高平均功率調(diào)Q激光器及其頻率變換技術(shù)的研究與發(fā)展

1、高峰值功率激光器的研究與發(fā)展 崔建豐作者簡介：崔建豐(1977)，男，長春光學精密機械與物理研究所在讀博士，北京國科世紀激光技術(shù)有限公司，主要從事半導(dǎo)體抽運、燈抽運高平均功率調(diào)Q激光器、高能量超快固體激光器及其頻率變換技術(shù)研究。發(fā)表文章7篇，發(fā)表專利18個。Tel:+86-10-6298-1938 ;fax:+86-10-6298-1940；地址：北京市海淀區(qū)上第四街1號北京國科激光世紀激光技術(shù)有限公司，郵編：100085；Email：:，2，3,樊仲維1,3,4 , 裴博3,4, 薛巖3，張晶1,2,3, 尹淑媛3，牛崗1,2,3作者簡介：崔建豐(1977)，男，長春光學精密機械與物理研究所

2、在讀博士，北京國科世紀激光技術(shù)有限公司，主要從事半導(dǎo)體抽運、燈抽運高平均功率調(diào)Q激光器、高能量超快固體激光器及其頻率變換技術(shù)研究。發(fā)表文章7篇，發(fā)表專利18個。Tel:+86-10-6298-1938 ;fax:+86-10-6298-1940；地址：北京市海淀區(qū)上第四街1號北京國科激光世紀激光技術(shù)有限公司，郵編：100085；Email：:(1、中國國科學院院長春光光學精密密機械與與物理研研究所，長長春 11300022； 2.、中中國科學學院研究究生院，北北京 11000049； 3、北北京國科科世紀激激光技術(shù)術(shù)有限公公司，北北京10000885；44、中國國科學院院光電研研究院，北北京1

3、0000885），摘要: 針針對高峰峰值功率率激光器器的關(guān)鍵鍵技術(shù)進進行了介介紹和分分析。對對于大能能量低重重復(fù)頻率率的高峰峰值功率率固體激激光器，采采用非穩(wěn)穩(wěn)腔技術(shù)術(shù)，結(jié)合合聚光腔腔增益分分布的相相交圓光光線追跡跡技術(shù)，可可以得到到大能量量高光束束質(zhì)量的的激光輸輸出；對對于窄脈脈寬的納納秒/亞亞納秒激激光輸出出，端泵泵微片或或者脈沖沖LD側(cè)側(cè)泵浦腔腔倒空技技術(shù)師很很好的選選擇；而而對于超超短脈沖沖輸出的的高峰值值功率激激光器，穩(wěn)穩(wěn)定的種種子輸出出和再生生放大在在其中起起著至關(guān)關(guān)重要的的作用。關(guān)鍵詞： 激光技技術(shù)；固固體激光光；相交交圓聚光光腔；非非穩(wěn)腔；亞納秒秒激光；Studyy annd

4、ddeveeloppmennt oof tthe higgh ppeakk poowerr laaserrCui JJiannfenng 11,2,3, Faan ZZhonngweei 11,3,4, Peii Boo 3,4 , Xuue YYan 3, Zhaang Jinng 11,2,3, Yinn Shhuyuuan33，Niiu GGangg 1,2,33, SShi Zhaaohuui 11,2,3,WWangg Peeifeeng11,2,3, BI Yonng4 (1、Chhanggchuun IInsttituute of Optticss, FFinee Meechaa

5、niccs aand phyysiccs, Chiinesse AAcaddemyy off Sccienncess, CChanngchhun, 13300222 2、AAcaddemyy off grraduuatee, CChinnesee Accadeemy of Sciiencces，BBeijjingg 11000049 3、BBeijjingg GKK Laaserr Teechnnoloogy Co.，Lttd., Beeijiing 100008554、Acaademmy oof OOptoo-ellecttronnicss, CChinnesee Accadeemy of

