王睿明,李 玥,周冠龍,劉景良,陳薪羽

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

1 引 言

1.9 μm波段激光處于人眼安全范圍,且對(duì)大氣有較高的透過率。在激光遙感、醫(yī)療衛(wèi)生、軍事領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。由于1.9 μm波段處于大氣窗口,是激光遙感和探測(cè)的理想光源,目前應(yīng)用在測(cè)風(fēng)雷達(dá)、衛(wèi)星空間遙感等方面,擁有很大的前景。在醫(yī)學(xué)方面也有很大的應(yīng)用價(jià)值,用于微創(chuàng)手術(shù)有切除精度高,傷口小出血少的優(yōu)點(diǎn),極大程度減輕了患者的痛苦,也減少了術(shù)后感染的風(fēng)險(xiǎn)。隨著1.9 μm激光技術(shù)的進(jìn)步,在軍事領(lǐng)域有很大潛力?？捎糜谔綔y(cè)爆炸物,并且作為戰(zhàn)斗和導(dǎo)彈的重要制導(dǎo)手段,同時(shí)也能夠?qū)撤竭M(jìn)行紅外激光對(duì)抗,達(dá)到干擾和軟殺傷的效果[1-5]。由于Tm∶YLF激光器輸[6-7]出的1.9 μm波段處于Ho晶體吸收峰,也可以作為Ho激光器的泵浦源[8-12]。YLF晶體有較長(zhǎng)的上能級(jí)壽命,相比于YAP、YAG沒有熱致雙折射,光損傷閾值高等優(yōu)點(diǎn),但是Tm∶YLF晶體熱脆裂極限較低,由于泵浦光產(chǎn)生的廢熱,容易造成晶體內(nèi)形成溫度梯度,在高功率時(shí)導(dǎo)致晶體碎裂。目前Tm∶YLF激光器輸出功率主要受限于溫度所引起的晶體內(nèi)熱效應(yīng),并影響激光器轉(zhuǎn)化效率。Tm∶YLF是一種各向異性晶體,具有兩個(gè)偏振方向,本實(shí)驗(yàn)利用這一特性,采用LD同向偏振泵浦的方式,將雙端的泵浦光轉(zhuǎn)換為同向偏振方向再注入晶體。相比非同向偏振泵浦,優(yōu)化了泵浦結(jié)構(gòu),改善晶體熱效應(yīng),避免了晶體的兩端因吸收光聚焦強(qiáng)度不均而引起晶體炸裂。有效提高了晶體對(duì)泵浦光的吸收效率,進(jìn)而提升了激光器的輸出功率。

2 理論與模擬

LD雙端偏振泵浦Tm∶YLF晶體激光器模型如圖1所示,泵浦光分別為I1、I2,泵浦光焦點(diǎn)分別為z1、z2,晶體四個(gè)側(cè)面包裹在水冷裝置中。

圖1 LD雙端偏振泵浦Tm∶YLF晶體模型示意圖

兩束泵浦光的光強(qiáng)分布函數(shù)分別可以表示為:

(1)

泵浦光強(qiáng)在偏振方向的投影如圖2所示,Iσ為泵浦光強(qiáng)投影到x方向的偏振分量,Iπ為泵浦光強(qiáng)投影到y(tǒng)方向的偏振分量。

圖2 泵浦光強(qiáng)在偏振方向的投影示意圖

考慮Tm∶YLF晶體對(duì)泵浦光的吸收,則根據(jù)Lambert-Beer定律[13],可得:

(2)

其中,d為吸收深度;I0為泵浦光強(qiáng)分布函數(shù);β為偏振方向投影的夾角;απ、ασ分別為Tm∶YLF晶體在π、σ偏振方向的泵浦吸收系數(shù)。

根據(jù)泵浦光偏振理論,建立了在穩(wěn)態(tài)條件下LD雙端偏振泵浦Tm∶YLF晶體熱分析模型,如圖1所示。室溫為Ta,晶體的兩個(gè)端面與空氣接觸,進(jìn)行熱交換,四個(gè)側(cè)面保持恒定的水冷溫度Tw。

穩(wěn)態(tài)條件下,LD雙端偏振泵浦Tm∶YLF晶體的熱傳導(dǎo)方程可以表示為:

Qv(x,y,z)=0 (0≤x≤a,0≤y≤b,0≤z≤l)

(3)

其中,T(x,y,z)為Tm∶YLF晶體任意一點(diǎn)溫度;κx,κy,κz分別為Tm∶YLF沿坐標(biāo)軸x,y,z方向的熱傳導(dǎo)系數(shù);Qv(x,y,z)為單位體積內(nèi)的熱源密度函數(shù)。

邊界條件為:

(4)

其中,ha是空氣和晶體之間的對(duì)流傳熱系數(shù)。

利用Comsol軟件模擬分析,當(dāng)雙端泵浦功率為50 W,束腰半徑為430 μm時(shí),LD雙端非同向偏振泵浦與同向偏振泵浦Tm∶YLF晶體的溫度場(chǎng)分布情況。

在非同向偏振泵浦時(shí)晶體溫度分布如圖3所示,最高溫度為344 K,晶體通光軸最大溫差為4.6 K。在同向偏振泵浦時(shí)晶體溫度分布如圖4所示,最高溫度為332 K,晶體通光軸最大溫差為3.3 K。相比非同向偏振泵浦時(shí)最高溫度低12 K,晶體通光軸最大溫差低1.3 K。在同向偏振泵浦晶體時(shí)通光方向的溫差較小,遠(yuǎn)低于晶體最高點(diǎn)溫度與最低點(diǎn)的溫差,晶體在通光方向因熱分布不均而產(chǎn)生的應(yīng)力破壞遠(yuǎn)小于晶體破損閾值。通過模擬可看出采用同向偏振泵浦增益介質(zhì)的方法在提高增益介質(zhì)的有效泵浦光吸收效率的同時(shí)熱效應(yīng)較小。

