用于气溶胶雷达的高能量全固态NdYAG调Q激光器

第卷第期年月

49S2202011

Vol.49No.S2Nov.2020

红外与激光工程

InfraredandLarEngineering

用于气溶胶雷达的高能量全固态Nd:YAG调Q激光器

谢仕永，宋普光，王彩丽，王三昭，冯跃冲，张弦，刘娟，樊志恒，

1,211,233111

史小玄，薄铁柱，蔡华

1,21,21,2

(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；

3.中建材光芯科技有限公司，山东枣庄277101)

摘要：

通过半导体激光二极管(LD)垂直阵列端面泵浦Nd:YAG晶体获得了高能量1064nm调Q

激光输出。根据LD波长随温度线性变化的物理特性，通过调节LD温度改变泵浦光波长，使其偏离

Nd:YAG的吸收峰，降低了激光介质泵浦端面增益，有效抑制了制约调Q激光输出能量的自激振荡。

在LD泵浦能量530mJ时，产生了95mJ的1064nm激光输出，相应的光光转换效率为18%，调Q

动静比为73%，激光脉宽8ns，光束发散角为2.5mrad.

关键词：

全固态激光器；端面泵浦；调Q；自激振荡

中图分类号：文献标志码：：

TN248.1ADOI10.3788/IRLA20200304

HighenergyallsolidstateNd:YAGQ-switchedlar

foraerosollidar

XieShiyong,SongPuguang,WangCaili,WangSanzhao,FengYuechong,ZhangXian,

1,211,2331

LiuJuan

111,21,21,2

,FanZhiheng,ShiXiaoxuan,BoTiezhu,CaiHua

(1.ChinaBuildingMaterialsAcademyCo.,Ltd,Beijing100024,China;

2.KeyLaboratoryofChinaBuildingMaterialsIndustryforSpecialPhotoelectricMaterials,Beijing100024,China;

3.CNBMGuangxinTechnologyCo.,Ltd,Zaozhuang277101,China)

Abstract:Ahighenergy1064nmQ-switchedlarwasobtainedbyendpumpingNd:YAGcrystal

withaverticalarrayofmiconductorlardiodes(LD).Accordingtothephysicalcharacteristicsof

linearchangeofLDwavelengthwithtemperature,thewavelengthofpumplightdeviatedfromabsorption

peakofNd:YAGbyadjustingthetemperatureofLD,andthegainofpumpingendoflarmediumwas

reduced,whicheffectivelysuppresdthelf-excitedoscillationrestrictingtheoutputenergyofQ-

switchedlar.1064nmlarwithamaximumoutputof95mJwasgeneratedunderpumpenergyof

530mJ.Thecorrespondingopticalconversionefficiencywas18%andtheQ-switchingratioofdynamic

tostaticwas73%.Thelarpulwidthwas8nsanddivergenceanglewas2.5mrad.

Keywords:allsolidstatelar;endpumping;Q-switching;lf-excitedoscillation

收稿日期：；修订日期：

2020-08-162020-10-15

作者简介：谢仕永，男，高级工程师，博士，主要从事固体激光及变频技术等方面的研究。

(1984-)

20200304-1

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第

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期第卷

端面泵浦下，晶体对泵浦光吸收按比尔吸收定

0

引言

高能量调激光峰值功率高、脉冲宽

Nd:YAGQ

度窄，在激光雷达、质谱分析及激光测距等领域有着

重要的应用。基于高能量调激光及其

[1-5]

Nd:YAGQ

变频产生的、激光广泛应用于气溶胶激

532355nm

光雷

达中。狄慧鸽等设计和构建了波长为、

[6-9]

355

律呈指数规律下降，也就是晶体泵浦面吸收泵浦光

最多，相应的增益也最高，而较高的增益会造成激

光

产生自激振荡，消耗增益介质中的反转粒子数，

从而限制了激光能量随泵浦光增加而增长。降低泵

浦

端面的增益，相应的自激振荡就不容易产生，泵

浦

光被自激振荡消耗的少，主要用于产生激光，从

而保证了激光能量随泵浦光增加而增长。为了获得

高能量、高转换效率端面泵浦晶体调

LDNd:YAG

5321064nm

、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；滕曼等采用激光

[6]

