熔融石英, 由自制的声光驱动器驱动, 其最大射频输出功率为7. 5W , 重复频率1Hz ～105k Hz 可调。
使用1W 的激光二极管(LD 抽运,50k Hz 重复频率下, 得到平均功率达224mW 的532nm 脉冲激光稳定平均输出, 总光光转换效率高达22. 4%。
低重复频率下, 可以实现脉宽为17. 2ns , 峰值功率为470W , 单脉冲能量为8. 1μJ 的稳定运转。
给出了平均功率与重复频率关系的一般公式, 并提出即使是在四能级系统中, 有效储能时间也并不等于上能级寿命, 关键词激光技术; 固体激光器; 激光二极管抽运; 储能时间; Q; 中图分类号TN248. 1文献标识码 AQ 2switched 532nmLaser with High R epetition R ateFEN G Li -chun , HUO Yu -jing , H E Shu -fang , YAN G Cheng -wei(Department of Elect ronic Engineering , Tsinghua Universit y , B ei j ing 100084, ChinaAbstract A compact , all solid -state and high repetition rate as up to 105k Hz acousto 2optic (A 2O Q 2switched intracavity frequency 2doubled 532nm laser is demonstrated. A Nd ∶YVO 4crystal is used as active media and a type 2ⅡKTP (KTiPO 4 as f requency doubler , The Q switcher is made by f used silica and driven by a driver whose maximal rf output power is 7. 5W and repetition rate is variable f rom 1Hz to 105k Hz , which is made by our own. 224mW of 532nm average power at a repetition rate of 50k Hz was generated with a 1W laser diode (LD as pump source , and a high optical -to -optical conversion efficiency of 22. 4%was obtained. Under low repetition rate , steady operation is achieved with pulse width of 17. 2ns , peak power of 470W and single pulse energy of 8. 1μJ. A general formula of average 2power as a function of pulse repetition rate is presented which has good agreement with the experiment results. Analysis and experimental verification showed that , even in four 2level system , the effective storage time is not equal to the upper state lifetime.K ey w ords laser technique ; solid 2state laser ; laser diode pumped ; storage time ; acousto 2optics Q 2switched ; intracavity second harmonic generation ; high repetition 2rate1引言声光(A -O 调Q 脉冲激光器已被广泛应用于激光测距、大气监测、激光雷达、光电对抗、激光加工和医疗等领域。
高峰值功率重频固体激光器及其应用的研究
用主振加功放的设计方法， 结构设计为～级振荡、二级放大，电光ｑ开关重复频率运转方式。由三
路开关型激光电源供电， 器件通过冷却器内循水冷却，从而组成结构紧凑，体积小、重量轻、性能稳
定的重复频率高峰值功率Ｎｄ：ＹＡＧ激光系统。图１给出了激光头部分的示意图，它包括Ｎｄ：ＹＡＧ激光振
荡器、两级Ｎｄ：ＹＡＧ激光放火器、倍频器、测试仪器等。激光器的主要技术指标为：
发ｉ｝望远趋
，———～—’
曰＝．窑器装置ｉｉ慧国
从理论上说要造成光电传感器的损伤和破坏，关键是要在光电传感器的接收面上产生足够鬲ｎ々 功率密度，造成目标材料囡过热而产生热解损伤”Ｊ。光电探测器的损坏与激光功率密度、距离、怍Ｊｉｊ 时间等冈素有关”ｊ，激光的功率密度越高、光束发敞角越小，作用距离越远。我们在距离９０２米、１２５２ 米、１５１５米和２０９２米迸行了试验，从实验中发现，在高峰值功率重频同体激光作明卜，模似导引头 中的Ｐｉｎ管或雪崩管受损．损坏现象归纳起来有以下几个方面：１）无光讯号：２）光敏面有烧蚀坑， 窗口玻璃有烧蚀痕迹；３）ＰＮ结被击穿，加不上偏压：４）噪声增人，当偏压增加时，噪卢的增＆速 度人丁讯号增长速度，无法建立］：作点； ５）前放组件坏，致使探测器无光讯号输出或反相讯号输出 等。以上任何一种现象豹出现都可使光电探测器被损坏。晟后实验结果是，当高峰值功率Ｎｄ：ＹＡＧ阿 体激光器输出能量１ Ｊ，脉冲，重频２０次，秒．照射时间３秒时，可以使２公里距离外的模似导引头中的 光电探测器被破坏。 由＿Ｆ试验条件和场地的限制，没有进行更远距离的实验。
ｌ高峰值功率固体激光器
高峰值功率重频脉冲固体激光器主要是通过激光脉冲压缩技术、激光放大技术和激光模式控制技 术而实现，它是一种主振一放大结构（ＭＯＰＡ系统），由主振荡器决定激光输出的脉冲宽度、重复频率、 光束质耸和谱线宽度等指标．由放大器将激光输出的峰值功率按放大器级数逐级提高。高峰值功率重 频脉冲同体激光器对激光材料的要求主要有以下几点”３：１）阈值低．效率高，满足实际应用对固体激 光器重苗和体积的限制：２）高贮能，即荧光寿命长．饱和能量密度高；３）热物理性能好，热传导系 数人．热膨胀系数小；（４）光学性能好，消光比高，尺寸大。目前满足上述要求适合于高功率高重频 脉冲运转的嗣体激光材料主要是Ｎｄ：ＹＡＧ晶体。
高重复频率LD侧面泵浦Nd_YAG电光调Q激光器
第23卷增刊光电工程V o l123, Sup. 1996年12月Op to2E lectron ic Engineering D ec,1996 高重复频率LD侧面泵浦N d∶YA G电光调Q激光器Ξ王卫民 杨成龙 陈津燕 唐 淳杨森林 廖银燕 邵英斌(中国工程物理研究院流体物理研究所,成都,610003)吕百达 蔡邦维(四川联合大学激光物理与化学研究所,成都,610064)摘要 文中介绍二极管激光侧泵浦Q开关激光器,激光介质是N d∶YA板条,几何尺寸为20.3mm×5mm×2.5mm,二极管激光与板条之间用柱透镜耦合,激光谐振腔为平凹腔,输出镜曲率半径为1m,透光率T=0.33。
用KD★P电光Q开关,得到输出脉宽为12.7n s、单脉冲能量1.97m J的激光,光束质量M2x=2.69、M2y=1.87,重复频率98H z。
主题词 Q开关激光器,二极管泵浦,二极管激光器。
H igh Repetition Ra te LD Side-Pu m ped Nd∶YAGElectro-Optic Q-Sw itched La serW ang W e i m i n,Yang Chenglong,Chen J i nyan,Tang Chun,Yang Sen l i n,L i ao Y i nyan,Shao Y i ngb i n(Institu te of F lu id P hy sics,Ch ina A cad e m y ofE ng ineering P hy sics,Cheng d u,610003)L u Ba ida,Ca i Bangwe i(Institu te of laser P hy sics and Che m istry,S ichuan U n ion U n iversity,Cheng d u,610064)Abstract A di ode laser side2pum ped N d∶YA G Q2s w itched laser is p resen ted inthe pap er.T he laser m edium is N d∶YA G slab.T he slab size is20.3mm×5mm×2.5mm.A cylindrical rod len s is u sed as coup ler betw een the LD and the N d∶YA GΞ该课题得到国家高技术863资助。
2006.高重频双端泵浦全固态Nd∶YVO4声光调Q激光器
接近 808. 7nm，与 NdI YVO4 晶体的吸收峰相匹配。 采用自行研制的非球面光学耦合系统，将泵浦光整
中 l = l0mm，通 过 试 验 分 析 取 Pph = l5% P 。 pumpPower 图 2 就是根据上述参数计算出来的激光晶体热焦距
形为直径为 750!m 左右的圆形光斑，系统的传输透 与泵浦光功率和泵浦光斑半径之间的关系曲线，可
现了 l00khz 的高重复频率下的稳定调 O 激光输
出。最终在 晶 体 注 入 总 功 率 为 50W，最 高 重 复 频
率为 l00khz 的条件下，平均输出功率为l8. 2lW， 脉 冲 宽 度 为 62ns，相 应 光 光 转 换 效 率 为36. 4% 。 在最低重 复 频 率 为 l0khz 时，具 有 最 大 单 脉 冲 能 量 l. 3mJ，相应脉冲宽度为 l6. 4ns，峰值功率达到 了 80kW。 2 实验装置
激 光 与 红 外 No. 8 2006
石朝辉 张晶 牛岗等 高重频双端泵浦全固态 NdIYVO4 声光调 O 激光器
637
以明显看出，随着泵浦光功率的增加，晶体的热效应 变的越来越严重，相应的等效热焦距也越短。同时， 在同样的泵浦光功率水平下，泵浦光斑的尺寸越小， 晶体的热效应也越严重。因此，大功率泵浦时在基 本满足与腔膜匹配的条件下，泵浦光半径应该尽量 增大以减小晶体热效应。图 3 为根据有源腔结合晶 体热透镜效应，利用 ABCD 矩阵公式模拟计算出来 的激光晶体上的基模光斑半径尺寸与单个晶体热焦 距的关系曲线。在单端 25W 左右的注入功率，泵浦 光直径 750!m 的条件下，晶体热焦距为 130mm 左 右。从图 3 可以看出，在泵浦光功率的逐渐增加，相 应晶体的热焦距不断减小的整个过程中，泵浦光和 腔模之间都可以维持非常好的模式匹配，这是高功 率条件下获得基横模输出的根本条件［9］。
全固态激光技术与器件研究进展
光学发展前沿专题全固态激光技术与器件研究进展姓名：韩璐学号：2015020645一、在全固态激光技术中，实现纳秒脉冲输出和皮秒脉冲输出的方式为了获得窄脉冲高峰值功率激光束，人们发展了Q调制、锁模、增益开关及腔倒空等技术，其中Q调制和锁模技术是实现纳秒脉输出和皮秒脉冲输出的主要手段。
1、Q调制技术Q调制技术的基本原理是通过某种方式使谐振腔中的损耗因按照规定的子按照规定的程序变化，在泵浦激励刚开始的时候，先使光腔具有较高的损耗因子，从而使激光器因为阈值高而不能产生激光震荡，从而使得亚稳态上的粒子能够积累到较高的水平。
然后在适当的时刻，使腔中的因子突然降低，此时，阈值辐射会迅速增强，从而使上能级储存的大量粒子的能量在极短的时间内转变为激光能量，想成一个很强的激光脉冲输出。
