LED帶抽運(yùn)Nd∶YAG激光器

黃文迪，李 欣，鐘奇秀,趙天卓

(1.中國(guó)科學(xué)院 空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100094；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 光電學(xué)院，北京 100049)

引 言

發(fā)光二極管(light-emitting diode，LED)自從誕生起就被運(yùn)用在抽運(yùn)固體激光器的研究上。1964年，OCHS和PANKOVE以液氮冷卻的GaAsxP1-x化合物L(fēng)ED作為光源，抽運(yùn)Dy∶CaF2晶體，觀察到2.36μm激光的輸出[1]。近年來(lái)，隨著LED功率的日益增大，所覆蓋的光譜范圍日益擴(kuò)大，科研人員對(duì)LED抽運(yùn)固體激光器產(chǎn)生了越來(lái)越多的關(guān)注。由于LED相比激光二極管(laser diode，LD)具有使用壽命長(zhǎng)、價(jià)格低廉、環(huán)境穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái),研究人員重新將LED應(yīng)用于固體激光器的抽運(yùn)上。2008年,YANG等人展示了一種由氮化物L(fēng)ED抽運(yùn)的聚合物激光器[2]。HTEIN等人致力于研究LED抽運(yùn)光纖放大器，如白光LED抽運(yùn)稀土離子摻雜光纖[3-5]。此外，各種激光晶體已在實(shí)驗(yàn)上應(yīng)用于LED抽運(yùn)固體激光器，如Nd∶YAG,Nd∶YVO4,Ti∶sapphire和Cr∶LiSAF[6-19]。最近還實(shí)現(xiàn)了LED抽運(yùn)主動(dòng)和被動(dòng)調(diào)Q激光器[20-21]。

LD的輸出光光譜寬度通常小于3nm，因此在研究時(shí)只需考慮與吸收光譜上的單吸收峰匹配，是一種忽略抽運(yùn)光光譜寬度的窄帶寬抽運(yùn)，其特性可以歸納為“窄抽運(yùn)”。相比較而言，燈抽運(yùn)由于覆蓋了約2000nm的光譜區(qū)域，已經(jīng)完全不需要考慮抽運(yùn)光光譜與吸收光譜上能級(jí)躍遷吸收峰匹配問(wèn)題，因此是一種寬光譜范圍的抽運(yùn)，可以簡(jiǎn)稱為“寬抽運(yùn)”。與忽略抽運(yùn)光光譜寬度的LD抽運(yùn)和寬光譜范圍的燈抽運(yùn)不同，處于兩者之間的LED抽運(yùn)的光源光譜寬度通常為20nm～60nm，在一個(gè)光譜帶寬范圍內(nèi)覆蓋數(shù)個(gè)吸收峰，且光譜帶寬的影響不能忽略，因此可以將之稱為“帶抽運(yùn)”。LED帶抽運(yùn)和燈抽運(yùn)相比具有更高的效率和更高的光束質(zhì)量；和LD抽運(yùn)相比有更低廉的成本、更高的穩(wěn)定性。本文中考慮LED光源光譜分布和增益介質(zhì)吸收光譜分布，建立了LED帶抽運(yùn)速率方程，并進(jìn)行了LED脈沖抽運(yùn)Nd∶YAG激光器的輸出的仿真與實(shí)驗(yàn)。

1 LED帶抽運(yùn)速率方程的建立

Nd∶YAG作為一種激光晶體具有典型的四能級(jí)結(jié)構(gòu)，其能級(jí)結(jié)構(gòu)如圖1中藍(lán)色部分所示。圖中還給出了Nd∶YAG主要能級(jí)相關(guān)的Stark能級(jí)分布，R與Y表示F和I的正能級(jí)。以Nd∶YAG晶體紅外區(qū)域790nm～830nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的吸收帶為例，在基質(zhì)中由于晶體場(chǎng)的作用，Nd3+離子的單個(gè)能級(jí)將分裂為若干個(gè)Stark子能級(jí)，因此，Nd∶YAG晶體的吸收帶是由多個(gè)子吸收峰組成的。圖1中紅色部分描述了Nd∶YAG固體激光器的四能級(jí)結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)。光將離子由基態(tài)E0抽運(yùn)到抽運(yùn)帶，大部分的激發(fā)態(tài)離子通過(guò)無(wú)輻射躍遷到亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)E2，然后輸出1064nm的激光到達(dá)終態(tài)能級(jí)E1，最后，離子通過(guò)迅速的無(wú)輻射躍遷回到基態(tài)能級(jí)。

