设计了一个简单紧凑的1052nm波长激光器。首次利用激光二极管(LD)端面泵浦Nd∶YAG晶体,使用镀有高度选择性介质膜的反射镜产生该波段的激光。激光阈值为0.3W,当808nm波长泵浦光功率达到18W时产生了3.5W的1052nm波长激光输出。光-光转换效率为20%,输出激光功率波动不超过3%

刘孙丽

林国平

汪玉树

罗正钱

蔡志平

许惠英

黄剑平

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第 36卷 第 5期 激 光 与 红 外 Vo.l 36, No. 52006年 5月 LASER & INFRARED M ay, 2006文章编号: 1001 5078( 2006) 05 0348 03端面泵浦 Nd YAG连续输出 1052nm波长激光器汪玉树1,许惠英2,蔡志平2, 黄剑平2,刘孙丽1,罗正钱1, 林国平1( 1.厦门大学物理学系; 2.厦门大学电子工程系,福建厦门 361005)摘 要:设计了一个简单紧凑的 1052nm波长激光器。首次利用激光二极管 ( LD )端面泵浦Nd YAG晶体,使用镀有高度选择性介质膜的反射镜产生该波段的激光。激光阈值为 0. 3W,当 808nm波长泵浦光功率达到 18W时产生了 3. 5W的 1052nm波长激光输出。光 -光转换效率为 20%,输出激光功率波动不超过 3%。关键词: 1052nm波长; NdYAG;端面泵浦中图分类号: TN248. 1 文献标识码: ALaser D iode End pumped 1052nm CW Nd YAG LaserWANG Yu shu1, XU Hui ying2, CA I Zhi ping2,HUANG Jian p ing2, L IU Sun li1, LUO Zhen qian1, L IN Guo p ing1( 1. Departm ent o f physics, X iam en Un iversity, X iam en 361005, Ch ina;2. Departm ent o f E lec tron ic Eng ineering, X iam en Un iversity, X iam en 361005, Ch ina)Abstract: In this paper we have dem onstrated a com pac t and simp le design fo rLD end pum ped CW laser a t 1052nmw ith Nd YAG cry sta l in the fla t curved cav ity. The max im um output pow er of laser is 3. 5W a t 1052nm when the absorbed pum ping pow er is 18W, and the optical to optical conversion e ffic iency is 20% . The thresho ld of the laser is about 0. 3W. The stab ility of output pow er is 3% w ith in 2 hours.Keyw ords: 1052nm laser; Nd YAG; LD end pumped1 引 言二极管泵浦固态激光器 ( DPSSL )由于其效率高、光束质量好、体积小、寿命长、稳定性好等优点,在测量、遥感、数据存储、医学等领域有着广泛的应用[ 1]。N dYAG激光晶体具有较高的热导率、易于散热、热畸变小、破坏阈值较高、工作范围宽、工艺技术成熟及商品化程度高等优点,使得 N d YAG激光器成为目前应用最为广泛的固体激光器[ 2, 6]。但目前对 Nd YAG的研究大部分都集中在 1. 06 m波段,对 1052nm波长的研究国内尚未见过报道, 国外有报道过利用氪灯侧面泵浦 Nd YAG晶体, 并利用腔内放置角度调谐标准具来抑止其他波长振荡实现1052nm波长输出[ 5]。采用半导体激光二极管端面泵浦 Nd YAG晶体, 并利用反射镜上镀合适的膜实现 1052nm波长激光输出尚属首次。2 能级结构图 1为 Nd YAG晶体的 Nd3+能级图[ 4 ],它是以三价钕离子作为激活粒子的四能级系统。