汪水蘭王 睿蔣星晨程德華岱 欽楊振中王金凱

(1.沈陽理工大學 理學院，沈陽 110159；2.航天長征化學工程股份有限公司，北京 101111)

百納秒調Q 脈沖固體激光器常用于激光工藝、大氣與環(huán)境監(jiān)測、光電對抗等領域，也是研發(fā)激光測風雷達的基礎，在國防工業(yè)中發(fā)揮著重要作用，一直是引發(fā)關注的熱點研究內(nèi)容。 目前大能量、百納秒脈沖激光主要通過兩種方式獲取:駐波諧振腔內(nèi)利用Q 開關的調制實現(xiàn)百納秒激光的輸出，同時在諧振腔外的光路中插入調制器，對輸出的激光進行調制，篩選出百納秒大能量脈沖激光輸出，該方式獲得的脈沖激光單脈沖能量低、電光轉換有效利用率低、電路控制要求高；利用種子源放大獲取大能量脈沖激光，種子源采用半導體激光器輸出超低能量的脈沖激光，再通過激光放大系統(tǒng)實現(xiàn)百納秒大能量激光輸出，目前研究中該方法較為常用[1－3]。

Yumoto 等[4]研究了百納秒級大能量脈沖固體激光器，在重復頻率為10 Hz 時，成功獲得了單脈沖能量為128 mJ、脈沖寬度為160 ns 的激光輸出，斜效率為14%。 蔡宇航等[5]設計了4 腔鏡8字環(huán)形激光諧振腔及側面抽運楔形鏡光學耦合系統(tǒng)，在激光重復頻率為1 Hz 時，單脈沖能量達到141 mJ，激光脈沖寬度為103 ns，但其光束質量欠佳。 Yu 等[6]采用傳導冷卻激光器實現(xiàn)了10 Hz重復頻率下的基橫模調Q 脈沖激光輸出，激光脈沖寬度約為185 ns，最大輸出脈沖能量達到115 mJ。 Shu 等[7]采用循環(huán)水冷方式的三向側面抽運激光器實現(xiàn)了1 Hz 的調Q 脈沖序列激光輸出，脈沖寬度約為100 ns，最大輸出單脈沖能量達到106 mJ，但出光閾值較高。

本文通過脈沖氙燈泵浦激光放大技術，在低重復頻率下獲得大能量、高光束質量的激光輸出。首先對激光輸入能量和諧振腔長度與激光輸出脈寬的關系進行理論分析，然后對Nd∶YAG 脈沖固體激光器的光路進行實驗設計，采用振蕩－放大結構和電光調Q 技術，利用多組反射鏡增加諧振腔長度，獲得質量優(yōu)良的1 064 nm 激光輸出，并將其作為基頻光泵浦周期極化LiNbO3(PPLN)晶體，獲得穩(wěn)定的信號光輸出。

1 理論分析

由于Q 開關脈沖的持續(xù)時間很短，調Q 速率方程中可忽略自發(fā)輻射項和光泵浦項，在此近似條件下得到其表達式為[8]

式中:?為光子數(shù)密度；t為激光脈沖的持續(xù)時間；σ為受激發(fā)射截面面積；n為反轉粒子數(shù)密度；l為激光工作物質長度；γ為反轉粒子數(shù)減少因子；tr＝2L′/c，為光在諧振腔內(nèi)往返一次所用時間，其中L′為諧振腔的長度，c為真空中的光速；tc＝tr/[ln(1/R) ＋L]，為腔內(nèi)光子壽命，其中L為諧振腔除透射損耗之外的其他損耗，R為激光輸出鏡反射率。