调Q 技术能够获得峰值功率在兆瓦以上，且脉冲宽度为几十纳秒的激光脉冲，实现纳秒脉冲输出。
常用的Q调制方法有电光调Q、声光调Q以及被动调Q等。
其中，电光调Q是利用了某些晶体的普克尔效应（某些晶体在外加电场的作用下，其折射率的变化与电场成正比），通过改变电光晶体两端的电压，使得其折射率发生突变，来改变谐振腔的损耗，来实现Q突变的方法。
电光Q 开关是目前使用最广泛的一种Q开关，适用于脉冲激光器，其109-）。
主要特点是开关时间短（约s声光调Q 是利用了声波在某些介质中传播时，该介质会产生与声波信号相对应的、随时间和空间周期变化的弹性形变，从而导致介质折射率的周期性变化，形成等效的位相光栅这一特性，利用一块对激光波长透明的声光介质和换能器组成声光Q开关。
将声光Q开关置于激光场中，通过换能器将外界输入的高频信号转换为超声波，作用于声光介质，使声光介质成为特定的位相光栅，从而发生衍射，由于以及衍射光偏离谐振腔而使得激光震荡难以形成，在高能级积累大量的粒子。
若突然撤去超声场，衍射效应将即刻消失，谐振腔损耗骤然下降，从而形成激光脉冲。
声光开关可用于制作低增益的连续激光器，但对于高能量激光器的开关能力差，不能用于高能调Q 激光器。
全固态中波红外激光器研究进展
全固态中波红外激光器研究进展钱传鹏,余 婷,刘 晶,施翔春,叶锡生†(中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息技术研究中心,上海201800)摘 要:高性能的3~5μm 全固态中波红外激光器在激光医疗㊁激光雷达㊁环境监测和光电对抗等领域具有广阔的应用前景㊂目前,全固体激光器获得3~5μm 中波红外激光的技术途径主要有3种:量子级联㊁直接泵浦增益介质及非线性频率转换㊂本文首先简要介绍了这3种技术途径产生中波红外激光的原理;其次,介绍了量子级联在实现高功率中波红外激光方面的研究现状和面临的瓶颈问题;再次,选取直接泵浦增益介质和非线性频率转换2种技术途径中的几种代表性晶体,论述了其在中红外激光平均输出功率㊁脉冲能量和脉冲宽度3个方面的研究成果;最后,对比了3种技术途径的优缺点,总结并展望了技术发展趋势㊂关键词:非线性频率转换;直接泵浦增益介质;量子级联激光器;全固态中波红外激光器中图分类号:T N 248 文献标志码:AD O I :10.12061/j.i s s n .20956223.2020.040102R e s e a r c h P r o gr e s s o f A l l -S o l i d -S t a t e M i d -I n f r a r e d L a s e r Q I A N C h u a n -p e n g Y U T i n g L I U J i n g S H I X i a n g -c h u n Y E X i -s h e n gR e s e a r c h C e n t e r o f S p a c e L a s e r I n f o r m a t i o n T e c h n o l o g y S h a n g h a i I n s t i t u t e o f O pt i c s a n d F i n e M e c h a n i c s C h i n e s e A c a d e m y o f S c i e n c e s S h a n gh a i 201800 C h i n a收稿日期:20200621;修回日期:20200814基金项目:强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室专项经费资助项目(S K L I P R 1601Z )†通信作者:叶锡生(1967- ),男,江苏泰兴人,研究员,博士,主要从事激光技术与激光应用研究㊂E -m a i l :x s ye @s i o m.a c .c n A b s t r a c t 35μm a l l -s o l i d -s t a t e m i d -i nf r a r e d l a s e r w i t h h igh p e r f o r m a n c e h a s wi d e p r o m i s i n g a p p l i c a t i o n s i n t h e f i e l d s o f l a s e r m e d i c i n e l i d a r e n v i r o n m e n t a l m o n i t o r i n g ph o t o e l e c t r i c c o u n t e r m e a s u r e a n d s o o n A t p r e s e n t t h e r e a r e t h r e e m a i n t e c h n i c a l a p pr o a c h e s t o o b t a i n m i d -i n f r a r e d l a s e r i e q u a n t u m c a s c a d e d i r e c t -p u m pe d g a i n m e d i u m a n d n o n l i n e a rf r e q u e n c y c o n v e r s i o n F i r s t l y t h e p r i n c i p l e s o f m i d -i n f r a r e d l a s e rg e n e r a t e d b y th e t h r e e w a y s a r e b ri e f l y i n t r o d u c e d S e c o n d l yt h e r e s e a r c h s t a t u s a n d b o t t l e n e c k o f q u a n t u m c a s c a d e i n r e a l i z i n g h i g h p o w e r m i d -i n f r a r e d l a s e r a r e d e m o n s t r a t e d T h i r d l y s e v e r a l t y p i c a l c r y s t a l s o f d i r e c t -p u m p e d g a i n m e d i u m a n d n o n l i n e a r f r e q u e n c y c o n v e r s i o n a r e s e l e c t e d a n d t h e r e s e a r c h p r o g r e s s o n a v e r a g e o u t p u t p o w e r p u l s e e n e r g ya n d p u l s e w i d t h o f m i d -i n f r a r e d l a s e r i s d i s c u s s e d F i n a l l y t h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f t h e t h r e e a p pr o a c h e s a r e c o m p a r e d a n d t h e d e v e l o p m e n t t r e n d i s p r o s pe c t e d K e yw o r d s n o n l i n e a r f r e q u e n c y c o n v e r s i o n d i r e c t -p u m p e d g a i n m e d i u m q u a n t u m c a s c a d e l a s e r a l l -s o l i d -s t a t e m i d -i n f r a r e d l a s e r处于大气传输窗口的3~5μm 中波红外激光在激光雷达㊁激光成像㊁化学遥感㊁环境监测㊁激光医疗和光电对抗等领域具有广阔的应用前景㊂与2μm短波红外激光相比,3~5μm 中波红外激光在水和1-201040第11卷第4期2020年12月现代应用物理MO D E R N A P P L I E D P H Y S I C SV o l .11,N o .4D e c .2020生物组织中的吸收系数更大㊁穿透深度更小,因而在激光医疗应用中更有优势㊂3~5μm波段包含多种气体分子的吸收峰,如C H4(3.3μm)㊁H C l(3.5μm)㊁H C H O(3.5μm)㊁N2O(3.9μm和4.5μm)㊁S O2 (4μm)㊁C O2(4.25μm)及C O(4.6μm)等[12],因此,在工业生产和环境监测中,基于3~5μm波段的差分吸收激光雷达具有重要的应用价值㊂此外,由于飞机和火箭发动机燃烧流场所释放的红外光主要处于3~5μm波段,所以,中波红外激光还可应用于激光制导和光电对抗等领域中[35]㊂目前,研制全固态中波红外激光器主要有3类技术途径,即量子级联㊁直接泵浦以过渡金属离子掺杂的 I I族V I族 型化合物作为增益介质及非线性频率转换㊂量子级联激光器(q u a n t u m c a s c a d e l a s e r,Q C L)属于半导体激光器㊂常规P N结半导体激光器又称激光二极管(l a s e r d i o d e,L D),其输出激光波长由材料带隙宽度决定㊂受窄带隙半导体材料制备技术的限制,高性能P N结中波红外半导体激光器的研制至今未取得重大进展㊂Q C L利用量子阱子带间的电子跃迁代替窄带隙半导体的带间光学跃迁,发射激光的波长由量子阱厚度控制[6]㊂以T m2+,C r2+,F e2+,C o2+等过渡金属离子掺杂的Z n S,Z n S e,C d S e,C d T e等 I I族V I族 型化合物作为增益介质时,晶体能级分裂较小且有热导率及硬度高等特点,可通过直接泵浦获得3~5μm中波红外激光[79]㊂基于非线性频率转换的激光器结构简单,利用不同的非线性晶体可实现从紫外(200n m)到长波红外(12μm)的宽光谱范围可调谐输出,且晶体本身并不参与能量交换,没有量子亏损,因此,产热很少㊂近20多年来,随着中波红外光电技术的不断进步,相关应用对中波红外光源的需求也在不断增强,要求实现更高的平均功率㊁更大的脉冲能量和更窄的脉冲宽度㊂本文主要介绍上述3类全固态3~5μm 中波红外激光器在平均功率㊁脉冲能量和脉冲宽度3方面的实验研究现状及未来发展前景㊂1量子级联激光器1994年,F a i s t等首次利用量子阱子带间的电子跃迁建立了波长为4.2μm的半导体激光器,并将其命名为量子级联激光器(Q C L)[10]㊂Q C L的出现使宽带隙半导体材料可用于输出中波红外激光,极大地拓展了激光增益介质材料选择的范围㊂Q C L有2个特点:1)可通过改变耦合量子阱子带间距实现宽波长范围的激光输出;2)可通过串联多级耦合量子阱模块的方式,实现高功率激光输出㊂对Q C L的研究涉及工作波长㊁波长调谐和输出功率等方面㊂在拓展工作波长方面,研究方向主要为改变有源区的材料种类㊂在短波方向,I n A s/A l S b材料体系实现了波长为2.63μm的激光输出[11];在长波方向,I n0.53G a0.47A s/G a A s0.51S b0.49材料体系实现了波长为28μm的激光输出[12]㊂波长调谐主要采用阵列[13]㊁单片多驱[14]和外腔(e x t e r n a l-c a v i t y,E C)[15]等常用方式,其中,E