LD雙端抽運板條Tm：YAP激光器研究

陳天宇，姜妍，溫雅，金光勇

（長春理工大學(xué) 理學(xué)院，長春 130022）

中紅外2μm波段的激光，具有大氣消光比較低且人眼安全的特點，可以作為激光成像雷達、多普勒相干測風(fēng)雷達的重要光源［1］；由于2μm激光的輻射能引起凝固效應(yīng)，有效減少手術(shù)過程中的出血現(xiàn)象，可應(yīng)用于神經(jīng)外科手術(shù)等醫(yī)療領(lǐng)域；2μm波段的激光是抽運中紅外OPO實現(xiàn)3～5μm、8～12μm中遠紅外激光輸出的理想泵浦源［2］。目前較為普遍與常用的獲得2μm激光的方式為泵浦單摻Ho3+基質(zhì)，Ho3+激光器的最佳泵浦源即為1.9μm的激光［3-4］，Tm：YAP激光器是目前較為成熟的1.9μm固體激光器［5］，作為單摻Ho激光介質(zhì)的泵浦源可以獲得高功率、高光束質(zhì)量的2μm激光輸出。則獲得大功率，光束質(zhì)量較好的1.9μm波段激光是獲得2μm激光的關(guān)鍵［6-7］，采用板條狀的Tm：YAP激光是由于其易于散熱，相同條件下，晶體內(nèi)光場與溫度分布較為均勻，減小熱效應(yīng)對激光輸出的影響，獲得高功率的1.9μm激光輸出，對研究高功率高光束質(zhì)量的1.9μm激光器提供支持。

1 LD端面抽運板條Tm：YAP晶體內(nèi)部熱溫度模型

在固體激光器中，晶體的熱效應(yīng)是影響激光器大功率輸出的問題之一，模擬在激光器運行中晶體內(nèi)部熱場分布，考慮晶體散熱面與晶體中心受熱產(chǎn)生的溫度梯度，考慮晶體內(nèi)部與邊界溫度的差值，選擇橫截面較大的板條晶體作為研究對象，更有利于散熱面與水冷的接觸，減小晶體內(nèi)部溫度分布，達到補償熱透鏡效應(yīng)的方式［8］。通過建立板條狀Tm：YAP晶體的溫度分布模型，模擬了晶體內(nèi)部的光場分布，并獲得晶體內(nèi)最高溫度與最低溫度的差異，為下一步實驗研究提供指導(dǎo)和依據(jù)。

Tm：YAP晶體的基質(zhì)為鋁酸釔晶體（YAP），該晶體是光學(xué)負(fù)雙軸晶體，具有各向異性的特點，彈性系數(shù)較小，因此熱應(yīng)力對熱透鏡效應(yīng)的影響較小，熱梯度對熱焦距的變化起主導(dǎo)作用。

圖1 LD雙端抽運Tm：YAP晶體結(jié)構(gòu)示意圖

采用連續(xù)泵浦源雙端抽運Tm：YAP板條晶體，建立晶體的熱傳導(dǎo)方程如下：

采用雙端泵浦結(jié)構(gòu)產(chǎn)生激光，則泵浦光從兩端進入晶體內(nèi)，設(shè)入射到晶體內(nèi)的泵浦光為高斯光束，則具有a×b×L尺寸的晶體的熱源函數(shù)可以表述為：

q0為晶體內(nèi)的中心熱源函數(shù)，可以寫成：

圖2 LD雙端抽運Tm：YAP晶體內(nèi)二維、三維光場分布圖

由板條Tm：YAP晶體內(nèi)部的熱場分布，根據(jù)熱分析模型，該模型在熱傳導(dǎo)方程的基礎(chǔ)上，假設(shè)泵浦光為高斯光浦，采用不完全冷卻系統(tǒng)，側(cè)面通常用銦箔包裹放置在銅制散熱器中，冷卻液為蒸餾水。

在雙端LD抽運時，給定泵浦功率為40W（即每個面是20W的抽運功率），冷卻系統(tǒng)的溫度給定為Tc=285K。晶體內(nèi)熱分布圖如圖3所示。

圖3 （a）、（b）為Tm：YAP晶體內(nèi)溫度分布的二維、三維圖

圖3表示總的抽運功率為40W，晶體內(nèi)部的溫度分布情況，即每端給定的抽運功率大約為20W左右，晶體的中心溫度與邊緣溫度分別為307K和291K，內(nèi)外溫差為16℃。

晶體的熱主要集中在泵浦面上，慢慢向四周擴散，而晶體四周與水冷具有循環(huán)的過程，又會使四周的溫度可以較快的擴散，內(nèi)部的問題擴散較慢，會形成較大的溫度梯度，改變晶體的熱透鏡焦距，影響諧振腔的穩(wěn)定性，減低激光的輸出功率。

