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脉冲单频Nd:YVO4激光器及其倍频输出特性研究

董磊 刘欣悦 陈浩

董磊, 刘欣悦, 陈浩. 脉冲单频Nd:YVO4激光器及其倍频输出特性研究[J]. 中国光学, 2015, 8(5): 800-805. doi: 10.3788/CO.20150805.0800
引用本文: 董磊, 刘欣悦, 陈浩. 脉冲单频Nd:YVO4激光器及其倍频输出特性研究[J]. 中国光学, 2015, 8(5): 800-805. doi: 10.3788/CO.20150805.0800
DONG Lei, LIU Xin-yue, CHEN Hao. Properties of pulse single-frequency laser and extra-cavity double frequency green laser[J]. Chinese Optics, 2015, 8(5): 800-805. doi: 10.3788/CO.20150805.0800
Citation: DONG Lei, LIU Xin-yue, CHEN Hao. Properties of pulse single-frequency laser and extra-cavity double frequency green laser[J]. Chinese Optics, 2015, 8(5): 800-805. doi: 10.3788/CO.20150805.0800

脉冲单频Nd:YVO4激光器及其倍频输出特性研究

doi: 10.3788/CO.20150805.0800
基金项目: 国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(No.2014AAXXX1003X)
详细信息
    通讯作者: 董 磊(1982—),男,山东济宁人,硕士,助理研究员,主要从事傅里叶光学和激光技术等方面的研究。E-mail:nodepression@126.com刘欣悦(1973—),男,辽宁大连人,博士,研究员,主要从事自适应光学方面的研究。E-mail:sirliuxy@sina.com陈 浩(1986—),男,河北献县人,硕士,助理工程师,主要从事全固态激光器与非线性频率变换技术方面的研究。E-mail:ayq532@163.com
  • 中图分类号: TH743

Properties of pulse single-frequency laser and extra-cavity double frequency green laser

  • 摘要: 为了研制激光干涉成像所需的主振荡功率放大(MOPA)结构脉冲单频激光器,本文完成MOPA激光器的种子源即声光调Q脉冲单频1 064 nm激光器的特性研究,同时完成种子源腔外倍频绿光特性研究。脉冲单频激光器采用声光调Q模块实现脉宽约20 ns的1 064 nm脉冲激光输出,采用环形腔设计并采用一组不同厚度的标准具实现单纵模运转。实验研究基频1 064nm和倍频532 nm激光脉冲的线宽,得出在全脉宽范围内都具有较高时间相干性的结论。实验分别获得脉宽约28 ns峰值功率约6.5 kW的1 064 nm脉冲单频激光和脉宽约20 ns、峰值功率约0.5 kW的532 nm脉冲单频激光,腔外倍频效率为5.6%。实验同时也验证了腔外倍频的激光脉宽压缩效应。
  • 图  1  激光器结构示意图

    Figure  1.  Scheme of laser structure

    图  2  激光器装置图

    Figure  2.  Picture of laser device

    图  3  迈氏干涉仪原理图

    Figure  3.  Scheme of Michelson interferometer

    图  4  时间相干性测量装置图

    Figure  4.  Picture of the measurement device of temporal coherence

    图  5  单频性测量

    Figure  5.  Measurement of single-frequency

    图  6  单套干涉环

    Figure  6.  Single group of coherent rings

    图  7  在不同光程差下的干涉条纹

    Figure  7.  Coherent fringes for different optical path difference

    表  1  1 064 nm和532 nm激光的单脉冲能量、脉宽及峰值功率

    Table  1.   Pulse energy,pulse width and peak power of 1 064 nm and 532 nm laser

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出版历程
  • 收稿日期:  2015-07-09
  • 录用日期:  2015-09-21
  • 刊出日期:  2015-01-25

