热透镜效应补偿的高功率Nd∶YAG激光器的优化设计

吴　羽, 龙晓莉, 焦中兴, 何广源, 张　倩

(1.广州大学 实验中心, 广州 510006； 2.中山大学 理工学院 光电材料与技术国家重点实验室, 广州 510275)

文章编号：1001-3806(2015)03-0377-04

热透镜效应补偿的高功率Nd∶YAG激光器的优化设计

吴羽1, 龙晓莉1, 焦中兴2, 何广源2, 张倩1

(1.广州大学 实验中心, 广州 510006； 2.中山大学 理工学院 光电材料与技术国家重点实验室, 广州 510275)

摘要：为了获得高功率、高光束质量的1064nm激光，采用凹透镜作为补偿透镜来补偿激光棒的热透镜效应。对补偿透镜的选取进行理论分析，并使用所设计的包含补偿透镜的平平谐振腔Nd∶YAG激光器进行了实验验证。在实验中，使用焦距为250mm的凹透镜、透过率为30%的输出耦合镜，获得了55W的高功率、高光束质量的1064nm激光输出。结果表明，此项研究对高功率、高光束质量激光器谐振腔的设计是有帮助的。

关键词：激光器;Nd∶YAG激光器;热透镜效应;光束质量;谐振腔

中图分类号：TN248.1

文献标志码：A

doi:10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.03.021

Optimal design of high power Nd∶YAG laser based on

compensation of thermal lens effect

WUYu1,LONGXiaoli1,JIAOZhongxing2,HEGuangyuan2,ZHANGQian1

(1.Laboratory Center, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China; 2. State Key Laboratory of Optoelectronic Materials and Technologies, School of Physics and Engineering, SUN Yat-sen University, Guangzhou 510275, China)

Abstract：In order to obtain 1064nm laser with high power and high beam quality, a laser resonator was designed to solve thermal lens effect with a concave lens as compensation lens. The selection of the compensation lens was analyzed. A Nd∶YAG laser with a compensation lens and a plano-plano cavity was verified in the experiment. High beam quality 55W 1064nm laser was obtained when the focal length of the concave lens was 250mm and the transmittance of the output mirror was 30%. This research is helpful to the design of laser resonators with high power and beam quality.

Key words:lasers； Nd∶YAG laser； thermal lens effect； beam quality； resonator

E-mail:wuyu8320@163.com

引言

二极管抽运Nd∶YAG激光器由于具有高功率、高效率、成本低廉、寿命长等优点，已经被广泛应用于工业生产、科学研究、医疗诊断、环境监测等领域。随着激光应用的发展，人们对固体激光器的输出功率、光束质量、稳定性等方面的要求逐渐提高。热透镜效应作为影响固体激光器性能的关键因素之一，在谐振腔设计中已经得到广泛关注[1-6]。为了获得高功率、高光束质量的激光输出，必须采取一定的措施对激光棒的热透镜效应进行补偿。作者以1064nm Nd∶YAG激光器为研究对象，采用He-Ne激光探测法测量了热透镜焦距，并根据测量到的参量，对Nd∶YAG激光器进行了谐振腔的优化设计，选择合适的补偿透镜对激光棒的热透镜效应进行了补偿。理论分析了激光棒主截面处光腰半径分布曲线以及失调灵敏度曲线图，并做了相应的实验研究。实验表明，在激光器谐振腔内加入凹透镜补偿YAG激光棒的热透镜效应，并通过合理选择凹透镜及腔结构，可获得55W激光输出，光束质量M2≈4.0。

1Nd∶YAG激光器的优化设计

1.1　激光器谐振腔结构

要想获得高功率、高光束质量的1064nm激光，首先必须解决影响固体激光谐振腔输出的最主要因素，即固体激光工作物质中存在的热透镜效应。传统的固体激光器在高功率工作时，由于热透镜效应，输出的激光光束质量变差并且功率下降，为此，可以采用在谐振腔内加入负透镜的方法来补偿热透镜效应。

