抽运源温度控制的功率均衡双波长激光器

沈成竹，俞优姝，许蒙蒙，张寒琦

(1.杭州电子科技大学通信工程学院，浙江 杭州 310018；2.杭州电子科技大学信息工程学院，浙江 杭州 311305)

0 引 言

双波长激光器输出激光信号的功率分布和相对功率比直接决定外差拍频效率，探究双波长激光器的功率均衡机制具有重要的研究意义[1-3]。目前，双波长激光器有单增益介质不同发射谱线输出[4-5]和双增益介质共腔型结构输出[6]两大主流方案。单增益介质不同发射谱线输出双波长激光器存在模式竞争现象，致使双波长激光信号输出功率此起彼伏、不稳定；双增益介质共腔型双波长激光器不存在模式竞争[7]，更容易实现双波长信号输出功率的均衡。双增益介质共腔型双波长激光器实现功率均衡的方法有多种，包括调节增益介质温度调谐功率[8-10]、调节抽运光束腰位置调谐功率[11-12]、调节LD的中心发射波长调谐功率[13]、调节双增益介质间距调谐功率[14]等。Huang等[13]采用Nd∶YVO4/Nd∶GdVO4组合双增益介质，将LD的中心发射波长从常用的808 nm调谐至805 nm，从而控制前端Nd∶YVO4晶体对抽运光能量的吸收率，并通过纵向移动抽运光束腰位置，得到输出1 064 nm和1 063 nm的双波长激光信号输出功率比的调谐区间为[0.15，10.00]；最终在抽运功率为14 W时，实现了均衡的总功率为1.3 W的双波长激光信号。He等[14]将内抽运激光器的腔内双增益介质(Nd∶YAG/Nd∶YVO4晶体)间隔一定距离放置，有效避免了模式竞争，实现了946 nm/1 064 nm双波长激光的运转；并通过改变Nd∶YAG和Nd∶YVO4晶体的间隔实现了双波长激光输出功率调谐，当抽运功率为30.5 W，Nd∶YAG和Nd∶YVO4晶体间隔为20 mm时，双波长功率均衡，输出总功率为4 W。但是，上述方法中，Nd∶YAG和Nd∶YVO4晶体之间存在间隔，Nd∶YAG晶体后端面和Nd∶YVO4晶体前端面可能会形成F-P腔，不利于激光器的稳定。

本文以2种不同增益介质前后胶合/贴合的Nd∶GdVO4/Nd∶YVO4双增益介质共腔型双波长激光器为对象，研究不同抽运光束腰位置条件下LD抽运源工作温度对双波长信号输出功率比的影响，实现了双波长信号输出功率的均衡。

1 抽运源温度调谐功率理论与仿真

双增益介质由2种不同的增益介质前后胶合/贴合而成，靠近抽运源的增益介质为前端增益介质GM1，远离抽运源的则为后端增益介质GM2。输出耦合镜采用部分透射镜。抽运阈值功率Pth,i，斜率效率Se,i和输出对应波长信号的功率Pout,i的表达式如下：

(1)

(2)

Pout,i=Se,i(Pin,i-Pth,i)

(3)

式中，下标i(1,2)分别表示GM1和GM2，Roc,i为激光器输出耦合镜的反射率，δi为谐振腔内衍射损耗，ln(1/Roc,i)为输出耦合镜的透射性损耗，li为增益介质的长度，ηq,i为量子效率，Isat,i为饱和光强，Isat,i=hv/σiτi，h为普朗克常数，v为增益介质吸收的抽运光频率，σi为增益介质的受激发射截面，τi为荧光寿命，λp为抽运光中心波长，λi为输出对应激光信号的波长，Pin,i为增益介质吸收的抽运功率，Veff,i为有效模体积函数，ηo,i为重叠效率，

(4)

(5)

(6)

Pin,i=Pinηα,i

(7)

式中，TLD为LD抽运源工作温度，αTLD,i为不同工作温度下增益介质对抽运光的吸收系数，z0为抽运光束腰位置，wi为振荡光的光斑半径，wp,i为抽运光的光斑半径，wp0为抽运光束腰位置在增益介质内z0处的束腰半径，z0=0表示GM1前端面，M2为输入抽运光的光束质量因子，ni为增益介质的折射率，Pin为LD抽运源输出的总抽运功率，ηα,i为增益介质对其的吸收效率，

