王 瑋

深圳技師學(xué)院中德智造學(xué)院（廣東 深圳 518116）

0 引言

2 μm激光器在大氣傳輸中具有人眼安全特性，可作為激光雷達(dá)、激光測(cè)距機(jī)等的理想光源[1-3]。由于其覆蓋了水分子和二氧化碳分子的吸收帶，使激光很容易被生物組織吸收，因此還可以作為手術(shù)刀用于醫(yī)療。2 μm波段室溫運(yùn)行的固體激光器的應(yīng)用前景非常廣闊，已成為近年來國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一[4-6]。文章意圖設(shè)計(jì)一種2 μm波段的激光器，采用激光二極管LD端面泵浦，工作物質(zhì)為Tm：YAG，輸出波長(zhǎng)為2 013 nm。

1 激光介質(zhì)的能級(jí)結(jié)構(gòu)、泵浦源選擇以及工作物質(zhì)參數(shù)

Tm：YAG是準(zhǔn)三能級(jí)系統(tǒng)，對(duì)2 013 nm激光而言，3H6是激光下能級(jí)，3F4是激光上能級(jí)，3H4是抽運(yùn)高能級(jí)。離子從激光下能級(jí)3H6受激吸收躍遷到抽運(yùn)高能級(jí)3H4，然后從抽運(yùn)高能級(jí)無輻射躍遷到激光上能級(jí)，從激光上能級(jí)3F4向激光下能級(jí)可以受激輻射出光子，從而產(chǎn)生2 013 nm的激光。

由于需要產(chǎn)生2 013 nm的激光波長(zhǎng)，即3H6是激光下能級(jí)，3H4是抽運(yùn)高能級(jí)，對(duì)應(yīng)的是吸收中心波長(zhǎng)為785 nm的光，這樣就確定了泵浦中心波長(zhǎng)為785 nm。因此，選擇最大輸出功率20 W的光纖耦合半導(dǎo)體激光器為泵浦源，其中心波長(zhǎng)為792 nm，通過調(diào)整激光二極管溫度抽運(yùn)光波長(zhǎng)可控制到785 nm。光纖芯徑為200 μm，耦合系統(tǒng)對(duì)785 nm透過率為94%，泵浦方式為端面泵浦。

在工作物質(zhì)方面，選取Tm：YAG晶體，長(zhǎng)12 mm，直徑5 mm，摩爾摻雜濃度為3.5%，晶體折射率為1.82。晶體安裝在水冷模塊上，溫度控制在5～20 ℃。

2 激光器諧振腔設(shè)計(jì)

諧振腔采取平凹腔結(jié)構(gòu)，輸入鏡為平面鏡，輸出鏡為凹面鏡。在設(shè)計(jì)諧振腔的參數(shù)時(shí)，必須考慮熱透鏡效應(yīng)，而且Tm：YAG晶體的熱透鏡效應(yīng)比較嚴(yán)重，會(huì)嚴(yán)重影響激光諧振腔的穩(wěn)定。泵浦功率增大會(huì)導(dǎo)致熱透鏡焦距變小，可能會(huì)使諧振腔處于非穩(wěn)腔不出光。因此，必須在考慮熱透鏡效應(yīng)的基礎(chǔ)上，對(duì)激光諧振腔進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化。經(jīng)過測(cè)算，熱透鏡焦距約為80 mm。

采用ABCD矩陣進(jìn)行參數(shù)分析。輸入鏡M1曲率半徑為R1=100 m，距離晶體端面距離為z1，晶體長(zhǎng)度為l，腔長(zhǎng)為L(zhǎng)，輸出鏡M2曲率半徑為R2。將激光晶體產(chǎn)生的熱透鏡視為焦距為fT的薄透鏡，其位置應(yīng)為泵浦光在晶體內(nèi)的聚焦位置，定義該位置距晶體端面z2。具體示意圖如圖1所示。

圖1 諧振腔參數(shù)示意圖

考慮要在整個(gè)激光器中加入聲光晶體，而一塊聲光晶體的長(zhǎng)度不短于80 mm，加上激光棒長(zhǎng)12 mm，并且諧振腔輸入鏡與激光棒、激光棒與聲光晶體、聲光晶體與輸出鏡之間都要有間距，因此整個(gè)諧振腔的腔長(zhǎng)至少是100 mm。在編程計(jì)算中，可以令諧振腔腔長(zhǎng)L在100～150 mm范圍內(nèi)取值。以熱透鏡端面為參考面，諧振腔的ABCD矩陣可以寫為：

在以上參量中，已知量包括介質(zhì)折射率n=1.82，激光棒長(zhǎng)l=12 mm，熱透鏡焦距fT=80 mm；并且假設(shè)z1=7 mm，z2=5 mm，R2=120 mm。這樣未知量就只有L，然后根據(jù)穩(wěn)定腔條件以及模式匹配條件解出L。