由式(1)和式(2)可得到脈沖寬度的計算式為

式中:Δtp為脈沖寬度；ni、nf和nt分別為初始、最終和閾值反轉粒子數(shù)密度。

當腔內(nèi)光子數(shù)達到最大值時，激光器輸出的峰值功率PM和脈沖能量E的計算可分別表示為

式中:h為普朗克常量；v為中心頻率；?M為最大光子密度；fs、fx為與頻譜寬度有關的量；ΔNi、ΔNf和ΔNth分別為初始、最終和閾值反轉粒子數(shù)。

脈沖寬度Δtp可由Δtp＝E/PM計算，將式(4)和式(5)及tc、tr的表達式代入，可得

式中T為輸出耦合鏡透過率，T＝ln(1/R)。

由式(6)可以看出，當T和L一定時，輸出脈沖寬度Δtp與L′成正比，諧振腔的腔長越長，脈寬越寬[10]。

2 實驗研究

2.1 泵浦光激光器設計方案

振蕩－放大系統(tǒng)激光器[11]中振蕩器以犧牲脈沖能量和功率為代價，產(chǎn)生脈沖寬度、譜線寬度和光束質量優(yōu)良的激光輸出，放大器對脈沖能量和功率進行放大，兩者結合，輸出激光具有較高的能量和峰值功率[12]。

老年人隨著年齡的增長，身心功能逐漸退化，慢性病發(fā)病率高，多有身體功能受限或殘疾的發(fā)生［1］。良好的居家康復護理不僅可以延遲或恢復其自理能力的喪失，緩解慢性病痛，還可以節(jié)約醫(yī)療成本，減輕患者家庭的經(jīng)濟負擔［2-4］。我國老年居家康復護理尚處于起步階段，現(xiàn)就我國老年居家康復護理的現(xiàn)狀及研究進展綜述如下。

本文設計的1 064 nm 激光光路如圖1 所示。一個由脈沖氙燈作為泵浦源的Nd∶YAG 晶體棒和一個電光調Q 器件構成一級振蕩加一級放大的Nd∶YAG 電光調Q 固體激光器，利用多組反射鏡將振蕩器的腔長設計為約3.3 m，另一個Nd∶YAG晶體棒作為放大器置于振蕩器輸出鏡之后。 圖1中M1 ~M7 均為1 064 nm 激光的全反鏡，用于增加諧振腔的腔長；OM 為輸出耦合鏡；P 為偏振片；P1 和P2 分別為四分之一波片和半波片；EOM 為電光調制器。 當諧振腔內(nèi)增益大于損耗，光在M1和OM 組成的諧振腔之間反復振蕩形成振蕩光，通過全反鏡M8 和M9 反射進入放大器，最終獲得大能量、百納秒的1 064 nm 激光輸出。

圖1 1 064 nm 基頻光實驗光路圖Fig.1 Optical path diagram of 1 064 nm fundamental light experiment

2.2 PPLN 耦合光路設計

PPLN－光學參量振蕩器(PPLN-OPO)采用直腔結構，光路中基頻光耦合光束特性對其輸出影響較大。 如果基頻光耦合光斑過大，聚焦光斑處能量密度低，光光轉換效率低；如果基頻光光斑過小，聚焦光斑處能量密度過高，PPLN 晶體容易損壞。 故需對基頻光的光束進行整形和聚焦[13]，獲得大小合適的聚焦光斑。 本文實驗中根據(jù)基頻光的輸出能量和PPLN 晶體尺寸設計柱透鏡組耦合系統(tǒng)，并利用Zemax 軟件對光路進行設計模擬，與單透鏡聚焦后的耦合光斑進行對比分析。

圖2 為泵浦電壓為1 400 V 時，耦合前的1 064 nm基頻光光斑。 由圖2 可見直徑約為5 mm的圓形光斑。

圖2 耦合前的1 064 nm 基頻光光斑Fig.2 1 064 nm fundamental light spot before being coupled

本文設計平凸柱透鏡與平凹柱透鏡組合的基頻光束耦合系統(tǒng)，將基頻光的圓形光斑(光斑直徑為5 mm)整形成與PPLN 晶體入射端面(端面尺寸為1 mm×10 mm)相匹配的橢圓形光斑，不僅可擴展非線性混頻的區(qū)域，也可有效利用PPLN晶體的端面面積[14]。 基頻光在PPLN 晶體內(nèi)部沒有實焦點，可有效降低光斑能量密度，降低晶體的損傷危險，增加PPLN 晶體所能承受的基頻光能量。 柱透鏡組示意圖如圖3 所示。 圖中:f1為平凸柱透鏡焦距；f2為平凹柱透鏡焦距；d1為兩個柱透鏡的間距；d2為平凹柱透鏡到平凸柱透鏡焦點的距離；Win為入射光半徑；Wout為出射光半徑。