Fig.1 Level diagram of Nd∶YAG crystal

紅外附近吸收峰對(duì)應(yīng)的能級(jí)躍遷如圖2所示[22]。

Fig.2 The infrared absorption peaks of Nd∶YAG crystal

假設(shè)從抽運(yùn)帶到上能級(jí)的躍遷過(guò)程非常迅速，抽運(yùn)帶的粒子數(shù)密度n3≈0。則典型的激光四能級(jí)速率方程如下[23]：

(1)

(2)

(3)

nt=n0+n1+n2+n3

(4)

式中，Wp是抽運(yùn)速率；Wnr是能級(jí)3和能級(jí)2之間的無(wú)輻射躍遷速率；g1和g2表示能級(jí)1和能級(jí)2的簡(jiǎn)并度;n0,n1,n2,n3是各能級(jí)的粒子數(shù)密度，nt表示各密度之和；τij是能級(jí)i到能級(jí)j之間的躍遷壽命；σ是受激輻射截面面積；cn是光在折射率為n的介質(zhì)中傳播的速度；φ是光子數(shù)密度。

由于吸收帶包含多個(gè)Stark子能級(jí)，在忽略抽運(yùn)帶中子能級(jí)之間的躍遷的情況下，(1)式和(2)式中的某些參數(shù)將發(fā)生如下的變化。

1.1 抽運(yùn)速率Wp

用LED抽運(yùn)光源的功率和激光工作物質(zhì)的吸收系數(shù)來(lái)描述抽運(yùn)速率，將LED的發(fā)射光譜和增益介質(zhì)的吸收光譜引入速率方程來(lái)模擬LED帶抽運(yùn)Nd∶YAG激光器將提高仿真的精度。

在LED帶抽運(yùn)中，輸入功率Pin是波長(zhǎng)λ的函數(shù)，由LED抽運(yùn)光源決定。吸收系數(shù)也是波長(zhǎng)的函數(shù)，因此，被增益基質(zhì)吸收的抽運(yùn)功率也應(yīng)為波長(zhǎng)的函數(shù)，其表達(dá)式如下所示：

Pabs(λ)=Pin(λ)[1-e-α(λ)L]

(5)

式中，α(λ)表吸收數(shù)，L是增益介質(zhì)長(zhǎng)度。用(5)式來(lái)描述帶抽運(yùn)的抽運(yùn)速率：

(6)

式中，V是體積，h為普朗克常數(shù)，η是量子效率，c0是真空中的光速，(λ1,λ2)是LED抽運(yùn)光源的波長(zhǎng)范圍。

1.2 無(wú)輻射躍遷速率Wnr

無(wú)輻射躍遷出現(xiàn)在幾乎每一個(gè)能級(jí)上，無(wú)輻射躍遷速率主要受晶體主晶格和能級(jí)間隔影響，可以表示為(7)式所示的形式。和抽運(yùn)速率不同的是，無(wú)輻射躍遷速率是一個(gè)離散的值，因此，在帶抽運(yùn)的速率方程計(jì)算中，用∑Wnr來(lái)表示無(wú)輻射躍遷速率，具體公式如下:

exp(-γΔE)

(7)

(8)

此為單一能級(jí)的無(wú)輻射躍遷幾率的實(shí)驗(yàn)所得帶隙公式。由于LED帶抽運(yùn)中，抽運(yùn)帶內(nèi)含有多個(gè)吸收峰，對(duì)于無(wú)輻射躍遷來(lái)說(shuō)，每一個(gè)吸收峰對(duì)應(yīng)的躍遷都含有一個(gè)對(duì)應(yīng)的非輻射躍遷。

綜上所述，可以得到如下形式的速率方程：

n3∑Wnr

(9)

(10)

(11)

nt=n0+n1+n2+n3

(12)

將參數(shù)調(diào)整后的表達(dá)式帶入到速率方程中，并按照一般解法求解速率方程，仿真部分均基于上述經(jīng)調(diào)整后的速率方程。

2 LED帶抽運(yùn)Nd∶YAG激光器的輸出仿真與實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中選用了歐司朗公司生產(chǎn)的型號(hào)為SFH 4780S的紅外LED燈珠，9個(gè)一組，分4組，4面?zhèn)瘸檫\(yùn)長(zhǎng)度為40mm、橫截面積為4mm×4mm的Nd∶YAG晶體。

