激光二極管抽運(yùn)Tm：YAP脈沖激光器研究

王佳琪，高仁宏，李笑忠，溫雅，吳春婷

（長春理工大學(xué) 理學(xué)院，長春 130022）

激光二極管抽運(yùn)Tm：YAP脈沖激光器研究

王佳琪，高仁宏，李笑忠，溫雅，吳春婷

（長春理工大學(xué) 理學(xué)院，長春 130022）

采用激光二極管（LD）單端抽運(yùn)a軸切割的Tm：YAP晶體，實(shí)現(xiàn)了聲光調(diào)Q脈沖激光輸出。模擬分析了a-cut的Tm：YAP晶體的熱透鏡效應(yīng)，使用Comsol軟件模擬晶體內(nèi)部溫度分布，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了平凹腔型結(jié)構(gòu)。研究了自由運(yùn)轉(zhuǎn)與調(diào)Q運(yùn)轉(zhuǎn)情況激光的輸出特性。在重頻率1kHz情況下，獲得了中心波長為1988nm，單脈沖能量為4.94mJ，最窄脈沖寬度為90ns，峰值功率52.22MW的激光輸出，光束質(zhì)量M2因子在x和y方向上分別為2.11和1.88。

2μm固體激光器；Tm：YAP晶體；聲光調(diào)Q；二極管激光泵浦

2μm波段激光處于人眼安全波段，是遠(yuǎn)紅外激光重要的抽運(yùn)源［1］，在環(huán)境質(zhì)量監(jiān)控、激光遙感、光通信領(lǐng)域、激光醫(yī)療等領(lǐng)域均有應(yīng)用［2］。2μm波段也被稱為分子指紋波段，水蒸氣的吸收波段是1.88μm，1.91μm 和 2.01μm，CO2的吸收波段是1.96μm、2.01μm和2.06μm，因此2μm波段很容易被生物組織吸收，在醫(yī)療手術(shù)刀切割與焊接技術(shù)上應(yīng)用廣泛。此外，3～5μm、8～12μm波段激光可用于光電對抗、主動干擾技術(shù)［3］等，而2μm波段激光正是3～5μm、8～12μm波段OPO的重要抽運(yùn)源［4］。

近年來，以Tm：YAP晶體為工作物質(zhì)的2μm激光器受到重視［5］。2010年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的李夢龍等人進(jìn)行了LD雙端抽運(yùn)Tm：YAP晶體實(shí)驗(yàn)研究，在重頻為10kHz，輸出功率為12.5W，在重復(fù)頻率 6kHz時(shí)，獲得最大單脈沖能量為 1.6mJ［6］。2015年哈爾濱工程大學(xué)報(bào)道了聲光調(diào)Q Tm：YAP內(nèi)腔式拉曼激光器，在重頻1kHz，獲得最大輸出功率880mW，脈沖寬度 400ns，中心波長為 1.94μm［7］。2015年哈爾濱工業(yè)大學(xué)報(bào)道了聲光腔倒空Tm：YAP激光器，在重頻200kHz，獲得最大輸出功率1.28W，脈寬4.3ns，中心波長為1989.8nm［8］。

Tm：YAP激光器的工作物質(zhì)體積小、單位體積輸出功率密度大，所以Tm：YAP熱效應(yīng)顯著。準(zhǔn)確估算Tm：YAP熱效應(yīng)和采取有效散熱方案，是研制Tm：YAP激光器關(guān)鍵技術(shù)，對于研制調(diào)Q Tm：YAP激光器，熱效應(yīng)和散熱問題更加嚴(yán)重。

本文通過對Tm：YAP晶體溫度分布以及熱透鏡效應(yīng)的分析，選擇合適的諧振腔參數(shù)，搭建了工作穩(wěn)定的全固態(tài)單摻Tm3+脈沖激光器，為全固態(tài)單摻銩脈沖激光器的優(yōu)化提供依據(jù)。

1 Tm：YAP晶體熱透鏡效應(yīng)分析

Tm：YAP晶體屬于斜方晶系。Tm：YAP激光器在抽運(yùn)功率增加時(shí)輸出的激光偏振度也會增加，會使晶體中的熱分布不均勻，會產(chǎn)生熱梯度和折射率變化，這也是產(chǎn)生熱焦距變化的主要原因，所以晶體熱透鏡效應(yīng)對腔內(nèi)激光的影響可等效于有一定焦距的凸透鏡對激光作用的結(jié)果。此透鏡的焦距是隨著抽運(yùn)功率而變化的，因此為提高激光器輸出功率和效率，需要掌握Tm：YAP晶體熱透鏡焦距隨著抽運(yùn)功率的變化情況。表1給出了分析所用Tm：YAP晶體參數(shù)。

