程德華,蔣星晨,付 林,甄 佳,李業(yè)秋,張 岳,岱 欽

(沈陽(yáng)理工大學(xué),遼寧 沈陽(yáng) 110159)

1 引 言

近幾年來(lái),可見(jiàn)光波段的全固態(tài)激光器快速發(fā)展,其中波長(zhǎng)在600～660 nm的激光在彩色顯示、印刷、醫(yī)學(xué)、及激光通信等方面[1-2]有廣泛的應(yīng)用,對(duì)于可見(jiàn)光波段的固體激光器的研究[3-5]主要是通過(guò)非線性頻率變換,通常將近紅外光1064 nm、946 nm等轉(zhuǎn)化為二次或三次諧波得到。同時(shí),使用非線性頻率變換時(shí)采用的激光晶體也主要以Nd∶YAG、Nd∶YVO4、Nd∶GdVO4等晶體。Pr∶YLF晶體因其可直接產(chǎn)生可見(jiàn)光激光輸出,近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛關(guān)注和深入研究。

2004年,A.Richer等人[6]采用442nm LD泵浦 Pr3+∶YLF晶體,獲得了639.7 nm紅光輸出。2012年,Ryo Abe等人[7]采用Cr:YAG作為PrYLF激光器的被動(dòng)調(diào)Q可飽和吸收晶體,輸出脈寬為389 ns、功率為789 mW的639 nm激光。2021年,Moritz Badtke等人[8]采用Co:MgAl2O4作為Pr∶YLF激光器的被動(dòng)調(diào)Q可飽和吸收晶體,輸出8.5 ns的長(zhǎng)脈沖,脈沖能量為1.3 μJ的640 nm激光。在國(guó)內(nèi),2012年,黃舜林等人[9]采用444 nm藍(lán)光LD泵浦長(zhǎng)度5 mm、摻雜濃度為0.5 %Pr∶YLF晶體,獲得最高90.1 mW的綠光輸出。2015年,徐斌等人[10]使用444 nm藍(lán)光泵浦抽運(yùn)Pr∶YLF晶體,獲得了697.6 nm的連續(xù)深紅光輸出,最大輸出功率為348 mW。2021年,Xiuji Lin等人[11]使用二極管泵浦Pr3+∶YLF晶體,獲得了670.4 nm,674.2 nm和678.9 nm的激光,其最大輸出功率分別為2.60 W,1.26 W和0.21 W。

論文研究了LD端面泵浦Pr∶YLF激光器,通過(guò)建立熱效應(yīng)模型,模擬分析了不同摻雜濃度晶體的溫度場(chǎng)變化,通過(guò)對(duì)激光器泵浦耦合系統(tǒng)以及輸出鏡的透射率等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了LD泵浦Pr∶YLF固體激光器的高功率、高效率輸出。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

Pr∶YLF紅光激光器實(shí)驗(yàn)光路如圖1所示。采用激光二極管(LD)端面泵浦,中心波長(zhǎng)為443.9 nm,選用兩個(gè)焦距為15 mm的耦合透鏡,組成耦合光學(xué)系統(tǒng)。為提高傳輸效率,L1透鏡和L2透鏡都鍍有443.9 nm的增透光學(xué)膜,為了不影響諧振腔模和泵浦光的模式重疊,得到高的輸出效率,激光腔選用平凹穩(wěn)定腔,由于Pr∶YLF晶體在可見(jiàn)光波段有多個(gè)波長(zhǎng)的受激輻射,綠光522 nm、紅光640 nm、深綠光698 nm和720 nm等波長(zhǎng)。所以輸出腔鏡膜系必須抑制掉其他臨近波長(zhǎng)的激射,M2輸出鏡對(duì)泵浦光高反,對(duì)鄰近波長(zhǎng)522 nm和698 nm有較高的透射率來(lái)抑制這些波長(zhǎng)。反射鏡M1對(duì)泵浦光高透,對(duì)640 nm高反(反射率為99.7 %),Pr∶YLF晶體摻0.5 at %的Pr3+離子,其大小為3 mm×3 mm×6 mm。

