LD端面泵浦Tm：YAG声光调Q激光器设计

王 玮

深圳技师学院中德智造学院（广东 深圳 518116）

0 引言

2 μm激光器在大气传输中具有人眼安全特性，可作为激光雷达、激光测距机等的理想光源[1-3]。由于其覆盖了水分子和二氧化碳分子的吸收带，使激光很容易被生物组织吸收，因此还可以作为手术刀用于医疗。2 μm波段室温运行的固体激光器的应用前景非常广阔，已成为近年来国内外研究的热点之一[4-6]。文章意图设计一种2 μm波段的激光器，采用激光二极管LD端面泵浦，工作物质为Tm：YAG，输出波长为2 013 nm。

1 激光介质的能级结构、泵浦源选择以及工作物质参数

Tm：YAG是准三能级系统，对2 013 nm激光而言，3H6是激光下能级，3F4是激光上能级，3H4是抽运高能级。离子从激光下能级3H6受激吸收跃迁到抽运高能级3H4，然后从抽运高能级无辐射跃迁到激光上能级，从激光上能级3F4向激光下能级可以受激辐射出光子，从而产生2 013 nm的激光。

由于需要产生2 013 nm的激光波长，即3H6是激光下能级，3H4是抽运高能级，对应的是吸收中心波长为785 nm的光，这样就确定了泵浦中心波长为785 nm。因此，选择最大输出功率20 W的光纤耦合半导体激光器为泵浦源，其中心波长为792 nm，通过调整激光二极管温度抽运光波长可控制到785 nm。光纤芯径为200 μm，耦合系统对785 nm透过率为94%，泵浦方式为端面泵浦。

在工作物质方面，选取Tm：YAG晶体，长12 mm，直径5 mm，摩尔掺杂浓度为3.5%，晶体折射率为1.82。晶体安装在水冷模块上，温度控制在5～20 ℃。

2 激光器谐振腔设计

谐振腔采取平凹腔结构，输入镜为平面镜，输出镜为凹面镜。在设计谐振腔的参数时，必须考虑热透镜效应，而且Tm：YAG晶体的热透镜效应比较严重，会严重影响激光谐振腔的稳定。泵浦功率增大会导致热透镜焦距变小，可能会使谐振腔处于非稳腔不出光。因此，必须在考虑热透镜效应的基础上，对激光谐振腔进行设计与优化。经过测算，热透镜焦距约为80 mm。

采用ABCD矩阵进行参数分析。输入镜M1曲率半径为R1=100 m，距离晶体端面距离为z1，晶体长度为l，腔长为L，输出镜M2曲率半径为R2。将激光晶体产生的热透镜视为焦距为fT的薄透镜，其位置应为泵浦光在晶体内的聚焦位置，定义该位置距晶体端面z2。具体示意图如图1所示。

图1 谐振腔参数示意图

考虑要在整个激光器中加入声光晶体，而一块声光晶体的长度不短于80 mm，加上激光棒长12 mm，并且谐振腔输入镜与激光棒、激光棒与声光晶体、声光晶体与输出镜之间都要有间距，因此整个谐振腔的腔长至少是100 mm。在编程计算中，可以令谐振腔腔长L在100～150 mm范围内取值。以热透镜端面为参考面，谐振腔的ABCD矩阵可以写为：

在以上参量中，已知量包括介质折射率n=1.82，激光棒长l=12 mm，热透镜焦距fT=80 mm；并且假设z1=7 mm，z2=5 mm，R2=120 mm。这样未知量就只有L，然后根据稳定腔条件以及模式匹配条件解出L。

3 谐振腔镀膜要求

对输入镜而言，由于需要让泵浦光785 nm有较大的损耗，从而无法在腔内振荡，因此其两端都镀785 nm的增透膜（T90%），同时在输入镜内侧镀2 013 nm的全反膜（R99.9%），使2 013 nm有较低的损耗，可以在腔内振荡。对输出镜而言，其透过率不能太高，否则谐振腔损耗较大；透过率也不能太低，否则输出激光功率低。因此，输出镜存在一个最佳透过率。通过测算与试验得出，在2 013 nm的总透射率是T=3.6%。对晶体而言，双端均镀785 nm增透膜（T90%）和2 013 nm增透膜（T99.9%），可以让785 nm泵浦光得到充分利用，同时也可以降低2 013 nm激光的损耗。

4 耦合光学系统设计

因为光纤直径为0.2 mm，而在工作物质端面处的基模半径为0.2 mm，所以设计了如下耦合光学系统：f1=50 mm，f2=100 mm；两个透镜的焦点f2与f1’重合，物（光纤端面）放在第一个透镜的前焦面上。由应用光学知识可知，前焦面上的物体发出的光经过透镜后平行出射，成为平行光。该束平行光入射第二个透镜后，应该汇聚在第二个透镜的后焦面上，物像比为1∶2，从而实现模式匹配。

5 声光调Q设计

将声光Q开关插入激光谐振腔内，当声光电源高频振荡信号加在声光Q开关的换能器上时，形成的超声波振动会使声光介质产生弹性形变，导致介质密度发生交替变化，从而引起介质折射率的变化，其效果相当于一个相位光栅。当光束通过相位光栅时，入射光会发生布拉格衍射，衍射光偏离谐振腔，产生极大损耗。因此，可以概括声光调Q的原理，即利用介质中的超声场对激光的衍射，造成光束的偏折，从而实现Q值突变。

声光调Q开关时间一般小于光脉冲建立时间，属于快开关类型。由于开关的调制电压只需100多伏，所以可用于低增益的连续激光器，获得峰值功率百千瓦、脉宽约为几十纳秒的高重复率巨脉冲。但是，声光开关对高能量激光器的开关能力差，不宜用于高能调Q激光器。

6 激光器结构及设计参数

激光器的完整结构如图2所示。激光器参数如下：

图2 激光器完整结构示意图

（1）耦合光学系统第二块透镜焦距100 mm；两块透镜间隔150 mm，且两者焦点重合；第二块透镜距离谐振腔输入镜88 mm。

（2）谐振腔参数：输入镜距离激光棒7 mm；泵浦光汇聚在距离激光棒内位于激光棒前端面5 mm处；激光棒后端面距离谐振腔输出镜106 mm；谐振腔腔长125 mm；谐振腔输入镜为平面镜，输出镜为半径120 mm的凹面镜。

7 结论

由LD激光二极管发出的泵浦光经过耦合系统与谐振腔模式匹配后，将Tm：YAG晶体激发，产生粒子数反转；同时，通过声光晶体调Q使腔内损耗很大，因此无法形成激光振荡，粒子在上能级积累；在合适的时间将调Q装置反转，谐振腔内的Q值迅速升高，损耗降低，从而使2 013 nm的激光在腔内形成振荡，能量倾泻而出，形成激光巨脉冲输出。