1.1 激光運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)晶體內(nèi)部的溫度情況分析

分析激光運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)晶體內(nèi)部的溫度情況，為諧振腔的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

根據(jù)溫度場公式［9］：

表1 Tm：YAP晶體參數(shù)

通過Comsol Multiphysics軟件模擬激光運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)晶體內(nèi)部的溫度情況。如圖1所示，晶體抽運(yùn)端端面中心點(diǎn)溫度最高，在端面平面上由中心向外溫度逐漸降低，在光傳播方向（z軸）隨距端面距離的增加溫度逐漸降低，抽運(yùn)功率分別為10W、20W、30W、40W時(shí)，中心溫度與邊緣溫度的差值分別為13.42℃、26.84℃、40.26℃、53.67℃。由分析可以得到，晶體內(nèi)部的熱主要集中在泵浦端面的中心部位，晶體內(nèi)部的溫度變化受抽運(yùn)功率的影響很大，這種溫度梯度的變化直接影響晶體內(nèi)部的溫度場分布，會改變晶體的熱透鏡焦距，使激光諧振腔失穩(wěn)，影響激光輸出。

圖1 隨著抽運(yùn)功率的改變，晶體的溫度分布

1.2 熱透鏡焦距隨抽運(yùn)功率變化情況

諧振腔設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮熱效應(yīng)對激光器造成的影響，需要掌握晶體的熱透鏡焦距隨抽運(yùn)功率的變化情況。

根據(jù)熱透鏡焦距公式［10］：

式中，ν為泊松比，取值為0.3，Pin為抽運(yùn)功率，取值范圍為5～50W，αT為熱膨脹系數(shù)，取值為9.6×10-6/K，dn/dT的取值為9.7×10-6/K。

晶體熱透鏡焦距與抽運(yùn)功率關(guān)系如圖2所示，熱透鏡焦距隨著抽運(yùn)功率的增加而變小。從模擬曲線上看，抽運(yùn)功率由10W變化到40W時(shí)，熱透鏡焦距從97.8171mm變化至24.4543mm?？梢奣m：YAP晶體具有嚴(yán)重的熱效應(yīng)，在較高抽運(yùn)功率時(shí)熱透鏡效應(yīng)極其嚴(yán)重，這就增加了2μm高功率輸出的難度。

圖2 熱透鏡焦距隨抽運(yùn)功率變化曲線

從激光器穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)方面考慮，采用平凹鏡作為輸出鏡，由于熱透鏡焦距會隨著抽運(yùn)功率的變化而變化，為了較穩(wěn)定的激光輸出，對晶體采用水冷方式進(jìn)行散熱處理，來減小熱透鏡效應(yīng)的影響。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

LD端面抽運(yùn)Tm：YAP激光器的實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。抽運(yùn)源選取中心波長795nm的半導(dǎo)體激光器，光纖芯徑為400μm，數(shù)值孔徑（NA）為0.22。聚焦耦合透鏡組的焦距分別為 f1=25mm和 f2=50mm；工作物質(zhì)摻Tm濃度為3at.%，尺寸為3×3×10mm3，晶體兩端鍍有HT 795nm＆1.99μm（R ＜0.5%）的膜系；晶體用厚度為0.1mm的銦箔包裹，熱沉內(nèi)部采用水冷進(jìn)行散熱，水冷溫度保持在16℃，控制精度為±0.1℃。

圖3 LD單端抽運(yùn)Tm：YAP激光器

諧振腔采取平凹腔型，M1為全反鏡，鍍有795nm高透（T ＞95%），1.99μm高反（R＞99.5%）的膜系；M2為平凹鏡輸出鏡，曲率半徑為200mm鍍有T=10%的1.99μm輸出鏡。聲光Q開關(guān)（QS041-4C10V-US-HR1）通光孔徑2mm，射頻頻率為40.68MHz。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

重復(fù)頻率 1kHz、2kHz、5kHz和 10kHz，自由運(yùn)轉(zhuǎn)與調(diào)Q運(yùn)轉(zhuǎn)情況下激光的輸出，如圖4、圖5和圖6所示。

圖4 不同重頻下激光器輸出功率變化曲線

由圖4可以看出，隨著抽運(yùn)功率的增加，輸出功率逐漸增加，另外Q開關(guān)重復(fù)頻率對輸出功率的影響不是很大。這是因?yàn)槌檫\(yùn)功率不變時(shí)，上能級粒子數(shù)積累的速率為定值，重復(fù)頻率只會改變單脈沖能量的大小，不會改變平均輸出功率。

