基于線偏振方向旋轉結構的雙程1064nm-MOPA激光器的研究

孫笠馨，王超

（長春理工大學 理學院，長春 130022）

基于線偏振方向旋轉結構的雙程1064nm-MOPA激光器的研究

孫笠馨，王超

（長春理工大學 理學院，長春 130022）

針對低功率1064nm激光放大過程中提取效率較低的問題，提出了共軸Nd：YVO4放大方式。通過線偏振光方向旋轉方法，完成以Nd：YVO4晶體作為增益介質的共軸雙程放大結構。該結構實現(xiàn)了Nd：YVO4晶體的共軸雙程放大，而不是離軸放大方式，這可以使放大過程中不需要考慮偏振對放大效率的影響。在100kHz的聲光調制下，獲得平均功率36.9W的輸出，對應放大級轉化效率44.5%。通過實驗證實，低功率1064nm激光在該結構中有效地提取了放大級能量。

線偏振旋轉；熱透鏡；雙程放大器

1.06μm固體激光已廣泛應用于工業(yè)加工、測距定位和頻率轉化等領域。對于固體激光而言，熱效應是限制激光功率增大與光束質量優(yōu)化的主要因素［1］。而主振蕩功率放大（MOPA）技術在增大激光功率的同時也可控制光束質量［2-3］。因此，大功率固體激光器多由MOPA技術完成。2009年，劉強等人［4］報道了單程四級MOPA激光器，40W的信號光以300μm的光束半徑獲得了183W的功率放大輸出，轉換效率達53.3%。在此實驗中，信號光功率足夠高，可以在單程放大中實現(xiàn)飽和輸出，但這對于很多光源是達不到的，多數(shù)能量會被浪費。2014年，劉崇等人［5］報道了光纖和固體混合放大。通過光纖的預放大，可以有效地將低功率信號進行放大，但在1MHz的脈沖頻率下，光纖存在著很多問題［6］。

在光束質量的控制上，2011年，項震等人［7］報道了MOPA結構中的增益導引效應，并在文中說明增益與熱效應是主導放大過程的兩個主要因素，合理調節(jié)光束耦合比，可有效提升或改善光束的質量。2014年，葉志斌［8］等人報道了通過補償球差以提高光束質量的方法。

在本文工作中［9］，使用旋光片與法拉第旋光器完成線偏振光旋轉，實現(xiàn)Nd：YVO4晶體的共軸雙程放大。通過高斯光束的球差補償和熱透鏡的聚焦作用完成級間耦合［10］與熱補償，改善光束畸變程度。在以上工作下，實現(xiàn)功率放大的高效能量提取。在100kHz的聲光調制下，獲得平均功率36.9W的輸出，對應放大級光轉化效率44.5%，光束質量優(yōu)于1.4。

1 實驗裝置

主振蕩功率放大器由信號光源和功率放大器組成。其中，信號光源部分如圖1所示，采用凸平腔結構，可以有效改善熱畸變帶來的光束畸變。曲率200mm的平凸鏡M1鍍有高反（High Reflection，HR）1064nm膜系。雙色45°平平鏡M2一面鍍有抗反射（Anti-Reflection，AR）1064nm膜系，一面鍍有HR808nm膜系。M3是透過率48%的1064nm輸出鏡。腔內插入熔融石英作為聲場載體，物理長度為28mm。腔體光學長度為160mm。

圖1 信號光源裝置示意圖

圖2 功率放大裝置示意圖

功率放大器由偏振旋轉器件和功率放大器件組成，如圖2所示。鏡片M4是水平偏振片。鏡片M5和M6與鏡片M2為同一參數(shù)。鏡片M7的選擇與激光狀態(tài)有關?；诠獍叩臏y量結果與減小調節(jié)誤差的考慮，在二級放大后，在激光的束腰位置放置了HR1064nm平面全反鏡。器件R1是45°左旋旋光片，器件R2是45°右旋法拉第旋光器。實際上，器件R2可單獨實現(xiàn)線偏振光的旋轉過程，但線偏振光以45°夾角經(jīng)過M4和M5時有著嚴重的功率損失，因此添加器件R1調節(jié)1064nm激光的偏振方向，減小功率損失。

所有晶體均為a-cut 0.3at.%的塊狀Nd：YVO4（3mm×3mm×10mm），端面各鍵合2mm YVO4并鍍有808nm&1064nm抗反射膜系。晶體四周包裹著0.05mm厚的銦薄，并被放入銅熱沉中，熱沉中的循環(huán)水溫度為15℃。30W808nm抽運光源經(jīng)過整形系統(tǒng)后，在晶體內部1.5mm～2mm位置聚焦為直徑600μm（信號光源）和800μm（功率放大器）的光斑。

