1 引言

全固态绿光激光器常被用于医疗^[1-2]、光参量振荡器^[3]、海洋探测^[4-7]、显示^[8-9] 以及Ti∶Sapphire激光器泵浦源^[10-12] 等各种科学研究和工业应用中。在纳秒激光器中,调Q技术产生的典型激光脉冲宽度在10~100 ns的范围内,然而在许多应用领域需要利用长纳秒脉冲激光光源实现高单脉冲能量和低峰值功率,这种激光光源可以减小激光损伤,实现窄带激光输出^[13]。更重要的是,一些新材料的激光损伤特性的研究中也需要长纳秒脉冲的532 nm激光光源。此外,对于Synova S.A.公司开发的混合水射流激光加工工艺,长纳秒脉冲宽度可调谐激光可以使该工艺针对每个特定的加工任务进行优化^[14]。

目前,国内外常采用增益开关技术获得长纳秒脉冲激光,2009年,Ray 等^[15]采用这种技术,在二极管阵列侧面泵浦Nd∶YAG激光器时得到的激光脉冲宽度为409 ns。然而,这种方法严重依赖于激光二极管的峰值电流,并且容易产生多个亚脉冲输出。另一种方法是将多个激光器组合在一起,并在每个激光器的脉冲之间引入延迟,在重复频率为8 kHz时,Chard等^[16]将激光脉冲宽度从143 ns扩展到260 ns,这种方法增加了激光器的复杂性和成本。显然,上述两种方法很难得到结构简单紧凑的长纳秒激光系统。

实现长纳秒脉冲最简单有效的方法是延长激光谐振腔的腔长,但这种方法会使得激光器的结构庞大,这在实际应用中并不占优势,并且会受到振荡器的机械稳定性和激光模式的动态稳定性的限制。近些年来,多程腔(MPC)技术主要用于皮秒和飞秒激光器^[17-19]降低重复频率,增加激光脉冲能量。2019年,MPC技术首次被用于纳秒激光器中^[20]。MPC技术的使用,有效解决了上述提到的延长腔长带来的一系列问题。本文研制出一种长纳秒532 nm激光器,通过半波片(HWP2)和薄膜偏振片(TFP2)来选择引入/未引入MPC的两个不同激光腔,实现了两种不同激光宽度的脉冲输出。分别在未引入和引入MPC的两种情况下,改变不同基频的光功率,实现了脉宽可调范围为110~260 ns和460~600 ns的532 nm绿光激光输出。 在光路中引入MPC的情况下,基频激光功率为18.2 W时,532 nm激光的输出功率为6.5 W,测得的脉冲宽度为460 ns,光束质量因子M²=2.13。

2 实验装置

长纳秒脉冲532 nm绿光激光器的实验光路如图1所示,激光器主要由1064 nm 基频源与LBO倍频(SHG)系统两部分组成。 在1064 nm基频源中,LH是一个高功率激光侧面抽运模块, 每个模块均采用三向808 nm LD抽运结构, 每个模块的抽运功率均为240 W。所使用的激光晶体为棒状Nd∶YAG晶体, 尺寸为ϕ3 mm×78 mm(ϕ表示直径), Nd³⁺的掺杂离子分数为0.6%, 两端均镀有1064 nm增透膜, 以降低晶体两端的反射损耗。将声光调Q开关(Gooch & Housego, 英国)放置在光路中来获得高峰值功率激光, 以提高激光的倍频效率。腔镜M1~M3镀有1064 nm高反膜,平镜M4和凹面镜M5(R=3657)共同组成多程腔,以延长激光腔长。TFP1和TFP2 为45°放置的1064 nm薄膜偏振片, 其对水平偏振的p光增透, 对垂直偏振的s光增反, 其中,TFP1作为耦合输出器,偏振片前放置一个1064 nm半波片(HWP1), 调节HWP1的旋转角度, 获得波长为1064 nm的最大功率线偏振激光。TFP2和HWP2组合在一起,通过旋转HWP2可以获得不同的偏振输出,进而选择引入或未引入MPC两个不同的激光谐振腔。

图 1. 基于MPC技术的长纳秒脉冲532 nm激光器实验装置图,其中右上角的插图显示了M4和M5反射镜上的光束点模式

Fig. 1. Experimental setup for generating the pulse width stretched 532 nm Nd∶YAG green laser based on MPC technology, in which the upper right diagram shows the beam spot pattern on mirrors M4 and M5

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在倍频阶段:优化透镜的焦距和位置,最后选择焦距为100 mm的透镜F1将基束聚焦到LBO晶体中,实验中基频光经透镜聚焦后光斑束腰直径约为0.3 mm,LBO 晶体使用I 类非临界相位匹配,切割方向与Z轴的夹角θ=90°, 与X轴的夹角φ=0°, 尺寸为4 mm×4 mm×40 mm;优化温控仪的温度,最终控制匹配温度为142 ℃,这与使用软件SNLO计算得到的148 ℃稍有不同,我们认为匹配温度与晶体方向性的加工准确度有关。晶体两端面均镀有1064 nm & 532 nm增透膜。分束镜BS镀有532 nm高反膜和1064 nm增透膜,用于分离绿光和红外光。

