二極管側(cè)泵浦高效率連續(xù)波10W單橫模激光器

1、第 14卷第 1期強(qiáng) 激 光 與 粒 子 束 V o l . 14, N o . 1 2002年 1月 H IGH POW ER LA SER AND PA R T I CL E B EAM S Jan . , 2002 文章編號(hào) :100124322(2002 0120057203二極管側(cè)泵浦高效率連續(xù)波 10W 單橫模激光器王衛(wèi)民 1, 高清松 1, 羅斌 1, 龐毓 1, 姚震宇 1, 2, 高劍蓉 1, 呂百達(dá) 2(1. 中國(guó)工程物理研究院 應(yīng)用電子學(xué)研究所 , 四川 綿陽 621900; 2. 四川大學(xué) 激光物理與化學(xué)研究所 , 四川 成都 610064 摘要 : 對(duì)二極管激光器側(cè)泵

2、浦 N d :YA G 板條連續(xù)波激光器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì) , 用光線追跡的方法計(jì)算增益介質(zhì)內(nèi)的增益分布 , 優(yōu)化增益介質(zhì)的大小 , 通過諧振腔的設(shè)計(jì) , 使泵浦體積與激光的 T E M 00模的模體積匹配 ; 建立了高效可靠的連續(xù)波 N d :YA G 激光器 , 用 40W 的線陣激光器作泵浦源 , 單橫模輸出功率達(dá) 11. 8W , 光 2光效率近 30%, 激光功率起伏小于 1. 2%。關(guān)鍵詞 : 連續(xù)波激光器 ; 二極管泵浦固體激光器 ; 單橫模中圖分類號(hào) :TN 248 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A連續(xù)波單橫模工作的二極管泵浦固體激光器由于效率高 、 可靠性高 、 使用壽命長(zhǎng)與系統(tǒng)緊湊等特 點(diǎn) ,

3、 而成為各種應(yīng)用的有吸引力的光源 1, 2, 特別是在高功率的情況下 , 其應(yīng)用包括材料的加工處理 , 基 礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)等 3。 用連續(xù)波二極管端泵浦 N d :YA G , 實(shí)現(xiàn)單橫模工作已有許多的報(bào)道 4, 5, 但端面泵浦 的缺點(diǎn)之一是不能容納大功率的泵浦光 , 很難實(shí)現(xiàn)高功率的 T E M 00模輸出 。用二極管激光器側(cè)泵浦 , 雖 然可以使固體激光器獲得高功率的輸出 , 也可以實(shí)現(xiàn) T E M 00模工作 68, 但其光電效率較低 。 我們通過 線陣二極管激光耦合系統(tǒng) , 使泵浦體積與激光的 T E M 00模的模體積匹配 , 根據(jù)泵浦光的分布 , 用光線追 跡的方法計(jì)算增益介質(zhì)內(nèi)的吸

4、收泵浦光強(qiáng) , 優(yōu)化增益介質(zhì)的厚度 , 通過諧振腔的設(shè)計(jì) , 建立了二極管激 光側(cè)泵浦板條連續(xù)波激光器實(shí)驗(yàn) , 在 40W 的泵浦功率下 , 獲得 11. 8W 的 T E M 00模的激光輸出 , 光 2光效 率近 30%。1泵浦介質(zhì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)F ig . 1 D i ode laser side 2pumped laser 圖 1二極管側(cè)泵浦側(cè)示圖線陣二極管激光側(cè)泵浦 N d :YA G 板條泵浦模型示意圖如圖1, DL 的發(fā)散角為 4010, 線陣二極管激光在垂直結(jié)平面方向(40角方向 能量密度按高斯分布 , 沿 10角方向分布為常數(shù) 。 光強(qiáng)按角度高斯函數(shù)分布 。 E (y i , x

