本文作者冉子涵，趙一鳴，李靜，李之通，李祚涵，來自北京遙測技術研究所，僅(jin) 供行業(ye) 交流學習(xi) 之用，感謝分享！

引言

自 1960 年第一台激光器問世以來，激光技術得到蓬勃發展，廣泛應用於(yu) 多個(ge) 領域。從(cong) 20 世紀 80年代中後期開始，固體(ti) 激光技術和半導體(ti) 激光技術因其特有的優(you) 勢被人們(men) 所青睞，一種嶄新的激光器——激光二極管 LD（Laser Diode）泵浦的全固態激光器 DPSSL（Diode Pumped Solid State Laser）應運而生。LD 泵浦的全固態激光器具有體(ti) 積小、重量輕、結構緊湊、壽命長等優(you) 點，廣泛應用於(yu) 軍(jun) 事、加工、醫療和科學研究等許多領域。特別是高重頻窄脈寬大能量固體(ti) 激光器在激光雷達、激光測距、激光精密加工和光通信等諸多領域被廣泛應用[1-8]。

LD 泵浦的全固態激光器采用調 Q 方式可獲得高重頻窄脈寬激光輸出，主動調 Q 和被動調 Q 是調 Q方式的兩(liang) 大類。被動調 Q 方式由於(yu) 不需要附加的偏振光學元件，更易於(yu) 獲得窄脈寬激光輸出，但其輸出穩定性差，難以實現精確同步輸出，限製了其在許多領域的應用[9]。電光調 Q 和聲光調 Q 是常用的主動調 Q 方式。其中，聲光調 Q 方式可獲得高重頻激光運轉，但是其開關(guan) 速度較慢，獲得的激光脈衝(chong) 寬度較寬。而電光調 Q 方式開關(guan) 速度快、關(guan) 斷能力強，LD 泵浦的全固態激光器結合電光調 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(wei) 獲得大能量激光輸出，可通過直接在振蕩器內(nei) 采用雙激光晶體(ti) 串接方式或者在振蕩器外采用主振蕩功率放大技術 MOPA（Master Oscillator Power Amplifier）實現。本文從(cong) 電光調 Q 激光器的重複頻率、脈衝(chong) 寬度、單脈衝(chong) 能量三方麵對全固態電光調 Q 激光器的研究進展進行綜述。

1 電光調 Q 激光器的重複頻率

電光調 Q 激光器輸出激光的重複頻率與(yu) 電光調 Q 元件的特性密切相關(guan) ，也與(yu) 增益介質的光學特性有關(guan) 。電光晶體(ti) 的電光係數、壓電環效應、旋光效應等會(hui) 影響激光器的重複頻率。依據電光晶體(ti) 的電光特性製成的電光偏轉器相比於(yu) 電光晶體(ti) 調 Q 元件降低了驅動電壓，提高了重複頻率。除此之外，增益介質的上能級壽命也會(hui) 限製激光器的重複頻率。下麵從(cong) 電光調 Q 元件和增益介質的選擇兩(liang) 方麵，對高重頻電光調 Q 激光器的發展進行綜述。

1.1 電光晶體(ti)

電光晶體(ti) 在外加電場的作用下折射率發生變化，導致激光傳(chuan) 播特性發生改變，引發的電光效應是電光調 Q 的物理基礎[11]。磷酸二氘鉀 KD*P（KD2PO4）和铌酸鋰 LN（LiNbO3）是兩(liang) 種傳(chuan) 統的電光晶體(ti) ，技術成熟，已廣泛應用於(yu) 電光調 Q 激光器。但是，因其存在驅動電壓較高、壓電振鈴效應明顯等缺點，無法獲得高重複頻率激光輸出。為(wei) 了提高激光器的重複頻率，磷酸鈦氧銣 RTP（RbTiOPO4）、偏硼酸鋇BBO（β-BaB2O4）、矽酸镓鑭 LGS（La3Ga5SiO4）和鋯鈦酸鉛鑭陶瓷 PLZT[（Pb,La）（Zr,Ti）O3]等新型電光晶體(ti) 逐漸代替傳(chuan) 統電光晶體(ti) 應用於(yu) 高重複頻率激光器。其實驗數據表明，新型電光晶體(ti) 在提高重複頻率方麵有出色的表現[12]。

1.1.1 KD*P 電光調 Q 激光器

KD*P 電光係數高，作為(wei) 電光調 Q 元件，其技術成熟，已經被廣泛應用。但是 KD*P 驅動電壓較高，限製了激光器重複頻率的提高[13]。KD*P 電光調Q 開關(guan) 往往應用於(yu) 重複頻率為(wei) 1 kHz 及低於(yu) 1 kHz 的激光器中。

2012 年，毛小潔等[14]利用 LD 端麵泵浦 Nd:YAG 增益介質，KD*P 普克爾盒作為(wei) 電光調 Q 開關(guan) ，在重複頻率為(wei) 1 kHz 的條件下，獲得單脈衝(chong) 能量 2.7 mJ、脈衝(chong) 寬度 5 ns 的激光輸出。

