摘要：板条放大器中寄生振荡的存在严重影响了激光放大器的效率，降低了板条晶体的储能。为抑制掠入射板条寄生振荡、提高晶体储能，对掠入射板条放大器的增益介质Nd:YVO4晶体进行了表面处理。该处理用离子溅射的方法，对板条的上下两个梯形面和梯形长边所在的矩形面镀锗，抑制板条内部的寄生振荡。通过实验对镀锗和未镀锗板条振荡器的自由振荡输出和调Q输出特性进行了对比，镀锗板条振荡器在调Q下的阈值电流降低了15%，晶体的储能提高了86.9%；而两种板条在调Q条件下输出的光束质量、脉宽大小、光斑形状基本一致。实验结果表明，板条表面镀锗是抑制其内部寄生振荡、提高储能的有效方法。
关键词：储能；板条结构；镀锗；寄生振荡
0 引言
高峰值功率、高光束质量、窄脉冲宽度的激光脉冲在激光探测、激光加工、科学研究等方面具有重要的应用价值和研究价值。为了获得高峰值功率、高光束质量、窄脉冲宽度的激光脉冲，激光器通常采用振荡-放大结构。由振荡器获得高光束质量的窄脉冲激光，放大器对振荡器获得的种子激光器进行放大，获得高峰值功率。对于半导体侧面泵浦掠入射板条放大器，种子光在放大器内部经历一次全反射，能够实现高增益、高光束质量激光放大，而且结构简单紧凑，有广阔的应用前景。
近年来,对窄脉宽、高峰值功率的板条放大器已经有了很多报道。例如：Takaharu Yoshino[1]等人设计了一种多通板条激光放大器，通过70 W的连续泵浦实现了对皮秒种子激光的高功率、高效率、高光束质量的放大。J.Morgenweg等人[2]首次在掠入射式板条放大结构中用880 nm准连续泵浦源，泵浦Nd:YVO4晶体，得到了近衍射极限的脉冲序列，其中每个脉冲的能量超过100 μJ，且强度稳定性超过1%。2015年Takashige Omatsu等人[3]在多通放大的板条放大器中通过在Nd:YVO4晶体上键合蓝宝石来解决结构中的热效应，得到了1 064 nm，脉宽8.8 ps，近衍射极限(M2＜1.1)的脉冲输出。其中平均输出功率达到44.5 W，光学效率达到56%。Mateusz Kaskow等人[4]使用堆叠式二极管在单通情况下，对比了不同入射角度和腔长下输出光的斜效率。并且在一通时，晶体内光线和晶体底边为4°的条件下，通过双通放大得到了超过20 mJ的能量输出。斜效率达到24.5%，光束质量为1.25。
但是在上述板条放大器中并没有对放大过程中产生的寄生振荡进行抑制，因此其效率都不够高。人们知道在放大过程中，特别是LD侧面脉冲泵浦时会易获得较高的泵浦功率[5]，由于增益区域内储能密度很高，晶体内部很小的剩余反射就会放大自发辐射，当自发辐射的增益超过损耗时就会在晶体内部建立起寄生振荡[6]。形成的寄生振荡会消耗密度高的反转粒子数，导致在放大过程中增益降低，影响晶体内能量的存取效率，进而影响了激光放大器的性能和效率[7-8]。为了使寄生振荡最小化，目前的常用方法是对掠入射板条切割一定的角度，通常为布儒斯特角，或者镀上增透膜，或者给侧面打毛[6]，但这些方法并未去除晶体内部高储能密度的寄生振荡。如：2001年M.J.Damzen等人[9]采用掠入射式侧面泵浦的激光振荡器中，使用1%掺杂的Nd:YVO4，板条尺寸22 mm×5 mm×2 mm，在5 mm×2 mm的两边上镀有增透膜，对晶体采用5°的切角来减小自激振荡。最终在连续泵浦功率35W时，多模时输出功率22.5 W，光光转换效率64%，斜效率72%。单模输出时功率13.8 W，光光转化效率40%。对板条晶体切角进行寄生振荡的抑制是常用的方法，然而这种方法只对光路振荡方向进行了抑制，未抑制由非通光面的反射引起的寄生振荡。除此之外还有对晶体进行玻璃包边的方式进行寄生振荡的抑制。2006年A.K.Sridharan等人在Zigzag激光放大器中比较了抛光/粗糙表面、晶体切角、晶体包边，这三种方法对寄生振荡的抑制[10]，但是玻璃包边的方式经常用在较大的晶体上,并且需要考虑热应力和折射率匹配等一些列问题[11]。
