LD端面抽運Nd∶GGG激光器熱效應(yīng)研究

馮 祝，萬云芳

（1.山東理工大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，淄博255049；2.山東理工大學(xué)理學(xué)院，淄博255049）

LD端面抽運Nd∶GGG激光器熱效應(yīng)研究

馮 祝1，萬云芳2

（1.山東理工大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，淄博255049；2.山東理工大學(xué)理學(xué)院，淄博255049）

為了研究激光二極管端面抽運摻釹釓鎵石榴石Nd∶GGG激光器的熱效應(yīng)，采用實驗測量與理論計算結(jié)合的方法，進行了激光器的連續(xù)運轉(zhuǎn)，測量了激光器的熱焦距、本征損耗和熱損耗。結(jié)果表明，采用凹-平腔結(jié)構(gòu)，當(dāng)抽運功率為28.8W時，得到最大連續(xù)波輸出功率為13.2W，對應(yīng)最大斜效率為51.5%，光光轉(zhuǎn)換效率為49.5%，Nd∶GGG晶體的本征損耗測量值為0.86%／cm；測量結(jié)果與理論計算吻合得很好。所得結(jié)果為LD抽運Nd∶GGG激光器的進一步設(shè)計優(yōu)化提供了實驗和理論依據(jù)。

激光器；Nd∶GGG；熱效應(yīng)；LD端面抽運

引 言

釓鎵石榴石（Gd3Ga5O12，GGG）在1964年由GEUSIC等人首次生長成功［1］，表現(xiàn)出熱傳導(dǎo)性能優(yōu)異、激光抽運閾值低、機械性能優(yōu)良和熱容大等優(yōu)點，是適合Nd3＋摻雜的激光晶體。與其它摻Nd3＋晶體，如Nd∶YVO4，Nd∶GdVO4，Nd∶YGdVO4和Nd∶YAG等相比，Nd∶GGG晶體不存在稱為“核”［2-3］的光學(xué)不均勻區(qū)域，從而能夠生長成為大體積晶體，而且能支持高達0.04甚至更高的Nd3＋摻雜原子數(shù)分數(shù)［4-5］。因此，Nd3＋∶GGG被認為是固體熱容激光器（solid-state heat-capacity laser，SSHCL）的最佳工作晶體［6］，在固體熱容激光器中獲得廣泛應(yīng)用［2，7］。此外，Nd∶GGG晶體的寬吸收帶降低了對激光二極管抽運源的波長敏感性［4］，近年來，激光二極管抽運的高功率Nd∶GGG激光器吸引了人們的興趣［5，8-9］。QIN等人報道了最大連續(xù)波輸出功率7.2W的二極管抽運Nd∶GGG激光器［5］。激光晶體的熱效應(yīng)對激光運轉(zhuǎn)特性有重要影響，值得研究［10］。但關(guān)于高功率激光二極管端面抽運Nd∶GGG激光器熱效應(yīng)方面的研究還比較少［11-12］。

本文中報道了激光二極管端面抽運高功率Nd∶GGG激光器并研究了其熱效應(yīng)。抽運功率28.8W時，得到最大連續(xù)波輸出功率13.2W，對應(yīng)最大斜效率為51.5%，光光轉(zhuǎn)換效率為49.5%。利用測得的抽運功率閾值，計算得到Nd∶GGG晶體的本征損耗為0.86%／cm。采用平平腔結(jié)構(gòu)，測量了熱焦距及其隨抽運功率的變化關(guān)系。從理論上計算了熱焦距及熱致?lián)p耗，結(jié)果與實驗符合得較好。

1 實驗設(shè)置

實驗設(shè)置如圖1所示。腔鏡M1曲率半徑200mm，腔外一側(cè)鍍808nm增透膜，另一側(cè)鍍1061nm高反膜和808nm高透膜。M2是平面輸出鏡，實驗中采用1061nm透過率為1.7%，5%，10%，15%，20%和27%的6種鍍膜方式。Nd∶GGG晶體摻Nd3＋原子數(shù)分數(shù)為0.01，晶體尺寸4mm×4mm×6mm（6mm為通光方向長度），其兩個端面均鍍有1061nm和808nm增透膜。晶體用銦箔包裹后放置于鋁塊中通循環(huán)水冷卻，水溫設(shè)置為18°C。抽運源采用光纖耦合激光二極管，最大輸出功率為30W。抽運光經(jīng)聚焦耦合系統(tǒng)會聚到Nd∶GGG晶體上，會聚光斑大小約為200μm，數(shù)值孔徑為0.22。

