高平均功率调Q激光器及其频率变换技术的研究与发展.doc

高峰值功率激光器的研究与发展 崔建丰作者简介：崔建丰(1977)，男，长春光学精密机械与物理研究所在读博士，北京国科世纪激光技术有限公司，主要从事半导体抽运、灯抽运高平均功率调Q激光器、高能量超快固体激光器及其频率变换技术研究。发表文章7篇，发表专利18个。Tel:+86-10-6298-1938 ;fax:+86-10-6298-1940；地址：北京市海淀区上第四街1号北京国科激光世纪激光技术有限公司，邮编：100085；Email：:，2，3,樊仲维1,3,4 , 裴博3,4, 薛岩3，张晶1,2,3, 尹淑媛3，牛岗1,2,3, 石朝晖1,2,3,王培峰1,2,3 , 毕勇4(1、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春 130022； 2.、中国科学院研究生院，北京 100049； 3、北京国科世纪激光技术有限公司，北京100085；4、中国科学院光电研究院，北京100085），摘要: 针对高峰值功率激光器的关键技术进行了介绍和分析。对于大能量低重复频率的高峰值功率固体激光器，采用非稳腔技术，结合聚光腔增益分布的相交圆光线追迹技术，可以得到大能量高光束质量的激光输出；对于窄脉宽的纳秒/亚纳秒激光输出，端泵微片或者脉冲LD侧泵浦腔倒空技术师很好的选择；而对于超短脉冲输出的高峰值功率激光器，稳定的种子输出和再生放大在其中起着至关重要的作用。关键词： 激光技术；固体激光；相交圆聚光腔；非稳腔；亚纳秒激光；Study and development of the high peak power laserCui Jianfeng 1,2,3, Fan Zhongwei 1,3,4, Pei Bo 3,4 , Xue Yan 3, Zhang Jing 1,2,3, Yin Shuyuan3，Niu Gang 1,2,3, Shi Zhaohui 1,2,3,Wang Peifeng1,2,3, BI Yong4 (1、Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun, 130022 2、Academy of graduate, Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049 3、Beijing GK Laser Technology Co.，Ltd., Beijing 1000854、Academy of Opto-electronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085)Abstract: The pivot technology about high peak power laser was introduced and analyzed. For large energy with low repetition rate frequency LD-pumped solid state high peak power laser, it can be reached by unstable cavity and light tracing in intersecting circle pumped cavity; while for the nanosecond and sub-nanosecond laser, LD end-pumped micro-disk or pulse LD side=pumped cavity dumping may be a good approach; but for the supershort pulse high peak power laser, only with the extraordinary stable continue mode-locked seed and perfect regenerative can it be achieved. Key words: laser technology; solid state laser; intersecting circle pumped cavity; unstable cavity; sub-nanosecond laser 1引言 固体激光器在激光加工领域的应用推广迅速，但目前国内的应用绝大多数还局限在1.064um的红外波段，峰值功率在50KW以内的水平。