圖3 LD雙端非同向偏振溫度分布圖

圖4 LD雙端同向偏振溫度分布圖

3 實(shí)驗(yàn)裝置

LD同向偏振雙端泵浦Tm∶YLF激光器實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示,泵浦源使用輸出波長(zhǎng)為792 nm的LD光纖耦合模塊。Tm∶YLF晶體的尺寸為3 mm×3 mm×14 mm,沿a軸切割,摻雜濃度為3 %。晶體用銦箔包裹置于紫銅熱沉,采用水循環(huán)水冷機(jī)的制冷,溫度設(shè)置為17 ℃。采用長(zhǎng)度為80 mm的“L”形諧振腔。

圖5 LD同向偏振雙端泵浦Tm∶YLF激光器實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

泵浦光經(jīng)平凸透鏡f1聚焦透射至鍍有792 nm偏振分光器M1,泵浦光變?yōu)槠窆?。π偏振光?jīng)平凸透鏡f2聚焦透射至鍍792 nm抗反膜和1910 nm高反膜的激光全反鏡M2,經(jīng)激光全反鏡M2透射入射至Tm∶YLF激光晶體。σ偏振光經(jīng)過f1,由全反鏡M4反射至半波片M5后轉(zhuǎn)變?yōu)棣衅窆?π偏振光經(jīng)全反鏡M6、M7反射至平凸透鏡f2,M4、M6、M7鍍有792 nm高反膜。經(jīng)平凸透鏡f2后透射至兩面分別鍍1910 nm高反膜及792 nm高透膜的45°激光全反鏡M3,經(jīng)45°激光全反鏡M3透射入射至Tm∶YLF激光晶體,Tm∶YLF晶體吸收同向π偏振泵浦光產(chǎn)生1910 nm激光輻射,經(jīng)平凹輸出耦合鏡OC耦合輸出。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用以上實(shí)驗(yàn)裝置搭建實(shí)驗(yàn),激光器輸出特性如圖6所示,當(dāng)不加入半波片的LD雙端非同向偏振泵浦Tm∶YLF激光器,注入47.43 W的功率時(shí),能夠輸出激光14.28 W,斜效率為36.13 %。當(dāng)半波片插入諧振腔時(shí),LD雙端同向偏振泵浦Tm∶YLF激光器,相應(yīng)的斜效率為37.26 %,提升1.13 %,由于插入半波片后同向偏振的泵浦光泵浦Tm∶YLF晶體,增加了晶體的吸收效率,通過優(yōu)化泵浦結(jié)構(gòu),有效提高了晶體的增益。

圖6 LD雙端偏振泵浦Tm∶YLF激光器的輸出特性

使用以色列OPHIR公司研制的L150A-V1功率計(jì),在不同耦合輸出鏡參數(shù)下測(cè)量激光器的輸出功率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同曲率半徑下的LD同向偏振雙端泵浦Tm∶YLF激光器的輸出特性

輸出耦合鏡曲率半徑和透過率分別為R=150 mm,T=15 %時(shí),LD雙端共注入47.45 W時(shí),激光器的輸出功率為15.22 W,泵浦閾值功率為5.01 W,相應(yīng)的斜效率和光-光轉(zhuǎn)換效率分別為37.22 %,32.07 %。當(dāng)R=200 mm時(shí),泵浦閾值功率為6.52 W,光-光轉(zhuǎn)換效率和斜效率分別為30.02 %,38.54 %。當(dāng)R=300 mm時(shí),泵浦閾值功率為10.87 W,光-光轉(zhuǎn)換效率和斜效率分別為為9.89 %,13.86 %。由此看出,當(dāng)輸出耦合鏡曲率半徑增加,激光器的泵浦閾值功率隨之增加；腔內(nèi)損耗也隨之增加；輸出功率隨之降低；光-光轉(zhuǎn)換效率和斜效率隨之降低。激光器的最佳參數(shù)分別為,諧振腔長(zhǎng)度L=80 mm,輸出耦合鏡透過率和曲率半徑為T=15 %,R=150 mm。

圖8 LD同向偏振雙端泵浦Tm∶YLF激光器輸出光譜圖

圖9 LD同向偏振雙端泵浦Tm∶YLF激光器的光束質(zhì)量

5 結(jié) 論

本文采用了同向偏振泵浦技術(shù),最終實(shí)現(xiàn)了LD雙端同向偏振泵浦Tm∶YLF激光器的1.9 μm高效輸出。實(shí)驗(yàn)根據(jù)輸出耦合鏡不同曲率半徑對(duì)激光器輸出功率影響進(jìn)行分析,當(dāng)輸出耦合鏡曲率半徑R=150 mm,透過率T=15 %為最佳參數(shù)；諧振腔長(zhǎng)度80 mm。實(shí)驗(yàn)采用偏振分光器和半波片使泵浦光轉(zhuǎn)換為同向偏振光注入晶體,當(dāng)泵浦功率為47.42 W時(shí)實(shí)現(xiàn)了14.72 W的功率輸出。波長(zhǎng)為1907.6 nm,線寬1.26 nm。斜效率為37.24 %,光-光轉(zhuǎn)化效率為31%。通過優(yōu)化泵浦結(jié)構(gòu),使晶體內(nèi)溫度分布更均勻,改善晶體內(nèi)熱效應(yīng),有效提高了激光晶體增益。