令維軍，郭有婧，夏 濤，董 忠，劉 勍，路飛平，張明霞

（1.天水師范學(xué)院 激光技術(shù)研究所，甘肅 天水 741001；2.蘭州城市學(xué)院 學(xué)報(bào)編輯部，甘肅 蘭州 730070）

近年來，激光器技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，在工業(yè)、醫(yī)療、商業(yè)、科研、信息和軍事等領(lǐng)域中的應(yīng)用也越來越多。[1-4]半導(dǎo)體泵浦固體激光器（Diode-Pumped solid-state Laser，DPSSL），是以激光二極管（LD）代替閃光燈泵浦固體激光介質(zhì)的全固態(tài)激光器，具有效率高、體積小、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，在光通信、激光雷達(dá)、激光醫(yī)學(xué)、激光加工等方面有巨大應(yīng)用前景，是未來固體激光器的發(fā)展方向。國內(nèi)上海光機(jī)所、山東大學(xué)、清華大學(xué)、長春光機(jī)所、天津大學(xué)、山西大學(xué)和中科院物理所等多家研究單位先后開展了對DPSSL的研究。隨著大功率LD輸出功率不斷提高，新型激光晶體、非線性晶體和光學(xué)超晶格材料的不斷研究開發(fā)、頻率變換技術(shù)的日臻成熟，DPSSL將以它獨(dú)特的優(yōu)勢在激光領(lǐng)域中獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，成為下一代新型激光器件。1968年，麥道宇航公司的Ross實(shí)現(xiàn)了第一臺LD泵浦Nd:YAG激光器。[5]Nd:YAG激光晶體具有優(yōu)良的光學(xué)、化學(xué)、熱學(xué)和機(jī)械性能，是目前應(yīng)用最廣泛的固體激光增益介質(zhì)之一。有關(guān)激光LD泵浦的Nd:YAG激光器已有很多文獻(xiàn)報(bào)道。[6-8]我們基于Nd:YAG激光增益介質(zhì)，泵浦源為中心波長808nm的LD泵浦，諧振腔為平-凹直腔，利用全國產(chǎn)化元件，搭建了一臺低閾值Nd:YAG激光器，該激光器運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，造價低廉。

1 低閾值諧振腔的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，Nd:YAG激光晶體在807.5nm處有一強(qiáng)吸收峰，我們選擇與之接近的中心波長808nm的LD泵浦激光器作為泵浦源，該激光器技術(shù)成熟，且造價低廉，適合作為泵浦源。由于泵浦源LD的光束發(fā)散角較大，為使其聚焦在激光增益介質(zhì)上，必須對泵浦光束進(jìn)行光束變換（耦合）。

泵浦耦合方式主要有端面泵浦和側(cè)面泵浦兩種。本實(shí)驗(yàn)采用端面泵浦方式，該方式適用于中小功率固體激光器，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、空間模式匹配好等優(yōu)點(diǎn)。具體方式為先將光纖柱透鏡對半導(dǎo)體激光器進(jìn)行快軸準(zhǔn)直，壓縮發(fā)散角，接著采用組合透鏡對泵浦光束進(jìn)行整形變換，各透鏡表面均鍍有對泵浦光的增透膜以減小耦合系統(tǒng)對LD泵浦光的損耗，該方式對泵浦光的耦合效率高，LD泵浦光耦合前后功率變化如圖2所示。

圖1 激光器裝置原理圖（上）和激光器輸出效果圖（下）

圖2 LD泵浦光耦合前后功率曲線圖

實(shí)驗(yàn)中激光器腔設(shè)計(jì)采用平凹腔，耦合系統(tǒng)由前后兩個凸透鏡組成，焦距分別為50mm和100mm，透鏡表面均鍍有對泵浦光的增透膜；泵浦鏡為平面鏡，表面鍍有對泵浦光（808nm）透過率大于95%，對輸出光（1064nm）反射率大于99.9%的介質(zhì)膜；激光增益介質(zhì)為Nd:YAG晶體；輸出鏡為的平凹鏡，其凹面曲率半徑為200mm，對輸出光具有特定透過率。以上設(shè)計(jì)的這種平凹腔容易形成穩(wěn)定的輸出模，同時具有較高的光-光轉(zhuǎn)換效率，但在設(shè)計(jì)時必須考慮到模式匹配問題。

