基于线偏振方向旋转结构的双程1064nm-MOPA激光器的研究

孙笠馨，王超

（长春理工大学 理学院，长春 130022）

基于线偏振方向旋转结构的双程1064nm-MOPA激光器的研究

孙笠馨，王超

（长春理工大学 理学院，长春 130022）

针对低功率1064nm激光放大过程中提取效率较低的问题，提出了共轴Nd：YVO4放大方式。通过线偏振光方向旋转方法，完成以Nd：YVO4晶体作为增益介质的共轴双程放大结构。该结构实现了Nd：YVO4晶体的共轴双程放大，而不是离轴放大方式，这可以使放大过程中不需要考虑偏振对放大效率的影响。在100kHz的声光调制下，获得平均功率36.9W的输出，对应放大级转化效率44.5%。通过实验证实，低功率1064nm激光在该结构中有效地提取了放大级能量。

线偏振旋转；热透镜；双程放大器

1.06μm固体激光已广泛应用于工业加工、测距定位和频率转化等领域。对于固体激光而言，热效应是限制激光功率增大与光束质量优化的主要因素［1］。而主振荡功率放大（MOPA）技术在增大激光功率的同时也可控制光束质量［2-3］。因此，大功率固体激光器多由MOPA技术完成。2009年，刘强等人［4］报道了单程四级MOPA激光器，40W的信号光以300μm的光束半径获得了183W的功率放大输出，转换效率达53.3%。在此实验中，信号光功率足够高，可以在单程放大中实现饱和输出，但这对于很多光源是达不到的，多数能量会被浪费。2014年，刘崇等人［5］报道了光纤和固体混合放大。通过光纤的预放大，可以有效地将低功率信号进行放大，但在1MHz的脉冲频率下，光纤存在着很多问题［6］。

在光束质量的控制上，2011年，项震等人［7］报道了MOPA结构中的增益导引效应，并在文中说明增益与热效应是主导放大过程的两个主要因素，合理调节光束耦合比，可有效提升或改善光束的质量。2014年，叶志斌［8］等人报道了通过补偿球差以提高光束质量的方法。

在本文工作中［9］，使用旋光片与法拉第旋光器完成线偏振光旋转，实现Nd：YVO4晶体的共轴双程放大。通过高斯光束的球差补偿和热透镜的聚焦作用完成级间耦合［10］与热补偿，改善光束畸变程度。在以上工作下，实现功率放大的高效能量提取。在100kHz的声光调制下，获得平均功率36.9W的输出，对应放大级光转化效率44.5%，光束质量优于1.4。

1 实验装置

主振荡功率放大器由信号光源和功率放大器组成。其中，信号光源部分如图1所示，采用凸平腔结构，可以有效改善热畸变带来的光束畸变。曲率200mm的平凸镜M1镀有高反（High Reflection，HR）1064nm膜系。双色45°平平镜M2一面镀有抗反射（Anti-Reflection，AR）1064nm膜系，一面镀有HR808nm膜系。M3是透过率48%的1064nm输出镜。腔内插入熔融石英作为声场载体，物理长度为28mm。腔体光学长度为160mm。

图1 信号光源装置示意图

图2 功率放大装置示意图

功率放大器由偏振旋转器件和功率放大器件组成，如图2所示。镜片M4是水平偏振片。镜片M5和M6与镜片M2为同一参数。镜片M7的选择与激光状态有关。基于光斑的测量结果与减小调节误差的考虑，在二级放大后，在激光的束腰位置放置了HR1064nm平面全反镜。器件R1是45°左旋旋光片，器件R2是45°右旋法拉第旋光器。实际上，器件R2可单独实现线偏振光的旋转过程，但线偏振光以45°夹角经过M4和M5时有着严重的功率损失，因此添加器件R1调节1064nm激光的偏振方向，减小功率损失。

所有晶体均为a-cut 0.3at.%的块状Nd：YVO4（3mm×3mm×10mm），端面各键合2mm YVO4并镀有808nm&1064nm抗反射膜系。晶体四周包裹着0.05mm厚的铟薄，并被放入铜热沉中，热沉中的循环水温度为15℃。30W808nm抽运光源经过整形系统后，在晶体内部1.5mm～2mm位置聚焦为直径600μm（信号光源）和800μm（功率放大器）的光斑。

