沈兆国;王建洲;董涛;张晓杰;郝培育;张凤霞;赵振宇
【摘 要】企业改革与管理
Laser with higher frequency,smaller dimension and wider band is required in underwater detection.We proposed the 1 064 nm miniaturization laser with high repetition frequency could be obtained by side-pumped laser technology and EO Q-switched technology,and 532 nm laser output could be achieved by extra-cavity-doubled frequency conversion.1 064 nm laser with output energy of 36 mJ and 532 nm laser with output energy of 20 mJ were obtained under conditions of 100 A power input current and 1 kHz Q-drive frequency.Results indicate that dual-band miniaturization laser with output of high pulse repetition frequency and narrow pulse width can be realized by diode-pumped laser technology and frequency conversion technology.%就水下探测设备要求激光器输出频率高、体积小、波段宽,提出通过侧面泵浦激光技术和电光调Q技术获得高重频1 064 nm波段激光.利用腔外波长变换技术,实现532 nm激光输出.在电源输入电流100 A,调Q驱动频率1 kHz的条件下,获得36 mJ的1 064 nm激光输出和20 mJ的532 nm激光输出.试验结果表明:通过半导体泵浦技术和频率变换技术,可实现高重频窄脉宽双波段激光输出. 【期刊名称】《应用光学》
【年(卷),期】2017(038)004
【总页数】4页(P670-673)
【关键词】半导体泵浦;双波长;激光器汕尾发展论坛
【作 者】沈兆国;王建洲;董涛;张晓杰;郝培育;张凤霞;赵振宇
【作者单位】中航工业洛阳电光设备研究所,河南 洛阳 471009;西安重装渭南光电科技预先公司,陕西 渭南 714000;中航工业洛阳电光设备研究所,河南 洛阳 471009;中航工业洛阳电光设备研究所,河南 洛阳 471009;中航工业洛阳电光设备研究所,河南 洛阳 471009;中航工业洛阳电光设备研究所,河南 洛阳 471009;中航工业洛阳电光设备研究所,河南 洛阳 471009象山职业高级中学
【正文语种】中 文
【中图分类】TN249
海底地形是海洋基础测绘要获取的重要地理空间信息之一，在海洋权益维护、国防建设中具有重要作用。激光探测系统的激光束方向性强、分辨率高，与搭载系统速度快的优势相结合，使得激光测深系统成为有效的全覆盖探测系统。激光探测技术是一种主动式遥测技术，其利用激光在海水中的传播特性，一部分激光到达海面后反射回激光接收装置，一部分激光穿越海水到达海底或海水中的目标，经反射后被激光接收装置接收。根据海面与海底对反射激光到达接收装置的时间差计算出海水目标。海水对激光的衰减使得在设计激光测深系统时需要综合考虑激光重复频率、脉冲宽度、发射功率等因素。激光在大气和水中传播速度不同，所以常常激光探测水上目标和水下目标采用的激光波长不同，以保证激光在介质中最大传输效率。一般对海上目标采用1 064 nm的波段激光，对海下目标一般采用532 nm的波段激光。1 064 nm的波段激光通过泵浦光抽运激光增益介质可以直接实现激光输出，利用高重频电光调Q技术，获得高峰值功率高重频脉冲激光输出，不仅用于水上目标探测，还可以用于远程激光雷达和激光加工等领域。目前获得532 nm波段的激光比较成熟的方式是通过激光工作物质直接产生的基频光，利用非线性光学过程实现频率变换[1-6]，一般有腔内倍频和腔外倍频方式，腔内倍频适用于腔内功率密度不高情况，常用于连续激光器和高重频激光器中，腔外倍频常用于低重频高峰值功率激光器中，由于水下探测用的高重频激光器峰值高率较高，因此本文采用腔外倍频方式。
高重频激光器采用半导体泵浦固体激光器相比灯泵激光器具有寿命长、转换效率高、体积小等突出优点，逐渐被应用到激光各个领域。半导体泵浦激光器的泵浦方式一般有侧面泵浦和端面泵浦，端面泵浦虽然转换效率高、体积小，但不适用于高功率激光器，因此大功率泵浦激光器应采用侧面泵浦。由于侧面泵浦半导体激光器发散角比较大，尤其沿着激光介质方向，因此本文试验采用多个柱头镜串接，对半导体激光器光的发散性进行整形，以提高激光器的耦合效率[7-10]。在侧面泵浦的激光器中，激光增益介质形状一般分为圆形、长条形和板条形(梯形或平行四边形)。圆形适合液冷激光器，体积大，转化效率比较低；板条适合小能量激光器，不适用高重频高能量激光器；而长条形激光器体积小，非常适用风冷的高重频激光器，因此本文试验选取长条激光增益介质。
侧面泵浦固体激光器泵浦源由聚光腔和LD阵列组成。选用高峰值功率的LD阵列，实现输出高的单脉冲能量的激光脉冲。考虑到激光器的可靠性，拟采用风冷方式对阵列和激光棒进行散热。泵浦构型如图1所示，其中1为风扇，2为制冷片，3为泵浦阵列，4为柱头镜，5为激光增益介质，6为热沉。阵列模块与制冷片通过焊接，实现无缝连接，便于散热，提高散热效率。阵列模块之间通过镀金电连接片相连，构成串联回路；通过柱头镜实现与激光增益介质耦合，激光增益介质与热沉接触面镀金，可以反射对面阵列模块透过激光增益介质