圖3 柱透鏡組示意圖Fig.3 Schematic diagram of cylindrical lens group

由圖3 可知，該系統(tǒng)高度方向的縮束倍率M為

為將圓形光斑整形成橢圓光斑，對耦合系統(tǒng)進行仿真分析，選用縮束倍率為12 的柱透鏡組，其他具體參數(shù)如表1 所示。

表1 耦合透鏡組的具體參數(shù)Table 1 Specific parameters of the coupling lens groups

在泵浦電壓為1 400 V 時，經(jīng)過平凸柱透鏡與平凹柱透鏡的耦合透鏡組整形后的1 064 nm基頻光光斑為大小約0.8 mm ×6 mm 的橢圓形，如圖4 所示。 本文設計的耦合系統(tǒng)能夠將基頻光全部耦合進晶體內(nèi)。

圖4 經(jīng)柱透鏡組耦合整形后的1 064 nm 基頻光光斑Fig.4 1 064 nm fundamental light spot after being coupled and shaped by a cylindrical lens group

對比圖2 和圖4，經(jīng)柱透鏡組耦合整形后得到的基頻光光斑面積小于原基頻光光斑面積，橢圓光斑形狀更加匹配PPLN 晶體的端面，可有效利用PPLN 晶體的端面面積。

脈沖光峰值功率密度Ppd計算式為

式中S為光斑面積。

根據(jù)式(8)計算得到分別使用單個聚焦透鏡和柱透鏡組耦合后的基頻光光斑的激光功率密度(模擬獲得光斑面積)，如表2 所示。

表2 基頻光功率密度對比Table 2 Comparison of the fundamental light optical power density

由表2 可知:當泵浦電壓相同時，使用柱透鏡組耦合整形后的光斑功率密度小于單個聚焦透鏡整形后的光斑功率密度；當泵浦電壓為1 400 V時，經(jīng)過柱透鏡組耦合后基頻光的功率密度達到最大，為35.56 MW/cm2，低于PPLN 晶體的損傷閾值(50 ~60 MW/cm2)。

PPLN-OPO 光路如圖5 所示。 圖中PPLN 輸入鏡M12 為平平鏡(前表面鍍1 064 nm 高透膜及1 570 nm高反膜；后表面鍍1 064 nm 減反膜)，輸出鏡M13 也為平平鏡(鍍透過率為25% 的1 570 nm膜及1 064 nm高反膜)，并在腔后放置近紅外濾光片(780 ~2 500 nm)。

圖5 PPLN-OPO 光路圖Fig.5 Optical path diagram of PPLN-OPO

在光學參量振蕩過程中，當基頻光的功率密度足夠高時，參量的增益大于其在諧振腔內(nèi)的損耗，產(chǎn)生激光振蕩，從而輸出信號光和閑頻光。 通過半波片調整基頻光的偏振方向，使其滿足MgO∶PPLN的O 型(e→e ＋e)準相位匹配[15]。 利用耦合透鏡組將基頻光整形為短軸長度小于1 mm的橢圓形光斑入射到OPO 諧振腔中。 非線性增益介質采用尺寸為1 mm ×10 mm ×50 mm的MgO∶PPLN 晶體，其前后端面均鍍有對基頻光(1 064 nm)、信號光(1.4 ~1.6 μm)和閑頻光(3 ~5 μm)的增透膜，MgO 摻雜濃度(物質的量濃度)為5%，極化周期為單周期29.5 μm。

