本文作者冉子涵，趙一鳴，李靜，李之通，李祚涵，來自北京遙測技術(shù)研究所，僅供行業(yè)交流學(xué)習(xí)之用，感謝分享！

引言

自 1960 年第一臺激光器問世以來，激光技術(shù)得到蓬勃發(fā)展，廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域。從 20 世紀(jì) 80年代中后期開始，固體激光技術(shù)和半導(dǎo)體激光技術(shù)因其特有的優(yōu)勢被人們所青睞，一種嶄新的激光器——激光二極管 LD（Laser Diode）泵浦的全固態(tài)激光器 DPSSL（Diode Pumped Solid State Laser）應(yīng)運而生。LD 泵浦的全固態(tài)激光器具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、壽命長等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于軍事、加工、醫(yī)療和科學(xué)研究等許多領(lǐng)域。特別是高重頻窄脈寬大能量固體激光器在激光雷達(dá)、激光測距、激光精密加工和光通信等諸多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[1-8]。

LD 泵浦的全固態(tài)激光器采用調(diào) Q 方式可獲得高重頻窄脈寬激光輸出，主動調(diào) Q 和被動調(diào) Q 是調(diào) Q方式的兩大類。被動調(diào) Q 方式由于不需要附加的偏振光學(xué)元件，更易于獲得窄脈寬激光輸出，但其輸出穩(wěn)定性差，難以實現(xiàn)精確同步輸出，限制了其在許多領(lǐng)域的應(yīng)用[9]。電光調(diào) Q 和聲光調(diào) Q 是常用的主動調(diào) Q 方式。其中，聲光調(diào) Q 方式可獲得高重頻激光運轉(zhuǎn)，但是其開關(guān)速度較慢，獲得的激光脈沖寬度較寬。而電光調(diào) Q 方式開關(guān)速度快、關(guān)斷能力強，LD 泵浦的全固態(tài)激光器結(jié)合電光調(diào) Q 方式可獲得高重頻窄脈寬激光輸出[7,10]。高重頻窄脈寬激光器為獲得大能量激光輸出，可通過直接在振蕩器內(nèi)采用雙激光晶體串接方式或者在振蕩器外采用主振蕩功率放大技術(shù) MOPA（Master Oscillator Power Amplifier）實現(xiàn)。本文從電光調(diào) Q 激光器的重復(fù)頻率、脈沖寬度、單脈沖能量三方面對全固態(tài)電光調(diào) Q 激光器的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 電光調(diào) Q 激光器的重復(fù)頻率

電光調(diào) Q 激光器輸出激光的重復(fù)頻率與電光調(diào) Q 元件的特性密切相關(guān)，也與增益介質(zhì)的光學(xué)特性有關(guān)。電光晶體的電光系數(shù)、壓電環(huán)效應(yīng)、旋光效應(yīng)等會影響激光器的重復(fù)頻率。依據(jù)電光晶體的電光特性制成的電光偏轉(zhuǎn)器相比于電光晶體調(diào) Q 元件降低了驅(qū)動電壓，提高了重復(fù)頻率。除此之外，增益介質(zhì)的上能級壽命也會限制激光器的重復(fù)頻率。下面從電光調(diào) Q 元件和增益介質(zhì)的選擇兩方面，對高重頻電光調(diào) Q 激光器的發(fā)展進(jìn)行綜述。

1.1 電光晶體

電光晶體在外加電場的作用下折射率發(fā)生變化，導(dǎo)致激光傳播特性發(fā)生改變，引發(fā)的電光效應(yīng)是電光調(diào) Q 的物理基礎(chǔ)[11]。磷酸二氘鉀 KD*P（KD2PO4）和鈮酸鋰 LN（LiNbO3）是兩種傳統(tǒng)的電光晶體，技術(shù)成熟，已廣泛應(yīng)用于電光調(diào) Q 激光器。但是，因其存在驅(qū)動電壓較高、壓電振鈴效應(yīng)明顯等缺點，無法獲得高重復(fù)頻率激光輸出。為了提高激光器的重復(fù)頻率，磷酸鈦氧銣 RTP（RbTiOPO4）、偏硼酸鋇BBO（β-BaB2O4）、硅酸鎵鑭 LGS（La3Ga5SiO4）和鋯鈦酸鉛鑭陶瓷 PLZT[（Pb,La）（Zr,Ti）O3]等新型電光晶體逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)電光晶體應(yīng)用于高重復(fù)頻率激光器。其實驗數(shù)據(jù)表明，新型電光晶體在提高重復(fù)頻率方面有出色的表現(xiàn)[12]。

1.1.1 KD*P 電光調(diào) Q 激光器

KD*P 電光系數(shù)高，作為電光調(diào) Q 元件，其技術(shù)成熟，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。但是 KD*P 驅(qū)動電壓較高，限制了激光器重復(fù)頻率的提高[13]。KD*P 電光調(diào)Q 開關(guān)往往應(yīng)用于重復(fù)頻率為1 kHz 及低于1 kHz 的激光器中。

2012 年，毛小潔等[14]利用 LD 端面泵浦 Nd:YAG 增益介質(zhì)，KD*P 普克爾盒作為電光調(diào) Q 開關(guān)，在重復(fù)頻率為 1 kHz 的條件下，獲得單脈沖能量 2.7 mJ、脈沖寬度 5 ns 的激光輸出。

2018 年，萬瑋華等[13]采用了一種新型 LD 端面泵浦結(jié)構(gòu)，利用三柱透鏡耦合系統(tǒng)將泵浦光有效聚焦于 Nd:YAG 激光晶體，提高泵浦光的吸收效率，獲得較大功率激光輸出。在 KD*P 普克爾盒作為電光調(diào)Q 開關(guān)、重復(fù)頻率為 1 kHz 的條件下，最終獲得單脈沖能量 11 mJ 的激光輸出。

