LD雙端抽運板條Tm：YAP激光器研究

陳天宇，姜妍，溫雅，金光勇

（長春理工大學 理學院，長春 130022）

中紅外2μm波段的激光，具有大氣消光比較低且人眼安全的特點，可以作為激光成像雷達、多普勒相干測風雷達的重要光源［1］；由于2μm激光的輻射能引起凝固效應，有效減少手術過程中的出血現象，可應用于神經外科手術等醫療領域；2μm波段的激光是抽運中紅外OPO實現3～5μm、8～12μm中遠紅外激光輸出的理想泵浦源［2］。目前較為普遍與常用的獲得2μm激光的方式為泵浦單摻Ho3+基質，Ho3+激光器的最佳泵浦源即為1.9μm的激光［3-4］，Tm：YAP激光器是目前較為成熟的1.9μm固體激光器［5］，作為單摻Ho激光介質的泵浦源可以獲得高功率、高光束質量的2μm激光輸出。則獲得大功率，光束質量較好的1.9μm波段激光是獲得2μm激光的關鍵［6-7］，采用板條狀的Tm：YAP激光是由于其易于散熱，相同條件下，晶體內光場與溫度分布較為均勻，減小熱效應對激光輸出的影響，獲得高功率的1.9μm激光輸出，對研究高功率高光束質量的1.9μm激光器提供支持。

1 LD端面抽運板條Tm：YAP晶體內部熱溫度模型

在固體激光器中，晶體的熱效應是影響激光器大功率輸出的問題之一，模擬在激光器運行中晶體內部熱場分布，考慮晶體散熱面與晶體中心受熱產生的溫度梯度，考慮晶體內部與邊界溫度的差值，選擇橫截面較大的板條晶體作為研究對象，更有利于散熱面與水冷的接觸，減小晶體內部溫度分布，達到補償熱透鏡效應的方式［8］。通過建立板條狀Tm：YAP晶體的溫度分布模型，模擬了晶體內部的光場分布，并獲得晶體內最高溫度與最低溫度的差異，為下一步實驗研究提供指導和依據。

Tm：YAP晶體的基質為鋁酸釔晶體（YAP），該晶體是光學負雙軸晶體，具有各向異性的特點，彈性系數較小，因此熱應力對熱透鏡效應的影響較小，熱梯度對熱焦距的變化起主導作用。

圖1 LD雙端抽運Tm：YAP晶體結構示意圖

采用連續泵浦源雙端抽運Tm：YAP板條晶體，建立晶體的熱傳導方程如下：

采用雙端泵浦結構產生激光，則泵浦光從兩端進入晶體內，設入射到晶體內的泵浦光為高斯光束，則具有a×b×L尺寸的晶體的熱源函數可以表述為：

q0為晶體內的中心熱源函數，可以寫成：

圖2 LD雙端抽運Tm：YAP晶體內二維、三維光場分布圖

由板條Tm：YAP晶體內部的熱場分布，根據熱分析模型，該模型在熱傳導方程的基礎上，假設泵浦光為高斯光浦，采用不完全冷卻系統，側面通常用銦箔包裹放置在銅制散熱器中，冷卻液為蒸餾水。

在雙端LD抽運時，給定泵浦功率為40W（即每個面是20W的抽運功率），冷卻系統的溫度給定為Tc=285K。晶體內熱分布圖如圖3所示。

圖3 （a）、（b）為Tm：YAP晶體內溫度分布的二維、三維圖

圖3表示總的抽運功率為40W，晶體內部的溫度分布情況，即每端給定的抽運功率大約為20W左右，晶體的中心溫度與邊緣溫度分別為307K和291K，內外溫差為16℃。

晶體的熱主要集中在泵浦面上，慢慢向四周擴散，而晶體四周與水冷具有循環的過程，又會使四周的溫度可以較快的擴散，內部的問題擴散較慢，會形成較大的溫度梯度，改變晶體的熱透鏡焦距，影響諧振腔的穩定性，減低激光的輸出功率。

2 LD雙端抽運板條Tm：YAP激光器諧振腔設計

激光光學諧振腔是激光器的重要組成部分，激光諧振腔的長度和輸出鏡半徑是影響諧振腔穩定性的主要因素［9］。

為了增加Tm：YAP晶體的注入功率，實現高功率1.99μm激光輸出，采用雙端抽運的泵浦方式，為了達到雙端抽運的方式，只能使激光輸出于折線方向，諧振腔設計成“L”形腔［10］。

