LD端面抽运1.3μm双波长激光器研究

李铸澎，孙芮，金光勇

（长春理工大学理学院，长春　130022）

LD端面抽运1.3μm双波长激光器研究

李铸澎，孙芮，金光勇

（长春理工大学理学院，长春130022）

对双波长激光器的研究有助于改良通过差频方式产生的太赫兹辐射。太赫兹在医疗诊断、物理成像、环境监测等方面应用广泛，近年来成为国内外的研究热点。首先通过键合Nd：YAG晶体产生1319nm和1338nm双波长激光进行理论分析，并在此基础上开展了实验，获得了5.94W的双波长激光输出，激光斜效率19.8%，光束质量因子M2=1.39。

双波长激光器；1.3微米双波长

双波长激光器有着自身独特的优势，在光通信、光动力学医疗、光计算、非线性频率变换、环境监测、激光遥感、激光雷达等方面有广泛的应用［1-3］，因此近年来成为了热门的研究课题。运用非线性频率变换的办法可以得到1.3μm双波长的差频光波，从而可以产生相干的太赫兹波。太赫兹波具有抗干扰能力强、不易损坏被检测物质以及具有良好的穿透性等特点，可以实际应用在许多方面［4］。利用连续的双波长激光，结合Q开关特性，获得脉冲双波长激光，能更好的探测金属损伤，在工业、医疗等方面用途显著［5-9］。因此，对双波长激光器的研究是十分有必要的。

本文在腔长80mm，抽运功率为30W时，获得了5.94W的最高连续双波长激光输出，激光斜效率为19.8%，中心波长1319.52nm处的激光光谱线宽为2.422nm，中心波长1338.56nm处的激光的光谱线宽为1.9376nm，远场发散角为2.3mrad，光束质量因子M2=1.39。

1　理论分析

采用键合Nd：YAG晶体作为激光晶体产生双波长激光，根据晶体特有的四能级激光系统可以得到LD端面抽运方式的阈值公式［1］：

其中，i的不同取值代表不同的激光波长，l是激光晶体通光方向长度，Li为激光器腔内固有损耗，ηQ，i为量子效率，σi为受激发射截面，τi为上能级荧光寿命，Ri为谐振腔输出镜反射率，Si（r，z）为归一化状态下激光腔模的强度分布，rp（r，z）为归一化条件下抽运光强度在激光增益介质内的分布。

为了实现双波长同时振荡，需同时满足两个波长的阈值：

由公式（2）可知，1319nm和1338nm双波长激光波长相差非常小，因此可以认为两个波长的η，l，L，S（r，z），τ均相同。因此公式（2）可化简为：

分别代入σ1319nm=0.87×10-19cm2，σ1338nm= 0.92×10-19cm2，腔内固有损耗约为L=0.04，结果如图1所示。R1和R2分别代表输出镜对1319nm和1338nm波长的反射率，由图可知，当输出镜反射率对1319nm和1338nm波长基本相等时，可以使双波长同时起振。

图1　反射率对双波长的影响

2　实验装置

结合理论分析，1.3μm双波长激光器结构设计如图2所示。

图2　1.3微米双波长激光器结构图

在图2中，1为中心波长为808.1nm的LD抽运源，光纤输出，光纤芯径400μm；2和3为聚焦耦合透镜组，焦距分别为50mm和100mm，采用该耦合透镜组，可以使得聚焦到晶体上的光斑为800μm，刚好与激光谐振腔内的振荡模式相匹配；4为谐振腔全反射镜，镀有对808nm抽运光高透过率和对1.3μm的双波长激光高反射率（R=99.9%）的膜系；5为键合Nd：YAG激光晶体，掺杂浓度为1.1%，尺寸为ϕ3×（3.8+10.2+3.8）mm，晶体两侧镀有对808nm抽运光和1.3μm激光同时高透过率的膜系，晶体采用循环水冷却的方式进行散热，温度控制在20℃；6为谐振腔输出镜，镀有对1.3μm双波长激光部分透过率的膜系（T=10%）。

