基于超高斯特征的固体激光器输出特性研究

景 贵 王垚廷 张博伦张 勋

（1.西安工业大学，陕西 西安 710021；2.西安应用光学研究所，陕西 西安 710065）

0 引言

半导体激光器通常也被称为激光二极管（LD），是一种应用十分广泛的激光器件，通常被用作固体激光器的泵浦源。与传统灯泵浦源相比，LD具有的优势主要有［1］：转换效率高、热效应小、空间匹配性好、寿命长。

1994 年，Gori［2］引入了一种描述平顶均匀空间分布激光光束的光束模型，即平顶高斯光束模型。当激光器在输出光束时，其横截面上光强分布与激光器的振荡模式有关，在单模时，光强以高斯函数形式分布，被称为高斯光束。由于平顶高斯光束的平顶均匀空间分布及高斯光束通过激光谐振腔来发出基模辐射场，其横截面的振幅分布遵循高斯函数特点。以往对固体激光器热效应的研究中，大部分研究者使用高斯分布或平顶高斯分布对温度场进行分析，这是一种较理想化的光束分布模型［3］，而在固体激光器实际运转中，超高斯分布模型比高斯分布模型更加符合实际情况［4］。其中，超高斯光束的数学物理模型由Parent 等［5］于1992 年首次提出，探讨了初始超高斯场分布的近、远场传播问题。在传播过程中，光束轮廓发生了随超高斯阶增加的畸变。本研究旨在分析不同阶数的超高斯光束对晶体温度的影响，并分析泵浦光和振荡光的空间分布对激光输出特性的影响，为谐振腔中泵浦光和聚焦透镜位置的合理选择提供理论基础。以半导体激光器为泵浦源，对Nd：GdVO4的1 342 nm 固体激光器输出特性情况进行测量，并对试验数据进行处理，再使用数据分析软件对超高斯函数进行拟合，对比分析结果。

1 超高斯光束模型

固态激光器的输出特性并非仅由光学谐振腔的结构形状所决定，而是受到增益分布的影响，且这种增益分布主要由增益介质掺杂离子浓度和激光二极管泵浦光分布所构成。在以往对泵浦光的分析过程中，通常使用高斯分布模型和平顶高斯模型来简化其强度分布，但随着对激光器研究的进一步深入，发现之前的分布模型无法完全描绘出真实强度的分布情况。因此，使用超高斯分布模型描述泵浦光分布更为准确。使用柱坐标系来表示，假设抽运光沿z轴方向平行入射到晶体端面中心，则抽运光的归一化分布表达见式（1）［6］。

式中：m为超高斯分布阶次，超高斯分布阶次m=1，2，3…；r为晶体端面几何中心，r=0；α为激光介质的吸收系数；ωp为抽运光的平均光斑半径；l为激光晶体的长度。添加y来标准化高斯分布，见式（2）。

式中：a=22.575 57、b=3.129 67、c=0.231 43、d=1.014 63。

超高斯阶次分别为1、2、3、4、5 时的超高斯分布如图1 所示。由图1 可知，随着m值的不断增加，辐照出射度曲线逐渐趋于平均分布，但在m=1与m=2之间的曲线有明显变化。

图1 超高斯分布

2 试验测量方案

使用半导体激光器作为测量输出特性试验方案装置示意如图2 所示，整个装置由半导体激光器、耦合透镜、平面镜、Nd:GdVO4、输出镜、功率计组成。采用相干公司（Coherent）生产的半导体激光器作为泵浦源，型号为M1F2S22-808.3-50CSS2.1T3，其中心波长为809.8 nm，采用平凹腔腔形结构，在25 ℃的LD 温度和20 ℃的冷却水温度条件下进行测试。