1.1.2 LN 電光調(diào) Q 激光器

LN 晶體是少數(shù)已被實際應(yīng)用的電光晶體之一，其具有電光系數(shù)大、傳輸光譜范圍廣、插入損耗低、在空氣中不潮解等優(yōu)點。除此之外，LN 晶體可以在寬溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定運行。然而，傳統(tǒng)塊狀 LN 晶體的壓電振鈴效應(yīng)嚴(yán)重，使其重復(fù)頻率不超過 1 kHz。

2018 年，商繼芳等[10]研究了不同尺寸的 LN 電光晶體存在的壓電振鈴效應(yīng)差異。實驗表明，傳統(tǒng)塊狀 LN 電光晶體的壓電振鈴效應(yīng)嚴(yán)重，限制 LN 電光晶體只能在 1 kHz 重頻下使用。小尺寸 LN 晶體作為電光調(diào) Q 開關(guān)應(yīng)用于激光器中，壓電振鈴效應(yīng)基本可以忽略。低驅(qū)動電壓和小尺寸 LN 電光調(diào) Q 開關(guān)結(jié)合，最終獲得重復(fù)頻率 15 kHz、單脈沖能量 238 μJ、脈寬 5.4 ns 的激光輸出。

1.1.3 RTP 電光調(diào) Q 激光器

RTP 晶體電學(xué)性能與光學(xué)性能優(yōu)異，具有較高的電阻率和抗光損傷閾值；驅(qū)動電壓低，易于控制；晶體不易潮解，可以長期承受外加電壓；晶體可以在高重復(fù)頻率下工作，電信號高達(dá) 60 kHz 時也不會出現(xiàn)誘導(dǎo)電壓效應(yīng)。最新資料表明，北京中以銳科光電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的 RTP 電光開關(guān)，最高開關(guān)頻率可達(dá) 1 MHz[15]。RTP 電光開關(guān)由兩塊性能完全一致的晶體相互旋轉(zhuǎn) 90°組合而成，用以補償 RTP 晶體的自然雙折射效應(yīng)[12]。

2000 年，LEBIUSH E 等[16]在 Nd:YVO4激光器中，采用兩塊 RTP 晶體作電光調(diào) Q 開關(guān)，獲得最高重復(fù)頻率 75 kHz、最窄脈寬 8.4 ns 的激光輸出。此激光器是高重頻電光調(diào) Q 激光器實驗方面的代表性成果。

2010 年，于欣等[17]利用 LD 端面泵浦 Nd:GdVO4，RTP 普克爾盒作為電光調(diào) Q 開關(guān)，獲得重復(fù)頻率100 kHz、單脈沖能量 79 μJ、脈沖寬度 20.2 ns 的脈沖激光輸出，對應(yīng)的光–光轉(zhuǎn)換效率為 32.5%。電光調(diào) Q 激光器示意圖如圖 1 所示。

2018 年，胡星等[18]利用 RTP 晶體對作為電光調(diào) Q 元件，采用低吸收系數(shù)的 914 nm 波長泵浦 Nd:YVO4 減小激光晶體熱效應(yīng)。在重復(fù)頻率為 200 kHz 時，獲得了單脈沖能量 80 μJ、脈寬 9 ns 的激光輸出。

1.1.4 BBO 電光調(diào) Q 激光器

BBO 晶體具有優(yōu)異的物理特性和光學(xué)特性，利用 BBO 晶體制成的電光開關(guān)具有高消光比、高損傷閾值、吸收損耗較低、壓電振鈴效應(yīng)較小等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于高重頻激光器系統(tǒng)中[12]。BBO 電光調(diào) Q開關(guān)基于橫向電光效應(yīng)實現(xiàn)對晶體折射率的調(diào)制，因此，可以通過改變 BBO 晶體的縱橫比有效降低驅(qū)動電壓。目前，國內(nèi)福建福晶科技開發(fā)的 BBO 普克爾盒，重復(fù)頻率最大可達(dá) 1 MHz[19]。

2003 年，杜可明等[20]利用激光二極管部分端面泵浦板條 Nd:YVO4來降低激光晶體的熱負(fù)荷，采用BBO 晶體進(jìn)行電光調(diào) Q。在重復(fù)頻率為 10 kHz 時，獲得了單脈沖能量 5.6 mJ、脈寬 6.5 ns 的激光輸出；在重復(fù)頻率為 50 kHz 時，獲得了單脈沖能量 1.66 mJ、脈寬 11.3 ns 的激光輸出。

2008 年，李小莉等[21]同樣利用部分端面抽運混合腔 Nd:YVO4板條激光器，在重復(fù)頻率為 25 kHz 時，獲得了單脈沖能量 1.2 mJ、脈沖寬度 9.5 ns 的激光輸出。實驗結(jié)果表明，輸出激光參數(shù)還有很大提升空間。電光調(diào) Q 裝置示意圖如圖 2 所示。

2017 年，趙鵬等[22]利用 888 nm 端面抽運 Nd:YVO4增益介質(zhì)，采用 BBO 電光開關(guān)進(jìn)行電光調(diào) Q，獲得 500 kHz 的高重頻激光輸出。