3 諧振腔鍍膜要求

對(duì)輸入鏡而言，由于需要讓泵浦光785 nm有較大的損耗，從而無法在腔內(nèi)振蕩，因此其兩端都鍍785 nm的增透膜（T90%），同時(shí)在輸入鏡內(nèi)側(cè)鍍2 013 nm的全反膜（R99.9%），使2 013 nm有較低的損耗，可以在腔內(nèi)振蕩。對(duì)輸出鏡而言，其透過率不能太高，否則諧振腔損耗較大；透過率也不能太低，否則輸出激光功率低。因此，輸出鏡存在一個(gè)最佳透過率。通過測(cè)算與試驗(yàn)得出，在2 013 nm的總透射率是T=3.6%。對(duì)晶體而言，雙端均鍍785 nm增透膜（T90%）和2 013 nm增透膜（T99.9%），可以讓785 nm泵浦光得到充分利用，同時(shí)也可以降低2 013 nm激光的損耗。

4 耦合光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

因?yàn)楣饫w直徑為0.2 mm，而在工作物質(zhì)端面處的基模半徑為0.2 mm，所以設(shè)計(jì)了如下耦合光學(xué)系統(tǒng)：f1=50 mm，f2=100 mm；兩個(gè)透鏡的焦點(diǎn)f2與f1’重合，物（光纖端面）放在第一個(gè)透鏡的前焦面上。由應(yīng)用光學(xué)知識(shí)可知，前焦面上的物體發(fā)出的光經(jīng)過透鏡后平行出射，成為平行光。該束平行光入射第二個(gè)透鏡后，應(yīng)該匯聚在第二個(gè)透鏡的后焦面上，物像比為1∶2，從而實(shí)現(xiàn)模式匹配。

5 聲光調(diào)Q設(shè)計(jì)

將聲光Q開關(guān)插入激光諧振腔內(nèi)，當(dāng)聲光電源高頻振蕩信號(hào)加在聲光Q開關(guān)的換能器上時(shí)，形成的超聲波振動(dòng)會(huì)使聲光介質(zhì)產(chǎn)生彈性形變，導(dǎo)致介質(zhì)密度發(fā)生交替變化，從而引起介質(zhì)折射率的變化，其效果相當(dāng)于一個(gè)相位光柵。當(dāng)光束通過相位光柵時(shí)，入射光會(huì)發(fā)生布拉格衍射，衍射光偏離諧振腔，產(chǎn)生極大損耗。因此，可以概括聲光調(diào)Q的原理，即利用介質(zhì)中的超聲場(chǎng)對(duì)激光的衍射，造成光束的偏折，從而實(shí)現(xiàn)Q值突變。

聲光調(diào)Q開關(guān)時(shí)間一般小于光脈沖建立時(shí)間，屬于快開關(guān)類型。由于開關(guān)的調(diào)制電壓只需100多伏，所以可用于低增益的連續(xù)激光器，獲得峰值功率百千瓦、脈寬約為幾十納秒的高重復(fù)率巨脈沖。但是，聲光開關(guān)對(duì)高能量激光器的開關(guān)能力差，不宜用于高能調(diào)Q激光器。

6 激光器結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)參數(shù)

激光器的完整結(jié)構(gòu)如圖2所示。激光器參數(shù)如下：

圖2 激光器完整結(jié)構(gòu)示意圖

（1）耦合光學(xué)系統(tǒng)第二塊透鏡焦距100 mm；兩塊透鏡間隔150 mm，且兩者焦點(diǎn)重合；第二塊透鏡距離諧振腔輸入鏡88 mm。

（2）諧振腔參數(shù)：輸入鏡距離激光棒7 mm；泵浦光匯聚在距離激光棒內(nèi)位于激光棒前端面5 mm處；激光棒后端面距離諧振腔輸出鏡106 mm；諧振腔腔長(zhǎng)125 mm；諧振腔輸入鏡為平面鏡，輸出鏡為半徑120 mm的凹面鏡。

7 結(jié)論

由LD激光二極管發(fā)出的泵浦光經(jīng)過耦合系統(tǒng)與諧振腔模式匹配后，將Tm：YAG晶體激發(fā)，產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；同時(shí)，通過聲光晶體調(diào)Q使腔內(nèi)損耗很大，因此無法形成激光振蕩，粒子在上能級(jí)積累；在合適的時(shí)間將調(diào)Q裝置反轉(zhuǎn)，諧振腔內(nèi)的Q值迅速升高，損耗降低，從而使2 013 nm的激光在腔內(nèi)形成振蕩，能量?jī)A瀉而出，形成激光巨脈沖輸出。