2018 年，萬(wan) 瑋華等[13]采用了一種新型 LD 端麵泵浦結構，利用三柱透鏡耦合係統將泵浦光有效聚焦於(yu) Nd:YAG 激光晶體(ti) ，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(wei) 電光調Q 開關(guan) 、重複頻率為(wei) 1 kHz 的條件下，最終獲得單脈衝(chong) 能量 11 mJ 的激光輸出。

1.1.2 LN 電光調 Q 激光器

LN 晶體(ti) 是少數已被實際應用的電光晶體(ti) 之一，其具有電光係數大、傳(chuan) 輸光譜範圍廣、插入損耗低、在空氣中不潮解等優(you) 點。除此之外，LN 晶體(ti) 可以在寬溫度範圍內(nei) 穩定運行。然而，傳(chuan) 統塊狀 LN 晶體(ti) 的壓電振鈴效應嚴(yan) 重，使其重複頻率不超過 1 kHz。

2018 年，商繼芳等[10]研究了不同尺寸的 LN 電光晶體(ti) 存在的壓電振鈴效應差異。實驗表明，傳(chuan) 統塊狀 LN 電光晶體(ti) 的壓電振鈴效應嚴(yan) 重，限製 LN 電光晶體(ti) 隻能在 1 kHz 重頻下使用。小尺寸 LN 晶體(ti) 作為(wei) 電光調 Q 開關(guan) 應用於(yu) 激光器中，壓電振鈴效應基本可以忽略。低驅動電壓和小尺寸 LN 電光調 Q 開關(guan) 結合，最終獲得重複頻率 15 kHz、單脈衝(chong) 能量 238 μJ、脈寬 5.4 ns 的激光輸出。

1.1.3 RTP 電光調 Q 激光器

RTP 晶體(ti) 電學性能與(yu) 光學性能優(you) 異，具有較高的電阻率和抗光損傷(shang) 閾值；驅動電壓低，易於(yu) 控製；晶體(ti) 不易潮解，可以長期承受外加電壓；晶體(ti) 可以在高重複頻率下工作，電信號高達 60 kHz 時也不會(hui) 出現誘導電壓效應。最新資料表明，北京中以銳科光電技術有限公司生產(chan) 的 RTP 電光開關(guan) ，最高開關(guan) 頻率可達 1 MHz[15]。RTP 電光開關(guan) 由兩(liang) 塊性能完全一致的晶體(ti) 相互旋轉 90°組合而成，用以補償(chang) RTP 晶體(ti) 的自然雙折射效應[12]。

2000 年，LEBIUSH E 等[16]在 Nd:YVO4激光器中，采用兩(liang) 塊 RTP 晶體(ti) 作電光調 Q 開關(guan) ，獲得最高重複頻率 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 Q 激光器實驗方麵的代表性成果。

2010 年，於(yu) 欣等[17]利用 LD 端麵泵浦 Nd:GdVO4，RTP 普克爾盒作為(wei) 電光調 Q 開關(guan) ，獲得重複頻率100 kHz、單脈衝(chong) 能量 79 μJ、脈衝(chong) 寬度 20.2 ns 的脈衝(chong) 激光輸出，對應的光–光轉換效率為(wei) 32.5%。電光調 Q 激光器示意圖如圖 1 所示。

2018 年，胡星等[18]利用 RTP 晶體(ti) 對作為(wei) 電光調 Q 元件，采用低吸收係數的 914 nm 波長泵浦 Nd:YVO4 減小激光晶體(ti) 熱效應。在重複頻率為(wei) 200 kHz 時，獲得了單脈衝(chong) 能量 80 μJ、脈寬 9 ns 的激光輸出。

1.1.4 BBO 電光調 Q 激光器

BBO 晶體(ti) 具有優(you) 異的物理特性和光學特性，利用 BBO 晶體(ti) 製成的電光開關(guan) 具有高消光比、高損傷(shang) 閾值、吸收損耗較低、壓電振鈴效應較小等優(you) 點，廣泛應用於(yu) 高重頻激光器係統中[12]。BBO 電光調 Q開關(guan) 基於(yu) 橫向電光效應實現對晶體(ti) 折射率的調製，因此，可以通過改變 BBO 晶體(ti) 的縱橫比有效降低驅動電壓。目前，國內(nei) 福建福晶科技開發的 BBO 普克爾盒，重複頻率最大可達 1 MHz[19]。

2003 年，杜可明等[20]利用激光二極管部分端麵泵浦板條 Nd:YVO4來降低激光晶體(ti) 的熱負荷，采用BBO 晶體(ti) 進行電光調 Q。在重複頻率為(wei) 10 kHz 時，獲得了單脈衝(chong) 能量 5.6 mJ、脈寬 6.5 ns 的激光輸出；在重複頻率為(wei) 50 kHz 時，獲得了單脈衝(chong) 能量 1.66 mJ、脈寬 11.3 ns 的激光輸出。

