摘要：采用中心波長(zhǎng)為888 nm的激光二極管作為抽運(yùn)源，減輕了Nd:YVO4晶體中的熱效應(yīng)。通過合理的諧振腔設(shè)計(jì)，擴(kuò)大激光晶體處的基模尺寸和振蕩光在凹面腔鏡處的入射角，減輕了激光晶體內(nèi)部的熱效應(yīng)和諧振腔像散，提高了激光器的輸出功率。采用四鏡環(huán)形腔選模的辦法，獲得穩(wěn)定的高功率單頻激光輸出。在吸收的抽運(yùn)功率為67.5 W時(shí)，實(shí)現(xiàn)了最高功率為21.5 W的532 nm單頻激光輸出，其8 h功率穩(wěn)定性優(yōu)于±1%，光束質(zhì)量M2<1.1，光光轉(zhuǎn)換效率為31.9%。

     1、引言

      全固態(tài)高功率單頻綠光激光器可廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域，比如抽運(yùn)鈦寶石激光器或染料激光器，精確測(cè)量和高分辨率的激光光譜實(shí)驗(yàn)。然而，在高功率抽運(yùn)的條件下，激光增益介質(zhì)中會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的熱效應(yīng)，這就限制了激光功率和光束質(zhì)量的進(jìn)一步提高。因此，目前高功率固態(tài)激光器研究的熱點(diǎn)，主要是集中在研究激光晶體熱效應(yīng)特性和減輕激光晶體中的熱效應(yīng)上。減輕激光晶體熱效應(yīng)的方法包括采用復(fù)合增益介質(zhì)，低摻雜晶體，雙端抽運(yùn)方式或者直接抽運(yùn)的方式。

      目前已有多種方法能使激光器達(dá)到單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)，例如用扭轉(zhuǎn)模腔、短腔諧振、標(biāo)準(zhǔn)具選模及雙折射濾光片選模等。但在設(shè)計(jì)高功率輸出內(nèi)腔倍頻激光器時(shí)，大多仍是利用環(huán)形諧振腔，消除空間燒孔效應(yīng)進(jìn)行選模。然而，由于環(huán)形腔包含的腔內(nèi)元件太多，因而增加了激光器的內(nèi)腔損耗，不利于高功率單頻激光器的獲得。關(guān)于高功率單頻激光器的研制，國(guó)外主要以美國(guó)的相干公司為代表，形成了VerdiV系列的單頻綠光光源，在采用中心波長(zhǎng)為808nm抽運(yùn)源的情況下，其最高輸出功率為18W；德國(guó)的ELS公司則采用薄片晶體，實(shí)現(xiàn)了最高輸出功率為15W的單頻綠光光源。在國(guó)內(nèi)，山西大學(xué)光電研究所長(zhǎng)期從事全固態(tài)單頻激光器的研究工作，但是受激光晶體熱效應(yīng)的影響，限制了激光器輸出功率的提高。

     本文采用楔形Nd∶YVO4晶體作為增益介質(zhì)改善了激光器的穩(wěn)定性，在單端抽運(yùn)情況下，使用環(huán)形諧振腔選模技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高功率單頻綠光激光輸出。采用中心波長(zhǎng)為888nm的激光二極管（LD）作為抽運(yùn)源，減輕了激光晶體的熱效應(yīng)。通過合理的環(huán)形諧振腔設(shè)計(jì)，盡量保證在增益介質(zhì)處獲得較大的基模尺寸并且縮小諧振腔腔鏡處振蕩光的入射角度，減輕了增益介質(zhì)處的熱效應(yīng)和環(huán)形腔的像散，提高單頻激光的輸出功率。在吸收的抽運(yùn)功率為67．5W時(shí)，單頻綠光的最大輸出功率達(dá)到了21．5W，M2＜1．1，光光轉(zhuǎn)換效率為31．9％，光斑的橢圓率優(yōu)于0．16，輸出綠光8h功率穩(wěn)定性優(yōu)于±1％。

