角抽運Nd：YAG復合板條946nm連續運轉激光器*

劉歡 王巍 鞏馬理

(清華大學精密儀器與機械學系,摩擦學國家重點實驗室,激光與光子技術研究室,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光子與電子技術研究中心提出的一種抽運方式,具有自主知識產權[1-3].近年來,作者所在研究小組已經成功實現了千瓦級連續輸出的二極管角抽運Yb：YAG激光器穩定運轉[2],光光轉換效率高,但光束質量不高,像散比較嚴重,這限制了它的應用.目前,中小功率輸出的全固態基模激光器有著更加廣闊的應用前景.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點,又具有側面抽運均勻性高、功率擴展性強的優點[4-6].因此利用角抽運方式,開展中小功率全固態激光器的實驗研究具有十分重要的應用價值.

在中小功率固體激光器的發展過程中,通常使用Nd：YAG和Nd：YVO4作為增益介質,兩者都實現了較好的激光輸出[7-9].Nd：YAG的主要優點是熱機械性能好,而Nd：YVO4的主要優點是有效受激發射截面大,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射截面要求不高.Nd：YVO4的優點得不到充分發揮,所以在中小功率角抽運固體激光器增益介質的選擇中,采用Nd：YAG材料作為增益介質更為合適.我們已經成功實現了角抽運Nd：YAG復合板條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,946nm是準三能級激光系統,其受激發射截面小,再吸收損耗大,熱效應嚴重、諧振腔內寄生振蕩抑制困難,因此,連續輸出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,實現了946nm激光的室溫運轉.2001年,Goldring等[14]采用離子擴散鍵合晶體將連續運轉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體激光器端面抽運傳統的非離子擴散鍵合Nd：YAG棒和離子擴散鍵合Nd：YAG棒,成功將連續運轉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,首次實現了5.29W的連續946nm激光穩定輸出,光光轉換效率10.6%,斜效率12%.整臺激光器結構緊湊、簡單,體積小,成本低.

2 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示,LD bar的最大連續輸出功率為50 W,發光面積為10 mm×0.7 mm,有一定的發散角,激光介質角面的尺寸為3 mm×0.8 mm.實驗中采用由柱面透鏡組成的耦合系統對抽運光進行壓縮整形,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復合板條946 nm激光連續運轉激光器

實驗中采用了一塊單角 Nd：YAG復合板條,摻雜濃度為1.0 at.%.摻雜區域的尺寸為14 mm×0.8 mm×0.8 mm,兩條非摻雜區域的尺寸14 mm×3.5 mm×0.8 mm,在復合板條的一角沿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,因此熱效應比較嚴重,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區范圍,減少晶體熱效應對諧振腔的穩定性的影響,采用平凹線性短腔結構,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%.對于準三能級系統來說,激光下能級的粒子數與激光工作物質的溫度有關,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,這已經是制冷機的最低溫度.

3 實驗結果

圖2給出了946 nm激光連續輸出功率與注入抽運功率之間的關系曲線.當注入抽運功率為50 W時,連續輸出功率最高為5.29 W,光光轉換效率為10.6%,斜效率為12%.由圖2可知,當抽運功率為LD最大輸出功率時,946 nm激光連續輸出功率未達到飽和,因此如進一步增加抽運功率,則輸出功率可繼續增加.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946 nm單波長振蕩,而1064,1319和1338 nm激光已經被完全抑制.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.利用光譜儀監測了不同抽運功率時的激光器輸出譜線,均未發現1064,1319和1338 nm的激光振蕩.當946 nm激光輸出功率為5.29 W時,用Spiricon M2-200光束質量分析儀測量了946 nm激光的光束質量因子M2.經過仔細調節,946 nm激光的光束質量因子為7.71和2.44,測量結果如圖5所示.束腰寬度在x和y方向分別為682μm 和392μm.當注入抽運功率為50 W時,我們對946 nm激光連續輸出功率的短期不穩定性進行了實驗分析,每隔1 min讀取一個輸出功率,在10 min內,輸出功率的不穩定度小于0.5%,測量結果如圖6所示.

圖2 注入抽運功率與946 nm激光連續輸出功率的關系

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時光束質量因子測量曲線

圖6 當抽運功率為50 W時,946 nm激光連續輸出功率的短期不穩定性

4 結論

本文采用角抽運技術,首次進行了角抽運Nd：YAG/YAG 946 nm連續運轉激光器輸出特性的實驗研究,得到了比較理想的實驗結果.連續946 nm激光最高輸出功率達到5.29 W,光光轉換效率為10.6%,斜效率為12%.當946 nm激光輸出功率為5.29 W時,946 nm激光的光束質量因子為7.71和2.44.當注入抽運功率為50 W時,946 nm激光連續輸出功率的短期不穩定度小于0.5%.相比于采用傳統抽運技術的946 nm激光器,角抽運Nd：YAG/YAG 946 nm連續運轉激光器結構緊湊、體積小、調諧簡單;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構,輸出光束質量較差.由于946 nm是準三能級激光系統,增益較低,本實驗輸出功率和效率不高.因此,下一步考慮設計合理腔型,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高功率、高效率、高光束質量946 nm連續激光輸出.

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