2008 年，李小莉等[21]同樣利用部分端麵抽運混合腔 Nd:YVO4板條激光器，在重複頻率為(wei) 25 kHz 時，獲得了單脈衝(chong) 能量 1.2 mJ、脈衝(chong) 寬度 9.5 ns 的激光輸出。實驗結果表明，輸出激光參數還有很大提升空間。電光調 Q 裝置示意圖如圖 2 所示。

2017 年，趙鵬等[22]利用 888 nm 端麵抽運 Nd:YVO4增益介質，采用 BBO 電光開關(guan) 進行電光調 Q，獲得 500 kHz 的高重頻激光輸出。

1.1.5 LGS 電光調 Q 激光器

LGS 晶體(ti) 具有穩定的理化特性，損傷(shang) 閾值高、熱穩定性高、機電耦合係數高。但是 LGS 晶體(ti) 具有旋光性，在采取措施消除晶體(ti) 的旋光效應後，作為(wei) 電光開關(guan) 的 LGS 晶體(ti) 表現出優(you) 異的性能。當LGS 晶體(ti) 利用橫向電光效應製作電光開關(guan) 時，與(yu) BBO 晶體(ti) 相同，可通過調節LGS 晶體(ti) 的縱橫比來調節驅動電壓[23]。最新資料表明，安徽科瑞思創晶體(ti) 材料有限公司生產(chan) 的 LGS 電光調 Q 開關(guan) 最高重複頻率可達 1 MHz[24]。

2010 年，唐昊等[25]利用 LD 端麵泵浦 Nd:YVO4，采用 LGS 普克爾盒作為(wei) 電光調 Q 開關(guan) ，在重複頻率為(wei) 30 kHz時，獲得單脈衝(chong) 能量 200 μJ、脈寬 9.1 ns的激光輸出。電光調 Q 晶體(ti) LGS 縱橫比為(wei) 10:1，四分之一波電壓僅(jin) 為(wei) 1760 V，低驅動電壓有利於(yu) 獲得高重複頻率激光輸出。高重複率電光調 Q Nd:YVO4激光器裝置圖如圖 3 所示。

2016 年，馬世會(hui) 等[26]在解決(jue) LGS 旋光效應的基礎上，利用 LGS 設計了單次通過新型短腔的激光結構並取得了良好的激光性能，獲得重複頻率 200 kHz、脈寬 5.1 ns 的 1 064 nm 激光輸出。

1.1.6 光學陶瓷電光調 Q 激光器

光學陶瓷是一類具有電光效應的陶瓷材料，其電軸狀態隨光學性質的改變而發生變化，可通過外加電場對光學陶瓷的電軸狀態進行控製。光學陶瓷材料在高電光效應、寬傳(chuan) 輸波長範圍、低光損耗、快速響應速度和陶瓷堅固性等方麵具有優(you) 越的性能[12,27]。

1998 年，WANG G Y 等[28]利用 PLZT[（Pb,La）（Zr,Ti）O3]光學陶瓷作為(wei) 電光調 Q 開關(guan) ，在重複頻率為(wei) 10 kHz 時，獲得了單脈衝(chong) 能量 11 μJ、脈衝(chong) 寬度 14 ns 的激光輸出。由於(yu) PLZT 電光係數較大，在Nd:YVO4激光器中驅動電壓僅(jin) 為(wei) 300 V，不僅(jin) 降低了對驅動源的要求，還縮減了包裝尺寸和激光成本。

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

2013 年，李佳[30]利用 LD 端麵泵浦 Nd:YVO4，摻釹 PLZT 作為(wei) 電光調 Q 元件，獲得重複頻率 300 kHz的激光輸出。實驗表明，摻釹 PLZT 不僅(jin) 可以作為(wei) 電光調 Q 元件，還具有光放大效應。兼顧激光增益介質與(yu) 電光調 Q 雙重作用的摻釹 PLZT 應用於(yu) 激光器中，將簡化激光器的構成結構，在製作小型化調 Q激光器方麵將會(hui) 有廣闊的應用前景。

1.2 電光偏轉器

電光偏轉器調 Q 的工作原理是依據晶體(ti) 的電光效應，通過在電光偏轉器電極之間施加電勢差，線性電場梯度使電光偏轉晶體(ti) 產(chan) 生垂直於(yu) 激光傳(chuan) 輸方向的線性折射率梯度，從(cong) 而引發激光光束傳(chuan) 輸方向發生偏轉。電光偏轉器的響應速度快，可達納秒量級，具有結構簡單、低插入損耗、低驅動電壓、體(ti) 積小、易於(yu) 控製和靈敏度高等優(you) 點[31,32]。電光偏轉調 Q 激光器示意圖如圖 4 所示。