C-Q C L方式的调谐范围最宽,已实现约600c m-1的宽光谱输出[16]㊂对输出功率的研究是本文关注的重点,下面重点介绍高功率3~5μm中波红外Q C L㊂2007年,S e m t s i v等设计了大应变补偿I n0.73G a0.27A s/I n0.55A l0.45A s/A l A s有源区结构的Q C L[17]㊂虽然所需偏转电压有所提高,但可输出更短的波长㊂在温度为80K的调Q模式下,输出最大峰值功率达120mW,波长为3.05μm㊂2008年, B a i等报道了一台双快速非辐射纵光学声子(l o n g i t u d i n a l o p t i c a l p h o n o n s,L O)共振结构Q C L[18],通过光学声子散射的方式限制上下能级激光寿命,且专门为I n P设计了散热效果更好的波导结构,室温下最大输出功率达1.3W,波长为4.2μm,电光转换效率大于10%;2009年,该研究组将室温连续输出功率提高至3.4W[19],这是迄今双L O共振结构的最高输出功率㊂2009年,L y a k h 等采用非共振抽取有源区能带结构[20],Q C L在室温下最大可输出功率为3W的4.7μm中波红外激光,电光转换效率为12.7%,通过优化波导结构,最大输出功率可提高至4.5W㊂图1为非共振抽取有源区能带结构示意图㊂图1非共振抽取有源区能带结构示意图[20]F i g.1D i a g r a m o f b a n d s t r u c t u r e o f n o n-r e s o n a n te x t r a c t i o n of a c t i v e r eg i o n[20]2-201040第11卷现代应用物理2010年,B a i 等通过图2所示的浅阱和高势垒弛豫区能带结构设计,并在Q C L 核心内加入5种不同材料,提高了Q C L 运行的工作温度和电光转换效率[21];2011年,该研究组利用该结构的Q C L 获得了室温输出功率为5.1W ㊁电光转换效率达21%的4.9μm 基横模中波红外激光[22]㊂图2浅阱和高势垒弛豫区能带结构[21]F i g .2B a n d d i a gr a m o f s h a l l o w -w e l l c o m b i n e d w i t h t a l l -b a r r i e r r e l a x a t i o n[21]2012年,B a n d y o p a d h y a y 等采用大应变补偿I n 0.80G a 0.20A s /I n 0.18A l 0.82As 有源区结构设计,Q C L 室温工作波长可达3.4μm ,最大连续输出功率为0.5W [23]㊂综上可见,在高功率中波红外Q C L 的研究中,可以实现瓦级激光功率的有源区结构主要有3种,即双L O 共振㊁非共振抽取和浅阱结合高势垒弛豫区;在3~5μm 中波红外波段,单管Q C L 室温下最大输出功率为5.1W ,电光转换效率为21%;较低的转换效率导致Q C L 存在严重的热积累问题,直接制约着Q C L 输出功率的提升㊂目前,研究人员正试图从有源区材料优化㊁散热工艺设计和合束3个方向探索解决热积累问题㊂2直接泵浦增益介质激光器该类激光器是通过L D 或其他固体激光泵浦增益介质直接产生中波红外激光,其关键在于增益介质需具有合适的能级结构和跃迁机制㊂T m 2+,C r 2+,F e 2+,C o 2+等过渡金属离子掺杂的 I I 族V I 族型化合物Z n S ,Z n S e ,C d S e ,C d T e ,是目前中波红外激光增益介质的主要研究对象与发展方向,技术较成熟的主要有C r 2+ʒZ n S e ,C r 2+ʒZ n S ,F e 2+ʒZ n S e ,F e 2+ʒZ n S㊂其中,C r 2+ʒZ n S e 和C r 2+ʒZ n S 的晶体光学特性优良[2426],并在饱和吸收体[27]㊁高功率[28]㊁窄线宽[29]㊁大能量[30]和超短脉冲[31]激光输出方面均具有优势,但目前发射波长的上限为3.3μm ㊂2006年,U e m i r b a s 等采用重复频率为1k H z㊁脉冲宽度为145n s 的N d ʒY A G 激光器泵浦K T P (K T i O P O 4)-O P O (o p t i c a l pa r a m e t r i c o s c i l l a t o r ),再以产生的1570n m 激光泵浦C r 2+ʒZ n S e 激光器开展实验研究[32],实验装置如图3所示㊂实验对比了单程泵浦和内腔泵浦2种方式的激光器性能,并采用腔内棱镜调谐的方式实现了1880~3100n m 波长连续可调谐㊂但受晶体低吸收因数的限制,该激光器在2700~3100n m 波段的输出功率小于20mW㊂图3内腔泵浦增益切换型C r 2+ʒZ n S e 激光器的实验装置图F i g.3S c h e m a t i c o f t h e g a i n -s w i t c h e d O P O i n t r a c a v i t y Cr 2+ʒZ n S e l a s e r 2010年,S o r o k i n 等利用连续运转的1607n mE r 光纤激光器分别泵浦单棱镜C r 2+ʒZ n S e 激光器和C r 2+ʒZ n S 激光器[33]㊂C r 2+ʒZ n S e 激光器实现了1973~3339n m 波长调谐,在3μm 处的输出功率约为160mW ;C r 2+ʒZ n S 激光器实现了1962~3195n m波长调谐,在3μm 处的输出功率约为200mW ㊂可以看出,以C r 2+ʒZ n S e 和C r 2+ʒZ n S 作为增益介质,由于受晶体光谱特性的限制,要实现波长大于3μm 的激光输出比较困难,目前获得的3~5μm 中波红外激光功率仅能达到百毫瓦水平㊂F e 2+ʒZ n S e 和F e 2+ʒZ n S 的激光输出波长范围可达3.5~5.0μm ,且晶体具有较大的发射截面,但因存在温度淬灭效应,故这2种晶体主要适宜在低温条件下实现中波红外激光输出㊂与F e 2+ʒZ n S 晶体相比,F e 2+ʒZ n S e 晶体的上能级寿命更长,是目前国内外研究的重点㊂1999年,A d a m s 等以2.698μm 的E r ʒY A G 激光泵浦单晶F e 2+ʒZ n S e ,在15~180K 低温条件下,实现了3.98~4.54μm 波长可调谐输出,并在温度为3-201040钱传鹏等:全固态中波红外激光器研究进展第4期130K 实现了能量为12μJ 的脉冲输出[34],这是低温下实现F e 2+ʒZ n S e 激光输出的首次报道㊂2005年,K e r n a l 等利用2.92μm 激光泵浦F e 2+ʒZ n S e,首次在室温下实现了4.4μm 中波红外激光输出,最大输出能量为1μJ ,脉冲宽度为5n s [35]㊂2013年,F r o l o v 等利用2.94μm 的E r ʒY AG 激光器泵浦F e 2+ʒZ n S e [36],实验装置如图4所示㊂该装置在85K 低温条件下实现了2.1J 的4.1μm 激光输出,重复频率小于1H z;对比实验表明,在相同泵浦条件下,该装置常温时仅输出42m J 的激光㊂图4F e 2+ʒZ n S e 激光器实验装置[36]F i g .4S c h e m a t i c d i a g r a m o f t h e F e 2+ʒZ n S e l a s e r s ys t e m [36]2015年,姚宝权研究组利用Z G P -O P O 输出的1k H z ,2.9μm 信号光泵浦F e 2+ʒZ n S e,得到的最大平均功率㊁脉冲宽度和波长调谐范围分别为53mW ,25n s ,4.33~4.61μm [37]㊂2019年,该研究组对其实验装置进行了优化,输出激光的最大平均功率㊁脉冲宽度和波长调谐范围分别为58mW ,2.7n s ,4.03~4.59μm [38]㊂2015年,M a r t ys h k i n 等以波长为2.94μm 的E r ʒY A G 激光泵浦F e 2+ʒZ n S e ,在77K 低温条件下,采用色散腔结构实现了平均功率为23W 的激光输出,采用自由腔结构实现了平均功率为35W 的激光输出,重复频率为100H z,波长调谐范围为3.88~4.17μm [39],实验装置如图5所示㊂图5多光束泵浦可调谐F e 2+ʒZ n S e 激光器实验装置[39]F i g .5E x pe r i m e n t a l d e v i c e of t u n a b l e F e 2+ʒZ n S e l a s e r s y s t e m p u m p e d b y m u l t i pl e b e a m s [39]2016年,F r o l o v 等报道了一台大能量F e 2+ʒZ n S e激光器[40],其泵浦源为可输出最大能量为28J㊁波长为2.94μm 的E r ʒY A G 激光器,泵浦光脉冲宽度为1.2m s ,由一系列脉宽约0.5μs 的脉冲簇组成㊂通过液氮制冷的方式将F e 2+ʒZ n S e 晶体保持在85K ,实验获得了能量为10.6J 的4.1μm 中波红外激光输出,这是目前报道的中波红外激光的最大脉冲能量,光光转换效率达37%㊂2017年,M a r t ys h k i n 等以掺铥光纤激光泵浦C r ʒZ n S e 获得的2.94μm 激光再泵浦F e 2+ʒZ n S e,在77K 低温条件下,获得功率为9.2W 的4.15μm连续激光输出[41],这是连续模式下F e 2+ʒZ n S e 的最高输出功率㊂2018年,F r o l o v 等报道了一台热电致冷的F e 2+ʒZ n S e 激光器[42],其泵浦源为2.94μm 的E r ʒY A G 激光器,在温度为220K ㊁重复频率为1/60H z 条件下实现了能量为7.5J 的脉冲激光输出,光光转换效率达30%,波长调谐范围为3.75~4.82μm ,实验装置如图6所示㊂图6大能量可调谐F e 2+ʒZ n S e 激光器实验装置F i g .6E x p e r i m e n t a l d e v i c e o f l a r g e e n e r g y t u n a b l e F e 2+ʒZ n S e l a s e r s ys t e m 4-201040第11卷现 代 应 用 物 理2018年,P u s h k i n等以2.8μm的E rʒZ B L A N光纤激光器直接泵浦F e2+ʒZ n S e,在77K低温条件下获得了2.1W连续激光输出,波长调谐范围为4012~4198n m[43],这是通过直接泵浦F e2+ʒZ n S e 方式获得中波红外连续激光输出的首次报道㊂2020年,U e h a r a等报道了一台以E rʒZ B L A N光纤激光器连续泵浦主动调Q的F e2+ʒZ n S e激光器,输出波长为4μm[44]㊂该激光器在连续模式下,实现了最高1.15W的激光输出;在调Q模式下,重复频率范围为5~40k H z;在重复频率为5k H z时可获得最大峰值功率1.1k W,这是F e2+ʒZ n S e实现高重频㊁高峰值功率3~5μm中波红外激光的首次报道㊂泵浦F e2+ʒZ n S e晶体所需的激光波长约为3μm,常用泵浦源为掺杂E r2+或C r2+的增益介质激光器㊁H F气体激光器及光参量振荡器等,增益介质包括E r2+ʒY A G,E r2+ʒY S G G,C r2+ʒY S G G, C r2+ʒZ n S e,E r2+ʒZ B L A N等㊂目前,F e2+ʒZ n S