1.1.5 LGS 電光調(diào) Q 激光器

LGS 晶體具有穩(wěn)定的理化特性，損傷閾值高、熱穩(wěn)定性高、機電耦合系數(shù)高。但是 LGS 晶體具有旋光性，在采取措施消除晶體的旋光效應(yīng)后，作為電光開關(guān)的 LGS 晶體表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。當(dāng)LGS 晶體利用橫向電光效應(yīng)制作電光開關(guān)時，與 BBO 晶體相同，可通過調(diào)節(jié)LGS 晶體的縱橫比來調(diào)節(jié)驅(qū)動電壓[23]。最新資料表明，安徽科瑞思創(chuàng)晶體材料有限公司生產(chǎn)的 LGS 電光調(diào) Q 開關(guān)最高重復(fù)頻率可達(dá) 1 MHz[24]。

2010 年，唐昊等[25]利用 LD 端面泵浦 Nd:YVO4，采用 LGS 普克爾盒作為電光調(diào) Q 開關(guān)，在重復(fù)頻率為 30 kHz時，獲得單脈沖能量 200 μJ、脈寬 9.1 ns的激光輸出。電光調(diào) Q 晶體 LGS 縱橫比為 10:1，四分之一波電壓僅為 1760 V，低驅(qū)動電壓有利于獲得高重復(fù)頻率激光輸出。高重復(fù)率電光調(diào) Q Nd:YVO4激光器裝置圖如圖 3 所示。

2016 年，馬世會等[26]在解決 LGS 旋光效應(yīng)的基礎(chǔ)上，利用 LGS 設(shè)計了單次通過新型短腔的激光結(jié)構(gòu)并取得了良好的激光性能，獲得重復(fù)頻率 200 kHz、脈寬 5.1 ns 的 1 064 nm 激光輸出。

1.1.6 光學(xué)陶瓷電光調(diào) Q 激光器

光學(xué)陶瓷是一類具有電光效應(yīng)的陶瓷材料，其電軸狀態(tài)隨光學(xué)性質(zhì)的改變而發(fā)生變化，可通過外加電場對光學(xué)陶瓷的電軸狀態(tài)進(jìn)行控制。光學(xué)陶瓷材料在高電光效應(yīng)、寬傳輸波長范圍、低光損耗、快速響應(yīng)速度和陶瓷堅固性等方面具有優(yōu)越的性能[12,27]。

1998 年，WANG G Y 等[28]利用 PLZT[（Pb,La）（Zr,Ti）O3]光學(xué)陶瓷作為電光調(diào) Q 開關(guān)，在重復(fù)頻率為 10 kHz 時，獲得了單脈沖能量 11 μJ、脈沖寬度 14 ns 的激光輸出。由于 PLZT 電光系數(shù)較大，在Nd:YVO4激光器中驅(qū)動電壓僅為 300 V，不僅降低了對驅(qū)動源的要求，還縮減了包裝尺寸和激光成本。

2005 年，ZOU Y K 等[29]利用 LD 端面泵浦 Nd:YVO4，利用 PMN-PT[Pb（Mg1/3Nb2/3）O3-PbTiO3]光學(xué)陶瓷進(jìn)行了電光調(diào)Q的實驗研究。PMN-PT光學(xué)陶瓷相對于其他驅(qū)動電壓高達(dá)幾千伏的電光開關(guān)而言，所需驅(qū)動電壓低至幾十伏特。諧振腔采用平凹腔，腔內(nèi) PMN-PT 光軸與 Nd:YVO4的 c 軸夾角為 45°，輸出鏡透過率為 90%。在驅(qū)動電壓為 48 V 時，獲得了重復(fù)頻率 200 kHz、脈寬 13 ns 的激光輸出。

2013 年，李佳[30]利用 LD 端面泵浦 Nd:YVO4，摻釹 PLZT 作為電光調(diào) Q 元件，獲得重復(fù)頻率 300 kHz的激光輸出。實驗表明，摻釹 PLZT 不僅可以作為電光調(diào) Q 元件，還具有光放大效應(yīng)。兼顧激光增益介質(zhì)與電光調(diào) Q 雙重作用的摻釹 PLZT 應(yīng)用于激光器中，將簡化激光器的構(gòu)成結(jié)構(gòu)，在制作小型化調(diào) Q激光器方面將會有廣闊的應(yīng)用前景。

1.2 電光偏轉(zhuǎn)器

電光偏轉(zhuǎn)器調(diào) Q 的工作原理是依據(jù)晶體的電光效應(yīng)，通過在電光偏轉(zhuǎn)器電極之間施加電勢差，線性電場梯度使電光偏轉(zhuǎn)晶體產(chǎn)生垂直于激光傳輸方向的線性折射率梯度，從而引發(fā)激光光束傳輸方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。電光偏轉(zhuǎn)器的響應(yīng)速度快，可達(dá)納秒量級，具有結(jié)構(gòu)簡單、低插入損耗、低驅(qū)動電壓、體積小、易于控制和靈敏度高等優(yōu)點[31,32]。電光偏轉(zhuǎn)調(diào) Q 激光器示意圖如圖 4 所示。

1998 年，F(xiàn)RIEL G J 等[32]利用 LD 端面泵浦 Nd:YVO4，采用電光偏轉(zhuǎn)器調(diào) Q 技術(shù)獲得了重復(fù)頻率20 kHz、單脈沖能量 10.5 μJ、脈沖寬度 1.5 ns 的高重頻窄脈寬激光輸出。這是電光偏轉(zhuǎn)器應(yīng)用于調(diào) Q 激光器的第一次報道。

2007 年，HORIUCHI R 等[33]利用 LD 端面泵浦 Nd:GdVO4，采用電光偏轉(zhuǎn)器調(diào) Q 技術(shù)，獲得重復(fù)頻率 200 kHz、單脈沖能量 6.5 μJ、脈沖寬度 10 ns 的激光輸出。該文獻(xiàn)作者指出，最大重復(fù)頻率受高壓持續(xù)時間的限制，如果延長周期，則重復(fù)頻率可進(jìn)一步提高。2008 年，該課題組 HORIUCHI R 等[34]利用LD 端面泵浦 Nd:YVO4，采用電光偏轉(zhuǎn)器調(diào) Q 技術(shù)，獲得了重復(fù)頻率1.4 MHz、單脈沖能量 1.92 μJ、脈沖寬度 39 ns 的激光輸出。