激光諧振腔中的g參數(shù)表示為：

L為諧振腔長度，R為鏡片的曲率半徑。振蕩光斑尺寸為：

λ為激光器輸出波長。本實(shí)驗(yàn)中，對于泵浦鏡g1參數(shù)，R1=∞，對于輸出鏡g2參數(shù)，R2=200mm，當(dāng)0＜g1g2＜1時諧振腔為穩(wěn)定腔，計(jì)算出L＜200mm，λ為1064nm.取L=80mm，利用ABCD矩陣?yán)碚撃M腔中激光晶體的振蕩光斑，此諧振腔振蕩光斑半徑變化曲線如圖3(a)所示。泵浦光在激光晶體輸入面上的光斑半徑應(yīng)≤ω0，這樣可使泵浦光與基模振蕩模式匹配，在容易獲得基模輸出。

3 低閾值激光器的輸出特性研究

基于以上理論分析，我們搭建了一臺低閾值Nd:YAG固體激光器，該激光器泵浦源最高輸出功率為2W，輸出中心波長1064nm.首先我們選用5%透過率的平面輸出鏡，選擇50mm、80mm和100mm三種腔長，測試激光輸出功率隨注入功率變化曲線如圖3(b)所示，得出不同的腔長下激光的輸出曲線各不相同，三種腔長連續(xù)光最高輸出功率分別為335mW、350mW和340mW，在腔長80mm處得到最低出光閾值和最高的輸出功率，說明在腔長80mm處泵浦光和振蕩光的光斑匹配效果好于50mm和100mm兩種腔長。

圖3 (a)為諧振腔振蕩光斑半徑分布曲線；(b)(c)(d)為激光輸出功率隨注入功率變化曲線

接著我們將激光器諧振腔腔長定為80mm，分別選用5%透過率的平面輸出鏡和凹面曲率半徑為200mm的平凹輸出鏡，激光輸出功率隨注入功率變化曲線如圖3(c)所示，得出在相同條件下凹面曲率半徑為200mm的平凹輸出鏡的出光閾值更低，且出光效率更高。在激光腔腔長80mm的情況下，對比平面輸出鏡和平凹輸出鏡，利用ABCD矩陣我們模擬了激光晶體中振蕩光斑的大小。對于平面輸出鏡，晶體中振蕩光斑束腰半徑約為407μm，對于平凹輸出鏡，晶體中振蕩光斑束腰半徑約為187μm，平凹輸出鏡相對于平面輸出鏡光斑面積減少了，即4.74倍，這樣腔內(nèi)的激光強(qiáng)度增加了4.74倍。在同樣的出光強(qiáng)度下，大大降低了激光運(yùn)轉(zhuǎn)閾值。[9-12]

最后我們比較透過率分別為5%和10%的平凹輸出鏡，腔長為80mm.激光輸出功率隨注入功率變化曲線如圖3(d)所示，當(dāng)輸出鏡為5%時，出光閾值為278mW，最高2W的LD泵浦注入功率對應(yīng)激光的最高輸出功率為496mW，光-光轉(zhuǎn)換效率為24.8%.當(dāng)輸出鏡為10%時，出光閾值為388mW，最高2W的LD泵浦注入功率對應(yīng)激光的最高輸出功率為444mW，光-光轉(zhuǎn)換效率為22.2%.得出5%平凹輸出鏡獲得更低的出光閾值，更高的輸出功率，主要原因是由于5%平凹輸出鏡相較于10%平凹輸出鏡腔內(nèi)損耗低。最終我們獲得了出光閾值低至278mW，最高輸出功率功率為496mW的低閾值Nd:YAG固體激光器。

4 結(jié) 論

綜上所述，結(jié)合ABCD矩陣及諧振腔穩(wěn)區(qū)理論，我們設(shè)計(jì)了一臺全國產(chǎn)化的低閾值Nd:YAG固體激光器，通過對50mm、80mm和100mm三種激光諧振腔腔長的激光輸出曲線研究，選出了80mm的最佳腔長，接著對比平面輸出鏡和凹面曲率半徑為200mm的平凹輸出鏡的激光輸出曲線，得出平凹輸出鏡具有高的激光輸出效率和低的出光閾值功率，最后比較透過率5%和10%的平凹輸出鏡，最終獲得連續(xù)光出光閾值功率低至278mW，最高輸出功率496mW，光-光轉(zhuǎn)化效率24.8%，中心波長1064nm的低閾值Nd:YAG固體激光器，該激光器運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，且造價低廉，適合大學(xué)生的激光器教學(xué)實(shí)驗(yàn)，后期我們將繼續(xù)在該激光器的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)調(diào)Q運(yùn)轉(zhuǎn)和倍頻實(shí)驗(yàn)研究。

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〔責(zé)任編輯 艾小剛〕