LD双端抽运板条Tm：YAP激光器研究

陈天宇，姜妍，温雅，金光勇

（长春理工大学 理学院，长春 130022）

中红外2μm波段的激光，具有大气消光比较低且人眼安全的特点，可以作为激光成像雷达、多普勒相干测风雷达的重要光源［1］；由于2μm激光的辐射能引起凝固效应，有效减少手术过程中的出血现象，可应用于神经外科手术等医疗领域；2μm波段的激光是抽运中红外OPO实现3～5μm、8～12μm中远红外激光输出的理想泵浦源［2］。目前较为普遍与常用的获得2μm激光的方式为泵浦单掺Ho3+基质，Ho3+激光器的最佳泵浦源即为1.9μm的激光［3-4］，Tm：YAP激光器是目前较为成熟的1.9μm固体激光器［5］，作为单掺Ho激光介质的泵浦源可以获得高功率、高光束质量的2μm激光输出。则获得大功率，光束质量较好的1.9μm波段激光是获得2μm激光的关键［6-7］，采用板条状的Tm：YAP激光是由于其易于散热，相同条件下，晶体内光场与温度分布较为均匀，减小热效应对激光输出的影响，获得高功率的1.9μm激光输出，对研究高功率高光束质量的1.9μm激光器提供支持。

1 LD端面抽运板条Tm：YAP晶体内部热温度模型

在固体激光器中，晶体的热效应是影响激光器大功率输出的问题之一，模拟在激光器运行中晶体内部热场分布，考虑晶体散热面与晶体中心受热产生的温度梯度，考虑晶体内部与边界温度的差值，选择横截面较大的板条晶体作为研究对象，更有利于散热面与水冷的接触，减小晶体内部温度分布，达到补偿热透镜效应的方式［8］。通过建立板条状Tm：YAP晶体的温度分布模型，模拟了晶体内部的光场分布，并获得晶体内最高温度与最低温度的差异，为下一步实验研究提供指导和依据。

Tm：YAP晶体的基质为铝酸钇晶体（YAP），该晶体是光学负双轴晶体，具有各向异性的特点，弹性系数较小，因此热应力对热透镜效应的影响较小，热梯度对热焦距的变化起主导作用。

图1 LD双端抽运Tm：YAP晶体结构示意图

采用连续泵浦源双端抽运Tm：YAP板条晶体，建立晶体的热传导方程如下：

采用双端泵浦结构产生激光，则泵浦光从两端进入晶体内，设入射到晶体内的泵浦光为高斯光束，则具有a×b×L尺寸的晶体的热源函数可以表述为：

q0为晶体内的中心热源函数，可以写成：

图2 LD双端抽运Tm：YAP晶体内二维、三维光场分布图

由板条Tm：YAP晶体内部的热场分布，根据热分析模型，该模型在热传导方程的基础上，假设泵浦光为高斯光浦，采用不完全冷却系统，侧面通常用铟箔包裹放置在铜制散热器中，冷却液为蒸馏水。

在双端LD抽运时，给定泵浦功率为40W（即每个面是20W的抽运功率），冷却系统的温度给定为Tc=285K。晶体内热分布图如图3所示。

图3 （a）、（b）为Tm：YAP晶体内温度分布的二维、三维图

图3表示总的抽运功率为40W，晶体内部的温度分布情况，即每端给定的抽运功率大约为20W左右，晶体的中心温度与边缘温度分别为307K和291K，内外温差为16℃。

晶体的热主要集中在泵浦面上，慢慢向四周扩散，而晶体四周与水冷具有循环的过程，又会使四周的温度可以较快的扩散，内部的问题扩散较慢，会形成较大的温度梯度，改变晶体的热透镜焦距，影响谐振腔的稳定性，减低激光的输出功率。

2 LD双端抽运板条Tm：YAP激光器谐振腔设计

激光光学谐振腔是激光器的重要组成部分，激光谐振腔的长度和输出镜半径是影响谐振腔稳定性的主要因素［9］。

为了增加Tm：YAP晶体的注入功率，实现高功率1.99μm激光输出，采用双端抽运的泵浦方式，为了达到双端抽运的方式，只能使激光输出于折线方向，谐振腔设计成“L”形腔［10］。

