1 引言

固体激光器被广泛应用于材料加工、半导体制造、工业印刷及激光雷达等领域,一般来说,固体激光器常用于对高峰值功率或高亮度有特殊要求的领域。固体激光器大多使用半导体激光二极管或者闪光灯对增益介质进行抽运,常见的增益介质为掺杂的玻璃或晶体。虽然使用光抽运价格低廉,但光谱较宽,抽运效率较低。半导体激光器(LD)则具有窄带宽、低发散角和高效率等优点,是一种结构紧凑、抽运效率较高的抽运源。一般用作抽运源的LD多为边发射激光器,发光区域面积小,功率密度大,而发射光谱对温度变化较为敏感,发射光谱中心波长随温度变化的灵敏度一般约为0.3 nm·℃^-1。以Nd∶YAG晶体作为增益介质时,由于其在800 nm附近的吸收带宽较窄,在使用普通的边发射激光器作为抽运源时,为了获得稳定的输出,往往需要使用半导体制冷器(TEC)或者水冷等主动方式对抽运源温度进行精确的控制。在空间应用中,大多使用TEC对LD阵列进行温控。但TEC的制冷效率非常低,一般不超过0.5,同时TEC的使用增加了抽运源的结构复杂度,使系统的可靠度大大降低。因此,发展温度不需要精确控制的全固态激光器是空间激光应用的一个重要目标。

近年来,随着垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的发展,将低功率的单个发射器制备为大的二维平面阵列,VCSEL作为高功率全固态激光器的抽运源获得越来越多的关注^[1-8]。美国陆军夜视和电子传感器委员会于2011年,利用804 nm输出的VCSEL阵列对Nd∶YAG晶体进行端面抽运,通过改变VCSEL的工作电流得到抽运光不同的角向分布,使抽运光经聚焦透镜的强度分布发生变化,激光输出脉冲能量实现了从9 mJ到18 mJ的2倍可调性^[3]。Princeton Optronics公司于2011年使用VCSEL阵列作为抽运源对Nd∶YAG晶体进行侧面抽运,被动调Q时,得到脉宽为4 ns,脉冲能量为4.7 mJ的1064 nm输出的线偏振脉冲光,脉冲经过外部倍频与四倍频后得到2.5 mJ的532 nm与0.8 mJ的266 nm脉冲输出;而在类似的装置下使用主动调Q,使晶体在准三能级较弱的946 nm处发生跃迁,得到了12 mJ的脉冲能量,经倍频后得到脉宽为17 ns和脉冲能量为5.6 mJ的脉冲光^[4]。中国科学院上海光学精密机械研究所于2016年研制了一种利用光纤激光器作为种子光,经过以大功率VCSEL阵列抽运的Nd∶YAG四通放大器,得到了重复频率为300 Hz、脉冲能量为317 mJ,脉宽在2~6 ns范围内可调节的1064 nm的激光输出^[6-11]。

与条形边发射LD相比,VCSEL阵列具有成本低^[9],可靠性高^[10],可在宽温度范围使用^[11],发射谱宽极小[半峰全宽(FWHM)通常小于2 nm],且发射的光束为小发散角(数值孔径)的均匀分布的圆形光束等优点。尤其是VCSEL的发射光谱中心波长对温度的敏感性较弱,发射光谱中心波长随温度漂移的系数仅为0.07 nm·℃^-1,用作Nd∶YAG晶体抽运源时,相对边发射激光器而言,对温度控制的要求大大降低,可以在没有TEC主动温控的情况下实现稳定激光输出。

本文以Nd∶YAG板条晶体作为增益介质,使用2个VCSEL阵列组成的大功率面阵作为抽运源,并采用微透镜阵列对抽运光的一维方向进行准直,再使用柱透镜将抽运光整形为线形光束进行抽运,谐振腔采用双保罗(porro)棱镜超稳谐振腔,以Cr⁴⁺∶YAG晶体作为可饱和吸收体进行被动调Q。最终实现了单脉冲能量为2.1 mJ,脉冲宽度为4 ns,重复频率为40 Hz及光束质量因子分别为 Mx2=1.78, My2=1.55的激光输出。整个激光系统体积小,具有高抗失谐和高抗振动特性,并可在没有TEC主动温控的情况下在较大温度范围内稳定工作。