Nd:YAG

器的二倍频线偏振激光作为探测光源研制

532nm

了新型全天时户外型拉曼米散射激光雷达系统，主

-

要用

于对流层气溶胶自动连续观测；陈超等研制

[7]

了基于波长激光的三维扫描气溶胶激光雷

532nm

达，可以获取不同方向的气溶胶性质分布特征从而

扩展了其探测范围；陶宗明等同样利用波

[8]

532nm

长激光作为光源，把探测与后向散射激光雷达

CCD

联合在一起，同时通过增加拉曼通道，实现了大气气

溶胶消光后向散射系数比的精确测量。

[9]

气溶胶雷达对于低重频激光器一般需要宽度为。

Nd:8ns

QLD

激光输出，该研究通过调节温度，使泵浦光波

长偏离的吸收峰，减小激光介质的泵浦端

Nd:YAG

面增益，从而有效抑制了影响调动静比提高的自

Q

激振荡。计算了谐振腔内的功率密度，在保证光学

器件没有损伤的前提下优化了输出镜的耦合透过

率。在泵浦能量时，产生了最高

LD530mJ95mJ

的激光输出，相应的光光转换效率为，

1064nm18%

调动静比为，光斑大小约为，光强呈

Q73%3.6mm

近似高斯分布，光束发散角为，激光脉冲

2.5mrad

YAG

激光输出波长光能量大于发

1064nm80mJ,

散角小于传统的高能量调固体激光器采

3mrad.Q

用闪光灯泵浦晶体，闪光灯发射谱远大于

Nd:YAG

1

实验装置

端面泵浦调激光实验装置如图所

Nd:YAGQ1

示，包括泵浦源，半导体制冷片热沉

LDTEC,HS,

风扇整形透镜、，激光晶体，起偏

Fan,LDF1F2LC

器，四分之一波片，电光晶体及输出耦

PSQWEOC

合镜实验中所用垂直列阵条数为个，

OC.LDBar15

Nd:YAG

晶体的吸收谱，造成泵浦光吸收效率低、

热效应严重，从而极大地制约了固体激光器的进一

步发展。半导体激光二极管的发射谱窄，波长

(LD)

可以精确对准晶体的吸收峰，使用半导体

Nd:YAG

激光

器泵浦固体激光介质具有吸收效率高、热效应

小的优点。因此，泵浦的固体激光器，即全固态

LD

激光

器，成为近年来激光技术研究的前沿与

(DPL)

热点。与侧泵相比，端面泵浦条件下的泵浦

[10-15]

LD

光束能较好地与激光振荡模式相匹配，有利于提高

激光的光束质量和转换效率。等利用由

L.Goldberg

三组不同中心波长的组成的列阵端面泵浦

LDNd:

图端面泵浦调激光实验装置

1Nd:YAGQ

Fig.1ExperimentaltupofendpumpedNd:YAG

Q-switchedlar

单功率达，条间距为，阵

bar200WBar0.73mmLD

列的发光区为：，近似正方形，便于

10.2mm×10mm

整形。及组合构成了的温度控制系

TEC,HSFanLD

统，其中将工作时产生的热量传递到热沉

TECLD

YAG

晶体，输出调激光能量最高，

1064nmQ50mJ

光光转换效率达；等采用垂直腔面发

17%B.Cole

[3]

射作为端面泵浦源，电光调通过晶体实

LDQLN

现

,40mJ7ns1064nm

获得了、的激光输出，光光

转换效率为。然而端面泵浦条件下的激光

16.7%

[11]

工作介质泵浦端面的增益密度极高，极易形成的自

激振荡大大限制了调激光的输出能量。

Q

HS

上，而风扇通过吹风将热沉吸收的热量及时散

走。、均为非球面透镜，两面均镀有的

F1F2800nm

宽带增透膜以减少泵浦光的损耗。激光晶体采用

Ф

5×40mm0.6%Nd:YAG

、掺杂浓度的晶体棒，泵浦

20200304-2

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面镀有高反膜和高透膜，另一通光，则不会引起腔内器件损伤。综上，最