圖5 不同重頻下激光器輸出脈寬的變化曲線

由圖5可見，隨著抽運(yùn)功率的增加，激光脈寬逐漸減小。隨著重復(fù)頻率的增加，激光脈寬逐漸增加。這是由于隨著重復(fù)頻率的增加，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)積累的時(shí)間變短，則Q開關(guān)打開時(shí)激光振蕩建立的時(shí)間延長，使得需要更長的時(shí)間消耗完反轉(zhuǎn)粒子數(shù)［11］。

圖6 不同重頻下激光器輸出單脈沖能量的變化曲線

由圖6可以看出隨著輸入功率的增加，單脈沖能量增加，而隨著重頻的增加單脈沖能量減小。這是由于當(dāng)泵浦功率不變時(shí)，不同重頻下激光輸出功率相近，由單脈沖能量定義式看出其與重頻成反比。

在抽運(yùn)功率為22.88W時(shí)，自由運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)最大輸出功率為5.17W，斜率效率為31.0%。重頻為1kHz、2kHz、5kHz和10kHz時(shí)獲得的輸出功率分別為4.949W、4.801W、5.41W、5.36W；斜率效率分別為30.76%、30.38%、32.10%、35.45%。在1kHz時(shí)獲得最窄脈寬為90ns，最大單脈沖能量為4.949mJ。圖7為最窄激光脈沖波形圖，脈寬為90ns。

使用光譜儀（AQ6375Co和光束質(zhì)量分析儀（Pyrocam-Ⅲ型）測量激光的光譜和光束質(zhì)量，如圖8、圖9所示。可得到其輸出中心波長為1988nm，x和y方向上的光束質(zhì)量為2.11和1.88。

圖7 重復(fù)頻率1kHz時(shí)激光脈沖波形

圖8 中心波長為1988nm光譜圖

圖9 光斑及光束質(zhì)量圖

4 結(jié)論

本文采用LD單端抽運(yùn)a軸切割的Tm：YAP晶體，設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)簡單，輸出穩(wěn)定的激光器，并獲得了1988nm激光輸出。在抽運(yùn)功率為22.88W時(shí)，重復(fù)頻率為1kHz情況下，采用聲光調(diào)Q技術(shù)后獲得最大單脈沖能量為4.94mJ，激光脈沖寬度為90ns，x和y方向上的光束質(zhì)量M2因子分別為2.11和1.88。該系統(tǒng)的峰值功率52.22MW，滿足組織焊接、切割和作為OPO的抽運(yùn)源條件，對于獲得3～5μm、8～12μm的激光更加有效。

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)中輸出功率不高，轉(zhuǎn)換效率低的問題，如果進(jìn)行雙端抽運(yùn)，增加抽運(yùn)功率的同時(shí)，避免晶體單端受熱嚴(yán)重，產(chǎn)生嚴(yán)重的熱透鏡效應(yīng)，再通過定制體光柵或在腔內(nèi)插入標(biāo)準(zhǔn)具的方式，限制激光輸出的譜線寬度，便可以提高轉(zhuǎn)換效率；也可以采用相應(yīng)的脈寬壓縮技術(shù)，輸出光束就會獲得更窄脈寬，進(jìn)而提高峰值功率。

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Study on Laser Diode Pumped Tm：YAP Pulsed Laser

WANG Jiaqi，GAO Renhong，LI Xiaozhong，WEN Ya，WU Chunting
（School of Science，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

LD Single-ended pumping a-cut Tm：YAP crystal is used to realize acoustic-optic Q-switched laser output.Thermal lens effect of a-cut Tm：YAP crystal is analyzed and designed.Using Comsol to simulate the temperature distribution inside the ctystal，based on which the plano-concave resonator is employed.The relation output characteristics under the situation of free running laser and Q-switched laser are researched.The single pulse energy of 4.94mJ is achieved at the pulsed repetition rate 1kHz，with pulse width 90 ns and peak power 52.22MW and central wavelength 1988nm.Theis 2.11 and theis 1.88.

2μm solid-state laser；Tm：YAP crystal；AO Q-switch；LD pumping

TN24，O043

A

1672-9870（2017）05-0040-04

2017-05-22

吉林省科技廳項(xiàng)目（20170519007JH）

王佳琪（1996-），女，本科，E-mail：2369410555@qq.com

吳春婷（1982-），女，博士，副教授，E-mail：bigsnow1@163.com