基于LD双端面泵浦的Nd∶YAG高效率倍频激光器

范嗣强, 李麒麟，路永乐

(1.重庆师范大学 市级高校光电材料与工程重点实验室，重庆 401331；2.重庆市第一中学，重庆 400030； 3.重庆邮电大学 光电学院，重庆 400065)

1 引 言

全固态绿光(532nm)激光具有波长短、易聚焦、能量集中、分辨率高等优点，在精密材料加工、医疗、光谱分析和科学研究等领域有广泛的应用[1]，更为广泛的应用是将其混频或者再倍频产生深紫外激光[2-4]。绿光的输出是通过激光二极管(LD)泵浦Nd∶YAG、Nd∶YVO4产生1064nm的基频光，再与KTP、LBO等非线性晶体进行倍频输出，其特征是光学结构复杂、元器件多、输出功率低、转换效率低下。如何优化激光器结构以获得出光质量好、出光功率高、转换效率高的激光一直是全固态绿光激光领域的研究热点[5-7]。其转换效率也包含了基频光(1064nm)的转换效率，同时基频光的脉冲峰值功率和光束质量也严重影响和制约倍频光的输出效率，因此优化结构包括对基频光的优化。中小功率用于倍频的基频光通常采用LD端面泵浦Nd∶YVO4的结构，其主要缺点是单端泵浦使晶体内的热量分布不均匀、热效应高、严重影响输出光束质量和效率，同时YVO4不适合注入功率高的情况。近年来，在超快激光、特殊波长激光的研究过程中，为获得更加优良的基频光源，开始探索激光二极管端面泵浦Nd∶YAG的激光器结构方式，相关研究人员对该方式的晶体热效应[8-11]、被动调Q技术[8,12]、晶体键合技术[13]、微片激光器[12]、腔体结构技术[14]等领域进行了大量的研究。

本文从绿光激光器的基频产生方式上提出了LD双端面泵浦Nd∶YAG的结构方式，优化散热模式、减小晶体热效应，同时在倍频结构中采用1/4波片与偏振片组合以提高倍频效率。实验结果证明其转换效率高，在小型化、便携式、低能耗倍频激光器领域有极好的产业化前景。

2 激光二极管双端面泵浦Nd∶YAG倍频激光器实验结构与分析

激光二极管双端面泵浦Nd∶YAG/Cr4+∶YAG被动调Q、腔内倍频激光器实验结构装置如图1所示。两台光纤输出半导体激光器经过耦合透镜分别从YAG晶体的两个端面入射，采用U形折叠腔，腔长为500mm。其中M1为1064nm全反镜；M2和M3为1064nm高反、808nm高透镜，与泵浦光轴成45°角放置，形成U形结构；激光晶体Nd∶YAG的尺寸为3mm×3mm×10mm，掺杂浓度1%；M4为1064nm1/4波片；M5为偏振片；被动调Q晶体Cr4+∶YAG的透过率T=75%；M6为532nm激光输出镜，靠近LBO晶体面镀1064nm高透、532nm高反膜，另一面镀1064nm高透膜，与LBO光轴成45°角放置，所有镜片尺寸为Ф20mm×3mm。LBO倍频晶体尺寸为3mm×3mm×20mm,采用电子温控器精确控制晶体温度。

图1LD双端面泵浦Nd∶YAG被动调Q腔内倍频激光器示意图
Fig.1Schematic of LD double end pumped Nd∶YAG passivelyQ-switched intracavity frequency doubling laser

