基于超高斯特征的固體激光器輸出特性研究

景 貴 王垚廷 張博倫張 勛

（1.西安工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710021；2.西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065）

0 引言

半導(dǎo)體激光器通常也被稱為激光二極管（LD），是一種應(yīng)用十分廣泛的激光器件，通常被用作固體激光器的泵浦源。與傳統(tǒng)燈泵浦源相比，LD具有的優(yōu)勢主要有［1］：轉(zhuǎn)換效率高、熱效應(yīng)小、空間匹配性好、壽命長。

1994 年，Gori［2］引入了一種描述平頂均勻空間分布激光光束的光束模型，即平頂高斯光束模型。當(dāng)激光器在輸出光束時，其橫截面上光強分布與激光器的振蕩模式有關(guān)，在單模時，光強以高斯函數(shù)形式分布，被稱為高斯光束。由于平頂高斯光束的平頂均勻空間分布及高斯光束通過激光諧振腔來發(fā)出基模輻射場，其橫截面的振幅分布遵循高斯函數(shù)特點。以往對固體激光器熱效應(yīng)的研究中，大部分研究者使用高斯分布或平頂高斯分布對溫度場進(jìn)行分析，這是一種較理想化的光束分布模型［3］，而在固體激光器實際運轉(zhuǎn)中，超高斯分布模型比高斯分布模型更加符合實際情況［4］。其中，超高斯光束的數(shù)學(xué)物理模型由Parent 等［5］于1992 年首次提出，探討了初始超高斯場分布的近、遠(yuǎn)場傳播問題。在傳播過程中，光束輪廓發(fā)生了隨超高斯階增加的畸變。本研究旨在分析不同階數(shù)的超高斯光束對晶體溫度的影響，并分析泵浦光和振蕩光的空間分布對激光輸出特性的影響，為諧振腔中泵浦光和聚焦透鏡位置的合理選擇提供理論基礎(chǔ)。以半導(dǎo)體激光器為泵浦源，對Nd：GdVO4的1 342 nm 固體激光器輸出特性情況進(jìn)行測量，并對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再使用數(shù)據(jù)分析軟件對超高斯函數(shù)進(jìn)行擬合，對比分析結(jié)果。

1 超高斯光束模型

固態(tài)激光器的輸出特性并非僅由光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu)形狀所決定，而是受到增益分布的影響，且這種增益分布主要由增益介質(zhì)摻雜離子濃度和激光二極管泵浦光分布所構(gòu)成。在以往對泵浦光的分析過程中，通常使用高斯分布模型和平頂高斯模型來簡化其強度分布，但隨著對激光器研究的進(jìn)一步深入，發(fā)現(xiàn)之前的分布模型無法完全描繪出真實強度的分布情況。因此，使用超高斯分布模型描述泵浦光分布更為準(zhǔn)確。使用柱坐標(biāo)系來表示，假設(shè)抽運光沿z軸方向平行入射到晶體端面中心，則抽運光的歸一化分布表達(dá)見式（1）［6］。

式中：m為超高斯分布階次，超高斯分布階次m=1，2，3…；r為晶體端面幾何中心，r=0；α為激光介質(zhì)的吸收系數(shù)；ωp為抽運光的平均光斑半徑；l為激光晶體的長度。添加y來標(biāo)準(zhǔn)化高斯分布，見式（2）。

式中：a=22.575 57、b=3.129 67、c=0.231 43、d=1.014 63。

超高斯階次分別為1、2、3、4、5 時的超高斯分布如圖1 所示。由圖1 可知，隨著m值的不斷增加，輻照出射度曲線逐漸趨于平均分布，但在m=1與m=2之間的曲線有明顯變化。

圖1 超高斯分布

2 試驗測量方案

使用半導(dǎo)體激光器作為測量輸出特性試驗方案裝置示意如圖2 所示，整個裝置由半導(dǎo)體激光器、耦合透鏡、平面鏡、Nd:GdVO4、輸出鏡、功率計組成。采用相干公司（Coherent）生產(chǎn)的半導(dǎo)體激光器作為泵浦源，型號為M1F2S22-808.3-50CSS2.1T3，其中心波長為809.8 nm，采用平凹腔腔形結(jié)構(gòu)，在25 ℃的LD 溫度和20 ℃的冷卻水溫度條件下進(jìn)行測試。

