LD 阵列双端泵浦Tm：YLF 激光器

张鸾，李若冰，刘景良，陈薪羽

（长春理工大学 物理学院，长春 130022）

2 μm 波段激光处于人眼安全波段，以其独特的光学性质，在医学治疗、激光遥感、激光测距、光电对抗等领域显示出很大优势［1-5］，同时又可以作为中红外激光器的高效泵浦光源［6-9］。当前，国内外的研究人员在波段2 μm 的固体激光器对高功率输出等方面展开了大量研究，2011年，上海光机所的程小劲等人［10］通过LD 双端泵浦不同掺杂浓度下的Tm：YAP 和Tm：YLF 板条晶体，最终分别获得72 W 和50.2 W 的最大输出功率，泵浦功率为220 W，斜率分别为37.9%和26.6%。2017 年，长春理工大学的董航等人［11］通过单LD双端泵浦板条Tm：YLF 晶体，在输出镜透过率为10%时，实现15.4 W 的激光输出。2017 年，安朝卫等人［12］对激光二极管双端抽运Tm：YLF 板条激光器展开了研究，获得了波长为1 908 nm 的、连续稳定输出功率为60.1 W、斜效率为39.8%的激光输出。2017 年，北京理工大学的李岩等人［13］采用LD 双端泵浦Tm：YLF 板条晶体，在输出镜透过率为20%时，实现25.9 W 的1 908 nm 激光输出，斜率效率为40.7%。由以上研究结果可知，为实现高功率激光输出，采用的方式各有不同，但由于Tm：YLF 具有严重的热效应，限制了波段在2 μm 的掺Tm 激光器的输出功率，为了降低晶体的热效应，同时提高掺Tm 激光器的输出功率，Kieleck 等人［14］将晶体的块状或棒状结构改变为板条结构，同时还可以采用阵列泵浦的方式，通过改变泵浦光斑的大小来处理热效应问题。因此本文将利用LD 阵列作为泵浦源，对板条Tm：YLF 晶体的高功率输出开展研究。

1 理论分析

由于Tm：YLF 晶体的热效应对输出功率影响很大，研究晶体热效应对激光器的设计有重要意义。本文对尺寸1.5 mm×12 mm×20 mm、掺杂浓度2.0at.%的Tm：YLF 板条晶体进行研究，晶体的热稳态方程表示为：

其中，kx、ky、kz代表坐标系中不同方向的热导率；T代表晶体的温度分布；Qh代表晶体的热源密度函数。

通过热稳态方程，利用COMSOL 软件对LD阵列双端泵浦Tm：YLF 板条晶体的温度分布进行仿真模拟。Tm：YLF 板条晶体热仿真参数如表1 所示。

表1 Tm：YLF 板条晶体热仿真参数

当双端泵浦光斑尺寸均为4 mm×1 mm，泵浦功率为40 W 时对晶体热分布进行仿真计算，得到Tm：YLF 板条晶体热分布如图1 所示。图1（a）可知晶体两端面泵浦中心温度最高，为312.9 K，晶体两边由于没有泵浦光进入，温度最低，为水冷设置温度292 K。晶体的温度沿z轴方向的分布如图1（b）所示，由中心向两边逐渐升高。在y轴方向的温度分布情况如图1（c）所示，由晶体两边向晶体中心逐渐升高，在晶体中心处温度最大。

图1 Tm：YLF 板条晶体热分布

通过聚焦耦合系统可以将LD 阵列10 mm×10 mm 的泵浦光斑调整到不同尺寸。为防止晶体因热效应严重损坏，同时又能够保证高注入功率，可以通过改变不同泵浦光斑尺寸来满足实验需求。端面泵浦光斑尺寸x方向固定为1 mm，y轴方向的光斑尺寸可分别为2 mm、4 mm、6 mm、10 mm，在双端泵浦功率均为40 W 的条件下对晶体进行热仿真模拟，对不同光斑尺寸下晶体内z轴方向温度分布进行对比。

由不同光斑尺寸下晶体内z轴方向等温线如图2，可知当y轴方向光斑尺寸分别为2 mm、4 mm、6 mm、10 mm 时，晶体内部最高温度分别为327.8 K、312.9 k、305.7 K、299.9 K，晶体内部的最大温差分别为12.4 K、7.1 K、4.9 K、2.9 K。可见随着泵浦光斑尺寸减小，最高温度及最大温差均会增大，因此选择合适的泵浦光斑尺寸能够有效控制晶体热效应。

图2 不同尺寸光斑z 方向等温线

从图2 中可见，随着光斑尺寸的增大，晶体内温度整体呈下降趋势。而当光斑大小为2 mm×1 mm时晶体内最高温度明显高于其他光斑尺寸，且随着光斑尺寸的增大，晶体内的温度差越来越小，这也就证明了晶体的热效应现象受光斑尺寸的影响较大。

当y轴方向泵浦光斑尺寸在4～10 mm 时，晶体内的温度变化比较平缓，在实验中为了使晶体内最高温度较低，且温度分布均匀，既避免晶体损坏同时又能保证激光器的输出，所以最终实验选取光斑尺寸为4 mm×1 mm。

