Cr,Tm,Ho:YAG激光器耦合效率與束腰關(guān)系實(shí)驗(yàn)研究

葉 兵, 馬天明, 田 野

(合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院,安徽 合肥 230009)

Cr,Tm,Ho:YAG激光器耦合效率與束腰關(guān)系實(shí)驗(yàn)研究

葉 兵, 馬天明, 田 野

(合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院,安徽 合肥 230009)

熱透鏡效應(yīng)對(duì)大功率激光器的光纖耦合系統(tǒng)起著明顯的作用。Cr,Tm,Ho:YAG激光器輸出的光束為多模光束,文章通過計(jì)算不同光束質(zhì)量和散角的光束的束腰直徑和束腰位置,對(duì)系統(tǒng)透鏡的焦距進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算,實(shí)驗(yàn)證明,修改后的光纖耦合系統(tǒng)的耦合效率相對(duì)原耦合系統(tǒng)有明顯提高,耦合后的光纖末端輸出能量明顯提高,在使用小孔徑的光纖時(shí),可以獲得更高能量的輸出。

激光器;Cr,Tm,Ho:YAG激光器;耦合效率;束腰直徑;束腰位置

0 引 言

2.1 μm波段的激光屬于近紅外激光,在醫(yī)學(xué)、光通信、遙感和雷達(dá)等方面被廣泛地應(yīng)用,尤其在激光醫(yī)療領(lǐng)域有著很大的優(yōu)勢(shì)。因?yàn)樗肿訉?duì)2.1 μm的波段波長(zhǎng)具有很強(qiáng)的吸收,在外科手術(shù)中對(duì)人體組織的穿透深度淺,損傷范圍小,使外科手術(shù)精度很高,所以在醫(yī)療上是一種廣泛應(yīng)用的外科手術(shù)光源。本文主要對(duì)Cr,Tm,Ho:YAG激光器的耦合效率和束腰半徑以及束腰位置實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。

1 大功率激光光纖耦合系統(tǒng)理論分析

1.1 光纖耦合條件

將激光功率全部耦合進(jìn)光纖,必須滿足如下光纖耦合條件[1]:

(1)

其中,din、φin分別為入射光束的光斑直徑和全角發(fā)散角;dcore為光纖芯徑;NA為光纖的數(shù)值孔徑。由于光纖的孔徑角很小(一般在0.2～0.3 rad),可近似認(rèn)為[2]:

φin<2arcsin(NA)

(2)

工業(yè)用激光器的光束質(zhì)量常用光束參數(shù)積(beam parameter product,BPP)表征,其定義為:

BPP=束腰光斑半徑×遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角。

光束參數(shù)積BPP與光束質(zhì)量因子M2的關(guān)系[3]為:

(3)

選擇光纖時(shí)應(yīng)使激光光束參數(shù)積BPP小于光纖參數(shù)積。

由于M2因子在無畸變光學(xué)系統(tǒng)中保持不變,故BPP亦為一常數(shù),則有[4]:

(4)

即光纖耦合條件為:

(5)

光纖耦合條件如圖1所示。

圖1 光纖耦合條件

1.2 光纖耦合系統(tǒng)光束變換

對(duì)于工業(yè)用數(shù)千瓦大功率固體激光器,一般采用多棒串接方式,其諧振腔一般為平-凹腔結(jié)構(gòu)[5],出射的模式為多模,出射光束的束腰位置是固定的。

隨輸出功率的增加,光束質(zhì)量變化,表現(xiàn)為發(fā)散角θ和束腰大小的變化,故大功率激光光纖耦合系統(tǒng)應(yīng)具備很好的適應(yīng)性,即耦合系統(tǒng)要不受光束質(zhì)量變化的影響,對(duì)不同功率的激光,尤其是在高功率范圍,都要有較高的耦合效率。常用的耦合方式有單透鏡直接聚焦[6]、進(jìn)行光束變換后再聚焦2種,如圖2所示。

其中進(jìn)行光束變換后再聚焦的方式中有一種望遠(yuǎn)鏡準(zhǔn)直聚焦方式[7],此方式能夠明顯提高基模激光束的耦合效率,但不適用于光束質(zhì)量變化的多模激光束。

圖2 常用的耦合方式

比較2種聚焦方式,根據(jù)ABCD傳輸定律,可得到基模高斯光束經(jīng)過2種方式聚焦后的光斑半徑[8]可以表示為:

(6)

(7)

多模光束束腰半徑w和基模光束束腰半徑w0為[9]:

wθ=M2w0θ0

其中,f、f1、f2、f3分別為透鏡F、F1、F2、F3的焦距;θ0為基模光束發(fā)散角。大功率固體激光器工作物質(zhì)的輸出激光孔徑一定,隨著光束質(zhì)量的變化,輸出的原始光束束腰的半徑也會(huì)在某一定值附近微小變化。為方便分析、比較,假定其束腰光斑半徑大小不變,只有發(fā)散角變化,因此對(duì)于多模光束,(6)式、(7)式可改寫為:

(8)

(9)

2 耦合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化

2.1 等效束寬的定義

大功率的固體激光器輸出的激光是多模光束,由高斯光束定義的是基模光束寬度,不能直接應(yīng)用于多模光束的光束質(zhì)量計(jì)算,可在多模光束內(nèi)嵌入一等效基模高斯光束,其束寬等效為:將包含光斑98%能量的環(huán)圍圓徑作為束寬的直徑。2個(gè)束寬的比較如圖3所示。

圖3 2個(gè)束寬的比較

圖3中虛線部分為基模高斯光束,對(duì)應(yīng)的束腰處的半徑為r,遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角為b;實(shí)線部分為多模光束的等效基模光束,對(duì)應(yīng)的束腰處的半徑為R,遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角為a,分析基模高斯光束功率密度分布[10]為:

(10)

其中,I0為入射光束功率密度。當(dāng)r=w時(shí)對(duì)應(yīng)的為高斯定義下的束寬;當(dāng)r=1.4w時(shí)對(duì)應(yīng)的為包含斑98%能量的束寬,即R/r=1.4,2種定義下所得到的光束參數(shù)積BPP比值[11]為:

(11)

2.2 耦合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化

根據(jù)圖2a設(shè)計(jì)耦合系統(tǒng)。首先根據(jù)等效束寬的定義采集光斑后利用雙曲線擬合來確定原始光束束腰的大小和位置[12-13],原始光束束腰半徑和散角采集見表1所列。

表1 激光器原始光線的束腰半徑和散角

進(jìn)而計(jì)算得到BPP或者光束質(zhì)量因子M2、束腰半徑w0、共焦參數(shù)z0。單透鏡的變換公式[13]為:

(12)

(13)

(14)

(15)

其中,wout、dout、zout分別為經(jīng)過透鏡變換后的激光束的束腰半徑、束腰到透鏡主面的距離以及共焦參數(shù)(或者叫作瑞利長(zhǎng)度);win、din、zin分別為入射激光束的束腰半徑、束腰到透鏡主面的距離以及共焦參數(shù)。

由實(shí)驗(yàn)測(cè)定參數(shù)d1=300 mm,波長(zhǎng)2.1 μm,通過計(jì)算機(jī)Matlab模擬,擬合不同的光束質(zhì)量下原焦距f=18 mm耦合透鏡對(duì)聚焦光束束腰半徑和束腰半徑位置的影響如圖4所示。

