1、1高重频双波长复合干扰激光器设计 叶庆 1，范一松 1 2，王磊 1，卞进田 1（1. 国防科技大学 脉冲功率激光技术国家重点实验室 安徽 合肥 230037；2.中国科学院安徽光学精密机械研究所 安徽光子器件与材料省级实验室 安徽 合肥 230031）摘要：为解决基频光高重频与倍频光高平均功率之间的矛盾，设计了一台干扰用高重频双波长复合输出激光器。静态仿真了泵浦源效率、激光晶体受热和受力分布、激光高斯模式特征，得到了该激光器的复合输出特性。动态仿真调 Q 频率、倍频晶体长度对复合输出的影响以及分析倍频晶体热效应，发现在泵浦功率和谐振腔结构不变的前提下，需先满足基频光高重频工作，再优化倍频晶体
2、长度和控制倍频晶体温度可提高倍频光的输出功率。按上述仿真结论开展验证实验表明：当 KTP 晶体长度为 12mm，输出镜透过率为 10%，重复频率为 50kHz 时，设计的激光器基频光平均功率为 18.98W，倍频光平均功率为 2.22W，与仿真结论一致。关键词：固体激光器；双波长复合输出；高重频；仿真与实验 中图分类号：TN242 文献标志码 ：A 文章编号： Design of the Dual-wavelength Composite Jamming Laser with High-repetitive FrequencyYE Qing1, FAN Yisong1 2, WANG Lei1
3、, BIAN Jintian1(1. State Key Laboratory of pulsed power laser technology, National University of Defense Technology, Hefei 230037, China；2.Anhui Provincial Key Laboratory of Photonic Devices and Materials, Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China
4、)Abstract: In order to solve the contradiction between high repetition rate of fundamental wave (FW) and high average power of second-harmonic wave (SHW), a new 1064nm/532nm dual-wavelength composite jamming laser with high-repetitive frequency was designed. Firstly, the composite output characteris
5、tics of the laser were obtained by the static analysis of the pump sources efficiency, heat and force distribution of crystal, and the Gauss mode of laser. Then, the influence on the dual-wavelength composite output was analyzed by changing the Q-switching frequency, the length of the second harmoni
6、c generation (SHG) crystal and by simulating the thermal effect of SHG crystal. It is found that the high frequency of FW should be satisfied first, and the output power of SHW can be improved by optimizing the length of the SHG crystal and controlling the temperature of SHG crystal under the condit
7、ion of the constant pumping power and the structure of the resonator. Finally, the simulation conclusion was verified by experiment. The experimental results show that when the length of KTP crystal is chosen as 12mm, the transmissivity of the output mirror is fixed to 10%, and the Q-switching frequ