为了进一步抑制寄生振荡提高晶体储能，文中对Nd:YVO4掠入射板条进行切角、镀增透膜、侧面打毛的同时还对增益介质上下表面和侧面进行了表面处理，用离子溅射的方法镀锗来吸收板条晶体内部的自发辐射，抑制板条内部的寄生振荡从而提高晶体储能。文中分析比较了板条在镀锗和未镀锗条件下激光振荡器阈值的变化和阈值附近输出的能量大小。根据储能对比实验结果，晶体储能提高了86.9%。
1 对比实验系统结构
激光振荡器实验装置如图1所示。泵浦源采用808 nm、200 Hz、50 μs脉冲半导体bar侧面泵浦，增益介质选择为掺杂浓度为1 at%的Nd:YVO4。Nd: YVO4晶体沿a轴切割，尺寸为22 mm×5 mm×2 mm，板条晶体呈梯形，两侧切角13°，并且镀有1 064 nm增透膜，泵浦面镀808 nm增透膜，在两个梯形面上分别加铜热沉进行冷却，如图2所示。实验比较的两种板条，一种板条除三通光面，其他面未处理；另一板条用离子溅射的方法对其两个梯形大面，以及梯形板条长边所在的矩形表面(22 mm×2 mm)进行镀锗，如图3所示，镀锗层的厚度为1 μm，进行了单面镀锗层的小信号的吸收测量，得到此厚度下镀锗层对1064nm光的吸收可达99%，而且镀锗层大于1μm时，吸收率变化不大。实验中振荡光的角度为30°(晶体外部光线与晶体底边夹角)，为了提高输出脉冲的能量密度，分别采用焦距为170 mm和38.1 mm的柱透镜对泵浦光的快轴和慢轴方向进行压缩，压缩后泵浦光斑尺寸，水平方向4 mm，竖直方向0.5 mm。实验中为了获得调Q脉冲输出，在谐振腔内靠近全反镜一侧加入透过率T=4.78%的Cr:YAG调Q晶体，输出镜的透过率T=90%。
图1 振荡器结构俯视图
Fig.1 Construction of oscillator
图2 晶体与热沉整体图
Fig.2 Picture of Nd:YVO4bounce slab welt with heat sinks
图3 镀锗板条
Fig.3 Plating Ge slab
2 镀锗抑制寄生振荡的基本原理
晶体内部的自发辐射只要经过反射形成回路就会形成振荡消耗晶体上能级粒子数，实验中采用镀锗的目的就在于阻断晶体内部的自发辐射的反射形成振荡环路。
在不对晶体表面镀锗条件下，板条晶体内部的光束就会在水平和竖直方向形成振荡自激的闭合回路。在水平方向上，如果不镀锗就会在梯形长边所在的面(22 mm×2 mm)反射，形成寄生振荡环路，如图4所示。竖直方向，晶体内部自发辐射振荡的情况如图5所示，自发辐射在板条两个梯形大面之间来回反射，消耗晶体的能量。笔者对晶体的两个梯形大面，以及梯形板条长边所在的矩形表面(22mm×2mm)进行镀锗后，因为镀锗层对1 064 nm的光吸收为99%，所以当自发辐射的光达到此界面时绝大部分的光被镀锗层吸收，几乎没有自发辐射光发生反射，阻止了振荡环路的形成。晶体内自发辐射的光没有被放大，从而降低了自发辐射对晶体内部能量的损耗，提高了晶体储能。
图4 自发辐射在晶体内部水平方向的振荡
