激光二极管侧面泵浦的Nd ∶YAG激光放大器

聂喻梅

(重庆理工大学 理学院，重庆 400054)

激光二极管侧面泵浦的Nd ∶YAG激光放大器

聂喻梅

(重庆理工大学 理学院，重庆 400054)

研制了一台激光二极管面阵三向侧面泵浦φ3 mm×55 mm Nd ∶YAG的激光放大器。使用Zemax光学设计软件建立了激光二极管面阵三向对称侧面泵浦棒状Nd ∶YAG的模型，给出了放大器的储能和小信号增益的数学表达式，并进行了实验研究。结果表明：激光放大器有着均匀的荧光分布，当重复频率为100 Hz，泵浦功率为1.8 kW时，Nd ∶YAG放大器的小信号增益为23。

激光二极管(LD); 侧面泵浦; Nd ∶YAG放大器

激光二极管(laser diode,LD)泵浦固体激光器(solid state laser,SSL)是应用激光二极管泵浦固体激光增益介质的激光器。泵浦用的二极管是一种半导体激光器，可以有效地克服固体激光器热效应严重和总效率低两大缺点。与传统氙灯泵浦的激光器相比，它发射的泵浦光具有光谱窄、亮度高、方向性好的特点，泵浦光能量空间分布相对集中。高功率激光二极管阵列(LDA)具有电光转换效率高、可靠性高、结构简单以及LD抽运源寿命长等优点，已被广泛采用[1-5]。

Nd ∶YAG激光晶体是目前应用最广泛的激光晶体之一。Nd ∶YAG除具有非常优越的光谱和激光特性外，这种基质的晶体还有许多难得的物理、化学和机械性能。较其他晶体，具有相对长的荧光寿命、高的热导率、较大的吸收系统。Nd ∶YAG的结构很稳定[6],且强度和硬度足以保证正常加工过程中不会引起任何严重破损。在应用方面，Nd ∶YAG晶体是目前被广泛应用的工作介质，由此激光晶体做成的固体激光器在工业、医疗、科研和军事等方面有着重要、深远的应用前景，主要表现在激光治疗、激光加工[7]、激光存储与激光显示[8]、激光雷达、激光测距和激光通讯等几个方面。巩马理等[9]用LD泵浦口径为φ4 mm的Nd ∶YAG激光棒，在50 Hz重复频率条件下，获得39.5 mJ的多模激光输出，效应达39.5%。毕进子等[5]研制了一台采用90个峰值功率60 W的激光二极管阵列、泵浦口径为φ4 mm的Nd ∶YAG激光棒状放大器。

本文针对三向对称侧面抽运的漫反射结构，对泵浦均匀性进行了理论模拟和实验研究，研制了一台采用激光二极管面阵三维水平侧面泵浦φ3 mm×55 mm Nd ∶YAG的激光放大器，并对其进行了模拟计算和实验研究。结果表明：激光放大器有着均匀的荧光分布，在重复频率为100 Hz、泵浦功率为1.8 kW时，Nd ∶YAG放大器的小信号增益达23。

1 实验装置

单个Bar条的最大输出功率为200 W，水温20℃时输出波长为808 nm。泵浦所选用的Nd ∶YAG晶体棒尺寸为φ3 mm×55 mm，掺杂浓度为1at.%，为了减少损耗，晶体两端面镀有HT99.8% @1064nm的增透膜。为消除自发辐射光(ASE)振荡，Nd ∶YAG两端面采用2°倾角设计。由于半导体激光器的输出波长随着温度升高将出现红移，所以通过控制冷却水的温度，使其输出波长中心与Nd ∶YAG晶体的最强吸收峰808 nm相匹配。

棒状Nd ∶YAG放大器结构如图 1所示。采用激光二极管面阵三向水平(Bar方向平行于Nd ∶YAG 棒)侧面泵浦，每个激光二极管面阵包括6个Bar条，单Bar最大输出功率为200 W，快轴发散角为37°(FWHM)，慢轴发散角为8°(FWHM)。所用的Nd ∶YAG尺寸为φ3 mm×55 mm，有效泵浦长度为30 mm。