ηα,1=1-exp(-αTLD,1l1)

(8)

ηα,2=exp(-αTLD,1l1)×1-exp(-αTLD,2l2)

(9)

仿真实验参数如下：LD抽运源工作温度为18 ℃，抽运功率Pin=3.7 W，抽运光波长λp=805 nm，抽运光的光束质量因子M2=200，增益介质内抽运光束腰半径wp0=120 μm，GM1为Nd∶GdVO4，GM2为Nd∶YVO4，GM1的长度l1=5 mm，GM2的长度l2=5 mm，GM1的吸收系数α1=0.14 mm-1，GM2的吸收系数α1=0.12 mm-1，GM1的折射率n1=2.25，受激发射截面σ1=7.6×10-19cm2，荧光寿命τ1=95 μs，GM2的折射率n2=2.22，受激发射截面σ2=25.0×10-19cm2，荧光寿命τ2=100 μs，量子效率ηq,i=0.76，谐振腔耗散性损耗δi=0.003，输出镜反射率Roc,i=0.9，输出激光信号波长λ1=1 063 nm，λ2=1 064 nm。采用Nd∶GdVO4，Nd∶YVO4晶体共轴排列方案进行仿真实验，得到抽运光束腰位置对输出双波长信号输出功率的影响如图1(a)所示，抽运光束腰位置对双波长信号输出功率比的影响如图1(b)所示。图1中，P1为1 063 nm波长激光信号输出功率，P2为1 064 nm波长激光信号输出功率。

图1 输出功率和双波长功率比与抽运光束腰位置的关系

从图1(a)可以看出，当抽运光束腰位置z0从4.0 mm增至6.0 mm时，P1从0.41 W降至0.01 W，P2从0.02 W增至0.15 W；当z0=5.4 mm，输出双波长信号的功率一致，均为0.12 W。从图1(b)可以看出，当抽运光束腰位置z0从5.0 mm增至6.0 mm时，双波长信号输出功率比P1/P2从2.28降至0.09。

选取2组数据z0=5.7 mm和z0=5.8 mm，采用LD抽运源温漂特性和双增益介质共腔型激光器输入输出功率关系模型进行数值仿真，得到双波长功率比P1/P2随LD抽运源工作温度变化的仿真结果如图2所示。

图2 双波长功率比随LD抽运源工作温度变化情况

从图2可以看出，当z0=5.7 mm，将LD抽运源工作温度从18.0 ℃上升至25.6 ℃，抽运光中心波长从805 nm红移至807 nm附近，P1/P2从0.44上升至1.00，输出双波长信号实现功率均衡；当z0=5.8 mm时，将工作温度从18.0 ℃上升至28.2 ℃，中心波长从805 nm漂移至808 nm附近，输出信号才能实现功率均衡。

2 抽运源温度调谐功率实验研究

2.1 抽运源温度调谐功率实验装置

实验装置示意图如图3所示。采用温控的LD抽运源，抽运光通过准直器和非球面透镜聚焦至激光增益介质。非球面透镜固定在推进器装置上推进器的螺距参数为0.5 mm，实现抽运光束腰位置沿激光增益介质轴向移动。

图3 LD端面抽运Nd∶GdVO4/Nd∶YVO4双增益介质共腔型双波长激光器示意图

双增益介质中a-cut Nd∶GdVO4晶体和a-cut Nd∶YVO4晶体的Nd3+掺杂浓度分别为0.2 at.%和0.5 at.%，两晶体光轴垂直且前后端面紧贴放置，横截面尺寸均为3 mm×3 mm，长度尺寸均为5 mm。Nd∶GdVO4和Nd∶YVO4晶体前后端面均镀有808 nm和1 064 nm的增透膜，被稳定夹持在热沉中，热沉温度稳定在20.0 ℃。输入镜M1镀有808 nm的增透膜和1 064 nm的高反膜，输出镜M2设计镀有1 064 nm的部分透射膜(透射率为10%)和808 nm的高反膜。输出激光信号分束输入到光功率计(Power meter,PM10X)和高分辨率(精度达0.01 nm)的光谱分析仪(OSA,Q8384,Advantest)。