图2 试验测量装置示意

采用单端复合式Nd:GdVO4晶体作为激光介质，该晶体能有效减少激光器产生的热效应影响。晶体长度为15 mm，其中掺杂浓度为0.2%，不掺杂部分长度为3 mm，端面大小为2.5 mm×2.5 mm。利用光纤耦合激光二极管泵浦源，该泵浦源的主要工作参数为中心波长为808 nm、光纤芯径为300 μm和数值孔径为0.08。采用1∶1 的成像比例输出，通过光纤耦合将泵浦源与激光器相连，能有效减少固体激光器与半导体激光器间的热传导，降低热效应产生的影响，同时光纤的整形也有助于提高激光束质量。调整透镜和光纤输出端间的距离，可实现平均泵浦光斑半径的调节。这样可改变抽运光在增益介质中能量密度最大点的位置，从而寻找激光器的最佳输出功率。

在谐振腔内光束穿过Nd:GdVO4晶体的两个端面上都进行镀膜处理，为了更好地抑制不需要的激光波段，种类有808 nm 高透膜(T808 nm > 95%) 、912 nm 高透膜(T912 nm > 90%) 、1 064 nm 高透膜(T1 064 nm>90%)和1342 nm 的减反膜(R1 342 nm <0.2%)。将全部Nd:GdVO4晶体用热导率极高且厚度为0.05 mm 的铟铂包裹，和夹具一起置于紫铜控温炉中央，增加晶体与紫铜块的接触面积，克服因紫铜块表面不够光滑，无法和晶体充分接触，导致产生热损耗的问题。将去离子水通入两部分紫铜块内，通过循环散热的方式来维持温度。紫铜块通过水冷管与循环式水冷机相连，利用TEC 来控制控温炉的工作温度，确保精度达到0.01 ℃，同时保持激光介质温度在20 ℃。激光谐振腔采用平凹腔结构，其中，M1是平面反射镜、M2是凹面反射镜。M1的膜层参数使其在1 342 nm 波长下具有极高的反射率（R1 342 nm > 99.8%），同时在808 nm、912 nm和1 064 nm 波长下具有很高的透过率（T808 nm >95%、T912 nm > 90%、T1 064 nm > 90%）。平凹镜M2被用作输出镜，其镀膜参数如下：1 342 nm 波长下透过率为6%，且其曲率半径为100 mm。在距离输出镜M2后275 mm 处放置一面45°的半透半反镜(1342 nm HR&808 nm HT)，输出功率测量使用型号LP-3C功率计进行。

3 试验结果及分析

对采用端面抽运方式的Nd:GdVO4的1 342 nm固体激光器输出特性进行测试，结果如图3 所示。图3 中方块为试验测试数据，实线和虚线为不同超高斯阶数下输出功率的计算数值。

图3 泵浦功率与输出功率试验测试

由图3 可知，LD 抽运功率逐渐增加，激光器在积累一定能量后才开始输出，此时输出功率为2.7 W，即阈值功率。当入射功率继续增加时，输出功率与入射功率呈线性关系。经试验测得，当入射功率为42.4 W时，输出功率为11.76 W，光—光转换效率为27.7%，激光器的斜效率为29.6%。同时，抽运光的输出特性在小功率泵浦时采用高斯分布和超高斯分布计算所得结果基本相同，但在泵浦功率大于10 W 后，超高斯分布的输出特性与高斯分布有明显的区别，且随着超高斯阶数m的增加，输出功率也随之增加。试验结果表明：当m取2 时，超高斯分布模型的计算结果与试验测试数据基本一致；当m取1 时，高斯分布模型的计算结果不如超高斯分布模型优秀。试验验证了泵浦光超高斯分布模型比高斯分布模型更加符合实际抽运分布。

4 结语

本研究在超高斯光束能更好地描述实际的泵浦光输出特性的理论基础上，基于超高斯分布模型，使用端面泵浦1 342 nm 固体激光器，设计试验方案。对半导体激光器的输出功率进行测量，结合数据分析软件对于试验所得数据进行处理，并将绘制的曲线与超高斯函数进行拟合对比。拟合结果很清晰地表达出泵浦光的输出特性情况。试验测量端面泵浦1 342 nm 固体激光器的输出特性得到的试验结果与m为2 时的抽运光超高斯分布模型最为符合，充分验证了泵浦光超高斯分布模型比高斯分布模型更加符合实际抽运分布。