3 实验结果与讨论

在文献[ 21]中分析讨论了在保持高斯光束q参数情况下扩展腔长的MPC的设计条件。 图2显示了MPC引入的腔长增加量ΔL随不同m,n值的变化规律,n表示MPC中激光的往返次数,m表示在保持高斯光束q参数情况下,MPC中反射光束在反射镜上所走过的半圆弧数,可以取任意整数,凹面镜曲率取定值R=3657 mm。 综合考虑实验需求,实验中取m=1,n=7,R=3657 mm,则MPC腔引入的腔长增加量ΔL=2500 mm。为了获得一个长纳秒脉冲 532 nm激光器,搭建了一个高功率长纳秒脉冲1064 nm的调Q Nd∶YAG激光器。激光输出功率由功率计(OPHIR, FL400A-LP1-50)测量,如图3所示,可以发现,MPC的引入对激光输出功率的影响很小,即使引入MPC的一路激光阈值略高,输出功率的减小也主要是由M4和M5两镜之间多达14次的反射损耗造成的。在未引入MPC的情况下,当泵浦功率为160.5 W,最大平均输出功率为20.8 W。另一路引入MPC后,最大平均输出功率从20.8 W降至18.2 W,脉冲宽度明显增大。

图 2. MPC平凹腔引入的腔长增加量ΔL随不同m,n值的变化曲线

Fig. 2. Extended cavity length ΔL introduced by MPC flat concave cavity versus m and n

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图 3. 1064 nm激光输出功率随808 nm泵浦光功率变化的曲线图

Fig. 3. Output power at 1064 nm versus pump power with MPC (solid squares) and without MPC (solid circles)

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接着,用一个硅基高速光电探头(DET10A, THORLABS, rise time <1 ns)来捕捉激光的脉冲波形,并将测量图像显示在示波器上(Agilent, DSO 80804 B, 8 GHz),1064 nm激光脉冲宽度随入射泵浦功率的演变如图4所示,其中实心的圆圈和方块分别表示未引入MPC和引入MPC时的脉宽测量数据。如图中所示,在两种情况中,脉冲宽度随输入泵浦功率的增大明显减小。在重复频率为10 kHz时,采用MPC技术以及改变泵浦功率,激光脉冲宽度从可调范围130~400 ns扩展到490~1000 ns。进一步,根据调Q激光器中脉冲宽度与谐振腔腔长的关系^[20,22],给出最大泵浦功率下激光脉冲宽度随腔长变化曲线,如图5所示,可以看到实验结果与理论计算值相吻合。

图 4. 1064 nm激光脉冲宽度随808 nm泵浦光功率变化的关系及对应拟合曲线

Fig. 4. Variation of the pulse width at 1064 nm with the pump power at 808 nm with MPC (solid squares) and without MPC (solid circles) and the corresponding fit for the experimental data

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图 5. 最大泵浦功率下激光脉冲宽度随腔长变化曲线

Fig. 5. Pulse width in a Q-switch laser versus cavity length under the maximum pump power

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在上述1064 nm激光系统的基础上,本研究通过腔外倍频成功实现了532 nm激光输出,图6为倍频绿光输出功率和倍频效率随1064 nm激光功率的变化曲线,可以看出,两种情况下的输出功率和倍频效率都随着1064 nm激光功率的增加而单调增加。未引入MPC时,当1064 nm激光功率为20.8 W时,532 nm激光输出功率最高为10.2 W,对应的转换效率为49.1%。在引入MPC的情况下,532 nm激光的最大输出功率和转换效率分别下降到6.5 W和35.7%,这是激光脉冲宽度变宽的结果。

图 6. 532 nm激光输出功率和倍频效率随1064 nm激光功率的变化曲线,其中实心方框代表引入MPC,实心圆点代表未引入MPC,插图为532 nm激光在最大输出功率时的光谱

Fig. 6. Output power at 532 nm and SHG efficiency versus input power at 1064 nm, in which the solid squares and solid circles represent the experimental data for the cavity with MPC and without MPC, and the inset is measured spectrum of the 532 nm laser at the maximum output power

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对532 nm激光的特性进行理论研究。对于纳秒激光的倍频过程,可以忽略波场的群速度失配(GVM)、群速度色散(GVD)、自相位调制(SPM)和交叉相位调制(XPM)。倍频过程的耦合波方程可描述为

∂A1(x,y,z,t)∂z=iω1cn(ω1)deffA2A1*exp(iΔkz)-γ12A1(x,y,z,t),(1)∂A2(x,y,z,t)∂z=iω2cn(ω2)deffA12exp(-iΔkz)-γ22A2(x,y,z,t)-tanρ∂A2(x,y,z,t)∂x,(2)

式中,A₁和A₂为基频光和倍频光的复振幅,ω₁和ω₂是基频光和倍频光的角频率,Δk是波矢失配量,d_eff 是有效非线性系数,γ₁和γ₂是线性吸收系数,ρ是x方向的走离角,n和c分别为折射率和光速。基频光采用高斯光束近似,光波复振幅 A 为空间与时间的函数,表达式为