5、 i =E 0exp -22i 2e , 其中 e 是線陣二極管激光在垂直于結(jié)平面的束腰 , 它是半高寬的 1. 67, i 是被分割處的線陣二極管激光光線發(fā)散角 , 用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)試 N d :YA G 板條對(duì) 808nm 波長(zhǎng)的激光吸收系數(shù) =0. 34c m -1, 采用光 線追跡的方法 , 可模擬計(jì)算出不同厚度的板條的前后表面的吸收泵浦光強(qiáng)度的分布 。通過對(duì) N d :YA G 板條的截面進(jìn)行網(wǎng)格分割 , 還可計(jì)算出單側(cè)面泵浦條件下板條截面內(nèi)的小信號(hào)增益分布 , 從板條的前后表面處小信號(hào)增益的分布 , 選擇板條的吸收厚度 。 同時(shí)在諧振腔的設(shè)計(jì)時(shí) , 板條作為諧振腔的孔徑光闌 , 以此設(shè)

6、計(jì)模體積合理的諧 振腔 , 使激光器能高效率實(shí)現(xiàn)單橫模工作 。 假設(shè)增益介質(zhì)截面的增益分布為 g (x , y , 該分布是半展寬為 a 和 b 的橢圓 , 增益介質(zhì)截面歸一化的增益分布為g (x , y =g 0exp -2(x 2 a 2+y 2 b 2 (1而腔模的歸一化分布函數(shù) m (x , y 可表示為 m (x , y =m 0exp -1(x 2 20+y 2 20(2 收稿日期 :2000212229; 修訂日期 :2001209226基金項(xiàng)目 :國(guó)家 863激光技術(shù)領(lǐng)域資助項(xiàng)目 (863241021作者簡(jiǎn)介 :王衛(wèi)民 (19652 , 男 , 湖南人 。博士 , 副研究員 。

7、主要從事二極管泵浦固體激光器技術(shù)研究 。綿陽 91921013信箱 。式中 :0為激光的束腰 。 在諧振腔的設(shè)計(jì)中 , 對(duì)諧振腔的長(zhǎng)度和反射鏡的曲線半徑進(jìn)行優(yōu)化 , 使腔模體 積與增益截面的重合率大于 90%, 提高激光器單橫模輸出效率。 F ig . 2 A bso rbed pow er distributi on of front face of slab 圖 2板條前表面的吸收功率分布 F ig . 3 A bso rbed pow er distributi on at back face of slab圖 3板條后表面的吸收功率分布F ig . 4 Sm all signal ga

8、in at front and back face of 1. 2mm slab 圖 4 1. 2mm 板條的前后表面處小信號(hào)增益分布 對(duì) 1. 2mm , 1. 5mm 和 2mm 三種吸收厚度的 N d :YA G 板條進(jìn)行了模擬計(jì)算 , 計(jì)算時(shí)泵浦源的功率為40W , 光纖柱透鏡的透過率為 95%, 焦距 f =1. 72mm ,N d :YA G 板條前表面鍍 808nm 的增透膜 , 后表面鍍808nm 的全反射膜 。圖 2是計(jì)算的三種厚度板條前表面處的吸收泵浦功率分布 , 1. 2mm 厚的板條分布較強(qiáng) 。 圖3是計(jì)算的三種厚度板條后表面處的吸收泵浦功率的分布 , 同樣是 1. 2

9、mm 厚的板條分布較強(qiáng) 。根據(jù)吸收的光功率和飽和能量密度 , 計(jì)算 1. 2mm 厚板條的小信號(hào)增益分布如圖 4所示 , 說明 1. 2mm 厚度板條的小信號(hào)增益分布均勻 。 板條寬度方向光的大小由柱透鏡控制 , 為了與1. 2mm 厚度進(jìn)行匹配 , 設(shè)計(jì)了大數(shù)值孔徑的光纖柱透鏡 控制 , 透鏡折射率為 1. 82, 直徑 51mm , 焦距 f 為 1. 72mm , 能使泵浦光充分地利用 。調(diào)節(jié)柱透鏡與板條 的位置 , 使泵浦光在板條寬度方向的大小也為 1. 2mm 。 對(duì)諧振腔進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí) , 考慮到衍射效應(yīng) , 其模束 腰直徑在 0180. 9mm 之間 。 實(shí)驗(yàn)測(cè)試板條泵浦區(qū)間 (1.

