输出功率为21.5 W的单端抽运Nd:YVO4/LBO单频激光器

作者：郑耀辉 王雅君 彭堃墀

欢迎访问e展厅 展厅 1 激光器展厅 半导体激光器, 固体激光器, Er:YAG激光器, CO2激光器, 光纤激光器, ... 摘要：采用中心波长为888 nm的激光二极管作为抽运源，减轻了Nd:YVO4晶体中的热效应。通过合理的谐振腔设计，扩大激光晶体处的基模尺寸和振荡光在凹面腔镜处的入射角，减轻了激光晶体内部的热效应和谐振腔像散，提高了激光器的输出功率。采用四镜环形腔选模的办法，获得稳定的高功率单频激光输出。在吸收的抽运功率为67.5 W时，实现了最高功率为21.5 W的532 nm单频激光输出，其8 h功率稳定性优于±1%，光束质量M2<1.1，光光转换效率为31.9%。 1、引言 全固态高功率单频绿光激光器可广泛应用于科学研究的各个领域，比如抽运钛宝石激光器或染料激光器，精确测量和高分辨率的激光光谱实验。然而，在高功率抽运的条件下，激光增益介质中会产生严重的热效应，这就限制了激光功率和光束质量的进一步提高。因此，目前高功率固态激光器研究的热点，主要是集中在研究激光晶体热效应特性和减轻激光晶体中的热效应上。减轻激光晶体热效应的方法包括采用复合增益介质，低掺杂晶体，双端抽运方式或者直接抽运的方式。 目前已有多种方法能使激光器达到单纵模运转，例如用扭转模腔、短腔谐振、标准具选模及双折射滤光片选模等。但在设计高功率输出内腔倍频激光器时，大多仍是利用环形谐振腔，消除空间烧孔效应进行选模。然而，由于环形腔包含的腔内元件太多，因而增加了激光器的内腔损耗，不利于高功率单频激光器的获得。关于高功率单频激光器的研制，国外主要以美国的相干公司为代表，形成了VerdiV系列的单频绿光光源，在采用中心波长为808nm抽运源的情况下，其最高输出功率为18W；德国的ELS公司则采用薄片晶体，实现了最高输出功率为15W的单频绿光光源。在国内，山西大学光电研究所长期从事全固态单频激光器的研究工作，但是受激光晶体热效应的影响，限制了激光器输出功率的提高。 本文采用楔形Nd∶YVO4晶体作为增益介质改善了激光器的稳定性，在单端抽运情况下，使用环形谐振腔选模技术实现了高功率单频绿光激光输出。采用中心波长为888nm的激光二极管（LD）作为抽运源，减轻了激光晶体的热效应。通过合理的环形谐振腔设计，尽量保证在增益介质处获得较大的基模尺寸并且缩小谐振腔腔镜处振荡光的入射角度，减轻了增益介质处的热效应和环形腔的像散，提高单频激光的输出功率。在吸收的抽运功率为67．5W时，单频绿光的最大输出功率达到了21．5W，犕2＜1．1，光光转换效率为31．9％，光斑的椭圆率优于0．16，输出绿光8h功率稳定性优于±1％。 2、实验设计与装置 图1为实验装置图，谐振腔为四镜环形腔，其中包含两个平面镜［M1：S1，减反（AR）888nm；S2，高透（HT）888nm，高反（HR）1064nm和M2：S1，HR1064nm］和两个凹面镜（M3：S1，HR1064nm和M4：S1，HR1064nm，HT532nm；S2，HT532nm。犚M3，M4＝100mm）。增益介质采用α切割的楔形复合Nd∶YVO4晶体（S1，S2：AR888nm，1064nm），掺杂原子数分数为0．8％，尺寸为3mm×3mm×（3＋20）mm，对888nm抽运光的吸收效率为89％。楔形晶体的设计可以起到偏振分束器的作用，在不同偏振方向模式的竞争中，保证π偏振光优先于σ偏振光在腔内起振，提高激光器的线偏振度和偏振方向的稳定性。法拉第旋转器（TGG）和半波片（HWP）组成的光学单向器使激光器实现单向运转，获得稳定的单频输出。倍频晶体采用尺寸为3mm×3mm×15mm的LBO晶体（S1，S2：AR1064nm，532nm），通过自制的控温仪（控制精度为0．01℃）将晶体温度控制为非临界相位匹配温度149℃。抽运源采用光纤耦合输出的激光二极管（LIMOF400DL888EX1458），中心波长为888nm，最大输出功率为90W，光纤芯径为400μm，数值孔径荦犃为0．22。激光二极管输出的激光光束经传输效率为96％的望远系统整形后聚焦于Nd∶YVO4晶体内。 