而多数的材料在短波段显示出更强烈的吸收特性1，通过非线性频率变换技术得到准连续的绿光、紫外激光器，在激光打标、刻槽、划片、调阻和表面硬化处理中显示出更佳的性能。由于聚焦光斑的尺寸和波长成正比，所以短波长的绿光、紫外激光器无疑可以得到更高的分辨率2；而更短的脉宽不仅仅意味着在激光加工过程中产生更小的热影响，而且，脉宽越短，一般来说，材料的损伤阈值越高，非线性晶体的谐波转换效率越高。高峰值功率激光器与传统的激光器相比，具有脉冲能量大（几十毫焦乃至几焦耳），脉冲宽度短（从飞秒、皮秒到亚纳秒和纳秒左右），峰值功率更高(MW乃至GW)、实现难度更大等特点。这类激光器在激光加工、流场显示、海洋探测、光电对抗、激光医疗、大气监测、激光通信、谐波变换、X射线激光器、自由电子加速器、惯性约束核聚变3、 超短脉冲掺钛蓝宝石可调谐激光器的研究等领域同比拥有更多的优势。目前，这类激光器的技术主要为国外的如美国相干、光谱物理、德国揶拿、白俄罗斯Solar等大公司所掌握，所以可以这样认为：高峰值功率激光器及其频率变换技术的发展水平，直接关系或制约着国内激光技术的发展水平，并影响各相关激光应用行业的发展，在国民经济发展中具有战略意义。因为激光脉冲的峰值功率与脉冲能量成正比，与脉冲宽度成反比，所以要想得到更高的峰值功率，要么实现更高的能量输出，要么缩短脉冲的宽度。深入了解这类激光器各自的技术特性并实现进一步的突破,具有重要意义。2. 大能量高光束质量激光器2.1 VRM非稳腔腔型设计 要实现大能量高光束质量的激光输出，传统稳定腔设计显然远远不能满足要求。因为此时，激光晶体棒的尺寸都比较大，而传统稳定腔的腔型设计，很难实现基模半径大于1mm的稳定输出；而要采用传统的非稳腔，虽然可以增加基模体积，但却又存在硬边衍射和近场纹波4，利用带变反射率输出镜（VRM）5,结合重复频率要求，选用适当的放大率一般可以实现高光束质量的激光输出。VRM非稳腔光路如图1所示：图1、 VRM非稳腔光路VRM的反射率可以镀成高斯分布的（图2），也可以镀成超高斯分布的（图3），具体取决于系统设计的稳区要求。 图2、 高斯分布VRM 图3、超高斯分布VRM 2.2 大能量固体激光器聚光腔设计 如果只有一级振荡级就可以满足最终的能量要求，采用陶瓷漫反射聚光腔一般来说不仅可以获得很高的效率，而且能够保障激光光斑均匀6，模式较好。但如果需要多级功率放大才能实现最后的输出，陶瓷漫反射聚光腔的设计常会造成输出光斑的边缘很亮，中心部分光斑相对较弱的情形。这就必须对每一级的泵浦光分布进行合理的安排，使之相互补偿，实现高光束质量的激光输出。采用相交圆7，不仅可以使整个聚光腔的设计更小巧，而且可以比较容易的进行光线追迹，合理安排泵浦光在晶体棒中的分布。如图4为相交圆聚光腔的示意图，其中相交圆半径R,弧高H,晶体棒半径r,灯棒间距2C,任意光线O1M经弧面反射后与晶体棒相交，O2到ML的距离S1,考虑晶体棒的折射效应，实际距离S2,实际走过的距离PQ。 (a) (b)图4为相交圆聚光腔的示意图如果希望设计相对均匀的泵浦光分布，可以参照图5；如果希望设计相对集中于晶体棒中心的泵浦光分布，可以参照图6。 图5、相对均匀的泵浦光分布 图6、相对集中的泵浦光分布 3. 短脉冲/超短脉冲激光器 3.1纳秒/亚纳秒脉冲激光器的激光脉宽介于普通的声光调Q、电光调Q激光器和高端的锁模激光器之间，由于脉宽比普通的调Q激光脉宽要短1个数量级以上，所以同等量级输出能量的前提下，具有更高的峰值功率，而与锁模激光器相比，不需要锁定多个纵摸，腔长也不用搞得很长，重频可以通过合适的电光器件或声光器件，很容易控制。从而避免了传统锁模种子动辄上百兆Hz,不经过选单放大几乎无法使用的弱点，很容易实现可靠的稳定输出。对于纳秒/亚纳秒脉冲激光器的研究,国内研究的比较少，主要是通过SBS布里渊散射池实现位相共轭的同时，压短脉冲，这种方法国内能做到最短脉宽在60个皮秒以上8；另外还有通过腔外电光器件斩波来实现纳秒左右的短脉冲，但斩波的方式有很多先天的弊病：首先，斩波是以牺牲能量为代价的，比如如果要将一个30纳秒的脉冲斩成3纳秒,其激光能量至少要降为原来的1/10，转换效率特别低；其次，斩波的方法所能得到的最短脉宽受限于电光器件的开关速度，开关速度越快，实现越困难，目前这种办法对于1纳秒以下的斩波基本上无能为力；再有，斩波要与电光器件、偏振片等一起配合使用，电光器件和偏振片的消光比直接影响最后的斩波效果，造成信号对比度的降低。