半導體雙端抽運三程折疊諧振腔板條激光器

鄧溯平，陳培鋒，王 英，龔 磊

(華中科技大學 光學與電子信息學院，武漢 430074)

半導體雙端抽運三程折疊諧振腔板條激光器

鄧溯平，陳培鋒*，王 英，龔 磊

(華中科技大學 光學與電子信息學院，武漢 430074)

為了獲得簡單緊湊的固體激光器，采用半導體端面抽運三程折疊諧振腔板條激光器，建立了熱透鏡等效腔模型，進行了等效腔穩(wěn)定性及腔內(nèi)基模光斑半徑的仿真分析，將新型結構與平-平腔結構進行了比對性實驗研究。結果表明,在三程折疊腔長為170mm時，獲得了21W的1064nm激光功率輸出，光光轉換效率為16.4%，斜效率為25%，水平和豎直方向上的M2因子分別為10.8和2.76。同等條件下，水平方向上M2因子從平-平腔的152.7優(yōu)化到三程折疊腔的10.8；輸出光斑水平方向尺寸由平-平腔的10.8mm壓縮到三程折疊腔的4.1mm,驗證了結構簡單緊湊的端面抽運三程折疊諧振腔激光器光束的輸出能力。該研究對獲得腔內(nèi)調(diào)Q和腔內(nèi)倍頻532nm激光器有實際意義。

激光器；諧振腔；雙端抽運；諧振腔穩(wěn)定性；基模

引 言

半導體抽運固體激光器相比于燈抽運的固體激光器具有明顯的優(yōu)勢。半導體抽運激光器具有更高電光效率、更高光束質(zhì)量、更高穩(wěn)定性、更長工作壽命以及結構更緊湊，廣泛應用于激光打標、切割和打孔等領域[1]。

由于激光躍遷過程中量子效率小于1及量子虧損的存在，固體激光器運行的過程中會產(chǎn)生廢熱，隨著抽運功率逐漸增加，增益介質(zhì)內(nèi)熱效應會越來越嚴重，最終會直接影響激光器的輸出特性[1]。1998年，德國夫瑯禾費激光技術研究所DU等人提出部分端面抽運固體激光器，獲得了水平方向和豎直方向光束質(zhì)量分別為1.3和1.7的31W激光輸出[2]。2012年，北京理工大學MAO等人采用同樣結構獲得202W激光輸出[3]，M2因子在晶體水平方向和豎直方向分別為1.72和2.25，光光轉換效率47.5%。

作者旨在采用更簡單的單透鏡抽運耦合結構以及更緊湊的三程折疊諧振腔結構[4]獲得較高轉換效率和較好光束質(zhì)量輸出，驗證端面抽運折疊腔輸出能力，為實現(xiàn)短波長脈沖輸出端面抽運激光器做準備。

1 雙端部分端面抽運Nd∶YVO4三程折疊腔結構

傳統(tǒng)的固體激光器增益介質(zhì)一般采用棒狀結構，但是中心軸處的熱效應嚴重，導致輸出的光束質(zhì)量差。板條激光器的增益介質(zhì)是板條形狀的，通過大面與熱沉[5]或者特制的冷卻液接觸[6-8]大大增加了散熱的面積、提高散熱效率，有效地削弱了熱效應。同時可以將2維的熱效應簡化成為1維的熱效應，便于熱管理，是獲得高光束質(zhì)量、高功率輸出的常用途徑。

目前半導體抽運固體激光器抽運方式主要有端面抽運[2]和側面抽運[1]等方式。端面抽運方式相比于側面抽運，增益區(qū)與腔內(nèi)諧振模式有更好的空間重疊率，能獲得更高的轉換效率和更低的抽運閾值。部分端面抽運混合腔采用穩(wěn)-非穩(wěn)混合腔結構[2,5]，晶體端面上抽運光能量水平方向上均勻分布，相比于普通端面抽運激光器，豎直方向上尺寸接近基模尺寸，與穩(wěn)腔的基模體積有更高的空間重疊率。在板條豎直方向穩(wěn)腔基模輸出，在板條水平方向非穩(wěn)腔近似平行光輸出；可以更容易實現(xiàn)高效率、高光束質(zhì)量激光功率輸出。

