LD 陣列雙端泵浦Tm：YLF 激光器

張鸞，李若冰，劉景良，陳薪羽

（長春理工大學 物理學院，長春 130022）

2 μm 波段激光處于人眼安全波段，以其獨特的光學性質，在醫學治療、激光遙感、激光測距、光電對抗等領域顯示出很大優勢［1-5］，同時又可以作為中紅外激光器的高效泵浦光源［6-9］。當前，國內外的研究人員在波段2 μm 的固體激光器對高功率輸出等方面展開了大量研究，2011年，上海光機所的程小勁等人［10］通過LD 雙端泵浦不同摻雜濃度下的Tm：YAP 和Tm：YLF 板條晶體，最終分別獲得72 W 和50.2 W 的最大輸出功率，泵浦功率為220 W，斜率分別為37.9%和26.6%。2017 年，長春理工大學的董航等人［11］通過單LD雙端泵浦板條Tm：YLF 晶體，在輸出鏡透過率為10%時，實現15.4 W 的激光輸出。2017 年，安朝衛等人［12］對激光二極管雙端抽運Tm：YLF 板條激光器展開了研究，獲得了波長為1 908 nm 的、連續穩定輸出功率為60.1 W、斜效率為39.8%的激光輸出。2017 年，北京理工大學的李巖等人［13］采用LD 雙端泵浦Tm：YLF 板條晶體，在輸出鏡透過率為20%時，實現25.9 W 的1 908 nm 激光輸出，斜率效率為40.7%。由以上研究結果可知，為實現高功率激光輸出，采用的方式各有不同，但由于Tm：YLF 具有嚴重的熱效應，限制了波段在2 μm 的摻Tm 激光器的輸出功率，為了降低晶體的熱效應，同時提高摻Tm 激光器的輸出功率，Kieleck 等人［14］將晶體的塊狀或棒狀結構改變為板條結構，同時還可以采用陣列泵浦的方式，通過改變泵浦光斑的大小來處理熱效應問題。因此本文將利用LD 陣列作為泵浦源，對板條Tm：YLF 晶體的高功率輸出開展研究。

1 理論分析

由于Tm：YLF 晶體的熱效應對輸出功率影響很大，研究晶體熱效應對激光器的設計有重要意義。本文對尺寸1.5 mm×12 mm×20 mm、摻雜濃度2.0at.%的Tm：YLF 板條晶體進行研究，晶體的熱穩態方程表示為：

其中，kx、ky、kz代表坐標系中不同方向的熱導率；T代表晶體的溫度分布；Qh代表晶體的熱源密度函數。

通過熱穩態方程，利用COMSOL 軟件對LD陣列雙端泵浦Tm：YLF 板條晶體的溫度分布進行仿真模擬。Tm：YLF 板條晶體熱仿真參數如表1 所示。

表1 Tm：YLF 板條晶體熱仿真參數

當雙端泵浦光斑尺寸均為4 mm×1 mm，泵浦功率為40 W 時對晶體熱分布進行仿真計算，得到Tm：YLF 板條晶體熱分布如圖1 所示。圖1（a）可知晶體兩端面泵浦中心溫度最高，為312.9 K，晶體兩邊由于沒有泵浦光進入，溫度最低，為水冷設置溫度292 K。晶體的溫度沿z軸方向的分布如圖1（b）所示，由中心向兩邊逐漸升高。在y軸方向的溫度分布情況如圖1（c）所示，由晶體兩邊向晶體中心逐漸升高，在晶體中心處溫度最大。

圖1 Tm：YLF 板條晶體熱分布

通過聚焦耦合系統可以將LD 陣列10 mm×10 mm 的泵浦光斑調整到不同尺寸。為防止晶體因熱效應嚴重損壞，同時又能夠保證高注入功率，可以通過改變不同泵浦光斑尺寸來滿足實驗需求。端面泵浦光斑尺寸x方向固定為1 mm，y軸方向的光斑尺寸可分別為2 mm、4 mm、6 mm、10 mm，在雙端泵浦功率均為40 W 的條件下對晶體進行熱仿真模擬，對不同光斑尺寸下晶體內z軸方向溫度分布進行對比。

由不同光斑尺寸下晶體內z軸方向等溫線如圖2，可知當y軸方向光斑尺寸分別為2 mm、4 mm、6 mm、10 mm 時，晶體內部最高溫度分別為327.8 K、312.9 k、305.7 K、299.9 K，晶體內部的最大溫差分別為12.4 K、7.1 K、4.9 K、2.9 K。可見隨著泵浦光斑尺寸減小，最高溫度及最大溫差均會增大，因此選擇合適的泵浦光斑尺寸能夠有效控制晶體熱效應。

圖2 不同尺寸光斑z 方向等溫線

從圖2 中可見，隨著光斑尺寸的增大，晶體內溫度整體呈下降趨勢。而當光斑大小為2 mm×1 mm時晶體內最高溫度明顯高于其他光斑尺寸，且隨著光斑尺寸的增大，晶體內的溫度差越來越小，這也就證明了晶體的熱效應現象受光斑尺寸的影響較大。

當y軸方向泵浦光斑尺寸在4～10 mm 時，晶體內的溫度變化比較平緩，在實驗中為了使晶體內最高溫度較低，且溫度分布均勻，既避免晶體損壞同時又能保證激光器的輸出，所以最終實驗選取光斑尺寸為4 mm×1 mm。

