LD端面抽運1.3μm雙波長激光器研究

李鑄澎，孫芮，金光勇

（長春理工大學理學院，長春　130022）

LD端面抽運1.3μm雙波長激光器研究

李鑄澎，孫芮，金光勇

（長春理工大學理學院，長春130022）

對雙波長激光器的研究有助于改良通過差頻方式產(chǎn)生的太赫茲輻射。太赫茲在醫(yī)療診斷、物理成像、環(huán)境監(jiān)測等方面應用廣泛，近年來成為國內(nèi)外的研究熱點。首先通過鍵合Nd：YAG晶體產(chǎn)生1319nm和1338nm雙波長激光進行理論分析，并在此基礎(chǔ)上開展了實驗，獲得了5.94W的雙波長激光輸出，激光斜效率19.8%，光束質(zhì)量因子M2=1.39。

雙波長激光器；1.3微米雙波長

雙波長激光器有著自身獨特的優(yōu)勢，在光通信、光動力學醫(yī)療、光計算、非線性頻率變換、環(huán)境監(jiān)測、激光遙感、激光雷達等方面有廣泛的應用［1-3］，因此近年來成為了熱門的研究課題。運用非線性頻率變換的辦法可以得到1.3μm雙波長的差頻光波，從而可以產(chǎn)生相干的太赫茲波。太赫茲波具有抗干擾能力強、不易損壞被檢測物質(zhì)以及具有良好的穿透性等特點，可以實際應用在許多方面［4］。利用連續(xù)的雙波長激光，結(jié)合Q開關(guān)特性，獲得脈沖雙波長激光，能更好的探測金屬損傷，在工業(yè)、醫(yī)療等方面用途顯著［5-9］。因此，對雙波長激光器的研究是十分有必要的。

本文在腔長80mm，抽運功率為30W時，獲得了5.94W的最高連續(xù)雙波長激光輸出，激光斜效率為19.8%，中心波長1319.52nm處的激光光譜線寬為2.422nm，中心波長1338.56nm處的激光的光譜線寬為1.9376nm，遠場發(fā)散角為2.3mrad，光束質(zhì)量因子M2=1.39。

1　理論分析

采用鍵合Nd：YAG晶體作為激光晶體產(chǎn)生雙波長激光，根據(jù)晶體特有的四能級激光系統(tǒng)可以得到LD端面抽運方式的閾值公式［1］：

其中，i的不同取值代表不同的激光波長，l是激光晶體通光方向長度，Li為激光器腔內(nèi)固有損耗，ηQ，i為量子效率，σi為受激發(fā)射截面，τi為上能級熒光壽命，Ri為諧振腔輸出鏡反射率，Si（r，z）為歸一化狀態(tài)下激光腔模的強度分布，rp（r，z）為歸一化條件下抽運光強度在激光增益介質(zhì)內(nèi)的分布。

為了實現(xiàn)雙波長同時振蕩，需同時滿足兩個波長的閾值：

由公式（2）可知，1319nm和1338nm雙波長激光波長相差非常小，因此可以認為兩個波長的η，l，L，S（r，z），τ均相同。因此公式（2）可化簡為：

分別代入σ1319nm=0.87×10-19cm2，σ1338nm= 0.92×10-19cm2，腔內(nèi)固有損耗約為L=0.04，結(jié)果如圖1所示。R1和R2分別代表輸出鏡對1319nm和1338nm波長的反射率，由圖可知，當輸出鏡反射率對1319nm和1338nm波長基本相等時，可以使雙波長同時起振。

圖1　反射率對雙波長的影響

2　實驗裝置

結(jié)合理論分析，1.3μm雙波長激光器結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2　1.3微米雙波長激光器結(jié)構(gòu)圖

在圖2中，1為中心波長為808.1nm的LD抽運源，光纖輸出，光纖芯徑400μm；2和3為聚焦耦合透鏡組，焦距分別為50mm和100mm，采用該耦合透鏡組，可以使得聚焦到晶體上的光斑為800μm，剛好與激光諧振腔內(nèi)的振蕩模式相匹配；4為諧振腔全反射鏡，鍍有對808nm抽運光高透過率和對1.3μm的雙波長激光高反射率（R=99.9%）的膜系；5為鍵合Nd：YAG激光晶體，摻雜濃度為1.1%，尺寸為?3×（3.8+10.2+3.8）mm，晶體兩側(cè)鍍有對808nm抽運光和1.3μm激光同時高透過率的膜系，晶體采用循環(huán)水冷卻的方式進行散熱，溫度控制在20℃；6為諧振腔輸出鏡，鍍有對1.3μm雙波長激光部分透過率的膜系（T=10%）。

3　實驗結(jié)果與分析

圖3為不同諧振腔長下，平平諧振腔型下的測試結(jié)果。此時輸出鏡為平面鏡，透過率為10%。從圖3中可以看出，隨著腔長L的變化，在相同注入功率的情況下，輸出功率有所不同，腔長越短輸出功率越高，并且輸出越穩(wěn)定。這是由于諧振腔長越短，腔的無用損耗越小，越利于提高激光器的輸出功率和效率。當諧振腔長較長時，由于激光晶體熱焦距的存在，也會使得諧振腔的光學穩(wěn)定性變差，從而導致出光功率下降，斜效率降低。在這里，當諧振腔長為70mm時，激光諧振腔存在失穩(wěn)的情況，功率發(fā)生下降。但往往為了獲得調(diào)Q脈沖的雙波長激光輸出，諧振腔長應該大于70mm，為了在更長的腔長下獲得激光輸出，諧振腔的設(shè)計方案應該采用了平凹腔結(jié)構(gòu)。