諧振腔采用長(zhǎng)度為80mm的平凹腔，輸出耦合鏡的透射率為1.5%，高反射(high refractive,HR)鏡(反射率R>99.5%)為曲率半徑2000mm的平凹面鏡，兩鏡直徑20mm。將LED發(fā)射光譜參數(shù)以及Nd∶YAG的吸收系數(shù)帶入到速率方程中可以得到輸出能量的仿真結(jié)果。

光路示意圖及實(shí)驗(yàn)實(shí)物如圖3a和圖3b所示。

Fig.3 Schematic diagram of experiment light path and the photo of experiment apparatus

抽運(yùn)時(shí)間為250μs，頻率為5Hz。LED帶抽運(yùn)Nd∶YAG激光器的抽運(yùn)能量(Ep)和輸出能量(Ee,Es)之間的關(guān)系如圖4所示。Ee為實(shí)驗(yàn)值,Es為仿真值。實(shí)驗(yàn)中，閾值能量為5.2mJ，高于計(jì)算結(jié)果，這是由于在實(shí)驗(yàn)中存在著損耗，如LED光源的能量轉(zhuǎn)換損耗、諧振腔的器件引入的插入損耗等。當(dāng)LED的抽運(yùn)能量為9.1mJ時(shí)，1064nm激光器的輸出能量增加到607μJ，此時(shí)達(dá)到最高的傾斜效率15.5%，光轉(zhuǎn)換效率為6.67%。繼續(xù)增大抽運(yùn)能量，激光器的效率將會(huì)下降。這是由于實(shí)驗(yàn)選用的LED光源額定電壓有限，超過(guò)額定電壓工作，會(huì)出現(xiàn)明顯的電光轉(zhuǎn)換效率下降現(xiàn)象，導(dǎo)致輸出能量的降低。當(dāng)抽運(yùn)能量為15.4mJ時(shí)，達(dá)到增益飽和。抽運(yùn)能量和輸出能量的關(guān)系和仿真計(jì)算結(jié)果基本一致。圖4中還給出了晶體諧振腔內(nèi)熒光儲(chǔ)能分布的ZEMAX仿真結(jié)果及實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。測(cè)量熒光儲(chǔ)能分布的儀器為SPRINCON公司生產(chǎn)的型號(hào)為SP620U的光束質(zhì)量分析儀，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果比較吻合。此外，實(shí)驗(yàn)中還測(cè)量了激光輸出的空間分布與時(shí)間波形，其結(jié)果如圖5所示。測(cè)量激光輸出的空間分布使用的儀器和測(cè)量熒光儲(chǔ)能分布使用的儀器相同，測(cè)量激光輸出的時(shí)間波形使用的儀器為Tektronix公司生產(chǎn)的型號(hào)為MDO4104C的示波器。激光器輸出的脈沖寬度為160μs，比抽運(yùn)脈沖持續(xù)時(shí)間短。

Fig.4 Experimental output energy and simulation output energy, as well as the comparison of experimental results and simulation results of fluorescence distribution of Nd∶YAG

Fig.5 Spatial distribution and temporal shape of laser output with output energy of 607μJ

3 結(jié) 論

將抽運(yùn)源發(fā)射光譜信息和激光增益介質(zhì)吸收光譜信息引入計(jì)算中，建立了LED帶抽運(yùn)的速率方程，并根據(jù)速率方程對(duì)LED帶抽運(yùn)Nd∶YAG激光器進(jìn)行了仿真。搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了LED帶抽運(yùn)Nd∶YAG激光器的脈沖抽運(yùn)實(shí)驗(yàn)，實(shí)際測(cè)量了抽運(yùn)能量為5.2mJ～15.4mJ之間的輸出能量，與仿真結(jié)果相比基本吻合。對(duì)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏差進(jìn)行了分析，指出低抽運(yùn)能量時(shí)，損耗是造成偏差的主要原因，在高抽運(yùn)能量時(shí)，LED光源的光電轉(zhuǎn)換效率下降是造成偏差的主要原因。在抽運(yùn)能量為9.1mJ時(shí)得到了607μJ的脈沖激光輸出，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)中最高的傾斜效率15.5%，其光轉(zhuǎn)換效率為6.67%。本文為L(zhǎng)ED帶抽運(yùn)研究的理論模擬提供了行之有效的方法。