激光二極管側(cè)面泵浦的Nd ∶YAG激光放大器

聶喻梅

(重慶理工大學(xué) 理學(xué)院，重慶 400054)

激光二極管側(cè)面泵浦的Nd ∶YAG激光放大器

聶喻梅

(重慶理工大學(xué) 理學(xué)院，重慶 400054)

研制了一臺(tái)激光二極管面陣三向側(cè)面泵浦φ3 mm×55 mm Nd ∶YAG的激光放大器。使用Zemax光學(xué)設(shè)計(jì)軟件建立了激光二極管面陣三向?qū)ΨQ側(cè)面泵浦棒狀Nd ∶YAG的模型，給出了放大器的儲(chǔ)能和小信號(hào)增益的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：激光放大器有著均勻的熒光分布，當(dāng)重復(fù)頻率為100 Hz，泵浦功率為1.8 kW時(shí)，Nd ∶YAG放大器的小信號(hào)增益為23。

激光二極管(LD); 側(cè)面泵浦; Nd ∶YAG放大器

激光二極管(laser diode,LD)泵浦固體激光器(solid state laser,SSL)是應(yīng)用激光二極管泵浦固體激光增益介質(zhì)的激光器。泵浦用的二極管是一種半導(dǎo)體激光器，可以有效地克服固體激光器熱效應(yīng)嚴(yán)重和總效率低兩大缺點(diǎn)。與傳統(tǒng)氙燈泵浦的激光器相比，它發(fā)射的泵浦光具有光譜窄、亮度高、方向性好的特點(diǎn)，泵浦光能量空間分布相對(duì)集中。高功率激光二極管陣列(LDA)具有電光轉(zhuǎn)換效率高、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及LD抽運(yùn)源壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛采用[1-5]。

Nd ∶YAG激光晶體是目前應(yīng)用最廣泛的激光晶體之一。Nd ∶YAG除具有非常優(yōu)越的光譜和激光特性外，這種基質(zhì)的晶體還有許多難得的物理、化學(xué)和機(jī)械性能。較其他晶體，具有相對(duì)長(zhǎng)的熒光壽命、高的熱導(dǎo)率、較大的吸收系統(tǒng)。Nd ∶YAG的結(jié)構(gòu)很穩(wěn)定[6],且強(qiáng)度和硬度足以保證正常加工過(guò)程中不會(huì)引起任何嚴(yán)重破損。在應(yīng)用方面，Nd ∶YAG晶體是目前被廣泛應(yīng)用的工作介質(zhì)，由此激光晶體做成的固體激光器在工業(yè)、醫(yī)療、科研和軍事等方面有著重要、深遠(yuǎn)的應(yīng)用前景，主要表現(xiàn)在激光治療、激光加工[7]、激光存儲(chǔ)與激光顯示[8]、激光雷達(dá)、激光測(cè)距和激光通訊等幾個(gè)方面。鞏馬理等[9]用LD泵浦口徑為φ4 mm的Nd ∶YAG激光棒，在50 Hz重復(fù)頻率條件下，獲得39.5 mJ的多模激光輸出，效應(yīng)達(dá)39.5%。畢進(jìn)子等[5]研制了一臺(tái)采用90個(gè)峰值功率60 W的激光二極管陣列、泵浦口徑為φ4 mm的Nd ∶YAG激光棒狀放大器。

本文針對(duì)三向?qū)ΨQ側(cè)面抽運(yùn)的漫反射結(jié)構(gòu)，對(duì)泵浦均勻性進(jìn)行了理論模擬和實(shí)驗(yàn)研究，研制了一臺(tái)采用激光二極管面陣三維水平側(cè)面泵浦φ3 mm×55 mm Nd ∶YAG的激光放大器，并對(duì)其進(jìn)行了模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：激光放大器有著均勻的熒光分布，在重復(fù)頻率為100 Hz、泵浦功率為1.8 kW時(shí)，Nd ∶YAG放大器的小信號(hào)增益達(dá)23。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

單個(gè)Bar條的最大輸出功率為200 W，水溫20℃時(shí)輸出波長(zhǎng)為808 nm。泵浦所選用的Nd ∶YAG晶體棒尺寸為φ3 mm×55 mm，摻雜濃度為1at.%，為了減少損耗，晶體兩端面鍍有HT99.8% @1064nm的增透膜。為消除自發(fā)輻射光(ASE)振蕩，Nd ∶YAG兩端面采用2°傾角設(shè)計(jì)。由于半導(dǎo)體激光器的輸出波長(zhǎng)隨著溫度升高將出現(xiàn)紅移，所以通過(guò)控制冷卻水的溫度，使其輸出波長(zhǎng)中心與Nd ∶YAG晶體的最強(qiáng)吸收峰808 nm相匹配。

棒狀Nd ∶YAG放大器結(jié)構(gòu)如圖 1所示。采用激光二極管面陣三向水平(Bar方向平行于Nd ∶YAG 棒)側(cè)面泵浦，每個(gè)激光二極管面陣包括6個(gè)Bar條，單Bar最大輸出功率為200 W，快軸發(fā)散角為37°(FWHM)，慢軸發(fā)散角為8°(FWHM)。所用的Nd ∶YAG尺寸為φ3 mm×55 mm，有效泵浦長(zhǎng)度為30 mm。

圖1 三向?qū)ΨQ側(cè)面泵浦的棒狀Nd ∶YAG放大器結(jié)構(gòu)