6、Sciiencces, Beeijiing 10000855)Abstrractt: TThe pivvot tecchnoologgy aabouut hhighh peeak powwer lasser wass inntrooducced andd annalyyzedd. FFor larrge eneergyy wiith loww reepettitiion ratte ffreqquenncy LD-pummpedd soolidd sttatee hiigh peaak ppoweer llaseer, it cann bee reeachhed by unsstabble c

7、avvityy annd llighht ttraccingg inn innterrsecctinng ccirccle pummpedd caavitty; whiile forr thhe nnanooseccondd annd ssub-nannoseeconnd llaseer, LD endd-puumpeed mmicrro-ddiskk orr puulsee LDD siide=pummpedd caavitty ddumppingg maay bbe aa goood appproaach; buut ffor thee suuperrshoort pullse higgh

8、 ppeakk poowerr laaserr, oonlyy wiith thee exxtraaorddinaary staablee coontiinuee moode-locckedd seeed andd peerfeect reggeneerattivee caan iit bbe aachiieveed. Key wwordds: lasser tecchnoologgy; sollid staate lasser; innterrsecctinng ccirccle pummpedd caavitty; unsstabble cavvityy; ssub-nannoseecon

9、nd llaseer 1引言 固體激激光器在在激光加加工領(lǐng)域域的應(yīng)用用推廣迅迅速，但但目前國國內(nèi)的應(yīng)應(yīng)用絕大大多數(shù)還還局限在在1.0064uum的紅紅外波段段，峰值值功率在在50KKW以內(nèi)內(nèi)的水平平。而多多數(shù)的材材料在短短波段顯顯示出更更強烈的的吸收特特性11，通通過非線線性頻率率變換技技術(shù)得到到準連續(xù)續(xù)的綠光光、紫外外激光器器，在激激光打標標、刻槽槽、劃片片、調(diào)阻阻和表面面硬化處處理中顯顯示出更更佳的性性能。由由于聚焦焦光斑的的尺寸和和波長成成正比，所所以短波波長的綠綠光、紫紫外激光光器無疑疑可以得得到更高高的分辨辨率22；而而更短的的脈寬不不僅僅意意味著在在激光加加工過程程中產(chǎn)生生更小的的

10、熱影響響，而且且，脈寬寬越短，一一般來說說，材料料的損傷傷閾值越越高，非非線性晶晶體的諧諧波轉(zhuǎn)換換效率越越高。高峰值功率率激光器器與傳統(tǒng)統(tǒng)的激光光器相比比，具有有脈沖能能量大（幾幾十毫焦焦乃至幾幾焦耳），脈脈沖寬度度短（從從飛秒、皮皮秒到亞亞納秒和和納秒左左右），峰峰值功率率更高(MW乃乃至GWW)、實實現(xiàn)難度度更大等等特點。這這類激光光器在激激光加工工、流場場顯示、海海洋探測測、光電電對抗、激激光醫(yī)療療、大氣氣監(jiān)測、激激光通信信、諧波波變換、XX射線激激光器、自自由電子子加速器器、慣性性約束核核聚變3、 超短脈脈沖摻鈦鈦藍寶石石可調(diào)諧諧激光器器的研究究等領(lǐng)域域同比擁擁有更多多的優(yōu)勢勢。目前前

11、，這類類激光器器的技術(shù)術(shù)主要為為國外的的如美國國相干、光光譜物理理、德國國揶拿、白白俄羅斯斯Sollar等等大公司司所掌握握，所以以可以這這樣認為為：高峰峰值功率率激光器器及其頻頻率變換換技術(shù)的的發(fā)展水水平，直直接關(guān)系系或制約約著國內(nèi)內(nèi)激光技技術(shù)的發(fā)發(fā)展水平平，并影影響各相相關(guān)激光光應(yīng)用行行業(yè)的發(fā)發(fā)展，在在國民經(jīng)經(jīng)濟發(fā)展展中具有有戰(zhàn)略意意義。因為激光脈脈沖的峰峰值功率率與脈沖沖能量成成正比，與與脈沖寬寬度成反反比，所所以要想想得到更更高的峰峰值功率率，要么么實現(xiàn)更更高的能能量輸出出，要么么縮短脈脈沖的寬寬度。深深入了解解這類激激光器各各自的技技術(shù)特性性并實現(xiàn)現(xiàn)進一步步的突破破,具有重要要意義。

