海军航空大学，山东 烟台

收稿日期：2021年8月3日；录用日期：2021年8月27日；发布日期：2021年9月3日

摘要

声光调Q是固体激光器实现脉冲运转、获得mJ量级脉冲能量的最常用方法，声光调Q能够严格控制脉冲激光的重复率。掺Yb稀土钙氧硼酸盐晶体为低增益激光介质，受激发射截面很小，晶体的能量储存能力强，适合声光调Q脉冲激光的运转。我们在937 nm半导体激光器纵向泵浦条件下，利用平凹谐振腔，对掺Yb稀土钙氧硼酸盐X-切向Yb:YLuGdCOB晶体的声光调Q脉冲激光特性做了深入的研究。在最佳谐振腔输出透过率为T = 50%条件下，实现了重复率1~20 kHz范围内稳定的声光调Q脉冲运转。PRF = 1 kHz的重复率时，声光调Q产生的最大脉冲能量可达1 mJ，所产生的最大峰值功率超过166.00 kW，激光斜率效率为26.6%，最短脉冲宽度为6.0 ns。

关键词

声光调Q，Yb稀土钙氧硼酸盐晶体，脉冲激光

Properties of Acousto-Optic Q-Switched Pulsed Laser of X-Cut Yb:YLuGdCOB Crystal

Fenfen Liu, Cunhai Liu

Naval Aviation University, Yantai Shandong

Received: Aug. 3^rd, 2021; accepted: Aug. 27^th, 2021; published: Sep. 3^rd, 2021

ABSTRACT

Acousto-optic Q-switching is the most common method for solid-state lasers to realize pulse operation and obtain mJ pulse energy. Acousto-optic Q-switching can strictly control the repetition rate of pulsed laser. Yb doped rare earth calcium oxyborate crystal is a low gain laser medium with small stimulated emission cross section and strong energy storage capacity. It is suitable for the operation of acousto-optic Q-switched pulse laser. Under the longitudinal pumping condition of 937 nm semiconductor laser, the characteristics of acousto-optic Q-switched pulsed laser in Yb doped rare earth calcium oxyborate X-cut Yb:YLuGdCOB crystal are studied by using a flat concave resonator. Under the condition that the optimal output transmittance of the resonator T = 50%, a stable acousto-optic Q-switched pulse operation in the repetition rate range of 1~20 kHz is realized. When PRF = 1 kHz, the maximum pulse energy generated by acousto-optic Q-switching can reach 1 mJ, the maximum peak power generated exceeds 166.00 kW, the laser slope efficiency is 26.6%, and the shortest pulse width is 6.0 ns.

Keywords:Acousto-Optic Q-Switching, Yb Rare Earth Calcium Oxyborate Crystal, Pulsed Laser

Copyright © 2021 by author(s) and Hans Publishers Inc.

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1. 引言

以三价镧系稀土离子为激活离子的激光晶体，是常用的激光材料，在中小功率固体激光器中具有广泛的应用。掺Yb稀土钙氧硼酸盐(Yb:ReCOB)晶体为低增益激光介质，受激发射截面很小，晶体的能量储存能力强，具有偏振吸收的特性，优良的热机械性能 [1] - [6]，适合声光调Q脉冲激光的运转。本文用提拉法生长了Yb:YLuGdCOB晶体，该晶体是掺Yb的含Lu、Y和Gd三种非活性光学离子的稀土钙氧硼酸盐。声光调Q由外加调制信号控制所产生的激光脉冲的重复率，通过声光介质产生的超声衍射来调制激光谐振腔的损耗或Q值，是实现固体激光器脉冲运转的常用的技术途径。声光调Q脉冲激光性质的研究对于Yb离子固体激光器的应用具有重要的意义，由声光调Q产生的脉冲激光运转，重复率一般为几个kHz至几十个kHz [7] [8] [9] [10]。我们利用简单的平–凹谐振腔，在高功率半导体激光器纵向泵浦的条件下，对Yb:YLuGdCOB晶体的声光调Q脉冲激光特性做了较全面和深入的实验研究。