2 实验原理

2.1 抽运模块

本实验以中心波长为805 nm的VCSEL阵列作为抽运源,对Nd∶YAG板条晶体进行侧面抽运。抽运模块由两个VCSEL阵列组成。每一个VCSEL阵列的发光区域为4.7 mm×4.7 mm,发射区域内包含了11500个圆形发射单元,排列为115 pixel×100 pixel,每个单元的发散角为16°全角。VCSEL是表面发射激光器,发光区域面积大,抽运功率密度不够高,因此需要对抽运光进行整形,将其聚焦为线性光斑以获得足够的功率密度。但是VCSEL阵列的发光区是由115 pixel×100 pixel的点源组成,因此采用微柱透镜阵列首先对抽运光的一维方向进行准直,然后通过柱面镜聚焦,将光斑整形为线型光斑进行抽运。微透镜阵列同样为115行,透镜周期为41 μm,每个微透镜的有效焦距为0.13 mm。发散角为16°空间立体角的VCSEL激光器经微透镜阵列准直后,在竖直方向的发散角小于1°。再通过焦距为7.5 mm的柱面透镜整形将抽运光聚焦为0.8 mm×10 mm的线状光斑,对Nd∶YAG板条晶体进行侧面抽运。VCSEL抽运阵列的聚焦准直示意图如图1所示。

图 1. 抽运模块的准直聚焦示意图

Fig. 1. Schematic of collimation and focusing of pump module

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采用水冷板控制VCSEL热沉的温度,对VCSEL阵列的输出特性进行测量。当VCSEL热沉温度T为23.9 ℃时,VCSEL在重复频率为40 Hz,脉冲宽度为230 μs,工作电流I为121 A时的抽运脉冲能量为46 mJ。对热沉温度分别为8.8,14.0,19.9,29.0 ℃,电流值分别为90,100,110,120 A时的VCSEL输出的脉冲能量以及输出中心波长随工作温度的变化进行测试,结果如图2(a)、2(b)所示。可以看到,恒定电流下,VCSEL的输出光谱具有较好的波长稳定性,温度漂移系数仅为0.06 nm·℃^-1。

图 2. VCSEL阵列的输出特性。(a)不同温度时VCSEL激光器输出脉冲能量与工作电流的关系;(b)不同工作电流时VCSEL激光器输出中心波长随温度的关系

Fig. 2. Output characteristics of VCSEL array. (a) Output pulse energy of VCSEL laser versus working current under different temperatures; (b) central wavelength of VCSEL laser versus temperature under different working currents

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2.2 实验装置

实验采用掺杂浓度(离子数分数)为1%,长度为15.2 mm,宽度为5 mm,厚度为1.2 mm的Nd∶YAG晶体作为增益介质,晶体为Zig-Zag板条形状,激光在晶体内发生全内反射沿之字形传播;沿布儒斯特角切割晶体的两个端面,使晶体具有选偏的特性。

实验装置结构图如图3所示。两个正交双保罗棱镜(porro1和porro2)组成谐振腔,谐振腔长约8 cm。采用如此短的谐振腔可以确保被动调Q输出的光脉冲为单纵模,没有拍频现象发生^[12]。使用0.57λ波片对保罗棱镜带来的相位延迟进行补偿^[13],利用Cr⁴⁺∶YAG晶体实现被动调Q。抽运增益介质产生的光经过偏振分光棱镜(PBS)后,部分通过PBS并经过porro2反射,并在谐振腔内形成振荡,部分以45°角反射后输出,得到1064 nm的输出光,通过对光楔(wedge)的偏转角的微调实现谐振腔的优化输出。