MAGNI提出的动态稳定腔概念为设计和优化谐振腔提供了理论基础[7-9]。所谓的动态稳定腔满足以下条件：(1)有较大的基模体积，充满增益介质；(2)基模体积大小对热透镜焦距的变化不敏感；(3)腔镜有最低的失调灵敏度。作者尝试只在简单腔内加入一个凹透镜，补偿YAG激光棒的热透镜效应，并通过优化谐振腔的结构，拟用最简单的结构实现有一定动态稳定性的谐振腔。

本文中讨论两种结构:简单平平腔结构和加入凹透镜补偿热透镜效应的平平腔结构。

1.2　凹透镜的补偿作用

首先，只考虑YAG激光棒的热透镜效应，把YAG激光棒理想化为一个厚透镜做计算。采用图1所示的谐振腔结构，考虑有补偿凹透镜和没有补偿凹透镜两种情况。根据ABCD光线变换矩阵理论，计算中得到YAG激光棒主截面处的光腰半径wYAG随热透镜的光焦度D(热透镜焦距的倒数)变化的关系曲线(见图2)。计算中使用的参量如下：总腔长为286mm，YAG激光棒长度为120mm，凹透镜焦距为250mm，YAG棒端面到凹透镜的距离为25mm。

Fig.1　Schematic of Nd∶YAG laser cavity

Fig.2　Optical power vs. beam waist radius at the main section of YAG laser rod

由图2可以看到，激光器有两个稳区，其中左边瓣对应于第二稳区，右边瓣对应于第一稳区。腔内加入补偿透镜后，激光器的两个稳区发生了右移，这样有利于让激光器工作在高的抽运电流下，以得到高功率的激光输出。因为在高抽运电流下，激光二极管(laser diode,LD)的抽运功率越大，热透镜的光焦度也越大。由图2也可知，加入补偿凹透镜后，稳区宽度变窄，相应地最小光腰半径增大。一般地，稳区宽度ΔD与最小光腰半径wmin满足以下关系:

若希望激光器有较大的基模体积，则要求wYAG较大。从图2中也看到，在稳区的边缘附近， wYAG会趋于无穷大，然而在此状态下的激光器十分不稳定，输出功率波动严重，无法正常应用。激光器的最佳工作点在wYAG为最小值wmin的位置。一般希望wmin有较大的值，以便让基模充满增益介质。在腔内加入补偿凹透镜后，wmin有所增大，更有利于激光器基模运转，但是，同时引起的稳区的变窄也必须予以考虑。

光束质量因子可以近似为[10]:

式中，d为激光棒直径，wt为激光棒内基模高斯光束的半径。

分别将两种腔型的wmin代入上面公式中的wt，激光棒有效增益直径d取为2mm，计算得到无补偿透镜时，M2=11.2;有补偿透镜时，M2=8.0。可见，加入补偿凹透镜后，光束质量有了明显的提高。

1.3　凹透镜的选择

本实验室使用的抽运模块抽运电流范围为0A~25A，抽运模块LD阈值电流为8A。使用的YAG激光棒长度为120mm，直径为4mm。采用He-Ne激光器探测法，测量了激光棒的热透镜焦距随抽运电流的变化关系，如图3所示。激光器工作在大电流情况下(12A~18A)，对应的热透镜焦距范围约从93cm~26cm。

Fig.3　Relationship of thermal focus and pump current

结合谐振腔参量，并考虑图3中激光棒的热透镜焦距随抽运电流变化关系，可以计算出激光器的稳区分布(见图4左侧纵坐标)，并根据动态稳定腔设计理论得出谐振腔的失调灵敏度曲线(见图4右侧纵坐标)。从图4的左侧纵坐标对应曲线看到，激光器有两个稳区，低抽运电流处对应第二稳区，高抽运电流处对应第一稳区。实验条件限制抽运电流只能在0A~25A调节，因此激光器只能工作于第二稳区。从图4的右侧纵坐标对应曲线可知，在第二稳区左边缘处(低电流位置)失调灵敏度非常大，说明激光器刚进入稳区时会非常不稳定，不能有效地正常工作。然而，随着抽运电流的增加，失调灵敏度迅速降低，在第二稳区的中部和右部，失调灵敏度已经与第一稳区的值相近，说明此时激光器能够很好地正常工作。

