用于空间探测的结构紧凑高功率纳秒激光脉冲光源

报道了基于Nd∶YAG晶体的传导冷却端面泵浦板条放大器结构实现高重复频率、高功率纳秒激光放大输出,系统采用主振荡功率放大结构,整个系统主要包括调Q纳秒激光种子源,小尺寸板条预放大器以及主放大模块。纳秒激光种子源在重复频率为400 Hz的工作条件下,输出激光功率为1.6 W,单脉冲能量为4 mJ,最终获得207 W功率放大激光输出,单脉冲能量超过0.5 J,输出激光脉冲宽度为6.55 ns,激光脉冲峰值功率超过75 MW。     

5kW Nd:YAG端面抽运板条激光器及其光束质量提升

理论分析了影响二极管端面抽运Nd:YAG板条激光放大器放大效率的因素,设计了主振荡功率放大板条连续激光器。使用1064nm窄线宽光纤激光器作为种子源,采用两个Nd:YAG板条激光放大器先串接再双程放大的技术路线。两个Nd:YAG板条激光放大器的尺寸结构完全相同,Nd:YAG板条的尺寸均为150.2 mm×2.5mm×30mm,每个板条都是半导体激光器阵列双端抽运。放大器抽运源总功率为21.6kW时,实现了5.4kW连续激光的输出,光-光转换效率为24.8%,光束质量β为3.5。在输出光路位置使用狭缝空间滤波器,光束质量β可以提升到2.5。     

星载全固态激光器的实验研究

激光二极管抽运的全固态激光器具有体积小、质量轻、效率高的特点,是目前星载激光雷达系统的主要发射光源.介绍了一种基于传导冷却的LD阵列侧面抽运Nd:YAG晶体的Zig-Zag板条激光器.板条介质能够消除棒状介质带来的一阶热聚焦和应力退偏效应.采用55个准连续激光二极管沿板条晶体长度方向均匀排列,通过柱面镜耦合进行均匀抽运.Nd:YAG晶体的散热是采用与其热膨胀系数匹配的金属热沉由光泵背面将热量传导出去.LD阵列的散热是通过紫铜热沉传导到底板,再由热管传递出去.实验中使用平凹激光谐振腔,重复频率20 Hz,获得单脉冲能量大于150 mJ的激光输出,脉冲宽度10 ns左右,光一光转换效率大于15%.实验表明:该激光器具有在太空中应用的潜力.     

百瓦级绿光DPL激光器技术研究

对激光二极管侧面抽运Nd:YAG板条双程功率放大器进行了研究,激光器基模输出平均功率大于200 W,建立了激光二极管侧面抽运Nd:YAG之字型板条激光主振荡-多程功率放大(MOPA)系统,它由两级Nd:YAG板条双通功率放大器构成,最后一级为单通放大器.在500Hz重复频率时,获得单脉冲能量为410mJ的1.06μm激光输出,光束质量M2小于6.5,KTP晶体在80℃温度下倍频,输出0.53 μm绿光单脉冲能量210mJ,光束质量M2小于6.5.     

激光二极管抽运的自拉曼Nd∶YVO_4激光器

研究了激光二极管(LD)抽运的自拉曼Nd∶YVO4调Q激光器的特性。Nd∶YVO4晶体同时作为激光介质和拉曼晶体,通过声光调Q技术,产生了1176 nm的拉曼激光。测量了平均输出功率、脉冲宽度和单脉冲能量随抽运功率和脉冲重复率的变化。典型的1064 nm基频光和1176 nm拉曼光脉冲的脉冲宽度分别为26.3 ns和9.0 ns。在脉冲重复率为20 kHz,抽运功率为8.46 W时,产生了平均功率为0.384 W的1176 nm光的输出,光-光转换效率为4.54%。使用速率方程对自拉曼Nd∶YVO4调Q激光器特性进行了理论研究,把脉冲重复率为10 kHz,20 kHz,30 kHz时拉曼光单脉冲能量和脉冲宽度的实验值与理论值进行了比较,结果基本相符。     