圖4 18.7、20.0 mm耦合鏡模擬光束束寬曲線

實(shí)驗(yàn)測(cè)試顯示,光束通過f=18.8的耦合鏡后,束腰位置大概在耦合鏡右側(cè)正方向19.5 mm處,但是束寬半徑隨著距離的增大變化比較明顯,當(dāng)光束f=20 mm的耦合鏡后,束腰位置在耦合鏡頭右側(cè)21.4 mm處,束寬半徑在束腰位置附近隨著距離的改變相對(duì)平緩,由于大功率固體激光器的熱透鏡效應(yīng)等原因,激光光束束腰位置會(huì)隨著功率的增大而發(fā)生移動(dòng),發(fā)散角θ也會(huì)隨著功率的改變而發(fā)生變化,因此,光束通過f=20 mm的耦合鏡頭后束腰位置附近束寬變動(dòng)相對(duì)18.7 mm的耦合透鏡更小,具有更高的耦合效率,耦合功率更高。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)選用晶體為φ4×127 mm的0.85%Cr,5.9%Tm,0.36%Ho:YAG晶體,采取平凹結(jié)構(gòu)諧振腔,抽運(yùn)腔為高漫反射型聚四氟乙烯腔,其特性使得泵浦光源的能量均勻地分布于泵浦腔體內(nèi),使得激光物質(zhì)能夠均衡地吸收能量,從而大大地改善了激光器的光束質(zhì)量,提高了光束的穩(wěn)定性,具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率。泵浦方式為脈沖氙燈泵浦,采用儲(chǔ)能電容值C=200 μF,額定輸出功率1 200 W的電容放電式電源測(cè)試。激光器系統(tǒng)輸出單脈沖能量為0.5～3.5 J,重復(fù)工作頻率5～30 Hz,放電脈沖寬度范圍在300～600 為μs,三者都可以進(jìn)行步進(jìn)調(diào)節(jié)(脈沖步進(jìn)為0.1,頻率和脈沖寬度均為1),為了試驗(yàn)中獲得最大輸出能量,實(shí)驗(yàn)過程中設(shè)置脈沖寬度為600 為μs,為了保證激光器能在室溫情況下正常運(yùn)行,實(shí)驗(yàn)采用壓縮機(jī)制冷的去離子水來冷卻氙燈和鈥激光棒,保證水溫在18～20 ℃,光纖直徑550 為μm,s數(shù)值孔徑0.22,紅外石英,n=1.46。

3.2 結(jié)果分析

激光器在不同耦合鏡頭下耦合效率與輸出關(guān)系見表2所列。

表2 激光器在不同耦合鏡頭下耦合效率與輸出關(guān)系

表2中耦合鏡頭的焦距分別設(shè)置為f=20 mm和f=18 mm,從不同輸出功率下光纖末端的耦合能量與耦合鏡焦距的關(guān)系，可以看出輸出功率在10.1 W時(shí),焦距f=18.7 mm耦合鏡對(duì)激光器的總體耦合效率保持在76.4%;當(dāng)輸出功率增加至37 W時(shí)激光的耦合效率也降低至67%。通過以上的分析可知功率升高,激光器的耦合效率會(huì)逐漸下降,國外的研究表明影響耦合效率的主要因素有光束、耦合透鏡及光纖3個(gè)方面。本文認(rèn)為在耦合透鏡及光纖一致的情況下,激光晶體工作時(shí)產(chǎn)生的熱透鏡效應(yīng)導(dǎo)致光束發(fā)散角和束腰的位置改變,只有穩(wěn)定諧振腔才能避免發(fā)散角和束腰位置的變化,但是因?yàn)闊岱€(wěn)定腔要求工作在一定的泵浦功率下,所以對(duì)于有較大能量輸出范圍的激光器來講,效果并不確定,焦距f=20 mm的耦合鏡頭下,熱透鏡效應(yīng)引起的束腰寬半徑和束腰位置的變化隨著光纖端面位置的移動(dòng)沒有f=18 mm焦距耦合鏡明顯。因此20 mm的耦合鏡對(duì)于由于熱透鏡效應(yīng)造成的束腰位置移動(dòng)有著更好耦合效率,而且實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在高于40 W輸出時(shí),f=18 mm的耦合鏡的耦合光斑面積變大,發(fā)生光纖燒毀的現(xiàn)象,20 mm的耦合鏡則能實(shí)現(xiàn)有效的耦合輸出。

4 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)研究得到不同焦距的耦合鏡及功率下,CTH:YAG激光器的輸出的功率以及耦合效率變化,可以看出耦合鏡對(duì)CTH:YAG激光器效率的影響是明顯的,在高重頻下所產(chǎn)生的熱量會(huì)使得CTH:YAG晶體的熱透鏡效應(yīng)能造成耦合光束束腰位置以及發(fā)散角偏移,焦距更大的耦合透鏡下耦合光線束寬半徑變化比較平緩,具有更好的容錯(cuò)率,激光的耦合性能也更佳。并且同時(shí)測(cè)得使用直徑為365 μm的耦合光纖,當(dāng)輸出功率超過一定值時(shí),將會(huì)由于熱透鏡效應(yīng)造成的束腰半徑和束腰位置的偏移而引起燒毀現(xiàn)象;當(dāng)使用焦距f=20 mm的耦合透鏡且耦合光纖直徑為365 μm的光纖時(shí),能實(shí)現(xiàn)比原先更大的輸出功率。更小的耦合光束能在手術(shù)中提供更加精準(zhǔn)的操作和更小的手術(shù)創(chuàng)傷。對(duì)于目前的光纖耦合系統(tǒng)人為的調(diào)試導(dǎo)致精度不高,會(huì)對(duì)系統(tǒng)光束能量的輸出也會(huì)有較大的影響,設(shè)計(jì)出一體化穩(wěn)定性更高的耦合系統(tǒng)十分有利于激光器性能的提高,參數(shù)的優(yōu)化問題需要大量的臨床實(shí)踐基礎(chǔ)的總結(jié)和歸納,相信伴隨著各方面的工藝技術(shù)的進(jìn)步,CHT:YAG激光器性能也會(huì)發(fā)生質(zhì)的提升,必將更好地應(yīng)用于臨床的各個(gè)領(lǐng)域,從而更好地促進(jìn)醫(yī)學(xué)的發(fā)展。

