V型折疊雙通Nd：YAG介質(zhì)LD脈沖側(cè)面泵浦激光器

宋佳佳，于永吉，金光勇，王超

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 理學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

激光技術(shù)、原子能、半導(dǎo)體及計(jì)算機(jī)并稱為20世紀(jì)的四項(xiàng)重大發(fā)明。1960年，美國(guó)休斯公司實(shí)驗(yàn)室的梅曼用紅寶石作為激光工作物質(zhì)，成功地研制出世界上第一臺(tái)激光器［1］。此后，激光技術(shù)得到飛速發(fā)展，泵浦光源從最初的閃光燈發(fā)展到現(xiàn)在的半導(dǎo)體激光器，激光工作物質(zhì)從最初的紅寶石拓展到現(xiàn)在的Nd：YAG、Nd：YVO4、Nd：YLF等上千種［2-11］，側(cè)面泵浦到端面泵浦［12，13］，直腔到折疊腔等等［14-16］，都可以明顯優(yōu)化激光轉(zhuǎn)換效率，意味著泵浦光能量能夠更加有效的轉(zhuǎn)化成激光能量輸出。如2016年，出現(xiàn)了一種新型的諧振腔泵浦方式，即在整個(gè)諧振腔內(nèi)，單程周期促使泵浦光四通泵浦激光增益介質(zhì)，以此手段來提高激光輸出功率，轉(zhuǎn)換效率為18.1%，并將其方法應(yīng)用到調(diào)Q激光器領(lǐng)域上［17］。調(diào)Q激光器的發(fā)展也是激光器史上的另一種突破［18，19］。2017年，用一系列反射凸柱面鏡代替?zhèn)鹘y(tǒng)一個(gè)輸出鏡位置，構(gòu)成混合腔，使種子光源單程周期內(nèi)12通經(jīng)過激光增益介質(zhì)，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到14.3%［20］。這種方法常用在種子激光放大的領(lǐng)域上［21-25］，對(duì)于在本振級(jí)增大激光輸出能量的諧振腔結(jié)構(gòu)，很少有人進(jìn)行相關(guān)的報(bào)道。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比的方式，來突出往返周期內(nèi)多次通過激光增益介質(zhì)的優(yōu)勢(shì)。

在工作期間中［26］，通過搭建諧振腔往返周期內(nèi)四次通過Nd：YAG介質(zhì)的V型折疊LD脈沖側(cè)面泵浦激光器，測(cè)試其激光輸出特性，與兩次通過Nd：YAG介質(zhì)的直腔激光器相比，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明了V型折疊腔激光器可以輸出低閾值和高輸出能量的激光。理論分析了V型折疊雙通Nd：YAG介質(zhì)LD脈沖側(cè)面泵浦激光器?？杀砻魉拇瓮ㄟ^Nd：YAG介質(zhì)的V型折疊腔的諧振腔結(jié)構(gòu)可起到降低激光閾值和提高激光輸出能量的目的。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

搭建如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖，直腔激光器和V型折疊雙通Nd：YAG介質(zhì)LD脈沖側(cè)面泵浦激光器分別如（a）和（b）所示。激光諧振腔整體是由全反鏡、激光增益介質(zhì)Nd：YAG晶體和輸出鏡構(gòu)成。其中LD側(cè)面泵浦Nd：YAG晶體直腔激光器采取的是直徑為20mm、曲率為1000的平凹全反鏡M1；泵浦源是由西安炬光訂制的GS04系列金錫焊接傳導(dǎo)疊陣，采用三個(gè)bar條組成，bar條間間隔0.43mm，單個(gè)bar條最大泵浦功率100W，總共300W；激光晶體為選取摻雜濃度為1.0at%的Nd：YAG作為激光增益介質(zhì)，其尺寸為φ=4*35mm，使用國(guó)科GKD-P350C300A200-20電源對(duì)其進(jìn)行供電；輸出鏡采用輸出鏡透過率T=48%和60%的平面鏡。激光整體模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示?；谥鼻患す馄髦C振結(jié)構(gòu)，增加了直徑為20mm平面全反鏡構(gòu)成V型折疊腔激光器諧振腔結(jié)構(gòu)。在泵浦脈沖寬度為180us，泵浦電流與泵浦能量關(guān)系特性如圖3所示。用NOVA II激光功率能量計(jì)表頭PE50-DIF-V2能量探頭測(cè)量V型折疊雙通Nd：YAG介質(zhì)LD脈沖側(cè)面泵浦激光器和直腔激光器的激光輸出特性，進(jìn)行對(duì)比與分析。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖

圖2 激光模塊結(jié)構(gòu)圖

圖3 泵浦能量與泵浦電流關(guān)系

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

搭建普通直腔激光器和V型折疊雙通Nd：YAG介質(zhì)LD脈沖側(cè)面泵浦激光器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，1Hz，200μs，直腔和V腔腔長(zhǎng)分別為80cm、148cm，測(cè)量了輸出鏡透過率T=48%和60%時(shí)，直腔激光器和V型折疊雙通Nd：YAG介質(zhì)LD脈沖側(cè)面泵浦激光器的激光輸出能量。靜態(tài)下兩種諧振腔腔型的激光輸出能量與注入能量之間的影響關(guān)系，如圖4所示。

