声光调Q是固体激光器实现脉冲运转、获得mJ量级脉冲能量的最常用方法,声光调Q能够严格控制脉冲激光的重复率。掺Yb稀土钙氧硼酸盐晶体为低增益激光介质,受激发射截面很小,晶体的能量储存能力强,适合声光调Q脉冲激光的运转。我们在937 nm半导体激光器纵向泵浦条件下,利用平凹谐振腔,对掺Yb稀土钙氧硼酸盐X-切向Yb:YLuGdCOB晶体的声光调Q脉冲激光特性做了深入的研究。在最佳谐振腔输出透过率为T = 50%条件下,实现了重复率1~20 kHz范围内稳定的声光调Q脉冲运转。PRF = 1 kHz的重复率时,声光调Q产生的最大脉冲能量可达1 mJ,所产生的最大峰值功率超过166.00 kW,激光斜率效率为26.6%,最短脉冲宽度为6.0 ns。 Acousto-optic Q-switching is the most common method for solid-state lasers to realize pulse operation and obtain mJ pulse energy. Acousto-optic Q-switching can strictly control the repetition rate of pulsed laser. Yb doped rare earth calcium oxyborate crystal is a low gain laser medium with small stimulated emission cross section and strong energy storage capacity. It is suitable for the operation of acousto-optic Q-switched pulse laser. Under the longitudinal pumping condition of 937 nm semiconductor laser, the characteristics of acousto-optic Q-switched pulsed laser in Yb doped rare earth calcium oxyborate X-cut Yb:YLuGdCOB crystal are studied by using a flat concave resonator. Under the condition that the optimal output transmittance of the resonator T = 50%, a stable acousto-optic Q-switched pulse operation in the repetition rate range of 1~20 kHz is realized. When PRF = 1 kHz, the maximum pulse energy generated by acousto-optic Q-switching can reach 1 mJ, the maximum peak power generated exceeds 166.00 kW, the laser slope efficiency is 26.6%, and the shortest pulse width is 6.0 ns.
声光调Q是固体激光器实现脉冲运转、获得mJ量级脉冲能量的最常用方法,声光调Q能够严格控制脉冲激光的重复率。掺Yb稀土钙氧硼酸盐晶体为低增益激光介质,受激发射截面很小,晶体的能量储存能力强,适合声光调Q脉冲激光的运转。我们在937 nm半导体激光器纵向泵浦条件下,利用平凹谐振腔,对掺Yb稀土钙氧硼酸盐X-切向Yb:YLuGdCOB晶体的声光调Q脉冲激光特性做了深入的研究。在最佳谐振腔输出透过率为T = 50%条件下,实现了重复率1~20 kHz范围内稳定的声光调Q脉冲运转。PRF = 1 kHz的重复率时,声光调Q产生的最大脉冲能量可达1 mJ,所产生的最大峰值功率超过166.00 kW,激光斜率效率为26.6%,最短脉冲宽度为6.0 ns。
声光调Q,Yb稀土钙氧硼酸盐晶体,脉冲激光
Fenfen Liu, Cunhai Liu
Naval Aviation University, Yantai Shandong
Received: Aug. 3rd, 2021; accepted: Aug. 27th, 2021; published: Sep. 3rd, 2021
Acousto-optic Q-switching is the most common method for solid-state lasers to realize pulse operation and obtain mJ pulse energy. Acousto-optic Q-switching can strictly control the repetition rate of pulsed laser. Yb doped rare earth calcium oxyborate crystal is a low gain laser medium with small stimulated emission cross section and strong energy storage capacity. It is suitable for the operation of acousto-optic Q-switched pulse laser. Under the longitudinal pumping condition of 937 nm semiconductor laser, the characteristics of acousto-optic Q-switched pulsed laser in Yb doped rare earth calcium oxyborate X-cut Yb:YLuGdCOB crystal are studied by using a flat concave resonator. Under the condition that the optimal output transmittance of the resonator T = 50%, a stable acousto-optic Q-switched pulse operation in the repetition rate range of 1~20 kHz is realized. When PRF = 1 kHz, the maximum pulse energy generated by acousto-optic Q-switching can reach 1 mJ, the maximum peak power generated exceeds 166.00 kW, the laser slope efficiency is 26.6%, and the shortest pulse width is 6.0 ns.