Fig.1 The configuration of Nd∶GGG laser in continuous operation

2 結(jié)果與討論

激光諧振腔腔長設(shè)置為12.5mm，研究其連續(xù)運轉(zhuǎn)特性。當(dāng)輸出鏡透過率分別為1.7%，5%，10%，15%，20%和27%時，Nd∶GGG激光器的1061nm連續(xù)波輸出功率如圖2所示。這6種透過率腔鏡對應(yīng)的抽運功率閾值分別為0.07W，0.16W，0.36W，0.64W，0.90W和1.29W。當(dāng)輸出鏡透過率為5%時，獲得最大輸出功率13.20W。最大斜效率和光光轉(zhuǎn)換效率分別為51.5%和49.50%。圖3中給出了抽運功率閾值與輸出鏡反射率R2的對數(shù)之間的關(guān)系。由圖可見，兩者滿足較好的線性關(guān)系。

Fig.2 Output power vs.input pump power

Fig.3 Threshold input power vs.ln R2

激光晶體的本征損耗用Findlay-Clay（F-C）方法測量。當(dāng)激光器工作在閾值附近時，激光晶體的本征損耗滿足方程［13］：

式中，κ表示熱導(dǎo)率，β＝d n／d T（T代表溫度）表示折射率的溫度變化系數(shù)，n表示晶體折射率，αt是熱膨脹系數(shù)，α是晶體對抽運光的吸收系數(shù)，l表示激光晶體長度，wp表示抽運光半徑，ξ表示抽運光轉(zhuǎn)化為熱量的比率。對于實驗中采用的摻雜原子數(shù)分數(shù)為0.01的Nd∶GGG晶體，κ＝6.43W／（m·K），β＝17×10－6／K，n＝1.95，αt＝8×10－6／K，α＝300／m，l＝6mm，wp＝0.275mm，ξ＝0.3。從圖4可見，實驗結(jié)果與理論計算結(jié)果符合得很好。需要指出的是，由于激光晶體本身長度以及實驗條件限制，抽運功率21W以上時對應(yīng)的熱焦距沒有測得。

Fig.4 Thermal focal length vs.incident pump power

對熱效應(yīng)導(dǎo)致的損耗δt的較嚴格的理論計算，需要采用FOX和LI［16］提出的光波傳輸方法進行詳細計算，但這種方法非常復(fù)雜。可以利用關(guān)系式δt＝1－R［17］進行簡單合理的理論估算，其中R表示用Strehl強度比［18］描述的參考球面中央的強度比，考慮高斯電場振幅比重因子，R可由下式表示［19］：

式中，λ表示光波波長，r為極坐標半徑，w0表示激光腔模的光腰，reff表示晶體材料的有效半徑，Δφ表示波前相對于參考球面的距離，計算公式由下式表示：

式中，η＝1－exp（－αl），而w0可由ABCD傳輸矩陣法求得，因此可以得到熱致?lián)p耗δt＝1－R與抽運功率之間的關(guān)系。利用（3）式和（4）式，可以從理論上計算光纖耦合激光二極管端面抽運Nd∶GGG晶體的熱致?lián)p耗δt＝1－R。

利用不同輸出鏡透過率下輸入輸出功率結(jié)果，可以根據(jù)下面公式［20］得到熱致?lián)p耗δt的實驗測量值：

式中，k為損耗系數(shù)；δ0為本征損耗，主要來自于吸收和激光材料的非均勻性帶來的衍射損失；R1，R2分別表示輸入、輸出腔鏡的反射率；L表示激光晶體長度。代入實驗參量求解方程，計算得到本征損耗為δ0＝0.86%／cm。