2. 声光调Q脉冲激光实验装置

与被动调Q相比，关于Yb离子激光材料声光调Q的研究相对较少。本节中，我们将分析和讨论976 nm泵浦下X-切向Yb:YLuGdCOB晶体的声光调Q脉冲激光特性。激光实验中仍使用简单的平凹谐振腔。图1所示为激光实验装置示意图，声光Q开关(AO)超声频率为80 MHz，射频(rf)驱动功率16 W，声光介

图1. 声光调Q激光实验装置示意图

质长度 20 mm ，两个端面镀 1.06 m m 增透膜。谐振腔的凹面输出镜曲率半径R₂ = 50 mm，腔长为60 mm。实验中Yb:YLuGdCOB晶体样品和声光Q开关都由温度为10℃的循环水冷却。

为了减小脉冲激光运转中腔内光学元件表面出现光损伤的可能性，提高脉冲激光输出功率水平和获得大的单脉冲能量，声光调Q激光谐振腔的输出耦合透过率T也应当足够高。另外，使用高的谐振腔输出透过率，也有利于抑制声光调Q脉冲激光运转中连续波振荡的产生和多脉冲现象的出现。

3. X-切向Yb:YLuGdCOB晶体的声光调Q脉冲激光实验

3.1. 脉冲激光输出功率随吸收泵浦功率的变化

利用图1所示平凹谐振腔，976 nm半导体激光器纵向泵浦，实验测量了X-切向Yb:YLuGdCOB晶体的声光调Q脉冲激光输出功率随泵浦功率的变化，结果表明X-切向Yb:YLuGdCOB晶体可在输出耦合透过率T = 10%~60%的范围内，实现稳定的声光调Q脉冲激光运转。由实验确定的谐振腔最佳输出透过率为T = 50%，和连续波运转的最佳透过率在T = 5%不同。

在最佳输出透过率T = 50%条件下，Yb:YLuGdCOB晶体能够在脉冲重复率PRF = 0.2~20 kHz的范围内实现稳定的声光调Q激光振荡。图2展示了重复率PRF = 0.2~1 kHz情况下，脉冲输出功率随着吸收泵浦功率的变化关系。为便于比较，图中也给出了T = 50%下的连续波(cw)输出功率，是在声光Q开关留在腔内、但未施加射频驱动功率情况下测得的，以尽量维持激光谐振腔的构型不变。在高重复率PRF = 10~20 kHz的范围内，Yb:YLuGdCOB晶体的声光调Q输出特性的差别很小。一定泵浦功率下产生的脉冲输出功率，略低于连续波输出功率水平。例如，在吸收泵浦功率P_abs = 22.7 W，重复率为20 kHz时，产生的脉冲输出功率为4.7 W，低于连续波输出功率5.3 W；而脉冲激光斜率效率h_s = 26.6%，略低于连续波运转的斜率效率28.7%。在PRF = 1 kHz的低重复率条件下，声光调Q阈值泵浦功率P_abs,th = 2.1 W；超过阈值后，脉冲输出功率以h_s = 10.0%的斜率效率增加，在泵浦功率P_abs = 13.6 W时单脉冲能量为1 mJ，但是脉冲输出功率P_avr仅为1 W。

图2. X-切向Yb:YLuGdCOB晶体声光调Q脉冲激光输出功率随吸收泵浦功率的变化

应当指出，T = 50%是由实验确定的、实现低重复率下高功率或高能量声光调Q脉冲运转的最佳输出透过率，但脉冲激光效率相对较低，因为远离谐振腔的连续波运转最佳输出透过率T = 5%。当减小谐振腔输出耦合透过率时，脉冲激光效率可获得显著的提升，但却增加了腔内光学元件(激光晶体、声光介质)表面遭受光损伤的可能性 [11] [12] [13] [14] [15]，实验中观察得到在低输出透过率下得到的最大脉冲输出功率远低于T = 50%。