把激光晶體近似為一個焦距為f的薄透鏡，位于激光晶體的幾何中心。腔鏡M1為全反鏡，M2為45°全反鏡，M3為凹面輸出鏡，曲率半徑為R，M1到晶體中心的距離為L1，晶體中心到M2的距離為L2，M2到M3的距離為L3。則根據ABCD矩陣理論，諧振腔穩定性參數1/2（A+D）可表示為f與L1、L2+L3和R的解析表達以及諧振腔的穩區范圍圖。

圖4 Tm：YAP激光器諧振腔

以M1為參考面時光束在諧振腔內往返一次的傳輸矩陣為：

從圖中的穩區范圍可知，在R=100mm、300mm時，L1在0～60mm，L2+L3在0～90mm之間，諧振腔均能保持穩定性。

圖5 R=100、300時穩區圖

3 LD雙端抽運板條Tm：YAP激光器的實驗研究

3.1 諧振腔腔長對激光輸出的影響

如圖6所示，采用795nm泵浦源，聚焦鏡組的耦合比為1∶2，Tm∶YAP晶體為國產晶體，摻雜濃度為3at.%，a軸切割，尺寸為2×6×16mm3。

圖6 LD雙端抽運板條Tm∶YAP激光器實驗裝置

LD雙端抽運Tm∶YAP激光器的實驗的諧振腔選為“L”型平凹腔，選取T=10%，曲率半徑選取R=100，設定腔長60mm，80mm，100mm時，分別測量輸出功率。

改變諧振腔腔長，選取L分別為60mm，80mm，100mm時，斜率效率分別為29.01%、33.8%、34.4%，在腔長為100mm時獲得最大輸出功率為21.02W，此時的抽運功率為70.74W，光光轉換效率為29.7%。但由于選用的是兩個電源，在相同電流的時候輸出功率稍有差異，即晶體兩端的注入功率不能保持一致，晶體內的溫度分布不會如模擬那樣均勻，會有一邊大于另一邊的現象出現，也會影響激光器的輸出功率，中心波長等。

圖7 當R=100，T=10%時，改變諧振腔長度時輸出功率隨抽運功率變化曲線

3.2 輸出鏡透過率對激光輸出的影響

在諧振腔腔長為100mm時，當輸出鏡曲率半徑分別為R=100、R=200，R=300時，改變輸出鏡的透過率，分別選取T=5%、T=10%的輸出鏡，分別測量輸出功率。

圖8 選定T=5%時，R=100、200、300，輸出功率隨抽運功率變化曲線

圖9 選定T=10%時，R=100、200、300，輸出功率隨抽運功率變化曲線

在輸出鏡透過率T=5%時，R=100、200、300時，最大輸出功率分別為20.22W、21.02W、19.76W，斜率效率分別為29.24%、33.9%、34.1%，光光轉換效率為28.2%、29.7%、29.3%。在輸出鏡透過率T=10%時，R=100、200、300時，最大輸出功率分別為21.02W、21.25W、20.32W，斜率效率分別為34.4%、25.7%、27.4%，光光轉換效率為29.7%、25.6%、25.3%。可以看出在諧振腔腔長為100mm時，輸出鏡R=200，T=10%時，獲得最大輸出功率21.25W。通過對比得到，當輸出鏡透過率為10%時，在相同曲率半徑下，激光輸出功率更高，當輸出鏡透過率為5%時，在相同曲率半徑下，激光器斜率效率和光光轉換效率相對更高。

實驗中通過光譜儀采集輸出波長圖，中心波長為1988.5974nm，譜線寬度為2.247。圖10為輸出的光譜圖。

圖10 雙端抽運板條Tm：YAP激光器輸出光譜圖

4 結論

本文建立了板條狀Tm：YAP晶體的熱分布模型，模擬了雙端抽運晶體內部的光場分布以及晶體內溫度分布圖形；并采用雙端抽運的方式，在同等條件下進行實驗研究。當采用雙端抽運的方式，選用輸出鏡透過率為T=10%、曲率半徑為R=200，諧振腔腔長為100mm時，獲得了斜率效率為25.7%，光光轉換效率為25.6%，中心波長為1988nm的21.25W激光輸出。