圖1 LD泵浦Pr∶YLF激光器實(shí)驗(yàn)裝置圖

3 LD端面泵浦Pr∶YLF晶體熱分析

由于晶體為方形結(jié)構(gòu),采用簡(jiǎn)約模型圖,選用平面坐標(biāo)系來(lái)描述,如圖2所示。

圖2 LD泵浦Pr∶YLF晶體模型

LD泵浦光強(qiáng)分布可以近似用高斯分布[12]來(lái)表示。當(dāng)泵浦光在Pr∶YLF晶體中傳播時(shí),考慮到激光晶體的吸收損耗,由于Pr∶YLF晶體的吸收系數(shù)與鐠離子的摻雜濃度有關(guān),晶體對(duì)444 nm的LD泵浦光的吸收系數(shù)表示為:

(1)

其中,α為晶體的吸收系數(shù);σ表示晶體的吸收截面;c為Pr3+摻雜濃度;NA為阿伏伽德羅常數(shù);M為基質(zhì)的摩爾質(zhì)量;ρ為晶體密度。Pr∶YLF晶體側(cè)面用銅制熱沉,端面與空氣對(duì)流換熱,得到了晶體內(nèi)部溫度場(chǎng)分布解析表達(dá)式:

(2)

Amnl=

(3)

其中,h為熱交換系數(shù);k為熱傳導(dǎo)系數(shù);q為熱功率密度。

對(duì)于不同的摻雜濃度晶體,摻雜濃度分別取0.25at %,0.5at %,0.75at %,1at %時(shí),模擬得到了晶體對(duì)泵浦光的吸收曲線如圖3所示。

圖3 不同摻雜濃度晶體的吸收曲線

可以看出,Pr∶YLF晶體摻雜濃度越大,晶體吸收泵浦光的效率越高,并且吸收長(zhǎng)度在2 mm以?xún)?nèi),光強(qiáng)變化最為顯著。

利用有限元法模擬分析了不同摻雜濃度激光晶體x軸方向溫度場(chǎng)分布,如圖4所示。

圖4 不同摻雜濃度晶體X軸方向溫度場(chǎng)分布

可以看出,隨著摻雜濃度的升高,晶體的前段整體溫度升高,晶體入射區(qū)域與出射區(qū)域溫度差值也不斷增大,致使晶體的后段整體溫度降低,溫度場(chǎng)分布均勻性越差。這是由于隨著摻雜濃度的提高,晶體的吸收系數(shù)也隨之增大,晶體吸收泵浦光的能力就越強(qiáng),大部分的泵浦光能量被晶體的輸入端面吸收。在其他條件不變的情況下,摻雜濃度較低時(shí),晶體吸收泵浦光的能力小,導(dǎo)致激光輸出功率降低,摻雜濃度太高時(shí),大部分的泵浦光能量被晶體的輸入端面吸收了,導(dǎo)致到達(dá)晶體中心及輸出端面能量極低,摻雜濃度過(guò)高也會(huì)引起濃度猝滅問(wèn)題。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由于LD發(fā)散角大,功率密度低,需要對(duì)泵浦光進(jìn)行整形耦合,考慮到泵浦耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊,盡量避免能量在光學(xué)元件傳輸過(guò)程中損失,采用單個(gè)焦距為15 mm的透鏡對(duì)泵浦光進(jìn)行整形耦合,得到了219 mW的最大輸出功率,光光轉(zhuǎn)換效率為11.7 %,整形后泵浦光束分布均勻性較差,功率密度較低。為進(jìn)一步降低閾值,提高輸出功率與轉(zhuǎn)換效率,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)優(yōu)化,采用兩個(gè)焦距為15 mm的透鏡組合進(jìn)行整形,減小光斑半徑,功率密度得到提升,有效降低了閾值,提高模式交疊效率和泵浦耦合效率。另外,分析優(yōu)化了輸出鏡透過(guò)率參數(shù),輸出鏡透過(guò)率分別為3.9 %和3.5 %時(shí),激光器輸出功率測(cè)量結(jié)果如圖5所示,可以看出,對(duì)于透射率為3.5 %輸出鏡,獲得640 nm激光最大輸出功率287 mW,光光轉(zhuǎn)換效率可達(dá)16.1 %,閾值為204 mW。

圖5 640 nm激光器輸入-輸出關(guān)系

對(duì)激光器輸出光束使用光束質(zhì)量分析儀(M2Beam Si)進(jìn)行M2因子測(cè)量,測(cè)量結(jié)果圖6所示。

圖6 640 nm激光器光束寬度的曲線擬合

5 總 結(jié)