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摘要： 在需要利用光的相干性的场合，如倍频、光参量振荡、全息以及光束的相干合成等对激光器输出的线宽有严格的要求，这时就需要对纵模进行选择。介绍一种小型化单横模单纵模激光二极管泵浦Nd∶YAG激光器，单脉冲能量3.6 mJ，重复频率200 Hz，脉冲宽度16 ns，单横模、单纵模运转。该激光器采用谐振反射器和腔内倾斜标准具对纵模进行选择，试验结果与理论计算比较吻合。该激光器可用作窄脉宽高能激光器的种子源。
关键词： 二极管泵浦激光器； 单横模单纵模； 谐振反射器； 倾斜标准具
引言本振-功率放大（MOPA）结构是获得高能激光输出的一个常用方法，本振决定最终输出光束的光束质量和频谱特性，放大级则决定输出光束的功率或能量。对于MOPA结构的激光器而言，高稳定性高质量本振的设计是成功的关键。能量或平均功率越高，对本振的要求就越高，空间分布要均匀（单横模），频谱特性则要求是单纵模[1]。在需要利用光的相干性的场合，如倍频、光参量振荡、全息以及光束的相干合成等对激光器输出的线宽有严格的要求，这时就需要对纵模进行选择[2]。纵模选择大致有三方面的技术：（1）腔内倾斜标准具或谐振反射器；（2）改变特定的谐振腔参数增强腔内模式选择能力，如缩短腔长，去除空间烧孔效应和增长Q开关脉冲建立时间等；（3）注入种子。单纵模激光器包括行波腔的环形激光器、半导体泵浦的单微片激光器、利用饱和吸收体结合标准具（腔内倾斜标准具或多片谐振反射器）的Q开关激光器、注入种子激光器等[35]。本文介绍一种利用腔内倾斜标准具和谐振反射器结合Cr4+∶YAG饱和吸收体调Q的半导体泵浦单横模单纵模Nd∶YAG激光器，输出能量3.6 mJ，频率200 Hz，脉冲宽度16 ns，M2因子纵向和横向分别为1.27和1.37。利用该激光器作为种子源，最终获得3 J，200 Hz，脉宽10 ns的高光束质量激光输出。1激光器设计激光器主要由三部分组成：激光头、LD驱动源和温度控制系统，采用Cr4+∶YAG被动Q开关以获得单纵模运转，这样可以用低精细度的标准具进行选模，这是采用主动Q开关无法获得的。采用一个平面谐振反射器进行纵模选择，谐振反射器的长度30 mm，还有一个腔内的倾斜标准具进行粗选，标准具厚度3 mm。激光器谐振腔腔长300 mm，这样激光脉冲的宽度大约在15 ns左右。
直角棱镜和道威棱镜用来“折叠”谐振腔，减小纵向尺寸，并且可以提高光路稳定性。两个四分之一波片在Nd∶YAG激光介质中形成扭转模消除空间烧孔效应。光楔使光路调整更加方便，同时可以提高系统的可靠性。光阑对激光输出的横模进行选择，保证为TEM00模。另外对整个激光头进行温度控制，以保证纵模的稳定性。泵浦头采用侧面泵浦，包括六个准连续激光二极管拔条从三个方向泵浦，LD工作在脉冲体制，重复频率200 Hz，脉冲宽度300 μs，最大电流100 A，峰值功率100 W。采用棒状Nd∶YAG晶体，尺寸为Φ2×55 mm，掺杂浓度为1.1%，激光棒采用循环水冷却，激光二极管的热量通过铜沉传导到底面，用热电制冷片进行温度控制。光学仪器第35卷
第3期胡文华，等：小型化单横模单纵模激光二极管泵浦Nd∶YAG激光器
为给激光器提供正常的工作环境，必须对激光二极管进行温度控制，使LD输出波长与激光工作物质的吸收峰吻合，同时在用作高能系统种子源时，还要保证激光器的输出波长与放大级激光棒增益截面的最大值一致。图2是LD输出波长与泵浦效率的关系曲线，根据该曲线可以确定LD控温精度，LD波长随温度的变化率为0.3 nm/℃，则温控精度应该在±3 ℃。泵浦时激光棒的平均热负载不会超过3 W，这会导致激光棒内的温升大约为0.5 ℃，激光棒的热焦距大约4 m，激光棒内热致双折射造成的激光功率下降可以忽略不计。