2.1 双端面泵浦ND∶YAG及热效应分析

对于中小型的DPSSL而言，采用双端面激光二极管泵浦方式可以使泵浦光在谐振腔内形成的增益区与激光腔模体积空间交叠增大，从而实现降低阈值功率、提高斜效率的目的。更进一步，相比于单端泵浦，其热源区温度梯度更为平缓、中心温度更低、热效应更低、输出光束质量更好。在双端面泵浦光的照射下，一部分能量被激光晶体吸收，一部分变为废热，影响激光器的正常工作，因而对晶体棒进行冷却散热十分必要。常用的方法是水冷或者传导冷却，使其侧表面保持在恒定的温度点。实验中的泵浦源采用大族天成半导体公司的808nm半导体光纤输出激光器，型号为M808±3-30-D400/22-T6-P，如图2所示，中心波长808nm，光谱宽度3nm，最高输出功率38W，阈值电流1.54A，斜效率5.21W/A，电光转换效率41.6%。采用T封装模式，输出光纤芯径400μm、数值孔径0.22。半导体激光器泵浦光的光纤芯径为400μm，从尾纤出来具有一定的发散角，为了有效地将泵浦光注入到晶体中，采用两个焦距为60mm和30mm的平凸透镜组成一望远镜系统耦合透镜组，其放大比例为2∶1，使得泵浦光在晶体端面的焦斑直径为800μm，并在两个耦合透镜底座放置水平可调装置，在实验中调节耦合透镜与晶体端面的距离以便输出最大功率。

图2 光纤输出半导体激光器Fig.2 Semiconductor laser by fiber output

激光介质晶体采用中国电子科技集团11所研制的Nd∶YAG晶体介质，3mm×3mm×10mm的长方体结构，其掺杂浓度为1%，受激发射截面为2.8×10-19cm-2，热导率为14W/mK。传统的侧面YAG激光器由于光-光转换效率不高，晶体发热量大，其散热方式通常为水冷却直接冲刷晶体表面、带走热量，水冷的缺点是水温不稳定，影响激光功率输出的稳定性。端面泵浦由于其转换效率高，发热量小，一般采用传导冷却的方式，而双端面泵浦由于泵浦光在晶体内分布更为均匀，进一步提高了转换效率，同时为了确保冷却效果，本实验采用晶体表面传导冷却、热沉通水的方式进行散热。

根据Nd∶YAG激光晶体的形状，设计了用含铜4.5%的硬铝(编号6061)来制作散热热沉，其热导率为177W/mK。图3为晶体散热热沉结构示意图与实物图，热沉由底座和左上紧固块构成，晶体放置在中间通孔内，孔的尺寸与晶体尺寸相同。为了更好地散热，用铟膜包裹晶体的侧面，通过紧固螺丝1和紧固螺丝2提供压力使晶体侧面和热沉表面紧密结合并固定晶体。将热沉固定在通水基座上，该方式确保冷却的效果，同时使得冷却水的温度变化被热沉吸收，晶体内的温度分布均匀、热流量恒定、输出激光稳定。

被动调Q晶体Cr4+∶YAG的尺寸为5mm×5mm×2.2mm，在高功率被动调Q情况下其累积热效应不容忽视，与YAG晶体的散热方式相同，如图4所示。将Cr4+∶YAG晶体的后端面紧密粘贴到热沉上，前端面用一薄盖片通过紧固螺丝与热沉连在一起，形成一个传热模块，再将该模块与通水热沉相连，保证对晶体散热的能力与均匀性。由于激光介质YAG晶体的热透镜效应，照射到Cr4+∶YAG上的光斑将会被会聚，用红外镜观察发现其光斑约为0.4mm，因此在Cr4+∶YAG的前盖片和后热沉的中间开Φ1mm的小孔，以便激光光束通过。

图3 晶体热沉结构示意图Fig.3 Schematic of crystal heat sink

图4 Cr4+∶YAG晶体热沉结构示意图Fig.4 Schematic of Cr4+∶YAG crystal heat sink

对于激光二极管输出的激光光束的分布，较多文献将其视为平行平面光或者理想高斯光束，但对于光纤耦合输出泵浦光而言，激光二极管出射光束经过微透镜聚焦后进入光纤，从尾端射出，再经过耦合透镜进入激光晶体的端面，其光斑分布采用超高斯光束描述更为合理[11]。超高斯光束沿z轴进入晶体的两个端面(z=0，z=l)，其光束光强分布表达式为：

(1)

激光晶体Nd∶YAG产生热能的原因很多，主要来源是荧光量子效应[10]，此处只考虑其产生的热量，则晶体两边注入泵浦光在体内产生的热功率密度为左右两边注入光热量之和，左边泵浦光在晶体内产生的热源分布：

(2)

右边泵浦光在晶体内产生的热源分布：

(3)

式中，光量子效率η=1-808/1064=0.24，808nm为泵浦光，1064nm为输出激光。

图5 单端泵浦与双端泵浦棒内温度场分布Fig.5 Temperature field distribution of single end-pumping and double end-pumping