Fig.4　Stable zone and misalignment sensitivity vs. pump current

2实验研究与分析

实验中激光器结构如图1所示。其中Nd∶YAG抽运模块的抽运源由5组最大功率为120W的808nm的LD组成，在抽运电流为25A时，模块具有最大抽运功率为500W。激光器的增益介质是直径为4mm，长度为120mm的Nd∶YAG激光棒，其Nd掺杂体积分数为0.009。激光棒两端面为平面，并镀有1064nm增透膜。Q开光使用双头声光Q开关，具有两输入端，能同时在x和y方向产生衍射。它比单头的声光Q开关具有更高的衍射损耗，能够关断更高功率的激光。Q开关的重复频率范围从1Hz～100kHz。图1中，M2为1064nm高反镜，M1为1064nm输出镜，M1的透过率为5%到30%不等;凹透镜的焦距为250mm，两面镀有1064nm增透膜。

首先，对比了在相同腔长下，谐振腔内没有凹透镜和含有凹透镜时候，激光输出功率的差异。两者谐振腔的长度均约为290mm，M1均为输出耦合器(output coupler,OC)。两者的1064nm激光输出功率曲线见图5。无凹透镜时，激光器的抽运电流阈值约11.7A，而加入凹透镜后，抽运电流阈值约16.8A，后者比前者高了许多。其主要原因是加入凹透镜后，激光器的稳定区往高抽运电流方向发生了偏移。虽然加入凹透镜后，抽运电流阈值提高了，但激光器的斜效率提高了许多。在高抽运电流状态下，有凹透镜的谐振腔比无凹透镜的谐振腔的激光输出功率要高。

Fig.5　Output power vs. pump current in different conditions

实验中，分别采用透过率为5%,10%,20%和30%的M1，结果发现30%的M1的效果最好，获得的1064nm激光输出功率最大(见图5)。这是由于高透过率的输出耦合镜有利于把腔内的激光能量提取出来，从而得到更高的输出功率，但是并不是透过率越大越有利于输出功率的提高。根据理论分析，输出镜的透射率为30%到40%比较合适。由于只改变了输出耦合镜的透过率，其位置没有改变，所以两者的阈值电流也是基本一致的。

接着，缩短了凹透镜一臂的长度，从200mm缩短到100mm，凹透镜的位置不变。得到的结果是，输出功率有所提升，原因是短腔具有更大的菲涅耳数，衍射损耗更低。此腔结构与图4中数值计算的腔型一致。可以看到，图4中数值计算得到的阈值电流(稳区的左边缘)为16.3A，而图5中对应的实验值为16.4A，两者基本吻合。用电荷耦合器件(charge coupled device,CCD)记录了不同抽运电流下，激光的输出光斑的图样，见图6。从图中能看到激光器从多模到单模的变化情况，对应着前面描述的激光器从非稳态到稳态的变化。抽运电流刚超过阈值时，输出功率十分不稳定；电流达17.5A时，功率波动超过10%，此时输出光斑形状不规则，旁瓣较强，中心较弱，处于多模状态；电流从18A提高到19.5A，光斑中心强度逐渐增强，旁瓣强度逐渐减弱，此过程对应激光器从稳区边缘高失调灵敏度到稳区中央低失调灵敏度的过渡(见图4)；抽运电流大于20A后，旁瓣消失，光斑强度集中在中心处，光斑呈圆形；从图6中的大图可以看到,抽运电流为21A时，光斑的水平和垂直方向的截面形状均接近高斯分布。使用透过率为30%的输出耦合镜，重复频率为8kHz，在抽运电流为20A时，得到55W的激光输出。使用刀口法测量得到光束质量M2≈4.0。

Fig.6　Laser spots changing with the pump current

3结论

对1064nm Nd∶YAG激光器的热透镜效应补偿进行了理论和实验的研究。通过在谐振腔内加入补偿凹透镜，并对谐振腔结构进行优化设计。利用所设计的谐振腔结构，通过实验优化，获得了55W的1064nm激光输出，在保证输出高功率的前提下，提高了激光光束质量，达到国内先进水平,具有实际意义。

参考文献

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收稿日期：2014-04-02；收到修改稿日期：2014-07-17

作者简介：吴羽(1982-)，女，硕士，主要从事光电技术方面的研究。

基金项目：广州市教育科学十二五规划2014年度资助项目(1201431248)