8、ency is selected as 50KHz, the average output power of the FW is 18.98W, and the average power of the output of SHW is 2.22W. Keywords: solid-state laser; dual-wavelength composite output; high-repetitive frequency; simulation and experiment收稿日期：2018-01-15 基金项目：脉冲功率激光技术国家重点实验室主任基金资助项目（SKL2015ZR01）作者
9、简介：叶庆（1981），男，四川泸州人，博士，助理研究员，E-mail：范一松（通信作者），男，安徽萧县人，硕士，工程师，E-mail：fan_.1064nm 和 532nm 的双波长全固态激光器在激光清洗、激光医疗、激光探测等领域具有重要的应用价值 1-3。不同的应用领域对激光器的性能指标要求不同，在激光对抗领域首先需要两路激光同时输出，从而减少干扰激光器的数量以提高设备的紧凑性 4，其次需要 532nm倍频激光平均功率尽可能大，以饱和干扰电视成像侦察与制导系统，1064nm 基频激光频率应2尽可能高，以对抗基于波门识别原理的激光测距或半主动制导系统 5-7。目前，国内外关于双波长激光技术的
10、研究多集中在单波长可切换输出方面，追求同一时刻某一波长的激光高性能指标 8-11。例如，对于基频光重复频率可以做到 100kHz 以上，对于倍频光平均输出功率可以做到百瓦以上，光束质量可以做到接近衍射极限。然而对于双波长激光同时输出，国内外研究较少，目前很难做到各个波长激光的性能指标同时提高。例如，路磊等人研制用于激光清洗的双波长激光器，基频和倍频光平均功率分别达到 30.4W 和9W，但是重复频率只有 8kHz1。沈兆国等人研制的水下探测用高重频双波段激光器，也获得了 1kHz 重频 36mJ 基频光输出和 20mJ 倍频光输出 12。上述研究都追求双波长输出的高平均功率或者能量，虽然可满足
11、倍频光进行饱和干扰的需求，但重复频率都不够高，不能满足基频光进行高重频干扰的需求。本文通过仿真分析找出影响基频光重复频率与倍频光平均功率同时提高的因素，提出优化方案，并进行原理性实验验证。1 仿真设计1.1 激光器器件选择一台激光器的设计包括谐振腔设计、增益介质与泵浦方式选择、调 Q 方式、倍频晶体和倍频方式选择等。根据实验室条件，设计的双波长激光器拟采用平- 平腔结构，腔长 L=346mm，后腔镜对基频光的反射率 r1=100%，输出镜对基频光的反射率 r2=90%，腔镜半径 a=1cm，谐振腔的菲涅尔数 N=a2/L=2.716，由衍射造成的平行平面腔基模单程衍射因子 d=0.207N-1
12、.4=0.05，而腔镜反射不完全引起的基膜单程损耗因子 r=-0.5lnr1r2=0.05， 忽略腔内材料吸收和几何偏折损耗损耗，则谐振腔往返损耗为 0.20。激光晶体选择 Nd:YAG，Nd 3+掺杂浓度为0.70 atm%，直径为 4mm，长度为 66.70mm，晶体泵浦热吸收率设为 26.6%，增益介质的上能级粒子寿命 =230s，受激发射截面=6.6010-19cm2。由于要求激光输出重频较高，可选声光调Q。调 Q 晶体长度为 40mm，射频频率27MHz，关断功率 50 W，调制频率150kHz，Q 开关衍射效率为 20%。为提高倍频效率，采用腔内倍频。倍频晶体采用 KTP，类相位匹
13、配，匹配角为 =90，=23.27，尺寸为 4mm4mm12mm，有效非线性系数 deff=7.3610-12m/V。为提高设计效率，采用 ASLD(Advanced Software Laser Design)软件与自主 matlab 编程相结合的方法进行计算机数值仿真分析。1.2 静态仿真静态分析是指固定激光器的输入参数，通过软件一次仿真得出激光器的输出结果。1.2.1 泵浦源效率分析根据半导体激光器发光特点及激光晶体吸收特性，需采用 LD 三面均匀泵浦。输入 154W泵浦光功率，利用 ASLD 软件的光线追踪方法仿真得到泵浦几何光学效率为 73.77%，泵浦源效率分析界面如图 1 所示。
14、图 1 泵浦源效率分析Fig.1 Efficiency analysis of pump source1.2.2 晶体受热和受力分析ASLD 软件采用自适应网格技术将晶体进行空间离散化处理，得到 17985 个计算网格，然后采用有限元技术对网格中的每个微元进行温度和形变应力分析，最后采用抛物线拟合得到激光晶体的折射率系数。通过仿真得到激光晶体的最大温度为 304.94K，最大应力为8.51N/mm2，温度分布、应力分布如图 2 所示：3图 2 激光晶体温度和应力分布截面Fig.2 Temperature and stress section distribution of laser crys