1998 年，FRIEL G J 等[32]利用 LD 端麵泵浦 Nd:YVO4，采用電光偏轉器調 Q 技術獲得了重複頻率20 kHz、單脈衝(chong) 能量 10.5 μJ、脈衝(chong) 寬度 1.5 ns 的高重頻窄脈寬激光輸出。這是電光偏轉器應用於(yu) 調 Q 激光器的第一次報道。

2007 年，HORIUCHI R 等[33]利用 LD 端麵泵浦 Nd:GdVO4，采用電光偏轉器調 Q 技術，獲得重複頻率 200 kHz、單脈衝(chong) 能量 6.5 μJ、脈衝(chong) 寬度 10 ns 的激光輸出。該文獻作者指出，最大重複頻率受高壓持續時間的限製，如果延長周期，則重複頻率可進一步提高。2008 年，該課題組 HORIUCHI R 等[34]利用LD 端麵泵浦 Nd:YVO4，采用電光偏轉器調 Q 技術，獲得了重複頻率1.4 MHz、單脈衝(chong) 能量 1.92 μJ、脈衝(chong) 寬度 39 ns 的激光輸出。

2016 年，王旭等[31]利用 LD 端麵泵浦 Nd:YVO4，采用 RTP 電光偏轉器作為(wei) 調 Q 開關(guan) ，獲得最高重複頻率 20 kHz、單脈衝(chong) 能量 133.5 μJ、脈衝(chong) 寬度 2.2 ns 的激光輸出。

1.3 激光增益介質

目前，全固態電光調 Q 激光器中，1 μm 激光波長常用的增益介質有 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(wei) 230 μs，Nd:YLF 的上能級熒光壽命為(wei) 485 μs，Tm:YAP 和 Tm:YAG 的上能級熒光壽命分別為(wei) 4.4 ms 和 13.9 ms，較長的上能級熒光壽命限製了電光調 Q 激光器重複頻率的提高。而 Nd:YVO4和 Nd:GdVO4兩(liang) 種增益介質的上能級熒光壽命較短（90 μs），往往應用於(yu) 高重複頻率電光調Q 激光器中。除此之外，Nd:YVO4和 Nd:GdVO4兩(liang) 種增益介質受激發射截麵較大，泵浦吸收係數較高，使得激光器在高重複頻率運轉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(nei) 泵浦 Er:YAG 增益介質，采用 RTP 普克爾盒作為(wei) 電光調Q 開關(guan) 。在重複頻率為(wei) 20 Hz 時，獲得最大單脈衝(chong) 能量 30.5 mJ、脈衝(chong) 寬度 20 ns 的激光輸出；在重複頻率為(wei) 30 Hz 時，獲得單脈衝(chong) 能量 23 mJ、脈衝(chong) 寬度 53 ns 的激光輸出；在重複頻率為(wei) 2.5 kHz 時，獲得單脈衝(chong) 能量 4.5 mJ、脈衝(chong) 寬度 110 ns 的 1 617 nm 激光輸出。

2012 年，CHANG L 等[37]首次利用 885 nm 端麵泵浦 Nd:YAG，采用 BBO 普克爾盒作為(wei) 電光調 Q 開關(guan) 。在重複頻率為(wei) 2 kHz 時，獲得最大單脈衝(chong) 能量 5.1 mJ、最短脈寬 14.5 ns 的激光輸出；在重複頻率為(wei) 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 端麵泵浦 Tm:YAG 增益介質，采用 RTP 普克爾盒作為(wei) 電光調 Q 開關(guan) 。在重複頻率為(wei) 1 kHz 時，獲得了單脈衝(chong) 能量 7.5 mJ、脈衝(chong) 寬度 58 ns 的 2 μm 激光輸出。

2016 年，張子龍等[39]首次利用 880 nm 端麵泵浦 Nd:YLF 激光晶體(ti) ，采用 RTP 普克爾盒作為(wei) 電光調Q 開關(guan) ，V 型腔結構設計使激光器小型化。在重複頻率為(wei) 1 kHz 時，獲得單脈衝(chong) 能量 9.5 mJ、脈衝(chong) 寬度9.5 ns 的 1 047 nm 激光輸出。

2019 年，高倩等[40]首次利用 LD 部分端麵抽運混合腔 Yb:YAG 板條，采用 BBO 普克爾盒作為(wei) 電光調 Q 開關(guan) 。在重複頻率為(wei) 2 kHz 時，獲得單脈衝(chong) 能量 14.6 mJ、脈衝(chong) 寬度 30 ns 的 1 030 nm 激光輸出。

2020 年，WEN Y 等[41]利用 LD 雙端麵泵浦 Tm:YAP，采用 RTP 普克爾盒作為(wei) 電光調 Q 開關(guan) ，諧振腔采用布拉格光柵作為(wei) 腔鏡獲得窄線寬激光輸出。在重複頻率為(wei) 10 kHz 的條件下，獲得了單脈衝(chong) 能量2.2 mJ、脈衝(chong) 寬度 20.64 ns 的 1 937.87 nm 激光輸出。

