熱透鏡效應補償的高功率Nd∶YAG激光器的優化設計

吳　羽, 龍曉莉, 焦中興, 何廣源, 張　倩

(1.廣州大學 實驗中心, 廣州 510006； 2.中山大學 理工學院 光電材料與技術國家重點實驗室, 廣州 510275)

文章編號：1001-3806(2015)03-0377-04

熱透鏡效應補償的高功率Nd∶YAG激光器的優化設計

吳羽1, 龍曉莉1, 焦中興2, 何廣源2, 張倩1

(1.廣州大學 實驗中心, 廣州 510006； 2.中山大學 理工學院 光電材料與技術國家重點實驗室, 廣州 510275)

摘要：為了獲得高功率、高光束質量的1064nm激光，采用凹透鏡作為補償透鏡來補償激光棒的熱透鏡效應。對補償透鏡的選取進行理論分析，并使用所設計的包含補償透鏡的平平諧振腔Nd∶YAG激光器進行了實驗驗證。在實驗中，使用焦距為250mm的凹透鏡、透過率為30%的輸出耦合鏡，獲得了55W的高功率、高光束質量的1064nm激光輸出。結果表明，此項研究對高功率、高光束質量激光器諧振腔的設計是有幫助的。

關鍵詞：激光器;Nd∶YAG激光器;熱透鏡效應;光束質量;諧振腔

中圖分類號：TN248.1

文獻標志碼：A

doi:10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.03.021

Optimal design of high power Nd∶YAG laser based on

compensation of thermal lens effect

WUYu1,LONGXiaoli1,JIAOZhongxing2,HEGuangyuan2,ZHANGQian1

(1.Laboratory Center, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China; 2. State Key Laboratory of Optoelectronic Materials and Technologies, School of Physics and Engineering, SUN Yat-sen University, Guangzhou 510275, China)

Abstract：In order to obtain 1064nm laser with high power and high beam quality, a laser resonator was designed to solve thermal lens effect with a concave lens as compensation lens. The selection of the compensation lens was analyzed. A Nd∶YAG laser with a compensation lens and a plano-plano cavity was verified in the experiment. High beam quality 55W 1064nm laser was obtained when the focal length of the concave lens was 250mm and the transmittance of the output mirror was 30%. This research is helpful to the design of laser resonators with high power and beam quality.

Key words:lasers； Nd∶YAG laser； thermal lens effect； beam quality； resonator

E-mail:wuyu8320@163.com

引言

二極管抽運Nd∶YAG激光器由于具有高功率、高效率、成本低廉、壽命長等優點，已經被廣泛應用于工業生產、科學研究、醫療診斷、環境監測等領域。隨著激光應用的發展，人們對固體激光器的輸出功率、光束質量、穩定性等方面的要求逐漸提高。熱透鏡效應作為影響固體激光器性能的關鍵因素之一，在諧振腔設計中已經得到廣泛關注[1-6]。為了獲得高功率、高光束質量的激光輸出，必須采取一定的措施對激光棒的熱透鏡效應進行補償。作者以1064nm Nd∶YAG激光器為研究對象，采用He-Ne激光探測法測量了熱透鏡焦距，并根據測量到的參量，對Nd∶YAG激光器進行了諧振腔的優化設計，選擇合適的補償透鏡對激光棒的熱透鏡效應進行了補償。理論分析了激光棒主截面處光腰半徑分布曲線以及失調靈敏度曲線圖，并做了相應的實驗研究。實驗表明，在激光器諧振腔內加入凹透鏡補償YAG激光棒的熱透鏡效應，并通過合理選擇凹透鏡及腔結構，可獲得55W激光輸出，光束質量M2≈4.0。

1Nd∶YAG激光器的優化設計

1.1　激光器諧振腔結構

要想獲得高功率、高光束質量的1064nm激光，首先必須解決影響固體激光諧振腔輸出的最主要因素，即固體激光工作物質中存在的熱透鏡效應。傳統的固體激光器在高功率工作時，由于熱透鏡效應，輸出的激光光束質量變差并且功率下降，為此，可以采用在諧振腔內加入負透鏡的方法來補償熱透鏡效應。

MAGNI提出的動態穩定腔概念為設計和優化諧振腔提供了理論基礎[7-9]。所謂的動態穩定腔滿足以下條件：(1)有較大的基模體積，充滿增益介質；(2)基模體積大小對熱透鏡焦距的變化不敏感；(3)腔鏡有最低的失調靈敏度。作者嘗試只在簡單腔內加入一個凹透鏡，補償YAG激光棒的熱透鏡效應，并通過優化諧振腔的結構，擬用最簡單的結構實現有一定動態穩定性的諧振腔。

本文中討論兩種結構:簡單平平腔結構和加入凹透鏡補償熱透鏡效應的平平腔結構。

1.2　凹透鏡的補償作用

首先，只考慮YAG激光棒的熱透鏡效應，把YAG激光棒理想化為一個厚透鏡做計算。采用圖1所示的諧振腔結構，考慮有補償凹透鏡和沒有補償凹透鏡兩種情況。根據ABCD光線變換矩陣理論，計算中得到YAG激光棒主截面處的光腰半徑wYAG隨熱透鏡的光焦度D(熱透鏡焦距的倒數)變化的關系曲線(見圖2)。計算中使用的參量如下：總腔長為286mm，YAG激光棒長度為120mm，凹透鏡焦距為250mm，YAG棒端面到凹透鏡的距離為25mm。