[1] 井紅旗,王翠鸞,吳霞,等.半導(dǎo)體激光器光纖耦合輸出光斑均勻性的研究[J].半導(dǎo)體光電,2015,36(6):914-917,921.

[2] 黃林昊,廖學(xué)兵,趙海燕,等.利用光束質(zhì)量分析儀測(cè)量M2因子[J].紅外與激光工程,2012,41(8):2197-2200.

[3] 王寶華,姜夢(mèng)華,惠勇凌,等.大功率固體激光器高效率光纖耦合[J].中國激光,2008,35(2):195-199.

[4] 李闊海,宋月麗,姚東永,等.圓形高斯鏡平凹腔鏡傾斜時(shí)廣場(chǎng)模式分析[J].光學(xué)技術(shù),2012,38(1):69-72.

[5] 聶建華,王峻寧.基于ZEMAX的半導(dǎo)體激光準(zhǔn)直鏡設(shè)計(jì)方法研究[J].紅外,2012,33(3):22-26.

[6] 魏榮,王育竹.望遠(yuǎn)鏡準(zhǔn)直系統(tǒng)應(yīng)用于激光的單模光纖耦合[J].中國激光,2003,30(8):687-690.

[7] 呂百達(dá),張彬,孔繁龍.廣義光束和廣義ABCD定律 [J].紅外與激光工程,1996,25(6):19-24.

[8] 樊心民,鄭義,王冠軍,等.90/10刀口法測(cè)量高斯激光光束束腰的兩種計(jì)算方法[J].應(yīng)用激光,2008,28(2):139-141.

[9] W·克希耐爾.固體激光工程[M].孫文,江澤文,程國祥,譯.北京:科學(xué)出版社,2002:174-176.

[10] 牛奔,王寶華,郭渭榮,等.基于光參數(shù)積的單管半導(dǎo)體激光器光束質(zhì)量描述與評(píng)價(jià)[J].中國激光,2015,42(2):0202004-1-0202004-7.

[11] 雷訇,李強(qiáng),左鐵釧.大功率激光光束參數(shù)的測(cè)量方法[J].電子·激光,2000,11(4):372-374.

[12] 牛燕雄,汪岳峰,劉新,等.激光光束質(zhì)量因子M2及其測(cè)量[J].激光技術(shù),1999,23(1):37-41.

[13] 呂百達(dá).激光光學(xué)[M].北京:高等教育出版社,1986:117-119.

ResearchonenergycouplingefficiencyandwaistofCr,Tm,Ho:YAGlaser

YE Bing, MA Tianming, TIAN Ye

(School of Electronic Science and Applied Physics, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

The thermal lens effect plays a significant role in the coupled system of high power laser. The output beams of Cr,Tm,Ho:YAG lasers are multimode beams. By calculating the waist diameter and position of lasers with different beam qualities and divergence angles, the lens focal length is optimized. The experimental results show that the coupling efficiency of the modified coupling system is obviously improved compared to the original coupling system. The output energy of the fiber end is obviously improved with the modified coupling system. Higher output energy can be obtained when using the fiber with a small aperture.

laser; Cr,Tm,Ho:YAG laser; coupling efficiency; waist diameter; waist position

2016-03-06；

2016-04-01

葉 兵(1961-),男,安徽合肥人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)教授,碩士生導(dǎo)師; 馬天明(1990-),男,江蘇常州人,合肥工業(yè)大學(xué)碩士生,通訊作者,E-mail:en896806285@sina.com.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.10.012

TN248.1

A

1003-5060(2017)10-1360-05

(責(zé)任編輯 張 镅)