1 引言

多脉冲全固态激光器在脉冲激光测距、激光精密加工、激光与物质相互作用方面有巨大的应用需求^[1-4]。调Q技术有电光调Q、声光调Q、被动调Q等,电光调Q技术能够实现脉冲宽度为10 ns的激光输出^[5],在重复频率为几Hz至几十Hz时产生峰值功率达到MW的激光脉冲,峰值功率为MW级别且重复频率达到MHz的激光脉冲少有报道;声光调Q技术能够达到脉冲宽度为20~40 ns的激光输出,在重复频率为几百kHz时产生的峰值功率也只有kW量级;被动调Q技术能达到脉冲宽度为30 ns左右,且输出峰值功率能达到kW量级,但是不易控制输出脉冲的稳定性^[6];锁模技术能够达到GHz的工作频率,经过放大后可以输出高峰值功率激光,但结构较为复杂^[7]。针对高峰值功率、高重复频率激光器市场的需求,越来越多的研究人员开始通过改变传统激光器调Q控制方式来实现高功率、高频率激光输出。

2006年,Li等^[8]实现了掺钕离子钒酸钆(Nd∶GdVO₄)晶体的双被动调Q激光器的运转,说明双被动调Q能有效提高脉冲对称性和压缩脉冲宽度;2011年,王学军等^[9]研究了纳秒双脉冲激光的控制方法,采用两台闪光灯抽运电光调Q激光器偏振组产生了100 ns间隔双脉冲激光,这为研究高重复频率多脉冲提供了研究思路;2012年,李峰等^[10]研究了电光调Q双脉冲输出Nd∶YAG激光器,采用一个抽运周期内两次调Q的工作方式,实现了脉冲间隔为200~230 μs的双Q脉冲输出,说明改变调Q电源与抽运源工作时序能够实现本振激光器输出多脉冲;2017年,Hu等^[11]开展了光纤激光器产生双脉冲方面的研究,工作频率为783.3 kHz,输出能量为72.5 nJ,实现了子脉冲频率为10 MHz、峰值功率为18.1 W的短脉冲激光输出;2017年,赵鑫等^[12]通过优化普克尔盒消光比、下降沿来压窄脉冲宽度,提高激光峰值功率,获得重复频率为200 Hz、脉冲宽度为2.85 ns、峰值功率为1 MW的脉冲激光。目前所报道的短脉冲间隔脉冲组输出激光器中,子脉冲重复频率达到MHz且子脉冲峰值功率达到MW的研究未见报道。

本文针对子脉冲频率达到MHz级别且子脉冲峰值功率达到MW级别的激光进行研究,通过对电光调Q电源输出波形的控制来改变激光输出脉冲,研究不同台阶电压和台阶间隔条件下调Q的输出特性,获得了激光子脉冲能量可调节、激光子脉冲间隔可调节的脉冲组激光输出,子脉冲宽度小于37 ns,子脉冲能量达到23 mJ,子脉冲峰值功率最大达到0.96 MW,子脉冲频率在1.1~10.0 MHz范围内可调,光-光转换效率为22.5%。最终在激光输出峰值功率达到MW时,子脉冲输出频率在1.1~10.0 MHz范围内可调。

2 实验装置与原理分析

图1为激光二极管(LD)侧面抽运Nd∶YAG多脉冲激光器光路图。几何腔长为300 mm,激光增益介质选用掺杂浓度为1%的Nd∶YAG圆柱激光棒,长度为25 mm,直径为4 mm,激光棒置于两个半环形配合的LD抽运模块中,以传导冷却方式散热^[13-15]。LD抽运源采用808 nm的准连续半导体激光器二极管阵列,抽运频率为1 Hz,抽运脉冲宽度为200 μs。采用两个焦距为2000 mm的平凹镜构成输出镜、全反镜,全反镜反射率为100%,输出镜反射率为50%,由于平凹镜焦距远大于谐振腔长度,故谐振腔可视为平平腔。Nd∶YAG激光棒为各向同性晶体,产生非偏振光,谐振腔插入偏振片产生线偏振光,偏振片采用水平p光高透和垂直s光高反的石英玻璃。电光调Q晶体采用铌酸锂(LN)以退压方式工作,调Q晶体LN与偏振片组成电光Q开关,关门电压为λ/4(λ为波长)电压。本课题组采用自主研发的台阶式工作电光调Q电源,退压台阶间隔为100~1000 ns,退压间隔最小为100 ns,总电压工作范围为1~4 kV,关门电压为2 kV,台阶时间相对抖动≤5 ns,台阶幅值相对抖动≤1%,可设置1~3个台阶,每个台阶电压幅值可调。LD电源抽运激光棒且给调Q电源发送同步信号,调Q电源在抽运结束后产生台阶式退压信号加载到LN上。