e在获得大能量(10.6J)和高功率(35W)3~5μm中波红外激光方面具有明显优势,但缺陷也比较明显,如F e2+ʒZ n S e在120K低温时的上能级寿命为105μs,但在由低温升至常温300K的过程中,上能级寿命急剧下降至355n s㊂所以,通过F e2+ʒZ n S e 获得大能量和高功率3~5μm中波红外激光输出均需低温条件,常温下的实验结果较差㊂3非线性频率转换激光器与F e2+ʒZ n S e利用能级间光子跃迁实现激光输出的传统增益介质激光器不同,非线性频率转换激光器利用非线性晶体的二阶非线性效应(主要为差频),通过电磁场相互作用改变激光波长㊂比较常见的非线性频率转换激光器有光学参量振荡器(o p t i c a l p a r a m e t r i c o s c i l l a t o r,O P O)和光学参量放大器(o p t i c a l p a r a m e t r i c a m p l i f i e r,O P A)㊂作为非线性频率转换的核心器件,非线性晶体的物理和光学特性直接决定着激光器的输出性能㊂常用红外波段非线性光学晶体的特性参数[4547],如表1所列㊂表1常用红外波段非线性光学晶体的特性参数[4547]T a b.1P h y s i c a l a n d o p t i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f i n f r a r e d n o n l i n e a r c r y s t a l s[4547]N o n l i n e a r c r y s t a l W a v e l e n g t h o ft r a n s p a r e n tr a n g e/μmN o n l i n e a rc o e f f i c i e n t/(p m㊃V-1)T h e r m a lc o nd u c t i v i t y/(W㊃(m㊃K)-1)D a m a g e t h r e s h o l d/(GW㊃c m-2)L i N b O3(L N)0.35~4.5d22=2.1,d31=4.3,d33=27.25.60.20K T i O P O4(K T P)0.35~4.0d15=1.9,d24=3.6,d33=16.90.41.5K T i O A s O4(K T A)0.35~5.2d15=4.2,d24=2.8,d33=16.2201.0A g G a S20.5~13.0d36=13.41.50.04A g G a S e20.5~15.0d36=33.010.04Z n G e P2(Z G P)2.0~12.0d14=75.03530C d S e0.75~20.0d15=18.0628P e r i o d i c a l l y p o l e dK T P(P P K T P)0.28~4.5d33=16.8-0.58P e r i o d i c a l l y p o l e dl i t h i u m n i o b a t e(P P L N)0.33~5.5d33=27.250.3B a G a4S e7(B G S e)0.47~18.0d16=0.643,d23=20.40.6555-201040钱传鹏等:全固态中波红外激光器研究进展第4期根据非线性频率转换的匹配方式,可将非线性晶体分为准相位匹配晶体和角度匹配晶体2类㊂在准相位匹配晶体中,P P L N晶体具有非线性系数大㊁调谐范围宽及光学特性好的优点,目前最为常用,其缺陷是损伤阈值较低,很难在室温下实现高功率运行,因此,通常在P P L N晶体中掺入M g2+以提高损伤阈值㊂2012年,L i u等报道了一台单谐振M g OʒP P L N-O P O激光器[48],其泵浦源为单频掺镱光纤激光器,可输出最大功率为49W的线偏振激光㊂单谐振M g OʒP P L N-O P O采用光栅周期分别为29.5μm和30.5μm的2种M g OʒP P L N晶体,对应输出闲频光波长范围分别为3654~3811n m 和3248~3414n m,并在波长为3414n m时获得了最大输出功率12W㊂2015年,X u等报道了一台皮秒M g OʒP P L N-O P O激光器[49],泵浦光为1.035μm的光纤MO P A(m a s t e r o s c i l l a t o r p o w e ra m p l i f i e r)激光器,最大输出能量为11μJ,脉冲宽度为150p s㊂M g OʒP P L N-O P O激光器的波长可在2.3~3.5μm调谐,重复频率和单脉冲能量分别为1MH z和1.5μJ,光光转换效率达43%㊂2016年, R i g a u d等报道了一台飞秒M g OʒP P L N-MO P A激光器[50]㊂该激光器以长度为10mm的Y A G晶体产生的1550n m超连续谱作为种子光,经过基于M g OʒP P L N晶体的1级O P A放大和2级O P C P A (o p t i c a l p a r a m e t r i c c h i r p e d p u l s e a m p l i f i e r)放大,用输出波长为1030n m㊁重复频率为125k H z㊁脉冲宽度为400f s㊁最大输出能量为400μJ的掺镱光纤激光器作为Y A G激光器及3级放大系统的泵浦源㊂该MO P A系统输出的1550n m信号光单脉冲能量为20μJ,脉冲宽度为49f s,3070n m闲频光单脉冲能量为10μJ,脉冲宽度为72f s㊂同时,R i g a u d等对最后一级放大系统中波束畸变引起的功率缩放限制进行了理论研究㊂2016年,K u m a r等以一台1064n m锁模Y b光纤激光器作为泵浦源,通过泵浦单光栅结构M g OʒP P L N晶体,首次在室温条件下以角度调谐方式实现了中波红外激光输出[51]㊂当晶体的θ在0ʎ~30ʎ变化时,信号光和闲频光的波长调谐范围分别为1413~1900n m和2418~ 4307n m;当闲频光波长为2950n m时,输出功率为1.7W,总提取效率达45%㊂2016年,P e n g等报道了一台M g OʒP P L N-MO P A系统[52],实验装置如图7所示㊂M g OʒP P L N-O P O的泵浦源为1064n m 脉冲激光器,重复频率为20k H z㊁脉冲宽度约80n s㊁最大输出功率为23W㊂M g OʒP P L N-O P A的泵浦源为1064n m MO P A激光器,最大输出功率为310W㊂通过调节晶体温度,该M g OʒP P L N-M O P A 激光器可实现2.68~3.07μm激光输出,当输出波长为3.07μm时,最高平均功率为66.7W,这是M g OʒP P L N晶体产生3~5μm中波红外激光的最高输出功率㊂图7高功率M g OʒP P L N M O P A激光器实验装置[52]F i g.7E x p e r i m e n t a l d e v i c e o f h i g h p o w e rM g OʒP P L N M O P A l a s e r s y s t e m[52] 2017年,N i u等利用波长为1064n m㊁脉宽为25n s㊁重频为50H z的N dʒY A G激光器泵浦单谐振M g OʒP P L N-O P O[53]㊂当输出波长调谐至3.5μm时,最大输出能量达3.47m J,对应的光光转换效率为16.5%㊂2019年,P a r s a等报道了一台高光束质量皮秒级中波红外M g OʒP P L N激光器[54],实验装置如图8所示㊂泵浦源为Y b光纤激光器,脉宽约为20p s,线宽为1.38n m,重频约为80MH z㊂在最大泵浦功率为11W下, M g OʒP P L N激光器闲频光和信号光分别实现了2198~4028n m和1446~2062n m波长调谐输出,闲频光在波长为3340n m时的最高输出功率约1W,光束质量M2<1.1㊂图8高光束质量皮秒级中波红外M g OʒP P L N激光器实验装置F i g.8E x p e r i m e n t a l d e v i c e o f h i g h b e a m q u a l i t yp i c o s e c o n d M g OʒP P L N l a s e r s y s t e m6-201040第11卷现代应用物理综上可见,M g OʒP P L N晶体在实现高功率和窄脉宽3~5μm中波红外激光方面均有较好的表现㊂目前,制约M g OʒP P L N晶体实现更高功率和更大能量中波红外激光输出的主要因素为晶体的尺寸㊂晶体的尺寸和损伤阈值限制了M g OʒP P L N晶体可承受的泵浦功率㊂在角度匹配晶体中,A g G a S2和A g G a S e2的热导率和损伤阈值均较低,在高功率实验中很容易形成热积累并出现损伤,不利于实现高功率中波红外激光输出[5556]㊂C d S e的热导率和损伤阈值高,但只有二类相位匹配方式,无法获得3~5μm中波红外激光输出[5758]㊂B a G a4S e7(B G S e)是2010年首次成功制备的新型非线性晶体,具有很高的损伤阈值,但热导率很低㊂目前,对B G S e的中波红外激光输出性能研究还处于探索阶段㊂Z n G e P2(Z G P)在非线性系数㊁热导率和损伤阈值等方面都具有较明显的优势,而且近年来,我国对该晶体生长技术的研究已有明显进步,晶体的尺寸和性能皆可得到保证,所以,该晶体是利用非线性频率转换技术获得3~5μm中波红外激光的首选非线性晶体㊂2010年,挪威L i p p e r t等在其2008年的实验基础上,改进了Z G P-O P O谐振腔结构,由原先的直腔结构变换为三镜环形腔结构,使泵浦光可以2次通过Z G P晶体,提高了光利用率,降低了泵浦阈值功率,在3~5μm波段实现了22W的激光输出,在8μm附近实现了1.5W的激光输出[5960]㊂2013年,澳大利亚H e mm i n g等报道了一台双Z G P 晶体走离补偿结构O P O[61],实验装置如图9所示㊂以重复频率为35k H z㊁功率为62W㊁波长为2.09μm电光调Q运转的H oʒY A G激光器泵浦Z G P-O P O,实现了27W的3~5μm激光输出,光光转换效率为62%,光束质量M2=4.0㊂图9双晶体走离补偿Z G P-O P O实验装置[61]F i g.9E x p e r i m e n t a l s e t u p o f t h e d o u b l e c r y s t a l sw a l k-o f f c o m p e n s a t i o n Z G P-O P O[61]2014年,哈尔滨工业大学姚宝权研究组报道了一台由2.1μm声光调Q运转H oʒY A G激光器泵浦的Z G P-O P O激光器[62]㊂Z G P-O P O内放置了2块Z G P晶体,一方面提高了可承受的泵浦激光功率,另一方面增加了非线性晶体的长度,从而获得了更高的增益㊂在重复频率为20k H z㊁脉冲宽度为23n s㊁泵浦功率为107W下,实现了高达41W的3~5μm激光输出㊂2016年,美国P e t e r等研究了Z G P,C d S i P2, O P-G a A s,O P-G a P4种非线性晶体在中红外波段的材料性质[63],采用2μm的脉冲H oʒY A G激光泵浦Z G P-O P O,在最高约53W的泵浦功率下,获得了平均功率为30W的3~5μm中波红外激光㊂2016年,法国E i c h h o r n等报道了一台大能量3~5μm Z G P-O P O[64],泵浦源为波长2.05μm的H oʒY L F激光器,O P O采用非平面环形腔结构,3~5μm激光脉冲重复频率为1H