LD侧泵Nd∶YAP连续红外激光器

钱金宁，刘 涛，孙桂侠，李嘉强，张晓卫，张志忠

(核工业理化工程研究院，激光技术研究所，天津300180)

1 引言

1342 nm波段的激光由于具有在光纤传输中损耗低、近零色散、并且水对该波段激光的吸收较大等特点，在光纤通讯、视频显示、激光彩色全息、激光美容及医疗、科学研究等领域有着广泛的应用前景［1－7］，同时还可倍频做成红光激光器，因此1342 nm波段的固体激光器日益受到人们的重视。凌铭在文献［7］中采用双氪灯泵浦Nd∶YAP获得了195 W的连续1342 nm输出光。朱海永等［1］人用LD侧面泵浦Nd∶YAP晶体获得了121 W的连续1342 nm输出光。

本文介绍了LD五阵列侧面泵浦Nd∶YAP平平腔结构的1342 nm波长固体激光器实验研究。在平均LD泵浦功率为700 W时，获得了132.2 W的红外连续输出光，光光转换效率为19%，斜效率为29%，一小时功率抖动优于0.73%。测量了输出激光的光谱特性——峰值波长和线宽，输出激光线宽约为10 GHz。

2 实验结构设计

图1为LD侧面泵浦Nd∶YAP激光器的实验装置图。激光谐振腔采用平平腔型，由平面全反镜M1和平面输出镜M2组成，为了获得不同的腔长与激光器稳定性及输出功率的关系，两镜分别置于一维导轨上。全反镜M1对1342 nm高反，而对1079 nm透过率大于95%。输出耦合镜镀对1342 nm激光半反射膜。

激光棒采用捷克CRYTUR公司的Nd∶YAP晶体棒，在掺杂浓度的选择上，因为掺杂浓度高，吸收效率高，反转粒子数就高，激光器的效率也高，但浓度太髙时，会出现激光猝灭现象，激光器的效率反而降低［7］。综合考虑，选用掺杂浓度为0.9at%的Nd∶YAP晶体棒，b向切割，5×100 nm。为了抑制1079 nm波长光在晶体内的自激振荡而获得1342 nm的波长，对Nd∶YAP晶体的两端面镀有对波长1342 nm和1079 nm激光增透膜，通过腔镜镀膜形成1342 nm振荡输出。

图1 平行平面腔LD侧泵激光器结构示意图

泵浦源采用自行设计的均布五阵列LD泵浦源——包括泵浦头、控制电源和水冷机三部分。泵浦头是由五个半导体阵列条按72°均匀分布，直接耦合，不经光学聚焦系统，直接经玻璃套管冷却水传输到Nd∶YAP晶体内，构成泵浦耦合系统，每组LD阵列的有效长度为100 mm，功率200 W，所以泵浦源的最高总功率为1000 W，如图2所示。

图2 五阵列LD模块及其横截面示意图

激光介质吸收泵浦光，一部分转化为振荡激光，另一部分变成热能沉积在晶体内部，形成激光晶体的热效应。激光晶体的热效应主要包括热透镜效应、热致双折射效应和热致退偏效应，它们是影响全固态激光器输出功率和光束质量的重要因素之一。实验测量激光晶体的热效应结果如图3所示，由实验结果可以看到，当泵浦功率由330 W(17 A)增加到650 W(33 A)时，热焦距由240 mm缩短到90 mm，变化迅速。因此在激光器设计时要充分考虑到激光晶体的热效应。

图3 Nd∶YAP晶体的热焦距与泵浦电流的关系

3 实验结果

根据激光理论，激光的输出功率对特定的透过率存在最大值。实验中分别采用不同透过率(T=4%，T=10%)的输出镜，腔长为196 mm(L1=L2=40 mm)对称型，得到输出功率与透过率之间的关系图，如图4所示。由图4中可以看到，采用了T=4%的输出镜，更容易得到比较高的输出功率，阈值降低。

图4 不同输出镜透过率情况下，激光输出功率与泵浦电流的关系

当采用透过率为4%的输出镜时，得到激光最高输出功率达到132.2 W，对应泵浦功率为700 W，光光转换效率为19%，斜效率为29%。

由图4中可看出，对于透过率为4%的输出镜，激光功率随着泵浦电流上升，先是逐渐上升，到27～29 A附近有一个功率波动区域，然后再继续上升，在凹陷区域的泵浦电流下，激光器表现的很不稳定，随着泵浦电流增加，功率增幅很小，甚至小幅下降，功率上下起伏，同时，光斑也表现出时隐时现的不规则形状。为此，我们采用光谱仪对激光光谱进行监测，发现在此区域内出现了模式竞争。如图5所示。

图5 激光器腔模竞争情况

图6中给出了输出镜透过率均为4%，腔长分别为196 mm(L1=L2=40 mm)、206 mm(L1=L2=45 mm)、216mm(L1=L2=50 mm)情况下，激光功率与泵浦电流之间的关系，由于激光晶体的热效应影响，腔长较长时，泵浦功率高时输出功率反而有所下降。

采用NOVA II功率计，对功率输出的稳定性进行监测，图7为泵浦电流为I=34.3A时，监测波长1342 nm激光功率1h内的抖动情况。期间最大功率125.1 W最小功率123.4 W平均功率124.2 W，1小时内的功率抖动最大小于0.73%。

图6 不同腔长下，激光功率与泵浦电流的关系

采用YOKOGAWA公司的AQ6370C(600～1700 nm)光纤光谱仪对输出激光的光谱特性进行了测量，中心波长为1342 nm，全谱宽为20 GHz左右，半高宽在10 GHz左右。

图7 1342 nm激光功率稳定性1 h监测

4 结论

本文采用LD五阵列侧面泵浦Nd∶YAP平平腔的谐振腔结构，实验研究了连续1342 nm红外激光器。在平均抽运功率为700 W时，获得了132.2 W的红外连续输出光，光光转换效率为19%，斜效率为29%，1 h功率抖动优于0.73%。测量了输出激光的光谱特性——峰值波长和线宽，输出激光半高宽10 GHz。

［1］ Zhu Haiyong，Zhang Ge．High-power CW diode-sidepumped Nd ∶YAP laser at 1341.4 nm［J］．High Power Laser and Particle Beams，2006，18(9):1413 －1416．(in Chinese)朱海永，张戈．高功率连续侧面泵浦1341.4 nm Nd∶YAP激光器［J］．强激光与粒子束，2006，18(9):1413－1416．

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