3　实验结果与分析

图3为不同谐振腔长下，平平谐振腔型下的测试结果。此时输出镜为平面镜，透过率为10%。从图3中可以看出，随着腔长L的变化，在相同注入功率的情况下，输出功率有所不同，腔长越短输出功率越高，并且输出越稳定。这是由于谐振腔长越短，腔的无用损耗越小，越利于提高激光器的输出功率和效率。当谐振腔长较长时，由于激光晶体热焦距的存在，也会使得谐振腔的光学稳定性变差，从而导致出光功率下降，斜效率降低。在这里，当谐振腔长为70mm时，激光谐振腔存在失稳的情况，功率发生下降。但往往为了获得调Q脉冲的双波长激光输出，谐振腔长应该大于70mm，为了在更长的腔长下获得激光输出，谐振腔的设计方案应该采用了平凹腔结构。

图3　平-平双波长激光输出功率与抽运功率的关系

图4　平-凹腔双波长激光输出功率与抽运功率的关系

图4为不同谐振腔长下，平凹谐振腔型下的测试结果。此时输出镜为平凹镜，凹面的曲率半径为R=200mm，透过率为10%。从图4中可以看出，抽运功率为30W时，腔长为80mm下，可获得最高的双波长激光输出5.94W，激光斜效率为19.8%。

实验中采用端面泵浦方式，由于两波长的激光处于同一上能级，且下能级是同一能级的不同斯塔克子能级，两光波的波长非常近似，我们采用光谱仪对两波长光强比例进行测量。使用YOKOGAWA公司生产，型号为AQ-6375的光谱仪观察1319nm/ 1338nm双波长激光器输出光谱，当抽运功率为30W时，1319nm/1338nm双波长激光器输出光谱图如图5所示。

图5　1319nm/1338nm双波长激光光谱

此时，1319.52nm激光的光谱线宽为2.422nm，1338.56nm激光的光谱线宽为1.9376nm。在3小时内，连续激光输出稳定，双波长输出功率比例接近1∶1。

图6　1319nm/1338nm双波长激光能量密度分布规律

使用Spiricon公司生产的型号为LBA-Pyrocam III的热释电面阵相机，对输出的双波长激光光斑的能量密度分布进行测量。为保护热释电红外传感器，在输出镜后加入衰减片，测得双波长激光能量密度分布如图6所示，（a）、（b）图分别为双波长激光二维与三维的能量密度分布图，输出的双波长激光光束的对称性很好，远场发散角为2.3mrad。

在输出镜后加入一个焦距为150mm的聚焦透镜，实现了远场高斯光束的再现，使用热释电面阵相机测量双波长激光的光束质量，此时光束质量因子M2=1.39。

4　结论

本文理论分析和实验验证了1.3μm双波长激光器输出的可能性，研究了不同腔长、腔型对输出结果的实验影响。实验表明：在采用平凹腔型下，腔长为80mm，抽运功率为30W时，获得了5.94W的最高连续双波长激光输出，激光斜效率为19.8%，中心波长1319.52nm处的激光光谱线宽为2.422nm，中心波长1338.56nm处的激光的光谱线宽为1.9376nm，远场发散角为2.3mrad，光束质量因子M2=1.39。

［1］刘欢，姚建铨，郑芳华，等.LD端面抽运Nd：YAG 1319nm/1338nm双波长激光器研究［J］.物理学报，2008，57（1）：230-237.

［2］魏勇，张戈，黄呈辉，等.1319和1338nm双波长Nd：YAG脉冲激光输出实验研究［J］.强激光与粒子束，2008，20（1）：45-48.

［3］李斌，李永大，陈金强，等.LD泵浦Nd：YAG 946nm与1319nm双波长运转理论分析［J］.长春理工大学学报：自然科学版，2007，30（3）：23-25.

［4］Arne Thoma，Thomas Dekorsy.基于亚波长空间分辨平面太赫兹谐振器的二维频率分辨成像［J］.长春理工大学学报：自然科学版，2012，35（3）：141-153.

［5］冯兴阳，张剑家.高功率窄脉冲半导体激光器模块的研究［J］.长春理工大学学报：自然科学版，2015，38（2）：6-9.

［6］柴洪亮.全固态双波长及多波长激光器［D］.山东：山东师范大学，2007.

［7］郑伟.Nd：YAG1064nm/1319nm双波长激光器研究［D］.长春：长春理工大学，2011.

［8］王速.Nd：YAG1319nm/1338nm双波长激光器的研究［D］.长春：长春理工大学，2013.

［9］魏勇，张戈，黄呈辉，等.1318.8nm/1338nm同时振荡双波长Nd：YAG激光器［J］.激光与红外，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

长春市科技局项目（2013143）

李铸澎（1994-），男，本科，E-mail：453069778@qq.com

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