實驗中分別采用平-平腔結構(如圖1a所示)和三程折疊腔結構(如圖1b所示)驗證部分端面抽運激光器的光束輸出能力。采用多程折疊腔的主要目的是為了減小諧振光束截面，提高光束質(zhì)量，為進一步實現(xiàn)腔內(nèi)調(diào)Q和倍頻提供依據(jù)。平-平腔輸出則主要作為對比。平-平腔結構由M1,M2,M5和M6反射平鏡組成，腔長約170mm，其中M1和M2鍍有入射角為45°的1064nm高反膜和入射角為45°的808nm增透膜，M5是鍍有1064nm高反膜的全反尾鏡，M6是鍍有1064nm部分透過膜的輸出鏡。三程折疊腔結構是在平-平腔內(nèi)插入兩片鍍有1064nm全反膜平面反射鏡M3和M4，計算M3和M4擺放角度對光束偏轉以實現(xiàn)光束在腔內(nèi)折疊，最終實現(xiàn)諧振光在諧振腔內(nèi)單程3次通過晶體往返有6次通過晶體，等效獲得更長增益長度，使激光器結構更緊湊。圖中,fc為耦合鏡焦距。

Fig.1 Schematic setup of a dual-end LD-pumped Nd∶YVO4 laser

實驗用的Nd∶YVO4晶體摻雜體積分數(shù)為0.003，a軸切割，尺寸為2mm×12mm×8mm，兩個2mm×12mm通光面鍍有1064nm和808nm增透膜。晶體兩個12mm×8mm大面與熱沉之間通過0.2mm厚銦片接觸傳熱[9]，熱沉采用黃銅通水冷卻控制溫度在25℃附近。

由于a軸切割的Nd∶YVO4晶體對c偏振的抽運光吸收系數(shù)峰值要遠高于e偏振的抽運光，且該晶體對c偏振抽運光具有最大的發(fā)射截面能提高發(fā)射效率，同時獲得偏振輸出[10]，因此選用輸出帶有c偏振808nm波長的板條，單條功率為100W。每個板條的輸出帶有快軸發(fā)散角壓縮，小于0.5°, 慢軸發(fā)散角為8°左右。

目前國內(nèi)外研究多采用平板波導和透鏡組整形耦合系統(tǒng)，將抽運光斑整形成豎直方向上高斯分布水平方向均勻分布的細線[2]。本實驗中為使激光器結構簡單緊湊，采用鍍有808nm增透膜的單個圓透鏡對抽運光進行聚焦耦合到晶體，將根據(jù)晶體內(nèi)部基模光斑尺寸確定耦合透鏡焦距。

2 理論分析

為獲得高光束質(zhì)量的激光輸出，應使激光近基模運轉，同時為了高效率、高功率輸出，則需要使在增益介質(zhì)內(nèi)的模體積盡量大且使抽運光尺寸與模體積匹配[11-12]。由于固有的量子虧損及激光躍遷過程中小于1的量子效率[1]，固體激光器運行過程中不可避免會產(chǎn)生廢熱，且Nd∶YVO4晶體的導熱性差；豎直方向上抽運光聚焦在晶體中央小尺寸區(qū)域，導致晶體內(nèi)豎直方向上抽運光功率密度分布極不均勻，因此，晶體豎直方向上比水平方向具有更明顯的溫度梯度，由此產(chǎn)生熱應力雙折射、折射率改變和晶體端面形變綜合為晶體熱透鏡效應[1]，必須考慮熱透鏡效應對腔內(nèi)各處的模參量和諧振腔穩(wěn)定性的影響。

由于豎直方向更嚴重的熱透鏡效應，三程折疊諧振腔穩(wěn)定性取決于豎直方向熱焦距。抽運光在豎直方向的分布尺寸會影響溫度梯度進而影響熱焦距的值，而熱焦距的值會影響腔內(nèi)模體積大小，抽運光與模式空間重疊率決定了光光轉換效率[13]，因此熱焦距反過來又影響了抽運光斑的尺寸分布，計算腔內(nèi)基模尺寸及穩(wěn)定性之前需要先確定熱焦距的范圍。根據(jù)目前已有的研究成果，抽運功率在30W～180W抽運時，平-平腔內(nèi)晶體熱透鏡焦距在50mm～100mm之間[14-19]。