2 實驗結果及討論

在30W 808nmLD的抽運下，信號光源獲得了12.5W連續(xù)輸出，在脈沖重復頻率為100kHz時，由于衍射損失，得到了平均功率12W的脈沖輸出，脈沖寬度25.5ns，脈沖輸出隨功率的變化如圖3所示。因為使用非穩(wěn)腔結構，功率輸出和注入功率所產生的熱焦距有關。腔內熱焦距逐漸接近最低值的過程中，功率輸出會有一段劇烈增加的過程，隨后減緩。使用Spiricon M2-200，測得光束質量優(yōu)于1.2。

圖3 脈沖信號光輸出性能

圖4 放大級級間耦合示意圖

功率放大器的級間耦合是通過晶體的熱透鏡效應實現(xiàn)的。當抽運光功率較高時，晶體內部的折射率受熱改變，由此晶體相當于一個帶有負球差的透鏡。當高斯光束經(jīng)過一級晶體放大后，光束匯聚后發(fā)散，此時高斯光束中的相位畸變項變正，在經(jīng)過二級放大后，正負球差抵消，光束畸變被矯正。而這一過程由光斑耦合比值控制，即信號光與抽運光的光斑半徑比值決定了光束的能量提取與熱畸變程度。仿真實驗用晶體的熱焦距為98mm，在比值為0.95的狀態(tài)下，級間耦合如圖4所示。在實驗中，為獲得最大的光轉化效率，將比值調整為1。

12.5W連續(xù)信號光注入功率放大器后，信號光被放大至37.8W，對應放大級56W的吸收功率，光轉化效率為45.2%。在平均功率12W的脈沖信號注入下，獲得了平均功率36.9W的輸出，脈沖寬度25.1ns。光束質量測得結果如圖5所示。在參考文獻［11］中，50W的信號光在136W注入能量下，通過離軸雙程結構獲得了108W的輸出。在本實驗中，以更小的能量密度信號和抽運功率，在共軸雙程結構中獲得了優(yōu)異的光轉化效率。這里，考慮到能量的提取和放大時的光束質量變化過程［12］，采用的信號光斑半徑大小為400μm。

圖5 輸出功率和光轉化效率隨信號光功率變化圖

為了進一步證實該結構在低功率下的高效放大能力，測試了四個信號光功率在同一放大條件下的增益與光轉化效率。在M4的前面放置一個半波片，通過半波片的旋轉獲得同一光斑大小、不同功率的信號光。實驗結果如圖所示，四個測試點的光轉換效率分別為33.8%、40.4%、43.2%和44.5%，分別對應1.9W、3.8W、5.7W和12W的平均輸出功率?？梢钥吹?，3.8W的注入功率和12W的注入功率僅有著4.1%的光轉化效率差異，而5.7W的注入功率更是接近最高注入功率的轉化效率。除此之外，還使用1.9W的注入功率分別進行了單程放大與雙程放大的對比，在單程放大中，獲得了9.5W的功率輸出，在雙程放大中，獲得了20.8W的功率輸出。通過以上實驗，證實該放大結構有著高效的能量提取效率。

3 結論

通過偏振旋轉技術，實現(xiàn)了共軸Nd：YVO4晶體的雙程放大結構。在此基礎上，考慮熱透鏡進行級間耦合與球差的自補償。通過實驗和參考文獻的對比，證實了該結構在較低注入能量密度和抽運功率下依然有著高效的光轉化效率。12W的脈沖信號注入下，獲得了平均功率36.9W的輸出，光束質量優(yōu)于1.4。通過改變注入能量密度，證實了該結構在低功率信號注入下有著高效光光轉換效率。3.8W的信號光和12W的信號光在雙程放大激光器中僅有4.1%的光光轉換效率差值。

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The Study of Double-pass 1064nm-MOPA Laser Based on
Linear Polarization Orientation Rotation Configuration

SUN Lixin，WANG Chao
（School of Science，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

According to the problem of low extraction efficiency in the amplified process of 1064nm laser，coaxial amplification way is presented with Nd：YVO4crystal.By using orientation rotation of linear polarization way，double-pass configuration is achieved with the gain medium of Nd：YVO4crystal.Coaxial double-pass amplification of Nd：YVO4crystal is realized，instead of off-axis way，which no more consideration of polarization state affecting extraction efficiency is needed in the process of ampli?fication.At the frequency repetition of 100kHz，average output power of 36.9W is obtained in the acousto-optic regime，corre?sponding to the optical conversion efficiency of 44.5%.In prove of experiment，energy of amplified stage of this configuration is ef?fectively extracted.

linear polarization rotation；thermal lens；double-pass amplifier

TN24，O043

A

1672-9870（2017）02-0014-03

2016-11-30

孫笠馨（1991-），男，碩士研究生，E-mail：773817333@qq.com

王超（1980-），男，博士，助理研究員，E-mail：wangchaoopt@163.com