2012 年，劉瑞等[7]利用生長型複合 Nd:YVO4 和 Nd:GdVO4 晶體(ti) 作為(wei) 激光增益介質進行對比實驗，RTP 電光晶體(ti) 作為(wei) 調 Q 開關(guan) ，兩(liang) 台激光器均可以獲得最高重複頻率 150 kHz 的基橫模激光輸出。其實驗表明，在低泵浦功率下，具有更大發射截麵的Nd:YVO4晶體(ti) 更容易在高重複頻率電光調 Q條件下運轉；在高泵浦功率下，相比於(yu) 複合 Nd:YVO4晶體(ti) ，具有更出色熱傳(chuan) 導性能的複合 Nd:GdVO4晶體(ti) 更容易獲得高重複頻率激光輸出。實驗裝置示意圖如圖 5 所示。

綜上所述，電光調 Q 激光器獲得高重複頻率激光輸出，其核心部件為(wei) 電光調 Q 開關(guan) 。KD*P 電光調Q 開關(guan) 對應輸出重複頻率往往低於(yu) 1 kHz。縮小 LN 電光晶體(ti) 尺寸可削弱壓電振鈴效應，提高重複頻率。新型電光晶體(ti) RTP、BBO、LGS 的應用，使重複頻率提高至百赫茲(zi) 量級。光學陶瓷材料能產(chan) 生較大的二次電光效應，其作為(wei) 電光調 Q 開關(guan) 的發展潛力也不容忽視。電光偏轉調 Q 開關(guan) 的出現將重複頻率提升至兆赫茲(zi) 量級，進一步提高了激光器的重複頻率。激光器的重複頻率除了與(yu) 電光調 Q 器件有關(guan) 外，還與(yu) 增益介質有關(guan) 。具有較短上能級壽命的 Nd:YVO4和 Nd:GdVO4可獲得較高重複頻率激光輸出，Nd:GdVO4晶體(ti) 優(you) 異的熱傳(chuan) 導性能使其在高泵浦功率下更適合在高重頻電光調 Q 下運轉，是一種十分有發展前景和應用潛力的增益介質。

2 電光調 Q 激光器的脈衝(chong) 寬度

電光調 Q 技術屬於(yu) 快開關(guan) 技術，較快的響應速度使其本身可獲得窄脈寬激光輸出。根據ZAYHOWSKI J J 等的電光調 Q 理論[42]可知，腔長和重複頻率會(hui) 影響激光器的脈衝(chong) 寬度。在電光調 Q 快開關(guan) 速度基礎上，通過壓縮腔長、降低重複頻率可獲得窄脈寬激光輸出。為(wei) 了在高重複頻率條件下亦獲得窄脈寬激光輸出，可利用電光腔倒空調 Q 技術，該電光調 Q 技術輸出脈衝(chong) 寬度與(yu) 重複頻率無關(guan) 。下麵從(cong) 電光調 Q 開關(guan) 的快開關(guan) 能力、短腔法和電光腔倒空技術三方麵，對高重頻窄脈寬電光調 Q 激光器的發展進行綜述。

2.1 快速電光調 Q 開關(guan)

電光調Q開關(guan) 可以在諧振腔損耗非常大和非常小之間快速轉換，可以在10-8秒內(nei) 完成一次開關(guan) 作用，是一種產(chan) 生窄脈寬激光的有效方法，脈衝(chong) 寬度在納秒量級，很容易獲得 10 ns 以下的穩定脈衝(chong) 輸出[12]。

2010 年，唐昊等[25]利用 LD 端麵連續泵浦 Nd:YVO4晶體(ti) ，LGS 普克爾盒作為(wei) 電光調 Q 開關(guan) ，設計高效穩定諧振腔，獲得了重複頻率 30 kHz、脈衝(chong) 寬度 9.1 ns 的激光輸出。

2019 年，胡星等[18]利用 LD 端麵連續泵浦 Nd:YVO4晶體(ti) ，采用 RTP 晶體(ti) 對作為(wei) 電光調 Q 元件，通過減小熱效應和模式匹配技術，在重複頻率為(wei) 200 kHz 時，獲得了脈衝(chong) 寬度 9 ns 的高重頻窄脈寬穩定激光輸出。

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

2.2 短腔法

根據 ZAYHOWSKI J J [42]等的電光調 Q 理論分析可知，當激光晶體(ti) 、泵浦功率、振蕩激光光斑尺寸和重複頻率確定時，諧振腔長度越短，脈衝(chong) 寬度越窄[29]。為(wei) 獲得窄脈寬激光輸出，可通過縮小光學元件的尺寸或者采用退壓式電光調 Q 等方式減少腔內(nei) 光學元件，進一步壓縮諧振腔腔長，獲得窄脈寬激光輸出。