把激光晶体近似为一个焦距为f的薄透镜，位于激光晶体的几何中心。腔镜M1为全反镜，M2为45°全反镜，M3为凹面输出镜，曲率半径为R，M1到晶体中心的距离为L1，晶体中心到M2的距离为L2，M2到M3的距离为L3。则根据ABCD矩阵理论，谐振腔稳定性参数1/2（A+D）可表示为f与L1、L2+L3和R的解析表达以及谐振腔的稳区范围图。

图4 Tm：YAP激光器谐振腔

以M1为参考面时光束在谐振腔内往返一次的传输矩阵为：

从图中的稳区范围可知，在R=100mm、300mm时，L1在0～60mm，L2+L3在0～90mm之间，谐振腔均能保持稳定性。

图5 R=100、300时稳区图

3 LD双端抽运板条Tm：YAP激光器的实验研究

3.1 谐振腔腔长对激光输出的影响

如图6所示，采用795nm泵浦源，聚焦镜组的耦合比为1∶2，Tm∶YAP晶体为国产晶体，掺杂浓度为3at.%，a轴切割，尺寸为2×6×16mm3。

图6 LD双端抽运板条Tm∶YAP激光器实验装置

LD双端抽运Tm∶YAP激光器的实验的谐振腔选为“L”型平凹腔，选取T=10%，曲率半径选取R=100，设定腔长60mm，80mm，100mm时，分别测量输出功率。

改变谐振腔腔长，选取L分别为60mm，80mm，100mm时，斜率效率分别为29.01%、33.8%、34.4%，在腔长为100mm时获得最大输出功率为21.02W，此时的抽运功率为70.74W，光光转换效率为29.7%。但由于选用的是两个电源，在相同电流的时候输出功率稍有差异，即晶体两端的注入功率不能保持一致，晶体内的温度分布不会如模拟那样均匀，会有一边大于另一边的现象出现，也会影响激光器的输出功率，中心波长等。

图7 当R=100，T=10%时，改变谐振腔长度时输出功率随抽运功率变化曲线

3.2 输出镜透过率对激光输出的影响

在谐振腔腔长为100mm时，当输出镜曲率半径分别为R=100、R=200，R=300时，改变输出镜的透过率，分别选取T=5%、T=10%的输出镜，分别测量输出功率。

图8 选定T=5%时，R=100、200、300，输出功率随抽运功率变化曲线

图9 选定T=10%时，R=100、200、300，输出功率随抽运功率变化曲线

在输出镜透过率T=5%时，R=100、200、300时，最大输出功率分别为20.22W、21.02W、19.76W，斜率效率分别为29.24%、33.9%、34.1%，光光转换效率为28.2%、29.7%、29.3%。在输出镜透过率T=10%时，R=100、200、300时，最大输出功率分别为21.02W、21.25W、20.32W，斜率效率分别为34.4%、25.7%、27.4%，光光转换效率为29.7%、25.6%、25.3%。可以看出在谐振腔腔长为100mm时，输出镜R=200，T=10%时，获得最大输出功率21.25W。通过对比得到，当输出镜透过率为10%时，在相同曲率半径下，激光输出功率更高，当输出镜透过率为5%时，在相同曲率半径下，激光器斜率效率和光光转换效率相对更高。

实验中通过光谱仪采集输出波长图，中心波长为1988.5974nm，谱线宽度为2.247。图10为输出的光谱图。

图10 双端抽运板条Tm：YAP激光器输出光谱图

4 结论

本文建立了板条状Tm：YAP晶体的热分布模型，模拟了双端抽运晶体内部的光场分布以及晶体内温度分布图形；并采用双端抽运的方式，在同等条件下进行实验研究。当采用双端抽运的方式，选用输出镜透过率为T=10%、曲率半径为R=200，谐振腔腔长为100mm时，获得了斜率效率为25.7%，光光转换效率为25.6%，中心波长为1988nm的21.25W激光输出。