Fig.4 Oscillation of spontaneous radiation in the horizontal direction inside the crystal
图5 自发辐射在晶体内部竖直方向的振荡
Fig.5 Oscillation of spontaneous radiation in the vertical direction inside the crystal
3 对比实验结果及分析
为了验证板条镀锗会抑制晶体内部的寄生振荡提高晶体的储能，分别对镀锗和未镀锗的同尺寸板条晶体进行了实验比较。实验中分别比较了镀锗和未镀锗板条在自由振荡和调Q振荡下的输出。其中，自由振荡(不加Cr:YAG调Q晶体)的板条振荡器，除不含有Cr:YAG外，整体结构如图1所示，振荡器通过脉冲泵浦获得脉冲激光输出。调Q板条振荡器整体结构如图1所示，通过调Q获得脉冲。通过对比镀锗与未镀锗晶体在振荡器刚好输出脉冲激光时的阈值来比较两种晶体的储能能力。
通过图6可以看出，在自由振荡的条件下，镀锗板条振荡器在泵浦电流100 A时就开始有了输出，而未镀锗板条在155 A时才有输出。镀锗板条振荡器比未镀锗板条振荡器的阈值电流降低了35.5%。在180 A时镀锗晶体输出的脉冲能量是未镀锗晶体的5.9倍。
图6 自由振荡时输出能量图
Fig.6 Output energy free oscillation
图7 加调Q后输出能量图
Fig.7 Output energy with Q-switch
在腔内加入Cr:YAG调Q晶体时，镀锗板条振荡器的阈值为170A，而未镀锗板条的阈值为200 A。镀锗板条振荡器的阈值电流比未镀锗板条降低了15%。在230 A时，镀锗板条比未镀锗板条输出的脉冲能量提高了86.9%。
实验中还对两种不同板条振荡器在调Q模式下(加Cr:YAG调Q晶体)输出的光束质量、脉冲宽度、光斑形状进行了对比，如图8所示。其中，光束质量的测量，是在输出镜后加入f=125 mm的透镜对光束进行压缩，然后加入衰减片对光束进行衰减，然后通过CCD分别测出光束束腰前后对称位置光斑的直径，输入软件求得光束质量M2。
从图8中可以看出，镀锗板条输出的光斑光束质量X方向2.86，Y方向3.66；阈值处的脉冲宽度70.56 ns。未镀锗板条输出的光束质量X方向2.88，Y方向3.05；阈值处脉冲宽度70.49 ns。两种不同板条振荡器的以上两种输出参数十分接近，而且两者从CCD中读出的光斑形状也很相似。
图8 不同板条振荡器输出参数
Fig.8 Output parameter of different slab oscillators
以上实验现象和实现参数可以证明镀锗和未镀锗的板条在输出的光束质量、脉冲宽度、光斑形状都十分接近的条件下，镀锗的Nd:YVO4掠入射板条振荡器的阈值得到了降低，输出的脉冲能量有很大的提高。
4 结论
文中对掠入射板条放大器的增益介质Nd:YVO4晶体进行了表面处理，在板条除了通光面和泵浦面之外，用离子溅射的方法镀锗，吸收板条晶体内部的自发辐射光，抑制板条内部的寄生振荡。文中通过对比实验，分别对镀锗和未镀锗板条自由振荡和调Q下的输出特性进行了对比，根据对比实验结果，镀锗板条的阈值电流降低了15%，晶体的储能提高了86.9%。两种条件下输出的光束质量、脉宽大小、光斑形状十分接近。因此可以看出，表面镀锗抑制了板条内的寄生振荡，提高了掠入射Nd:YVO4晶体的储能能力。这对下一步进行的提高掠入射板条激光放大器的效率提供了新的方法和思路。