基态4I9 /2钕离子吸收泵浦光子能量后, 跃迁到泵浦高能级4F7/2、4S3 /2、4F5 /2和2H 9 /2, 而后几乎全部经无辐射跃迁迅速降落到寿命为 0. 23m s的亚稳态能级4F3 /2(激光上能级 )。图 1中可以看到波长为 1052nm的激光跃迁始自4F3 /2能级的 R2 分量, 中止于4I11 /2的Y1分量。由文献 [ 4]知道, 1064. 1nm波长跃迁的受激发射界面为 45. 8  10- 20 cm2, 而 1052nm跃迁的受激发射界面为 15. 1  10- 20 cm2, 仅为前者的 1 /3。图 2为 Nd YAG晶体的 N d3+发射谱,从图中看到在1052nm处发射强度约为 1064. 1nm处的 1 /3。因此在正常工作条件下, Nd YAG激光器在室温时以最强的4F 3 /2 -4I11 /2跃迁产生 1. 0641 m波长的振荡,要得到 1052nm波长激光的输出, 必须抑制 1064nm波段的振荡。一般可以采用如下几种方法获得特定基金项目:福建省重大基金 ( 2002F011, 2004HZ01- 1- 3) ;厦门大学 985工程科技创新平台基金资助。作者简介:汪玉树 ( 1980- ),男,硕士研究生。收稿日期: 2005 09 23波长的激光输出[ 3]:( 1)谐振腔中插入标准件具或色散棱镜;( 2)以特殊设计的谐振腔反射镜作为输出镜;( 3)使用镀有高度选择性介质膜的反射镜。图 1 N dYAG能级图图 2 NdYAG的发射谱这些方法抑制其它不需要的波长的激光振荡,而提供所需波长振荡。 1052nm 相当靠近 1064nm和 1061. 4nm这两条最强谱线。为了能抑制这两条最近且最强的谱线,实验中采用第三种方法,即采用特殊的膜系设计, 使得输出耦合镜的透射率在1064nm和 1061nm 处要比在 1052nm处大得多, 导致它们的激光起振阈值比 1052nm大,这样, 使得在1052nm处谱线通过竞争,首先达到激射,从而抑制了 1064nm和 1061nm这两条最强的谱线产生激射,产生 1052nm这一波长激光。3 实验设计实验中采用光纤耦合端面泵浦方式。采用端面泵浦方式,能使得泵浦光与激光之间模式空间交叠好,抽运能量利用效率高。实验装置如图 3所示,Nd YAG晶体放置在导热性能相当好的铜套内, 通过半导体制冷片 TEC控制其温度, 利用风扇和散热片将半导体制冷片热面的热量带走, 散热结构相当紧凑。晶体温度控制在 17! , 腔长 50mm, 晶体与M1之间的距离约 3mm。Nd YAG参数: 掺杂浓度1. 1% ,尺寸为 4  4mm。输出镜 M2的曲率半径 R= - 100mm,输入镜 M1为一平面镜,尺寸为 10  10 2mm3。Nd YAG晶体注入端镀有对 808nm增透的膜系,提高泵浦光的注入效率。泵浦源为 L IMO30W LD,在室温下,发射中心波长为 808nm。图 3 实验装置示意图从光纤出来的 LD激光是发散的, 如果直接注入增益介质,则泵浦光与振荡光无法实现很好的交叠, 会降低泵浦效率, 使激光阈值升高。改进方法是, 利用耦合透镜组对泵浦光进行聚集后再注入工作介质。耦合透镜组由两个凸面相对的平凸形凸面镜组成,焦距均为 1cm。泵浦光经过准直聚焦系统后会聚成直径为 200 m的聚焦光斑,经过 M1注入到工作物质内部。对于腔体,选取对热效应较不敏感的、有大可控模体积的平凹稳定腔结构, 有效地补偿了 LD泵浦固体激光器的热透镜效应, 提高了激光器性能和输出稳定性。M 1镀了对 808nm增透膜, 1052nm高反膜, 1064nm增透膜, 从而抑制了 1064nm波长光的起振。M 1、M2的反射频谱分别如图 4和图 5所示:M 1对 1052nm的反射率为 95. 8%,透射率为 4. 2%;M 2对 1052nm的反射率为 98. 5% ,透射率为 1. 5%。w avelength /nm图 4 M 1对各波长光的反射率w avelength /nm图 5 M 2对各波长光的反射率349激 光 与 红外 No. 5 2006 汪玉树 许惠英 蔡志平等 端面泵浦 Nd YAG连续输出 1052nm波长激光器当激光器工作于高功率状态时, 激光晶体的热透镜效应会严重影响腔体结构,晶体温度的不稳定会直接带来热焦距的不稳定[ 8], 最终影响激光输出。