1 064 nm 基頻光經(jīng)過平凸柱透鏡和平凹柱透鏡壓縮光斑豎直方向長度，提高了基頻光功率密度。 通過調節(jié)兩個耦合透鏡之間的光學間隔可改變基頻光束腰直徑，使得被壓縮的基頻光束入射到后方OPO 諧振腔中，在PPLN 晶體中完成參量光的轉換。 基頻光入射到MgO∶PPLN 晶體后，在諧振腔的反饋下，產(chǎn)生光學參量振蕩過程，獲得近紅外波段的信號光輸出。

3 實驗結果與分析

3.1 基頻光光束特性分析

在放大電壓為800 V、調Q 延時為195 μs、重復頻率為1 Hz 時，測得輸出1 064 nm 基頻光的脈沖能量和脈沖寬度隨泵浦電壓的變化曲線，如圖6 所示。

圖6 脈沖能量和脈沖寬度隨泵浦電壓的變化Fig.6 Pulse energy and pulse width as a function of pump voltage

由圖6 可以看出，在重復頻率為1 Hz 時，隨著泵浦電壓的增大，1 064 nm 基頻光的輸出能量不斷上升，當泵浦電壓為1 400 V 時激光的輸出能量達到171 mJ。 這是因為反轉粒子的數(shù)量增多導致輸出能量增大。 在1 Hz 的重復頻率下，當泵浦電壓提高時，泵浦速率隨之增大，使得激光脈寬變窄，輸出脈沖寬度變化范圍為152.6~95.71 ns。

當泵浦電壓為1 400 V 時的1 064 nm 基頻光脈寬如圖7 所示，可知脈寬為95.71 ns。

圖7 1 064 nm 基頻光脈寬Fig.7 Pulse width of 1 064 nm fundamental light

在泵浦電壓為1 400 V 時，經(jīng)過柱透鏡組耦合整形后的基頻光打在相紙上的實際形狀如圖8所示，透鏡耦合后的基頻光光斑從圓形整形成大小約為0.8 mm×8 mm 的橢圓形。

圖8 泵浦電壓為1 400 V 時相紙上的橢圓形光斑Fig.8 When the pump voltage is 1 400 V，elliptical spot on photo paper

3.2 PPLN-OPO 輸出信號光波段分析

通過設計平凸柱透鏡與平凹柱透鏡組合而成的基頻光光束耦合系統(tǒng)，實現(xiàn)了PPLN 光參量振蕩系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，利用倍頻陶瓷片觀察PPLNOPO 輸出光光斑形狀，如圖9 所示。 在倍頻陶瓷片上可見紅光的波長大約在600 ~760 nm 的范圍內(nèi)，可推斷出輸出信號光波長大致位于1 200 ~1 520 nm之間。

圖9 信號光光斑形狀Fig.9 Shape of signal light spot

使用近紅外光譜儀測試室溫下信號光的輸出波長，輸出光譜如圖10 所示。

圖10 室溫下輸出信號光光譜圖Fig.10 Optical spectrum of output signal light at room temperature

由圖10 可以看出，室溫下PPLN-OPO 穩(wěn)定輸出1.47 μm 的信號光。

4 結論

本文在理論分析的基礎上設計了Nd∶YAG脈沖固體激光器，諧振腔長度約為3.3 m，采用振蕩－放大結構，設計了基頻光的耦合系統(tǒng)，將圓形基頻光整形為橢圓形，提高了PPLN 晶體端面面積的利用率，降低了PPLN 晶體的損傷風險。 實驗結果表明:在重復頻率為1 Hz 時，獲得了脈寬在152.6 ~95.71 ns 范圍內(nèi)變化的1 064 nm 基頻光輸出，最大單脈沖能量可達171 mJ；采用耦合系統(tǒng)整形后的基頻光泵浦PPLN 晶體，獲得了穩(wěn)定的1.47 μm 信號光輸出。