角抽运Nd：YAG复合板条946nm连续运转激光器*

刘欢 王巍 巩马理

(清华大学精密仪器与机械学系,摩擦学国家重点实验室,激光与光子技术研究室,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

角抽运方式是清华大学光子与电子技术研究中心提出的一种抽运方式,具有自主知识产权[1-3].近年来,作者所在研究小组已经成功实现了千瓦级连续输出的二极管角抽运Yb：YAG激光器稳定运转[2],光光转换效率高,但光束质量不高,像散比较严重,这限制了它的应用.目前,中小功率输出的全固态基模激光器有着更加广阔的应用前景.角抽运方式作为一个种新的抽运形式,既具有端面抽运效率高、激光晶体冷却方法简单的优点,又具有侧面抽运均匀性高、功率扩展性强的优点[4-6].因此利用角抽运方式,开展中小功率全固态激光器的实验研究具有十分重要的应用价值.

在中小功率固体激光器的发展过程中,通常使用Nd：YAG和Nd：YVO4作为增益介质,两者都实现了较好的激光输出[7-9].Nd：YAG的主要优点是热机械性能好,而Nd：YVO4的主要优点是有效受激发射截面大,偏振输出,有利于消除热致双折射带来的影响.对于角抽运方式,由于其吸收光程比较长,因此对掺杂浓度和有效发射截面要求不高.Nd：YVO4的优点得不到充分发挥,所以在中小功率角抽运固体激光器增益介质的选择中,采用Nd：YAG材料作为增益介质更为合适.我们已经成功实现了角抽运Nd：YAG复合板条1064nm激光[10],1319nm/1338nm双波长激光[11],1.1µm多波长激光高效、稳定输出[12].

Nd：YAG晶体的另外一条非常重要的谱线是946nm谱线[13-16].相比于1064nm和1319nm等四能级激光系统,946nm是准三能级激光系统,其受激发射截面小,再吸收损耗大,热效应严重、谐振腔内寄生振荡抑制困难,因此,连续输出946nm激光器输出功率的提高非常困难.1987年,Fan和Byer[13]首次采用LD端面抽运Nd：AYG晶体,实现了946nm激光的室温运转.2001年,Goldring等[14]采用离子扩散键合晶体将连续运转946nm激光器输出功率提高到7.4W.2005年,Zhou等[15]利用高功率光纤输出半导体激光器端面抽运传统的非离子扩散键合Nd：YAG棒和离子扩散键合Nd：YAG棒,成功将连续运转946nm激光器的输出功率提高到8.3W和15.2W[15,16].

本文采用角抽运技术,首次实现了5.29W的连续946nm激光稳定输出,光光转换效率10.6%,斜效率12%.整台激光器结构紧凑、简单,体积小,成本低.

2 实验装置

实验装置如图1所示,LD bar的最大连续输出功率为50 W,发光面积为10 mm×0.7 mm,有一定的发散角,激光介质角面的尺寸为3 mm×0.8 mm.实验中采用由柱面透镜组成的耦合系统对抽运光进行压缩整形,在快轴方向采用一个焦距为12.7 mm的柱面透镜,在慢轴方向采用两个焦距为30 mm的柱面透镜,耦合效率达到95%以上.柱面透镜两面均镀有对抽运光808 nm高透的膜层.

图1 角抽运Nd：YAG复合板条946 nm激光连续运转激光器

实验中采用了一块单角 Nd：YAG复合板条,掺杂浓度为1.0 at.%.掺杂区域的尺寸为14 mm×0.8 mm×0.8 mm,两条非掺杂区域的尺寸14 mm×3.5 mm×0.8 mm,在复合板条的一角沿45°切一个倒角作为抽运光的入射面.板条晶体两端镀有对946 nm高透的膜层,入射面上镀有对808 nm高透的膜层.946 nm的Nd：YAG激光器一般效率不高,因此热效应比较严重,为了提高散热效果,我们在实验中采用板条上下两个大面散热冷却的方法,在板条上下两个大面上覆盖一层铟片,并将板条固定在通水的紫铜热沉上,而且尽可能增加紫铜热沉和Nd：YAG板条之间的压力.

为了尽量扩展激光器的稳区范围,减少晶体热效应对谐振腔的稳定性的影响,采用平凹线性短腔结构,腔长仅为20 mm.高反镜(M1镜)为一平镜,镜面上镀有对946 nm高反(R＞99.5%),对1064 nm高透(T＞85%).输出镜(M2镜)为一个曲率半径50 mm的平凹镜片,其凹面镀有对946 nm透过率为5%的膜层.为了抑制1064 nm的寄生振荡,这个膜层同时对1064 nm透过率大于90%.对于准三能级系统来说,激光下能级的粒子数与激光工作物质的温度有关,为了尽可能提高946 nm激光的输出功率,我们将板条晶体的水冷温度降到11°C,这已经是制冷机的最低温度.