紧凑型全固态266nm脉冲激光器

报道了利用激光二极管端面抽运Nd∶YAG晶体,通过Cr4+∶YAG晶体可饱和吸收被动调Q,KTP晶体腔外倍频及BBO晶体腔外四倍频,实现266 nm连续脉冲输出。简要分析了被动调Q基本原理,计算并模拟了1064 nm基频光在理想状态下Cr4+∶YAG晶体不同初始透过率对脉冲激光单脉冲能量的影响。LD抽运功率为4.8 W时,得到266 nm紫外激光平均输出功率为5.63 mW,单脉冲能量约为0.5μJ。在紧凑型毫瓦级266 nm激光器实用化方面取得了一定进展。     

10 Hz,1.2 J脉冲波形近方波的纳秒Nd:YAG激光器

搭建了一台中等重复频率、高峰值功率的Nd:YAG激光器。激光器主要包括三部分:单纵模全光纤种子源、LD抽运的Nd:YAG再生放大器和氙灯抽运的Nd:YAG功率放大器。该系统获得了平均功率为12W、重复频率为10Hz、单脉冲能量为1.2J、脉冲宽度为3ns的激光输出,工作波长为1064nm,输出光束口径为10mm,95%的能量在600μrad范围内,近场光强近平顶分布,近场光强调制度小于1.2,时间波形近似方波,能量稳定性均方根值小于1.4%。     

1J倍频Nd∶YAG激光器

报道了倍频Nd∶YAG固体激光器的研究结果,激光器系统由一级板条Nd∶YAG激光振荡器、三级板条放大器和KTP倍频晶体等构成,输出倍频激光能量大于1J,脉冲重复频率1Hz,脉冲宽度6ns～9ns,倍频效率约为48%.     

高能量1 ns Nd:YAG激光器系统

为了实现高能量、窄脉宽的输出,设计了一种半导体端面泵浦Nd:YVO4的主振荡器与功率放大器(MOPA)结构的Nd:YAG激光器。半导体端面泵浦布儒斯特切角Nd:YVO4晶体调Q主振荡器,获得了单脉冲能量0.16mJ,重复频率5Hz,脉冲宽度0.964ns的种子激光输出。通过使用光隔离器和端面切角的Nd:YAG晶体,避免了Nd:YAG双通预放大器的ASE效应,获得了单脉冲能量88mJ,脉宽0.972ns的激光输出。通过空间滤波器后,两级主放大器单通放大后,最终获得了单脉冲能量大于3.25J,脉宽1.051ns,M2为1.9,不稳定度小于±3%ns激光放大输出。     

350 mJ LD侧面抽运Nd:YAG无水冷调Q激光器

研制了一台无水冷激光二极管(LD)侧面抽运高能量、高光束质量全固态Nd:YAG调Q激光器。激光器采用半导体制冷器(TEC)进行整体冷却,有利于激光器的小型化、便携化。实验使用的Nd:YAG晶体棒尺寸为φ7mm×100mm,掺Nd的原子数分数为1.1%,LD抽运的最大峰值功率为15kW。在10 Hz重复频率下获得最大脉冲能量为350mJ、脉冲宽度为9.7ns、光-电转换效率为6.7%、能量稳定度小于5%的1064nm激光输出,水平和垂直方向的光束质量M2分别为7.7和12.3。     

激光二极管双端双程抽运Yb∶YAG板条激光器

报道了一种激光二极管阵列双端双程抽运Yb∶YAG板条激光器。基于抽运光在晶体中的吸收特性,建立双端双程抽运与双端单程抽运结构的抽运分布模型,理论分析了双端双程抽运的优点。在抽运光重复频率为400 Hz、脉宽为1 ms、单脉冲总能量为12 J的条件下,利用偏振复用技术实现双端双程抽运板条激光器,获得单脉冲激光的输出能量约为6.13 J,光-光转化效率约为50%。与具有相同掺杂浓度以及相同抽运光吸收效率的双端单程抽运方式相比,双端双程抽运的输出激光能量更高,转化效率更高,稳定性更强。理论分析与实验结果证明双端双程抽运方式有利于进一步提升激光输出的能量与效率。     