三程折疊諧振腔熱效應等效腔模型如圖2所示。圖中f1,f2和f3分別是3次通過增益介質(zhì)時熱效應帶來的熱焦距。設三程折疊腔內(nèi)晶體熱焦距為f，當抽運光在水平方向非常均勻時，取f1=f2=f3=f。實驗中僅采用單個耦合透鏡整形耦合時，抽運條在水平方向輸出并不均勻，用ZEMAX軟件對抽運光進行非序列性光線追跡模擬，以晶體中心為原點，得到晶體表面水平方向功率相對分布如圖3所示。由圖可估算光功率P1=P3=0.9P2，根據(jù)熱焦距公式與入射光功率反比關系[9,14-15]，取f1=f3=1.1f，f2=f。

Fig.2 Equivalent model of thermal effect for a folded three-pass resonator

Fig.3 Distribution of relative pump power in x direction

利用Q參量法計算不同熱焦距f時諧振腔內(nèi)不同位置基模光斑尺寸及諧振腔的穩(wěn)定性[18]。計算三程折疊諧振腔結構時應考慮幾點：使基模在晶體內(nèi)部尺寸應盡量大以獲取大的模體積；同時使輸出鏡表面的束腰尺寸與晶體內(nèi)光斑尺寸接近；最后應考慮使腔體積盡量緊湊。畫出不同熱焦距情況下腔內(nèi)不同位置基模光斑尺寸，比較計算結果得出熱效應等效腔在l1=l4=85mm，l2=l3=120mm時可以獲得較理想基模尺寸。取f1=f3=1.1f,f2=f=60mm,此時腔內(nèi)不同位置基模光斑豎直方向上的半徑如圖4所示。

Fig.4 Beam radius of the fundamental mode at different positions of the resonator starting from M5

結果顯示，晶體內(nèi)基模光斑豎直方向上的直徑約為0.4mm，則要求晶體內(nèi)抽運光斑豎直方向尺寸約為0.4mm厚、水平方向尺寸為12mm寬，從而計算出耦合透鏡的焦距fc=36mm，抽運條到透鏡距離為73mm，透鏡到晶體表面距離為88mm。經(jīng)測量，單邊抽運聚焦透鏡和偏折鏡M1或M2對抽運光的傳輸效率約為90%。

根據(jù)腔的穩(wěn)定條件，計算折疊腔熱焦距等效腔l1=l4=85mm，l2=l3=120mm時三程折疊腔穩(wěn)定性。取熱焦距f1=f3=1.1f，f2=f，計算出結果如圖5a所示；同時計算平-平腔熱效應等效腔穩(wěn)定性作為對比，如圖5b所示。

Fig.5 Influence of three identical thermal focal lengths on resonator stability

結果表明，熱焦距f在38mm～44mm范圍和109mm～120mm范圍內(nèi)時折疊諧振腔處于非穩(wěn)腔狀態(tài)，f=62mm左右折疊腔處于臨界腔狀態(tài)；相比于平-平腔結構，三程折疊腔穩(wěn)定性范圍在長熱焦距范圍明顯縮小，但兩種腔型在短熱焦距40mm左右均處于非穩(wěn)腔狀態(tài)?？傊?，三程折疊腔在抽運為30W～180W時屬于穩(wěn)定腔，在更高抽運功率或者晶體散熱效果不理想時，會因為嚴重的熱效應進入非穩(wěn)腔狀態(tài)。

3 實驗結果及分析

選用前述晶體和腔鏡選型，根據(jù)理論分析結果，選擇焦距fc=36mm的耦合圓透鏡及調(diào)整好諧振腔的腔鏡位置；設置實驗循環(huán)冷卻水溫度為25℃，使用Ocean Optics公司的USB4000光譜儀測得半導體抽運源中心波長分別為805.3nm和807.2nm。

在腔長為170mm平-平諧振腔中，使用20%透過率輸出鏡時輸出效果最優(yōu)，功率輸出曲線如圖6所示。在抽運功率Pin=157W時，可以獲得最大輸出功率Pout=58.3W(因為光傳輸系統(tǒng)對光源有損耗，傳輸效率只有90%，所以獲得最大輸出功率時，實際抽運功率為142W左右)。此時光光轉換效率為37.1%，斜效率約為47.6%；測量輸出鏡后不同位置光斑尺寸，計算得水平方向和豎直方向M2因子分別為152.7和2.5。

Fig.6 Relationship between output power and pump power ofthe parallel-plane resonator and folded three-pass resonator