12、2. 大能能量高光光束質(zhì)量量激光器器2.1 VVRM非非穩(wěn)腔腔腔型設(shè)計計 要實實現(xiàn)大能能量高光光束質(zhì)量量的激光光輸出，傳傳統(tǒng)穩(wěn)定定腔設(shè)計計顯然遠遠遠不能能滿足要要求。因因為此時時，激光光晶體棒棒的尺寸寸都比較較大，而而傳統(tǒng)穩(wěn)穩(wěn)定腔的的腔型設(shè)設(shè)計，很很難實現(xiàn)現(xiàn)基模半半徑大于于1mmm的穩(wěn)定定輸出；而要采采用傳統(tǒng)統(tǒng)的非穩(wěn)穩(wěn)腔，雖雖然可以以增加基基模體積積，但卻卻又存在在硬邊衍衍射和近近場紋波波4，利用用帶變反反射率輸輸出鏡（VVRM）5,結(jié)合重重復(fù)頻率率要求，選選用適當當?shù)姆糯蟠舐室话惆憧梢詫崒崿F(xiàn)高光光束質(zhì)量量的激光光輸出。VVRM非非穩(wěn)腔光光路如圖圖1所示示：圖1、 VVRM非非穩(wěn)腔光光路VRM

13、的反反射率可可以鍍成成高斯分分布的（圖圖2），也也可以鍍鍍成超高高斯分布布的（圖圖3），具具體取決決于系統(tǒng)統(tǒng)設(shè)計的的穩(wěn)區(qū)要要求。 圖22、 高斯分分布VRRM 圖圖3、超超高斯分分布VRRM 2.2 大大能量固固體激光光器聚光光腔設(shè)計計 如果果只有一一級振蕩蕩級就可可以滿足足最終的的能量要要求，采采用陶瓷瓷漫反射射聚光腔腔一般來來說不僅僅可以獲獲得很高高的效率率，而且且能夠保保障激光光光斑均均勻66，模模式較好好。但如如果需要要多級功功率放大大才能實實現(xiàn)最后后的輸出出，陶瓷瓷漫反射射聚光腔腔的設(shè)計計常會造造成輸出出光斑的的邊緣很很亮，中中心部分分光斑相相對較弱弱的情形形。這就就必須對對每一級級

14、的泵浦浦光分布布進行合合理的安安排，使使之相互互補償，實實現(xiàn)高光光束質(zhì)量量的激光光輸出。采用相交圓圓7，不僅僅可以使使整個聚聚光腔的的設(shè)計更更小巧，而而且可以以比較容容易的進進行光線線追跡，合合理安排排泵浦光光在晶體體棒中的的分布。如如圖4為為相交圓圓聚光腔腔的示意意圖，其其中相交交圓半徑徑R,弧弧高H,晶體棒棒半徑rr,燈棒棒間距22C,任任意光線線O1M經(jīng)弧弧面反射射后與晶晶體棒相相交，OO2到MLL的距離離S1,考慮晶晶體棒的的折射效效應(yīng)，實實際距離離S2,實際走走過的距距離PQQ。 (aa) (bb)圖4為相交交圓聚光光腔的示示意圖如果希望設(shè)設(shè)計相對對均勻的的泵浦光光分布，可可以參照照

15、圖5；如果希希望設(shè)計計相對集集中于晶晶體棒中中心的泵泵浦光分分布，可可以參照照圖6。 圖5、相對對均勻的的泵浦光光分布 圖66、相對對集中的的泵浦光光分布 3. 短脈脈沖/超超短脈沖沖激光器器 33.1納納秒/亞亞納秒脈脈沖激光光器的激激光脈寬寬介于普普通的聲聲光調(diào)QQ、電光光調(diào)Q激激光器和和高端的的鎖模激激光器之之間，由由于脈寬寬比普通通的調(diào)QQ激光脈脈寬要短短1個數(shù)數(shù)量級以以上，所所以同等等量級輸輸出能量量的前提提下，具具有更高高的峰值值功率，而而與鎖模模激光器器相比，不不需要鎖鎖定多個個縱摸，腔腔長也不不用搞得得很長，重重頻可以以通過合合適的電電光器件件或聲光光器件，很很容易控控制。從從