z,脉冲宽度为15n s,单脉冲能量高达120m J,对应的峰值功率为8MW㊂2017年,法国S c h e l l h o r n等报道了一台高脉冲能量㊁高光束质量的Z G P-O P O[65],泵浦源为H oʒL L F-M O P A激光器,最高输出单脉冲能量为180m J的2053n m激光,脉冲宽度和重复频率分别为30n s和100H z㊂Z G P-O P O 采用非平面F I R E腔型结构并插入了一块焦距为0.9m的C a F2凹透镜,实验装置如图10所示㊂未插入凹镜透时,Z G P-O P O信号光和闲频光的光束质量分别为M2=3和M2=2;插入凹透镜后,光束质量分别为M2=1.5和M2=2,腔内振荡的信号光光束质量得到明显改善㊂Z G P-O P O可输出最大脉冲能量为33m J的3~5μm中波红外激光㊂图10部分像旋转增强型Z G P-O P O实验装置[65]F i g.10E x p e r i m e n t a l s e t u p o f t h e n o n p l a n a r f r a c t i o n a li m a g e-r o t a t i o n e n h a n c e m e n t Z G P-O P O[65] 2017年,德国G r a d e n s t e i n等报道了一台Z G P-O P C P A[66],泵浦源为高稳定的重复频率为1k H z㊁脉冲宽度为皮秒级的H oʒY L F放大器㊂Z G P-O P C P A输7-201040钱传鹏等:全固态中波红外激光器研究进展第4期出最高单脉冲能量为1.3m J的5.1μm闲频光,光光转换效率大于10%,脉冲宽度为160f s㊂在O P C P A 中加入空间光调制器,脉冲宽度可以进一步压缩至75f s,峰值功率为7.7G W㊂2018年,美国C o l e等报道了一台以T mʒY A P被动锁模激光器为泵浦源的Z G P-O P O[67]㊂T mʒY A P激光器以C r2+ʒZ n S为饱和吸收体,输出最高平均功率为4W,峰值功率为29k W,Z G P晶体角度为简并点处,O P O最高输出功率为2.3W,光光转换效率为58%㊂2019年,姚宝权研究组用功率为200W㊁波长为2.09μm的H oʒY A G放大器泵浦Z G P-O P O,实现了光束质量M2>7㊁平均功率为110W的3~5μm中波红外激光输出[68];同年,该研究组利用Z G P-M O P A结构实现了光束质量M2=2.8㊁平均功率为102W的中波红外激光输出[69]㊂综上可见,由于Z G P晶体的优良特性,Z G P-O P O在获得高平均功率和大脉冲能量3~5μm中波红外激光方面取得了较好的进展,其实现的百瓦级高平均功率输出,是目前全固态3~5μm中波红外激光领域中报道的最高平均功率㊂但由于Z G P晶体的透光范围有限,泵浦激光的波长需要大于2μm,所以,在目前的技术水平下,高平均功率或大脉冲能量的2μm固态激光泵浦源的体积仍较为庞大,导致整个激光系统尚难以实现小型化和轻量化㊂4总结和展望近20多年来,基于新型激光材料和光学技术的进步及多领域应用需求的牵引,全固态中波红外激光器研究取得了多方面的突破和快速进步㊂从量子级联㊁增益介质㊁非线性频率转换这3种技术途径出发研制的激光器各有优缺点,表2给出了中波红外激光器的性能对比㊂高功率㊁大能量㊁窄脉宽全固态中波红外激光器技术方兴未艾,仍有进一步挖掘的潜力㊂目前,量子级联类中波红外激光器的输出功率较低,室温下最高输出功率为瓦级,电光转换效率约为20%㊂如果能提高电光转换效率并解决热效应高的问题,则其结构紧凑㊁体积小的特点会令其在3~5μm高功率中波红外连续激光输出及工程应用中具备更大的优势㊂增益介质类中波红外激光器结构简单,且能够输出能量为10J量级的单脉冲,但只适合在低温条件下运行,工程应用场景明显受限,其后续发展将可能主要依赖于新型增益介质材料研究上的重要突破㊂非线性频率转换类中波红外激光器对非线性光学晶体的依赖较大,目前综合性能最为优异的Z G P晶体已分别实现功率为百瓦级㊁单脉冲能量为几百毫焦及脉冲宽度为飞秒级的3~5μm 中波红外激光输出㊂但Z G P晶体激光器存在对泵浦激光的波长要求较高及泵浦源体积较大等问题㊂随着2μm激光器技术的发展及对泵浦激光波长要求较低的新型非线性光学晶体的出现,非线性频率转换技术在全固态中波红外激光器领域中会有更好的发展和应用㊂表2中波红外激光器的性能对比T a b.2P e r f o r m a n c e c o m p a r i s o n o f t h r e e k i n d s o f m i d-i n f r a r e d l a s e r sT e c h n o l o g i c a l a p p r o a c h M a x i m u m o u t p u tp o w e r/WM a x i m u m p u l s ee n e r g y/JS h o r t e s t p u l s ew i d t h A d v a n t a g e D i s a d v a n t a g eQ C L5.1--C o m p a c t s t r u c t u r e,s m a l l i n s i z eL o w e l e c t r o-o p t i c a le f f i c i e n c y,s e r i o u s t h e r m a l e f f e c tG a i n m e d i u m(F e2+ʒZ n S e)3510.6~1n s S i m p l e s t r u c t u r e,h i g h o u t p u t e n e r g yO n l y w o r k s a tl o w t e m p e r a t u r e sN o n l i n e a r f r e q u e n c yc o n v e r s i o n1100.12~1f sW a v e l e n g t h t u n a b l e,g o o d o u t p u t p e r f o r m a n c eT h e v o l u m e o f p u m ps o u r c e i s l a r g e r,r e l a t i v e l yd e p e n d e n t o n c r y s t a l8-201040第11卷现代应用物理参考文献1R O T HMA N L S G AMA C H E R H T I P P I N G R H e t a l T h e H I T R A N m o l e c u l a r d a t a b a s e E d i t i o n s o f1991a n d1992J J o u r n a l o f Q u a n t i t a t i v e S p e c t r o s c o p y a n d R a d i a t i v e T r a n s f e r199248564695072D I X O N G J H o w r e m o t e s e n s i n g p r o b e s t h e e n v i r o n m e n t J L a s e r F o c u s W o r l d199********3周玉平王剑英飞机对抗红外制导导弹的措施及发展趋势J红外与激光工程200635增刊183187Z HO U Y u-p i n g WA N G J i a n-y i n g C o u n t e r m e a s u r e s a g a i n s t I Rg u i d e d m i s s i l e b y a i r p l a n e a n d i t s t r e n d J I n f r a r e d a n dL a s e r E n g i n e e r i n g200635S u p p l1831874钟鸣任钢3~5μm中红外激光对抗武器系统J四川兵工学报200728136Z HO N G M i n g R E N G a n g 35μm m i d-i n f r a r e d l a s e r-c o u n t e r m e a s u r e w e a p o n s y s t e mJ S i c h u a n O r d n a n c e J o u r n a l2007281365E R I K S S O N A S T E I N V A L L O S J O Q V I S T L e t a l T u n a b l e l a s e r s f o r c o u n t e r m e a s u r e s A l i t e r a t u r e s u r v e yF O I-R-0535-S E R S w e d i s h D e f e n c e R e s e a r c hA g e n c y20026V I T I E L L O M S S C A L A R I G W I L L I AM S B e t a l Q u a n t u m c a s c a d e l a s e r s20y e a r s o f c h a l l e n g e s J O p tE x p r e s s2015234516751827P O L Y A K O V S K A R H U E Z A M I R I R e t a l N o n l i n e a r o p t i c a l r e s p o n s e a n d s t r u c t u r a l p r o p e r t i e s o f M B E-g r o w n F eʒZ n Sf i l m s J O p t i c a l M a t e r i a l s E x p r e s s201882356367 8K O Z L O V S K Y V I K O R O S T E L I N Y V P O D M A R K O V Y Pe t a l M i d d l e i nf r a r e d F e2+ʒZ n S F e2+ʒZ n S e a n d C r2+ʒC d S el a s e r s N e w r e s u l t s J J P h y s201674010120069M I R O V S B F E D O R O V V V MA R T Y S H K I N D e t a l P r o g r e s s i n m i d-I R l a s e r s b a s e d o n C r a n d F e-d o p e d I I-V Ic h a l c o g e n ide s J I E E E J S e l T o p i c s Q u a n t u m E l e c t r o n2015211160171910F A I S T J C A P A S S O F S I R T O R I C e t a l Q u a n t u mc a s c ade l a s e r J S c i e n c e19942645158553556 11C A T H A B A R D O T E I S S I E R R D E V E N S O N J e t a l Q u a n t u m c a s c a d e l a s e r s e m i t t i n g n e a r26μm J A p p l