利用Matlab软件热分析微分方式对晶体进行温度场数值模拟分析，设定激光晶体的尺寸为3mm×3mm×10mm，对808nm的泵浦光吸收系数β=9.1cm-1，设定晶体侧面温度恒定为300K，两个通光端面绝热。注入相同总功率为40W时，得到单端注入晶体的端面中心最高温度为760K，而双端面注入时端面中心最高温度为530K，晶体内部温度分布如图5所示，可见通过双端泵浦的方式可使YAG晶体内部的发热量均匀，温度梯度更小，晶体热效应更低，输出光束质量就更好。

2.2 腔内倍频结构设计

通常Nd∶YAG晶体输出的基频光为自然偏振光，而倍频晶体LBO需要线偏振光，通常的做法是在腔内加上一个偏振片，但是加上偏振片后会使其输出基频光的功率减半、废热增加，同时使晶体内部的能量提取分布不均匀，加大晶体的热效应，使基频光产生严重的畸变，降低倍频效率。因此，在偏振片的前端加上1/4波片，根据波片的理论[15]，腔内的基频光将分成两个部分：以偏振片为界，穿过Nd∶YAG晶体的1064光束将是椭圆偏振光，相比于线偏振光而言，椭圆偏振光在晶体内的能量提取率分布均匀、提取效率高、热效应低从而保证高功率输出；而腔内另一侧将是线偏振光，保证倍频效率。

常用的倍频晶体主要有KTP和LBO，KTP晶体在高功率密度激光的长期作用下容易产生“灰迹”，影响激光器的稳定性，LBO的非线性系数小于KTP，但有较高的损伤阈值且生产工艺成熟，适合高功率密度下工作。本实验采用1类相位匹配倍频晶体LBO，相位匹配角θ=90°、Φ=0°，LBO倍频晶体需要精确控制其温度以提高倍频效率，采用TEC温控装置控制温度保持在148℃，控制精度为0.1℃，图6为LBO温控器。

图6 LBO温控器Fig.6 Temperature control of LBO

3 激光二极管双端面泵浦Nd∶YAG倍频激光器实验及数据分析

3.1 基频光实验及数据

将图1中的M7镜片换成1064nm波长90%反射的输出镜，倍频晶体、被动调Q晶体、M4-M6镜片去掉，保持腔长不变，即为LD双端面泵浦YAG的基频光输出实验装置。打开水冷设备，确保水温恒定在20℃。用一套电源控制系统控制两个泵源的输出功率，确保两端注入的泵浦光功率相同，在输出镜后面用激光功率计(中国计量科学研究院的NIM-P1000激光功率计)进行输出功率测试。测得的数据如表1所示，第一列为半导体激光器电流增加数据，第二列、第三列分别为在相应电流下单端输出的能量和总的输出能量，第四列为振荡激光输出。

表1泵浦光电流、单泵源功率、双泵源功率、激光输出功率数据
Tab.1 Electricity of pumping light, power of single pumping light, power of single pumping light, power of output laser

电流/A单泵源功率/W双泵源功率/W输出功率/W33.87.60.783.55.110.22.8146.412.84.234.57.7515.55.7659.0518.17.925.510.320.79.79611.623.211.86.512.925.813.8714.228.415.97.515.53117.8816.833.619.18.518.136.221.2919.438.822.3

根据表1的数据得到双端面泵浦Nd∶YAG激光器的输出激光和泵浦光的拟合关系如图7所示。可以看出，激光输出功率与泵浦功率呈线性关系、均匀增强，其对应拟合线性关系为

Pout=0.712×Pin-4.756，

(4)

在注入总功率为38.8 W时，输出最大功率为22.3 W，阈值功率为6.68 W，光-光转换斜效率为71.2%，具有极高的转换效率。

图7 输出激光与注入激光关系曲线Fig.7 Relationship of output power and input power

采用激光M2测试仪对该激光器的输出光束进行了测试，得到如图8所示的光斑和M2因子。其输出激光光束模式为基模，M2因子为1.4，可见采用双端泵浦方式极高地提升了YAG激光器的输出光束质量。

图8 1 064 nm激光光斑分布及M2平方因子Fig.8 Intensity of facula and M2 factor of 1 064 nm wavelength laser

