LD双端同向偏振泵浦Tm∶YLF激光器

王睿明,李 玥,周冠龙,刘景良,陈薪羽

(长春理工大学理学院,吉林 长春 130022)

1 引 言

1.9 μm波段激光处于人眼安全范围,且对大气有较高的透过率。在激光遥感、医疗卫生、军事领域有着重要的应用。由于1.9 μm波段处于大气窗口,是激光遥感和探测的理想光源,目前应用在测风雷达、卫星空间遥感等方面,拥有很大的前景。在医学方面也有很大的应用价值,用于微创手术有切除精度高,伤口小出血少的优点,极大程度减轻了患者的痛苦,也减少了术后感染的风险。随着1.9 μm激光技术的进步,在军事领域有很大潜力。可用于探测爆炸物,并且作为战斗和导弹的重要制导手段,同时也能够对敌方进行红外激光对抗,达到干扰和软杀伤的效果[1-5]。由于Tm∶YLF激光器输[6-7]出的1.9 μm波段处于Ho晶体吸收峰,也可以作为Ho激光器的泵浦源[8-12]。YLF晶体有较长的上能级寿命,相比于YAP、YAG没有热致双折射,光损伤阈值高等优点,但是Tm∶YLF晶体热脆裂极限较低,由于泵浦光产生的废热,容易造成晶体内形成温度梯度,在高功率时导致晶体碎裂。目前Tm∶YLF激光器输出功率主要受限于温度所引起的晶体内热效应,并影响激光器转化效率。Tm∶YLF是一种各向异性晶体,具有两个偏振方向,本实验利用这一特性,采用LD同向偏振泵浦的方式,将双端的泵浦光转换为同向偏振方向再注入晶体。相比非同向偏振泵浦,优化了泵浦结构,改善晶体热效应,避免了晶体的两端因吸收光聚焦强度不均而引起晶体炸裂。有效提高了晶体对泵浦光的吸收效率,进而提升了激光器的输出功率。

2 理论与模拟

LD双端偏振泵浦Tm∶YLF晶体激光器模型如图1所示,泵浦光分别为I1、I2,泵浦光焦点分别为z1、z2,晶体四个侧面包裹在水冷装置中。

图1 LD双端偏振泵浦Tm∶YLF晶体模型示意图

两束泵浦光的光强分布函数分别可以表示为:

(1)

泵浦光强在偏振方向的投影如图2所示,Iσ为泵浦光强投影到x方向的偏振分量,Iπ为泵浦光强投影到y方向的偏振分量。

图2 泵浦光强在偏振方向的投影示意图

考虑Tm∶YLF晶体对泵浦光的吸收,则根据Lambert-Beer定律[13],可得:

(2)

其中,d为吸收深度;I0为泵浦光强分布函数;β为偏振方向投影的夹角;απ、ασ分别为Tm∶YLF晶体在π、σ偏振方向的泵浦吸收系数。

根据泵浦光偏振理论,建立了在稳态条件下LD双端偏振泵浦Tm∶YLF晶体热分析模型,如图1所示。室温为Ta,晶体的两个端面与空气接触,进行热交换,四个侧面保持恒定的水冷温度Tw。

稳态条件下,LD双端偏振泵浦Tm∶YLF晶体的热传导方程可以表示为:

Qv(x,y,z)=0 (0≤x≤a,0≤y≤b,0≤z≤l)

(3)

其中,T(x,y,z)为Tm∶YLF晶体任意一点温度;κx,κy,κz分别为Tm∶YLF沿坐标轴x,y,z方向的热传导系数;Qv(x,y,z)为单位体积内的热源密度函数。

边界条件为:

(4)

其中,ha是空气和晶体之间的对流传热系数。

利用Comsol软件模拟分析,当双端泵浦功率为50 W,束腰半径为430 μm时,LD双端非同向偏振泵浦与同向偏振泵浦Tm∶YLF晶体的温度场分布情况。

在非同向偏振泵浦时晶体温度分布如图3所示,最高温度为344 K,晶体通光轴最大温差为4.6 K。在同向偏振泵浦时晶体温度分布如图4所示,最高温度为332 K,晶体通光轴最大温差为3.3 K。相比非同向偏振泵浦时最高温度低12 K,晶体通光轴最大温差低1.3 K。在同向偏振泵浦晶体时通光方向的温差较小,远低于晶体最高点温度与最低点的温差,晶体在通光方向因热分布不均而产生的应力破坏远小于晶体破损阈值。通过模拟可看出采用同向偏振泵浦增益介质的方法在提高增益介质的有效泵浦光吸收效率的同时热效应较小。