Keywords:Acousto-Optic Q-Switching, Yb Rare Earth Calcium Oxyborate Crystal, Pulsed Laser
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以三价镧系稀土离子为激活离子的激光晶体,是常用的激光材料,在中小功率固体激光器中具有广泛的应用。掺Yb稀土钙氧硼酸盐(Yb:ReCOB)晶体为低增益激光介质,受激发射截面很小,晶体的能量储存能力强,具有偏振吸收的特性,优良的热机械性能 [
与被动调Q相比,关于Yb离子激光材料声光调Q的研究相对较少。本节中,我们将分析和讨论976 nm泵浦下X-切向Yb:YLuGdCOB晶体的声光调Q脉冲激光特性。激光实验中仍使用简单的平凹谐振腔。图1所示为激光实验装置示意图,声光Q开关(AO)超声频率为80 MHz,射频(rf)驱动功率16 W,声光介
图1. 声光调Q激光实验装置示意图
质长度 20 mm ,两个端面镀 1.06 m m 增透膜。谐振腔的凹面输出镜曲率半径R2 = 50 mm,腔长为60 mm。实验中Yb:YLuGdCOB晶体样品和声光Q开关都由温度为10℃的循环水冷却。
为了减小脉冲激光运转中腔内光学元件表面出现光损伤的可能性,提高脉冲激光输出功率水平和获得大的单脉冲能量,声光调Q激光谐振腔的输出耦合透过率T也应当足够高。另外,使用高的谐振腔输出透过率,也有利于抑制声光调Q脉冲激光运转中连续波振荡的产生和多脉冲现象的出现。
利用图1所示平凹谐振腔,976 nm半导体激光器纵向泵浦,实验测量了X-切向Yb:YLuGdCOB晶体的声光调Q脉冲激光输出功率随泵浦功率的变化,结果表明X-切向Yb:YLuGdCOB晶体可在输出耦合透过率T = 10%~60%的范围内,实现稳定的声光调Q脉冲激光运转。由实验确定的谐振腔最佳输出透过率为T = 50%,和连续波运转的最佳透过率在T = 5%不同。
在最佳输出透过率T = 50%条件下,Yb:YLuGdCOB晶体能够在脉冲重复率PRF = 0.2~20 kHz的范围内实现稳定的声光调Q激光振荡。图2展示了重复率PRF = 0.2~1 kHz情况下,脉冲输出功率随着吸收泵浦功率的变化关系。为便于比较,图中也给出了T = 50%下的连续波(cw)输出功率,是在声光Q开关留在腔内、但未施加射频驱动功率情况下测得的,以尽量维持激光谐振腔的构型不变。在高重复率PRF = 10~20 kHz的范围内,Yb:YLuGdCOB晶体的声光调Q输出特性的差别很小。一定泵浦功率下产生的脉冲输出功率,略低于连续波输出功率水平。例如,在吸收泵浦功率Pabs = 22.7 W,重复率为20 kHz时,产生的脉冲输出功率为4.7 W,低于连续波输出功率5.3 W;而脉冲激光斜率效率hs = 26.6%,略低于连续波运转的斜率效率28.7%。在PRF = 1 kHz的低重复率条件下,声光调Q阈值泵浦功率Pabs,th = 2.1 W;超过阈值后,脉冲输出功率以hs = 10.0%的斜率效率增加,在泵浦功率Pabs = 13.6 W时单脉冲能量为1 mJ,但是脉冲输出功率Pavr仅为1 W。
图2. X-切向Yb:YLuGdCOB晶体声光调Q脉冲激光输出功率随吸收泵浦功率的变化
应当指出,T = 50%是由实验确定的、实现低重复率下高功率或高能量声光调Q脉冲运转的最佳输出透过率,但脉冲激光效率相对较低,因为远离谐振腔的连续波运转最佳输出透过率T = 5%。当减小谐振腔输出耦合透过率时,脉冲激光效率可获得显著的提升,但却增加了腔内光学元件(激光晶体、声光介质)表面遭受光损伤的可能性 [
利用光谱仪测量X-切向Yb:YLuGdCOB晶体的声光调Q脉冲激光发射谱,实验结果显示,在T = 50%的高输出耦合透过率下,发射谱几乎不随重复率或泵浦功率变化。图3给出了泵浦功率Pabs = 11.9 W下测得的PRF = 5 kHz、10 kHz和20 kHz的激光发射谱,我们看到,声光调Q (1031~1034 nm)的激光波长已非常接近Yb:YLuGdCOB晶体主发射峰(1030.0 nm)的峰值位置。
图3. 吸收泵浦功率Pabs =11.9 W时X-切向Yb:YLuGdCOB晶体声光调Q脉冲激光发射谱
对于声光调Q脉冲激光运转,脉冲宽度通常随泵浦功率水平的提高而减小,这一特征在高重复率下尤为显著。实验利用示波器测量不同重复率下的脉冲宽度,图4示出了T = 50%下的重复率PRF = 0.2~20 kHz范围内,Yb:YLuGdCOB晶体声光调Q激光脉冲宽度随泵浦功率的变化情况。在PRF = 20 kHz的高重复率下,随着泵浦功率自阈值开始增加,脉冲宽度从259 ns逐渐地缩短至21 ns (Pabs = 22.7 W);而在PRF = 1 kHz的低重复率下,脉冲宽度仅在Pabs < ~ 5.5 W的低泵浦功率区域有所减小,高功率下近似地