添加Cr4+∶YAG被动调Q晶体进行调Q后得到脉冲宽度为8.93 ns、频率为10 kHz的脉冲光输出，计算得到脉冲峰值功率高达250 kW，有利于倍频效率的提高。图9为测量得到的脉冲宽度波形。

图9 被动调Q脉冲波形Fig.9 Pulse laser waveform of passive Q-switched

3.2 倍频光实验及数据分析

在基频光实验装置上首先加上偏振片，用功率计测试偏振基频光输出，得到对应的功率数据；再加上被动调Q晶体得到脉冲偏振光输出功率数据；最后按照图1所示的倍频结构搭建完整的实验装置，测出绿光输出功率，图10为输出绿光测试照片。所有的数据如表2所示,其中1 064①和1 064②分别表示1 064 nm的自然输出光和偏振输出光，QCW表示调Q后的偏振光，532表示倍频绿光。

图10 倍频激光输出照片Fig.10 Picture of intracavity frequency doubling laser

表2泵浦光电流、LD功率、基频光、基频偏振光、调Q偏振光、倍频光输出功率数据
Tab.2 Electricity of pumping light, power of LD, power of fundamental frequency laser, power of fundamental frequency polarized laser, power ofQ-switched polarized laser, power of output laser

电流/A33.544.555.566.577.588.598087.610.212.815.518.120.723.225.828.43133.636.238.81 064①0.782.814.235.767.929.7911.813.815.917.819.121.222.31 064②002.254.246.588.1610.412.013.013.814.415.215.6QCW0000.352.424.355.516.446.597.327.87.918.2153200001.292.263.203.684.845.616.096.366.72

图11为调Q偏振光与倍频光的转换效率。总的转换效率为86%，可以看出在低功率段时转换效率低于86%，而到高功率段转换效率可达到90%以上。这是因为：(1)采用了双端泵浦降低晶体热效应，提升了基频光光束质量；(2)运用1/4波片与偏振片组合结构，大大提升了对YAG晶体内储存能量的提取率、消除空间烧孔效应，提升了倍频前基频光的峰值功率。图12为总的光-光转换效率，基本成线性，转换效率为26.8%。用M2测试仪对倍频光的光束质量进行测试，得到其M2因子为1.35，相比于基频光，其光束质量稍有提高，分析其原因应该是调Q晶体的热沉小孔相当于光阑，过滤了基频光中的高阶模式，使光束质量得到了进一步提高。

图11 调Q偏振光与绿光转换效率的关系
Fig.11 Relationship of output power andQ-switched polarized power

图12 光-光总转换效率Fig.12 Total optical-optical conversion efficiency

图13 去掉1/4波片后的调Q偏振光与绿光转换效率Fig.13 Relationship of 532 nm output power and power plate without quarter-wave plate

图14 去掉1/4波片后的输出稳定性数据Fig.14 Stability of output power without Q-switched polarized quarter-wave

实验中为了验证1/4波片与偏振片组合结构对倍频转换效率的影响，特地去掉1/4波片，在相同的条件下进行了倍频测试，结果如图13所示。最大输出功率为5.94 W，转换效率约为69%，有一定的下降。同时其输出稳定性差。图14显示，在24 h内，输出功率波动幅度较大，波动范围可达1.04 W。实验结果表明，1/4波片与偏振片组合结构对倍频转换效率与输出稳定性有较大的提升。

4 结 论

结合Nd∶YAG晶体与端面泵浦的优点，创新性地提出对Nd∶YAG晶体进行双端面泵浦的激光器结构，结合晶体传导冷却、热沉通水的冷却模式，实现了双端面泵浦YAG激光器高转换效率输出。同时采用1/4波片与偏振片组合结构，优化了LBO腔内倍频激光器结构，实现基频光高提取率、倍频光高转换率的倍频激光输出。在注入功率38.8 W时，获得22.3 W的高输出功率、71.2%的高光-光转换效率的基频光。经过调Q偏振后，实现QCW偏振光与绿光86%的高倍频效率。得到光束为基模、M2因子近衍射极限的输出光束质量。该结构倍频激光器可在体积和能耗上达到很高的优化，为相应的激光器实现小型化、便携式提供了相应的指导。

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