陳天宇，姜妍，溫雅，金光勇

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 理學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

中紅外2μm波段的激光，具有大氣消光比較低且人眼安全的特點(diǎn)，可以作為激光成像雷達(dá)、多普勒相干測(cè)風(fēng)雷達(dá)的重要光源［1］；由于2μm激光的輻射能引起凝固效應(yīng)，有效減少手術(shù)過(guò)程中的出血現(xiàn)象，可應(yīng)用于神經(jīng)外科手術(shù)等醫(yī)療領(lǐng)域；2μm波段的激光是抽運(yùn)中紅外OPO實(shí)現(xiàn)3～5μm、8～12μm中遠(yuǎn)紅外激光輸出的理想泵浦源［2］。目前較為普遍與常用的獲得2μm激光的方式為泵浦單摻Ho3+基質(zhì)，Ho3+激光器的最佳泵浦源即為1.9μm的激光［3-4］，Tm：YAP激光器是目前較為成熟的1.9μm固體激光器［5］，作為單摻Ho激光介質(zhì)的泵浦源可以獲得高功率、高光束質(zhì)量的2μm激光輸出。則獲得大功率，光束質(zhì)量較好的1.9μm波段激光是獲得2μm激光的關(guān)鍵［6-7］，采用板條狀的Tm：YAP激光是由于其易于散熱，相同條件下，晶體內(nèi)光場(chǎng)與溫度分布較為均勻，減小熱效應(yīng)對(duì)激光輸出的影響，獲得高功率的1.9μm激光輸出，對(duì)研究高功率高光束質(zhì)量的1.9μm激光器提供支持。

1 LD端面抽運(yùn)板條Tm：YAP晶體內(nèi)部熱溫度模型

在固體激光器中，晶體的熱效應(yīng)是影響激光器大功率輸出的問(wèn)題之一，模擬在激光器運(yùn)行中晶體內(nèi)部熱場(chǎng)分布，考慮晶體散熱面與晶體中心受熱產(chǎn)生的溫度梯度，考慮晶體內(nèi)部與邊界溫度的差值，選擇橫截面較大的板條晶體作為研究對(duì)象，更有利于散熱面與水冷的接觸，減小晶體內(nèi)部溫度分布，達(dá)到補(bǔ)償熱透鏡效應(yīng)的方式［8］。通過(guò)建立板條狀Tm：YAP晶體的溫度分布模型，模擬了晶體內(nèi)部的光場(chǎng)分布，并獲得晶體內(nèi)最高溫度與最低溫度的差異，為下一步實(shí)驗(yàn)研究提供指導(dǎo)和依據(jù)。

Tm：YAP晶體的基質(zhì)為鋁酸釔晶體（YAP），該晶體是光學(xué)負(fù)雙軸晶體，具有各向異性的特點(diǎn)，彈性系數(shù)較小，因此熱應(yīng)力對(duì)熱透鏡效應(yīng)的影響較小，熱梯度對(duì)熱焦距的變化起主導(dǎo)作用。

圖1 LD雙端抽運(yùn)Tm：YAP晶體結(jié)構(gòu)示意圖

采用連續(xù)泵浦源雙端抽運(yùn)Tm：YAP板條晶體，建立晶體的熱傳導(dǎo)方程如下：

采用雙端泵浦結(jié)構(gòu)產(chǎn)生激光，則泵浦光從兩端進(jìn)入晶體內(nèi)，設(shè)入射到晶體內(nèi)的泵浦光為高斯光束，則具有a×b×L尺寸的晶體的熱源函數(shù)可以表述為：

q0為晶體內(nèi)的中心熱源函數(shù)，可以寫(xiě)成：

圖2 LD雙端抽運(yùn)Tm：YAP晶體內(nèi)二維、三維光場(chǎng)分布圖

由板條Tm：YAP晶體內(nèi)部的熱場(chǎng)分布，根據(jù)熱分析模型，該模型在熱傳導(dǎo)方程的基礎(chǔ)上，假設(shè)泵浦光為高斯光浦，采用不完全冷卻系統(tǒng)，側(cè)面通常用銦箔包裹放置在銅制散熱器中，冷卻液為蒸餾水。

在雙端LD抽運(yùn)時(shí)，給定泵浦功率為40W（即每個(gè)面是20W的抽運(yùn)功率），冷卻系統(tǒng)的溫度給定為T(mén)c=285K。晶體內(nèi)熱分布圖如圖3所示。

圖3 （a）、（b）為T(mén)m：YAP晶體內(nèi)溫度分布的二維、三維圖

圖3表示總的抽運(yùn)功率為40W，晶體內(nèi)部的溫度分布情況，即每端給定的抽運(yùn)功率大約為20W左右，晶體的中心溫度與邊緣溫度分別為307K和291K，內(nèi)外溫差為16℃。

晶體的熱主要集中在泵浦面上，慢慢向四周擴(kuò)散，而晶體四周與水冷具有循環(huán)的過(guò)程，又會(huì)使四周的溫度可以較快的擴(kuò)散，內(nèi)部的問(wèn)題擴(kuò)散較慢，會(huì)形成較大的溫度梯度，改變晶體的熱透鏡焦距，影響諧振腔的穩(wěn)定性，減低激光的輸出功率。

2 LD雙端抽運(yùn)板條Tm：YAP激光器諧振腔設(shè)計(jì)

激光光學(xué)諧振腔是激光器的重要組成部分，激光諧振腔的長(zhǎng)度和輸出鏡半徑是影響諧振腔穩(wěn)定性的主要因素［9］。

為了增加Tm：YAP晶體的注入功率，實(shí)現(xiàn)高功率1.99μm激光輸出，采用雙端抽運(yùn)的泵浦方式，為了達(dá)到雙端抽運(yùn)的方式，只能使激光輸出于折線方向，諧振腔設(shè)計(jì)成“L”形腔［10］。

