LD雙端同向偏振泵浦Tm∶YLF激光器

王睿明,李 玥,周冠龍,劉景良,陳薪羽

(長春理工大學理學院,吉林 長春 130022)

1 引 言

1.9 μm波段激光處于人眼安全范圍,且對大氣有較高的透過率。在激光遙感、醫療衛生、軍事領域有著重要的應用。由于1.9 μm波段處于大氣窗口,是激光遙感和探測的理想光源,目前應用在測風雷達、衛星空間遙感等方面,擁有很大的前景。在醫學方面也有很大的應用價值,用于微創手術有切除精度高,傷口小出血少的優點,極大程度減輕了患者的痛苦,也減少了術后感染的風險。隨著1.9 μm激光技術的進步,在軍事領域有很大潛力。可用于探測爆炸物,并且作為戰斗和導彈的重要制導手段,同時也能夠對敵方進行紅外激光對抗,達到干擾和軟殺傷的效果[1-5]。由于Tm∶YLF激光器輸[6-7]出的1.9 μm波段處于Ho晶體吸收峰,也可以作為Ho激光器的泵浦源[8-12]。YLF晶體有較長的上能級壽命,相比于YAP、YAG沒有熱致雙折射,光損傷閾值高等優點,但是Tm∶YLF晶體熱脆裂極限較低,由于泵浦光產生的廢熱,容易造成晶體內形成溫度梯度,在高功率時導致晶體碎裂。目前Tm∶YLF激光器輸出功率主要受限于溫度所引起的晶體內熱效應,并影響激光器轉化效率。Tm∶YLF是一種各向異性晶體,具有兩個偏振方向,本實驗利用這一特性,采用LD同向偏振泵浦的方式,將雙端的泵浦光轉換為同向偏振方向再注入晶體。相比非同向偏振泵浦,優化了泵浦結構,改善晶體熱效應,避免了晶體的兩端因吸收光聚焦強度不均而引起晶體炸裂。有效提高了晶體對泵浦光的吸收效率,進而提升了激光器的輸出功率。

2 理論與模擬

LD雙端偏振泵浦Tm∶YLF晶體激光器模型如圖1所示,泵浦光分別為I1、I2,泵浦光焦點分別為z1、z2,晶體四個側面包裹在水冷裝置中。

圖1 LD雙端偏振泵浦Tm∶YLF晶體模型示意圖

兩束泵浦光的光強分布函數分別可以表示為:

(1)

泵浦光強在偏振方向的投影如圖2所示,Iσ為泵浦光強投影到x方向的偏振分量,Iπ為泵浦光強投影到y方向的偏振分量。

圖2 泵浦光強在偏振方向的投影示意圖

考慮Tm∶YLF晶體對泵浦光的吸收,則根據Lambert-Beer定律[13],可得:

(2)

其中,d為吸收深度;I0為泵浦光強分布函數;β為偏振方向投影的夾角;απ、ασ分別為Tm∶YLF晶體在π、σ偏振方向的泵浦吸收系數。

根據泵浦光偏振理論,建立了在穩態條件下LD雙端偏振泵浦Tm∶YLF晶體熱分析模型,如圖1所示。室溫為Ta,晶體的兩個端面與空氣接觸,進行熱交換,四個側面保持恒定的水冷溫度Tw。

穩態條件下,LD雙端偏振泵浦Tm∶YLF晶體的熱傳導方程可以表示為:

Qv(x,y,z)=0 (0≤x≤a,0≤y≤b,0≤z≤l)

(3)

其中,T(x,y,z)為Tm∶YLF晶體任意一點溫度;κx,κy,κz分別為Tm∶YLF沿坐標軸x,y,z方向的熱傳導系數;Qv(x,y,z)為單位體積內的熱源密度函數。

邊界條件為:

(4)

其中,ha是空氣和晶體之間的對流傳熱系數。

利用Comsol軟件模擬分析,當雙端泵浦功率為50 W,束腰半徑為430 μm時,LD雙端非同向偏振泵浦與同向偏振泵浦Tm∶YLF晶體的溫度場分布情況。

在非同向偏振泵浦時晶體溫度分布如圖3所示,最高溫度為344 K,晶體通光軸最大溫差為4.6 K。在同向偏振泵浦時晶體溫度分布如圖4所示,最高溫度為332 K,晶體通光軸最大溫差為3.3 K。相比非同向偏振泵浦時最高溫度低12 K,晶體通光軸最大溫差低1.3 K。在同向偏振泵浦晶體時通光方向的溫差較小,遠低于晶體最高點溫度與最低點的溫差,晶體在通光方向因熱分布不均而產生的應力破壞遠小于晶體破損閾值。通過模擬可看出采用同向偏振泵浦增益介質的方法在提高增益介質的有效泵浦光吸收效率的同時熱效應較小。