P h y s L e t t2010961414111012O H T A N I K B E C K M S U E S S M J e t a l F a r-i n f r a r e d q u a n t u m c a s c a d e l a s e r s o p e r a t i n g i n t h e A l A s p h o n o n r e s t s t r a h l e n b a n d J A C S P h o t o n i c s20163122280228413L E E B G B E L K I N M A A U D E T R e t a l W i d e l y t u n a b l e s i n g l e-m o d e q u a n t u m c a s c a d e l a s e r s o u r c e f o r m i d-i n f r a r e d s p e c t r o s c o p y J A p p l P h y s L e t t20079123231101 14S L I V K E N S B A N D Y O P A D H Y A Y N T S A O S e t a l S a m p l e d g r a t i n g d i s t r i b u t e d f e e d b a c k q u a n t u m c a s c a d e l a s e r s w i t h b r o a d t u n a b i l i t y a n d c o n t i n u o u s o p e r a t i o n a t r o o m t e m p e r a t u r e J A p p l P h y s L e t t201210026261112 15C E N T E N O R MA R C H E N K O D MA N D O N J e t a l H i g hp o w e r w i d e l y t u n a b l e m o d e-h o p f r e e c o n t i n u o u s w a v ee x t e r n a l c a v i t y q u a n t u m c a s c a d e l a s e rf o r m u l t i-s p e c i e s t r a c eg a s d e t e c t i o n J A p p l P h y s L e t t201410526261907 16F U J I T A K F U R U T A S S U G I Y AMA A e t a l H i g h p e r f o r m a n c e q u a n t u m c a s c a d e l a s e r s w i t h w i d ee l e c t r o l u m i n e s c e n c e~600c m-1o p e r a t i n g i n c o n t i n u o u sw a v e a b o v e100ħJ A p p l P h y s L e t t2011982323110217S E MT S I V M P W I E N O L D M D R E S S L E R S e t a l S h o r t-w a v e l e n g t h3 05μm I n P-b a s e d s t r a i n-c o m p e n s a t e d q u a n t u m c a s c a d e l a s e r J A p p l P h y s L e t t200790505111118B A I Y S L I V K E N S D A R V I S H S R e t a l R o o m t e m p e r a t u r ec o n t i n u o u s w a v e o p e r a t i o n o f q u a n t u m c a s c ade l a s e r s w i t h125%w a l l p l u g e f f i c i e n c y J A p p l P h y s L e t t200893202110319R A Z E G H I M S L I V K E N S B A I Y e t a l H i g h p o w e r q u a n t u m c a s c a d e l a s e r s J N e w J o u r n a l o f P h y s i c s2009111212501720L Y A K H A M A U L I N I R T S E K O U N A e t a l T a p e r e d 47μm q u a n t u m c a s c a d e l a s e r s w i t h h i g h l y s t r a i n e d a c t i v e r e g i o nc o m p o s i t i o nde l i v e r i n g o v e r45w a t t s of c o n t i n u o u s w a v eo p t i c a l p o w e r J O p t E x p r e s s201220443824388 21B A I Y B A N D Y O P A D H Y A Y N T S A O S e t a l H i g h l y t e m p e r a t u r e i n s e n s i t i v e q u a n t u m c a s c a d e l a s e r s J A p p l P h y s L e t t2010972525110422B A I Y B A N D Y O P A D H Y A Y N T S A O S e t a l R o o m t e m p e r a t u r e q u a n t u m c a s c a d e l a s e r s w i t h27%w a l l p l u ge f f i c i e n c y J A p p l P h y s L e t t2011981818110223B A N D Y O P A D H Y A Y N S L I V K E N S B A I Y e t a l H i g h p o w e r c o n t i n u o u s w a v e r o o m t e m p e r a t u r e o p e r a t i o n o f 34μm a n d355μm I n P-b a s e d q u a n t u m c a s c a d e l a s e r s JA p p l P h y s L e t t20121002121210424S O R O K I N A I T C r2+-d o p e d I I-V I m a t e r i a l s f o r l a s e r s a n d n o n l i n e a r o p t i c s J O p t i c a l M a t e r i a l s2004264395412 25M I R O V S B F E D O R O V V V MA R T Y S H K I N D V e t a l P r o g r e s s i n m i d-I R C r2+a n d F e2+d o p e d I I-V I m a t e r i a l s a n d l a s e r s J O p t i c a l M a t e r i a l s E x p r e s s201115898910 26M I R O V S B F E D O R O V V V MO S K A L E V I S e t a l P r o g r e s s i n C r2+a n d F e2+d o p e d m i d-I R l a s e r m a t e r i a l s JL a s e r&P h o t o n i c s R e v i e w s201041214127D U Y Q Y A O B Q D U A N X M e t a l C rʒZ n S s a t u r a b l ea b s o r b e r p a s s i v e l y Q-s w i t c h e d T m H oʒG d V O4l a s e r JO p t E x p r e s s201321222650628MO S K A L E V I S F E D O R O V V V M I R O V S B e t a l12-w a t t C W p o l y c r y s t a l l i n e C r2+ʒZ n S e l a s e r p u m p e d b y T m-f i b e r l a s e r C A d v a n c e d S o l i d-S t a t e P h o t o n i c s D e n v e rC o l o r a d o U n i t e d S t a t e s200929WA G N E R G J T I E MA N N B G A L F O R D W J e t a l S i n g l e-f r e q u e n c y C rʒZ n S e l a s e r C A d v a n c e d S o l i d-S t a t e P h o t o n i c s S a n t a F e N e w M e x i c o U n i t e d S t a t e s2004 30M I R O V S B F E D O R O V V V MO S K A L E V I S e t a l 9-201040钱传鹏等:全固态中波红外激光器研究进展第4期R e c e n t p r o g r e s s i n t u n a b l e C rʒZ n S S e l a s e r s C A d v a n c e d S o l i d-S t a t e L a s e r s C o n g r e s s P a r i s F r a n c e201331V A S I L Y E V S M I R O V M G A P O N T S E V V K e r r-l e n s m o d e-l o c k e d f e m t o s e c o n d p o l y c r y s t a l l i n e C r2+ʒZ n S a n dC r2+ʒZ n S e J O p t E x p r e s s201422551185123 32DE M I R B A S U S E N N A R O G L U A I n t r a c a v i t y-p u m p e dC r2+ʒZ n S e l a s e r w i t h u l t r a b r o a d t u n i n g r a n g e b e t w e e n1880a n d3100n m J O p t L e t t2006311522932295 33S O R O K I N E S O R O K I N A I T M I R O V M