3.2. 脉冲激光发射谱

利用光谱仪测量X-切向Yb:YLuGdCOB晶体的声光调Q脉冲激光发射谱，实验结果显示，在T = 50%的高输出耦合透过率下，发射谱几乎不随重复率或泵浦功率变化。图3给出了泵浦功率P_abs = 11.9 W下测得的PRF = 5 kHz、10 kHz和20 kHz的激光发射谱，我们看到，声光调Q (1031~1034 nm)的激光波长已非常接近Yb:YLuGdCOB晶体主发射峰(1030.0 nm)的峰值位置。

图3. 吸收泵浦功率P_abs =11.9 W时X-切向Yb:YLuGdCOB晶体声光调Q脉冲激光发射谱

3.3. 脉冲宽度随吸收泵浦功率的变化关系

对于声光调Q脉冲激光运转，脉冲宽度通常随泵浦功率水平的提高而减小，这一特征在高重复率下尤为显著。实验利用示波器测量不同重复率下的脉冲宽度，图4示出了T = 50%下的重复率PRF = 0.2~20 kHz范围内，Yb:YLuGdCOB晶体声光调Q激光脉冲宽度随泵浦功率的变化情况。在PRF = 20 kHz的高重复率下，随着泵浦功率自阈值开始增加，脉冲宽度从259 ns逐渐地缩短至21 ns (P_abs = 22.7 W)；而在PRF = 1 kHz的低重复率下，脉冲宽度仅在P_abs < ~ 5.5 W的低泵浦功率区域有所减小，高功率下近似地

图4. T = 50%时，X-切向Yb:YLuGdCOB晶体声光调Q脉冲宽度随吸收泵浦功率的变化

保持不变，其值约为6.0 ns (P_abs = 13.6 W)。对于PRF = 5 kHz，阈值附近的低功率下脉冲宽度随泵浦功率升高而快速地减小；在高泵浦功率区域脉冲宽度也近似地保持不变。

3.4. 激光脉冲波形

图5(a)给出了低重复率PRF = 1 kHz的条件下，由Yb:YLuGdCOB晶体声光调Q获得的最短激光脉冲波形，脉冲宽度为6.08 nm，是在最高泵浦功率P_abs = 13.6 W测得的。图5(b)所示为相应的激光脉冲序列，脉冲幅度涨落不超过10%；与被动调Q情形不同的是，这里的脉冲重复周期是由外加调制信号决定的，不存在可观察到的时间抖动。本文计算了X-切向Yb:YLuGdCOB晶体声光调Q脉冲激光主要参数，如表1所示。这些参数包括最大脉冲输出功率P_avr，脉冲能量E_p，脉冲宽度t_p，峰值功率P_p。可以看出在重复率PRF = 1 kHz的条件下，活动最大脉冲能量E_p = 0.996 W，最高峰值功率P_p = 125.00 W。

图5. 泵浦功率P_abs = 11.2 W下测得的声光调Q脉冲轮廓(a)和脉冲序列(b)

表1. X-切向Yb:YLuGdCOB晶体不同重复频率下的激光参数

4. X-切向Yb:YLuGdCOB晶体的声光调Q脉冲激光特性理论计算

根据准三能级材料主动调Q脉冲激光参数的理论计算公式 [11] [12] [13] [14] [15]，可由Yb:YLuGdCOB晶体的光谱学参数、晶体样品参数、谐振腔和泵浦光束参数等出发，计算给定重复频率下的声光调Q脉冲激光输出特性、脉冲能量和脉冲宽度等。所需要的参数值在表2中列出。

表2. X-切向Yb:YLuGdCOB晶体声光调Q脉冲激光特性理论计算过程中所用到的参数

在平面波(或平均场)近似下，理论计算所需的两个中间量，泵浦速率R_p和激光介质内有效模体积V_a，可按下面的公式计算 [16] [17]：

$R_{\text{p}}=\frac{1}{h{v}_{\text{p}}}\frac{P_{\text{abs}}}{\text{π}{w}_{\text{p}}^{2}l}$ (1)