如果諧振腔結(jié)構(gòu)一定，則激光模式質(zhì)量和運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性由抽運導(dǎo)致的熱透鏡效應(yīng)決定。實驗中測量了熱焦距及其隨抽運功率的變化，測量時將凹-平腔換為平-平腔，抽運結(jié)構(gòu)和激光晶體的位置沒有變化。根據(jù)圓轉(zhuǎn)換方法［12］，當(dāng)波前與端鏡M1和M2的曲率半徑相符時，諧振腔會支持穩(wěn)態(tài)運轉(zhuǎn)。根據(jù)ABCD傳輸矩陣和諧振腔穩(wěn)定性條件，滿足當(dāng)1－L1／ft＞0時，諧振腔是穩(wěn)定的，其中L1是激光晶體中心距離輸出鏡M2的距離，ft表示激光晶體的熱焦距。

實驗中移動腔鏡M2不但改變諧振腔腔長，而且容易破壞諧振腔的準直性，從而改變激光輸出功率。為克服這一缺點，固定M2的位置，改變抽運功率，當(dāng)ft＜L1時，諧振腔進入非穩(wěn)區(qū)，激光輸出停止。熱焦距ft與抽運功率Pin的關(guān)系如圖4所示。圖4中方形圖標代表實驗測量數(shù)據(jù)，而圓形圖標則是根據(jù)以下公式［14-15］計算得到的結(jié)果：

式中，T1，T2是兩個輸出鏡的透過率，R1，R2是對應(yīng)兩個輸出鏡的反射率，η（T1），η（T2）是對應(yīng)于T1和T2的斜效率。

不同抽運功率下熱致衍射損耗如圖5所示。實心和空心圖標分別表示實驗數(shù)據(jù)和理論計算結(jié)果?？梢妰烧咴谝欢ǔ潭壬衔呛希兓厔菀恢?，即抽運功率越高，熱致?lián)p耗越大。當(dāng)抽運功率超過12W時，兩者雖有共同的增大趨勢，但數(shù)值差別較大，沒有在圖5中給出。主要原因應(yīng)該是理論估計方法本身不夠嚴格。

Fig.5 Thermal induced loss vs.incident pump power

3 結(jié) 論

實驗上獲得了高效率的激光二極管端面抽運連續(xù)運轉(zhuǎn)Nd∶GGG激光器。利用透過率5%的輸出鏡，在抽運功率為28.8W時，獲得最高輸出功率13.20W。最大斜效率和光光轉(zhuǎn)換效率分別為51.5%和49.5%。利用F-C方法測得的激光晶體本征損耗為0.86%／cm。不同功率下的熱焦距結(jié)果與理論計算符合得較好。熱致?lián)p耗測量結(jié)果與理論估計在低抽運功率下比較吻合。本文中的研究內(nèi)容對LD端面抽運全固態(tài)激光器的設(shè)計和優(yōu)化有重要指導(dǎo)意義。

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Thermal effect of LD end-pum ped Nd∶GGG laser

FENG Zhu1，WAN Yunfang2
（1.School of Life Sciences，Shandong University of Technology，Zibo 255049，China；2.School of Science，Shandong University of Technology，Zibo 255049，China）

In order to study the thermal effect of LD end-pumped Nd∶GGG laser，the thermal focal length，intrinsic loss and thermal loss weremeasured with the laser operating continuously.The results show themaximal output power of 13.2W，themaximal slope efficiency of51.5%and the optical conversion efficiency of49.5%were obtained in a planoconcave cavity when the pump powerwas28.8W.The intrinsic loss of Nd∶GGG crystalwas0.86%／cm.The resultwas in good agreementwith the theoretically calculation.The results can offer experimental and theoretical basis for the further optimizaiton of LD pumped Nd∶GGG laser.

lasers；Nd∶GGG；thermal effect；LD end-pumped

TN248.1

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.03.016

1001-3806（2014）03-0360-04

馮 祝（1957-），男，副教授，現(xiàn)主要從事全固態(tài)激光器技術(shù)等方面的研究。

E-mail：fengzhu_sdut＠163.com

2013-09-13；

2013-09-24