S e t a l U l t r a-b r o a dc o n t i n u o u s-w a v e t u n i n g o f c e r a m i c C rʒZ n S e a n dC rʒZ n S l a s e r s C A d v a n c e d S o l i d S t a t e P h o t o n i c s S a nD i e g o C a l i f o r n i a U n i t e d S t a t e s201034A D AM S J J B I B E A U C P A G E R H e t a l4045μm l a s i n g o f F e2+ʒZ n S e b e l o w180K a n e w m i d-i n f r a r e d l a s e r m a t e r i a l J O p t L e t t199924231720172235K E R N A L J F E D O R O V V V G A L L I A N A e t a l39 48μm g a i n-s w i t c h e d l a s i n g o f F eʒZ n S e a t r o o m t e m p e r a t u r e J O p t E x p r e s s200513261060836F R O L O V M P K O R O S T E L I N Y V K O Z L O V S K Y V Ie t a l S t u d y of a2J p u l s e d F eʒZ n S e4μm l a s e r J L a s e rP h y s L e t t2013101212500137姚宝权夏士兴于快快等F e2+ʒZ n S e实现中红外波段激光输出J中国激光20154210119001Y A O B a o-q u a n X I A S h i-x i n g Y U K u a i-k u a i e t a l R e a l i z i n g m i d-i n f r a r e d l a s e r o u t p u t b y F e2+ʒZ n S e c r y w t a l J C h i n e s eJ o u r n a l o f L a s e r s2015421011900138L I Y Y Y A N G K L I G Y e t a l1k H z n a n o s e c o n d-p u l s e d r o o m t e m p e r a t u r e F eʒZ n S e l a s e g a i n-s w i t c h e d b y a Z n G e P2 o p t i c a l p a r a m e t r i c o s c i l l a t o r J C h i n e s e O p t i c s L e t t e r s 201917808140439MA R T Y S H K I N D V F E D O R O V V V M I R O V M e t a lH i g h a v e r a g e p o w e r35W p u l s e d F eʒZ n S e l a s e r t u n a b l eo v e r3842μm C C L E O S c i e n c e a n d I n n o v a t i o n s S a n J o s e C a l i f o r n i a U n i t e d S t a t e s201540F R O L O V M P K O R O S T E L I N Y V K O Z L O V S K Y V Ie t a l Ef f i c i e n t10J p u l s e d F eʒZ n S e l a s e r a t4100n m CI n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e L a s e r O p t i c s L O S t P e t e r s b u r gR u s s i a201641MA R T Y S H K I N D V F E D O R O V V V M I R O V M e t a lH i g h p o w e r92W C W415μm F eʒZ n S e l a s e r CC L E O S c i e n c e a n d I n n o v a t i o n s S a n J o s e C a l i f o r n i a U n i t e dS t a t e s201742F R O L O V M P K O R O S T E L I N Y V K O Z L O V S K Y V Ie t a l H i g h-e n e r g y t h e r m o e l e c t r i c a l l y c o o l e d F eʒZ n S e l a s e rt u n a b l e o v e r375482μm J O p t L e t t201843362362643P U S H K I N A V M I G A L E A U E H A R A H e t a lC o m p a c t h i g h e f f i c i e n t21W c o n t i n u o u s-w a v e m i d-i n f r a r e dF eʒZ n S e c o h e r e n t s o u r c e p u m p e d b y a n E rʒZ B L A N f i b e rl a s e r J O p t L e t t201843245941594444U E H A R A H T S U N A I T H A N B Y e t a l40k H z20n sa c o u s t o-o p t i c a l l y Q-s w i t c h e d4μm F eʒZ n S e l a s e r p u m p e db y af l u o r i d e f i b e r l a s e r J O p t L e t t202045102788279145S C HU N E MA N N P G Z AW I L S K I K T P O L L A K T Me t a l C d S i P2A n e w n o n l i n e a r o p t i c a l c r y s t a lf o r1a n d15-m i c r o n-p u m p e d m i d-I R g e n e r a t i o n C A d v a n c e d S o l i d-S t a t e P h o t o n i c s D e n v e r C o l o r a d o U n i t e d S t a t e s2009 46G E I K O P P N o n l i n e a r c r y s t a l s f o r o p t i c a l p a r a m e t r i c o s c i l l a t o r s p u m p e d b y l i g h t p u l s e s o f n e a r I R l a s e r s CP r o c o f S P I E2006616061602647Y A N G F Y A O J Y X U H Y e t a l H i g h e f f i c i e n c y a n dh i g h p e a k p o w e r p i c o s e c o n d m i d-i n f r a r e d o p t i c a l p a r a m e t r i ca m p l i f i e rb a s e d o n B a G a4S e7c r y s t a l J O p t l e t t201338193903390548L I U L L I X X I A O H e t a l12W m i d-i n f r a r e d o u t p u t s i n g l y r e s o n a n t c o n t i n u o u s-w a v e o p t i c a l p a r a m e t r i c o s c i l l a t o r p u m p e d b y a Y b3+-d o p e d f i b e r a m p l i f i e r J L a s e r P h y s201222111511949X U L C H A N H Y A L AM S U e t a l F i b e r-l a s e r-p u m p e dh i g h-e n e r g y m i d-I R p i c o s e c o n d o p t i c a l p a r a m e t r i c o s c i l l a t o rw i t h a h i g h-h a r m o n i c c a v i t y J O p t l e t t201540143288329150R I G A U D P V A N D W A H A N N A M e t a l S u p e r c o n t i n u m-s e e d e d f e w-c y c l e m i d-i n f r a r e d O P C P A s y s t e m J O p t E x p r e s s 20162423264942650251K UMA R C S W E I J X D E B R A Y J A e t a l P i c o s e c o n d m i d-i n f r a r e d o p t i c a l p a r a m e t r i c o s c i l l a t o r b a s e d o n c y l i n d r i c a l M g OʒP P L N C C L E O S c i e n c e a n d I n n o v a t i o n s S a n J o s e C a l i f o r n i a U n i t e d S t a t e s201652P E N G Y F W E I X B L U O X W e t a l H i g h-p o w e r a n d w i d e l y t u n a b l e m i d-i n f r a r e d o p t i c a l p a r a m e t r i c a m p l i f i c a t i o nb a s e d o n P P M g L N J O p t L e t t20164114951 53N I U S J P A L I D A N A WA N Y e t a l H i g h l y-e f f ic i e n t m i l l i-j o u l e l e v e l35μm o p t i c a l p a r a m e t r i c o s c i l l a t o r b a s ed o n M g OʒP P L N C A s i a C o mm u n i c a t i o n s a n d P h