LD泵浦Pr∶YLF固体激光器

2022-09-22程德华蒋星晨李业秋

激光与红外 2022年8期

程德华,蒋星晨,付林,甄佳,李业秋,张岳,岱钦

(沈阳理工大学,辽宁沈阳 110159)

1 引言

近几年来,可见光波段的全固态激光器快速发展,其中波长在600～660 nm的激光在彩色显示、印刷、医学、及激光通信等方面[1-2]有广泛的应用,对于可见光波段的固体激光器的研究[3-5]主要是通过非线性频率变换,通常将近红外光1064 nm、946 nm等转化为二次或三次谐波得到。同时,使用非线性频率变换时采用的激光晶体也主要以Nd∶YAG、Nd∶YVO4、Nd∶GdVO4等晶体。Pr∶YLF晶体因其可直接产生可见光激光输出,近年来在国内外得到了广泛关注和深入研究。

2004年,A.Richer等人[6]采用442nm LD泵浦 Pr3+∶YLF晶体,获得了639.7 nm红光输出。2012年,Ryo Abe等人[7]采用Cr:YAG作为PrYLF激光器的被动调Q可饱和吸收晶体,输出脉宽为389 ns、功率为789 mW的639 nm激光。2021年,Moritz Badtke等人[8]采用Co:MgAl2O4作为Pr∶YLF激光器的被动调Q可饱和吸收晶体,输出8.5 ns的长脉冲,脉冲能量为1.3 μJ的640 nm激光。在国内,2012年,黄舜林等人[9]采用444 nm蓝光LD泵浦长度5 mm、掺杂浓度为0.5 %Pr∶YLF晶体,获得最高90.1 mW的绿光输出。2015年,徐斌等人[10]使用444 nm蓝光泵浦抽运Pr∶YLF晶体,获得了697.6 nm的连续深红光输出,最大输出功率为348 mW。2021年,Xiuji Lin等人[11]使用二极管泵浦Pr3+∶YLF晶体,获得了670.4 nm,674.2 nm和678.9 nm的激光,其最大输出功率分别为2.60 W,1.26 W和0.21 W。

论文研究了LD端面泵浦Pr∶YLF激光器,通过建立热效应模型,模拟分析了不同掺杂浓度晶体的温度场变化,通过对激光器泵浦耦合系统以及输出镜的透射率等参数进行了优化设计,实现了LD泵浦Pr∶YLF固体激光器的高功率、高效率输出。

2 实验装置

Pr∶YLF红光激光器实验光路如图1所示。采用激光二极管(LD)端面泵浦,中心波长为443.9 nm,选用两个焦距为15 mm的耦合透镜,组成耦合光学系统。为提高传输效率,L1透镜和L2透镜都镀有443.9 nm的增透光学膜,为了不影响谐振腔模和泵浦光的模式重叠,得到高的输出效率,激光腔选用平凹稳定腔,由于Pr∶YLF晶体在可见光波段有多个波长的受激辐射,绿光522 nm、红光640 nm、深绿光698 nm和720 nm等波长。所以输出腔镜膜系必须抑制掉其他临近波长的激射,M2输出镜对泵浦光高反,对邻近波长522 nm和698 nm有较高的透射率来抑制这些波长。反射镜M1对泵浦光高透,对640 nm高反(反射率为99.7 %),Pr∶YLF晶体掺0.5 at %的Pr3+离子,其大小为3 mm×3 mm×6 mm。

图1 LD泵浦Pr∶YLF激光器实验装置图

3 LD端面泵浦Pr∶YLF晶体热分析

由于晶体为方形结构,采用简约模型图,选用平面坐标系来描述,如图2所示。

图2 LD泵浦Pr∶YLF晶体模型

LD泵浦光强分布可以近似用高斯分布[12]来表示。当泵浦光在Pr∶YLF晶体中传播时,考虑到激光晶体的吸收损耗,由于Pr∶YLF晶体的吸收系数与镨离子的掺杂浓度有关,晶体对444 nm的LD泵浦光的吸收系数表示为:

(1)

其中,α为晶体的吸收系数;σ表示晶体的吸收截面;c为Pr3+掺杂浓度;NA为阿伏伽德罗常数;M为基质的摩尔质量;ρ为晶体密度。Pr∶YLF晶体侧面用铜制热沉,端面与空气对流换热,得到了晶体内部温度场分布解析表达式:

(2)

Amnl=

(3)

其中,h为热交换系数;k为热传导系数;q为热功率密度。

对于不同的掺杂浓度晶体,掺杂浓度分别取0.25at %,0.5at %,0.75at %,1at %时,模拟得到了晶体对泵浦光的吸收曲线如图3所示。

图3 不同掺杂浓度晶体的吸收曲线

可以看出,Pr∶YLF晶体掺杂浓度越大,晶体吸收泵浦光的效率越高,并且吸收长度在2 mm以内,光强变化最为显著。

利用有限元法模拟分析了不同掺杂浓度激光晶体x轴方向温度场分布,如图4所示。

图4 不同掺杂浓度晶体X轴方向温度场分布

可以看出,随着掺杂浓度的升高,晶体的前段整体温度升高,晶体入射区域与出射区域温度差值也不断增大,致使晶体的后段整体温度降低,温度场分布均匀性越差。这是由于随着掺杂浓度的提高,晶体的吸收系数也随之增大,晶体吸收泵浦光的能力就越强,大部分的泵浦光能量被晶体的输入端面吸收。在其他条件不变的情况下,掺杂浓度较低时,晶体吸收泵浦光的能力小,导致激光输出功率降低,掺杂浓度太高时,大部分的泵浦光能量被晶体的输入端面吸收了,导致到达晶体中心及输出端面能量极低,掺杂浓度过高也会引起浓度猝灭问题。

4 实验结果与分析

由于LD发散角大,功率密度低,需要对泵浦光进行整形耦合,考虑到泵浦耦合系统结构紧凑,尽量避免能量在光学元件传输过程中损失,采用单个焦距为15 mm的透镜对泵浦光进行整形耦合,得到了219 mW的最大输出功率,光光转换效率为11.7 %,整形后泵浦光束分布均匀性较差,功率密度较低。为进一步降低阈值,提高输出功率与转换效率,在此基础上进行实验优化,采用两个焦距为15 mm的透镜组合进行整形,减小光斑半径,功率密度得到提升,有效降低了阈值,提高模式交叠效率和泵浦耦合效率。另外,分析优化了输出镜透过率参数,输出镜透过率分别为3.9 %和3.5 %时,激光器输出功率测量结果如图5所示,可以看出,对于透射率为3.5 %输出镜,获得640 nm激光最大输出功率287 mW,光光转换效率可达16.1 %,阈值为204 mW。