2016 年，王旭等[31]利用 LD 端面泵浦 Nd:YVO4，采用 RTP 電光偏轉(zhuǎn)器作為調(diào) Q 開關(guān)，獲得最高重復(fù)頻率 20 kHz、單脈沖能量 133.5 μJ、脈沖寬度 2.2 ns 的激光輸出。

1.3 激光增益介質(zhì)

目前，全固態(tài)電光調(diào) Q 激光器中，1 μm 激光波長常用的增益介質(zhì)有 Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:GdVO4、Yb:YAG 和 Nd:YLF 等；其他激光波長常用的增益介質(zhì)有 Er:YAG、Tm:YAP 和 Tm:YAG 等。其中，Nd:YAG和 Er:YAG 的上能級熒光壽命為 230 μs，Nd:YLF 的上能級熒光壽命為 485 μs，Tm:YAP 和 Tm:YAG 的上能級熒光壽命分別為 4.4 ms 和 13.9 ms，較長的上能級熒光壽命限制了電光調(diào) Q 激光器重復(fù)頻率的提高。而 Nd:YVO4和 Nd:GdVO4兩種增益介質(zhì)的上能級熒光壽命較短（90 μs），往往應(yīng)用于高重復(fù)頻率電光調(diào)Q 激光器中。除此之外，Nd:YVO4和 Nd:GdVO4兩種增益介質(zhì)受激發(fā)射截面較大，泵浦吸收系數(shù)較高，使得激光器在高重復(fù)頻率運轉(zhuǎn)下可以獲得較高增益激光輸出[9,35]。

2011 年，KIM J W 等[36]利用 1 532 nm 帶內(nèi)泵浦 Er:YAG 增益介質(zhì)，采用 RTP 普克爾盒作為電光調(diào)Q 開關(guān)。在重復(fù)頻率為 20 Hz 時，獲得最大單脈沖能量 30.5 mJ、脈沖寬度 20 ns 的激光輸出；在重復(fù)頻率為 30 Hz 時，獲得單脈沖能量 23 mJ、脈沖寬度 53 ns 的激光輸出；在重復(fù)頻率為 2.5 kHz 時，獲得單脈沖能量 4.5 mJ、脈沖寬度 110 ns 的 1 617 nm 激光輸出。

2012 年，CHANG L 等[37]首次利用 885 nm 端面泵浦 Nd:YAG，采用 BBO 普克爾盒作為電光調(diào) Q 開關(guān)。在重復(fù)頻率為 2 kHz 時，獲得最大單脈沖能量 5.1 mJ、最短脈寬 14.5 ns 的激光輸出；在重復(fù)頻率為10 kHz 時，獲得最大輸出平均功率 22.7 W 的 1 064 nm 激光輸出。

2016 年，JIN L 等[38]利用 LD 端面泵浦 Tm:YAG 增益介質(zhì)，采用 RTP 普克爾盒作為電光調(diào) Q 開關(guān)。在重復(fù)頻率為 1 kHz 時，獲得了單脈沖能量 7.5 mJ、脈沖寬度 58 ns 的 2 μm 激光輸出。

2016 年，張子龍等[39]首次利用 880 nm 端面泵浦 Nd:YLF 激光晶體，采用 RTP 普克爾盒作為電光調(diào)Q 開關(guān)，V 型腔結(jié)構(gòu)設(shè)計使激光器小型化。在重復(fù)頻率為 1 kHz 時，獲得單脈沖能量 9.5 mJ、脈沖寬度9.5 ns 的 1 047 nm 激光輸出。

2019 年，高倩等[40]首次利用 LD 部分端面抽運混合腔 Yb:YAG 板條，采用 BBO 普克爾盒作為電光調(diào) Q 開關(guān)。在重復(fù)頻率為 2 kHz 時，獲得單脈沖能量 14.6 mJ、脈沖寬度 30 ns 的 1 030 nm 激光輸出。

2020 年，WEN Y 等[41]利用 LD 雙端面泵浦 Tm:YAP，采用 RTP 普克爾盒作為電光調(diào) Q 開關(guān)，諧振腔采用布拉格光柵作為腔鏡獲得窄線寬激光輸出。在重復(fù)頻率為 10 kHz 的條件下，獲得了單脈沖能量2.2 mJ、脈沖寬度 20.64 ns 的 1 937.87 nm 激光輸出。

2012 年，劉瑞等[7]利用生長型復(fù)合 Nd:YVO4 和 Nd:GdVO4 晶體作為激光增益介質(zhì)進(jìn)行對比實驗，RTP 電光晶體作為調(diào) Q 開關(guān)，兩臺激光器均可以獲得最高重復(fù)頻率 150 kHz 的基橫模激光輸出。其實驗表明，在低泵浦功率下，具有更大發(fā)射截面的Nd:YVO4晶體更容易在高重復(fù)頻率電光調(diào) Q條件下運轉(zhuǎn)；在高泵浦功率下，相比于復(fù)合 Nd:YVO4晶體，具有更出色熱傳導(dǎo)性能的復(fù)合 Nd:GdVO4晶體更容易獲得高重復(fù)頻率激光輸出。實驗裝置示意圖如圖 5 所示。