图3 LD双端非同向偏振温度分布图

图4 LD双端同向偏振温度分布图

3 实验装置

LD同向偏振双端泵浦Tm∶YLF激光器实验装置如图5所示,泵浦源使用输出波长为792 nm的LD光纤耦合模块。Tm∶YLF晶体的尺寸为3 mm×3 mm×14 mm,沿a轴切割,掺杂浓度为3 %。晶体用铟箔包裹置于紫铜热沉,采用水循环水冷机的制冷,温度设置为17 ℃。采用长度为80 mm的“L”形谐振腔。

图5 LD同向偏振双端泵浦Tm∶YLF激光器实验装置示意图

泵浦光经平凸透镜f1聚焦透射至镀有792 nm偏振分光器M1,泵浦光变为偏振光。π偏振光经平凸透镜f2聚焦透射至镀792 nm抗反膜和1910 nm高反膜的激光全反镜M2,经激光全反镜M2透射入射至Tm∶YLF激光晶体。σ偏振光经过f1,由全反镜M4反射至半波片M5后转变为π偏振光,π偏振光经全反镜M6、M7反射至平凸透镜f2,M4、M6、M7镀有792 nm高反膜。经平凸透镜f2后透射至两面分别镀1910 nm高反膜及792 nm高透膜的45°激光全反镜M3,经45°激光全反镜M3透射入射至Tm∶YLF激光晶体,Tm∶YLF晶体吸收同向π偏振泵浦光产生1910 nm激光辐射,经平凹输出耦合镜OC耦合输出。

4 实验结果

采用以上实验装置搭建实验,激光器输出特性如图6所示,当不加入半波片的LD双端非同向偏振泵浦Tm∶YLF激光器,注入47.43 W的功率时,能够输出激光14.28 W,斜效率为36.13 %。当半波片插入谐振腔时,LD双端同向偏振泵浦Tm∶YLF激光器,相应的斜效率为37.26 %,提升1.13 %,由于插入半波片后同向偏振的泵浦光泵浦Tm∶YLF晶体,增加了晶体的吸收效率,通过优化泵浦结构,有效提高了晶体的增益。

图6 LD双端偏振泵浦Tm∶YLF激光器的输出特性

使用以色列OPHIR公司研制的L150A-V1功率计,在不同耦合输出镜参数下测量激光器的输出功率。实验结果如图7所示。

图7 不同曲率半径下的LD同向偏振双端泵浦Tm∶YLF激光器的输出特性

输出耦合镜曲率半径和透过率分别为R=150 mm,T=15 %时,LD双端共注入47.45 W时,激光器的输出功率为15.22 W,泵浦阈值功率为5.01 W,相应的斜效率和光-光转换效率分别为37.22 %,32.07 %。当R=200 mm时,泵浦阈值功率为6.52 W,光-光转换效率和斜效率分别为30.02 %,38.54 %。当R=300 mm时,泵浦阈值功率为10.87 W,光-光转换效率和斜效率分别为为9.89 %,13.86 %。由此看出,当输出耦合镜曲率半径增加,激光器的泵浦阈值功率随之增加；腔内损耗也随之增加；输出功率随之降低；光-光转换效率和斜效率随之降低。激光器的最佳参数分别为,谐振腔长度L=80 mm,输出耦合镜透过率和曲率半径为T=15 %,R=150 mm。

图8 LD同向偏振双端泵浦Tm∶YLF激光器输出光谱图

图9 LD同向偏振双端泵浦Tm∶YLF激光器的光束质量

5 结 论

本文采用了同向偏振泵浦技术,最终实现了LD双端同向偏振泵浦Tm∶YLF激光器的1.9 μm高效输出。实验根据输出耦合镜不同曲率半径对激光器输出功率影响进行分析,当输出耦合镜曲率半径R=150 mm,透过率T=15 %为最佳参数；谐振腔长度80 mm。实验采用偏振分光器和半波片使泵浦光转换为同向偏振光注入晶体,当泵浦功率为47.42 W时实现了14.72 W的功率输出。波长为1907.6 nm,线宽1.26 nm。斜效率为37.24 %,光-光转化效率为31%。通过优化泵浦结构,使晶体内温度分布更均匀,改善晶体内热效应,有效提高了激光晶体增益。