脉冲单频Nd:YVO4激光器及其倍频输出特性研究

doi: 10.3788/CO.20150805.0800
    基金项目:  国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(No.2014AAXXX1003X)
    通讯作者: 董 磊(1982—),男,山东济宁人,硕士,助理研究员,主要从事傅里叶光学和激光技术等方面的研究。E-mail:nodepression@126.com刘欣悦(1973—),男,辽宁大连人,博士,研究员,主要从事自适应光学方面的研究。E-mail:sirliuxy@sina.com陈 浩(1986—),男,河北献县人,硕士,助理工程师,主要从事全固态激光器与非线性频率变换技术方面的研究。E-mail:ayq532@163.com
  • 中图分类号: TH743

摘要: 为了研制激光干涉成像所需的主振荡功率放大(MOPA)结构脉冲单频激光器,本文完成MOPA激光器的种子源即声光调Q脉冲单频1 064 nm激光器的特性研究,同时完成种子源腔外倍频绿光特性研究。脉冲单频激光器采用声光调Q模块实现脉宽约20 ns的1 064 nm脉冲激光输出,采用环形腔设计并采用一组不同厚度的标准具实现单纵模运转。实验研究基频1 064nm和倍频532 nm激光脉冲的线宽,得出在全脉宽范围内都具有较高时间相干性的结论。实验分别获得脉宽约28 ns峰值功率约6.5 kW的1 064 nm脉冲单频激光和脉宽约20 ns、峰值功率约0.5 kW的532 nm脉冲单频激光,腔外倍频效率为5.6%。实验同时也验证了腔外倍频的激光脉宽压缩效应。

English Abstract

董磊, 刘欣悦, 陈浩. 脉冲单频Nd:YVO4激光器及其倍频输出特性研究[J]. 中国光学, 2015, 8(5): 800-805. doi: 10.3788/CO.20150805.0800
引用本文: 董磊, 刘欣悦, 陈浩. 脉冲单频Nd:YVO4激光器及其倍频输出特性研究[J]. 中国光学, 2015, 8(5): 800-805. doi: 10.3788/CO.20150805.0800
DONG Lei, LIU Xin-yue, CHEN Hao. Properties of pulse single-frequency laser and extra-cavity double frequency green laser[J]. Chinese Optics, 2015, 8(5): 800-805. doi: 10.3788/CO.20150805.0800
Citation: DONG Lei, LIU Xin-yue, CHEN Hao. Properties of pulse single-frequency laser and extra-cavity double frequency green laser[J]. Chinese Optics, 2015, 8(5): 800-805. doi: 10.3788/CO.20150805.0800
    • 激光干涉成像具有主动照明提高成像信噪比和不需要获得光强的空间分布而只需测量随时间变化回波能量就可重构图像等优点,成为非常规成像领域的重要组成部分。其中的一种新型成像技术——傅里叶望远镜成像,具有主动成像、合成孔径、克服低阶大气湍流影响和低光学质量能量接收的特点,从而成为近几年的研究热点[1, 2, 3, 4, 5, 6]

      傅里叶望远镜成像关键技术之一是产生光学外差干涉模式。已有产生该干涉模式的方法[7, 8]都是采用连续单频激光器生成的激光先分束再移频最终形成干涉条纹。连续单频激光器在近距离成像(1 km以内)是可行的,却不适用于远距离成像(几十km以上),原因在于成像需要的激光峰值功率与距离的4次方成正比[9]。所以我们需要研究基于主振荡功率放大(MOPA)结构的脉冲单频激光器的特性,从而研制出可用于远距离成像的脉冲单频激光器。而研究MOPA结构脉冲单频激光器的首要问题是要研究脉冲单频种子源的特性,这正是本文研究的出发点。由于没有找到成熟的可定量测量脉冲激光线宽(时间相干性)的仪器或技术,故本文采用迈克耳逊干涉法测量不同光程差下干涉条纹对比度的下降趋势,从而得到脉冲单频激光器的线宽(时间相干性)的测量结果。