图 3. VCSEL侧面抽运的全固态激光器装置图

Fig. 3. Set-up diagram of VCSEL side-pumped solid-state laser

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3 实验结果

VCSEL阵列在温度为13 ℃,工作电流为87 A(峰值光功率185 W),重复频率为40 Hz,抽运脉冲宽度为230 μs时,激光器输出脉冲能量为2.1 mJ,不考虑抽运光的吸收效率的情况下对应的总光-光转换效率约为5%。使用LD抽运得到的输出脉冲能量为2.0 mJ,抽运脉冲能量为40 mJ,光-光转换效率约为5%。VCSEL抽运和LD抽运的能量转换效率无明显差异。光束质量如图4所示,光束质量因子分别为 Mx2=1.78, My2=1.55, 近场光斑图5所示。

使用波长计对输出波长进行测试,得到输出波长为1064.39567 nm,输出线宽小于500 fm(相当于132 MHz),相邻单纵模间隔Δν_q= c2nL≈1.36 GHz,比132 MHz大,其中c为光速,L为谐振腔长,n为介质折射率。所以输出光脉冲为单纵模。

采用上升沿响应速率为60 ps的PIN光电二极管对脉冲进行采集,采集的示波器带宽为1 GHz,采样率为20 GHz,获得的脉冲波形如图6。可以看到脉冲波形为光滑的脉冲,没有拍频现象,对应的激光脉冲的FWHM约为4 ns。

图 4. 输出光束质量测量图

Fig. 4. Output beam quality measurement

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图 5. 输出光束近场光斑图

Fig. 5. Output beam near-field facula

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图 6. 脉冲波形图

Fig. 6. Pulse wavelength diagram

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图 7. 阈值抽运能量与VCSEL热沉温度的变化

Fig. 7. Threshold pump energy versus VCSEL heat sink temperature

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对不同温度下激光器的阈值抽运能量进行测量,结果如图7所示。可以看到,在9.1 ℃到16.8 ℃的温度范围内,激光器的阈值抽运能量最低为42.7 mJ,最高为45.4 mJ,即激光器在45.4 mJ的抽运能量下,可以在大于8 ℃的温度范围内稳定出光,而同样的结构下以边发射激光器为抽运源,工作温度范围仅为3 ℃,可以看到以VCSEL为抽运源极大地降低了激光器对抽运源温度的控制要求。

图 8. 1 h内VCSEL抽运固体激光器输出能量记录

Fig. 8. Output energy recording of solid-state laser pumped by VCSEL in 1 h

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同时为了验证能量的稳定性,对VCSEL阵列与LD阵列抽运的相同结构的激光器的输出能量进行监测,并记录其在1 h以内的能量输出,结果如图8 与图9所示。在温度为20 ℃时,测量1 h内VCSEL侧面抽运固体激光器的输出能量变化,可以看出脉冲能量抖动标准差为117.8 μJ,而平均输出能量为2.004 mJ,抖动能量标准差约占平均输出能量的5.9%。在温度为23.5 ℃时,测量1 h内边发射LD侧面抽运固体激光器的输出能量变化,可以看出脉冲能量抖动标准差为151.5 μJ,而平均输出能量为1.620 mJ(输出光束经由一块透镜折射,测量时能量有所损耗),抖动能量标准差约占平均输出能量的9.4%。相比边发射LD抽运激光器,VCSEL抽运固体激光器的能量稳定性更优。

图 9. 1 h内LD抽运固体激光器输出能量记录

Fig. 9. Output energy recording of solid-state laser pumped by LD in 1 h

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4 结论

报道了一种结构紧凑、工作温度范围大及可靠性高的VCSEL侧面抽运的被动调Q全固态激光器。激光器使用了一对正交双保罗棱镜作为谐振腔,利用偏振分束棱镜实现偏振耦合输出。该激光器可以在无TEC对抽运源主动温控的条件下在较大温度范围内实现脉冲能量为2.1 mJ、重复频率为40 Hz及脉宽为4 ns 的稳定输出,输出光束质量因子分别为 Mx2=1.78, My2=1.55。与边发射的LD抽运相比,VCSEL抽运的激光器具有更大的温度适应范围。该激光器同时具有结构紧凑和抗失谐性能高等优点,可作为未来空间激光探测及其他特殊环境下应用的理想光源。