2 实验结果及讨论

在30W 808nmLD的抽运下，信号光源获得了12.5W连续输出，在脉冲重复频率为100kHz时，由于衍射损失，得到了平均功率12W的脉冲输出，脉冲宽度25.5ns，脉冲输出随功率的变化如图3所示。因为使用非稳腔结构，功率输出和注入功率所产生的热焦距有关。腔内热焦距逐渐接近最低值的过程中，功率输出会有一段剧烈增加的过程，随后减缓。使用Spiricon M2-200，测得光束质量优于1.2。

图3 脉冲信号光输出性能

图4 放大级级间耦合示意图

功率放大器的级间耦合是通过晶体的热透镜效应实现的。当抽运光功率较高时，晶体内部的折射率受热改变，由此晶体相当于一个带有负球差的透镜。当高斯光束经过一级晶体放大后，光束汇聚后发散，此时高斯光束中的相位畸变项变正，在经过二级放大后，正负球差抵消，光束畸变被矫正。而这一过程由光斑耦合比值控制，即信号光与抽运光的光斑半径比值决定了光束的能量提取与热畸变程度。仿真实验用晶体的热焦距为98mm，在比值为0.95的状态下，级间耦合如图4所示。在实验中，为获得最大的光转化效率，将比值调整为1。

12.5W连续信号光注入功率放大器后，信号光被放大至37.8W，对应放大级56W的吸收功率，光转化效率为45.2%。在平均功率12W的脉冲信号注入下，获得了平均功率36.9W的输出，脉冲宽度25.1ns。光束质量测得结果如图5所示。在参考文献［11］中，50W的信号光在136W注入能量下，通过离轴双程结构获得了108W的输出。在本实验中，以更小的能量密度信号和抽运功率，在共轴双程结构中获得了优异的光转化效率。这里，考虑到能量的提取和放大时的光束质量变化过程［12］，采用的信号光斑半径大小为400μm。

图5 输出功率和光转化效率随信号光功率变化图

为了进一步证实该结构在低功率下的高效放大能力，测试了四个信号光功率在同一放大条件下的增益与光转化效率。在M4的前面放置一个半波片，通过半波片的旋转获得同一光斑大小、不同功率的信号光。实验结果如图所示，四个测试点的光转换效率分别为33.8%、40.4%、43.2%和44.5%，分别对应1.9W、3.8W、5.7W和12W的平均输出功率。可以看到，3.8W的注入功率和12W的注入功率仅有着4.1%的光转化效率差异，而5.7W的注入功率更是接近最高注入功率的转化效率。除此之外，还使用1.9W的注入功率分别进行了单程放大与双程放大的对比，在单程放大中，获得了9.5W的功率输出，在双程放大中，获得了20.8W的功率输出。通过以上实验，证实该放大结构有着高效的能量提取效率。

3 结论

通过偏振旋转技术，实现了共轴Nd：YVO4晶体的双程放大结构。在此基础上，考虑热透镜进行级间耦合与球差的自补偿。通过实验和参考文献的对比，证实了该结构在较低注入能量密度和抽运功率下依然有着高效的光转化效率。12W的脉冲信号注入下，获得了平均功率36.9W的输出，光束质量优于1.4。通过改变注入能量密度，证实了该结构在低功率信号注入下有着高效光光转换效率。3.8W的信号光和12W的信号光在双程放大激光器中仅有4.1%的光光转换效率差值。

［1]甘啟俊，姜本学，张攀德，等.高平均功率固体激光器及发展趋势［J］.激光与光电子学进展，2017，54（01）：010003.

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The Study of Double-pass 1064nm-MOPA Laser Based on
Linear Polarization Orientation Rotation Configuration

SUN Lixin，WANG Chao
（School of Science，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

According to the problem of low extraction efficiency in the amplified process of 1064nm laser，coaxial amplification way is presented with Nd：YVO4crystal.By using orientation rotation of linear polarization way，double-pass configuration is achieved with the gain medium of Nd：YVO4crystal.Coaxial double-pass amplification of Nd：YVO4crystal is realized，instead of off-axis way，which no more consideration of polarization state affecting extraction efficiency is needed in the process of ampli⁃fication.At the frequency repetition of 100kHz，average output power of 36.9W is obtained in the acousto-optic regime，corre⁃sponding to the optical conversion efficiency of 44.5%.In prove of experiment，energy of amplified stage of this configuration is ef⁃fectively extracted.

linear polarization rotation；thermal lens；double-pass amplifier

TN24，O043

A

1672-9870（2017）02-0014-03

2016-11-30

孙笠馨（1991-），男，硕士研究生，E-mail：773817333@qq.com

王超（1980-），男，博士，助理研究员，E-mail：wangchaoopt@163.com