      本文首先介绍脉冲单频激光器的设计方案;然后给出开展时间相干性(线宽)测量及激光基本参数测量所需的实验装置;随后给出脉冲单频激光时间相干性的变化趋势和激光基本参数测量实验结果。

    • 最终脉冲MOPA激光器的初步设计指标为:波长532 nm,峰值功率约1 GW,脉宽约10 ns,相干长度>1m,重复率约10 Hz。根据单级功放倍率约3倍,12级功放,最终外腔倍频效率约50%,可计算得到种子激光器的初步指标要求:波长1 064 nm,峰值功率>3.76 kW,脉宽>10 ns,相干长度>1 m,重复率约为10 Hz。

      激光器采用环形腔设计,在腔内插入法拉第旋转器、λ/2波片和标准具,实现窄线宽、单纵模激光输出。该激光器采用以下技术保证高性能的脉冲单频激光的产生。

      横模选择技术:种子激光器采用808 nm LD泵浦工作物质,减少工作物质中的废热产生,提高光束质量;采用端面泵浦方式,使泵浦光光斑直径略小于谐振腔基膜光斑直径,达到最佳模式匹配,实现单横模运转。

      纵模选择技术:种子激光器采用环形腔技术消除空间烧孔效应,同时腔内插入标准具,两者共同作用实现单纵模运转。

      线宽压窄技术:在谐振腔中插入多个厚度不同的标准具压窄线宽,保证激光器输出窄线宽(大相干长度)激光。

      主动调Q技术:采用声光调Q产生重复率稳定、脉宽约20 ns的脉冲激光。

      倍频技术:采用KTP腔外倍频,获得窄线宽脉冲单频激光。

      激光器结构示意图和实物图分别如图1图2所示。激光器的工作原理如下:连续LD(半导体泵浦激光器)通过光纤耦合及耦合镜头将能量运送到激光工作物质(Nd∶YVO4,福晶公司生产,尺寸为3 mm×3 mm×7 mm),采用端面泵浦提高光束质量,确保单横模输出;声光调Q器(AO-swtich,中电26集团所生产)用来产生重复率为10 Hz,脉宽(半幅值全宽度)约20 ns(倍频后脉宽)的脉冲激光;一组不同厚度的标准具(长春乾昊公司生产)用来压缩线宽,其中薄标准具实现粗选频,随着厚度增加选频精度提高,最终实现单纵模输出;KTP晶体(福晶公司生产,6 mm×6 mm×8 mm)放在腔外,将脉冲单频1 064 nm激光转换成脉冲单频532 nm激光。实验中主要的热源均采用温控技术保证激光器的持续稳定工作,其中LD采用TEC半导体制冷和风冷,Nd∶YVO4采用TEC半导体制冷加水循环制冷,保证高光束质量的脉冲单频激光的稳定输出。

      图  1  激光器结构示意图

      Figure 1.  Scheme of laser structure

      图  2  激光器装置图

      Figure 2.  Picture of laser device

    • 利用迈克耳逊干涉法和收发同步测量法开展激光时间相干性测量。迈克耳逊干涉法是传统的用来测量光波时间相干性的方法,通过改变两臂光程差使得CCD相机靶面的干涉条纹(通过微调一面反射镜的倾角,使得靶面条纹分布易于观测)对比度逐渐降低,从而获得激光的时间相干性信息,如图3所示。其中保偏分光棱镜保证分束后的两束激光的偏振态完全相同,可以消除偏振态不一致引起的条纹对比度下降,从而保证条纹对比度的下降仅由两臂光程差的增加接近或超过波列时间相干长度所致。

      图  3  迈氏干涉仪原理图

      Figure 3.  Scheme of Michelson interferometer

      收发同步测量法是利用双通道信号发生器和带外触发功能的CCD相机,获取脉冲激光产生的瞬时干涉条纹的图像。信号发生器的一路信号触发AO调Q,产生10 Hz的脉冲激光输出;另一路触发CCD相机实现图像获取。调整CCD相机的触发延迟和曝光时间,从而准确稳定捕获瞬时干涉条纹图象。迈克耳逊干涉法和收法同步测量法相结合的测量实验装置实物图如图4所示。

