基于超高斯特征的固體激光器輸出特性研究

景 貴 王垚廷 張博倫張 勛

（1.西安工業大學，陜西 西安 710021；2.西安應用光學研究所，陜西 西安 710065）

0 引言

半導體激光器通常也被稱為激光二極管（LD），是一種應用十分廣泛的激光器件，通常被用作固體激光器的泵浦源。與傳統燈泵浦源相比，LD具有的優勢主要有［1］：轉換效率高、熱效應小、空間匹配性好、壽命長。

1994 年，Gori［2］引入了一種描述平頂均勻空間分布激光光束的光束模型，即平頂高斯光束模型。當激光器在輸出光束時，其橫截面上光強分布與激光器的振蕩模式有關，在單模時，光強以高斯函數形式分布，被稱為高斯光束。由于平頂高斯光束的平頂均勻空間分布及高斯光束通過激光諧振腔來發出基模輻射場，其橫截面的振幅分布遵循高斯函數特點。以往對固體激光器熱效應的研究中，大部分研究者使用高斯分布或平頂高斯分布對溫度場進行分析，這是一種較理想化的光束分布模型［3］，而在固體激光器實際運轉中，超高斯分布模型比高斯分布模型更加符合實際情況［4］。其中，超高斯光束的數學物理模型由Parent 等［5］于1992 年首次提出，探討了初始超高斯場分布的近、遠場傳播問題。在傳播過程中，光束輪廓發生了隨超高斯階增加的畸變。本研究旨在分析不同階數的超高斯光束對晶體溫度的影響，并分析泵浦光和振蕩光的空間分布對激光輸出特性的影響，為諧振腔中泵浦光和聚焦透鏡位置的合理選擇提供理論基礎。以半導體激光器為泵浦源，對Nd：GdVO4的1 342 nm 固體激光器輸出特性情況進行測量，并對試驗數據進行處理，再使用數據分析軟件對超高斯函數進行擬合，對比分析結果。

1 超高斯光束模型

固態激光器的輸出特性并非僅由光學諧振腔的結構形狀所決定，而是受到增益分布的影響，且這種增益分布主要由增益介質摻雜離子濃度和激光二極管泵浦光分布所構成。在以往對泵浦光的分析過程中，通常使用高斯分布模型和平頂高斯模型來簡化其強度分布，但隨著對激光器研究的進一步深入，發現之前的分布模型無法完全描繪出真實強度的分布情況。因此，使用超高斯分布模型描述泵浦光分布更為準確。使用柱坐標系來表示，假設抽運光沿z軸方向平行入射到晶體端面中心，則抽運光的歸一化分布表達見式（1）［6］。

式中：m為超高斯分布階次，超高斯分布階次m=1，2，3…；r為晶體端面幾何中心，r=0；α為激光介質的吸收系數；ωp為抽運光的平均光斑半徑；l為激光晶體的長度。添加y來標準化高斯分布，見式（2）。

式中：a=22.575 57、b=3.129 67、c=0.231 43、d=1.014 63。

超高斯階次分別為1、2、3、4、5 時的超高斯分布如圖1 所示。由圖1 可知，隨著m值的不斷增加，輻照出射度曲線逐漸趨于平均分布，但在m=1與m=2之間的曲線有明顯變化。

圖1 超高斯分布

2 試驗測量方案

使用半導體激光器作為測量輸出特性試驗方案裝置示意如圖2 所示，整個裝置由半導體激光器、耦合透鏡、平面鏡、Nd:GdVO4、輸出鏡、功率計組成。采用相干公司（Coherent）生產的半導體激光器作為泵浦源，型號為M1F2S22-808.3-50CSS2.1T3，其中心波長為809.8 nm，采用平凹腔腔形結構，在25 ℃的LD 溫度和20 ℃的冷卻水溫度條件下進行測試。