图4. T = 50%时,X-切向Yb:YLuGdCOB晶体声光调Q脉冲宽度随吸收泵浦功率的变化
保持不变,其值约为6.0 ns (Pabs = 13.6 W)。对于PRF = 5 kHz,阈值附近的低功率下脉冲宽度随泵浦功率升高而快速地减小;在高泵浦功率区域脉冲宽度也近似地保持不变。
图5(a)给出了低重复率PRF = 1 kHz的条件下,由Yb:YLuGdCOB晶体声光调Q获得的最短激光脉冲波形,脉冲宽度为6.08 nm,是在最高泵浦功率Pabs = 13.6 W测得的。图5(b)所示为相应的激光脉冲序列,脉冲幅度涨落不超过10%;与被动调Q情形不同的是,这里的脉冲重复周期是由外加调制信号决定的,不存在可观察到的时间抖动。本文计算了X-切向Yb:YLuGdCOB晶体声光调Q脉冲激光主要参数,如表1所示。这些参数包括最大脉冲输出功率Pavr,脉冲能量Ep,脉冲宽度tp,峰值功率Pp。可以看出在重复率PRF = 1 kHz的条件下,活动最大脉冲能量Ep = 0.996 W,最高峰值功率Pp = 125.00 W。
图5. 泵浦功率Pabs = 11.2 W下测得的声光调Q脉冲轮廓(a)和脉冲序列(b)
PRF (kHz) | 0.2 | 0.5 | 1.0 | 2.0 | 5.0 | 10.0 | 20.0 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Pavr (W) | 0.136 | 0.400 | 0.996 | 1.789 | 3.062 | 4.12 | 4.663 |
Ep (mJ) | 0.680 | 0.800 | 0.996 | 0.894 | 0.612 | 0.412 | 0.233 |
tp (ns) | 8.9 | 6.4 | 6.0 | 6.2 | 9.2 | 12.6 | 21.2 |
Pp (kW) | 76.40 | 125.00 | 166.00 | 144.27 | 66.57 | 32.70 | 11.00 |
表1. X-切向Yb:YLuGdCOB晶体不同重复频率下的激光参数
根据准三能级材料主动调Q脉冲激光参数的理论计算公式 [
参数 | 数值 |
---|---|
激光发射波长ll (nm) | 1030 |
受激发射截面sem (10− 20 cm 2) | 1.62 |
共振吸收截面sabs (10− 20 cm 2) | 0.12 |
晶体荧光寿命tf (ms) | 0.93 |
Yb离子浓度Nt ( 1020 cm −3) | 6.23 |
晶体样品长度l (cm) | 0.50 |
谐振腔光学长度Le (cm) | 12.6 |
泵浦光斑半径wp (cm) | 0.01 |
激光模半径wl (cm) | 0.007 |
谐振腔输出透过率T | 0.5 |
谐振腔杂散损耗Li | 0.02 |
激光光子能量hnl (10−19 J) | 1.94 |
泵浦光子能量hnp (10−19 J) | 2.13 |
表2. X-切向Yb:YLuGdCOB晶体声光调Q脉冲激光特性理论计算过程中所用到的参数
在平面波(或平均场)近似下,理论计算所需的两个中间量,泵浦速率Rp和激光介质内有效模体积Va,可按下面的公式计算 [
R p = 1 h v p P abs π w p 2 l (1)
V a = π w l 2 l (2)
对重复率PRF = 1, 2, 5, 10, 30 kHz,泵浦功率Pabs = 10.8 W的条件下,声光调Q脉冲能量和脉冲宽度做了理论计算。表3给出了计算值和测量值的比较。表中Ep,cal和Ep,exp分别为脉冲能量的计算值和测量值;而tp,cal和tp,exp分别为脉冲宽度的计算值和测量值。我们看到,不同重复率下,脉冲能量的理论计算结果与实验测量值符合得相当好;但对于脉冲宽度,理论计算与实验测量之间却存在着很大差异,这在低重复率下尤为显著。这一问题的根源在于,我们的理论计算是基于平面波或平均场近似,其中假定激光介质内反转粒子数密度N和光子数f都具有均匀的横向空间分布(即与(r, q)或(x, y)无关)。这一假设,对于主动调Q激光脉冲能量理论计算的影响很小,但却会给脉冲宽度的计算带来很大的误差 [
PRF (kHz) | 1.0 | 2.0 | 5.0 | 10.0 | 30.0 |
---|---|---|---|---|---|
Ni (1020 cm−3) | 1.82 | 1.21 | 0.74 | 0.59 | 0.49 |
Nf ( 1020 cm −3) | 0.04 | 0.11 | 0.25 | 0.34 | 0.41 |