2010 年，張贇珅等[44]利用 LD 端麵泵浦帶有 10°楔角的 Nd:YVO4晶體(ti) ，采用 LGS 晶體(ti) 作為(wei) 電光調Q 元件，獲得效率高、脈寬窄、結構緊湊的小型化激光器。增益介質采用帶有楔角的 Nd:YVO4 晶體(ti) 代替檢偏器，具有簡化腔內(nei) 元件、縮短腔長、降低損耗的優(you) 點，有利於(yu) 提高輸出激光的轉換效率和窄脈寬激光輸出性能。實驗最終獲得重複頻率 1 kHz、單脈衝(chong) 能量 2.2 mJ、脈衝(chong) 寬度 6.3 ns 的激光輸出。

2018 年，商繼芳等[10]研製了一種基於(yu) LN 電光調 Q的高重複頻率窄脈寬短腔激光器。激光增益介質采用具有較大受激發射截麵和較短熒光壽命的 Nd:YVO4 晶體(ti) ，激光晶體(ti) 泵浦端麵鍍有 1 064 nm 全反膜代替後腔鏡，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 Q 方式，省去了四分之一波片，進一步縮短腔長。設計的激光器諧振腔長度僅(jin) 為(wei) 20 mm，獲得了最大重複頻率 15 kHz、單脈衝(chong) 能量 238 μJ、脈寬 5.4 ns 的穩定激光輸出。緊湊型電光調 Q 激光器示意圖如圖 6 所示。

電光調 Q 短腔法獲得窄脈寬激光輸出，往往通過增益介質端麵鍍膜代替腔鏡和另一端麵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 Q 方式則可以省去四分之一波片，進一步壓縮腔長。其中，相比於(yu) 電光晶體(ti) 調 Q 方式，采用電光偏轉器調 Q使諧振腔內(nei) 除偏轉器外，無需增加其他任何腔內(nei) 元件即可實現調 Q 運轉，有效壓縮腔長，減小插入損耗，易於(yu) 獲得窄脈寬激光輸出[31]。

2016 年，王旭等[31]利用 LD 連續端麵泵浦 Nd:YVO4激光晶體(ti) ，采用四電極結構 RTP 電光偏轉器作為(wei) 調 Q 開關(guan) 獲得窄脈寬激光輸出。當重複頻率為(wei) 5 kHz 時，獲得了單脈衝(chong) 能量 244 μJ、脈衝(chong) 寬度 1.0 ns的調 Q 脈衝(chong) 輸出；在重複頻率為(wei) 20 kHz 時，獲得了單脈衝(chong) 能量 134 μJ、脈衝(chong) 寬度 2.2 ns 的調 Q 脈衝(chong) 輸出。相比於(yu) 電光晶體(ti) 調 Q 激光器，利用電光偏轉器調 Q 縮短了腔長，獲得高重頻窄脈寬激光輸出，使激光器結構更為(wei) 緊湊。

2.3 電光腔倒空

根據 ZAYHOWSKI J J 等[42]的電光調 Q 理論分析可知，激光脈衝(chong) 寬度受重複頻率限製，傳(chuan) 統電光調Q 技術獲得激光脈衝(chong) 寬度隨重複頻率提高而明顯加寬。電光腔倒空技術是一種用於(yu) 產(chan) 生高重頻窄脈寬的特殊調 Q 技術。一般電光調 Q 激光器的儲(chu) 能單元為(wei) 激光增益介質，而電光腔倒空的儲(chu) 能單元為(wei) 諧振腔，使得電光腔倒空激光器獲得激光脈寬與(yu) 重複頻率無關(guan) ，隻與(yu) 諧振腔腔長和調 Q 開關(guan) 速度有關(guan) 。理論上來說，隻要調 Q 開關(guan) 的開關(guan) 速度足夠快，電光腔倒空激光器獲得的脈衝(chong) 寬度就等於(yu) 振蕩激光在腔內(nei) 的往返渡越時間[45]。

2006 年，MCDonAGH L 等[46]進行了電光腔倒空技術與(yu) 傳(chuan) 統電光調 Q 技術的對比實驗。實驗采用888 nm LD 端麵泵浦 Nd:YVO4，BBO 作為(wei) 電光調 Q 開關(guan) 。采用傳(chuan) 統電光調 Q 技術，脈寬從(cong) 重複頻率為(wei) 20 kHz 條件下的15 ns 變為(wei) 重複頻率為(wei) 100 kHz 條件下的45 ns；然而，利用電光腔倒空技術在不同重頻下，脈寬穩定在 6±0.2 ns。利用電光腔倒空技術，最終獲得重複頻率 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(ti) 的熱效應，采用 BBO 晶體(ti) 作為(wei) 電光腔倒空的調 Q 元件。通過優(you) 化諧振腔，使激光器在寬泵浦範圍保持穩定，提高泵浦光與(yu) 振蕩光的模式匹配。在重複頻率為(wei) 500 kHz 的條件下，獲得單脈衝(chong) 能量 20 μJ、脈衝(chong) 寬度 6 ns 的穩定激光輸出。電光腔倒空激光器結構示意圖如圖 7 所示。