圖2 試驗測量裝置示意

采用單端復合式Nd:GdVO4晶體作為激光介質，該晶體能有效減少激光器產生的熱效應影響。晶體長度為15 mm，其中摻雜濃度為0.2%，不摻雜部分長度為3 mm，端面大小為2.5 mm×2.5 mm。利用光纖耦合激光二極管泵浦源，該泵浦源的主要工作參數為中心波長為808 nm、光纖芯徑為300 μm和數值孔徑為0.08。采用1∶1 的成像比例輸出，通過光纖耦合將泵浦源與激光器相連，能有效減少固體激光器與半導體激光器間的熱傳導，降低熱效應產生的影響，同時光纖的整形也有助于提高激光束質量。調整透鏡和光纖輸出端間的距離，可實現平均泵浦光斑半徑的調節。這樣可改變抽運光在增益介質中能量密度最大點的位置，從而尋找激光器的最佳輸出功率。

在諧振腔內光束穿過Nd:GdVO4晶體的兩個端面上都進行鍍膜處理，為了更好地抑制不需要的激光波段，種類有808 nm 高透膜(T808 nm > 95%) 、912 nm 高透膜(T912 nm > 90%) 、1 064 nm 高透膜(T1 064 nm>90%)和1342 nm 的減反膜(R1 342 nm <0.2%)。將全部Nd:GdVO4晶體用熱導率極高且厚度為0.05 mm 的銦鉑包裹，和夾具一起置于紫銅控溫爐中央，增加晶體與紫銅塊的接觸面積，克服因紫銅塊表面不夠光滑，無法和晶體充分接觸，導致產生熱損耗的問題。將去離子水通入兩部分紫銅塊內，通過循環散熱的方式來維持溫度。紫銅塊通過水冷管與循環式水冷機相連，利用TEC 來控制控溫爐的工作溫度，確保精度達到0.01 ℃，同時保持激光介質溫度在20 ℃。激光諧振腔采用平凹腔結構，其中，M1是平面反射鏡、M2是凹面反射鏡。M1的膜層參數使其在1 342 nm 波長下具有極高的反射率（R1 342 nm > 99.8%），同時在808 nm、912 nm和1 064 nm 波長下具有很高的透過率（T808 nm >95%、T912 nm > 90%、T1 064 nm > 90%）。平凹鏡M2被用作輸出鏡，其鍍膜參數如下：1 342 nm 波長下透過率為6%，且其曲率半徑為100 mm。在距離輸出鏡M2后275 mm 處放置一面45°的半透半反鏡(1342 nm HR&808 nm HT)，輸出功率測量使用型號LP-3C功率計進行。

3 試驗結果及分析

對采用端面抽運方式的Nd:GdVO4的1 342 nm固體激光器輸出特性進行測試，結果如圖3 所示。圖3 中方塊為試驗測試數據，實線和虛線為不同超高斯階數下輸出功率的計算數值。

圖3 泵浦功率與輸出功率試驗測試

由圖3 可知，LD 抽運功率逐漸增加，激光器在積累一定能量后才開始輸出，此時輸出功率為2.7 W，即閾值功率。當入射功率繼續增加時，輸出功率與入射功率呈線性關系。經試驗測得，當入射功率為42.4 W時，輸出功率為11.76 W，光—光轉換效率為27.7%，激光器的斜效率為29.6%。同時，抽運光的輸出特性在小功率泵浦時采用高斯分布和超高斯分布計算所得結果基本相同，但在泵浦功率大于10 W 后，超高斯分布的輸出特性與高斯分布有明顯的區別，且隨著超高斯階數m的增加，輸出功率也隨之增加。試驗結果表明：當m取2 時，超高斯分布模型的計算結果與試驗測試數據基本一致；當m取1 時，高斯分布模型的計算結果不如超高斯分布模型優秀。試驗驗證了泵浦光超高斯分布模型比高斯分布模型更加符合實際抽運分布。

4 結語

本研究在超高斯光束能更好地描述實際的泵浦光輸出特性的理論基礎上，基于超高斯分布模型，使用端面泵浦1 342 nm 固體激光器，設計試驗方案。對半導體激光器的輸出功率進行測量，結合數據分析軟件對于試驗所得數據進行處理，并將繪制的曲線與超高斯函數進行擬合對比。擬合結果很清晰地表達出泵浦光的輸出特性情況。試驗測量端面泵浦1 342 nm 固體激光器的輸出特性得到的試驗結果與m為2 時的抽運光超高斯分布模型最為符合，充分驗證了泵浦光超高斯分布模型比高斯分布模型更加符合實際抽運分布。