高功率1 342nm全固态激光器的设计及实现＊

王垚廷，张瑞红

（西安工业大学 理学院，西安710021）

全固态激光器是指用激光二极管代替闪光灯泵浦固体激光增益介质的激光器，也称激光二极管泵浦的固体激光器，具有转换效率高、器件结构紧凑、体积小、寿命长、可靠性高、结构牢固、光束质量好、峰值功率高、工作介质覆盖的波段广及运转方式多样等优点，成为当前激光技术发展的主要方向，也进一步推动了众多激光应用技术的发展．随着泵浦功率的提高，相对严重的热效应仍然是限制激光转换效率进一步提高的关键因素．热效应包括热透镜效应［1］、热退偏［1］、热致衍射损耗效应［2］及热损伤［3］．热透镜效应可以通过谐振腔的设计得到补偿，不会给激光器带来较大影响；对于双折射激光介质，例如钒酸（VO4）类化合物，热退偏效应可以忽略，但热致衍射损耗和热损伤目前还没有较有效的方法补偿和消除．文献［1］研究表明复合激光介质可以一定程度上减小热效应，尤其是在大功率激光器中，已成为常用的增益介质．复合激光介质是指通过扩散键合的方式，将不掺杂的激光介质基质和掺杂部分永久性结合在一起，其优点在于，不掺杂部分并不吸收泵浦光，不会产生热量，但可以为掺杂部分提供更多的散热空间，降低激光介质温度；同时可以防止热值端面弯曲，一定程度上减小热透镜效应和热损伤效应．

二极管端面泵浦的1 342nm波段的全固态红外激光器在光谱学、医疗、光纤光学、光纤通信和激光加工等方面有着重要的应用．另外，通过倍频1 342nm波段的红外激光而得到的671nm波段的红光激光器在激光彩色显示、激光医学以及在用作Cr：LiSAT激光器泵浦源等方面也有所应用．近些年来，Nd∶GdVO4作为一种相对新型的激光晶体，已经展现出其在物理性能、光学性能和机械性能方面优势［4-5］，如吸收效率高、受激辐射截面大和热导率高等．在高功率激光二极管泵浦固体激光器方面，Nd∶GdVO4激光晶体的优势很有可能超过目前常用的激光晶体Nd：YAG和Nd：YVO4．因此，Nd∶GdVO4激光晶体对于产生1 342nm波段的高功率激光值得研究．

前期研究工作中，得到了输出功率为6W的1 342nm Nd∶GdVO4红外激光器，但随着泵浦功率的增加，输出功率出现饱和现象，其原因在于严重的热效应．基于此，本文选用了单端复合的Nd∶GdVO4晶体为激光介质实现1 342nm波段的高功率激光器，通过减小热效应提高激光器输出功率．

1 理论推导及实验装置

已知热致衍射损耗dd和热损伤极限泵浦功率［2-3］Pabslim可以表示为

式中：rb为激光介质半径；w0为介质中振荡激光光斑半径；Kc为激光介质热导率；aT为热膨胀系数；E为杨氏模量；σmax为损伤极限应力；α为激光介质相对于泵浦波长的吸收系数；ηabs为介质对泵浦光的吸收效率；ξ为泵浦能量转化为热量的百分比；ωp（z）为介质中泵浦光的光斑半径；Δφ（r）为热效应导致的波前畸变而产生的相对于参考球面的相位差［6］，并表示为

式中：Pp为泵浦功率；dn／dT为热光系数；wpa为激光介质中泵浦光平均光斑半径；E1为指数积分函数；g为指数积分函数中的常数．相位差Δφ（r）取决于激光介质的温度分布，且温度分布函数ΔT（r，z）［7］表示为

式中：T（r，z）为激光介质中任意位置（r，z）处的温度；T（rb）为介质的边界温度．

设计的1 342nm Nd∶GdVO4激光器的实验装置如图1所示，实验中设计了简单的平凹谐振腔．泵浦源为中心波长为808nm的光纤耦合激光二极管，光纤数值孔径为0．12、芯径为300mm．经光纤耦合输出的泵浦光经1∶1的光学传输系统聚焦到激光介质内．激光介质为复合的Nd∶GdVO4晶体，其中不掺杂部分长度为3mm，掺杂部分长度为8mm，且掺杂浓度0．2%．Nd∶GdVO4两端面都镀1 342nm 减反膜（R1342nm＜ 0．2%）和808 nm高透膜（T808nm＞95%），同时要求1 064nm波段透射率T1064nm＞90%，以抑制该波段的寄生振荡．整个Nd∶GdVO4晶体被热导率极高的铟铂包裹并置于紫铜制作的晶体炉中，整个晶体炉被精密控温，控温精度达0．1℃，实验中Nd∶GdVO4晶体温度被控制在20℃．谐振腔由平面镜M1和平凹镜 M2组成，M1镀1 342nm 高反膜 （R1342nm＞99．8%）和808nm 高透膜（T808nm＞ 95%）；M2为输出耦合透射镜，在1 342nm波段透射率为5%，另外，M1和 M2在1 064nm波段透射率均大于60%，从而抑制1 064nm波段激光的起振．