o t o n i c sC o n f e r e n c e G u a n g z h o u G u a n g d o n g C h i n a201754P A R S A S K UMA R S C N A N D Y B e t a l Y b-f i b e r-p u m p e d h i g h-b e a m-q u a l i t y i d l e r-r e s o n a n t m i d-i n f r a r e d p i c o s e c o n d o p t i c a l p a r a m e t r i c o s c i l l a t o r J O p t E x p r e s s20192718254362544455C H A N D R A S A L L I K T H C A T E L L A G e t a l C o n t i n u o u s l y t u n a b l e614μm s i l v e r-g a l l i u m s e l e n i d e o p t i c a l p a r a m e t r i c o s c i l l a t o r p u m p e d a t157μm J A p p l P h y s L e t t199771558458656P E T R O V V R E M P E L C S T O L B E R G K e t a l W i d e l y t u n a b l e c o n t i n u o u s-w a v e m i d-i n f r a r e d l a s e r s o u r c e b a s e d o nd i f fe r e n c e-f r e q u e n c yg e n e r a t i o n i n A g G a S2J A p p l O p t199837214925492857N I Y B W U H X M A O M S e t a l G r o w t h a n d c h a r a c t e r i z a t i o n o f m i d-f a r i n f r a r e d o p t i c a l m a t e r i a l C d S e c r y s t a l J O p t i c s M a t e r i a l E x p r e s s2018871796180558WA N G J Y U A N L G Z HA N G Y W e t a l G e n e r a t i o n o f 320mW a t1020μm b a s e d o n C e S e l o n g-w a v e i n f r a r e d 01-201040第11卷现代应用物理。
高重复频率窄脉宽LGS电光调QNd_YVO_4激光器
第30卷 第1期光 学 学 报Vol.30,No.12010年1月ACTA OP TICA SINICAJ anuary ,2010 文章编号:025322239(2010)0120137205高重复频率窄脉宽L GS 电光调Q N d ∶YVO 4激光器唐 昊1,2 朱小磊1,2 孟俊清1,2 臧华国1,2(1中国科学院上海光学精密机械研究所,上海201800;2上海市全固态激光器与应用技术重点实验室,上海201800)摘要 报道了一种激光二极管(LD )端面连续抽运的高重复率电光调Q Nd ∶YVO 4激光器。
采用新型电光晶体La 3G a 5SiO 14(L GS )作为调Q 元件,并设计高效稳定谐振腔,实现了最高30k Hz 的高重复率电光调Q 运转。
使用透射率为50%的输出镜,在5k Hz 重复率运转时,获得了单脉冲能量0.4mJ ,脉宽6.3ns 的脉冲序列输出;当重复率达30k Hz 时,得到的单脉冲能量为0.2mJ ,脉宽9.1ns ,最大平均功率6.2W ,斜率效率为32.7%,调Q 动静比达83%,光束传输因子M 2<2。
实验结果表明,该激光器输出功率并没有出现饱和现象,具有进一步提升的空间。
关键词 激光器;L GS 晶体;高重复率;电光调Q中图分类号 TN248.1 文献标识码 A doi :10.3788/AOS 20103001.0137Hi g h Rep et i t i on R a t e S h or t P uls e Wi dt h L GS Elect r o 2Op t icQ 2S wi t c hed N d ∶YVO 4L as e rTang Hao 1,2 Zhu Xiaolei 1,2 Meng J unqing 1,2 Zang Huaguo 1,21S ha nghai Instit ute of Op tics a n d Fi ne Mecha nics ,Chi nese Aca de m y of Sciences ,S ha nghai 201800,Chi n a2S ha nghai K ey L abor a tor y of All Soli d 2S t a te L aser a n d App lied Tech niques ,S ha nghai 201800,Chi n aAbs t r act An elect ro 2optic (EO )Q 2switched Nd ∶Y VO 4laser with high repetition rate of 30kHz ,end 2p umped by acontinuous 2wave (CW )laser diode (LD )is ing La 3Ga 5SiO 14(L GS )single crystal as an EO Q 2switch and designing an efficient and stable resonator ,the repetition rate of EO Q 2switched operation can be changed f rom 1Hz to ing an outp ut coupler with t ransmittance of 50%,an output pulse t rain with pulse energy of 0.4mJ and pulse width of 6.3ns is obtained at the repetition rate of 5kHz.An average output power of 6.2W with the pulse width of 9.1ns is obtained when the repetition rate reaches 30kHz ,the slope efficiency and dynamic to static ratio are 32.7%and 83%,respectively.The beam t ransfer factor M 2is measured to be less than 2.Experimental results show that the outp ut level has great potential for f urther development.Key w or ds lasers ;L GS crystal ;high repetition rate ;elect ro 2optic Q 2switched 收稿日期:2009202217;收到修改稿日期:2009203230作者简介:唐 昊(1984—),男,硕士研究生,主要从事全固态激光器高复率电光调Q 技术方面的研究。
固态高功率高重频脉冲源的研究与发展
固态高功率高重频脉冲源的研究与发展梁勤金【期刊名称】《《电讯技术》》【年(卷),期】2019(059)010【总页数】10页(P1227-1236)【关键词】定向能武器; 固态高重频脉冲源; 高功率; 高压脉冲; 高压半导体开关【作者】梁勤金【作者单位】中国工程物理研究院应用电子学研究所高功率微波技术重点实验室四川绵阳621900【正文语种】中文【中图分类】TN8021 引言固态高功率高重频脉冲源技术在近期已经取得了巨大进步，应用范围不断扩大。
美国空军研究实验室(Air Force Research Laboratory，AFRL)、洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory，LANL)、劳伦斯利福摩尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory,LLNL)等与俄罗斯叶卡捷琳堡电物理研究所(Institute of Electrophysics,Ekaterinburg)、圣彼得堡约飞研究所(Ioffe Physical-Technical Institute of Russian of Russian Academy of Science,St.Petersburg)领先推动了全固态高功率高重频脉冲源技术的发展。
在其技术发展初期，两国科学家选择技术路线不同，美国初期发展超宽带高压固态脉冲产生采用Si、GaAs固态光导开关，后来研究SiC固态光导开关等。
国内许多研究团队有的加入了新一代固态高功率高重频脉冲源等离子体高压半导体开关的研究，有的加入了固态高功率高重频脉冲源应用研究[1-6]。
国内固态高功率高重频脉冲源研究与美、俄、德相比还有较大技术差距，主要体现在整机系统设计及包括固态高压开关在内的关键技术的掌握方面。
本文主要介绍固态高功率高重频脉冲源的国内外发展动态与趋势，三类固态高功率高重频脉冲源研制设计方法与工作原理、核心关键技术、应用前景、发展启示，以供相关人员参考。
ndyag 固体激光器电光调q倍频实验讲义
Nd:YAG 固体激光器电光调Q、倍频实验一、 实验目的1. 掌握电光调Q 的原理及调试方法；2. 学会电光调Q 装置的调试；3. 掌握相关参数的测量。
二、 实验原理1. 调Q 技术原理调Q 技术中，品质因数Q 定义为腔内贮存的能量与每秒钟损耗的能量之比，可表示为： 每秒钟损耗的激光能量腔内贮存的激光能量02πν=Q （1） 式中0ν为激光的中心频率。
如用E 表示腔内贮存的激光能量，γ为光在腔内走一个单程能量的损耗率。
那么光在这一单程中对应的损耗能量为E γ。
用L 表示腔长；n 为折射率；c 为光速。
则光在腔内走一个单程所需要时间为。
c nL /由此，光在腔内每秒钟损耗的能量为c nL E /γ这样，Q 值可表示为γλπγπν002/2nL nL Ec E Q == （2）式中00/νλc =为真空中激光波长。
可见Q 值与损耗率总是成反比变化的，即损耗大Q 值就低；损耗小Q 值就高。
固体激光器由于存在弛豫振荡现象，产生了功率在阈值附近起伏的尖峰脉冲序列，从而阻碍了激光脉冲峰值功率的提高。
如果我们设法在泵浦开始时使谐振腔内的损耗增大，即提高振荡阈值，振荡不能形成，使激光工作物质上能级的粒子数大量积累。
当积累到最大值（饱和值时），突然使腔内损耗变小，Q 值突增。
这时，腔内会象雪崩一样以极快的速度建立起极强的振荡，在短时间内反转粒子数大量被消耗，转变为腔内的光能量，并在透反镜端耦合输出一个极强的激光脉冲。
在这个过程中，弛豫振荡一般是不会发生的，但是，如果调Q 器件设计及调整得不好也会导致多脉冲出现。
所以，输出光脉冲脉宽窄，峰值功率高。
通常把这种光脉冲称为巨脉冲。
调节腔内的损耗实际上是调节Q 值，调Q 技术即由此而得名。
也成为Q 突变技术或Q 开关技术。
谐振腔的损耗γ一般包括有：54321αααααγ++++= （3）其中1α为反射损耗；α2为吸收损耗；α3为衍射损耗：α4为散射损耗；α5为输出损耗。