如果室温恒定, TEC电流恒定, 则晶体温度能维持稳定,但如果室温变化或工作地点改变,晶体温度必然改变。实验通过在单片机中实现 P. I. D算法控制 TEC电流,进而控制 TEC的制冷量, 使得室温改变不影响晶体温度,也不影响激光输出,温度控制精度达 0. 1! 。4 实验结果图 6给出了输出功率随泵浦功率变化情况,当注入功率达到 0. 3W时开始有激光输出,即达到激光阈值。当泵浦功率为 18W时, 输出达 3. 5W。从图上可知输入输出关系基本上为线性, 斜效率约20. 7%。考虑到M1对 1052nm的透射率为 4. 2%,而M 2对 1052nm 的透射率为 1. 5%, M 1的透射率是M 2的 2. 8倍, 因此通过 M1输出的 1052nm波长激光功率为 9. 8W, 可计算得到两个镜子总输出功率达 13. 3W。incid ent pum p pow er /W图 6 输出功率随泵浦功率变化曲线图 7 1052nm输出激光的光谱图图 7 ( a)为光谱分析仪 ( OSA )的分辨率为0. 2nm时测得的 1052nm激光光谱,可见激光的峰值波长为 1052. 6nm,激光谱线宽度约 0. 2nm。当该仪器的分辨率为 0. 01nm,不同时间测得的激光光谱如图 7( b)、( c)、( d)所示, 由于腔内各纵横之间存在竞争,导致测得的光谱图不断变化。理论腔内相邻纵模频率间隔为[ 7]: v =c2[ L + ( n- 1)  l ]( 1)其中, L为腔长; n为 Nd YAG折射率; l为 Nd YAG晶体长度。由 v!= c可得: v =c!2 ! ( 2)由 ( 1)、(2)得  !=!22[L + ( n - 1)  l]  0. 0104nm,与实验中仪器的最小分辨率 0. 01nm相差无几, 因此无法从图 7的几个光谱图分辨出相邻纵模。5 总 结实验首次通过使用既有特殊膜系设计的反射镜抑制了 1064nm等波长的振荡, 利用端面泵浦实现了 1052nm 波长激光的连续运转。实验中 M1对1052nm波长的透射率是输出镜 M2的 2. 8倍, 因此可以预见进一步提高输出功率的可能,例如可提高M1对 1052nm 波长的反射率, 使其接近全反。另外, 不仅仅对 1052nm波长而言, 对其他波长, 也可以通过合适的膜系设计来达到该波长运转输出。进一步的实验正在进行当中。参考文献:[ 1] T Y Fan, R L Byer D iode Laser pum ped so lid state lase rs[ J]. IEEE J. Quantum E lectron. , 1988, 24( 6): 895- 912.[ 2] Yao Jianquan. Nonlinea r Optica l F requency T ransform ation and Laser Tun ing Techno logy [ M ]. Beijing: Be ijingScientific P ress, 1995, 109- 139( in Ch inese).[ 3] (美 ) W 克希耐尔著;孙文, 江泽文, 程国祥译. 固体激光工程 [M ].北京: 科学出版社, 2002.[ 4] S S ingh, R G Sm ith, L G Van U ite rt. Stimu lated em iss ioncross section and fluorescen t quantum e ffic iency o f Nd3+in yttr ium a lum inum garnet at room temperature [ J ].Phys. Rev., B1974, 10, 2566- 2572.[ 5] JACK MARLING. 1. 05- 1. 44 m tunab ility and performance of the CW Nd3+ YAG laser[ J] . IEEE J. 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端面泵浦Nd∶YAG连续输出1052nm波长激光器

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