第40卷第8期红外与激光工程2011年8月Vol.40No.8Infrared and Laser Engineering Aug.2011 舒仕江，余婷，臧华国，刘丹，侯霞，陈卫标
(中国科学院上海光机所上海市全固态激光器与应用技术重点实验室，上海201800)
摘要：报道了一套2μm全固体激光主振荡-功率放大(MOPA)系统。该系统包括4个组成部分：一台用作单频种子源的可调谐单纵模连续波激光器、一台作为系统主振荡器且具有四镜环形腔结构的激光二极管侧面泵浦声光调Q激光器、一台激光放大器以及相应的注入控制电路。单频种子激光器采用带尾纤的激光二极管进行端面泵浦，具有线性腔结构，腔内利用两片标准具来实现激光器的单纵模输出和波长的粗调。主振荡器的单频运转通过种子注入的方式实现。采用ramp-fire技术来保证脉冲激光器腔谐振与种子源波长的匹配。主振荡器输出的激光脉冲经过单程放大后，单脉冲能量达到100mJ，脉宽约为100ns，重复频率为5Hz。该套系统可用作相干多普勒测风激光雷达的发射源。 关键词：固体激光器；声光调Q；种子注入
中图分类号：TN248.1文献标志码：A文章编号：1007-2276(2011)08-1442-06
2μm diode-side-pumped injection-seeded solid-state laser
Shu Shijiang,Yu Ting,Zang Huaguo,Liu Dan,Hou Xia,Chen Weibiao
(Shanghai Key Laboratory of All Solid-state Laser and Applied Techniques,Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics,
Chinese Academy of Sciences,Shanghai201800,China)
Abstract:A2μm all-solid-state laser system in a master-oscillator-power-amplifier(MOPA)system was demonstrated.This system contained four main parts:a tunable single-longitudinal-mode continuous-wave laser used as the single-frequency injection seed source,a diode-side-pumped AO Q-switched laser obtained in a ring resonator used as the main oscillator,a laser amplifier and the corresponding injection control circuits.The injection-seeding laser was end-pumped by a fiber coupled diode laser and had a linear resonator in which two etalons were used to select a single longitudinal mode and to provide coarse tuning of wavelength.Single-longitudinal-mode Q-switched pulse was achieved by the injection-seeding process.To ensure the pulse laser cavity resonance matched the wavelength of the injection-seed source, ramp-fire technique was used.After single-pass amplification,the pulse energy was amplified to100mJ with100ns pulse width at the repetition rate of5Hz.This system can be used as a coherent Doppler wind lidar transmitter.