       2、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與裝置

      圖1為實(shí)驗(yàn)裝置圖，諧振腔為四鏡環(huán)形腔，其中包含兩個(gè)平面鏡［M1：S1，減反（AR）888nm；S2，高透（HT）888nm，高反（HR）1064nm和M2：S1，HR1064nm］和兩個(gè)凹面鏡（M3：S1，HR1064nm和M4：S1，HR1064nm，HT532nm；S2，HT532nm。犚M3，M4＝100mm）。增益介質(zhì)采用α切割的楔形復(fù)合Nd∶YVO4晶體（S1，S2：AR888nm，1064nm），摻雜原子數(shù)分?jǐn)?shù)為0．8％，尺寸為3mm×3mm×（3＋20）mm，對(duì)888nm抽運(yùn)光的吸收效率為89％。楔形晶體的設(shè)計(jì)可以起到偏振分束器的作用，在不同偏振方向模式的競(jìng)爭(zhēng)中，保證π偏振光優(yōu)先于σ偏振光在腔內(nèi)起振，提高激光器的線偏振度和偏振方向的穩(wěn)定性。法拉第旋轉(zhuǎn)器（TGG）和半波片（HWP）組成的光學(xué)單向器使激光器實(shí)現(xiàn)單向運(yùn)轉(zhuǎn)，獲得穩(wěn)定的單頻輸出。倍頻晶體采用尺寸為3mm×3mm×15mm的LBO晶體（S1，S2：AR1064nm，532nm），通過自制的控溫儀（控制精度為0．01℃）將晶體溫度控制為非臨界相位匹配溫度149℃。抽運(yùn)源采用光纖耦合輸出的激光二極管（LIMOF400DL888EX1458），中心波長(zhǎng)為888nm，最大輸出功率為90W，光纖芯徑為400μm，數(shù)值孔徑犖犃為0．22。激光二極管輸出的激光光束經(jīng)傳輸效率為96％的望遠(yuǎn)系統(tǒng)整形后聚焦于Nd∶YVO4晶體內(nèi)。

      與中心波長(zhǎng)為808nm激光二極管抽運(yùn)相比，采用中心波長(zhǎng)為888nm的激光二極管抽運(yùn)具有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1）采用888nm直接抽運(yùn)方式減小了量子虧損產(chǎn)生的熱，例如，要獲得1064nm激光輸出，與808nm抽運(yùn)相比，熱負(fù)荷將從24．1％縮減為16．5％，這樣在激光的抽運(yùn)過程中，增益介質(zhì)會(huì)吸收更多的抽運(yùn)功率而保證熱負(fù)荷不會(huì)增加；2）888nm抽運(yùn)方式無偏振吸收的特性在降低熱效應(yīng)的同時(shí)也改善了激光器工作的穩(wěn)定性。為了定量地描述晶體的熱效應(yīng)，使用LASCAD軟件分析了888nm和808nm抽運(yùn)方式在吸收了相同的抽運(yùn)功率下晶體內(nèi)部的溫度分布。首先，選用摻雜原子數(shù)分?jǐn)?shù)為0．8％，尺寸為3mm×3mm×（3＋20）mm的Nd∶YVO4晶體，該晶體對(duì)波長(zhǎng)為888nm抽運(yùn)光的吸收效率為89％。其次，采用摻雜原子數(shù)分?jǐn)?shù)為0．2％，尺寸為3mm×3mm×（3＋20）mm的Nd∶YVO4晶體，當(dāng)抽運(yùn)光的波長(zhǎng)為808nm時(shí)，Nd∶YVO4晶體對(duì)抽運(yùn)光的吸收效率為95％。圖2為在吸收了相同的抽運(yùn)功率條件下采用兩種抽運(yùn)方式晶體內(nèi)部在橫向和縱向的溫度分布圖。

    由圖可見，采用888nm抽運(yùn)方式，增益介質(zhì)中最高溫度為349．5K（等價(jià)于808nm抽運(yùn)方式在抽運(yùn)功率為32W時(shí)的最高溫度），比808nm抽運(yùn)方式低72．6K，與此同時(shí)，晶體內(nèi)部的溫度分布也比較均勻。這就為單端面抽運(yùn)方式下徑向溫度分布不均勻提供了一種有效的解決方案，從而簡(jiǎn)化了以往雙端面抽運(yùn)的實(shí)驗(yàn)裝置，使單端面抽運(yùn)方式獲得高功率單頻運(yùn)轉(zhuǎn)成為可能。