2 模擬結(jié)果及討論

使用Zemax光學(xué)設(shè)計(jì)軟件建立了激光二極管面陣三向?qū)ΨQ側(cè)面泵浦棒狀Nd ∶YAG的模型，如圖2所示。激光棒的尺寸為φ3 mm×55 mm，水層厚度為1 mm，激光二極管陣列的發(fā)光面到激光棒表面的距離為4 mm，吸收系數(shù)為0.37 mm-1。泵浦功率為1.5 kW。模擬了Nd ∶YAG截面的泵浦光強(qiáng)分布，如圖3所示，可見(jiàn)泵浦光強(qiáng)分布均勻。

采用速率方程計(jì)算側(cè)面泵浦Nd ∶YAG激光棒的增益性能，考慮到100 Hz以及脈沖泵浦，放大器的速率方程可以寫(xiě)為：

(1)

式(1)經(jīng)過(guò)積分運(yùn)算與迭代后可換算成輸入的種子脈沖能量密度與激光棒儲(chǔ)能密度的關(guān)系式：

(2)

(3)

式(2)為儲(chǔ)能與激光脈沖能量轉(zhuǎn)換的關(guān)系式。式(3)為激光脈沖經(jīng)過(guò)放大器增益介質(zhì)后的剩余儲(chǔ)能分布。

圖2 Zamax建模

圖3 激光棒橫截面泵浦光二維分布

描述放大器特性的另一個(gè)重要參數(shù)就是小信號(hào)增益G0。小信號(hào)增益是可以從實(shí)驗(yàn)中獲得的，因此這個(gè)參數(shù)是矯正模型精確度的一個(gè)重要窗口。小信號(hào)增益可以表示為

G0=eg0l=ηTηAηSηBηQηSTηASEEP/(AES)

(4)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

實(shí)驗(yàn)測(cè)試了電流為150 A時(shí)的Nd ∶YAG放大器熒光分布特性，測(cè)試結(jié)果如圖4所示，可見(jiàn)放大器中的泵浦光強(qiáng)分布均勻，所測(cè)的泵浦光強(qiáng)分布形態(tài)與模擬計(jì)算結(jié)果較為吻合。

圖4 電流為150 A時(shí)的熒光分布

搭建如圖5所示的儲(chǔ)能測(cè)試光路，將測(cè)試短腔輸出作為放大器儲(chǔ)能的依據(jù)。使用的能量計(jì)為相干公司的J25LP-2A，功率計(jì)為Ophir公司研發(fā)生產(chǎn)的Nova II。M1使用平凹曲率為750 mm的高反鏡，反射率大于99.8% @1064 nm。M2使用平平輸出耦合鏡，反射率為40%@1064 nm。腔長(zhǎng)L=165 mm，L1=L2。在100 Hz、250 μs泵浦條件下，泵浦電流為150 A時(shí)的輸出功率最大為29.8 W。

圖5 儲(chǔ)能測(cè)試

按照?qǐng)D6所示，搭建小信號(hào)增益測(cè)試光路。在100 Hz、250 μs泵浦，種子光約為12 μJ，泵浦電流為150 A時(shí)，小信號(hào)增益為23倍。

M為反射鏡，HP為1/2波片，PBS為偏振分光棱鏡

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)LD陣列側(cè)面泵浦棒狀Nd ∶YAG的激光放大器進(jìn)行了理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究。設(shè)計(jì)了一臺(tái)口徑為φ3 mm的棒狀Nd ∶YAG放大器，用Zemax光學(xué)設(shè)計(jì)軟件建立了激光二極管面陣三向?qū)ΨQ側(cè)面泵浦棒狀Nd ∶YAG的模型，給出了放大器的儲(chǔ)能和小信號(hào)增益的數(shù)學(xué)表達(dá)式。激光放大器有著良好的泵浦均勻性，Zemax模擬計(jì)算和實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合。對(duì)放大器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，在重復(fù)頻率100 Hz，泵浦功率為1.8 kW時(shí)，Nd ∶YAG放大器的小信號(hào)增益達(dá)23。

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(責(zé)任編輯 劉 舸)

LD Side-Pumped Nd ∶YAG Laser Amplifier

NIE Yu-mei

(College of Science，Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

This paper developed a Nd ∶YAG (φ3 mm×55 mm) laser amplifier adopted laser diode planar-array 3-D pumping. Zemax optical design software is used for building up the laser-diode planar-array 3-D symmetrical side-pumped rod-shaped Nd ∶YAG model; mathematical expressions involved with energy storage and small signal gain of the amplifier are presented and the relevant experimental study is also carried out. The fluorescence is evenly distributed in the laser amplifier. When the pump power is 66.32 kW under 100 Hz repetition frequency, Nd ∶YAG amplifier’s small signal gain increases by 23 times.

laser diode; side-pumping; Nd ∶YAG amplifier

2016-10-15 基金項(xiàng)目：重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJ130823)

聶喻梅(1966—),女，副教授，主要從事電子自動(dòng)化研究，E-mail:nym@cqut.edu.cn。

聶喻梅.激光二極管側(cè)面泵浦的Nd ∶YAG激光放大器[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(3):128-131.

format：NIE Yu-mei.LD Side-Pumped Nd ∶YAG Laser Amplifier[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(3):128-131.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.03.019

TN248.1

A

1674-8425(2017)03-0128-04