对LD抽运源中心波长的温度漂移特性进行测量。设置LD输出功率为3.7 W，改变LD工作温度，测量LD光谱，抽运光波长的温漂情况如图4所示。

图4 抽运光中心波长随LD抽运源工作温度的变化情况

从图4可以看出，当LD温度由18.0 ℃升至27.0 ℃时，中心波长从805.1 nm红移至807.8 nm，拟合的温漂系数为0.3 nm/℃。

2.2 LD抽运源不同工作温度下的激光器输出特性

为了研究LD抽运源工作温度对激光器输出特性的影响，分别在抽运光束腰位置为双晶体中5.75 mm和6.00 mm距离处开展实验。首先固定抽运功率为3.7 W，调整抽运光束腰位置z0的起始点于距离激光增益介质前端面5.75 mm位置处。

连续抽运模式下，LD抽运源工作温度为18.0～30.0 ℃时，双波长信号输出功率比Rp=P1/P2随LD抽运源工作温度TLD的变化情况如图5所示。

图5 z0=5.75 mm时，双波长信号输出功率比随LD抽运源工作温度的变化情况

从图5可以看出，抽运源工作温度分别为18.0 ℃和30.0 ℃，通过计算得到Rp从0.39上升至1.64，线性拟合各个工作温度点的Rp值，得到Rp与TLD的拟合关系为Rp=0.1 183TLD-1.88。当TLD=24.3 ℃，Rp=1.00时，即可认为LD抽运源在工作温度为24.3 ℃的情况下，激光器输出的双波长激光信号功率均衡。

当固定抽运光束腰位置z0=5.75 mm时，LD抽运源工作温度TLD分别在18.0 ℃，24.0 ℃，30.0 ℃时，双波长信号的归一化光谱图如图6所示。

图6 z0=5.75 mm时，输出双波长激光信号的归一化光谱图

从图6可以看出，在LD抽运源工作温度为24.0 ℃时，激光器双波长信号近似功率均衡状态。

固定抽运光束腰位置z0=5.75 mm，改变抽运功率，调节LD抽运源工作温度使激光器输出功率均衡，进一步记录不同抽运条件下功率均衡激光器输出的总输出功率。功率均衡时，总输出功率随抽运功率的变化情况如图7所示。

图7 功率均衡时，总输出功率随抽运功率的变化情况

从图7可以看出，当抽运功率从0.5 W升至4.8 W时，激光器功率均衡状态下总输出功率从47.2 mW升至241.9 mW，线性拟合各个抽运功率条件下的总输出功率值，得到激光器功率均衡状态下的斜率效率为49.83 mW/W。

抽运功率保持3.7 W不变，将Nd∶GdVO4/Nd∶YVO4双增益介质内的抽运光束腰位置向后移动0.25 mm，即距离Nd∶GdVO4晶体前端面6.00 mm，双波长信号输出功率比Rp值随TLD的变化情况如图8所示。

图8 z0=6.00 mm时，双波长信号输出功率比随LD抽运源工作温度的变情况

从图8可以看出，TLD从18.0 ℃增至30.0 ℃时，Rp从0.31上升至1.10。双波长信号输出功率比Rp与LD抽运源工作温度TLD的拟合关系表达式为Rp=0.074TLD-1.12。通过进一步计算发现，当LD抽运源的工作温度从18.0 ℃上升至28.6 ℃时，双波长信号达到较好的功率均衡状态，这与图2的仿真结果一致，即双增益介质内抽运光束腰的空间位置直接影响双波长激光器达到功率均衡状态时LD抽运源的工作温度。

上述实验研究中，当固定抽运光束腰位置为5.75 mm时，需要将抽运源工作温度从18.0 ℃升高至24.3 ℃，输出双波长激光信号才能实现功率均衡；若将抽运光束腰位置向后平移至6.00 mm，则需要将抽运源工作温度升高至28.6 ℃，使得前端增益介质预吸收的抽运功率更大，输出双波长激光信号才能实现功率均衡。综上分析，实验结果与理论仿真计算结果基本符合。

3 结束语

本文通过建立LD抽运的Nd∶GdVO4/Nd∶YVO4双增益介质共腔型双波长激光器的数学模型，主要研究不同抽运光束腰位置条件下LD抽运源工作温度对双波长信号输出功率比的影响，及功率均衡状态下抽运功率对激光器总输出功率的影响。实验结果表明，改变LD抽运源工作温度可以调谐双波长信号输出功率，实现双波长输出功率的均衡。下一步拟研究温度对激光器功率稳定性的影响，以获得更稳定的双波长激光输出。