Ep,cal (mJ) | 2.360 | 1.450 | 0.638 | 0.325 | 0.109 |
Ep,exp (mJ) | 3.100 | 1.550 | 0.636 | 0.337 | 0.114 |
tp,cal (ns) | 2.8 | 4.0 | 8.7 | 17.2 | 64.0 |
tp,exp (ns) | 23.9 | 24.3 | 24.6 | 26.0 | 42.0 |
表3. 不同重复率下Yb:YLuGdCOB声光调Q脉冲能量和脉冲宽度计算值与测量值的比较
表3中除了脉冲能量和脉冲宽度外,还列出了Ni和Nf的计算值。我们看到,随着重复率降低(泵浦时间tp缩短),激光脉冲开始建立时的反转粒子数密度Ni很快地减小;而脉冲结束时激光介质内剩余的反转粒子数密度Nf则不断增加。当脉冲重复率提高至PRF = 30 kHz时,Ni和Nf的差值已相当小,这意味着激光介质内储存能量的利用率很低。应当指出,高重复率下储能利用率降低,仅表明在主动调Q的一个重复周期内,激光介质反转粒子数的利用率降低,但剩余的反转粒子数或储能并没有损失,而是继续用于后一重复周期内激光脉冲的形成。因此,高重复率条件下储能利用率的降低,对声光调Q脉冲激光效率没有影响。事实上,声光调Q脉冲激光效率通常会随重复率提高而增加。
和被动调Q一样,声光调Q也是固体激光器实现脉冲运转、获得mJ量级(或低于此)脉冲能量的最常用方法。当需要严格的固定重复频率脉冲激光时,声光调Q常是最合适而简单的选择。然而,与被动调Q情形不同的是,Yb离子激光材料的声光调Q的相关研究,无论在广度还是深度上,都难以与被动调Q研究相比拟。
我们在937 nm半导体激光器纵向泵浦条件下,利用平凹谐振腔,对掺Yb稀土钙氧硼酸盐晶体Yb:YLuGdCOB的声光调Q脉冲激光特性做了较为深入的研究,确定了不同晶体能够实现稳定声光调Q的脉冲重复率范围,实现了高效率的脉冲激光运转,获得了近1 mJ的单脉冲能量,所产生的最大峰值功率超过166.00 kW。对于X-切向Yb:YLuGdCOB晶体,高能量声光调Q的最佳谐振腔输出透过率为T = 50%。在这一输出透过率下,可实现1~20 kHz重复率范围内稳定的声光调Q脉冲运转。在PRF = 1 kHz的重复率下限,声光调Q产生的最大脉冲能量可达1 mJ,最短脉冲宽度为6.0 ns,而激光斜率效率为26.6%。根据准三能级材料主动调Q脉冲激光参数的理论计算公式,利用Yb:YLuGdCOB晶体的光谱学参数、晶体样品参数、谐振腔和泵浦光束参数,计算出了给定重复频率下的声光调Q脉冲能量和脉冲宽度。
刘芬芬,刘存海. X-切向Yb:YLuGdCOB晶体的声光调Q脉冲激光性质Properties of Acousto-Optic Q-Switched Pulsed Laser of X-Cut Yb:YLuGdCOB Crystal[J]. 材料科学, 2021, 11(09): 959-966. https://doi.org/10.12677/MS.2021.119111
https://doi.org/10.1016/S0925-3467(00)00075-6
https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2020.117789
https://doi.org/10.1364/JOSAB.17.000018
https://doi.org/10.1016/S0030-4018(99)00293-X
https://doi.org/10.1049/el:20001141
https://doi.org/10.1364/OL.25.000423
https://doi.org/10.1134/S1054660X08010027
https://doi.org/10.1364/OE.415451
https://doi.org/10.1364/OL.38.003788
https://doi.org/10.1364/OE.21.026605
https://doi.org/10.3788/fgxb20133409.1219
https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.09.021
https://doi.org/10.3788/LOP57.070004
https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2004.07.058
https://doi.org/10.1364/CLEO_AT.2011.JWA46
https://doi.org/10.1007/b97423