綜上所述，電光調(diào) Q 激光器獲得高重復(fù)頻率激光輸出，其核心部件為電光調(diào) Q 開關(guān)。KD*P 電光調(diào)Q 開關(guān)對應(yīng)輸出重復(fù)頻率往往低于 1 kHz?？s小 LN 電光晶體尺寸可削弱壓電振鈴效應(yīng)，提高重復(fù)頻率。新型電光晶體 RTP、BBO、LGS 的應(yīng)用，使重復(fù)頻率提高至百赫茲量級。光學(xué)陶瓷材料能產(chǎn)生較大的二次電光效應(yīng)，其作為電光調(diào) Q 開關(guān)的發(fā)展?jié)摿σ膊蝗莺鲆暋ｋ姽馄D(zhuǎn)調(diào) Q 開關(guān)的出現(xiàn)將重復(fù)頻率提升至兆赫茲量級，進(jìn)一步提高了激光器的重復(fù)頻率。激光器的重復(fù)頻率除了與電光調(diào) Q 器件有關(guān)外，還與增益介質(zhì)有關(guān)。具有較短上能級壽命的 Nd:YVO4和 Nd:GdVO4可獲得較高重復(fù)頻率激光輸出，Nd:GdVO4晶體優(yōu)異的熱傳導(dǎo)性能使其在高泵浦功率下更適合在高重頻電光調(diào) Q 下運轉(zhuǎn)，是一種十分有發(fā)展前景和應(yīng)用潛力的增益介質(zhì)。

2 電光調(diào) Q 激光器的脈沖寬度

電光調(diào) Q 技術(shù)屬于快開關(guān)技術(shù)，較快的響應(yīng)速度使其本身可獲得窄脈寬激光輸出。根據(jù)ZAYHOWSKI J J 等的電光調(diào) Q 理論[42]可知，腔長和重復(fù)頻率會影響激光器的脈沖寬度。在電光調(diào) Q 快開關(guān)速度基礎(chǔ)上，通過壓縮腔長、降低重復(fù)頻率可獲得窄脈寬激光輸出。為了在高重復(fù)頻率條件下亦獲得窄脈寬激光輸出，可利用電光腔倒空調(diào) Q 技術(shù)，該電光調(diào) Q 技術(shù)輸出脈沖寬度與重復(fù)頻率無關(guān)。下面從電光調(diào) Q 開關(guān)的快開關(guān)能力、短腔法和電光腔倒空技術(shù)三方面，對高重頻窄脈寬電光調(diào) Q 激光器的發(fā)展進(jìn)行綜述。

2.1 快速電光調(diào) Q 開關(guān)

電光調(diào)Q開關(guān)可以在諧振腔損耗非常大和非常小之間快速轉(zhuǎn)換，可以在10-8秒內(nèi)完成一次開關(guān)作用，是一種產(chǎn)生窄脈寬激光的有效方法，脈沖寬度在納秒量級，很容易獲得 10 ns 以下的穩(wěn)定脈沖輸出[12]。

2010 年，唐昊等[25]利用 LD 端面連續(xù)泵浦 Nd:YVO4晶體，LGS 普克爾盒作為電光調(diào) Q 開關(guān)，設(shè)計高效穩(wěn)定諧振腔，獲得了重復(fù)頻率 30 kHz、脈沖寬度 9.1 ns 的激光輸出。

2019 年，胡星等[18]利用 LD 端面連續(xù)泵浦 Nd:YVO4晶體，采用 RTP 晶體對作為電光調(diào) Q 元件，通過減小熱效應(yīng)和模式匹配技術(shù)，在重復(fù)頻率為 200 kHz 時，獲得了脈沖寬度 9 ns 的高重頻窄脈寬穩(wěn)定激光輸出。

2020年，趙鑫等[43]利用 LD抽運 Nd:YVO4晶體，由最佳電壓驅(qū)動電光普克爾盒，獲得重復(fù)頻率1 kHz、脈沖寬度 0.77 ns 的窄脈寬激光輸出。

2.2 短腔法

根據(jù) ZAYHOWSKI J J [42]等的電光調(diào) Q 理論分析可知，當(dāng)激光晶體、泵浦功率、振蕩激光光斑尺寸和重復(fù)頻率確定時，諧振腔長度越短，脈沖寬度越窄[29]。為獲得窄脈寬激光輸出，可通過縮小光學(xué)元件的尺寸或者采用退壓式電光調(diào) Q 等方式減少腔內(nèi)光學(xué)元件，進(jìn)一步壓縮諧振腔腔長，獲得窄脈寬激光輸出。

2010 年，張赟珅等[44]利用 LD 端面泵浦帶有 10°楔角的 Nd:YVO4晶體，采用 LGS 晶體作為電光調(diào)Q 元件，獲得效率高、脈寬窄、結(jié)構(gòu)緊湊的小型化激光器。增益介質(zhì)采用帶有楔角的 Nd:YVO4 晶體代替檢偏器，具有簡化腔內(nèi)元件、縮短腔長、降低損耗的優(yōu)點，有利于提高輸出激光的轉(zhuǎn)換效率和窄脈寬激光輸出性能。實驗最終獲得重復(fù)頻率 1 kHz、單脈沖能量 2.2 mJ、脈沖寬度 6.3 ns 的激光輸出。

2018 年，商繼芳等[10]研制了一種基于 LN 電光調(diào) Q的高重復(fù)頻率窄脈寬短腔激光器。激光增益介質(zhì)采用具有較大受激發(fā)射截面和較短熒光壽命的 Nd:YVO4 晶體，激光晶體泵浦端面鍍有 1 064 nm 全反膜代替后腔鏡，另一端沿布儒斯特角切割代替偏振片，縮短了腔長。采用退壓式電光調(diào) Q 方式，省去了四分之一波片，進(jìn)一步縮短腔長。設(shè)計的激光器諧振腔長度僅為 20 mm，獲得了最大重復(fù)頻率 15 kHz、單脈沖能量 238 μJ、脈寬 5.4 ns 的穩(wěn)定激光輸出。緊湊型電光調(diào) Q 激光器示意圖如圖 6 所示。