圖3 LD雙端非同向偏振溫度分布圖

圖4 LD雙端同向偏振溫度分布圖

3 實驗裝置

LD同向偏振雙端泵浦Tm∶YLF激光器實驗裝置如圖5所示,泵浦源使用輸出波長為792 nm的LD光纖耦合模塊。Tm∶YLF晶體的尺寸為3 mm×3 mm×14 mm,沿a軸切割,摻雜濃度為3 %。晶體用銦箔包裹置于紫銅熱沉,采用水循環水冷機的制冷,溫度設置為17 ℃。采用長度為80 mm的“L”形諧振腔。

圖5 LD同向偏振雙端泵浦Tm∶YLF激光器實驗裝置示意圖

泵浦光經平凸透鏡f1聚焦透射至鍍有792 nm偏振分光器M1,泵浦光變為偏振光。π偏振光經平凸透鏡f2聚焦透射至鍍792 nm抗反膜和1910 nm高反膜的激光全反鏡M2,經激光全反鏡M2透射入射至Tm∶YLF激光晶體。σ偏振光經過f1,由全反鏡M4反射至半波片M5后轉變為π偏振光,π偏振光經全反鏡M6、M7反射至平凸透鏡f2,M4、M6、M7鍍有792 nm高反膜。經平凸透鏡f2后透射至兩面分別鍍1910 nm高反膜及792 nm高透膜的45°激光全反鏡M3,經45°激光全反鏡M3透射入射至Tm∶YLF激光晶體,Tm∶YLF晶體吸收同向π偏振泵浦光產生1910 nm激光輻射,經平凹輸出耦合鏡OC耦合輸出。

4 實驗結果

采用以上實驗裝置搭建實驗,激光器輸出特性如圖6所示,當不加入半波片的LD雙端非同向偏振泵浦Tm∶YLF激光器,注入47.43 W的功率時,能夠輸出激光14.28 W,斜效率為36.13 %。當半波片插入諧振腔時,LD雙端同向偏振泵浦Tm∶YLF激光器,相應的斜效率為37.26 %,提升1.13 %,由于插入半波片后同向偏振的泵浦光泵浦Tm∶YLF晶體,增加了晶體的吸收效率,通過優化泵浦結構,有效提高了晶體的增益。

圖6 LD雙端偏振泵浦Tm∶YLF激光器的輸出特性

使用以色列OPHIR公司研制的L150A-V1功率計,在不同耦合輸出鏡參數下測量激光器的輸出功率。實驗結果如圖7所示。

圖7 不同曲率半徑下的LD同向偏振雙端泵浦Tm∶YLF激光器的輸出特性

輸出耦合鏡曲率半徑和透過率分別為R=150 mm,T=15 %時,LD雙端共注入47.45 W時,激光器的輸出功率為15.22 W,泵浦閾值功率為5.01 W,相應的斜效率和光-光轉換效率分別為37.22 %,32.07 %。當R=200 mm時,泵浦閾值功率為6.52 W,光-光轉換效率和斜效率分別為30.02 %,38.54 %。當R=300 mm時,泵浦閾值功率為10.87 W,光-光轉換效率和斜效率分別為為9.89 %,13.86 %。由此看出,當輸出耦合鏡曲率半徑增加,激光器的泵浦閾值功率隨之增加；腔內損耗也隨之增加；輸出功率隨之降低；光-光轉換效率和斜效率隨之降低。激光器的最佳參數分別為,諧振腔長度L=80 mm,輸出耦合鏡透過率和曲率半徑為T=15 %,R=150 mm。

圖8 LD同向偏振雙端泵浦Tm∶YLF激光器輸出光譜圖

圖9 LD同向偏振雙端泵浦Tm∶YLF激光器的光束質量

5 結 論

本文采用了同向偏振泵浦技術,最終實現了LD雙端同向偏振泵浦Tm∶YLF激光器的1.9 μm高效輸出。實驗根據輸出耦合鏡不同曲率半徑對激光器輸出功率影響進行分析,當輸出耦合鏡曲率半徑R=150 mm,透過率T=15 %為最佳參數；諧振腔長度80 mm。實驗采用偏振分光器和半波片使泵浦光轉換為同向偏振光注入晶體,當泵浦功率為47.42 W時實現了14.72 W的功率輸出。波長為1907.6 nm,線寬1.26 nm。斜效率為37.24 %,光-光轉化效率為31%。通過優化泵浦結構,使晶體內溫度分布更均勻,改善晶體內熱效應,有效提高了激光晶體增益。