      图  4  时间相干性测量装置图

      Figure 4.  Picture of the measurement device of temporal coherence

    • 由于倍频过程不会改变激光单频性(即不改变激光纵模数),所以基频光1 064 nm的单频性是通过倍频后绿光的单频性来验证的。单频性利用间隔为9.8 mm的标准具检测,当CCD显示为清晰的单套环时,表示激光为单纵模。测量实物图和结果分别为图5图6所示。

      图  5  单频性测量

      Figure 5.  Measurement of single-frequency

      图  6  单套干涉环

      Figure 6.  Single group of coherent rings

    • 利用Coherent公司的激光能量计(LabMax-Top)测量单脉冲能量和重复率。利用Thorlabs公司的高速探头(DET10A)和Tek示波器 (TDS1002C-EDU)测量激光脉宽。

    • 利用迈氏干涉法测量脉冲单频激光器的时间相干性,测量光程差分别为0、1、2、3、4、5和6 m时的干涉条纹,如图7所示,并计算其对比度。对比度的算法如下:在光束覆盖范围内选择5个具有代表性的局部单周期条纹,分别计算各自的对比度,然后将对比度平均值作为该光程差下的对比度。光程差分别为0、1、2、3、4、5和6 m时干涉条纹的对比度分别为:0.977(0 m),0.852(1 m),0.839(2 m),0.819(3 m),0.762(4 m),0.697(5 m),0.642(6 m)。可以看出干涉条纹的对比度随着光程差的增加大致呈现出递减的趋势。

      根据文献[10]中相干时间的定义,当对比度下降为0.707时,对应的迈氏干涉法的两臂的光程差为相干长度。由于5 m光程差对应的脉冲单频激光器的干涉条纹的对比度为0.697,该值与0.707很接近,可认为激光的相干长度近似为5 m,满足对种子源激光器的要求。利用公式Δv=c/Lc[11],其中c为光速,Lc为相干长度,计算得到激光的线宽约为60 MHz。

      图  7  在不同光程差下的干涉条纹

      Figure 7.  Coherent fringes for different optical path difference

    • 在单纵模条件下,测量1 064 nm和532 nm的单脉冲能量及脉宽,如表1所示。根据倍频后532 nm单脉冲能量与1 064 nm单脉冲能量的比值,计算出腔外倍频的转化效率约为5.6%,如表1所示。根据公式Psummit=Epulse/W计算峰值功率Psummit,其中Epulse为单脉冲能量,W为脉宽(半幅值全宽度)。1 064和532 nm脉冲激光的峰值功率分别如表1所示。由表可以看出,已研制的种子源的基本参数也满足本文第2部分对种子源激光器的指标要求。根据表1的数据计算得到倍频引起的脉宽压缩比为28.7%。

      表 1  1 064 nm和532 nm激光的单脉冲能量、脉宽及峰值功率

      Table 1.  Pulse energy,pulse width and peak power of 1 064 nm and 532 nm laser

    • 本文对声光调Q脉冲单频激光器特性及其腔外倍频特性开展实验研究。研究表明采用环形腔和多个标准具压缩激光线宽后,可以获得单纵模脉冲输出。脉冲单频激光及其倍频后绿光具有几乎全脉宽范围内的相干性。激光线宽(相干长度)主要受标准具数目、厚度和倾角的限制,而脉宽主要受腔长和腔镜的限制,可以相对独立地调整激光线宽和脉宽。倍频会部分压缩脉宽,实验表明当基频光脉冲约为28 ns时,获得约20 ns的绿光,腔外倍频的压缩比约为28.7%。当基频光的峰值功率达到6.5 kW时,可获得约0.5 kW的绿光,腔外倍频效率约为5.6%。

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