電光調(diào) Q 短腔法獲得窄脈寬激光輸出，往往通過增益介質(zhì)端面鍍膜代替腔鏡和另一端面以布儒斯特角切割代替偏振片來壓縮腔長，采用退壓式電光調(diào) Q 方式則可以省去四分之一波片，進(jìn)一步壓縮腔長。其中，相比于電光晶體調(diào) Q 方式，采用電光偏轉(zhuǎn)器調(diào) Q使諧振腔內(nèi)除偏轉(zhuǎn)器外，無需增加其他任何腔內(nèi)元件即可實現(xiàn)調(diào) Q 運轉(zhuǎn)，有效壓縮腔長，減小插入損耗，易于獲得窄脈寬激光輸出[31]。

2016 年，王旭等[31]利用 LD 連續(xù)端面泵浦 Nd:YVO4激光晶體，采用四電極結(jié)構(gòu) RTP 電光偏轉(zhuǎn)器作為調(diào) Q 開關(guān)獲得窄脈寬激光輸出。當(dāng)重復(fù)頻率為 5 kHz 時，獲得了單脈沖能量 244 μJ、脈沖寬度 1.0 ns的調(diào) Q 脈沖輸出；在重復(fù)頻率為 20 kHz 時，獲得了單脈沖能量 134 μJ、脈沖寬度 2.2 ns 的調(diào) Q 脈沖輸出。相比于電光晶體調(diào) Q 激光器，利用電光偏轉(zhuǎn)器調(diào) Q 縮短了腔長，獲得高重頻窄脈寬激光輸出，使激光器結(jié)構(gòu)更為緊湊。

2.3 電光腔倒空

根據(jù) ZAYHOWSKI J J 等[42]的電光調(diào) Q 理論分析可知，激光脈沖寬度受重復(fù)頻率限制，傳統(tǒng)電光調(diào)Q 技術(shù)獲得激光脈沖寬度隨重復(fù)頻率提高而明顯加寬。電光腔倒空技術(shù)是一種用于產(chǎn)生高重頻窄脈寬的特殊調(diào) Q 技術(shù)。一般電光調(diào) Q 激光器的儲能單元為激光增益介質(zhì)，而電光腔倒空的儲能單元為諧振腔，使得電光腔倒空激光器獲得激光脈寬與重復(fù)頻率無關(guān)，只與諧振腔腔長和調(diào) Q 開關(guān)速度有關(guān)。理論上來說，只要調(diào) Q 開關(guān)的開關(guān)速度足夠快，電光腔倒空激光器獲得的脈沖寬度就等于振蕩激光在腔內(nèi)的往返渡越時間[45]。

2006 年，MCDonAGH L 等[46]進(jìn)行了電光腔倒空技術(shù)與傳統(tǒng)電光調(diào) Q 技術(shù)的對比實驗。實驗采用888 nm LD 端面泵浦 Nd:YVO4，BBO 作為電光調(diào) Q 開關(guān)。采用傳統(tǒng)電光調(diào) Q 技術(shù)，脈寬從重復(fù)頻率為 20 kHz 條件下的15 ns 變?yōu)橹貜?fù)頻率為 100 kHz 條件下的45 ns；然而，利用電光腔倒空技術(shù)在不同重頻下，脈寬穩(wěn)定在 6±0.2 ns。利用電光腔倒空技術(shù)，最終獲得重復(fù)頻率 100 kHz、脈寬 6 ns 的激光輸出。

2014 年，石朝輝等[45]利用 LD 輸出880 nm 泵浦波長直接抽運 Nd:YVO4，有效降低晶體的熱效應(yīng)，采用 BBO 晶體作為電光腔倒空的調(diào) Q 元件。通過優(yōu)化諧振腔，使激光器在寬泵浦范圍保持穩(wěn)定，提高泵浦光與振蕩光的模式匹配。在重復(fù)頻率為 500 kHz 的條件下，獲得單脈沖能量 20 μJ、脈沖寬度 6 ns 的穩(wěn)定激光輸出。電光腔倒空激光器結(jié)構(gòu)示意圖如圖 7 所示。

綜上所述，電光調(diào) Q 激光器獲得高重頻窄脈寬激光輸出，在電光調(diào) Q 開關(guān)快速關(guān)通能力的基礎(chǔ)上，通過壓縮腔長可獲得窄脈寬激光輸出。壓縮腔長往往通過增益介質(zhì)端面鍍膜代替腔鏡，以及增益介質(zhì)另一端面以布儒斯特角切割代替偏振片來進(jìn)行，而采用退壓式電光調(diào) Q 可去除四分之一波片，進(jìn)一步壓縮腔長。采用電光偏轉(zhuǎn)器調(diào) Q 使諧振腔內(nèi)除偏轉(zhuǎn)器外，無需增加其他任何腔內(nèi)元件即可實現(xiàn)調(diào) Q 運轉(zhuǎn)，有效壓縮腔長，減小插入損耗，更容易獲得窄脈寬激光輸出。然而提高重復(fù)頻率，脈沖寬度會相應(yīng)展寬，利用電光腔倒空調(diào) Q 輸出脈沖寬度與重復(fù)頻率無關(guān)的特性，可獲得更高重復(fù)頻率窄脈寬激光輸出。