2 实验结果及分析

LD 阵列双端泵浦Tm：YLF 板条激光器实验装置示意图如图3 所示。首先在工作物质的两端各放置一个泵浦源，为工作物质提供泵浦功率。工作物质使用a 轴切割的1.5 mm×12 mm×20 mm 的Tm：YLF 板条晶体，掺杂浓度为2.0at.%，晶体的两个端面进行抛光镀膜，在实验过程中对晶体银箔包裹，并放置在紫铜晶体夹中，晶体夹连接水冷，温度控制在18 °C。

图3 LD阵列双端泵浦Tm：YLF板条激光器实验装置示意图

由于本实验进行双端泵浦，因此采用“L”形谐振腔，谐振腔长度L=90 mm，L=L1+L2+L3。其中晶体中心到全反镜M1的距离为L1；45°镜M2到晶体中心的距离为L2；输出镜OC 到45°镜M2为L3。由泵浦源LD 阵列发出的泵浦光尺寸为10 mm×10 mm，根据上述理论模拟计算，经过由F1、F2、F3三个柱透镜组成的聚焦系统变换透过全反镜M1（透泵浦光，全反激光）入射到晶体端面，最终泵浦光斑尺寸为4 mm×1 mm。另一端泵浦光束采用相同的聚焦变换系统，将泵浦光入射到工作物质内，最终激光在上述元件所组成的谐振腔中振荡，由输出镜OC 输出，利用功率计、示波器等对激光输出参数进行测量。

根据上述理论分析及装置进行实验系统的搭建，为获得高能量的激光输出，首先选取了曲率半径均为300 mm，透过率分别为15%、20%、30%、40%、50%的输出镜，实验结果如图4 所示。

图4 不同输出镜透过率对激光器输出特性的影响

结果表明，当透过率为15%、20%、30%时，激光器阈值分别为43.7 W、50.2 W、60.5 W，最大输出功率分别为20.6 W、30.74 W、27.43 W，斜效率分别为15.6%、19.9%、18.5%。实验中发现，输出镜选取透过率T=15%时激光器阈值最小，随着透过率增大，激光阈值随之增大。但在实验过程中发现当注入功率达到一定值时，激光输出不稳定，达到输出极限，由此判断透过率T=15%的输出镜不适合应用于功率较高的双端阵列泵浦Tm：YLF 板条激光器。在输出镜透过率为20%和30%时，均出现此类状况，因此透过率较低的输出镜并不适用于泵浦功率较高的双端泵浦激光器中会限制更高泵浦功率下的激光器输出。

经过上述实验结果分析对比，再次选取透过率为40%、50%的输出镜进行实验。当透过率为40%时，激光器阈值为74.9 W，当双端最大输入功率和为317.1 W 时，获得稳定连续输出功率为51.1 W、斜效率为21.1%的激光输出。输出镜选取透过率为50%时，激光器阈值为74.9 W，当双端最大输入功率和为317.1 W 时，输出激光的功率为42.8 W，斜效率为17.7%，输出效果明显高于低透过率下的激光输出。

通过实验结果分析，为了继续优化激光输出，选取透过率分别为40%、50%的输出镜，然后选取相同透过率不同曲率的输出镜，对激光输出特性的影响结果如图5、图6 所示。

图6 输出镜T=50%时，不同曲率对激光器输出特性的影响

图5、图6 分别为T=40%、T=50%时，不同曲率对激光器输出特性的影响，分析可得在相同透过率下，随着输出镜曲率的增大，激光器最大输出能量逐渐降低，斜率降低，输出镜曲率为200 mm 时，输出效果更佳。对比不同透过率下的输出效果，可知当透过率T=40%时，激光器阈值为73.6 W，当双端最大输入功率和为317.1 W时，稳定连续输出功率为52.5 W，斜效率为21.5%，输出效果最佳。

在输出镜曲率为200 mm，透过率为40%时，激光器稳定连续输出功率为52.5 W，使用YOKOGAWA公司生产的AQ637 光谱分析仪对输出波长进行测量，如图7 所示。从图中可以看出激光器输出中心波长为1 908.12 nm。

图7 最高激光输出时激光光谱图

3 结论

本文采用LD 阵列双端泵浦Tm：YLF 晶体，为解决Tm：YLF 晶体由于热效应限制激光高功率输出的问题，建立COMSOL 模型，通过模拟对比最终选取泵浦光斑为4 mm×1 mm，为高功率下激光器稳定输出提供理论准备，然后对泵浦源聚焦耦合系统进行设计，选取合适的聚焦透镜来获得最佳泵浦光斑，为实验做好前提准备。最终实验通过在相同输出镜曲率时，对不同透过率下的输出镜进行对比，高透过率输出镜下虽然阈值较大，但更能在高功率泵浦下获得激光输出，当输出镜透过率为40%时，输出结果最佳。选取高透过率输出镜，以相同透过率对不同输出镜曲率进行实验对比，最终得到在输出镜曲率为200 mm、透过率40%时，激光器阈值为73.6 W，当双端最大输入功率和为317.1 W 时激光器输出效果最佳，此时稳定连续输出功率为52.5 W，斜效率为21.5%，为高功率输出获得连续稳定的1.9 μm 激光器提供了参考。