1319nm Nd：YAG脉冲电光调Q激光器的研究 陈仁;翟刚;金锋;马楠;李晶;杨峰;时顺森;兰戈
【摘 要】为了研究脉冲输出波长为1319nm的 Nd:YAG激光器,通过分析Nd: YAG激光介质的辐射跃迁能级, 采用镀制高选择性介质膜的方法抑制1064nm等其它波长的起振,最终实现1319nm激光单脉冲输出.实验中采用闪光灯抽运、水冷Nd: YAG激光器,KD*P调Q,平平腔结构,获得1319nm激光静态输出能量340.9mJ,动态输出76.8mJ,重频1Hz,脉宽17ns,束散角2.7mrad.结果表明,通过镀制高选择性介质膜的方法可以实现1319nm激光调Q脉冲输出. 【期刊名称】《激光技术》
【年(卷),期】2010(034)005
【总页数】4页(P603-606)
蓝鲸紧急出动
【关键词】永吉十中激光器;1319nm脉冲激光器;Nd:YAG晶体;电光调Q
【作 者】陈仁;翟刚;金锋;马楠;李晶;杨峰;时顺森;兰戈
【作者单位】西南技术物理研究所,成都,610041;西南技术物理研究所,成都,610041;西南技术物理研究所,成都,610041;西南技术物理研究所,成都,610041;西南技术物理研究所,成都,610041;西南技术物理研究所,成都,610041;西南技术物理研究所,成都,610041;西南技术物理研究所,成都,610041
【正文语种】中 文
舞弊三角理论【中图分类】TN248.1
引 言
1319nm激光对人眼相对安全，它处在大气透过窗口、光纤低损耗和接近零散区域，在光纤通讯、激光遥感、雷达及光谱学、环境监测、大气研究、激光医疗和军事上等领域有着广泛的应用前景，日益受到人们的重视。
激光武器是21世纪夺取制空权和控制空间的重要的新概念武器，其中1.3μm波段激光处于大气窗口，是空间高能激光武器的主要选择。由于1319nm激光与高能氧碘化学激光器(chemical oxygen-iodine laser,COL)的输出波长1315nm十分接近，所以高光束质量的131
9nm激光可以用作COL的信标光源；又因COL污染剧烈、运行成本高，因而 1319nm的Nd∶YAG激光器可用于模拟COL的输出，用在军队的平时训练、激光防护研究和激光对抗上。另外，为了对抗1064nm的Nd∶YAG激光干扰，大多数可见光、近红外侦测设备的光学窗口都对1064nm激光镀制了全反射膜，于是1319nm激光的使用将使该对抗措施失效[1-7]。
鉴于此，目前国内外众多单位对1319nm激光器进行了研究，但主要集中在声光调Q连续输出上，作者主要利用电光调Q技术产生高峰值功率的脉冲1319nm激光及其倍频光等相关技术。
1 系统设计
Nd∶YAG作为激光介质，在激发状态下主要存在1319nm，1064nm和946nm这3条荧光光谱。其中，1064nm和1319nm激光属于4能级系统，具有公共的跃迁上能级，发射截面分别为8.80×10-20m2和1.50×10-20m2。在正常工作条件下，荧光强度较强的1064nm谱线首先起振，消耗掉大量的反转粒子数，从而抑制掉1319nm谱线的振荡。为了得到1319nm波长的激光，只有通过选频措施，在该谐振腔中插入标准具或散棱镜，或以特殊设计的谐 振腔反射镜作为输出镜，或使用镀有高选择性介质膜的反射镜来实现特定波长的振荡。作者通过灯抽运Nd∶YAG，选择镀有高选择性介质膜的反射镜来实现1319nm的激光振荡，再利用磷酸钛氧钾(potassium titanyl phosphate,KTP)倍频产生660nm激光输出，实验证明方案可行。
1.1 1319nm Nd∶YAG激光振荡的速率方程
图1是Nd∶YAG 激光介质原子能级结构简图及主要跃迁过程。其中参与相互作用过程的能级被简化为4个，即基态E1，抽运带E4(含E4′,E4″)，激光跃迁的上能级E3和下能级E2(含E2′,E2″)，对于该激光介质在原子能级的结构分析，有多个抽运带基于从抽运带到激光上能级E3的衰变(弛豫)过程是快速的。图2是1319nm波长激光原子能级跃迁的过程。在图2中，将其简化成两个抽运带的情况，并忽略了E4～E1间的受激跃迁以及E4→E2和E3→E1间的各可能跃迁。ni(i=1,2,3,4)表示各能级粒子数目；W14′(W14″)表示单位时间内基态E1上的原子被抽运到抽运带E4′(E4″)上的几率；A41′(A41″)及S41′(S41″)分别表示原子从E4′(E4″)能级返回到E1的自发辐射和无辐射跃迁几率；S43′(S43″)为原子从E4′(E4″)到激光上能级E3的弛豫几率；W32″为激光上、下能级间在单模光场激励下的受激跃迁几率；S32″