綜上所述，電光調 Q 激光器獲得高重頻窄脈寬激光輸出，在電光調 Q 開關(guan) 快速關(guan) 通能力的基礎上，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端麵鍍膜代替腔鏡，以及增益介質另一端麵以布儒斯特角切割代替偏振片來進行，而采用退壓式電光調 Q 可去除四分之一波片，進一步壓縮腔長。采用電光偏轉器調 Q 使諧振腔內(nei) 除偏轉器外，無需增加其他任何腔內(nei) 元件即可實現調 Q 運轉，有效壓縮腔長，減小插入損耗，更容易獲得窄脈寬激光輸出。然而提高重複頻率，脈衝(chong) 寬度會(hui) 相應展寬，利用電光腔倒空調 Q 輸出脈衝(chong) 寬度與(yu) 重複頻率無關(guan) 的特性，可獲得更高重複頻率窄脈寬激光輸出。

3 電光調 Q 激光器的單脈衝(chong) 能量

通過以上介紹，單激光棒電光調 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衝(chong) 能量通常較低，限製了其在許多領域的應用。為(wei) 了獲得較大單脈衝(chong) 能量激光輸出，可以在振蕩器內(nei) 增加增益介質的個(ge) 數，即在振蕩器內(nei) 采用雙棒串接技術可提高振蕩器的輸出能量。除此之外，為(wei) 了獲得大能量激光輸出，在振蕩器外應用主振蕩功率放大技術 MOPA（Master Oscillator Power Amplifier），可獲得高重頻、窄脈寬、大能量激光輸出。下麵從(cong) 雙棒串接技術和主振蕩功率放大技術兩(liang) 方麵，對高重頻大能量電光調 Q 激光器的發展進行綜述。

3.1 雙棒串接技術

由於(yu) 熱效應導致激光晶體(ti) 產(chan) 生折射率梯度的變化，會(hui) 嚴(yan) 重影響激光的模式分布和大能量激光輸出。為(wei) 了獲得高重複頻率、高增益和基橫模輸出，就要避免高泵浦下激光晶體(ti) 的熱效應。為(wei) 了降低激光晶體(ti) 內(nei) 的熱效應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(nei) 采用多個(ge) 激光晶體(ti) 組合，特別是在諧振腔內(nei) 采用雙棒激光晶體(ti) 組合獲得大能量激光輸出。在相同泵浦情況下，與(yu) 單棒激光器相比，雙棒激光器還可擴大穩區範圍[47]。

2014 年，沈兆國等[48]為(wei) 獲得高重頻窄脈寬大能量激光輸出，采用雙棒串接技術，獲得百瓦量級激光輸出。采用 LD 側(ce) 麵泵浦兩(liang) 塊完全相同的 Nd:YAG，LN 普克爾盒作為(wei) 調 Q 元件，獲得重複頻率 10 kHz、脈衝(chong) 寬度 5 ns、單脈衝(chong) 能量 24 mJ 的大能量激光輸出。

2018 年，周丹丹等[49]采用電光調 Q 技術和雙棒串接結構，利用低吸收係數的 914 nm 泵浦光抽運兩(liang) 塊 Nd:YVO4晶體(ti) ，提高了激光器的熱穩定性。在 BBO 晶體(ti) 作為(wei) 電光開關(guan) 、重複頻率為(wei) 7 kHz 的條件下，獲得了脈衝(chong) 寬度 5 ns、單脈衝(chong) 能量 5 mJ 的穩定脈衝(chong) 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

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

3.2.1 固體(ti) 棒狀放大技術

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

2018 年，陸俊等[5]研製了一台基於(yu) Nd:YVO4 晶體(ti) 的高效率、結構緊湊的雙波長激光器。該激光係統采用主振蕩功率放大結構，振蕩級采用 808 nm 端麵泵浦 Nd:YVO4，BBO 作為(wei) 電光調 Q 開關(guan) 獲得重複頻率 5 kHz、單脈衝(chong) 能量 400 μJ、脈衝(chong) 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(liang) 級放大，獲得單脈衝(chong) 能量2.72 mJ、脈衝(chong) 寬度 1.03 ns 的基頻光輸出。通過LBO腔外倍頻，獲得了重複頻率5 kHz、單脈衝(chong) 能量 1.54 mJ、脈寬 910 ps 的 532 nm激光和重複頻率5 kHz、單脈衝(chong) 能量1.18 mJ、脈寬 1.1 ns 的 1 064 nm 激光的雙波長激光脈衝(chong) 輸出。MOPA 光學原理圖如圖 9 所示。Nd:YVO4 級聯放大器光學原理圖如圖 10所示。

3.2.2 固體(ti) 板條放大技術

激光器采用固體(ti) 棒狀主振蕩–功率放大技術，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係統中，隨著種子激光功率不斷被放大，其光斑半徑變化較小，導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元器件的損傷(shang) 。在激光二極管部分端麵泵浦混合腔板條激光器（Innoslab laser）放大技術中，種子激光往返通過板條放大增益介質，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於(yu) 過高而導致光學元器件損傷(shang) 。由振蕩器輸出的高重頻、低能量種子激光，經過設計合理的結構，利用 Innoslab 激光放大技術可獲得大能量激光輸出[51]。