大功率线阵激光二极管侧面抽运Nd∶YAG激光器特性研究

对激光二极管(LD)抽运固体激光器中大功率线阵激光二极管三向对称侧面抽运的漫反射腔结构进行了研究。激光器使用Nd∶YAG作为激光晶体,电光器件材料为KD*P晶体,漫反射体为陶瓷材料。实验表明,抽运光的利用率和均匀性有较大提高。在重复频率为10 Hz下,实现了脉冲宽度8 ns,最大平均功率为近2 W的1064 nm红外激光输出,激光器的效率有显著提高。     

LD抽运多波长Nd∶YAG激光器的研究

高功率准连续半导体激光器(QCWLD)及抽运的高重复率电光Q开关多波长Nd∶YAG激光器输出1064 nm, 532 nm , 355 nm三个波长纳秒量级的脉冲激光,可用于非线性光谱研究、光探测和测距、激光雷达、光参量振荡的抽运源、光刻及微加工、材料处理、医疗等方面,是非常理想的光源.这种激光器具有以下优点:转换效率高,重复率高,脉宽窄,整机小巧,稳定可靠,光学质量好以及全固态等.因此,它具有非常重要的使用价值和经济效益.本文主要报道高功率QCWLD抽运电光Q开关三波长Nd∶YAG激光器的实验结果. 实验装置采用QCW 800 W LD作为抽运源,其发光尺寸为4.8 mm×45 mm, Nd∶YAG激光介质为φ4 mm×10 mm,YAG晶体用铟箔包裹放在水冷却的铜块上.利用KTP晶体Ⅱ类非临界相位匹配进行倍频,其KTP晶体尺寸为5 mm×5 mm×8 mm.利用BBO Ⅰ类非临界相位匹配进行三倍频,其BBO晶体的尺寸为8 mm×8 mm×8 mm. 实验研究了抽运光功率、温度、重复率、输出镜的透过率、腔长等参数对激光三波长输出特性的影响.当LD抽运光单脉冲能量为60 mJ时,1064 nm光脉冲的能量达到8.5 mJ,最窄脉冲宽度20 ns;532 nm光脉冲能量2.9 mJ;355 nm脉冲能量1.5 mJ,电光调Q激光器的最高重复率可达到500 Hz.(PC10)     

100 W高功率Nd∶YAG皮秒板条激光放大器

设计了一种高功率的固体皮秒脉冲激光放大器。采用增益介质为Nd∶YAG材料的传导冷却端面泵浦板条放大器结构设计,通过板条结构多角度放大,实现对皮秒脉冲激光的四程放大。分析板条端面切角与激光入射角度的选取对填充因子以及激光功率放大的影响。最终实现了在种子光重复频率为100 kHz、激光脉冲宽度为9.6 ps的工作条件下,系统输出激光功率为103 W,单脉冲能量为1.03 mJ。     

适于空间应用的高重复频率窄脉冲电光调Q激光器

给出了一种适用于空间应用的全固态高重复频率窄脉冲激光器。激光器采用超稳双porro棱镜直线谐振腔,以LD侧面抽运Nd…YAG板条,磷酸氧钛铷(RTP)晶体作为电光调Q开关,并利用偏振耦合输出激光。实现了激光脉冲重复频率为1kHz、平均功率为1.15W、脉冲宽度为1.3ns、光束质量因子M~2为M_x~2=1.20和M_y~2=1.23、波长为1064nm的脉冲激光输出。激光器结构紧凑,性能良好,可作为未来新型空间探测激光雷达系统的光源。     

