劉歡 王巍 鞏馬理

(清華大學(xué)精密儀器與機械學(xué)系,摩擦學(xué)國家重點實驗室,激光與光子技術(shù)研究室,北京 100084)

(2012年12月21日收到;2013年1月31日收到修改稿)

1 引言

角抽運方式是清華大學(xué)光子與電子技術(shù)研究中心提出的一種抽運方式,具有自主知識產(chǎn)權(quán)[1-3].近年來,作者所在研究小組已經(jīng)成功實現(xiàn)了千瓦級連續(xù)輸出的二極管角抽運Yb：YAG激光器穩(wěn)定運轉(zhuǎn)[2],光光轉(zhuǎn)換效率高,但光束質(zhì)量不高,像散比較嚴(yán)重,這限制了它的應(yīng)用.目前,中小功率輸出的全固態(tài)基模激光器有著更加廣闊的應(yīng)用前景.角抽運方式作為一個種新的抽運形式,既具有端面抽運效率高、激光晶體冷卻方法簡單的優(yōu)點,又具有側(cè)面抽運均勻性高、功率擴展性強的優(yōu)點[4-6].因此利用角抽運方式,開展中小功率全固態(tài)激光器的實驗研究具有十分重要的應(yīng)用價值.

在中小功率固體激光器的發(fā)展過程中,通常使用Nd：YAG和Nd：YVO4作為增益介質(zhì),兩者都實現(xiàn)了較好的激光輸出[7-9].Nd：YAG的主要優(yōu)點是熱機械性能好,而Nd：YVO4的主要優(yōu)點是有效受激發(fā)射截面大,偏振輸出,有利于消除熱致雙折射帶來的影響.對于角抽運方式,由于其吸收光程比較長,因此對摻雜濃度和有效發(fā)射截面要求不高.Nd：YVO4的優(yōu)點得不到充分發(fā)揮,所以在中小功率角抽運固體激光器增益介質(zhì)的選擇中,采用Nd：YAG材料作為增益介質(zhì)更為合適.我們已經(jīng)成功實現(xiàn)了角抽運Nd：YAG復(fù)合板條1064nm激光[10],1319nm/1338nm雙波長激光[11],1.1μm多波長激光高效、穩(wěn)定輸出[12].

Nd：YAG晶體的另外一條非常重要的譜線是946nm譜線[13-16].相比于1064nm和1319nm等四能級激光系統(tǒng),946nm是準(zhǔn)三能級激光系統(tǒng),其受激發(fā)射截面小,再吸收損耗大,熱效應(yīng)嚴(yán)重、諧振腔內(nèi)寄生振蕩抑制困難,因此,連續(xù)輸出946nm激光器輸出功率的提高非常困難.1987年,Fan和Byer[13]首次采用LD端面抽運Nd：AYG晶體,實現(xiàn)了946nm激光的室溫運轉(zhuǎn).2001年,Goldring等[14]采用離子擴散鍵合晶體將連續(xù)運轉(zhuǎn)946nm激光器輸出功率提高到7.4W.2005年,Zhou等[15]利用高功率光纖輸出半導(dǎo)體激光器端面抽運傳統(tǒng)的非離子擴散鍵合Nd：YAG棒和離子擴散鍵合Nd：YAG棒,成功將連續(xù)運轉(zhuǎn)946nm激光器的輸出功率提高到8.3W和15.2W[15,16].

本文采用角抽運技術(shù),首次實現(xiàn)了5.29W的連續(xù)946nm激光穩(wěn)定輸出,光光轉(zhuǎn)換效率10.6%,斜效率12%.整臺激光器結(jié)構(gòu)緊湊、簡單,體積小,成本低.

2 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示,LD bar的最大連續(xù)輸出功率為50 W,發(fā)光面積為10 mm×0.7 mm,有一定的發(fā)散角,激光介質(zhì)角面的尺寸為3 mm×0.8 mm.實驗中采用由柱面透鏡組成的耦合系統(tǒng)對抽運光進(jìn)行壓縮整形,在快軸方向采用一個焦距為12.7 mm的柱面透鏡,在慢軸方向采用兩個焦距為30 mm的柱面透鏡,耦合效率達(dá)到95%以上.柱面透鏡兩面均鍍有對抽運光808 nm高透的膜層.

圖1 角抽運Nd：YAG復(fù)合板條946 nm激光連續(xù)運轉(zhuǎn)激光器

實驗中采用了一塊單角 Nd：YAG復(fù)合板條,摻雜濃度為1.0 at.%.摻雜區(qū)域的尺寸為14 mm×0.8 mm×0.8 mm,兩條非摻雜區(qū)域的尺寸14 mm×3.5 mm×0.8 mm,在復(fù)合板條的一角沿45°切一個倒角作為抽運光的入射面.板條晶體兩端鍍有對946 nm高透的膜層,入射面上鍍有對808 nm高透的膜層.946 nm的Nd：YAG激光器一般效率不高,因此熱效應(yīng)比較嚴(yán)重,為了提高散熱效果,我們在實驗中采用板條上下兩個大面散熱冷卻的方法,在板條上下兩個大面上覆蓋一層銦片,并將板條固定在通水的紫銅熱沉上,而且盡可能增加紫銅熱沉和Nd：YAG板條之間的壓力.