Fig.1　Schematic of Nd∶YAG laser cavity

Fig.2　Optical power vs. beam waist radius at the main section of YAG laser rod

由圖2可以看到，激光器有兩個穩區，其中左邊瓣對應于第二穩區，右邊瓣對應于第一穩區。腔內加入補償透鏡后，激光器的兩個穩區發生了右移，這樣有利于讓激光器工作在高的抽運電流下，以得到高功率的激光輸出。因為在高抽運電流下，激光二極管(laser diode,LD)的抽運功率越大，熱透鏡的光焦度也越大。由圖2也可知，加入補償凹透鏡后，穩區寬度變窄，相應地最小光腰半徑增大。一般地，穩區寬度ΔD與最小光腰半徑wmin滿足以下關系:

若希望激光器有較大的基模體積，則要求wYAG較大。從圖2中也看到，在穩區的邊緣附近， wYAG會趨于無窮大，然而在此狀態下的激光器十分不穩定，輸出功率波動嚴重，無法正常應用。激光器的最佳工作點在wYAG為最小值wmin的位置。一般希望wmin有較大的值，以便讓基模充滿增益介質。在腔內加入補償凹透鏡后，wmin有所增大，更有利于激光器基模運轉，但是，同時引起的穩區的變窄也必須予以考慮。

光束質量因子可以近似為[10]:

式中，d為激光棒直徑，wt為激光棒內基模高斯光束的半徑。

分別將兩種腔型的wmin代入上面公式中的wt，激光棒有效增益直徑d取為2mm，計算得到無補償透鏡時，M2=11.2;有補償透鏡時，M2=8.0?？梢姡尤胙a償凹透鏡后，光束質量有了明顯的提高。

1.3　凹透鏡的選擇

本實驗室使用的抽運模塊抽運電流范圍為0A~25A，抽運模塊LD閾值電流為8A。使用的YAG激光棒長度為120mm，直徑為4mm。采用He-Ne激光器探測法，測量了激光棒的熱透鏡焦距隨抽運電流的變化關系，如圖3所示。激光器工作在大電流情況下(12A~18A)，對應的熱透鏡焦距范圍約從93cm~26cm。

Fig.3　Relationship of thermal focus and pump current

結合諧振腔參量，并考慮圖3中激光棒的熱透鏡焦距隨抽運電流變化關系，可以計算出激光器的穩區分布(見圖4左側縱坐標)，并根據動態穩定腔設計理論得出諧振腔的失調靈敏度曲線(見圖4右側縱坐標)。從圖4的左側縱坐標對應曲線看到，激光器有兩個穩區，低抽運電流處對應第二穩區，高抽運電流處對應第一穩區。實驗條件限制抽運電流只能在0A~25A調節，因此激光器只能工作于第二穩區。從圖4的右側縱坐標對應曲線可知，在第二穩區左邊緣處(低電流位置)失調靈敏度非常大，說明激光器剛進入穩區時會非常不穩定，不能有效地正常工作。然而，隨著抽運電流的增加，失調靈敏度迅速降低，在第二穩區的中部和右部，失調靈敏度已經與第一穩區的值相近，說明此時激光器能夠很好地正常工作。

Fig.4　Stable zone and misalignment sensitivity vs. pump current

2實驗研究與分析

實驗中激光器結構如圖1所示。其中Nd∶YAG抽運模塊的抽運源由5組最大功率為120W的808nm的LD組成，在抽運電流為25A時，模塊具有最大抽運功率為500W。激光器的增益介質是直徑為4mm，長度為120mm的Nd∶YAG激光棒，其Nd摻雜體積分數為0.009。激光棒兩端面為平面，并鍍有1064nm增透膜。Q開光使用雙頭聲光Q開關，具有兩輸入端，能同時在x和y方向產生衍射。它比單頭的聲光Q開關具有更高的衍射損耗，能夠關斷更高功率的激光。Q開關的重復頻率范圍從1Hz～100kHz。圖1中，M2為1064nm高反鏡，M1為1064nm輸出鏡，M1的透過率為5%到30%不等;凹透鏡的焦距為250mm，兩面鍍有1064nm增透膜。

首先，對比了在相同腔長下，諧振腔內沒有凹透鏡和含有凹透鏡時候，激光輸出功率的差異。兩者諧振腔的長度均約為290mm，M1均為輸出耦合器(output coupler,OC)。兩者的1064nm激光輸出功率曲線見圖5。無凹透鏡時，激光器的抽運電流閾值約11.7A，而加入凹透鏡后，抽運電流閾值約16.8A，后者比前者高了許多。其主要原因是加入凹透鏡后，激光器的穩定區往高抽運電流方向發生了偏移。雖然加入凹透鏡后，抽運電流閾值提高了，但激光器的斜效率提高了許多。在高抽運電流狀態下，有凹透鏡的諧振腔比無凹透鏡的諧振腔的激光輸出功率要高。