3 電光調(diào) Q 激光器的單脈沖能量

通過以上介紹，單激光棒電光調(diào) Q 振蕩器可獲得高重頻、窄脈寬激光輸出。然而，此類振蕩器輸出的激光單脈沖能量通常較低，限制了其在許多領(lǐng)域的應(yīng)用。為了獲得較大單脈沖能量激光輸出，可以在振蕩器內(nèi)增加增益介質(zhì)的個數(shù)，即在振蕩器內(nèi)采用雙棒串接技術(shù)可提高振蕩器的輸出能量。除此之外，為了獲得大能量激光輸出，在振蕩器外應(yīng)用主振蕩功率放大技術(shù) MOPA（Master Oscillator Power Amplifier），可獲得高重頻、窄脈寬、大能量激光輸出。下面從雙棒串接技術(shù)和主振蕩功率放大技術(shù)兩方面，對高重頻大能量電光調(diào) Q 激光器的發(fā)展進(jìn)行綜述。

3.1 雙棒串接技術(shù)

由于熱效應(yīng)導(dǎo)致激光晶體產(chǎn)生折射率梯度的變化，會嚴(yán)重影響激光的模式分布和大能量激光輸出。為了獲得高重復(fù)頻率、高增益和基橫模輸出，就要避免高泵浦下激光晶體的熱效應(yīng)。為了降低激光晶體內(nèi)的熱效應(yīng)和熱致折射率梯度變化，提高激光的輸出能量，往往在諧振腔內(nèi)采用多個激光晶體組合，特別是在諧振腔內(nèi)采用雙棒激光晶體組合獲得大能量激光輸出。在相同泵浦情況下，與單棒激光器相比，雙棒激光器還可擴大穩(wěn)區(qū)范圍[47]。

2014 年，沈兆國等[48]為獲得高重頻窄脈寬大能量激光輸出，采用雙棒串接技術(shù)，獲得百瓦量級激光輸出。采用 LD 側(cè)面泵浦兩塊完全相同的 Nd:YAG，LN 普克爾盒作為調(diào) Q 元件，獲得重復(fù)頻率 10 kHz、脈沖寬度 5 ns、單脈沖能量 24 mJ 的大能量激光輸出。

2018 年，周丹丹等[49]采用電光調(diào) Q 技術(shù)和雙棒串接結(jié)構(gòu)，利用低吸收系數(shù)的 914 nm 泵浦光抽運兩塊 Nd:YVO4晶體，提高了激光器的熱穩(wěn)定性。在 BBO 晶體作為電光開關(guān)、重復(fù)頻率為 7 kHz 的條件下，獲得了脈沖寬度 5 ns、單脈沖能量 5 mJ 的穩(wěn)定脈沖激光輸出。雙棒串接激光器示意圖如圖 8 所示。

3.2 主振蕩功率放大技術(shù)

主振蕩功率放大器主要包括兩部分：首先，主振蕩器產(chǎn)生具有高光束質(zhì)量的種子光源，輸出功率可大可小；然后，經(jīng)過一級或多級功率放大器，實現(xiàn)對種子光源的高功率放大。因此，采用主振蕩功率放大技術(shù)獲得激光輸出，不僅可以保證輸出激光具有較高的光束質(zhì)量，同時可放大激光輸出能量，即它結(jié)合了低功率種子光源的高光束質(zhì)量和功率放大器的激光能量放大的優(yōu)點[50]。

3.2.1 固體棒狀放大技術(shù)

固體棒狀激光晶體具有良好的均勻性和對稱性，適應(yīng)于多種泵浦方式，可使泵浦光與振蕩光實現(xiàn)良好的模式匹配，依然是使用最廣泛的增益介質(zhì)。研究證明，棒狀激光晶體在高效的熱控制情況下，可使激光器獲得高功率、高光束質(zhì)量的激光輸出[50]。目前，固體棒狀激光晶體依然是主振蕩功率放大器中廣泛應(yīng)用的增益介質(zhì)。

2018 年，陸俊等[5]研制了一臺基于 Nd:YVO4 晶體的高效率、結(jié)構(gòu)緊湊的雙波長激光器。該激光系統(tǒng)采用主振蕩功率放大結(jié)構(gòu)，振蕩級采用 808 nm 端面泵浦 Nd:YVO4，BBO 作為電光調(diào) Q 開關(guān)獲得重復(fù)頻率 5 kHz、單脈沖能量 400 μJ、脈沖寬度 1.1 ns 的 1 064 nm 基橫模輸出。放大級采用 878.6 nm 直接泵浦 Nd:YVO4 兩級放大，獲得單脈沖能量2.72 mJ、脈沖寬度 1.03 ns 的基頻光輸出。通過LBO腔外倍頻，獲得了重復(fù)頻率5 kHz、單脈沖能量 1.54 mJ、脈寬 910 ps 的 532 nm激光和重復(fù)頻率5 kHz、單脈沖能量1.18 mJ、脈寬 1.1 ns 的 1 064 nm 激光的雙波長激光脈沖輸出。MOPA 光學(xué)原理圖如圖 9 所示。Nd:YVO4 級聯(lián)放大器光學(xué)原理圖如圖 10所示。

3.2.2 固體板條放大技術(shù)

激光器采用固體棒狀主振蕩–功率放大技術(shù)，通常在采用單級多通、多級單通、多級多通等多次通過的放大系統(tǒng)中，隨著種子激光功率不斷被放大，其光斑半徑變化較小，導(dǎo)致峰值功率密度不斷增加，過高的激光峰值功率密度容易造成光學(xué)元器件的損傷。在激光二極管部分端面泵浦混合腔板條激光器（Innoslab laser）放大技術(shù)中，種子激光往返通過板條放大增益介質(zhì)，在激光能量被放大的同時，激光光斑尺寸同樣被放大，使激光在放大過程中峰值功率密度不至于過高而導(dǎo)致光學(xué)元器件損傷。由振蕩器輸出的高重頻、低能量種子激光，經(jīng)過設(shè)計合理的結(jié)構(gòu)，利用 Innoslab 激光放大技術(shù)可獲得大能量激光輸出[51]。