圖4T=48%和T=60%時(shí)，靜態(tài)下輸出能量與輸入電流之間的關(guān)系

從圖4中可以明顯看出，在相同輸出鏡透過率條件下，V型折疊雙通Nd：YAG介質(zhì)LD脈沖側(cè)面泵浦激光器的激光閾值明顯低于直腔激光器激光閾值，其閾值差隨著輸出鏡透過率增加而增大。當(dāng)輸出鏡透過率為60%時(shí)，兩種激光器閾值分別為3mJ和18mJ，此時(shí)閾值差值為最大值。激光輸出能量隨著注入能量的增加呈遞增的趨勢(shì)，且V型折疊腔激光器的激光輸出能量要高于直腔下的激光輸出能量。當(dāng)輸出鏡透過率為48%時(shí)，注入能量為55mJ時(shí)，V型折疊腔和直腔激光器的激光輸出能量分別為13.2mJ和7.8mJ。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果可證明，在相同注入能量下，V型折疊雙通Nd：YAG介質(zhì)LD脈沖側(cè)面泵浦激光器可以降低激光閾值、提高激光輸出能量。

由于諧振腔往返周期內(nèi)能夠四次通過激光增益介質(zhì)，當(dāng)諧振腔往返過程中增益等于損耗時(shí)，激光閾值可表示為：

普通直腔閾值公式如下：

對(duì)比公式（1）和（2），可知，當(dāng)諧振腔內(nèi)損耗近似一致時(shí)，V腔激光器的激光閾值約有兩倍的降低。V腔和直腔的激光輸出能量表達(dá)式如公式（3）和（4）所示：

式中，A為激光增益介質(zhì)橫截面面積，A'為激光光斑橫截面面積，l為激光增益介質(zhì)幾何長(zhǎng)度，α為激光增益介質(zhì)的吸收系數(shù)，δM為諧振腔內(nèi)固有損耗，η為轉(zhuǎn)換效率，ES為飽和光強(qiáng)度，Ein為注入能量，R為輸出鏡反射率。

由公式（3）和（4）對(duì)比可知，激光輸出能量與斜率效率和激光閾值有關(guān)，當(dāng)激光晶體的吸收損耗很小時(shí)，V腔激光器的斜率效率和直腔激光器的斜率效率相差無幾，故在一定的注入能量范圍內(nèi)，V腔激光輸出能量大于直腔激光輸出能量。當(dāng)注入能量Ein一定，激光晶體的吸收損耗很小時(shí)，兩種腔型下的激光輸出能量之比近似為：

由公式（5）可知，激光輸出能量之比與激光閾值比值、振蕩光束的橫截面面積和激光晶體的橫截面面積比值有關(guān)系。當(dāng)諧振腔內(nèi)的損耗很小時(shí)，V腔激光器的激光閾值近似為直腔的一半，當(dāng)光斑之比為A'/A=0.5時(shí)，激光輸出能量之比大于1，即V腔激光器的激光輸出能量大于直腔激光器，可取得更高輸出能量的激光。

整體對(duì)比，V型折疊雙通Nd：YAG介質(zhì)LD脈沖側(cè)面泵浦激光器的諧振腔結(jié)構(gòu)可以起到降低激光閾值、提高激光輸出能量和轉(zhuǎn)換效率的作用，此種手段可應(yīng)用到中小功率或弱泵浦激光器領(lǐng)域上，對(duì)于一些難以提取或因熱效應(yīng)影響不能過度增加泵浦能量的激光器，可采用此種諧振腔結(jié)構(gòu)，降低器件損傷，有效的提高能量轉(zhuǎn)換效率。為了更加明確的證明V型折疊腔的優(yōu)勢(shì)所在，故將直腔激光器的腔長(zhǎng)選的較長(zhǎng)，下一步將會(huì)優(yōu)化折疊腔腔長(zhǎng)。

3 結(jié)論

搭建諧振腔往返周期內(nèi)四次通過Nd：YAG介質(zhì)的V型折疊LD脈沖側(cè)面泵浦激光器和兩次通過Nd：YAG介質(zhì)的直腔激光器的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)試并對(duì)比分析了其激光輸出特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在注入電流55mJ，輸出鏡透過率為48%時(shí)，V型折疊腔和直腔輸出能量分別為13.2mJ和7.8mJ，整體轉(zhuǎn)化效率提高10%。理論建立了V型折疊雙通Nd：YAG介質(zhì)LD脈沖側(cè)面泵浦激光器的激光閾值公式和激光輸出能量表達(dá)式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析都表明了四次通過Nd：YAG介質(zhì)V型折疊腔的諧振腔結(jié)構(gòu)可以起到降低激光閾值和提高激光輸出能量的目的?？蓪⑵渲C振腔結(jié)構(gòu)應(yīng)用在中小功率泵浦的激光器方面，具有一定的研究意義。

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