图1 实验装置示意图Fig．1 The schematic diagram of the experimental devices

2 实验结果及分析

图2为根据式（3）数值计算的泵浦功率20W时，激光介质泵浦端面中心相对于边界的温度差ΔT（0，0）和激光介质半径rb的关系图，其中用到泵浦光斑平均半径为350μm．

图2 温差ΔT（0，0）和激光介质半径rb关系图Fig．2 The dependence of temperature differenceΔT（0，0）on the laser medium radius rb

从计算结果可以看出激光介质的中心温度远高于边界温度，但随着介质半径的减小，温度差也减小，其意义在于实际中可以通过减小激光介质半径来有效地降低介质温度．从图2可以看出，半径值减小0．2mm，中心温度就可以降低20℃，但通过控温系统直接降低20℃较困难．文献［8-9］研究表明，介质的热膨胀系数αT和热光系数dn／dT都正比于温度，但热导率Kc反比于温度．根据式（1），热膨胀系数αT、热光系数dn／dT及热导率Kc的变化会影响热致衍射损耗dd和热损伤极限泵浦功率Pabslim．因此，综合考虑上述各因素，利用式（1）数值计算了热致衍射损耗dd和热损伤极限泵浦功率Pabslim与激光介质半径rb的关系，结果分别如图3～4所示．由图3～4可以看出，随着激光介质半径的减小，热致衍射损耗也会降低，但同时热损伤极限泵浦功率会增加，这均有利于激光输出功率的提高．即使热致衍射损耗效应和热损伤效应难以根除，但可以通过减小激光介质半径的方法适当减弱此类热效应，因此实验中选用Nd∶GdVO4的横向尺寸为2．5mm×2．5mm，较常用的横向尺寸减小了0．5mm．

图3 热致衍射损耗δd和激光介质半径rb关系图Fig．3 The dependence of thermally induced diffraction lossesδdon the laser medium radius rb

实验测量的1 342nm激光输出功率Pout和泵浦功率Pp关系，如图5所示（虚线），阈值为1W，输出功率为9．4W，对应泵浦功率为29W，但随着泵浦功率的继续增加，输出功率出现了饱和现象，因此该泵浦功率值可以近似认为热损伤极限泵浦功率Pabslim．将复合的 Nd∶GdVO4激光晶体更换成传统的激光介质，尺寸为3mm×3mm×8mm，即传统的Nd∶GdVO4激光介质并不包括不掺杂部分．实验测量的该激光介质对应的输出功率，如图5所示（实线），可以看出阈值为2．4W，最大输出功率为6W，对应泵浦功率为20．5W，随着泵浦功率的增加，输出功率也出现了饱和，则该泵浦功率值可以近似认为更换的激光介质对应的热损伤极限泵浦功率．两种不同的激光介质对应的实验结果相比较，可以看出复合激光介质的阈值明显低于传统激光介质，这就证明了复合激光介质热效应确实低于传统激光介质．另外，复合激光介质对应的最大输出功率和热损伤极限泵浦功率也明显高于传统的激光介质，这也证明了文中相关理论分析的合理性．

图5 1 342nm激光输出功率Pout和泵浦功率Pp关系图Fig．5 The output power Poutat 1 342nm versus pump power Pp

3 结 论

1）理论计算证明减小激光介质横向尺寸可以减小热致衍射损耗并提高热损伤极限泵浦功率，因此实验中选择横向尺寸为2．5mm×2．5mm的复合式Nd∶GdVO4晶体为激光介质，实验证明该激光介质性能优于传统的激光介质．

2）实验上观察到大功率泵浦条件下，优化的激光介质仍然出现了输出功率饱和的现象，同时激光介质温度急剧升高，因此激光介质参数及控温系统需要进一步优化．

［1］ 克希耐尔．固体激光工程［M］．孙文，江泽文，程国祥，译．北京：科学出版社，2002．KOECHNER W．Solid-State Laser Engineering［M］．SUN Wen，JIANG Ze-wen，CHENG Guo-xiang，Transl．Beijing：Science Press，2002．（in Chinese）

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