2 LD雙端抽運板條Tm：YAP激光器諧振腔設(shè)計

激光光學(xué)諧振腔是激光器的重要組成部分，激光諧振腔的長度和輸出鏡半徑是影響諧振腔穩(wěn)定性的主要因素［9］。

為了增加Tm：YAP晶體的注入功率，實現(xiàn)高功率1.99μm激光輸出，采用雙端抽運的泵浦方式，為了達到雙端抽運的方式，只能使激光輸出于折線方向，諧振腔設(shè)計成“L”形腔［10］。

把激光晶體近似為一個焦距為f的薄透鏡，位于激光晶體的幾何中心。腔鏡M1為全反鏡，M2為45°全反鏡，M3為凹面輸出鏡，曲率半徑為R，M1到晶體中心的距離為L1，晶體中心到M2的距離為L2，M2到M3的距離為L3。則根據(jù)ABCD矩陣?yán)碚摚C振腔穩(wěn)定性參數(shù)1/2（A+D）可表示為f與L1、L2+L3和R的解析表達以及諧振腔的穩(wěn)區(qū)范圍圖。

圖4 Tm：YAP激光器諧振腔

以M1為參考面時光束在諧振腔內(nèi)往返一次的傳輸矩陣為：

從圖中的穩(wěn)區(qū)范圍可知，在R=100mm、300mm時，L1在0～60mm，L2+L3在0～90mm之間，諧振腔均能保持穩(wěn)定性。

圖5 R=100、300時穩(wěn)區(qū)圖

3 LD雙端抽運板條Tm：YAP激光器的實驗研究

3.1 諧振腔腔長對激光輸出的影響

如圖6所示，采用795nm泵浦源，聚焦鏡組的耦合比為1∶2，Tm∶YAP晶體為國產(chǎn)晶體，摻雜濃度為3at.%，a軸切割，尺寸為2×6×16mm3。

圖6 LD雙端抽運板條Tm∶YAP激光器實驗裝置

LD雙端抽運Tm∶YAP激光器的實驗的諧振腔選為“L”型平凹腔，選取T=10%，曲率半徑選取R=100，設(shè)定腔長60mm，80mm，100mm時，分別測量輸出功率。

改變諧振腔腔長，選取L分別為60mm，80mm，100mm時，斜率效率分別為29.01%、33.8%、34.4%，在腔長為100mm時獲得最大輸出功率為21.02W，此時的抽運功率為70.74W，光光轉(zhuǎn)換效率為29.7%。但由于選用的是兩個電源，在相同電流的時候輸出功率稍有差異，即晶體兩端的注入功率不能保持一致，晶體內(nèi)的溫度分布不會如模擬那樣均勻，會有一邊大于另一邊的現(xiàn)象出現(xiàn)，也會影響激光器的輸出功率，中心波長等。

圖7 當(dāng)R=100，T=10%時，改變諧振腔長度時輸出功率隨抽運功率變化曲線

3.2 輸出鏡透過率對激光輸出的影響

在諧振腔腔長為100mm時，當(dāng)輸出鏡曲率半徑分別為R=100、R=200，R=300時，改變輸出鏡的透過率，分別選取T=5%、T=10%的輸出鏡，分別測量輸出功率。

圖8 選定T=5%時，R=100、200、300，輸出功率隨抽運功率變化曲線

圖9 選定T=10%時，R=100、200、300，輸出功率隨抽運功率變化曲線

在輸出鏡透過率T=5%時，R=100、200、300時，最大輸出功率分別為20.22W、21.02W、19.76W，斜率效率分別為29.24%、33.9%、34.1%，光光轉(zhuǎn)換效率為28.2%、29.7%、29.3%。在輸出鏡透過率T=10%時，R=100、200、300時，最大輸出功率分別為21.02W、21.25W、20.32W，斜率效率分別為34.4%、25.7%、27.4%，光光轉(zhuǎn)換效率為29.7%、25.6%、25.3%。可以看出在諧振腔腔長為100mm時，輸出鏡R=200，T=10%時，獲得最大輸出功率21.25W。通過對比得到，當(dāng)輸出鏡透過率為10%時，在相同曲率半徑下，激光輸出功率更高，當(dāng)輸出鏡透過率為5%時，在相同曲率半徑下，激光器斜率效率和光光轉(zhuǎn)換效率相對更高。

實驗中通過光譜儀采集輸出波長圖，中心波長為1988.5974nm，譜線寬度為2.247。圖10為輸出的光譜圖。

圖10 雙端抽運板條Tm：YAP激光器輸出光譜圖

4 結(jié)論

本文建立了板條狀Tm：YAP晶體的熱分布模型，模擬了雙端抽運晶體內(nèi)部的光場分布以及晶體內(nèi)溫度分布圖形；并采用雙端抽運的方式，在同等條件下進行實驗研究。當(dāng)采用雙端抽運的方式，選用輸出鏡透過率為T=10%、曲率半徑為R=200，諧振腔腔長為100mm時，獲得了斜率效率為25.7%，光光轉(zhuǎn)換效率為25.6%，中心波長為1988nm的21.25W激光輸出。