LD端面泵浦Tm：YAG聲光調Q激光器設計

王 瑋

深圳技師學院中德智造學院（廣東 深圳 518116）

0 引言

2 μm激光器在大氣傳輸中具有人眼安全特性，可作為激光雷達、激光測距機等的理想光源[1-3]。由于其覆蓋了水分子和二氧化碳分子的吸收帶，使激光很容易被生物組織吸收，因此還可以作為手術刀用于醫療。2 μm波段室溫運行的固體激光器的應用前景非常廣闊，已成為近年來國內外研究的熱點之一[4-6]。文章意圖設計一種2 μm波段的激光器，采用激光二極管LD端面泵浦，工作物質為Tm：YAG，輸出波長為2 013 nm。

1 激光介質的能級結構、泵浦源選擇以及工作物質參數

Tm：YAG是準三能級系統，對2 013 nm激光而言，3H6是激光下能級，3F4是激光上能級，3H4是抽運高能級。離子從激光下能級3H6受激吸收躍遷到抽運高能級3H4，然后從抽運高能級無輻射躍遷到激光上能級，從激光上能級3F4向激光下能級可以受激輻射出光子，從而產生2 013 nm的激光。

由于需要產生2 013 nm的激光波長，即3H6是激光下能級，3H4是抽運高能級，對應的是吸收中心波長為785 nm的光，這樣就確定了泵浦中心波長為785 nm。因此，選擇最大輸出功率20 W的光纖耦合半導體激光器為泵浦源，其中心波長為792 nm，通過調整激光二極管溫度抽運光波長可控制到785 nm。光纖芯徑為200 μm，耦合系統對785 nm透過率為94%，泵浦方式為端面泵浦。

在工作物質方面，選取Tm：YAG晶體，長12 mm，直徑5 mm，摩爾摻雜濃度為3.5%，晶體折射率為1.82。晶體安裝在水冷模塊上，溫度控制在5～20 ℃。

2 激光器諧振腔設計

諧振腔采取平凹腔結構，輸入鏡為平面鏡，輸出鏡為凹面鏡。在設計諧振腔的參數時，必須考慮熱透鏡效應，而且Tm：YAG晶體的熱透鏡效應比較嚴重，會嚴重影響激光諧振腔的穩定。泵浦功率增大會導致熱透鏡焦距變小，可能會使諧振腔處于非穩腔不出光。因此，必須在考慮熱透鏡效應的基礎上，對激光諧振腔進行設計與優化。經過測算，熱透鏡焦距約為80 mm。

采用ABCD矩陣進行參數分析。輸入鏡M1曲率半徑為R1=100 m，距離晶體端面距離為z1，晶體長度為l，腔長為L，輸出鏡M2曲率半徑為R2。將激光晶體產生的熱透鏡視為焦距為fT的薄透鏡，其位置應為泵浦光在晶體內的聚焦位置，定義該位置距晶體端面z2。具體示意圖如圖1所示。

圖1 諧振腔參數示意圖

考慮要在整個激光器中加入聲光晶體，而一塊聲光晶體的長度不短于80 mm，加上激光棒長12 mm，并且諧振腔輸入鏡與激光棒、激光棒與聲光晶體、聲光晶體與輸出鏡之間都要有間距，因此整個諧振腔的腔長至少是100 mm。在編程計算中，可以令諧振腔腔長L在100～150 mm范圍內取值。以熱透鏡端面為參考面，諧振腔的ABCD矩陣可以寫為：

在以上參量中，已知量包括介質折射率n=1.82，激光棒長l=12 mm，熱透鏡焦距fT=80 mm；并且假設z1=7 mm，z2=5 mm，R2=120 mm。這樣未知量就只有L，然后根據穩定腔條件以及模式匹配條件解出L。

3 諧振腔鍍膜要求

對輸入鏡而言，由于需要讓泵浦光785 nm有較大的損耗，從而無法在腔內振蕩，因此其兩端都鍍785 nm的增透膜（T90%），同時在輸入鏡內側鍍2 013 nm的全反膜（R99.9%），使2 013 nm有較低的損耗，可以在腔內振蕩。對輸出鏡而言，其透過率不能太高，否則諧振腔損耗較大；透過率也不能太低，否則輸出激光功率低。因此，輸出鏡存在一個最佳透過率。通過測算與試驗得出，在2 013 nm的總透射率是T=3.6%。對晶體而言，雙端均鍍785 nm增透膜（T90%）和2 013 nm增透膜（T99.9%），可以讓785 nm泵浦光得到充分利用，同時也可以降低2 013 nm激光的損耗。

4 耦合光學系統設計

因為光纖直徑為0.2 mm，而在工作物質端面處的基模半徑為0.2 mm，所以設計了如下耦合光學系統：f1=50 mm，f2=100 mm；兩個透鏡的焦點f2與f1’重合，物（光纖端面）放在第一個透鏡的前焦面上。由應用光學知識可知，前焦面上的物體發出的光經過透鏡后平行出射，成為平行光。該束平行光入射第二個透鏡后，應該匯聚在第二個透鏡的后焦面上，物像比為1∶2，從而實現模式匹配。

5 聲光調Q設計

將聲光Q開關插入激光諧振腔內，當聲光電源高頻振蕩信號加在聲光Q開關的換能器上時，形成的超聲波振動會使聲光介質產生彈性形變，導致介質密度發生交替變化，從而引起介質折射率的變化，其效果相當于一個相位光柵。當光束通過相位光柵時，入射光會發生布拉格衍射，衍射光偏離諧振腔，產生極大損耗。因此，可以概括聲光調Q的原理，即利用介質中的超聲場對激光的衍射，造成光束的偏折，從而實現Q值突變。

聲光調Q開關時間一般小于光脈沖建立時間，屬于快開關類型。由于開關的調制電壓只需100多伏，所以可用于低增益的連續激光器，獲得峰值功率百千瓦、脈寬約為幾十納秒的高重復率巨脈沖。但是，聲光開關對高能量激光器的開關能力差，不宜用于高能調Q激光器。

6 激光器結構及設計參數

激光器的完整結構如圖2所示。激光器參數如下：

圖2 激光器完整結構示意圖

（1）耦合光學系統第二塊透鏡焦距100 mm；兩塊透鏡間隔150 mm，且兩者焦點重合；第二塊透鏡距離諧振腔輸入鏡88 mm。

（2）諧振腔參數：輸入鏡距離激光棒7 mm；泵浦光匯聚在距離激光棒內位于激光棒前端面5 mm處；激光棒后端面距離諧振腔輸出鏡106 mm；諧振腔腔長125 mm；諧振腔輸入鏡為平面鏡，輸出鏡為半徑120 mm的凹面鏡。

7 結論

由LD激光二極管發出的泵浦光經過耦合系統與諧振腔模式匹配后，將Tm：YAG晶體激發，產生粒子數反轉；同時，通過聲光晶體調Q使腔內損耗很大，因此無法形成激光振蕩，粒子在上能級積累；在合適的時間將調Q裝置反轉，諧振腔內的Q值迅速升高，損耗降低，從而使2 013 nm的激光在腔內形成振蕩，能量傾瀉而出，形成激光巨脈沖輸出。