15、tal1.2.3 高斯模式分析ASLD 利用有限元法得到的晶体的热应力和温度分布后，可进行高斯模式分析。仿真得出晶体的热焦距在 x 和 y 方向都约为372.34mm，考虑热透镜效应以后谐振腔的g1、g 2 参数都属于稳定腔范围，基模高斯光束在棒中心以及镜片上的光斑大小分别为 0.37mm和 0.29mm。1.2.4 输出特性分析在高斯模式分析的基础上，输出镜对基频光的透过率 T=10%，KTP 取 12mm 时，建立内腔倍频调 Q 的基波速率方程， 采用 matlab 编程，通过动态时间步进的 Runge-Kutta 法求解瞬态的速率方程，得到基频光与倍频光的腔内光子数密度如图 3 所示，激
16、光器输出峰值能量和脉宽等参数如图 4 所示。图 3 仿真的基频光与倍频光的腔内光子数密度Fig.3 Simulation intracavity photon number of FW and SHW图 4 仿真的基频光与倍频光波形Fig.4 Simulation waveform of FW and SHW从图 4 可以看出，此时基频光脉冲峰值功率 Pmax为 35kW，脉宽 为 10ns，倍频光脉冲峰值功率 Pmax为 5kW，脉宽 为 7ns，此时如果重频 f 为 50kHz，根据 P=Pmaxf，可得基频光平均功率为 17.50W，倍频光平均功率为1.75W。1.3 动态仿真动态仿真是
17、指改变激光器的某一系统参数进行多次仿真，对激光器的效率进行优化分析13。1.3.1 调 Q 频率对复合输出影响分析按 5kHz 的步长动态改变调 Q 重复频率，仿真得到一组数据，利用数据拟合，画出基频光与倍频光平均功率随调 Q 频率的变化关系如图 5 所示。仿真表明：改变调 Q 频率也可以改变输出基频光和倍频光的功率。对于基频光，调 Q 频率越高，输出平均功率越大，而对于倍频光，调 Q 频率越高，输出平均功率越小。分析原因在于，调 Q 频率对激光器倍频功率的影响主要是影响初始反转粒子数的累积。由于在 5kHz 附近，Q 开关每次打开间隔为0.20ms 左右，和 Nd:YAG 荧光寿命 0.23
18、ms 基本匹配，因此在连续泵浦光的作用下，此时打开 Q 开关，反转粒子数最多，使得腔内基频光光子数最多，因此倍频效率最高。增大调 Q 频率，使得 Q 开关打开间隔缩短，此时初始反转粒子数较 5kHz 时减小，从而造成腔内基频光光子数较 5kHz 时减小，倍频效率下降，但由于倍频光对于基频光来说是一种非线性损耗，与基频光强的平方成正比，所以虽然基频光小信号增益比 5kHz 时候减少，但是损耗减少得更多，单脉冲能量较 5kHz 时略有下降，但是脉冲个数增大，从而造成基频光平均功率随着调 Q 频率的增大而增大。4图 5 激光复合输出平均功率随 Q 开关频率的变化曲线Fig.5 The curve o
19、f the average power of laser combined output with Q switching frequency1.3.2 倍频晶体长度对复合输出影响分析按 1mm 的步长动态改变 KTP 晶体的长度，仿真得到一组数据，并利用多项式拟合，画出基频光与倍频光平均输出功率随倍频晶体长度的变化规律如图 6 所示。仿真表明，对于基频光，倍频晶体长度的增加会导致其平均输出功率持续下降。而对于倍频光，存在一个最佳倍频晶体长度，使其输出脉冲的峰值功率最大。分析原因在于，在相位匹配的前提下，倍频晶体越长，基频光总向倍频光转移能量，基频光功率一直降低。但是倍频光功率是由基频光的功率
20、和倍频晶体长度共同决定，当倍频晶体长度刚开始增加时，基频光功率对倍频光功率的减小作用小于倍频晶体长度增加对倍频光功率的增大作用，所以倍频光输出功率逐步提高；当倍频晶体长度大于最佳长度以后，基频光功率对倍频光功率的减小作用大于倍频晶体长度增加对倍频光功率的增大作用，所以倍频光输出功率逐步减小。仿真表明采用 4mm 的 KTP 晶体最佳，但是实际倍频过程中，脉冲光斑的分布不均匀，空间时间走离，晶体热效应都会降低倍频效率，所以应该选择稍大于 4mm 的 KTP 晶体。又因为倍频晶体加工较为困难，成本高，很难实验中动态改变其长度，故本实验姑且采用已有的12mm 晶体。图 6 基频光与倍频光平均输出功率
21、随 KTP 长度变化的关系Fig.6 The relationship between the average output power of FW and SHW with different lengths of KTP crystal1.3.3 倍频晶体热效应分析ASLD 虽然功能强大，但不能进行倍频晶体的热分析，我们只能通过 Matlab 求解非线性晶体热效应模型，得到 KTP 晶体内部的温度分布，如图 7 所示，并参考 KTP 晶体色散方程，得到最佳相位匹配角随温度的变化曲线，如图8 所示 14,15。仿真表明，晶体沿轴向温度虽然逐渐降低，但变化不明显，晶体沿径向温度变化剧烈，近似高
