低阈值Nd:YAG激光器腔设计及输出特性研究

令维军，郭有婧，夏 涛，董 忠，刘 勍，路飞平，张明霞

（1.天水师范学院 激光技术研究所，甘肃 天水 741001；2.兰州城市学院 学报编辑部，甘肃 兰州 730070）

近年来，激光器技术得到了迅速的发展，在工业、医疗、商业、科研、信息和军事等领域中的应用也越来越多。[1-4]半导体泵浦固体激光器（Diode-Pumped solid-state Laser，DPSSL），是以激光二极管（LD）代替闪光灯泵浦固体激光介质的全固态激光器，具有效率高、体积小、寿命长等优点，在光通信、激光雷达、激光医学、激光加工等方面有巨大应用前景，是未来固体激光器的发展方向。国内上海光机所、山东大学、清华大学、长春光机所、天津大学、山西大学和中科院物理所等多家研究单位先后开展了对DPSSL的研究。随着大功率LD输出功率不断提高，新型激光晶体、非线性晶体和光学超晶格材料的不断研究开发、频率变换技术的日臻成熟，DPSSL将以它独特的优势在激光领域中独领风骚，成为下一代新型激光器件。1968年，麦道宇航公司的Ross实现了第一台LD泵浦Nd:YAG激光器。[5]Nd:YAG激光晶体具有优良的光学、化学、热学和机械性能，是目前应用最广泛的固体激光增益介质之一。有关激光LD泵浦的Nd:YAG激光器已有很多文献报道。[6-8]我们基于Nd:YAG激光增益介质，泵浦源为中心波长808nm的LD泵浦，谐振腔为平-凹直腔，利用全国产化元件，搭建了一台低阈值Nd:YAG激光器，该激光器运转稳定，造价低廉。

1 低阈值谐振腔的设计

实验装置如图1所示，Nd:YAG激光晶体在807.5nm处有一强吸收峰，我们选择与之接近的中心波长808nm的LD泵浦激光器作为泵浦源，该激光器技术成熟，且造价低廉，适合作为泵浦源。由于泵浦源LD的光束发散角较大，为使其聚焦在激光增益介质上，必须对泵浦光束进行光束变换（耦合）。

泵浦耦合方式主要有端面泵浦和侧面泵浦两种。本实验采用端面泵浦方式，该方式适用于中小功率固体激光器，具有体积小、结构简单、空间模式匹配好等优点。具体方式为先将光纤柱透镜对半导体激光器进行快轴准直，压缩发散角，接着采用组合透镜对泵浦光束进行整形变换，各透镜表面均镀有对泵浦光的增透膜以减小耦合系统对LD泵浦光的损耗，该方式对泵浦光的耦合效率高，LD泵浦光耦合前后功率变化如图2所示。

图1 激光器装置原理图（上）和激光器输出效果图（下）

图2 LD泵浦光耦合前后功率曲线图

实验中激光器腔设计采用平凹腔，耦合系统由前后两个凸透镜组成，焦距分别为50mm和100mm，透镜表面均镀有对泵浦光的增透膜；泵浦镜为平面镜，表面镀有对泵浦光（808nm）透过率大于95%，对输出光（1064nm）反射率大于99.9%的介质膜；激光增益介质为Nd:YAG晶体；输出镜为的平凹镜，其凹面曲率半径为200mm，对输出光具有特定透过率。以上设计的这种平凹腔容易形成稳定的输出模，同时具有较高的光-光转换效率，但在设计时必须考虑到模式匹配问题。

激光谐振腔中的g参数表示为：

L为谐振腔长度，R为镜片的曲率半径。振荡光斑尺寸为：

λ为激光器输出波长。本实验中，对于泵浦镜g1参数，R1=∞，对于输出镜g2参数，R2=200mm，当0＜g1g2＜1时谐振腔为稳定腔，计算出L＜200mm，λ为1064nm.取L=80mm，利用ABCD矩阵理论模拟腔中激光晶体的振荡光斑，此谐振腔振荡光斑半径变化曲线如图3(a)所示。泵浦光在激光晶体输入面上的光斑半径应≤ω0，这样可使泵浦光与基模振荡模式匹配，在容易获得基模输出。

3 低阈值激光器的输出特性研究

基于以上理论分析，我们搭建了一台低阈值Nd:YAG固体激光器，该激光器泵浦源最高输出功率为2W，输出中心波长1064nm.首先我们选用5%透过率的平面输出镜，选择50mm、80mm和100mm三种腔长，测试激光输出功率随注入功率变化曲线如图3(b)所示，得出不同的腔长下激光的输出曲线各不相同，三种腔长连续光最高输出功率分别为335mW、350mW和340mW，在腔长80mm处得到最低出光阈值和最高的输出功率，说明在腔长80mm处泵浦光和振荡光的光斑匹配效果好于50mm和100mm两种腔长。

图3 (a)为谐振腔振荡光斑半径分布曲线；(b)(c)(d)为激光输出功率随注入功率变化曲线

接着我们将激光器谐振腔腔长定为80mm，分别选用5%透过率的平面输出镜和凹面曲率半径为200mm的平凹输出镜，激光输出功率随注入功率变化曲线如图3(c)所示，得出在相同条件下凹面曲率半径为200mm的平凹输出镜的出光阈值更低，且出光效率更高。在激光腔腔长80mm的情况下，对比平面输出镜和平凹输出镜，利用ABCD矩阵我们模拟了激光晶体中振荡光斑的大小。对于平面输出镜，晶体中振荡光斑束腰半径约为407μm，对于平凹输出镜，晶体中振荡光斑束腰半径约为187μm，平凹输出镜相对于平面输出镜光斑面积减少了，即4.74倍，这样腔内的激光强度增加了4.74倍。在同样的出光强度下，大大降低了激光运转阈值。[9-12]

最后我们比较透过率分别为5%和10%的平凹输出镜，腔长为80mm.激光输出功率随注入功率变化曲线如图3(d)所示，当输出镜为5%时，出光阈值为278mW，最高2W的LD泵浦注入功率对应激光的最高输出功率为496mW，光-光转换效率为24.8%.当输出镜为10%时，出光阈值为388mW，最高2W的LD泵浦注入功率对应激光的最高输出功率为444mW，光-光转换效率为22.2%.得出5%平凹输出镜获得更低的出光阈值，更高的输出功率，主要原因是由于5%平凹输出镜相较于10%平凹输出镜腔内损耗低。最终我们获得了出光阈值低至278mW，最高输出功率功率为496mW的低阈值Nd:YAG固体激光器。

4 结 论

综上所述，结合ABCD矩阵及谐振腔稳区理论，我们设计了一台全国产化的低阈值Nd:YAG固体激光器，通过对50mm、80mm和100mm三种激光谐振腔腔长的激光输出曲线研究，选出了80mm的最佳腔长，接着对比平面输出镜和凹面曲率半径为200mm的平凹输出镜的激光输出曲线，得出平凹输出镜具有高的激光输出效率和低的出光阈值功率，最后比较透过率5%和10%的平凹输出镜，最终获得连续光出光阈值功率低至278mW，最高输出功率496mW，光-光转化效率24.8%，中心波长1064nm的低阈值Nd:YAG固体激光器，该激光器运转稳定，且造价低廉，适合大学生的激光器教学实验，后期我们将继续在该激光器的基础上实现调Q运转和倍频实验研究。

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〔责任编辑 艾小刚〕