10、 2mm 1. 2mm 11mm 的小信號(hào)增益系數(shù)基 本上均勻分布 , 與計(jì)算結(jié)果基本相符 。2實(shí)驗(yàn)及測(cè)試結(jié)果根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果 , 建立了如圖 5所示的實(shí)驗(yàn)裝置 。 全反射鏡 HR 為 2. 2m 曲率半徑的凹面鏡 , 輸 出鏡為 90%反射率的平面鏡 , 腔長(zhǎng)大約為 20c m , 泵浦源為線陣二極管激光器 , 連續(xù)波輸出 40W (由中物 院電子學(xué)研究所半導(dǎo)體激光及應(yīng)用研究室提供 , 用循環(huán)水控制其波長(zhǎng) , 使其發(fā)射波長(zhǎng)與 N d :YA G 吸收 峰相匹配 。 在不同的加載電流下 , 二極管激光器有不同的輸出功率 , 使 D PL 獲得不同的輸出功率 , 如圖 6所示 。 當(dāng)電流為 60

11、A 時(shí) , 二極管激光器輸出功率為 40W , 這時(shí) D PL 激光器輸出功率為 11. 8W , 光 2光效率近 30%。 經(jīng)過多次測(cè)試 , D PL 輸出激光的光束質(zhì)量 M 2因子為 M 2x 1. 1, M 2y 1. 2, 經(jīng)測(cè)試后確定激光器輸出為 T E M 00模 。 從圖 6可以看出 , 泵浦功率在 1530W 之間時(shí) , 固體激光器的輸出功率隨泵浦功 率成線性關(guān)系 。 隨著泵浦功率繼續(xù)增加 , 雖然 D PL 的輸出功率繼續(xù)增加 , 但其增加趨勢(shì)變緩 , 說明通過 提高泵浦功率進(jìn)一步提高基模輸出功率將受到增益介質(zhì)熱效應(yīng)的影響 。 從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到 , 當(dāng)泵浦功 率進(jìn)一步增加時(shí)

12、 , 輸出的基模功率下降 。 部分原因是介質(zhì)熱透鏡像差隨泵浦功率增加而增加 , 另一個(gè)原 因是激光晶體熱致應(yīng)力 , 而熱應(yīng)力導(dǎo)致雙折射 。 從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn) , 當(dāng)二極管的泵浦功率超過 40W 以后 , D PL 激光器輸出的功率迅速下降到 0。 在功率下降過程中 , 激光器輸出的光束質(zhì)量越來越差 , 光斑由圓 形逐漸變成一個(gè)長(zhǎng)光斑 , 這是熱效應(yīng)引起的結(jié)果 。 F ig . 5 D i ode laser side 2pumped N d :YA G slab c w laser 圖 5 二極管側(cè)泵浦連續(xù)波激光器示意圖F ig . 6 T E 00output pow er of 1. 2mm

13、slab 圖 6 1. 2mm 厚板條激光器單橫模輸出功率3結(jié)論對(duì)二極管側(cè)泵浦 N d :YA G 板條激光器進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化 , 為了獲得高效率的 T E M 00模激光輸出 , 用 光線追跡的方法對(duì)泵浦光在板條內(nèi)的分布進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算 , 計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致 。 實(shí)驗(yàn)中 , 在 40W 的泵浦功率下 , 獲得的 11. 8W 的基模激光輸出 , 光束質(zhì)量 M 2 1. 2, 光 2光效率近 30%。 這種激光 器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 , 并可定標(biāo)放大到百瓦以上功率輸出 。致謝 感謝唐淳副研究員和武德勇副研究員提供的連續(xù) 40W 封裝的二極管激光器 , 及對(duì)本項(xiàng)研究工作的幫助 。參考文獻(xiàn) :1 Sch

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