為了盡量擴展激光器的穩(wěn)區(qū)范圍,減少晶體熱效應(yīng)對諧振腔的穩(wěn)定性的影響,采用平凹線性短腔結(jié)構(gòu),腔長僅為20 mm.高反鏡(M1鏡)為一平鏡,鏡面上鍍有對946 nm高反(R＞99.5%),對1064 nm高透(T＞85%).輸出鏡(M2鏡)為一個曲率半徑50 mm的平凹鏡片,其凹面鍍有對946 nm透過率為5%的膜層.為了抑制1064 nm的寄生振蕩,這個膜層同時對1064 nm透過率大于90%.對于準(zhǔn)三能級系統(tǒng)來說,激光下能級的粒子數(shù)與激光工作物質(zhì)的溫度有關(guān),為了盡可能提高946 nm激光的輸出功率,我們將板條晶體的水冷溫度降到11°C,這已經(jīng)是制冷機的最低溫度.

3 實驗結(jié)果

圖2給出了946 nm激光連續(xù)輸出功率與注入抽運功率之間的關(guān)系曲線.當(dāng)注入抽運功率為50 W時,連續(xù)輸出功率最高為5.29 W,光光轉(zhuǎn)換效率為10.6%,斜效率為12%.由圖2可知,當(dāng)抽運功率為LD最大輸出功率時,946 nm激光連續(xù)輸出功率未達(dá)到飽和,因此如進(jìn)一步增加抽運功率,則輸出功率可繼續(xù)增加.在946 nm激光輸出功率為5.29 W時,我們利用光譜儀觀測了激光器輸出光譜,如圖3所示.觀測激光器成功實現(xiàn)946 nm單波長振蕩,而1064,1319和1338 nm激光已經(jīng)被完全抑制.同時測量了946 nm激光的譜線線寬,線寬為0.22 nm,如圖4所示.利用光譜儀監(jiān)測了不同抽運功率時的激光器輸出譜線,均未發(fā)現(xiàn)1064,1319和1338 nm的激光振蕩.當(dāng)946 nm激光輸出功率為5.29 W時,用Spiricon M2-200光束質(zhì)量分析儀測量了946 nm激光的光束質(zhì)量因子M2.經(jīng)過仔細(xì)調(diào)節(jié),946 nm激光的光束質(zhì)量因子為7.71和2.44,測量結(jié)果如圖5所示.束腰寬度在x和y方向分別為682μm 和392μm.當(dāng)注入抽運功率為50 W時,我們對946 nm激光連續(xù)輸出功率的短期不穩(wěn)定性進(jìn)行了實驗分析,每隔1 min讀取一個輸出功率,在10 min內(nèi),輸出功率的不穩(wěn)定度小于0.5%,測量結(jié)果如圖6所示.

圖2 注入抽運功率與946 nm激光連續(xù)輸出功率的關(guān)系

圖3 946 nm激光輸出功率5.29 W時,從900 nm到1400 nm的光譜圖

圖4 946 nm光譜圖

圖5 946 nm激光輸出功率5.29 W時光束質(zhì)量因子測量曲線

圖6 當(dāng)抽運功率為50 W時,946 nm激光連續(xù)輸出功率的短期不穩(wěn)定性

4 結(jié)論

本文采用角抽運技術(shù),首次進(jìn)行了角抽運Nd：YAG/YAG 946 nm連續(xù)運轉(zhuǎn)激光器輸出特性的實驗研究,得到了比較理想的實驗結(jié)果.連續(xù)946 nm激光最高輸出功率達(dá)到5.29 W,光光轉(zhuǎn)換效率為10.6%,斜效率為12%.當(dāng)946 nm激光輸出功率為5.29 W時,946 nm激光的光束質(zhì)量因子為7.71和2.44.當(dāng)注入抽運功率為50 W時,946 nm激光連續(xù)輸出功率的短期不穩(wěn)定度小于0.5%.相比于采用傳統(tǒng)抽運技術(shù)的946 nm激光器,角抽運Nd：YAG/YAG 946 nm連續(xù)運轉(zhuǎn)激光器結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、調(diào)諧簡單;另外由于采用LD bar條直接抽運,大大降低了整臺激光器的成本.但是實驗中采用短腔結(jié)構(gòu),輸出光束質(zhì)量較差.由于946 nm是準(zhǔn)三能級激光系統(tǒng),增益較低,本實驗輸出功率和效率不高.因此,下一步考慮設(shè)計合理腔型,采取增加板條晶體摻雜濃度,減少板條晶體長度,加強對板條晶體的冷卻,增加抽運功率等措施來實現(xiàn)高功率、高效率、高光束質(zhì)量946 nm連續(xù)激光輸出.

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