2017 年，毛葉飛等[52]采用 Innoslab 激光放大技術獲得重複頻率 5 kHz、單脈衝(chong) 能量 25 mJ、脈衝(chong) 寬度 3 ns 的激光輸出。種子源為(wei) 電光調 Q Nd:YVO4激光器，獲得重複頻率 5 kHz、單脈衝(chong) 能量 0.3 mJ 的種子光。放大級采用摻雜濃度為(wei) 0.6%的 Nd:YAG 板條晶體(ti) ，尺寸為(wei) 40 mm×14 mm×1 mm。種子激光經過 12 程放大，最終獲得單脈衝(chong) 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]報道了一台高平均功率、高重頻、窄脈寬的激光器。種子源為(wei) 電光調Q Nd:YVO4激光器，獲得重複頻率 100 kHz、單脈衝(chong) 能量 400 μJ、平均功率 40 W 的種子光。采用Innoslab 放大技術，放大級增益介質為(wei) 摻雜濃度 0.6%的 Nd:YAG板條晶體(ti) ，尺寸為(wei) 40 mm×14 mm×1.4 mm。放大級通過七通放大將種子光有效放大，最終獲得重複頻率100 kHz、單脈衝(chong) 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 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(nei) 的增益介質數量，或者在振蕩器外采用主振蕩功率放大技術來實現。雙棒串接結構可以有效降低激光晶體(ti) 內(nei) 的熱效應，提高激光脈衝(chong) 能量輸出。在此基礎上，若泵浦方式采用帶內(nei) 直接泵浦，雙棒激光晶體(ti) 采用鍵合晶體(ti) ，將進一步降低激光晶體(ti) 的熱負荷，獲得大能量激光輸出。采用主振蕩功率放大技術是獲取大能量激光輸出的有效手段，固體(ti) 棒狀放大技術是主振蕩功率放大技術的經典方式。為(wei) 了防止放大激光峰值功率密度過高導致光學元件損壞，固體(ti) 板條放大技術應運而生，進一步提高了激光器的輸出能量。

4 結束語

全固態高重頻電光調 Q 激光器是固體(ti) 激光器的一個(ge) 重要分支，具有遠大的發展前景和無窮的應用潛力。據目前報道的激光器指標參數，電光晶體(ti) 調 Q 激光器的重複頻率已達百赫茲(zi) 量級。隨著電光晶體(ti) 性能的逐漸完善，預期激光器的重複頻率會(hui) 有更大的提高。電光偏轉器調 Q 激光器使重複頻率提高至兆赫茲(zi) 量級，但是國內(nei) 電光偏轉器發展還不夠成熟，獲得的重複頻率低於(yu) 國外指標。除了電光調 Q 元件外，增益介質亦會(hui) 影響激光器的重複頻率。目前，全固態高重頻電光調 Q 激光器主要采用 LD 端麵泵浦Nd:YVO4，而 Nd:GdVO4同樣具有較短的上能級壽命，並且熱傳(chuan) 導特性優(you) 於(yu) Nd:YVO4，因此將來有可能超越 Nd:YVO4成為(wei) 高重頻電光調 Q 的主要增益介質。電光調 Q 開關(guan) 的快速響應速度使其可獲得納秒級窄脈寬激光輸出，采用短腔法可進一步壓窄脈寬，但是脈衝(chong) 寬度隨重複頻率的提高會(hui) 相應展寬。而采用電光腔倒空調 Q 技術則可以在高重複頻率下獲得窄脈寬激光輸出，脈衝(chong) 寬度與(yu) 重複頻率無關(guan) 。單棒電光調 Q 振蕩器可獲得高重頻窄脈寬激光輸出，但由於(yu) 其對超短諧振腔及優(you) 異光束質量的依賴，由振蕩器輸出的單脈衝(chong) 能量通常較低，為(wei) 微焦量級。為(wei) 了獲得大能量激光輸出，通過振蕩器內(nei) 雙晶體(ti) 棒串接或者振蕩器外采用主振蕩功率放大技術，可獲得毫焦量級的大能量激光輸出。為(wei) 了獲得穩定高重頻窄脈寬大能量激光輸出，除了采用必要的結構或者激光放大方式之外，對增益介質的材料特性、光學元件的損傷(shang) 閾值等有了更高的要求。隨著電光調 Q 元件可靠性技術不斷提高、增益介質製備技術不斷成熟、相關(guan) 科學研究的不斷深入與(yu) 工業(ye) 技術的不斷發展，全固態電光調 Q 激光器憑借其輸出重複頻率高、脈衝(chong) 寬度窄、單脈衝(chong) 能量大的優(you) 勢，將廣泛應用於(yu) 激光雷達、激光測距、激光精密加工和光通信等眾(zhong) 多領域。