图 1. LD侧面抽运Nd∶YAG脉冲组激光器光路图

Fig. 1. Light path diagram of LD side pumped Nd∶YAG pulse group laser

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常规调Q方式与脉冲组调Q控制方式的区别如表1所示。常规调Q方式中,激光器单次储能,Q开关单次打开,谐振腔在Q开关打开后迅速振荡输出单个巨脉冲;脉冲组调Q方式中,激光器单次储能,Q开关台阶式释放谐振腔储存的能量,输出的子脉冲能量可相同或不同。根据Koechner论述,精确控制谐振腔内损耗变化能够控制谐振腔释放激光能量的大小,控制谐振腔损耗阶梯变化能够实现多个脉冲输出。

图 2. Q开关打开后Q晶体上电压随时间的变化

Fig. 2. Variation of Q crystal voltage with time after Q switch open

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Q晶体上的电压工作波形如图2所示,为方便说明Q开关工作的过程,将抽运结束后Q开关打开时刻作为零时刻。激光器获取脉冲组输出的工作机制为合理控制Q开关上的电压变化形式,即在抽运结束后,Q开关台阶式开启,可以获取多个调Q脉冲输出。在抽运结束后,Q开关开启,按照第一个台阶打开Q开关,Q开关的透过率增加,即由Q开关形成的谐振腔单端等效反射率发生变化,谐振腔起振消耗增益介质中的反转粒子数,输出第一个Q脉冲,系统达到稳态阈值;按照第二个台阶打开Q开关,Q开关的透过率增加,系统的阈值降低,谐振腔起振消耗增益介质中的反转粒子数,输出第二个Q脉冲,系统达到另一个稳态阈值;按照第三个台阶打开Q开关,Q开关的透过率继续增加,系统的阈值降低,谐振腔起振消耗增益介质中的反转粒子数,输出第三个脉冲。通过改变加载到Q开关上的电压来控制Q开关的透过率,进而控制由Q开关形成的谐振腔单端的等效反射率,谐振腔内的小信号增益也随之确定,从而控制谐振腔损耗的变化量,最终实现由加载到Q晶体上的电压变化对应的激光输出能量变化,通过调整加载到Q开关上的台阶次数、台阶幅度、台阶时间,能够调整电压差对应谐振腔内的损耗,实现激光器输出子脉冲幅值、子脉冲间隔均可调节。

图 3. 电光调Q电源工作波形图

Fig. 3. Work waveform of electro-optic Q-switched power

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3 实验结果与分析

在实验过程中采用Tektronix的P6015A高压探头测量高压驱动源输出的高压信号,采用OPHIR的NOVA II能量计测量输出的能量,采用Thorlabs光电探测器DET10A1M和Tektronix示波器DPO3054测量激光输出子脉冲宽度。在LD抽运一个周期结束后,调Q电源开始台阶式退压,在谐振腔达到平衡时开启Q开关,谐振腔迅速振荡输出激光脉冲后达到平衡态,再次开启Q开关输出激光脉冲,谐振腔经过多个振荡-平衡过程,从而实现多个脉冲输出。图3所示为电光调Q电源一个周期内的工作波形图,调Q电源退压后恢复到V_λ/4的时间约为100 μs,测试常规调Q电源恢复到V_λ/4的时间约为100 μs,说明台阶式调Q电源与常规调Q电源的区别主要在于退压方式,其他参数相同。图3中台阶退压波形放大后为黑色框内波形,台阶退压边沿的时间约为10 ns,与常规调Q时间相同,台阶时间为400 ns,台阶幅值分别为620,480,800 V,此波形为电源调试时的测试波形,在调试多脉冲输出时,通过设置不同台阶工作电压可以调整谐振腔内调Q损耗相同,进而调整Q损耗对应激光输出能量相同,通过调整电压可以实现脉冲组输出幅值基本相同。

图4所示为调Q后三个子脉冲输出序列,子脉冲时间间隔为400 ns,与台阶退压时间间隔相同,子脉冲时间间隔由台阶式调Q触发信号控制。调整不同台阶的电压可以调整三个子脉冲输出幅值相同,改变触发信号的时间间隔可以获得不同子脉冲间隔的调Q脉冲组。

