LD側泵Nd∶YAP連續(xù)紅外激光器

錢金寧，劉 濤，孫桂俠，李嘉強，張曉衛(wèi)，張志忠

(核工業(yè)理化工程研究院，激光技術研究所，天津300180)

1 引言

1342 nm波段的激光由于具有在光纖傳輸中損耗低、近零色散、并且水對該波段激光的吸收較大等特點，在光纖通訊、視頻顯示、激光彩色全息、激光美容及醫(yī)療、科學研究等領域有著廣泛的應用前景［1－7］，同時還可倍頻做成紅光激光器，因此1342 nm波段的固體激光器日益受到人們的重視。凌銘在文獻［7］中采用雙氪燈泵浦Nd∶YAP獲得了195 W的連續(xù)1342 nm輸出光。朱海永等［1］人用LD側面泵浦Nd∶YAP晶體獲得了121 W的連續(xù)1342 nm輸出光。

本文介紹了LD五陣列側面泵浦Nd∶YAP平平腔結構的1342 nm波長固體激光器實驗研究。在平均LD泵浦功率為700 W時，獲得了132.2 W的紅外連續(xù)輸出光，光光轉換效率為19%，斜效率為29%，一小時功率抖動優(yōu)于0.73%。測量了輸出激光的光譜特性——峰值波長和線寬，輸出激光線寬約為10 GHz。

2 實驗結構設計

圖1為LD側面泵浦Nd∶YAP激光器的實驗裝置圖。激光諧振腔采用平平腔型，由平面全反鏡M1和平面輸出鏡M2組成，為了獲得不同的腔長與激光器穩(wěn)定性及輸出功率的關系，兩鏡分別置于一維導軌上。全反鏡M1對1342 nm高反，而對1079 nm透過率大于95%。輸出耦合鏡鍍對1342 nm激光半反射膜。

激光棒采用捷克CRYTUR公司的Nd∶YAP晶體棒，在摻雜濃度的選擇上，因為摻雜濃度高，吸收效率高，反轉粒子數就高，激光器的效率也高，但濃度太髙時，會出現激光猝滅現象，激光器的效率反而降低［7］。綜合考慮，選用摻雜濃度為0.9at%的Nd∶YAP晶體棒，b向切割，5×100 nm。為了抑制1079 nm波長光在晶體內的自激振蕩而獲得1342 nm的波長，對Nd∶YAP晶體的兩端面鍍有對波長1342 nm和1079 nm激光增透膜，通過腔鏡鍍膜形成1342 nm振蕩輸出。

圖1 平行平面腔LD側泵激光器結構示意圖

泵浦源采用自行設計的均布五陣列LD泵浦源——包括泵浦頭、控制電源和水冷機三部分。泵浦頭是由五個半導體陣列條按72°均勻分布，直接耦合，不經光學聚焦系統，直接經玻璃套管冷卻水傳輸到Nd∶YAP晶體內，構成泵浦耦合系統，每組LD陣列的有效長度為100 mm，功率200 W，所以泵浦源的最高總功率為1000 W，如圖2所示。

圖2 五陣列LD模塊及其橫截面示意圖

激光介質吸收泵浦光，一部分轉化為振蕩激光，另一部分變成熱能沉積在晶體內部，形成激光晶體的熱效應。激光晶體的熱效應主要包括熱透鏡效應、熱致雙折射效應和熱致退偏效應，它們是影響全固態(tài)激光器輸出功率和光束質量的重要因素之一。實驗測量激光晶體的熱效應結果如圖3所示，由實驗結果可以看到，當泵浦功率由330 W(17 A)增加到650 W(33 A)時，熱焦距由240 mm縮短到90 mm，變化迅速。因此在激光器設計時要充分考慮到激光晶體的熱效應。

圖3 Nd∶YAP晶體的熱焦距與泵浦電流的關系

3 實驗結果

根據激光理論，激光的輸出功率對特定的透過率存在最大值。實驗中分別采用不同透過率(T=4%，T=10%)的輸出鏡，腔長為196 mm(L1=L2=40 mm)對稱型，得到輸出功率與透過率之間的關系圖，如圖4所示。由圖4中可以看到，采用了T=4%的輸出鏡，更容易得到比較高的輸出功率，閾值降低。

圖4 不同輸出鏡透過率情況下，激光輸出功率與泵浦電流的關系

當采用透過率為4%的輸出鏡時，得到激光最高輸出功率達到132.2 W，對應泵浦功率為700 W，光光轉換效率為19%，斜效率為29%。

由圖4中可看出，對于透過率為4%的輸出鏡，激光功率隨著泵浦電流上升，先是逐漸上升，到27～29 A附近有一個功率波動區(qū)域，然后再繼續(xù)上升，在凹陷區(qū)域的泵浦電流下，激光器表現的很不穩(wěn)定，隨著泵浦電流增加，功率增幅很小，甚至小幅下降，功率上下起伏，同時，光斑也表現出時隱時現的不規(guī)則形狀。為此，我們采用光譜儀對激光光譜進行監(jiān)測，發(fā)現在此區(qū)域內出現了模式競爭。如圖5所示。

圖5 激光器腔模競爭情況

圖6中給出了輸出鏡透過率均為4%，腔長分別為196 mm(L1=L2=40 mm)、206 mm(L1=L2=45 mm)、216mm(L1=L2=50 mm)情況下，激光功率與泵浦電流之間的關系，由于激光晶體的熱效應影響，腔長較長時，泵浦功率高時輸出功率反而有所下降。

采用NOVA II功率計，對功率輸出的穩(wěn)定性進行監(jiān)測，圖7為泵浦電流為I=34.3A時，監(jiān)測波長1342 nm激光功率1h內的抖動情況。期間最大功率125.1 W最小功率123.4 W平均功率124.2 W，1小時內的功率抖動最大小于0.73%。

圖6 不同腔長下，激光功率與泵浦電流的關系

采用YOKOGAWA公司的AQ6370C(600～1700 nm)光纖光譜儀對輸出激光的光譜特性進行了測量，中心波長為1342 nm，全譜寬為20 GHz左右，半高寬在10 GHz左右。

圖7 1342 nm激光功率穩(wěn)定性1 h監(jiān)測

4 結論

本文采用LD五陣列側面泵浦Nd∶YAP平平腔的諧振腔結構，實驗研究了連續(xù)1342 nm紅外激光器。在平均抽運功率為700 W時，獲得了132.2 W的紅外連續(xù)輸出光，光光轉換效率為19%，斜效率為29%，1 h功率抖動優(yōu)于0.73%。測量了輸出激光的光譜特性——峰值波長和線寬，輸出激光半高寬10 GHz。

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