圖2 試驗測量裝置示意

采用單端復(fù)合式Nd:GdVO4晶體作為激光介質(zhì)，該晶體能有效減少激光器產(chǎn)生的熱效應(yīng)影響。晶體長度為15 mm，其中摻雜濃度為0.2%，不摻雜部分長度為3 mm，端面大小為2.5 mm×2.5 mm。利用光纖耦合激光二極管泵浦源，該泵浦源的主要工作參數(shù)為中心波長為808 nm、光纖芯徑為300 μm和數(shù)值孔徑為0.08。采用1∶1 的成像比例輸出，通過光纖耦合將泵浦源與激光器相連，能有效減少固體激光器與半導(dǎo)體激光器間的熱傳導(dǎo)，降低熱效應(yīng)產(chǎn)生的影響，同時光纖的整形也有助于提高激光束質(zhì)量。調(diào)整透鏡和光纖輸出端間的距離，可實現(xiàn)平均泵浦光斑半徑的調(diào)節(jié)。這樣可改變抽運光在增益介質(zhì)中能量密度最大點的位置，從而尋找激光器的最佳輸出功率。

在諧振腔內(nèi)光束穿過Nd:GdVO4晶體的兩個端面上都進(jìn)行鍍膜處理，為了更好地抑制不需要的激光波段，種類有808 nm 高透膜(T808 nm > 95%) 、912 nm 高透膜(T912 nm > 90%) 、1 064 nm 高透膜(T1 064 nm>90%)和1342 nm 的減反膜(R1 342 nm <0.2%)。將全部Nd:GdVO4晶體用熱導(dǎo)率極高且厚度為0.05 mm 的銦鉑包裹，和夾具一起置于紫銅控溫爐中央，增加晶體與紫銅塊的接觸面積，克服因紫銅塊表面不夠光滑，無法和晶體充分接觸，導(dǎo)致產(chǎn)生熱損耗的問題。將去離子水通入兩部分紫銅塊內(nèi)，通過循環(huán)散熱的方式來維持溫度。紫銅塊通過水冷管與循環(huán)式水冷機(jī)相連，利用TEC 來控制控溫爐的工作溫度，確保精度達(dá)到0.01 ℃，同時保持激光介質(zhì)溫度在20 ℃。激光諧振腔采用平凹腔結(jié)構(gòu)，其中，M1是平面反射鏡、M2是凹面反射鏡。M1的膜層參數(shù)使其在1 342 nm 波長下具有極高的反射率（R1 342 nm > 99.8%），同時在808 nm、912 nm和1 064 nm 波長下具有很高的透過率（T808 nm >95%、T912 nm > 90%、T1 064 nm > 90%）。平凹鏡M2被用作輸出鏡，其鍍膜參數(shù)如下：1 342 nm 波長下透過率為6%，且其曲率半徑為100 mm。在距離輸出鏡M2后275 mm 處放置一面45°的半透半反鏡(1342 nm HR&808 nm HT)，輸出功率測量使用型號LP-3C功率計進(jìn)行。

3 試驗結(jié)果及分析

對采用端面抽運方式的Nd:GdVO4的1 342 nm固體激光器輸出特性進(jìn)行測試，結(jié)果如圖3 所示。圖3 中方塊為試驗測試數(shù)據(jù)，實線和虛線為不同超高斯階數(shù)下輸出功率的計算數(shù)值。

圖3 泵浦功率與輸出功率試驗測試

由圖3 可知，LD 抽運功率逐漸增加，激光器在積累一定能量后才開始輸出，此時輸出功率為2.7 W，即閾值功率。當(dāng)入射功率繼續(xù)增加時，輸出功率與入射功率呈線性關(guān)系。經(jīng)試驗測得，當(dāng)入射功率為42.4 W時，輸出功率為11.76 W，光—光轉(zhuǎn)換效率為27.7%，激光器的斜效率為29.6%。同時，抽運光的輸出特性在小功率泵浦時采用高斯分布和超高斯分布計算所得結(jié)果基本相同，但在泵浦功率大于10 W 后，超高斯分布的輸出特性與高斯分布有明顯的區(qū)別，且隨著超高斯階數(shù)m的增加，輸出功率也隨之增加。試驗結(jié)果表明：當(dāng)m取2 時，超高斯分布模型的計算結(jié)果與試驗測試數(shù)據(jù)基本一致；當(dāng)m取1 時，高斯分布模型的計算結(jié)果不如超高斯分布模型優(yōu)秀。試驗驗證了泵浦光超高斯分布模型比高斯分布模型更加符合實際抽運分布。

4 結(jié)語

本研究在超高斯光束能更好地描述實際的泵浦光輸出特性的理論基礎(chǔ)上，基于超高斯分布模型，使用端面泵浦1 342 nm 固體激光器，設(shè)計試驗方案。對半導(dǎo)體激光器的輸出功率進(jìn)行測量，結(jié)合數(shù)據(jù)分析軟件對于試驗所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將繪制的曲線與超高斯函數(shù)進(jìn)行擬合對比。擬合結(jié)果很清晰地表達(dá)出泵浦光的輸出特性情況。試驗測量端面泵浦1 342 nm 固體激光器的輸出特性得到的試驗結(jié)果與m為2 時的抽運光超高斯分布模型最為符合，充分驗證了泵浦光超高斯分布模型比高斯分布模型更加符合實際抽運分布。