Fig.5　Output power vs. pump current in different conditions

實驗中，分別采用透過率為5%,10%,20%和30%的M1，結果發現30%的M1的效果最好，獲得的1064nm激光輸出功率最大(見圖5)。這是由于高透過率的輸出耦合鏡有利于把腔內的激光能量提取出來，從而得到更高的輸出功率，但是并不是透過率越大越有利于輸出功率的提高。根據理論分析，輸出鏡的透射率為30%到40%比較合適。由于只改變了輸出耦合鏡的透過率，其位置沒有改變，所以兩者的閾值電流也是基本一致的。

接著，縮短了凹透鏡一臂的長度，從200mm縮短到100mm，凹透鏡的位置不變。得到的結果是，輸出功率有所提升，原因是短腔具有更大的菲涅耳數，衍射損耗更低。此腔結構與圖4中數值計算的腔型一致?？梢钥吹剑瑘D4中數值計算得到的閾值電流(穩區的左邊緣)為16.3A，而圖5中對應的實驗值為16.4A，兩者基本吻合。用電荷耦合器件(charge coupled device,CCD)記錄了不同抽運電流下，激光的輸出光斑的圖樣，見圖6。從圖中能看到激光器從多模到單模的變化情況，對應著前面描述的激光器從非穩態到穩態的變化。抽運電流剛超過閾值時，輸出功率十分不穩定；電流達17.5A時，功率波動超過10%，此時輸出光斑形狀不規則，旁瓣較強，中心較弱，處于多模狀態；電流從18A提高到19.5A，光斑中心強度逐漸增強，旁瓣強度逐漸減弱，此過程對應激光器從穩區邊緣高失調靈敏度到穩區中央低失調靈敏度的過渡(見圖4)；抽運電流大于20A后，旁瓣消失，光斑強度集中在中心處，光斑呈圓形；從圖6中的大圖可以看到,抽運電流為21A時，光斑的水平和垂直方向的截面形狀均接近高斯分布。使用透過率為30%的輸出耦合鏡，重復頻率為8kHz，在抽運電流為20A時，得到55W的激光輸出。使用刀口法測量得到光束質量M2≈4.0。

Fig.6　Laser spots changing with the pump current

3結論

對1064nm Nd∶YAG激光器的熱透鏡效應補償進行了理論和實驗的研究。通過在諧振腔內加入補償凹透鏡，并對諧振腔結構進行優化設計。利用所設計的諧振腔結構，通過實驗優化，獲得了55W的1064nm激光輸出，在保證輸出高功率的前提下，提高了激光光束質量，達到國內先進水平,具有實際意義。

參考文獻

[1]HE G Y, GUO J, WANG B,etal. Generation of radially polarized beams based on thermal analysis of a working cavity[J]. Optics Express, 2011,19(19): 18302-18309.

[2]NIU R L, LIU J, LIU Ch Ch,etal. Theoretical investigation on thermal lensing effects of Yb∶KY(WO4)2in diode-pumped lasers[J].Optik, 2011,122(21): 1931-1934 .

[3]WANG Y, INOUE K, KAN H,etal. Study on thermally induced depolarization of a probe beam by considering the thermal lens effect[J]. Journal of Physics, 2009,D42 (23):235108.

[4]HAO H, ZHANG Y, HE Y P. Thermal effect of end-pumped laser crystal with circular cross-section[J].Chinese Journal of Lasers, 2010,37(1): 49-52(in Chinese).

[5]WYSS E, ROTH M, GRAF T,etal. Thermooptical compensation methods for high-power lasers[J]. IEEE Journal of Quantum Electron, 2002,38 (12): 1620-1628.

[6]LI L, GAN A Sh, QI B,etal. Thermal effect of LD end-pumped Nd∶YAG crystal with variable thermal conductivity[J]. Laser Technology, 2012, 36(5):612-616(in Chinese).

[7]MAGNI V. Resonators for solid-state lasers with large-volume fundamental modes and high alignment stability[J]. Applied Optics, 1986, 25(1): 107-117.

[8]MAGNI V, VALENTINI G, SILVESTRI S D. Recent developments in laser resonator design[J]. Optical and Quantum Electronics, 1991,23(9): 1105-1134.

[9]CERULLO G, de SILVESTRI S, MAGNI V,etal. Output power limitations in CW single transverse mode Nd∶YAG lasers with a rod of large cross-section[J]. Optical and Quantum Electronics, 1993,25 (8): 489-500.

[10]ZHANG S M. Research on high-brightness all-solid-state laser and continuous-wave intracavity mid-infrared optical parametric oscillator based on PPLN[D].Tianjin:Tianjin University,2007:36-37(in Chinese).

收稿日期：2014-04-02；收到修改稿日期：2014-07-17

作者簡介：吳羽(1982-)，女，碩士，主要從事光電技術方面的研究。

基金項目：廣州市教育科學十二五規劃2014年度資助項目(1201431248)