及A32″为E3至E2″能级间的无辐射跃迁和自发发射跃迁几率；S21″为激光下能级E2″到基态的弛豫几率。可简化得到1319nm单模振荡的Nd∶YAG理想4能级均匀加宽激光器的速率方程[8]：
Fig.1 Simplified energy level diagram of Nd∶YAG materials
Fig.2 Amplied energy level diagram of Nd∶YAG materials
(1)
式中，φ表示腔内光子总数，η1″,η2″分别表示E4′和E4″能级向激光上能级E3跃迁的量子效率和激光上下能级间跃迁的荧光效率，BR表示在激光腔内由振荡模中一个光子所引起的受激辐射跃迁几率，Ba″表示在该介质中分配到一个模的平均自发辐射的跃迁几率，VR表示腔内模体积，有Va/VR=BR/Ba=ηc,ηc称为激光腔的填充系数，τR为振荡模管制在腔内的有限平均寿命。忽略自发辐射对腔内光子总数φ的贡献，考虑到4能级系统得到原子集居数密度反转及腔内总光子数的速率方程组为:
共青团中央改革方案(2)
式中，第1个式子表明在激光器中影响振荡模光子总数变化速率的因素包括3项，第1项是自发辐射的贡献，第2项为受激跃迁的贡献，最后一项是光腔损耗的影响。
1.2 阈值分析
1319nm与1064nm这两条激光谱线都属于4能级激光系统，根据激光器功率的阈值表达式[9]：
(3)
式中，ν为对应发射光的频率，η0为抽运光被晶体吸收的效率，η为晶体吸收光功率转换成相应频率荧光的效率，α为激光在谐振腔内的非透射损耗，L为激光工作物质的长度，V为激光工作物质的体积，σ和τ分别为激光受激发射截面和激光上能级粒子寿命，R和R′分别为两腔镜对腔内运转光的反射率。由于1064nm和1319nm两个波长的辐射共用同一激光上能级,可知它们的激光上能级寿命相同，即τ是同一数值。由阈值公式可知，通过调整α,R,R′各参量，使得1319nm的振荡阈值低于1064nm波长的振荡，即可选择合适的腔镜透过率来增大1064nm波长在谐振腔内的损耗，最终实现1319nm的运转。
2 实 验
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2.1 实验装置
根据之前的分析，欲实现1319nm单波长脉冲激光的输出，采用在谐振腔镜上镀高选择性介质膜来实现，其基本结构示意如图3所示。采用氙灯抽运方式，水冷的工作模式，激光介质选用Nd∶YAG，平平腔结构。对部分光学元件的介绍如下。
Fig.3 Experimental set-up
2.1.1 镜片M1 由于1319nm 谱线与1064nm谱线相比，其发射截面小得多,故实现1319nm的激光振荡难度比实现 1064nm 的激光振荡难度更大。为了获得1319nm的激光振荡,必须抑制Nd∶YAG 晶体中最强的1064nm谱线和1319nm 附近的1338nm 谱线的振荡。故而要求该薄膜对1064nm 激光高透、对1319nm激光高反，并使1338nm 谱线的透射率比1319nm 的透射率高,以保证1319nm的激光振荡。选用的M1的参量为T=0.064%@1319nm,T=85.68%@1338nm,T=99.8%@1064nm。
2.1.2 Nd∶YAG 激光棒 实验室采用了东骏公司生产的双掺Nd∶YAG晶体。加工精度：平面度
小于1/(10λ)；平行度小于10″；垂直度小于3′；光洁度BⅢ；端面1反射率小于0.2%，端面2反射率小于0.2%；消光比34.9dB；并在激光棒两端镀有1319nm的增透膜。
2.1.3 镜片M2 在方案设计中，只允许1319nm激光在谐振腔中振荡，于是就应该尽量避免1338nm激光和1064nm激光振荡的发生，这就要求在输出片M2上镀1338nm和1064nm的高透膜。实验室选用的膜片参量是T=47%@1319nm，T=87%@1338nm，T=99.8%@1064nm。
2.1.4 偏振片P 对于实验中所用的1319nm偏振片P，测量了它的偏振度γ：
(4)
式中，Ep为p偏振光的能量，Es为s偏振光的能量。c大调的城
2.1.5 电光Q开关 目前对1319nm调Q激光的研究集中在声光调Q技术，但它不适用于高峰值功率的脉冲激光器。相比之下，利用电光调Q技术可以实现兆瓦级的脉冲激光输出。实验中采用退压调Q方式，调Q晶体采用磷酸二氘钾(deutrated potassium dihydorgen phosphate,KD*P)晶体，该晶体光谱透光范围为0.2μm～2.0μm，抗损伤阈值较高，是常用
的高功率调Q晶体。测得KD*P在1319nm波长下的初始透过率T=83%。
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