高峰值功率窄脉宽宽温Nd…GdVO_4激光器

报道了一种可宽温稳定工作的高峰值功率亚纳秒被动调Q的Nd…GdVO_4激光器。激光振荡级采用平凹腔结构,以尾纤耦合半导体激光器端面抽运Nd…GdVO_4晶体,以Cr~(4+)…YAG作为可饱和吸收体进行被动调Q。在抽运吸收能量为5.9mJ时,振荡级输出峰值功率为1.5 MW,脉冲宽度为600ps的脉冲激光,单脉冲能量为0.9mJ,光-光转换效率为15.4%,光束发散角为1.2 mrad。采用端面抽运的双程放大结构对振荡级输出激光进行放大,最终得到峰值功率为3.5 MW,单脉冲能量为2.1mJ激光输出。测量了不同温度下的激光能量的变化,结果表明,在20~36℃的温度范围内,激光输出能量的抖动量(均方根)为5%。激光器结构紧凑、功耗低,可作为未来空间激光应用的光源。     

425mJ高光束质量特殊取向Nd:YAG激光放大器

基于主振荡功率放大结构,采用特殊取向Nd:YAG激光放大器,获得高脉冲能量、高光束质量的激光输出。激光放大结构包含种子源、预放大级和主放大级三部分。在主放大级中,采用串联放置的激光二极管侧面抽运Nd:YAG棒状放大模块对种子光进行放大。为了获得高光束质量的输出光束,对不同切割方向Nd:YAG晶体棒的热退偏损耗进行了模拟。根据模拟结果,放大模块选择[100]切割方向的Nd:YAG晶体棒作为增益介质。在重复频率为200Hz、脉宽为25ns、脉冲能量为40μJ、光束质量接近衍射极限的种子光注入条件下,获得了425mJ脉冲能量输出,输出光光束质量因子为1.37,功率稳定度为0.81%。     

工作在1341nm的LD纵向抽运腔倒空锁模Nd∶YAP激光器

报道了工作在1341 nm的激光二极管(LD)纵向抽运主被动锁模Nd∶YAP激光器。该激光器采用Nd∶YAP晶体作为增益介质,可饱和吸收体V3+∶YAG作为被动锁模器件,声光调制器作为主动锁模器件。在抽运能量50 mJ,抽运频率10 Hz的情况下获得了0.82 mJ的脉冲串输出。该脉冲串的半峰全宽为570 ns,每个脉冲间的间隔为7.7 ns,共包含约75个脉冲,单脉冲的平均能量为11μJ。采用电光晶体RbTiOPO4(RTP)作腔倒空,获得了能量为160μJ,脉宽为680 ps的单脉冲输出。采用InGaAs红外探测器测得光斑大小约为1.2 mm,激光传播因子M2约为1.5。     

热畸变对单板条热容激光器输出的影响

开展了激光二极管(LD)抽运的全固态热容激光器的理论与实验研究,数值模拟了在热容工作条件下侧面抽运的Nd∶YAG板条激光器的热透镜效应,分析了热透镜效应对激光输出的影响,并进行了相应的实验论证。实验中采用的晶体尺寸为57mm×40mm×4mm,激光二极管阵列的抽运峰值功率为12kW,重复频率为1kHz,占空比为20%,为了获得较高的增益,将抽运光通过光学系统进行聚焦,抽运光在晶体侧面的光斑大小为15mm×57mm.实验中观察了1s内的脉冲能量输出的波动情况,在开始工作的时候单脉冲能量输出为1J,在1s后单脉冲能量输出下降到开始的50%。     

传导冷却结构紧凑型高峰值功率纳秒级激光器

报道了一种基于被动调Q Nd∶YAG微片结构的主振荡功率放大和Nd∶YVO4板条多程放大的激光器。主振荡级采用Nd∶YAG/Cr4+∶YAG被动调Q微片激光器,在重复频率为1 k Hz时,输出单脉冲能量为82μJ、脉冲宽度为1 ns的近衍射极限的激光输出。为了实现信号光在Nd∶YVO4中获得5次放大,设计采用了多程往返光路。得到最大单脉冲能量为2.3 m J,脉宽为1 ns的激光输出,峰值功率大于2 MW,光束质量M2因子为M2x=2.48和M2y=1.24。该激光器结构简单、紧凑,采用传导冷却进行散热,适用于空间激光,在15℃~32℃的范围内,输出能量波动小于4%。