把激光晶體近似為一個(gè)焦距為f的薄透鏡，位于激光晶體的幾何中心。腔鏡M1為全反鏡，M2為45°全反鏡，M3為凹面輸出鏡，曲率半徑為R，M1到晶體中心的距離為L(zhǎng)1，晶體中心到M2的距離為L(zhǎng)2，M2到M3的距離為L(zhǎng)3。則根據(jù)ABCD矩陣?yán)碚?，諧振腔穩(wěn)定性參數(shù)1/2（A+D）可表示為f與L1、L2+L3和R的解析表達(dá)以及諧振腔的穩(wěn)區(qū)范圍圖。

圖4 Tm：YAP激光器諧振腔

以M1為參考面時(shí)光束在諧振腔內(nèi)往返一次的傳輸矩陣為：

從圖中的穩(wěn)區(qū)范圍可知，在R=100mm、300mm時(shí)，L1在0～60mm，L2+L3在0～90mm之間，諧振腔均能保持穩(wěn)定性。

圖5 R=100、300時(shí)穩(wěn)區(qū)圖

3 LD雙端抽運(yùn)板條Tm：YAP激光器的實(shí)驗(yàn)研究

3.1 諧振腔腔長(zhǎng)對(duì)激光輸出的影響

如圖6所示，采用795nm泵浦源，聚焦鏡組的耦合比為1∶2，Tm∶YAP晶體為國(guó)產(chǎn)晶體，摻雜濃度為3at.%，a軸切割，尺寸為2×6×16mm3。

圖6 LD雙端抽運(yùn)板條Tm∶YAP激光器實(shí)驗(yàn)裝置

LD雙端抽運(yùn)Tm∶YAP激光器的實(shí)驗(yàn)的諧振腔選為“L”型平凹腔，選取T=10%，曲率半徑選取R=100，設(shè)定腔長(zhǎng)60mm，80mm，100mm時(shí)，分別測(cè)量輸出功率。

改變諧振腔腔長(zhǎng)，選取L分別為60mm，80mm，100mm時(shí)，斜率效率分別為29.01%、33.8%、34.4%，在腔長(zhǎng)為100mm時(shí)獲得最大輸出功率為21.02W，此時(shí)的抽運(yùn)功率為70.74W，光光轉(zhuǎn)換效率為29.7%。但由于選用的是兩個(gè)電源，在相同電流的時(shí)候輸出功率稍有差異，即晶體兩端的注入功率不能保持一致，晶體內(nèi)的溫度分布不會(huì)如模擬那樣均勻，會(huì)有一邊大于另一邊的現(xiàn)象出現(xiàn)，也會(huì)影響激光器的輸出功率，中心波長(zhǎng)等。

圖7 當(dāng)R=100，T=10%時(shí)，改變諧振腔長(zhǎng)度時(shí)輸出功率隨抽運(yùn)功率變化曲線

3.2 輸出鏡透過(guò)率對(duì)激光輸出的影響

在諧振腔腔長(zhǎng)為100mm時(shí)，當(dāng)輸出鏡曲率半徑分別為R=100、R=200，R=300時(shí)，改變輸出鏡的透過(guò)率，分別選取T=5%、T=10%的輸出鏡，分別測(cè)量輸出功率。

圖8 選定T=5%時(shí)，R=100、200、300，輸出功率隨抽運(yùn)功率變化曲線

圖9 選定T=10%時(shí)，R=100、200、300，輸出功率隨抽運(yùn)功率變化曲線

在輸出鏡透過(guò)率T=5%時(shí)，R=100、200、300時(shí)，最大輸出功率分別為20.22W、21.02W、19.76W，斜率效率分別為29.24%、33.9%、34.1%，光光轉(zhuǎn)換效率為28.2%、29.7%、29.3%。在輸出鏡透過(guò)率T=10%時(shí)，R=100、200、300時(shí)，最大輸出功率分別為21.02W、21.25W、20.32W，斜率效率分別為34.4%、25.7%、27.4%，光光轉(zhuǎn)換效率為29.7%、25.6%、25.3%?？梢钥闯鲈谥C振腔腔長(zhǎng)為100mm時(shí)，輸出鏡R=200，T=10%時(shí)，獲得最大輸出功率21.25W。通過(guò)對(duì)比得到，當(dāng)輸出鏡透過(guò)率為10%時(shí)，在相同曲率半徑下，激光輸出功率更高，當(dāng)輸出鏡透過(guò)率為5%時(shí)，在相同曲率半徑下，激光器斜率效率和光光轉(zhuǎn)換效率相對(duì)更高。

實(shí)驗(yàn)中通過(guò)光譜儀采集輸出波長(zhǎng)圖，中心波長(zhǎng)為1988.5974nm，譜線寬度為2.247。圖10為輸出的光譜圖。

圖10 雙端抽運(yùn)板條Tm：YAP激光器輸出光譜圖

4 結(jié)論

本文建立了板條狀Tm：YAP晶體的熱分布模型，模擬了雙端抽運(yùn)晶體內(nèi)部的光場(chǎng)分布以及晶體內(nèi)溫度分布圖形；并采用雙端抽運(yùn)的方式，在同等條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。當(dāng)采用雙端抽運(yùn)的方式，選用輸出鏡透過(guò)率為T(mén)=10%、曲率半徑為R=200，諧振腔腔長(zhǎng)為100mm時(shí)，獲得了斜率效率為25.7%，光光轉(zhuǎn)換效率為25.6%，中心波長(zhǎng)為1988nm的21.25W激光輸出。