国外对于纳秒/亚纳秒脉冲激光器的研究水平要比国内好得多。首先，通过SBS布里渊散射的途径，已经能够实现亚纳秒的短脉冲输出。但SBS布里渊散射的途径因为是靠很强的激光非线性效应实现，需要足够强的脉冲能量注入，因此对于高重频实现起来比较困难；另外，SBS必须要有染料池，染料寿命有限，需要不定期的更换，限制了使用；再有，染料本身多数都有毒，不环保。除了采用布里渊散射的途径，国外也有通过脉冲啁啾放大来实现亚纳秒的激光输出的，但该方法整个光路及其复杂，容易失调，安装调试维修都相当困难，造价也极高；做个科学研究还勉强可以，工程化应用推广前景渺茫。通过利用脉冲LD经光纤耦合后端面泵浦Nd:YAG或Nd:YVO4，通过Cr:YAG等被动调Q和进一步缩短腔长等方法实现高重复频率的端泵微腔亚纳秒激光输出。具体光路如图7。其中S1镀808增透，1064高反；S2镀1064部分输出。 图7、端泵微腔亚纳秒激光器光路采用端泵微腔被动调Q实现亚纳秒激光输出的优点是结构简单，整机小巧，脉宽较短；但因为被动调Q本身的漂白特性，在低注入时容易出现多脉冲。也可以通过脉冲LD侧泵结合腔倒空实现纳秒脉冲输出，如图8。 图8、侧泵腔倒空纳秒脉冲输出腔倒空在高注入能量的条件下，容易实现短脉冲输出。但因为腔长是影响脉冲宽度的重要因素9，而既要缩短腔长，又要保证光斑模式，腔型设计有一定难度。3.2超短脉冲激光器实用的超短脉冲激光器一般由锁模种子源、再生放大器组成。其中锁模种子源输出的纳焦量级的超短脉冲，如图9，经过法拉第隔离器注入到再生放大器后进行选单和功率放大，如图10，然后通过偏振片P3倒空输出,再生放大一般可以放大到毫焦能量级以上。如果需要将能量进一步放大，可以在再生放大的输出端再加功率放大器。 图9、LD端泵皮秒锁模种子源 图10 、再生放大器光路图实用的飞秒脉冲激光光路与皮秒激光器原理类似，一般都是由锁模种子源注入到再生放大器或多通放大器中进行放大。只不过种子光实现起来要更复杂些，并且种子光要先经过展宽器展宽在进行放大，在此不多赘述。对于超短脉冲，稳定的连续锁模种子输出至关重要，如果种子脉冲串不稳或者有调Q,都会严重破坏整机的性能甚至导致无法正常工作；而再生放大既要对脉冲进行选单，又要精确控制脉冲在其中放大的次数以及倒空的时间，确保再生放大脉冲有足够的信噪比和对比度。4. 结束语 VRM非稳腔设计的采用和对相交圆聚光腔光线追迹技术的发展，使大能量高光束质量的激光器设计变得日渐容易和可控；而微片激光器、腔倒空技术、大功率脉冲LD的技术的发展，使得纳秒/亚纳秒短脉冲激光器的实现成为可能；随着Sesam半导体被动锁模技术的日益成熟和高速普克尔盒驱动电源的逐渐成熟，相信实用化/小型化的可靠超短脉冲的高峰值功率激光输出无疑将会与传统的声光调Q/电光调Q激光装置一样, 成为许多领域中人们开展自然科学研究的主要选择工具之一.5.参考文献：1、 J,Chang,B.E.Warner, E.P.Dragon, and M.W.J.Wallace, “Precision micromachining with pulsed green lasers”,Laser Appl，1988,Vol.10, pp .285-291, 2、CJianfeng Cui, Zhongwei Fan ,Chunhua Zhao, “Research on LD-Pumped dual wavelength Nd:YAG Laser with high beam quality for machining”，SPIE 2005 Vol. 6028, 60282G 3、CN.W.Hopps,R.B.Wilcox,M.R.Hermann,M.D.Martinez, “Optimization of the alignment sensitivity and energy stability of NIF regenerative amplifier cavity”, SPIE 99,Vol.34924、M吕百达,“激光光学”，第三版，北京，高等教育出版社，2003，p4055、J张放,张平雷,周寿桓“由变反镜耦合输出的卡塞格林非稳腔激光技术研究”, 光学学报,1996年10月, 第16