1064nm800nm361MW/cm

面镀增透膜。为偏振分束器，对终确定采用透过率的输出耦合镜，既可以实现

1064nmPS1064nm30%

光进行起偏。偏振分束器与四分之一波片

1064nm

及电光晶体构成调组件，对谐振腔值进行调损伤。

QQ

制，产生脉冲激光输出。电光晶体选用了常用的

LN

晶体，两通光面均镀增透膜，在四分之一波

1064nm

脉冲电压驱动下工作以满足调需要。输出耦合镜

Q

2

输出较高激光能量，又保证了激光器运转时无器件

OC

与激光晶体的泵浦端面构成激光谐振腔，实现

1064nm

激光振荡输出。

2

输出耦合率优化设计

在产生高能量脉冲激光过程中，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，，光斑的激光输出，

80mJ10ns4mm1064nm

根据以下公式对腔内功率密度进行了计算：

[16]

图不同输出透过率下的静态输出能量曲线

31064nm

Fig.3Static1064nmoutputenergycurvesunderdifferent

outputtransmittance

I=I=I(1)

211

1+R2-R

1-RT

3LD

波长调节

图为实验测得的激光晶体在

4Nd:YAG800nm

附近的吸收光谱，呈多峰且不平坦特性，一般采用

式中：为腔内功率密度；为腔外功率密度；为

IIR

21

输出镜反射率；为输出镜透过率。计算结果如图

T2

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。通过实验测试了在静态下不同透过率时

的激光输出能量，如图所示，输出镜透过率为

3

LDNd:YAG

波长对准的吸收峰，从而确保较短的晶

体长度就能实现对泵浦光的充分吸收。文中研究采

用逆向思维，根据波长随温度线性变化的物理

LD

特性，通过调节温度改变泵浦光波长，使其偏离

LD

激光工作物质的吸收峰，获得泵浦端面增益的有效

控制，从而实现对自激振荡的抑制。根据的热量

LD

进行了温控系统设计，采用将废热传导至

TECLD

高热导率的热沉上，然后通过风扇将热量及时散走。

通过修改温控系统中温度的设定值，就可以实现

LD

温度变化，从而改变波长。在温度变化时，还

LDLD

需要对其快慢轴的发散角变化进行实验研究，以此

进行泵浦光束整形优化设计。

20%1064nm(1)

时静态输出能量最高。但根据公式

可以计算出，为了产生满足气溶胶雷达所需要的

80mJ20%

激光能量，当输出镜透过率为时对应的

腔内功率密度为，而该研究中光学器

573MW/cm

2

件

镀膜的损伤阈值一般为，如果采用

500MW/cm

2

透过率为的输出镜会导致激光器件的损伤。当

20%

输出镜透过率为时对应的腔内功率密度为

30%

图不同输出耦合率下的腔内功率密度

2

图晶体在附近的吸收谱

4Nd:YAG800nm

Fig.2Powerdensityincavitywithdifferentcouplingratios

Fig.4AbsorptionspectrumofNd:YAGcrystalat800nm

20200304-3

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首先实验研究了波长随温度的变化关系，如时的输出激光能量最高，这是由于谱线

LD22.5℃LD

图所示，发现中心波长在温度由调节

5LD17.5℃

至

30℃794.5nm797.5nm,

时由变至基本为线性

变化，相应的温度变化系数为。此外，在

0.24nm/℃

对准了晶体的一个吸收峰，保证了激光晶

Nd:YAG

体对泵浦光的充分吸收；而在高泵浦能量下，温

LD

度为时的输出激光能量最高，这是由于谱

30℃LD

线远离了晶体的吸收峰，对准的是晶体的

Nd:YAG

一个吸收波谷，使得泵浦端面吸收较少，相

Nd:YAG

应的激光增益也较低，从而有效抑制了自激振荡，保

证了调输出能量可以随泵浦能量的增

1064nmQ

加而不断增长。为了避免对偏离吸收峰的

Nd:YAG

泵浦光束吸收比例的下降，文中研究采用增加激光

晶体长度来实现对泵浦光的充分吸收，晶体长度为

LDLD

温度变化时，对能量及快慢轴的发散角变化

进行了实验研究，发现并无明显变化，从而在通过调

节温度改变波长时不需要对的驱动电流及

LDLD

光束整形系统进行调整，为波长优化提供了良

LD

好的前提条件。

40mm,

实验中在晶体的非泵浦面测量了泵浦光的

剩余能量，几乎没有漏光，说明晶体对泵浦光吸收

充分。

图输出波长随温度变化曲线

5LD

Fig.5CurveofLDwavelengthwithtemperature

结合图与可以看出，在温度为

45LD17.5℃

时其中心波长为，正好对准了晶

794.5nmNd:YAG

体的一个吸收波谷；而随着温度升高中心波长

LD

发生红移，也就是往长波方向移动，在温度为

LD

图不同温度下的调输出能量

6LD1064nmQ

Fig.61064nmQ-switchedoutputenergyatdifferent

LDtemperatures

22.5℃796nm,Nd:

时其中心波长约为正好对准了

YAG

晶体的一个吸收峰；而温度继续升高至

30℃

时，中心波长红移至又对准了

LD797.5nm,Nd:

图为不同温度下的激光调动

7LD1064nmQ

静比，显示了随着的能量增加动静比均呈下降

LD

趋势，尤其是温度为时，在最高泵浦能量

LD22.5℃

YAG

晶体的一个吸收波谷，并且在这个波谷处的吸

收系数比在时还要低。实验中，将重点观察

17.5℃

LD17.522.530℃1064nmQ

温度分别为、、时的调

激光输出能量与动静比。图为不同温度下的

6LD

530mJ58%

下的动静比只有，导致了输出能量出现

1064nmQLD

调激光能量输出曲线，可以看出，在

温度为时，调激光输出能量在泵

17.5℃1064nmQ

浦

LD436mJ

能量增加至以后开始出现饱和效应，输

出激光脉冲能量增长趋于缓慢；在温度为

LD22.5℃

时，在泵浦能量增加至以后激光能

405mJ1064nm

量出现严重饱和效应，输出激光脉冲能量不再随泵

浦

能量增加而增长；在温度为时，

LD30℃1064nm

脉冲激光输出能量一直随着泵浦能量不断提高，并

未出现饱和。可以看出，在低泵浦能量下，温度为

LD

图不同温度下的激光调动静比

7LD1064nmQ

Fig.7Q-switchingratioofdynamictostaticatdifferent

LDtemperatures

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饱和；温度为时的调动静比下降最少，

LD30℃Q

在下的动静比为，相对较高的动静比保

530mJ73%

证了调激光输出能量随泵浦能量不断

1064nmQ

增长。因此，通过调节温度改变波长，使其偏离

LD

激光工作物质的吸收峰，获得较低的泵浦端面增

益，可以有效的抑制自激振荡，保证了高泵浦能量

下仍然保持了较高的动静比，从而可获得更高能量

的脉冲激光。

1064nm

图调激光脉冲波形

91064nmQ

4

实验结果

该实验中，根据以上动静比与输出激光能量对

Fig.9Pulwaveformof1064nmQ-switchedla

r

5

结论

通过垂直阵列端面泵浦获得了高

LDNd:YAG

能量调激光输出。根据端面泵浦中

1064nmQLD

自激振荡的物理成因提出了通过调节温度，使

LD

泵浦光波长偏离激光工作物质吸收峰的抑制手段。

实验中，最终选定工作在，相对应的波

LD30℃LD

长为，偏离了晶体的吸收峰，处

797.5nmNd:YAG

在一个吸收波谷。在泵浦能量时，产生

LD530mJ

了最高的激光输出，相应的光光转

95mJ,1064nm

换效率为，调动静比为，光斑大小约为

18%Q73%

LDLD30℃

工作温度进行了优化，最终选定工作在，

相对应的波长为，偏离了晶

LD797.5nmNd:YAG

体的吸收峰，处在一个吸收波谷。温度为

LD30℃

时，在泵浦能量条件下获得调

LD530mJ(20Hz)Q

激光的最高输出能量，为，相应的光光转换效

95mJ

率

为，调动静比为

18%Q73%.

利用光束质量分析仪

(LarCam-HR,Coherent

Inc.)

对的激光进行了光束质量测

95mJ1064nm

量

，测得的光强二维分布如图所示，可以看出光

8

强呈近似高斯分布，光斑大小约为利用套

3.6mm.

孔法对激光的发散角进行了测量，通过

1064nm

一长焦透镜将激光聚焦，在光束聚焦位置

(f=3m)

测得光腰直径为计算可得激光

7.5mm,1064nm

发散角为，相应的光束质量因子约为

2.5mradM

2

3.6mm2.5mrad

，光强呈近似高斯分布，发散角为，

激光脉冲宽度约为。

8ns

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9

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宽度为。

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