Key words:solid-state laser;AO Q-switch;injection seeding
收稿日期：2011-04-10；修订日期：2011-05-27
基金项目：中国科学院重大项目
作者简介：舒仕江(1984-)，男，博士生，主要从事固体激光技术方面的研究工作。Email:shushijiang1984@sina
导师简介：陈卫标(1969-)，男，研究员，博士生导师，博士，主要从事激光、光电子、激光雷达及其在海洋、大气、空间等方面的应用研究。
Email:wbchen@mail.shcnc.ac
第8期
0引言
2μm波段固体激光器由于在激光测高、测距与大气遥感等方面具有各种潜在的用途而被广泛应用。在这些应用中，人眼安全2μm波段的相干多普勒测风激光雷达和相干CO2差分吸收激光雷达(DIALs)能对大气对流层风场剖面和大气中CO2垂
直浓度分布进行高精度的测量，这在气象、天气、环境等领域具有极其重要的意义[1-5]。
激光发射器是此类激光雷达系统的核心组成部件，它由一台可靠、高脉冲能量的单频激光器构成。美国航空航天局(NASA)从20世纪90年代开始研制改型激光系统。2004年，Songsheng Chen等人报道了双脉冲1J能量水平的2μm激光MOPA系统[6]。之后，他们改进了原系统，获得了单脉冲1J能量水平的调Q激光脉冲输出[7]，成为目前在2μm波段公开文献报道的最大能量纪录。
为了搭建一套用于大气风场测量的相干多普勒激光雷达系统，笔者自行研制了一台单脉冲100mJ 能量水平的2μm激光发射器[8-9]。文中将对该系统的构成和性能进行全面介绍。
1激光增益介质的选取与2μm激光发射机理
用于2μm激光雷达系统的固体激光器的发展得益于该波段各种激光材料的出现。通常，这些激光增益介质要么掺杂Tm3+，要么掺杂Ho3+，或者两种离子共掺[10]。Ho离子的5I7-5I8跃迁的激光发射截面远大于Tm离子的3F4-3H6跃迁，但Ho离子并不具有与商业激光二极管发射波长相匹配的吸收带，这使得Tm3+、Ho3+共掺成为一种较优的方案。在此类共掺型的激光增益介质中，Tm3+作为敏化剂吸收泵浦LD 的泵浦能量，再通过交叉弛豫和共振传递的方式将能量有效地传递给Ho3+，将其泵浦到激光上能级5I7。相关过程如图1所示。
在Tm3+、Ho3+共掺的各类激光增益介质中，Tm,Ho:LuLF晶体是20世纪90年代NASA开发出的新型激光晶体材料，它在2μm波段具有其他传统激光材料不可比拟的优势，已被证明在低重复频率运转时具有优于其他材料的激光性能，可构建焦耳级脉冲能量的激光系统[11-14]。因此，在文中的系统中
图1Tm3+和Ho3+能量传输过程示意图
Fig.1Schematic diagram of the energy transfer process
between Tm3+and Ho3+ions
也选用该种晶体作为激光增益介质。
2系统构成与性能
图2为整个激光系统的光路示意图，图3为系统的实际装配示意图。单频种子源输出的线偏振激
图2系统光路示意图
Fig.2Schematic diagram of the system light path
图3系统装配示意图
Fig.3Diagram of system assembly
光经过一个法拉第隔离器后被一部分透过率镜分为两路：被反射的一路耦合入单模光纤，作为相干激光雷达的本振光；透射的一路经过一个105MHz的声
舒仕江等：2μm激光二极管侧面泵浦种子注入固体激光器1443
红外与激光工程第40卷
光移频器后作为种子激光注入主振荡器，使后者实现单频运转。主振荡器的调Q脉冲输出经一级放大器实现能量放大。由于种子连续激光与振荡器调Q脉冲激光都是线性偏振的，为实现偏振匹配，需要在种子光进入移频器前、频移光进入振荡器前、以及振荡光进入放大器前加半波片来调节入射激光的偏振态。
除去光路转折的镜片、隔离器、声光移频器和半波片，激光系统可分为4个组成单元：单频种子激光器；主振荡激光器；激光放大器；电子学控制系统。2.1单频种子激光器
LuLF晶体的机械性能与热力学性质都不如YAG晶体。机械加工和热管理方面的困难决定了它不适宜采用现行非平面环形腔(NPRO)的方案实现单频运转，因此，采用更传统的腔内加入法布里-珀罗标准具的方案实现选模。