    在高功率激光器的設(shè)計(jì)中，熱透鏡是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，要優(yōu)化激光器的參數(shù)，就必須測(cè)量熱透鏡，并分析熱透鏡對(duì)激光穩(wěn)區(qū)和模式的影響，通過合理的腔型設(shè)計(jì)減輕熱透鏡效應(yīng)對(duì)激光器的影響。在此設(shè)計(jì)中，通過對(duì)888nm抽運(yùn)時(shí)熱效應(yīng)的分析，設(shè)計(jì)合理的諧振腔，擴(kuò)大增益介質(zhì)處基模模式尺寸，進(jìn)一步改善激光晶體處的熱效應(yīng)。此外，為了獲得單頻激光輸出，采用四鏡環(huán)形諧振腔的設(shè)計(jì)，如圖1所示，該腔型中包含兩面傾斜的凹面鏡，因而會(huì)引入額外的像散。于是在整個(gè)設(shè)計(jì)中，為了獲得更高功率的穩(wěn)定單頻激光輸出，要盡量減小環(huán)形諧振腔帶來的像散。實(shí)驗(yàn)中，使用30∶75的整形系統(tǒng)將抽運(yùn)光在激光增益介質(zhì)處的腰斑直徑擴(kuò)大為1mm，諧振腔長(zhǎng)度為490mm，兩凹面鏡間距離為96mm，振蕩光在腔鏡處的入射角為10°，此時(shí)基模模式在增益介質(zhì)中的光斑直徑設(shè)計(jì)為0．8mm，抽運(yùn)光與基頻光的光斑尺寸均得到了放大，這將進(jìn)一步改善激光晶體中的熱效應(yīng)。而諧振腔的像散則無法完全消除，在諧振腔的設(shè)計(jì)上，盡量減小振蕩光在凹面腔鏡處的入射角及凹面腔鏡離軸入射引入的像散影響。

     3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

     通過分析，采用888nm直接抽運(yùn)和合理的諧振腔設(shè)計(jì)，以及環(huán)形腔選模的辦法，最終在吸收的抽運(yùn)功率為67．5W時(shí)，通過單端面抽運(yùn)和內(nèi)腔倍頻的方式獲得了輸出功率為21．5W的穩(wěn)定單頻綠光激光器。當(dāng)抽運(yùn)功率從閾值到67．5W連續(xù)增加時(shí)，輸出的激光均可以保持良好的光束質(zhì)量，并且輸出功率連續(xù)增加，如圖3所示。

    圖4為激光器輸出功率為21．5W時(shí)，掃描法布里珀羅（FP）腔得到的單頻曲線，證明激光器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定單頻運(yùn)轉(zhuǎn)。

     在輸出功率最大時(shí)，測(cè)得綠光激光器8h功率穩(wěn)定性優(yōu)于±1％，光束質(zhì)量小于1．1，如圖5所示。

      圖5為通過光束質(zhì)量分析儀測(cè)量的光斑分布曲線圖，光光轉(zhuǎn)換效率為31．9％。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，888nm直接抽運(yùn)方式和擴(kuò)大激光晶體處基模光斑尺寸，極大地減輕了增益介質(zhì)在高功率抽運(yùn)過程中產(chǎn)生的嚴(yán)重?zé)嵝?yīng)，提高了激光器的輸出功率和光光轉(zhuǎn)換效率。

    4、結(jié)論

    通過LASCAD軟件分析了888nm和808nm抽運(yùn)方式的熱效應(yīng)，與808nm激光二極管抽運(yùn)相比，采用888nm激光二極管抽運(yùn)具有量子虧損小，以及無偏振吸收的特性，可以有效減輕激光晶體的熱效應(yīng)。通過合理的腔型設(shè)計(jì)，擴(kuò)大了增益介質(zhì)處基模的光斑尺寸并且減小了諧振腔的像散。利用環(huán)形腔選模方法，獲得穩(wěn)定的高功率單頻綠光激光輸出。在吸收的抽運(yùn)功率為67．5W時(shí)，采用單端抽運(yùn)方式獲得了最高功率為21．5W的單頻綠光激光輸出，其光光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到31．9％，光束質(zhì)量犕2＜1．1，8h功率穩(wěn)定性優(yōu)于±1％。