由于激光器采用饱和吸收体调Q，每个激光脉冲与触发脉冲的延迟时间有比较大的跳动，作为种子源使用时不利于放大能量的提取，因此在激光器的后反镜处装有光电二极管，用来测量输出脉冲激光的幅度和与时钟信号的延迟时间，用来反馈控制激光二极管的电流。采用这种方法可以将延迟时间控制在1 μs（均方根值）以内，另外该电路还可以在温度变化或激光二极管寿命导致阈值提高时，自动控制激光二极管的电流。对侧面泵浦结构进行计算机模拟[67]，如图3所示为泵浦头结构。激光棒处于中心，通水冷却，六个准连续二极管分两层从三个方向侧面泵浦。二极管之间采用抛毛的反射面，以使得泵浦光能够多次穿透晶体棒，从而提高泵浦的均匀性，改善光束质量。
3结论通过采用激光二极管泵浦和谐振腔设计获得单横模运转，创新性的谐振反射器和插入标准具设计获得稳定的单纵模输出，脉冲能量3.6 mJ，脉冲宽度16 ns，重复频率200 Hz，垂直和水平方向M2因子分别为1.27和1.37。采用高频示波器对激光器输出波形进行监测，在连续工作30 min内未发现多纵模运转的现象。激光头尺寸为55 mm×80 mm×240 mm，电源尺寸为150 mm×150 mm×55 mm，利用该激光器作为本振，采用激光二极管泵浦获得3 J，200 Hz，脉宽10 ns输出。另外还用于灯泵激光冲击强化激光器本振，输出能量6 J，重频5 Hz，脉宽10 ns。
参考文献：
[1]蓝信钜.激光技术[M].北京：科学出版社，2000.
[2]蔡云飞，杨泽平，敖明武.自适应光学系统中非共轭问题对波前校正的影响[J].光学仪器，2008，30（6）：64-68.
[3]宋宝安，赵卫疆，任德明，等.扭摆腔被动调Q获单纵模光滑激光脉冲[J].光电子 激光，2008，19（10）：1328-1331.
[4]刘朗，秘国江，黄茂全，等.高重复频率高能量单纵模激光器[J].中国激光，2003，10（6）：44-47.
[5]郝二娟，李特，檀慧明，等.LD泵浦的全固态激光器的单频实现方法[J].激光杂志，2006，27（2）：14-15.
[6]吴海生，尹贵增，李湘宁.高功率LD高效、均匀泵浦耦合技术研究[J].光学仪器，2006，28（6）：23-27.
[7]李鹏，张全，沈诗哲，等.柱状楔形微透镜光纤与半导体激光器耦合效率研究[J].光学仪器，2006，28（3）：52-55.
关键词： 二极管泵浦激光器； 单横模单纵模； 谐振反射器； 倾斜标准具
引言本振-功率放大（MOPA）结构是获得高能激光输出的一个常用方法，本振决定最终输出光束的光束质量和频谱特性，放大级则决定输出光束的功率或能量。对于MOPA结构的激光器而言，高稳定性高质量本振的设计是成功的关键。能量或平均功率越高，对本振的要求就越高，空间分布要均匀（单横模），频谱特性则要求是单纵模[1]。在需要利用光的相干性的场合，如倍频、光参量振荡、全息以及光束的相干合成等对激光器输出的线宽有严格的要求，这时就需要对纵模进行选择[2]。纵模选择大致有三方面的技术：（1）腔内倾斜标准具或谐振反射器；（2）改变特定的谐振腔参数增强腔内模式选择能力，如缩短腔长，去除空间烧孔效应和增长Q开关脉冲建立时间等；（3）注入种子。单纵模激光器包括行波腔的环形激光器、半导体泵浦的单微片激光器、利用饱和吸收体结合标准具（腔内倾斜标准具或多片谐振反射器）的Q开关激光器、注入种子激光器等[35]。本文介绍一种利用腔内倾斜标准具和谐振反射器结合Cr4+∶YAG饱和吸收体调Q的半导体泵浦单横模单纵模Nd∶YAG激光器，输出能量3.6 mJ，频率200 Hz，脉冲宽度16 ns，M2因子纵向和横向分别为1.27和1.37。利用该激光器作为种子源，最终获得3 J，200 Hz，脉宽10 ns的高光束质量激光输出。1激光器设计激光器主要由三部分组成：激光头、LD驱动源和温度控制系统，采用Cr4+∶YAG被动Q开关以获得单纵模运转，这样可以用低精细度的标准具进行选模，这是采用主动Q开关无法获得的。采用一个平面谐振反射器进行纵模选择，谐振反射器的长度30 mm，还有一个腔内的倾斜标准具进行粗选，标准具厚度3 mm。激光器谐振腔腔长300 mm，这样激光脉冲的宽度大约在15 ns左右。