2017 年，毛葉飛等[52]采用 Innoslab 激光放大技術(shù)獲得重復(fù)頻率 5 kHz、單脈沖能量 25 mJ、脈沖寬度 3 ns 的激光輸出。種子源為電光調(diào) Q Nd:YVO4激光器，獲得重復(fù)頻率 5 kHz、單脈沖能量 0.3 mJ 的種子光。放大級采用摻雜濃度為 0.6%的 Nd:YAG 板條晶體，尺寸為 40 mm×14 mm×1 mm。種子激光經(jīng)過 12 程放大，最終獲得單脈沖能量 25 mJ、輸出功率 125 W 的放大激光輸出。Innnolab 放大器示意圖如圖 11 所示。

2020 年，JAVED F 等[53]報道了一臺高平均功率、高重頻、窄脈寬的激光器。種子源為電光調(diào)Q Nd:YVO4激光器，獲得重復(fù)頻率 100 kHz、單脈沖能量 400 μJ、平均功率 40 W 的種子光。采用Innoslab 放大技術(shù)，放大級增益介質(zhì)為摻雜濃度 0.6%的 Nd:YAG板條晶體，尺寸為 40 mm×14 mm×1.4 mm。放大級通過七通放大將種子光有效放大，最終獲得重復(fù)頻率100 kHz、單脈沖能量 2.1 mJ、輸出功率 210 W 的放大激光輸出。

綜上所述，電光調(diào) Q 激光器要獲得高重頻大能量激光輸出，主要通過增加振蕩器內(nèi)的增益介質(zhì)數(shù)量，或者在振蕩器外采用主振蕩功率放大技術(shù)來實現(xiàn)。雙棒串接結(jié)構(gòu)可以有效降低激光晶體內(nèi)的熱效應(yīng)，提高激光脈沖能量輸出。在此基礎(chǔ)上，若泵浦方式采用帶內(nèi)直接泵浦，雙棒激光晶體采用鍵合晶體，將進(jìn)一步降低激光晶體的熱負(fù)荷，獲得大能量激光輸出。采用主振蕩功率放大技術(shù)是獲取大能量激光輸出的有效手段，固體棒狀放大技術(shù)是主振蕩功率放大技術(shù)的經(jīng)典方式。為了防止放大激光峰值功率密度過高導(dǎo)致光學(xué)元件損壞，固體板條放大技術(shù)應(yīng)運而生，進(jìn)一步提高了激光器的輸出能量。

4 結(jié)束語

全固態(tài)高重頻電光調(diào) Q 激光器是固體激光器的一個重要分支，具有遠(yuǎn)大的發(fā)展前景和無窮的應(yīng)用潛力。據(jù)目前報道的激光器指標(biāo)參數(shù)，電光晶體調(diào) Q 激光器的重復(fù)頻率已達(dá)百赫茲量級。隨著電光晶體性能的逐漸完善，預(yù)期激光器的重復(fù)頻率會有更大的提高。電光偏轉(zhuǎn)器調(diào) Q 激光器使重復(fù)頻率提高至兆赫茲量級，但是國內(nèi)電光偏轉(zhuǎn)器發(fā)展還不夠成熟，獲得的重復(fù)頻率低于國外指標(biāo)。除了電光調(diào) Q 元件外，增益介質(zhì)亦會影響激光器的重復(fù)頻率。目前，全固態(tài)高重頻電光調(diào) Q 激光器主要采用 LD 端面泵浦Nd:YVO4，而 Nd:GdVO4同樣具有較短的上能級壽命，并且熱傳導(dǎo)特性優(yōu)于 Nd:YVO4，因此將來有可能超越 Nd:YVO4成為高重頻電光調(diào) Q 的主要增益介質(zhì)。電光調(diào) Q 開關(guān)的快速響應(yīng)速度使其可獲得納秒級窄脈寬激光輸出，采用短腔法可進(jìn)一步壓窄脈寬，但是脈沖寬度隨重復(fù)頻率的提高會相應(yīng)展寬。而采用電光腔倒空調(diào) Q 技術(shù)則可以在高重復(fù)頻率下獲得窄脈寬激光輸出，脈沖寬度與重復(fù)頻率無關(guān)。單棒電光調(diào) Q 振蕩器可獲得高重頻窄脈寬激光輸出，但由于其對超短諧振腔及優(yōu)異光束質(zhì)量的依賴，由振蕩器輸出的單脈沖能量通常較低，為微焦量級。為了獲得大能量激光輸出，通過振蕩器內(nèi)雙晶體棒串接或者振蕩器外采用主振蕩功率放大技術(shù)，可獲得毫焦量級的大能量激光輸出。為了獲得穩(wěn)定高重頻窄脈寬大能量激光輸出，除了采用必要的結(jié)構(gòu)或者激光放大方式之外，對增益介質(zhì)的材料特性、光學(xué)元件的損傷閾值等有了更高的要求。隨著電光調(diào) Q 元件可靠性技術(shù)不斷提高、增益介質(zhì)制備技術(shù)不斷成熟、相關(guān)科學(xué)研究的不斷深入與工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，全固態(tài)電光調(diào) Q 激光器憑借其輸出重復(fù)頻率高、脈沖寬度窄、單脈沖能量大的優(yōu)勢，將廣泛應(yīng)用于激光雷達(dá)、激光測距、激光精密加工和光通信等眾多領(lǐng)域。