16、而避免免了傳統(tǒng)統(tǒng)鎖模種種子動輒輒上百兆兆Hz,不經(jīng)過過選單放放大幾乎乎無法使使用的弱弱點，很很容易實實現(xiàn)可靠靠的穩(wěn)定定輸出。對于納秒/亞納秒秒脈沖激激光器的的研究,國內(nèi)研研究的比比較少，主主要是通通過SBBS布里里淵散射射池實現(xiàn)現(xiàn)位相共共軛的同同時，壓壓短脈沖沖，這種種方法國國內(nèi)能做做到最短短脈寬在在60個個皮秒以以上88；另另外還有有通過腔腔外電光光器件斬斬波來實實現(xiàn)納秒秒左右的的短脈沖沖，但斬斬波的方方式有很很多先天天的弊病病：首先先，斬波波是以犧犧牲能量量為代價價的，比比如如果果要將一一個300納秒的的脈沖斬斬成3納納秒,其其激光能能量至少少要降為為原來的的1/110，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換效率率特別低

17、低；其次次，斬波波的方法法所能得得到的最最短脈寬寬受限于于電光器器件的開開關(guān)速度度，開關(guān)關(guān)速度越越快，實實現(xiàn)越困困難，目目前這種種辦法對對于1納納秒以下下的斬波波基本上上無能為為力；再再有，斬斬波要與與電光器器件、偏偏振片等等一起配配合使用用，電光光器件和和偏振片片的消光光比直接接影響最最后的斬斬波效果果，造成成信號對對比度的的降低。國外對于納納秒/亞亞納秒脈脈沖激光光器的研研究水平平要比國國內(nèi)好得得多。首首先，通通過SBBS布里里淵散射射的途徑徑，已經(jīng)經(jīng)能夠?qū)崒崿F(xiàn)亞納納秒的短短脈沖輸輸出。但但SBSS布里淵淵散射的的途徑因因為是靠靠很強的的激光非非線性效效應(yīng)實現(xiàn)現(xiàn)，需要要足夠強強的脈沖沖能量

18、注注入，因因此對于于高重頻頻實現(xiàn)起起來比較較困難；另外，SSBS必必須要有有染料池池，染料料壽命有有限，需需要不定定期的更更換，限限制了使使用；再再有，染染料本身身多數(shù)都都有毒，不不環(huán)保。除除了采用用布里淵淵散射的的途徑，國國外也有有通過脈脈沖啁啾啾放大來來實現(xiàn)亞亞納秒的的激光輸輸出的，但但該方法法整個光光路及其其復(fù)雜，容容易失調(diào)調(diào)，安裝裝調(diào)試維維修都相相當困難難，造價價也極高高；做個個科學研研究還勉勉強可以以，工程程化應(yīng)用用推廣前前景渺茫茫。通過利用脈脈沖LDD經(jīng)光纖纖耦合后后端面泵泵浦Ndd:YAAG或NNd:YYVO44，通過過Cr:YAGG等被動動調(diào)Q和和進一步步縮短腔腔長等方方法實現(xiàn)

19、現(xiàn)高重復(fù)復(fù)頻率的的端泵微微腔亞納納秒激光光輸出。具具體光路路如圖77。其中中S1鍍鍍8088增透，110644高反；S2鍍鍍10664部分分輸出。 圖7、端端泵微腔腔亞納秒秒激光器器光路采用端泵微微腔被動動調(diào)Q實實現(xiàn)亞納納秒激光光輸出的的優(yōu)點是是結(jié)構(gòu)簡簡單，整整機小巧巧，脈寬寬較短；但因為為被動調(diào)調(diào)Q本身身的漂白白特性，在在低注入入時容易易出現(xiàn)多多脈沖。也可以通過過脈沖LLD側(cè)泵泵結(jié)合腔腔倒空實實現(xiàn)納秒秒脈沖輸輸出，如如圖8。 圖圖8、側(cè)側(cè)泵腔倒倒空納秒秒脈沖輸輸出腔倒空在高高注入能能量的條條件下，容容易實現(xiàn)現(xiàn)短脈沖沖輸出。但但因為腔腔長是影影響脈沖沖寬度的的重要因因素99，而而既要縮縮短腔長

