V型折疊雙通Nd：YAG介質LD脈沖側面泵浦激光器

宋佳佳，于永吉，金光勇，王超

（長春理工大學 理學院，長春 130022）

激光技術、原子能、半導體及計算機并稱為20世紀的四項重大發明。1960年，美國休斯公司實驗室的梅曼用紅寶石作為激光工作物質，成功地研制出世界上第一臺激光器［1］。此后，激光技術得到飛速發展，泵浦光源從最初的閃光燈發展到現在的半導體激光器，激光工作物質從最初的紅寶石拓展到現在的Nd：YAG、Nd：YVO4、Nd：YLF等上千種［2-11］，側面泵浦到端面泵浦［12，13］，直腔到折疊腔等等［14-16］，都可以明顯優化激光轉換效率，意味著泵浦光能量能夠更加有效的轉化成激光能量輸出。如2016年，出現了一種新型的諧振腔泵浦方式，即在整個諧振腔內，單程周期促使泵浦光四通泵浦激光增益介質，以此手段來提高激光輸出功率，轉換效率為18.1%，并將其方法應用到調Q激光器領域上［17］。調Q激光器的發展也是激光器史上的另一種突破［18，19］。2017年，用一系列反射凸柱面鏡代替傳統一個輸出鏡位置，構成混合腔，使種子光源單程周期內12通經過激光增益介質，轉換效率達到14.3%［20］。這種方法常用在種子激光放大的領域上［21-25］，對于在本振級增大激光輸出能量的諧振腔結構，很少有人進行相關的報道。通過實驗對比的方式，來突出往返周期內多次通過激光增益介質的優勢。

在工作期間中［26］，通過搭建諧振腔往返周期內四次通過Nd：YAG介質的V型折疊LD脈沖側面泵浦激光器，測試其激光輸出特性，與兩次通過Nd：YAG介質的直腔激光器相比，實驗數據證明了V型折疊腔激光器可以輸出低閾值和高輸出能量的激光。理論分析了V型折疊雙通Nd：YAG介質LD脈沖側面泵浦激光器?？杀砻魉拇瓮ㄟ^Nd：YAG介質的V型折疊腔的諧振腔結構可起到降低激光閾值和提高激光輸出能量的目的。

1 實驗裝置

搭建如圖1所示的實驗裝置結構圖，直腔激光器和V型折疊雙通Nd：YAG介質LD脈沖側面泵浦激光器分別如（a）和（b）所示。激光諧振腔整體是由全反鏡、激光增益介質Nd：YAG晶體和輸出鏡構成。其中LD側面泵浦Nd：YAG晶體直腔激光器采取的是直徑為20mm、曲率為1000的平凹全反鏡M1；泵浦源是由西安炬光訂制的GS04系列金錫焊接傳導疊陣，采用三個bar條組成，bar條間間隔0.43mm，單個bar條最大泵浦功率100W，總共300W；激光晶體為選取摻雜濃度為1.0at%的Nd：YAG作為激光增益介質，其尺寸為φ=4*35mm，使用國科GKD-P350C300A200-20電源對其進行供電；輸出鏡采用輸出鏡透過率T=48%和60%的平面鏡。激光整體模塊結構如圖2所示?；谥鼻患す馄髦C振結構，增加了直徑為20mm平面全反鏡構成V型折疊腔激光器諧振腔結構。在泵浦脈沖寬度為180us，泵浦電流與泵浦能量關系特性如圖3所示。用NOVA II激光功率能量計表頭PE50-DIF-V2能量探頭測量V型折疊雙通Nd：YAG介質LD脈沖側面泵浦激光器和直腔激光器的激光輸出特性，進行對比與分析。

圖1 實驗裝置結構圖

圖2 激光模塊結構圖

圖3 泵浦能量與泵浦電流關系

2 實驗結果

搭建普通直腔激光器和V型折疊雙通Nd：YAG介質LD脈沖側面泵浦激光器實驗平臺，1Hz，200μs，直腔和V腔腔長分別為80cm、148cm，測量了輸出鏡透過率T=48%和60%時，直腔激光器和V型折疊雙通Nd：YAG介質LD脈沖側面泵浦激光器的激光輸出能量。靜態下兩種諧振腔腔型的激光輸出能量與注入能量之間的影響關系，如圖4所示。