$V_{\text{a}}=\text{π}{w}_{\text{l}}^{2}l$ (2)

对重复率PRF = 1, 2, 5, 10, 30 kHz，泵浦功率P_abs = 10.8 W的条件下，声光调Q脉冲能量和脉冲宽度做了理论计算。表3给出了计算值和测量值的比较。表中E_p,cal和E_p,exp分别为脉冲能量的计算值和测量值；而t_p,cal和t_p,exp分别为脉冲宽度的计算值和测量值。我们看到，不同重复率下，脉冲能量的理论计算结果与实验测量值符合得相当好；但对于脉冲宽度，理论计算与实验测量之间却存在着很大差异，这在低重复率下尤为显著。这一问题的根源在于，我们的理论计算是基于平面波或平均场近似，其中假定激光介质内反转粒子数密度N和光子数f都具有均匀的横向空间分布(即与(r, q)或(x, y)无关)。这一假设，对于主动调Q激光脉冲能量理论计算的影响很小，但却会给脉冲宽度的计算带来很大的误差 [17]。

表3. 不同重复率下Yb:YLuGdCOB声光调Q脉冲能量和脉冲宽度计算值与测量值的比较

表3中除了脉冲能量和脉冲宽度外，还列出了N_i和N_f的计算值。我们看到，随着重复率降低(泵浦时间t_p缩短)，激光脉冲开始建立时的反转粒子数密度N_i很快地减小；而脉冲结束时激光介质内剩余的反转粒子数密度N_f则不断增加。当脉冲重复率提高至PRF = 30 kHz时，N_i和N_f的差值已相当小，这意味着激光介质内储存能量的利用率很低。应当指出，高重复率下储能利用率降低，仅表明在主动调Q的一个重复周期内，激光介质反转粒子数的利用率降低，但剩余的反转粒子数或储能并没有损失，而是继续用于后一重复周期内激光脉冲的形成。因此，高重复率条件下储能利用率的降低，对声光调Q脉冲激光效率没有影响。事实上，声光调Q脉冲激光效率通常会随重复率提高而增加。

5. 总结

和被动调Q一样，声光调Q也是固体激光器实现脉冲运转、获得mJ量级(或低于此)脉冲能量的最常用方法。当需要严格的固定重复频率脉冲激光时，声光调Q常是最合适而简单的选择。然而，与被动调Q情形不同的是，Yb离子激光材料的声光调Q的相关研究，无论在广度还是深度上，都难以与被动调Q研究相比拟。

我们在937 nm半导体激光器纵向泵浦条件下，利用平凹谐振腔，对掺Yb稀土钙氧硼酸盐晶体Yb:YLuGdCOB的声光调Q脉冲激光特性做了较为深入的研究，确定了不同晶体能够实现稳定声光调Q的脉冲重复率范围，实现了高效率的脉冲激光运转，获得了近1 mJ的单脉冲能量，所产生的最大峰值功率超过166.00 kW。对于X-切向Yb:YLuGdCOB晶体，高能量声光调Q的最佳谐振腔输出透过率为T = 50%。在这一输出透过率下，可实现1~20 kHz重复率范围内稳定的声光调Q脉冲运转。在PRF = 1 kHz的重复率下限，声光调Q产生的最大脉冲能量可达1 mJ，最短脉冲宽度为6.0 ns，而激光斜率效率为26.6%。根据准三能级材料主动调Q脉冲激光参数的理论计算公式，利用Yb:YLuGdCOB晶体的光谱学参数、晶体样品参数、谐振腔和泵浦光束参数，计算出了给定重复频率下的声光调Q脉冲能量和脉冲宽度。

文章引用

刘芬芬,刘存海. X-切向Yb:YLuGdCOB晶体的声光调Q脉冲激光性质
Properties of Acousto-Optic Q-Switched Pulsed Laser of X-Cut Yb:YLuGdCOB Crystal[J]. 材料科学, 2021, 11(09): 959-966. https://doi.org/10.12677/MS.2021.119111

参考文献