20、長，又要要保證光光斑模式式，腔型型設(shè)計有有一定難難度。3.2超短短脈沖激激光器實用的超短短脈沖激激光器一一般由鎖鎖模種子子源、再再生放大大器組成成。其中中鎖模種種子源輸輸出的納納焦量級級的超短短脈沖，如如圖9，經(jīng)經(jīng)過法拉拉第隔離離器注入入到再生生放大器器后進行行選單和和功率放放大，如如圖100，然后后通過偏偏振片PP3倒空空輸出,再生放放大一般般可以放放大到毫毫焦能量量級以上上。如果果需要將將能量進進一步放放大，可可以在再再生放大大的輸出出端再加加功率放放大器。 圖圖9、LLD端泵泵皮秒鎖鎖模種子子源 圖100 、再再生放大大器光路路圖實用的飛秒秒脈沖激激光光路路與皮秒秒激光器器原理類類似，一

21、一般都是是由鎖模模種子源源注入到到再生放放大器或或多通放放大器中中進行放放大。只只不過種種子光實實現(xiàn)起來來要更復(fù)復(fù)雜些，并并且種子子光要先先經(jīng)過展展寬器展展寬在進進行放大大，在此此不多贅贅述。對于超短脈脈沖，穩(wěn)穩(wěn)定的連連續(xù)鎖模模種子輸輸出至關(guān)關(guān)重要，如如果種子子脈沖串串不穩(wěn)或或者有調(diào)調(diào)Q,都都會嚴重重破壞整整機的性性能甚至至導(dǎo)致無無法正常常工作；而再生生放大既既要對脈脈沖進行行選單，又又要精確確控制脈脈沖在其其中放大大的次數(shù)數(shù)以及倒倒空的時時間，確確保再生生放大脈脈沖有足足夠的信信噪比和和對比度度。4. 結(jié)束束語 VVRM非非穩(wěn)腔設(shè)設(shè)計的采采用和對對相交圓圓聚光腔腔光線追追跡技術(shù)術(shù)的發(fā)展展，使

22、大大能量高高光束質(zhì)質(zhì)量的激激光器設(shè)設(shè)計變得得日漸容容易和可可控；而而微片激激光器、腔腔倒空技技術(shù)、大大功率脈脈沖LDD的技術(shù)術(shù)的發(fā)展展，使得得納秒/亞納秒秒短脈沖沖激光器器的實現(xiàn)現(xiàn)成為可可能；隨隨著Seesamm半導(dǎo)體體被動鎖鎖模技術(shù)術(shù)的日益益成熟和和高速普普克爾盒盒驅(qū)動電電源的逐逐漸成熟熟，相信信實用化化/小型型化的可可靠超短短脈沖的的高峰值值功率激激光輸出出無疑將將會與傳傳統(tǒng)的聲聲光調(diào)QQ/電光光調(diào)Q激激光裝置置一樣, 成為為許多領(lǐng)領(lǐng)域中人人們開展展自然科科學研究究的主要要選擇工工具之一一.5.參考文文獻：J,CChanng,BB.E.Warrnerr, EE.P.Draagonn, aa

23、nd M.WW.J.Walllacce, “Prreciisioon mmicrromaachiininng wwithh puulseed ggreeen llaseers”,Lasser Apppl，19888,VVol.10, ppp .2285-2911, 2、CJiaanfeeng Cuii, Zhhonggweii Faan ,Chhunhhua Zhaao, “Ressearrch on LD-Pummpedd duual wavveleengtth NNd:YYAG Lasser witth higgh bbeamm quualiity forr maachiininng”，SPIIE 20005 VVol. 60028, 6002822G 3、CN.WW.Hooppss,R.B.WWilccox,M