单频种子激光器的结构如图4所示。一个HHL 封装带尾纤的激光二极管提供波长792nm、功率3W 的泵浦激光。泵浦光经过一对非球面镜组成的耦合系统后聚焦到厚2mm、宽2.5mm、高2.5mm的Tm,Ho:LuLF(Tm5at.%,Ho0.5at.%)晶体上。该晶体的a轴平行于谐振腔光轴放置，由于c轴偏振跃迁的增益高于a轴，所以输出激光为偏振方向平行于晶体c轴的线偏振光。谐振腔为线性平凹腔结构。后腔镜是一片对792nm泵浦光高透、对2μm激光高反的平面镜。输出镜是粘在一片环形压电促动器(PZT)上，曲率半径为50mm、透过率为5%的凹面镜。整个腔长约为30mm，这样相邻纵模就有5GHz 的频率间隔。
图4种子激光器结构图
波速测试仪
Fig.4Layout of the seed laser
谐振腔内插入一薄一厚两片标准具，如图4所示。薄的一片厚度为0.32mm，厚的一片厚度为1mm。两片标准具都未镀膜。通过旋转薄标准具etalon1，激光器可实现2051.45~2056.15nm范围的波长调谐。厚标准具etalon2用于抑制相邻纵模振荡，从而实现单纵模输出。整个谐振腔安装在一块殷钢底板上，通过TEC进行温控。
为实现有效的种子注入，种子激光器的波长需要调谐到主振荡器增益谱的中心。在实验中，泵浦LD的温度控制在20.26℃，泵浦电流为2.70A，此时的泵浦功率为2.438W。谐振腔整体温控在14.70℃，空
腔输出激光功率为284mW。图5为此时种子激光器空腔输出经过一个法布里-珀罗共焦球面扫描干涉仪后的信号图样。由图可知，该激光器在自由运转时有7个纵模起振。
禁播水浒(a)自由运转(b)单纵模运转
(a)Free running operation(b)Single-longitudinal-mode
operation
图5共焦球面扫描干涉仪所测得的种子激光器频谱Fig.5Spectrum of the seed laser as measured with a scanning confocal interferometer
通过etalon1将发射激光波长调谐到2053.51nm，此时有3个相邻纵模起振，功率降到128mW。再通过etalon2的调节将3个纵模中的两个抑制，从而实现单频输出（图5(b)）。单频输出的激光功率大小为30mW。通过给PZT加直流电压可实现激光频率的精细调谐。经实验检验，该台单频激光器的无跳模频率调谐范围为2.6GHz。
2.2振荡激光器与激光放大器
由于激光雷达运用需要窄线宽的激光输出，所以振荡激光器采用环形腔结构来消除空间烧孔效应。该
谐振腔由两片曲率半径为5m的曲面高反镜、一片平面反射镜和一片平面透过率为30%的输出镜组成(参见图2中的相关部分)。整个腔的形状就像一只蝴蝶，两个曲面反射镜在“蝴蝶”的“翅膀”边上形成两个高斯腰斑。激光晶体和声光Q开关分别放置在这两个腰斑处。
所用Q开关的声光材料为石英玻璃，Q开关工
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第8期
作在压缩波模式，其衍射效率的大小与入射光的偏振态相关。Tm,Ho:LuLF(Tm5at.%,Ho0.5at.%)激光晶体棒是沿晶体a轴切割的，直径为4mm，长为23mm，两端面镀有2μm波段的增透膜。由于该激光器发射π偏振激光，所以在装配时，需要沿着光轴旋转晶体棒，使其c轴与声光Q开关匹配，从而使Q开关发挥最大的关断能力。
振荡激光器与激光放大器的泵浦模块具有相同
的结构，如图6所示。其中，图6(a)为装配示意图，图6(b)为实物图。激光晶体棒被放置在一根8mm 外径的熔融硅玻璃管内，玻璃管内通予冷却水对晶体棒进行冷却，流速为1.2L/min。3组AlGaAs激光二极管(LD)阵列互成120°围绕在玻璃管的四周。每个LD阵列含有15个bar条，能提供792nm波长、1m
s脉宽、高达1.7J能量的泵浦脉冲。这些LD阵列直接安装在不锈钢支架上，冷却水流速为900mL/min，温度设为23℃。LD阵列与激光晶体具有各自的水冷环路，因此二者的温度可以独立控制。LD阵列与晶体棒之间的柱透镜将发散的泵浦光束聚焦到晶体棒上，以实现对泵浦光的高效利用。
图6水冷泵浦模块
Fig.6Water cooled laser module
为研究振荡激光器与激光放大器的性能，用一片平面高反镜替代种子激光器来实现振荡级的单向运转，实验光路如图7所示。