圖4T=48%和T=60%時，靜態下輸出能量與輸入電流之間的關系

從圖4中可以明顯看出，在相同輸出鏡透過率條件下，V型折疊雙通Nd：YAG介質LD脈沖側面泵浦激光器的激光閾值明顯低于直腔激光器激光閾值，其閾值差隨著輸出鏡透過率增加而增大。當輸出鏡透過率為60%時，兩種激光器閾值分別為3mJ和18mJ，此時閾值差值為最大值。激光輸出能量隨著注入能量的增加呈遞增的趨勢，且V型折疊腔激光器的激光輸出能量要高于直腔下的激光輸出能量。當輸出鏡透過率為48%時，注入能量為55mJ時，V型折疊腔和直腔激光器的激光輸出能量分別為13.2mJ和7.8mJ。該實驗結果可證明，在相同注入能量下，V型折疊雙通Nd：YAG介質LD脈沖側面泵浦激光器可以降低激光閾值、提高激光輸出能量。

由于諧振腔往返周期內能夠四次通過激光增益介質，當諧振腔往返過程中增益等于損耗時，激光閾值可表示為：

普通直腔閾值公式如下：

對比公式（1）和（2），可知，當諧振腔內損耗近似一致時，V腔激光器的激光閾值約有兩倍的降低。V腔和直腔的激光輸出能量表達式如公式（3）和（4）所示：

式中，A為激光增益介質橫截面面積，A'為激光光斑橫截面面積，l為激光增益介質幾何長度，α為激光增益介質的吸收系數，δM為諧振腔內固有損耗，η為轉換效率，ES為飽和光強度，Ein為注入能量，R為輸出鏡反射率。

由公式（3）和（4）對比可知，激光輸出能量與斜率效率和激光閾值有關，當激光晶體的吸收損耗很小時，V腔激光器的斜率效率和直腔激光器的斜率效率相差無幾，故在一定的注入能量范圍內，V腔激光輸出能量大于直腔激光輸出能量。當注入能量Ein一定，激光晶體的吸收損耗很小時，兩種腔型下的激光輸出能量之比近似為：

由公式（5）可知，激光輸出能量之比與激光閾值比值、振蕩光束的橫截面面積和激光晶體的橫截面面積比值有關系。當諧振腔內的損耗很小時，V腔激光器的激光閾值近似為直腔的一半，當光斑之比為A'/A=0.5時，激光輸出能量之比大于1，即V腔激光器的激光輸出能量大于直腔激光器，可取得更高輸出能量的激光。

整體對比，V型折疊雙通Nd：YAG介質LD脈沖側面泵浦激光器的諧振腔結構可以起到降低激光閾值、提高激光輸出能量和轉換效率的作用，此種手段可應用到中小功率或弱泵浦激光器領域上，對于一些難以提取或因熱效應影響不能過度增加泵浦能量的激光器，可采用此種諧振腔結構，降低器件損傷，有效的提高能量轉換效率。為了更加明確的證明V型折疊腔的優勢所在，故將直腔激光器的腔長選的較長，下一步將會優化折疊腔腔長。

3 結論

搭建諧振腔往返周期內四次通過Nd：YAG介質的V型折疊LD脈沖側面泵浦激光器和兩次通過Nd：YAG介質的直腔激光器的實驗平臺，測試并對比分析了其激光輸出特性。實驗結果表明，在注入電流55mJ，輸出鏡透過率為48%時，V型折疊腔和直腔輸出能量分別為13.2mJ和7.8mJ，整體轉化效率提高10%。理論建立了V型折疊雙通Nd：YAG介質LD脈沖側面泵浦激光器的激光閾值公式和激光輸出能量表達式。實驗結果和理論分析都表明了四次通過Nd：YAG介質V型折疊腔的諧振腔結構可以起到降低激光閾值和提高激光輸出能量的目的?？蓪⑵渲C振腔結構應用在中小功率泵浦的激光器方面，具有一定的研究意義。

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