后的剩余泵浦光，以提高泵浦光的吸收效率。为了实现阵列稳定工作，通过电源温控电路控制阵列的最佳工作温度，实现高能量激光输出。
2.1 试验装置
试验装置如图2所示，其中1为1 064 nm全反镜；2为激光增益介质，其横截面为6 mm×6 mm，长度为80 mm，激光增益介质为Nd∶YAG，掺杂钕离子浓度0.7at%，棒侧面打毛，两端面镀对1 064 nm高透的介质膜以减少激光振荡损耗；3为偏振片；4为调Q晶体(LN，10 mm×10 mm×20 mm)；5为输出镜(透过率20%)；6为倍频晶体(KTP，8 mm×8 mm×16 mm)，7为532 nm折转镜(对1 064 nm增透，532 nm全反)，8为1 064 nm折转镜(1 064 nm全反)，9为调Q晶体(LN，10 mm×10 mm×20 mm)，10为输出镜(透过率70%)，11为双镜(532 nm全反，1 064 nm增透)。在2和3光学器件间加入了小孔光栏。泵浦源采用目前比较成熟的半导体激光侧面泵浦连续输出模块，阵列电源所使用的最大输出电流为100 A，电压80 V。腔内靠近全反镜放置电光Q组件，以实现高功率激光有效关断。冷却系统采用风冷，对泵浦模块进行传导冷却，试验过程中精确控制Nd∶YAG的温度，冷却系统温度控制在20℃。风冷冷却方式能够对高功率泵浦所造成激光晶体废热起到有效的散热作用，因此可以提高激光器输出功率的稳定性和光束质量。
为了实现远程激光探测，便于探测器响应返回的信号光，需要高的峰值功率，因此要求激光器输出更窄的脉宽，通常激光器采用调Q方式，使得激光能量储存并瞬间打开，实现高峰值功率输出。目前激光器调Q方式主要有主动和被动方式，由于被动方式受环境影响比较灵敏，容易引起激光器输出能量波动或不稳定，环境适应性相对较差，不利于远程激光探测，所以本文试验采用主动方式。调Q晶体采用南开大学生长的LN晶体，原料采用锂含量为48.6 mol%的同成分共熔点配比，掺镁晶体镁含量为6.5 mol%，掺锌晶体锌含量为4.0 mol%。倍频晶体采用KTP，紧靠输出镜，用铟箔包裹侧面后放入带有散热装置的铜块中制冷。为了提高1 064 nm基频光转换为绿光的效率，理论上应该把KTP 晶体放置在基频光的束腰位置，同时为了实现最佳的倍频效率和避免二次谐波输出的绿光波动，非线性晶体KTP的放置应与偏振方向成45°角。
激光器接收到工作指令后，激光电源对半导体阵列供电，产生在激光晶体吸收带内的光谱辐射，这些光被耦合到激光棒上，储存在激光棒激发态能级。为了提高激光脉冲峰值功率,这时Q开关关闭，阻止在腔镜的反馈下产生的受激辐射，激光棒激发态能级储存的粒子数最大时,图2中Q开关4打开，Q开关9不打开，腔内迅速产生激光振荡，产生波长为1 064 nm的激光脉冲输出，经过倍频晶体KTP，实现532 nm激光输出；Q开关4不打开，Q开关9
打开，腔内迅速产生激光振荡，产生波长为1 064 nm的激光脉冲输出。当激光电源以一定频率工作时，激光器便产生一定频率的激光脉冲，这个过程中产生的热通过TEC传导，经过散热片和风扇将热量耦合到外界。在电源输入电流100 A，调Q驱动频率1 kHz的条件下,获得36 mJ的1 064 nm激光输出(M2因子约3)，20 mJ的532 nm激光输出(M2因子约5)。输出能量与注入电流关系如图3所示，可以看出，随着注入电流的增大，输出能量增大。
由于该光源用于圆形光电系统，激光光斑应为圆形，所以在试验中加入了小孔光栏，直径6 mm，位置如图2所示。输出镜采用高斯镜，谐振腔为非稳腔。其透射率分布函数为 中心峰值反射率为
Rmax= 30%
式中：r为高斯镜径向坐标； Rmax为中心的峰值反射率；wm为镜面的光斑尺寸或反射率降到峰值的86.5%时的径向距离。由激光自再现可知，入射到高斯镜的光束，其光斑尺寸w与镜面的光斑尺寸wm相等，即
w=wm甲基丙烯酸锌
透射光束光斑的能量分布是入射高斯光束光斑能量分布与镜的透射率分布函数之积：
联立(1)、(3)、(4)式可得：
其中r=。
通过软件对(5)式进行仿真分析，计算结果如图4所示。
从图4可以看出，通过高斯镜出射的激光光束，其光斑的能量分布呈“中间高两端低”的分布。为了比较出射激光实际光斑能量分布与理论高斯分布型激光光斑之间的区别，将两种情况分布进行了仿真，采用高斯镜输出的光斑峰值低于高斯光束峰值，且相对比较平缓，这有利于降低激光传输后续器件的损伤。由于1 064 nm经过倍频晶体之后产生532 nm激光光斑均匀性变化不大，试验中利用黄感应相纸对1 064 nm激光光斑进行了采集分析，同时利用光束分析仪测试光斑在最大输出能量情况下分布，如图5所示，均匀性较好，满足系统应用要求。
利用半导体泵浦激光技术和电光调Q技术，通过分别控制调Q开关工作状态，一路获得高重频高能量1 064 nm激光输出，经过KTP用外腔频率变换实现532 nm激光输出，另一路直接
实现1 064 nm激光输出，经折转和合束实现共轴一致双波段激光输出，通过电控制实现双波段自由快速控制输出。该激光器整体结构紧凑，使用寿命长，满足某系统要求。
【相关文献】
[1] Bai Yang, Li Long, Chen Haowei, et al. Continuous wave green laser of 9.9 W by intracavity frequency doubling in laser-diode single-end-pumped Nd∶YVO4/LBO [J].Chinese Physics Letters, 2004, 21 (8):1532-1534.