圖3　平-平雙波長激光輸出功率與抽運功率的關(guān)系

圖4　平-凹腔雙波長激光輸出功率與抽運功率的關(guān)系

圖4為不同諧振腔長下，平凹諧振腔型下的測試結(jié)果。此時輸出鏡為平凹鏡，凹面的曲率半徑為R=200mm，透過率為10%。從圖4中可以看出，抽運功率為30W時，腔長為80mm下，可獲得最高的雙波長激光輸出5.94W，激光斜效率為19.8%。

實驗中采用端面泵浦方式，由于兩波長的激光處于同一上能級，且下能級是同一能級的不同斯塔克子能級，兩光波的波長非常近似，我們采用光譜儀對兩波長光強比例進行測量。使用YOKOGAWA公司生產(chǎn)，型號為AQ-6375的光譜儀觀察1319nm/ 1338nm雙波長激光器輸出光譜，當抽運功率為30W時，1319nm/1338nm雙波長激光器輸出光譜圖如圖5所示。

圖5　1319nm/1338nm雙波長激光光譜

此時，1319.52nm激光的光譜線寬為2.422nm，1338.56nm激光的光譜線寬為1.9376nm。在3小時內(nèi)，連續(xù)激光輸出穩(wěn)定，雙波長輸出功率比例接近1∶1。

圖6　1319nm/1338nm雙波長激光能量密度分布規(guī)律

使用Spiricon公司生產(chǎn)的型號為LBA-Pyrocam III的熱釋電面陣相機，對輸出的雙波長激光光斑的能量密度分布進行測量。為保護熱釋電紅外傳感器，在輸出鏡后加入衰減片，測得雙波長激光能量密度分布如圖6所示，（a）、（b）圖分別為雙波長激光二維與三維的能量密度分布圖，輸出的雙波長激光光束的對稱性很好，遠場發(fā)散角為2.3mrad。

在輸出鏡后加入一個焦距為150mm的聚焦透鏡，實現(xiàn)了遠場高斯光束的再現(xiàn)，使用熱釋電面陣相機測量雙波長激光的光束質(zhì)量，此時光束質(zhì)量因子M2=1.39。

4　結(jié)論

本文理論分析和實驗驗證了1.3μm雙波長激光器輸出的可能性，研究了不同腔長、腔型對輸出結(jié)果的實驗影響。實驗表明：在采用平凹腔型下，腔長為80mm，抽運功率為30W時，獲得了5.94W的最高連續(xù)雙波長激光輸出，激光斜效率為19.8%，中心波長1319.52nm處的激光光譜線寬為2.422nm，中心波長1338.56nm處的激光的光譜線寬為1.9376nm，遠場發(fā)散角為2.3mrad，光束質(zhì)量因子M2=1.39。

［1］劉歡，姚建銓，鄭芳華，等.LD端面抽運Nd：YAG 1319nm/1338nm雙波長激光器研究［J］.物理學報，2008，57（1）：230-237.

［2］魏勇，張戈，黃呈輝，等.1319和1338nm雙波長Nd：YAG脈沖激光輸出實驗研究［J］.強激光與粒子束，2008，20（1）：45-48.

［3］李斌，李永大，陳金強，等.LD泵浦Nd：YAG 946nm與1319nm雙波長運轉(zhuǎn)理論分析［J］.長春理工大學學報：自然科學版，2007，30（3）：23-25.

［4］Arne Thoma，Thomas Dekorsy.基于亞波長空間分辨平面太赫茲諧振器的二維頻率分辨成像［J］.長春理工大學學報：自然科學版，2012，35（3）：141-153.

［5］馮興陽，張劍家.高功率窄脈沖半導體激光器模塊的研究［J］.長春理工大學學報：自然科學版，2015，38（2）：6-9.

［6］柴洪亮.全固態(tài)雙波長及多波長激光器［D］.山東：山東師范大學，2007.

［7］鄭偉.Nd：YAG1064nm/1319nm雙波長激光器研究［D］.長春：長春理工大學，2011.

［8］王速.Nd：YAG1319nm/1338nm雙波長激光器的研究［D］.長春：長春理工大學，2013.

［9］魏勇，張戈，黃呈輝，等.1318.8nm/1338nm同時振蕩雙波長Nd：YAG激光器［J］.激光與紅外，2005，35（3）：164-166.

Study on 1.3μm Dual-wavelength Laser Pumped by LD

LI Zhupeng，SUN Rui，JIN Guangyong
（School of Faculty Science，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

The research on dual wavelength laser is helpful to improve the terahertz radiation generated by difference frequency method.Terahertz in medical diagnosis，physical imaging，environmental monitoring and other aspects of a wide range of applications，in recent years become a hot research at home and abroad.In this paper，the theoretical analysis of 1319nm and 1338nm dual-wavelength laser is produced by the simultaneous generation of Nd：YAG，and the corresponding computer simulation is carried out.The dual-wavelength laser output 5.94W，the laser slope efficiency of 19.8%，the beam quality factorM2=1.39.

Dual-wavelength laser；1.3 micrometer dual-wavelength

TN249

A

1672-9870（2016）04-0017-03

2016-03-20

長春市科技局項目（2013143）

李鑄澎（1994-），男，本科，E-mail：453069778@qq.com

金光勇（1971-），男，教授，博士生導師，E-mail：jgycust@163.com