22、斯分布。径向温升会增大倍频晶体的相位匹配角，导致倍频晶体相位失配，降低倍频效率，从而减少倍频光的输出功率。图 7 KTP 晶体内部温度分布Fig.7 Temperature distribution of KTP crystal图 8 KTP 晶体相位匹配角随温度的变化Fig.8 The relationship between phase matching angle of KTP crystal and temperature2 实验验证3.1 实验装置按照上述思想设计好的激光器需实验测试其输出特性，测量装置如图 9 所示 15。其中M0 为激光谐振腔后腔镜，对双波长高反，M1为输出前腔镜
23、，对倍频光高透，而对基频光的透过率为 10%。M2 为谐波镜，对基频光高透，倍频光高反。M3-M5 为带通滤光片，都对基频5光高透，倍频光高反。由于实验输出激光为复合光，必须先分光再测量，因此实验采用微倾双滤光片的方法分光，即 M3、M5 略微倾斜，通过两次小角度反射将谐波成分分离。图 9 实验测量原理图Fig.9 Experimental schematic drawing3.2 实验结果按仿真结论，选择 12mm 长的 KTP 晶体，将 KTP 晶体用铟箔包裹置入夹持冷却装置中进行温度控制，实验测量当调 Q 频率为5kHz、20kHz 和 50kHz 以及连续输出(CW)四种情况下基频与倍
24、频光输出功率随输入电流的变化关系如图 10 所示。(a) 基频输出平均功率随输入电流的变化曲线(a) The curve of FW average output power with different input currents(b) 倍频输出平均功率随输入电流的变化曲线(b) The curve of SHW average output power with different input currents图 10 不同调 Q 频率下基频与倍频输出功率随输入电流的变化曲线Fig.10 The curve of FW and SHW average output power with
25、different input currents at variable Q-frequency固定某一泵浦电流，可以看出，实验中基频光与倍频光输出功率大小随调 Q 频率的变化规律与仿真结果基本一致。固定调 Q 频率为 50kHz，可以看出，当输入电流为 24A，相当于泵浦功率为 154W 时，实验测出的基频光的平均功率为 18.98W，倍频光的平均功率为 2.22W。而同等条件下，仿真得到的基频光的平均功率为 17.50W，倍频光的平均功率为 1.75W，两者具有较好的一致。4 结论静态仿真表明，利用 ASLD 仿真软件设计的激光器确实可以实现双波长复合输出，但是基模高斯光束半径在棒中心还比
26、较小，激光基模体积较小，这说明谐振腔的各个参数还有进一步优化设计的空间。动态仿真表明，平-平腔腔内倍频，基频光的高重频和倍频光的高平均功率输出是一对固有矛盾。由于双波长复合干扰输出的需要首先要满足基频光的高重频，但高调 Q 频率的基频光会带来 Q 开关关闭时间的减小，从而不能和激光上能级的寿命匹配，造成初始累积的反转粒子数降低，影响基频光的峰值功率，而倍频效率又与基频光峰值功率的平方成正比，所以倍频光输出功率降低。在不改变腔体结构和泵浦方式前提下，只能从倍频晶体长度、热效应等因素里去寻找提高倍频光峰值功率的办法。通过选择最佳 KTP 晶体长度，进行控温等措施来尽可能提高倍频效率。实验表明，按照
27、上述方法设计的双波长复合干扰激光器在 50kHz 重复频率下工作，能够双波长输出，基频光的平均功率为 18.98W，倍频光的平均功率为 2.22W，与仿真结果数量级一致。当然，上述设计只是论证双波长高重频复合输出进行激光干扰的可行性，所得到的基频光重复频率和倍频光输出功率还不够高。基频光重复频率的提高可采用更高调制频率的调 Q晶体来完成。对于倍频光输出功率的提高今后可通过优化谐振腔参数，优化 LD 泵浦方式，缩短激光脉冲的建立时间，以及双激光晶体棒6串接的方式，并采用两个调 Q 晶体正交放置的方式提高其关断能力，增大基频光在倍频前的峰值功率，最后再重新仿真设计最佳长度的倍频晶体和对倍频晶体进行
28、必要的热管理，以进一步提高倍频光的功率，从而真正满足实际干扰需求。参考文献（References ）1 路磊. 全固态 1064nm/532nm 双波长激光清洗机关键技术的研究D. 长春：长春理工大学, 2012:30-35.LU Lei. Research on the key technology of all solid state 1064nm/532nm dual-wavelength laser cleanerD.Changchun：Changchun university of science and technology, 2012:30-35. (in Chinese)2 张
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