图8为晶体冷却温度设为10℃时，不同工作重复频率下振荡级输出脉冲能量与LD泵浦能量的关系曲线。可以看出，不同工作重频下，相应曲线的斜率变化不大，对应于2.6%的斜率效率；阈值随着工作重频的增加而增加；相邻曲线之间的间隔基本相等。这说明在各种泵浦能量下，输出脉冲能量的变化与工作重频具有相似的线性关系：重频每增加1Hz，
图7实验装置示意图
Fig.7Schematic diagram of the experimental setup
图8不同工作重频下振荡级的输出脉冲能量
Fig.8Output pulse energy of the oscillator as a function of the optical pump energy at different working repetition rates
脉冲能量平均下降3.2mJ。能量下降的主要原因是晶体热负载的增加引起温度上升。Tm,Ho:LuLF晶体属于准三能级系统，温度上升使得激光下能级上分布更多的粒子，从而造成激光阈值的增加。这一效应从图9中更能清楚地看出来。图9为在不同激光晶体冷却水温下振荡级输出脉冲能量与泵浦能量的关系曲线。与图8类似，随着水温的上升，相应曲线的斜率基本不变，温度每上升1℃，输出脉冲能量平均减少1.9mJ。两相对比可得出如下结论：振荡激光器
图9不同冷却水温下振荡级的输出脉冲能量
Fig.9Output pulse energy of the oscillator as a function of the optical pump energy at different cooling water temperatures
舒仕江等：2μm激光二极管侧面泵浦种子注入固体激光器1445
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工作重频每增加1Hz的效果相当于冷却水温上升
1.7℃。钻石进攻
图10给出了工作重复频率为5Hz时的放大实
验结果。图中，横坐标为振荡级的泵浦脉冲能量，P s
曲线为放大器的入射光能量曲线，其他曲线代表在相
应放大级泵浦光能量下的放大输出能量。例如：P0.14
代表放大级泵浦能量为0.14J。可以看出，随着放大级
泵浦能量的增加，相邻曲线间隔变窄，预示着放大器
出现了明显的饱和。当入射振荡光能量E in=75.5mJ、
放大泵浦能量E a=4.68J时，放大级出射激光能量E out=
114mJ。
图105Hz重频下的调Q放大实验结果
Fig.10Laser amplification experimental results for
Q-switched mode at5Hz repetition rate
三自由度2.3谐振探测方案
为实现主振荡器的单频运转，需要振荡器的谐振腔长与单频种子光的频率匹配。在文中系统中采用ramp-fire技术实现这一目的。图11为相关原理图。其中，图11(a)为电子控制系统示意图，图11(b)为相关信号时序图。北京中新企业管理学院
由中心控制模块同时触发振荡级和放大级的LD 电源，并打开探测电路。在距离LD触发上升沿t1的时刻驱动PZT进行腔长扫描。再经过t3的时间间隔后，谐振探测电路在t p时刻点探测到种子光的谐振峰，此时由中心控制模块触发Q开关输出激光脉冲。
图12给出了该系统采用ramp-fire技术的一个典型谐振信号波形。谐振信号是单频种子激光在主谐振腔内传输，在腔外探测器处透射光多光束干涉的结果。由于PZT是在约1ms的泵浦周期末端被驱动，可以看出，谐振信号叠加在自发辐射荧光背景的衰减段上。
图11种子注入的ramp-fire技术
Fig.11Ramp-fire technique for injection seeding
图12谐振探测信号波形
Fig.12Waveform of the resonant signal
考虑到PZT启动时的不稳定性，通过调节控制电路的参数，选取第3个谐振峰触发Q开关，并通过调节延迟时间t1来使振荡激光器输出脉冲能量最大化。实验中，通过种子注入，在泵浦光功率E pump= 4.68J时，振荡级输出69mJ的单频激光脉冲。经过激光放大器后，脉冲能量放大到105mJ。图13(a)、13(b)分别为种子注入未成功和种子注入成功时的脉冲波形。当种子注入未成功时，振荡激光器工作在多纵模模式，不同纵模拍频叠加在脉冲波形上；当种子注入
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