直角棱镜和道威棱镜用来“折叠”谐振腔，减小纵向尺寸，并且可以提高光路稳定性。两个四分之一波片在Nd∶YAG激光介质中形成扭转模消除空间烧孔效应。光楔使光路调整更加方便，同时可以提高系统的可靠性。光阑对激光输出的横模进行选择，保证为TEM00模。另外对整个激光头进行温度控制，以保证纵模的稳定性。泵浦头采用侧面泵浦，包括六个准连续激光二极管拔条从三个方向泵浦，LD工作在脉冲体制，重复频率200 Hz，脉冲宽度300 μs，最大电流100 A，峰值功率100 W。采用棒状Nd∶YAG晶体，尺寸为Φ2×55 mm，掺杂浓度为1.1%，激光棒采用循环水冷却，激光二极管的热量通过铜沉传导到底面，用热电制冷片进行温度控制。光学仪器第35卷
第3期胡文华，等：小型化单横模单纵模激光二极管泵浦Nd∶YAG激光器
为给激光器提供正常的工作环境，必须对激光二极管进行温度控制，使LD输出波长与激光工作物质的吸收峰吻合，同时在用作高能系统种子源时，还要保证激光器的输出波长与放大级激光棒增益截面的最大值一致。图2是LD输出波长与泵浦效率的关系曲线，根据该曲线可以确定LD控温精度，LD波长随温度的变化率为0.3 nm/℃，则温控精度应该在±3 ℃。泵浦时激光棒的平均热负载不会超过3 W，这会导致激光棒内的温升大约为0.5 ℃，激光棒的热焦距大约4 m，激光棒内热致双折射造成的激光功率下降可以忽略不计。由于激光器采用饱和吸收体调Q，每个激光脉冲与触发脉冲的延迟时间有比较大的跳动，作为种子源使用时不利于放大能量的提取，因此在激光器的后反镜处装有光电二极管，用来测量输出脉冲激光的幅度和与时钟信号的延迟时间，用来反馈控制激光二极管的电流。采用这种方法可以将延迟时间控制在1 μs（均方根值）以内，另外该电路还可以在温度变化或激光二极管寿命导致阈值提高时，自动控制激光二极管的电流。对侧面泵浦结构进行计算机模拟[67]，如图3所示为泵浦头结构。激光棒处于中心，通水冷却，六个准连续二极管分两层从三个方向侧面泵浦。二极管之间采用抛毛的反射面，以使得泵浦光能够多次穿透晶体棒，从而提高泵浦的均匀性，改善光束质量。
3结论通过采用激光二极管泵浦和谐振腔设计获得单横模运转，创新性的谐振反射器和插入标准具设计获得稳定的单纵模输出，脉冲能量3.6 mJ，脉冲宽度16 ns，重复频率200 Hz，垂直和水平方向M2因子分别为1.27和1.37。采用高频示波器对激光器输出波形进行监测，在连续工作30 min内未发现多纵模运转的现象。激光头尺寸为55 mm×80 mm×240 mm，电源尺寸为150 mm×150 mm×55 mm，利用该激光器作为本振，采用激光二极管泵浦获得3 J，200 Hz，脉宽10 ns输出。另外还用于灯泵激光冲击强化激光器本振，输出能量6 J，重频5 Hz，脉宽10 ns。
参考文献：
[1]蓝信钜.激光技术[M].北京：科学出版社，2000.
[2]蔡云飞，杨泽平，敖明武.自适应光学系统中非共轭问题对波前校正的影响[J].光学仪器，2008，30（6）：64-68.
[3]宋宝安，赵卫疆，任德明，等.扭摆腔被动调Q获单纵模光滑激光脉冲[J].光电子 激光，2008，19（10）：1328-1331.
[4]刘朗，秘国江，黄茂全，等.高重复频率高能量单纵模激光器[J].中国激光，2003，10（6）：44-47.
[5]郝二娟，李特，檀慧明，等.LD泵浦的全固态激光器的单频实现方法[J].激光杂志，2006，27（2）：14-15.
[6]吴海生，尹贵增，李湘宁.高功率LD高效、均匀泵浦耦合技术研究[J].光学仪器，2006，28（6）：23-27.
[7]李鹏，张全，沈诗哲，等.柱状楔形微透镜光纤与半导体激光器耦合效率研究[J].光学仪器，2006，28（3）：52-55.