图 4. 电光调Q输出的三个子脉冲

Fig. 4. Three subpulses outputs of electro-optic Q-switched

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LD抽运增益介质的能量直接影响到调Q脉冲组输出能量的大小,在实验台阶式调Q之前,测试常规调Q输出参数,在抽运能量为307 mJ时,静态输出能量为93 mJ,动态输出能量为78 mJ,动静比为83.8%,光-光转换效率为25.4%。实验台阶式调Q输出参数,在抽运能量为307 mJ时,静态输出能量为93 mJ,动态输出能量为69 mJ,动静比约为74.2%,光-光转换效率为22.5%。比较台阶式调Q与常规调Q的区别,由于谐振腔存在多个振荡-稳态过程,在谐振腔达到稳态过程中会损耗一部分能量,因而脉冲组激光器相对单脉冲激光器,其光-光转换效率有所降低。在抽运能量为307 mJ的条件时,获取三个子脉冲总能量为69 mJ,实验中通过调整调Q电源的台阶幅值,实现示波器上三个子脉冲幅值相同,则表明三个子脉冲能量基本相同,子脉冲能量约为23 mJ。在抽运能量为307 mJ条件时,对三个瞬时脉冲宽度分别测量如图5所示。第一个调Q脉冲宽度为24 ns,峰值功率达到0.96 MW;第二个调Q脉冲宽度为28 ns,峰值功率达到0.82 MW;第三个调Q脉冲宽度为36.6 ns,峰值功率达到0.62 MW。第三个脉冲宽度相对于第一个脉冲、第二个脉冲增加较多,因为前两个脉冲消耗了较多的工作物质上能级反转粒子数,谐振腔内激光在振荡消耗剩余反转粒子数过程中经历较长的时间,故脉冲宽度相对于前两个脉冲较宽。

图 5. 三个子脉冲的瞬时波形。(a)第一个脉冲;(b)第二个脉冲;(c)第三个脉冲

Fig. 5. Instantaneous waveforms of three subpulses. (a) The first pulse; (b) the second pulse; (c) the third pulse

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图6给出了该激光器输出能量随输入能量的变化曲线,对于耦合率为50%的输出镜,当抽运源工作脉冲宽度为200 μs时,三脉冲输出激光器的斜率效率达到28%。抽运脉冲频率范围为1~20 Hz,改变抽运频率,子脉冲输出脉冲间隔、子脉冲输出峰值功率变化不大。由于抽运频率低于20 Hz,Q开关工作结束后,在下一次Q开关打开之前,工作物质上能级粒子数密度能够恢复到初始状态,工作物质内储存的能量能够满足Q开关台阶式多次释放,即低抽运功率条件下抽运频率变化对脉冲组输出的子脉冲间隔、子脉冲峰值功率影响不大。

图 6. 激光输出能量与输入能量的关系

Fig. 6. Relationship between laser output energy and input energy

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图7为子脉冲间隔为1 μs的脉冲组输出波形,在子脉冲时间间隔接近1 μs以及大于1 μs时,激光在三个子脉冲序列之间有小脉冲输出,这是由于Nd∶YAG的热效应时间约为1 μs,由于谐振腔内激光自激振荡,达到当前激光器稳态下输出阈值,从而输出小脉冲。在子脉冲间隔为100~900 ns的实验中,实验脉冲组能够稳定输出。记子脉冲间隔为T,则脉冲组频率为F=1/T,对应子脉冲间隔为100~900 ns的脉冲组频率范围为1.1~10.0 MHz。

图 7. 子脉冲间隔为1 μs时激光输出子脉冲

Fig. 7. Laser output subpulse when subpulse interval is 1 μs

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在实验过程中,触发信号由现场可编程门阵列(FPGA)产生,FPGA的时钟周期为50 ns,子脉冲在50 ns间隔时不能明显区分开,这是由于Q开关打开后输出一个脉冲,谐振腔未达到稳态时Q开关再次开启,输出另外的子脉冲,波形不能完整区分开。实验测量台阶间隔为100 ns的脉冲组能量为69.5 mJ,三个子脉冲的脉冲宽度分别为24.8,28.4,34 ns,对应的子脉冲峰值功率分别为0.93,0.81,0.68 MW,三个子脉冲与400 ns脉冲间隔的三个子脉冲参数接近。

4 结论

本课题组实现了一种子脉冲间隔时间短、子脉冲峰值功率高的电光调Q固体激光器,激光器采用单级本振输出,结构简单。采用自研电光调Q开关驱动电源,在LD侧面抽运条件下,得到子脉冲间隔在100~900 ns范围内可调,子脉冲输出能量大于23 mJ,子脉冲宽度小于37 ns的激光输出。LD抽运模块、增益介质若能有效散热,工作频率还可以继续增加。由于器件限制,几何腔长没有减小,缩短谐振腔几何腔长后子脉冲宽度可变窄,子脉冲激光峰值功率会增加。在缩短谐振腔几何腔长的基础上,如果减小电光调Q电源台阶间隔,子脉冲间隔还可以减小,子脉冲重复频率还可以增加。该激光器采用平平腔结构,经实验验证,具有系统简单、结构紧凑、稳定性好的特点,为研究高重复频率、高峰值功率激光器提供了研究思路。