在平-平諧振腔中加入平面反射鏡M3和M4，計算實現(xiàn)腔內(nèi)諧振光束三程折疊偏轉角度，調(diào)節(jié)反射鏡角度和位置。三程折疊腔在實際腔長為170mm、熱效應等效腔長為390mm時，使用20%透過率輸出鏡時輸出效果最優(yōu)，輸出曲線如圖6所示。在抽運功率為128W時獲得最大輸出功率為21W(同樣因為傳輸效率損耗，最大輸出功率對應的抽運功率為180W左右)。此時光光轉換效率為16.4%，斜效率為25%左右；測量計算得水平方向和豎直方向的M2因子分別為10.8和2.76。距離輸出鏡70mm位置處，測得輸出光斑水平方向尺寸由平-平腔的10.8mm壓縮到折疊腔的4.1mm。

由輸出功率曲線可以看到，三程折疊腔斜效率低于平-平腔，原因是折疊腔內(nèi)增加了兩片平面反射鏡帶來了損耗；另外熱效應等效腔長比平-平腔更長也是損耗的一部分原因。總抽運功率大于148W后，進一步增加抽運功率，輸出功率明顯降低。分析認為，在高功率抽運時，首先由于抽運光中心波長并不在晶體最佳吸收峰808nm處，轉換效率不高，產(chǎn)生廢熱多；其次晶體和散熱銦片厚度尺寸都過大，散熱效率不高，使得熱焦距減小，諧振腔進入非穩(wěn)腔狀態(tài)，最終導致輸出下降。

下一步著重改善晶體熱效應問題和抽運整形：將晶體厚度和傳熱銦片厚度減小，提高散熱效率；設計平板波導透鏡組減小抽運細線厚度，提高系統(tǒng)耦合效率，提高水平方向抽運均勻性；最終提高光光轉換效率、輸出功率和光束質(zhì)量。

4 結 論

提出了一種新型緊湊的雙端抽運三程折疊諧振腔板條激光器，理論分析了諧振腔的穩(wěn)定性和腔內(nèi)基模尺寸，并根據(jù)分析結果進行實驗研究，獲得三程折疊諧振腔最大輸出功率21W，斜效率25%，光光轉換效率16.4%。三程折疊諧振腔輸出相比于平-平腔輸出結果，水平方向M2因子由152.7顯著減小為10.8，輸出光斑水平方向尺寸由10.8mm壓縮到折疊腔的4.1mm，這表明LD端面抽運多程折疊諧振腔激光器的相比于平-平腔結構具有更好的光束輸出能力。改進激光器現(xiàn)有冷卻和抽運結構，在腔內(nèi)兩片尾鏡前分別加入調(diào)Q器件和倍頻器件[19-21]，可以獲得短波長脈沖輸出，可應用于印制電路板鉆孔切割等激光微加工[22]領域。

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Dual-endLD-pumpedslablaserswithfoldedthree-passresonators

DENGSuping,CHENPeifeng,WANGYing,GONGLei

(School of Optical and Electronic Information， Huazhong University of Science and Technology， Wuhan 430074， China)

In order to obtain simple and compact solid-state lasers, a LD end-pumped slab laser with a folded three-pass resonator was used and its thermal lens equivalent cavity model was established. The equivalent cavity stability and cavity mode radius were simulated and analyzed. The new structure and flat cavity structure were studied comparatively based on experiments. The results show that, when the length of the folded three-pass cavity is 170mm, the power output of 1064nm laser is 21W, light-light efficiency is 16.4%, slope efficiency is 25%, andM2factors in horizontal and vertical directions are 10.8 and 2.76 respectively. Under the same conditions,M2factor in horizontal direction is improved from 152.7 of the parallel-plane resonator to 10.8 of the folded three-pass cavity. The horizontal direction of output spot is compressed from 10.8mm of the parallel-flat cavity to 4.1mm of the folded three-pass cavity. Beam output capability of the simple and compact end-pumped laser with a folded three-pass resonator is verified. The study is of practical significance for obtaining intracavityQ-switched and intracavity frequency-doubled 532nm lasers.

lasers; resonator; dual-end pump; stability of resonator; fundamental mode

1001-3806(2018)01-0043-05

鄧溯平(1992-)，男，碩士研究生，現(xiàn)主要從事半導體抽運固體激光器的研究。

*通訊聯(lián)系人。E-mail: pfchen@mail.hust.edu.cn

2017-02-13；

2017-04-13

TN242;TN243;TN248.1

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2018.01.009