图1 三向对称侧面泵浦的棒状Nd ∶YAG放大器结构

2 模拟结果及讨论

使用Zemax光学设计软件建立了激光二极管面阵三向对称侧面泵浦棒状Nd ∶YAG的模型，如图2所示。激光棒的尺寸为φ3 mm×55 mm，水层厚度为1 mm，激光二极管阵列的发光面到激光棒表面的距离为4 mm，吸收系数为0.37 mm-1。泵浦功率为1.5 kW。模拟了Nd ∶YAG截面的泵浦光强分布，如图3所示，可见泵浦光强分布均匀。

采用速率方程计算侧面泵浦Nd ∶YAG激光棒的增益性能，考虑到100 Hz以及脉冲泵浦，放大器的速率方程可以写为：

(1)

式(1)经过积分运算与迭代后可换算成输入的种子脉冲能量密度与激光棒储能密度的关系式：

(2)

(3)

式(2)为储能与激光脉冲能量转换的关系式。式(3)为激光脉冲经过放大器增益介质后的剩余储能分布。

图2 Zamax建模

图3 激光棒横截面泵浦光二维分布

描述放大器特性的另一个重要参数就是小信号增益G0。小信号增益是可以从实验中获得的，因此这个参数是矫正模型精确度的一个重要窗口。小信号增益可以表示为

G0=eg0l=ηTηAηSηBηQηSTηASEEP/(AES)

(4)

3 实验结果及讨论

实验测试了电流为150 A时的Nd ∶YAG放大器荧光分布特性，测试结果如图4所示，可见放大器中的泵浦光强分布均匀，所测的泵浦光强分布形态与模拟计算结果较为吻合。

图4 电流为150 A时的荧光分布

搭建如图5所示的储能测试光路，将测试短腔输出作为放大器储能的依据。使用的能量计为相干公司的J25LP-2A，功率计为Ophir公司研发生产的Nova II。M1使用平凹曲率为750 mm的高反镜，反射率大于99.8% @1064 nm。M2使用平平输出耦合镜，反射率为40%@1064 nm。腔长L=165 mm，L1=L2。在100 Hz、250 μs泵浦条件下，泵浦电流为150 A时的输出功率最大为29.8 W。

图5 储能测试

按照图6所示，搭建小信号增益测试光路。在100 Hz、250 μs泵浦，种子光约为12 μJ，泵浦电流为150 A时，小信号增益为23倍。

M为反射镜，HP为1/2波片，PBS为偏振分光棱镜

4 结束语

本文对LD阵列侧面泵浦棒状Nd ∶YAG的激光放大器进行了理论计算和实验研究。设计了一台口径为φ3 mm的棒状Nd ∶YAG放大器，用Zemax光学设计软件建立了激光二极管面阵三向对称侧面泵浦棒状Nd ∶YAG的模型，给出了放大器的储能和小信号增益的数学表达式。激光放大器有着良好的泵浦均匀性，Zemax模拟计算和实测结果基本吻合。对放大器进行了实验研究，在重复频率100 Hz，泵浦功率为1.8 kW时，Nd ∶YAG放大器的小信号增益达23。

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(责任编辑 刘 舸)

LD Side-Pumped Nd ∶YAG Laser Amplifier

NIE Yu-mei

(College of Science，Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

This paper developed a Nd ∶YAG (φ3 mm×55 mm) laser amplifier adopted laser diode planar-array 3-D pumping. Zemax optical design software is used for building up the laser-diode planar-array 3-D symmetrical side-pumped rod-shaped Nd ∶YAG model; mathematical expressions involved with energy storage and small signal gain of the amplifier are presented and the relevant experimental study is also carried out. The fluorescence is evenly distributed in the laser amplifier. When the pump power is 66.32 kW under 100 Hz repetition frequency, Nd ∶YAG amplifier’s small signal gain increases by 23 times.

laser diode; side-pumping; Nd ∶YAG amplifier

2016-10-15 基金项目：重庆市教委科学技术研究项目(KJ130823)

聂喻梅(1966—),女，副教授，主要从事电子自动化研究，E-mail:nym@cqut.edu.cn。

聂喻梅.激光二极管侧面泵浦的Nd ∶YAG激光放大器[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2017(3):128-131.

format：NIE Yu-mei.LD Side-Pumped Nd ∶YAG Laser Amplifier[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(3):128-131.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.03.019

TN248.1

A

1674-8425(2017)03-0128-04