与中心波长为808nm激光二极管抽运相比，采用中心波长为888nm的激光二极管抽运具有两个优点：1）采用888nm直接抽运方式减小了量子亏损产生的热，例如，要获得1064nm激光输出，与808nm抽运相比，热负荷将从24．1％缩减为16．5％，这样在激光的抽运过程中，增益介质会吸收更多的抽运功率而保证热负荷不会增加；2）888nm抽运方式无偏振吸收的特性在降低热效应的同时也改善了激光器工作的稳定性。为了定量地描述晶体的热效应，使用LASCAD软件分析了888nm和808nm抽运方式在吸收了相同的抽运功率下晶体内部的温度分布。首先，选用掺杂原子数分数为0．8％，尺寸为3mm×3mm×（3＋20）mm的Nd∶YVO4晶体，该晶体对波长为888nm抽运光的吸收效率为89％。其次，采用掺杂原子数分数为0．2％，尺寸为3mm×3mm×（3＋20）mm的Nd∶YVO4晶体，当抽运光的波长为808nm时，Nd∶YVO4晶体对抽运光的吸收效率为95％。图2为在吸收了相同的抽运功率条件下采用两种抽运方式晶体内部在横向和纵向的温度分布图。 由图可见，采用888nm抽运方式，增益介质中最高温度为349．5K（等价于808nm抽运方式在抽运功率为32W时的最高温度），比808nm抽运方式低72．6K，与此同时，晶体内部的温度分布也比较均匀。这就为单端面抽运方式下径向温度分布不均匀提供了一种有效的解决方案，从而简化了以往双端面抽运的实验装置，使单端面抽运方式获得高功率单频运转成为可能。 在高功率激光器的设计中，热透镜是一个关键参数，要优化激光器的参数，就必须测量热透镜，并分析热透镜对激光稳区和模式的影响，通过合理的腔型设计减轻热透镜效应对激光器的影响。在此设计中，通过对888nm抽运时热效应的分析，设计合理的谐振腔，扩大增益介质处基模模式尺寸，进一步改善激光晶体处的热效应。此外，为了获得单频激光输出，采用四镜环形谐振腔的设计，如图1所示，该腔型中包含两面倾斜的凹面镜，因而会引入额外的像散。于是在整个设计中，为了获得更高功率的稳定单频激光输出，要尽量减小环形谐振腔带来的像散。实验中，使用30∶75的整形系统将抽运光在激光增益介质处的腰斑直径扩大为1mm，谐振腔长度为490mm，两凹面镜间距离为96mm，振荡光在腔镜处的入射角为10°，此时基模模式在增益介质中的光斑直径设计为0．8mm，抽运光与基频光的光斑尺寸均得到了放大，这将进一步改善激光晶体中的热效应。而谐振腔的像散则无法完全消除，在谐振腔的设计上，尽量减小振荡光在凹面腔镜处的入射角及凹面腔镜离轴入射引入的像散影响。 3、实验结果与分析 通过分析，采用888nm直接抽运和合理的谐振腔设计，以及环形腔选模的办法，最终在吸收的抽运功率为67．5W时，通过单端面抽运和内腔倍频的方式获得了输出功率为21．5W的稳定单频绿光激光器。当抽运功率从阈值到67．5W连续增加时，输出的激光均可以保持良好的光束质量，并且输出功率连续增加，如图3所示。 图4为激光器输出功率为21．5W时，扫描法布里珀罗（FP）腔得到的单频曲线，证明激光器实现稳定单频运转。 在输出功率最大时，测得绿光激光器8h功率稳定性优于±1％，光束质量小于1．1，如图5所示。 图5为通过光束质量分析仪测量的光斑分布曲线图，光光转换效率为31．9％。由实验结果可见，888nm直接抽运方式和扩大激光晶体处基模光斑尺寸，极大地减轻了增益介质在高功率抽运过程中产生的严重热效应，提高了激光器的输出功率和光光转换效率。 4、结论 通过LASCAD软件分析了888nm和808nm抽运方式的热效应，与808nm激光二极管抽运相比，采用888nm激光二极管抽运具有量子亏损小，以及无偏振吸收的特性，可以有效减轻激光晶体的热效应。通过合理的腔型设计，扩大了增益介质处基模的光斑尺寸并且减小了谐振腔的像散。利用环形腔选模方法，获得稳定的高功率单频绿光激光输出。在吸收的抽运功率为67．5W时，采用单端抽运方式获得了最高功率为21．5W的单频绿光激光输出，其光光转换效率达到31．9％，光束质量犕2＜1．1，8h功率稳定性优于±1％。

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