A(x,y,z,t)=A0w(z)exp-x2+y2w2(z)exp-t2τ2,(3)

式中: A₀= 42Pa/ππε0cnfτ是中心振幅,P_a是平均功率,τ是脉冲宽度,f是脉冲重复频率,n为LBO晶体中折射率,ε₀是真空介电常数;w(z)=w₀M2· 1+{λ/[nπw02(z-L/2)]}2表示1064 nm激光光束半径,L是LBO晶体长度,w₀是光束束腰半径,M²是光束质量因子。理论计算所用参数如下:d_eff=0.85 pm/V,γ₁=0 cm^-1,γ₂=0 cm^-1, ρ=0.16 mrad, ε₀=8.854×10^-12 F/m。对于耦合波方程,采用傅里叶空间法对其进行数值求解。假设非线性光学晶体长度为L,并沿着z轴放置。将晶体沿z方向等分为N格,则每格的长度为Δz=L/N,基频激光束腰位于晶体中心,即在晶体横截平面内将基频激光复振幅分成M×M格,在时间维度上将光脉冲分为N格,这样一个激光脉冲复振幅就可看成是一个(M+1)×(M+1)×(N+1)的三维数据集,便于数值计算。通过四阶龙格库塔法数值计算可以求得晶体输出端面倍频激光的复振幅,利用此复振幅可以获得输出光束的特性,比如倍频光输出功率、脉冲波形等重要参数。

图6给出了理论模拟的532 nm激光输出功率和倍频效率随1064 nm激光功率的变化曲线,实线表示计算得到的输出功率曲线,虚线表示计算得到的倍频效率曲线。很明显,计算结果与实验数据吻合较好。另外,还用光谱分析仪(AvaSpec-2048FT-SPU)测量了倍频激光在最大输出功率下的光谱,如图5中插图所示,表明波长中心位于532 nm处。

激光典型脉冲波形如图7所示。对于未引入MPC的情况,在1064 nm激光功率为20.8 W和8.9 W时,对应的脉冲宽度分别为110 ns和260 ns,如图7(a)和图7(b)所示,引入MPC后,在1064 nm激光功率为18.2 W和6.0 W时,对应的脉冲宽度分别为460 ns和600 ns,如图7(c)和图7(d)所示。此外,图7给出了532 nm激光脉冲宽度随1064 nm激光功率的变化,十字表示在引入和未引入MPC时532 nm激光输出功率的实验数据。结果表明,未引入MPC时,1064 nm激光功率从20.8 W减小到8.9 W时,对应的脉冲宽度从110 ns增加到260 ns。引入MPC后,在1064 nm激光最大功率18.2 W处,对应的激光脉冲宽度为460 ns,且随1064 nm激光功率从18.2 W减小到6.0 W时,对应的脉冲宽度从460 ns增加到600 ns。

图 7. 532 nm激光实验和计算得到的脉宽随1064 nm激光功率变化的曲线,其中十字代表测量数据,实心方形和实心圆点分别代表引入MPC和未引入MPC的相应计算结果,虚线表示计算结果的拟合曲线,插图(a)~(d)显示了与相邻箭头对应的脉冲波形

Fig. 7. Experimental and theoretical pulse width of 532 nm laser versus input power at 1064 nm, in which the crosses are the measured data, the solid squares and solid circles are the corresponding calculated results with MPC and without MPC, respectively, the dashed lines represent the corresponding fit for the calculated results, and the insets show typical pulse waveforms corresponding to the points indicated by adjacent arrows

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通过数值求解(1)~(3)式,计算得到倍频激光的脉宽。计算结果与实验结果吻合较好,表明(1)~(3)式可以较准确地计算出532 nm激光脉冲宽度。图8给出了引入MPC后最大输出功率时脉冲输出波形序列,其重复频率为10 kHz,峰-峰值波动幅度小于±6%,具有很好的稳定性。用光束质量分析仪(Spiricon M2-200)测量了输出光脉冲的光束质量,光束质量因子为M²=2.13,插图为输出激光的二维光强分布。

图 8. 引入MPC后最大输出功率处测量得到的532 nm激光典型脉冲序列,其中插图是输出功率为6.5 W时输出激光的二维强度分布图

Fig. 8. Typical pulse sequence from 532 nm laser operating with MPC at the output power of 6.5 W, in which the inset is 2D spatial intensity profile of the output laser at P_out=6.5 W

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4 结论

采用MPC技术实现了一种长纳秒脉冲532 nm绿光激光光源,在重复频率为10 kHz下,改变泵浦功率,脉冲宽度的可调范围从110~260 ns扩展到460~600 ns。在最短脉冲宽度为460 ns时,输出功率为6.5 W,光束质量M²为2.13。通过进一步改变MPC的设计参数还可以实现更宽范围的脉冲激光输出,该激光器在一些新材料的激光损伤特性研究等多个领域具有重要应用价值。