3 实验结果

图2给出了946 nm激光连续输出功率与注入抽运功率之间的关系曲线.当注入抽运功率为50 W时,连续输出功率最高为5.29 W,光光转换效率为10.6%,斜效率为12%.由图2可知,当抽运功率为LD最大输出功率时,946 nm激光连续输出功率未达到饱和,因此如进一步增加抽运功率,则输出功率可继续增加.在946 nm激光输出功率为5.29 W时,我们利用光谱仪观测了激光器输出光谱,如图3所示.观测激光器成功实现946 nm单波长振荡,而1064,1319和1338 nm激光已经被完全抑制.同时测量了946 nm激光的谱线线宽,线宽为0.22 nm,如图4所示.利用光谱仪监测了不同抽运功率时的激光器输出谱线,均未发现1064,1319和1338 nm的激光振荡.当946 nm激光输出功率为5.29 W时,用Spiricon M2-200光束质量分析仪测量了946 nm激光的光束质量因子M2.经过仔细调节,946 nm激光的光束质量因子为7.71和2.44,测量结果如图5所示.束腰宽度在x和y方向分别为682µm 和392µm.当注入抽运功率为50 W时,我们对946 nm激光连续输出功率的短期不稳定性进行了实验分析,每隔1 min读取一个输出功率,在10 min内,输出功率的不稳定度小于0.5%,测量结果如图6所示.

图2 注入抽运功率与946 nm激光连续输出功率的关系

图3 946 nm激光输出功率5.29 W时,从900 nm到1400 nm的光谱图

图4 946 nm光谱图

图5 946 nm激光输出功率5.29 W时光束质量因子测量曲线

图6 当抽运功率为50 W时,946 nm激光连续输出功率的短期不稳定性

4 结论

本文采用角抽运技术,首次进行了角抽运Nd：YAG/YAG 946 nm连续运转激光器输出特性的实验研究,得到了比较理想的实验结果.连续946 nm激光最高输出功率达到5.29 W,光光转换效率为10.6%,斜效率为12%.当946 nm激光输出功率为5.29 W时,946 nm激光的光束质量因子为7.71和2.44.当注入抽运功率为50 W时,946 nm激光连续输出功率的短期不稳定度小于0.5%.相比于采用传统抽运技术的946 nm激光器,角抽运Nd：YAG/YAG 946 nm连续运转激光器结构紧凑、体积小、调谐简单;另外由于采用LD bar条直接抽运,大大降低了整台激光器的成本.但是实验中采用短腔结构,输出光束质量较差.由于946 nm是准三能级激光系统,增益较低,本实验输出功率和效率不高.因此,下一步考虑设计合理腔型,采取增加板条晶体掺杂浓度,减少板条晶体长度,加强对板条晶体的冷却,增加抽运功率等措施来实现高功率、高效率、高光束质量946 nm连续激光输出.

[1]Gong M,Li C,Liu Q,Chen G,Gong W,Yan P2004 Appl.Phys.B 79 265

[2]Liu Q,Gong M,Lu F,Gong W,Li C,Ma D 2006 Appl.Phys.Lett.88 101113

[3]Gong M,Li C,Liu Q,Yan P,Chen G,Zhang H,Cui R 2008 U.S.Patent 7,388,895 B2

[4]Gao S,Liu H,Wang D,Gong M 2009 Opt.Express17 21837

[5]Liu Q,Gong M,Lu F,Gong W,Li C 2005 Opt.Lett.30 726

[6]Liu Q,Gong M L,Li C,Gong W P,Lu FY,Chen G 2005 Acta Phys.Sin.54 721(in Chinese)[柳强,巩马理,李晨,宫武鹏,陆富源,陈刚2005物理学报54 721]

[7]Chen X Y,Jin G Y,Yu Y J,Liang Z 2009 Acta Opt.Sin.29 3098(in Chinese)[陈薪羽,金光勇,于永吉,梁柱2009光学学报29 3098]

[8]Hu H,Jiang JF,Lei J,Tang C,Tu B,L¨u W Q,Zhao N,Wu Y C 2010 Chin.J.Lasers 37 30(in Chinese)[胡浩,蒋建锋,雷军,唐淳,涂波,吕文强,赵娜,邬映臣2010中国激光37 30]

[9]Yu X,Chen F,Yan R,Li X,Yu J,Zhang Z 2010 Chin.Opt.Lett.8 499

[10]Liu H,Gong M 2010 Opt.Commun.283 1062

[11]Liu H,Gong M,Wushouer X,Gao S 2010 Laser Phys.Lett.7 124

[12]Liu H,Liu Q,Gong M 2010 Opt.Express18 19603

[13]Fan T Y,Byer RL 1987 IEEEJ.Quantum.Electron.23 605

[14]Goldring A,Abraham M,Bar-Lev A,Epshtein H,Zimmerman Y,Lebiush E,Lavi R 2001 Advanced Solid-State Lasers,OSA Technical Digest Seattle,Washington,USA,28—31 Jan.,2001 p543

[15]Zhou R,Zhang TL,Li EB,Ding X,Cai ZQ,Zhang B G,Wen WQ,Wang P,Yao JQ 2005 Opt.Express13 10115

[16]Zhou R,Li EB,Li H F,Wang P,Yao JQ 2006 Opt.Lett.31 1869