2 實驗結果及分析

LD 陣列雙端泵浦Tm：YLF 板條激光器實驗裝置示意圖如圖3 所示。首先在工作物質的兩端各放置一個泵浦源，為工作物質提供泵浦功率。工作物質使用a 軸切割的1.5 mm×12 mm×20 mm 的Tm：YLF 板條晶體，摻雜濃度為2.0at.%，晶體的兩個端面進行拋光鍍膜，在實驗過程中對晶體銀箔包裹，并放置在紫銅晶體夾中，晶體夾連接水冷，溫度控制在18 °C。

圖3 LD陣列雙端泵浦Tm：YLF板條激光器實驗裝置示意圖

由于本實驗進行雙端泵浦，因此采用“L”形諧振腔，諧振腔長度L=90 mm，L=L1+L2+L3。其中晶體中心到全反鏡M1的距離為L1；45°鏡M2到晶體中心的距離為L2；輸出鏡OC 到45°鏡M2為L3。由泵浦源LD 陣列發出的泵浦光尺寸為10 mm×10 mm，根據上述理論模擬計算，經過由F1、F2、F3三個柱透鏡組成的聚焦系統變換透過全反鏡M1（透泵浦光，全反激光）入射到晶體端面，最終泵浦光斑尺寸為4 mm×1 mm。另一端泵浦光束采用相同的聚焦變換系統，將泵浦光入射到工作物質內，最終激光在上述元件所組成的諧振腔中振蕩，由輸出鏡OC 輸出，利用功率計、示波器等對激光輸出參數進行測量。

根據上述理論分析及裝置進行實驗系統的搭建，為獲得高能量的激光輸出，首先選取了曲率半徑均為300 mm，透過率分別為15%、20%、30%、40%、50%的輸出鏡，實驗結果如圖4 所示。

圖4 不同輸出鏡透過率對激光器輸出特性的影響

結果表明，當透過率為15%、20%、30%時，激光器閾值分別為43.7 W、50.2 W、60.5 W，最大輸出功率分別為20.6 W、30.74 W、27.43 W，斜效率分別為15.6%、19.9%、18.5%。實驗中發現，輸出鏡選取透過率T=15%時激光器閾值最小，隨著透過率增大，激光閾值隨之增大。但在實驗過程中發現當注入功率達到一定值時，激光輸出不穩定，達到輸出極限，由此判斷透過率T=15%的輸出鏡不適合應用于功率較高的雙端陣列泵浦Tm：YLF 板條激光器。在輸出鏡透過率為20%和30%時，均出現此類狀況，因此透過率較低的輸出鏡并不適用于泵浦功率較高的雙端泵浦激光器中會限制更高泵浦功率下的激光器輸出。

經過上述實驗結果分析對比，再次選取透過率為40%、50%的輸出鏡進行實驗。當透過率為40%時，激光器閾值為74.9 W，當雙端最大輸入功率和為317.1 W 時，獲得穩定連續輸出功率為51.1 W、斜效率為21.1%的激光輸出。輸出鏡選取透過率為50%時，激光器閾值為74.9 W，當雙端最大輸入功率和為317.1 W 時，輸出激光的功率為42.8 W，斜效率為17.7%，輸出效果明顯高于低透過率下的激光輸出。

通過實驗結果分析，為了繼續優化激光輸出，選取透過率分別為40%、50%的輸出鏡，然后選取相同透過率不同曲率的輸出鏡，對激光輸出特性的影響結果如圖5、圖6 所示。

圖6 輸出鏡T=50%時，不同曲率對激光器輸出特性的影響

圖5、圖6 分別為T=40%、T=50%時，不同曲率對激光器輸出特性的影響，分析可得在相同透過率下，隨著輸出鏡曲率的增大，激光器最大輸出能量逐漸降低，斜率降低，輸出鏡曲率為200 mm 時，輸出效果更佳。對比不同透過率下的輸出效果，可知當透過率T=40%時，激光器閾值為73.6 W，當雙端最大輸入功率和為317.1 W時，穩定連續輸出功率為52.5 W，斜效率為21.5%，輸出效果最佳。

在輸出鏡曲率為200 mm，透過率為40%時，激光器穩定連續輸出功率為52.5 W，使用YOKOGAWA公司生產的AQ637 光譜分析儀對輸出波長進行測量，如圖7 所示。從圖中可以看出激光器輸出中心波長為1 908.12 nm。

圖7 最高激光輸出時激光光譜圖

3 結論

本文采用LD 陣列雙端泵浦Tm：YLF 晶體，為解決Tm：YLF 晶體由于熱效應限制激光高功率輸出的問題，建立COMSOL 模型，通過模擬對比最終選取泵浦光斑為4 mm×1 mm，為高功率下激光器穩定輸出提供理論準備，然后對泵浦源聚焦耦合系統進行設計，選取合適的聚焦透鏡來獲得最佳泵浦光斑，為實驗做好前提準備。最終實驗通過在相同輸出鏡曲率時，對不同透過率下的輸出鏡進行對比，高透過率輸出鏡下雖然閾值較大，但更能在高功率泵浦下獲得激光輸出，當輸出鏡透過率為40%時，輸出結果最佳。選取高透過率輸出鏡，以相同透過率對不同輸出鏡曲率進行實驗對比，最終得到在輸出鏡曲率為200 mm、透過率40%時，激光器閾值為73.6 W，當雙端最大輸入功率和為317.1 W 時激光器輸出效果最佳，此時穩定連續輸出功率為52.5 W，斜效率為21.5%，為高功率輸出獲得連續穩定的1.9 μm 激光器提供了參考。