基于LD雙端面泵浦的Nd∶YAG高效率倍頻激光器

范嗣強, 李麒麟，路永樂

(1.重慶師范大學 市級高校光電材料與工程重點實驗室，重慶 401331；2.重慶市第一中學，重慶 400030； 3.重慶郵電大學 光電學院，重慶 400065)

1 引 言

全固態綠光(532nm)激光具有波長短、易聚焦、能量集中、分辨率高等優點，在精密材料加工、醫療、光譜分析和科學研究等領域有廣泛的應用[1]，更為廣泛的應用是將其混頻或者再倍頻產生深紫外激光[2-4]。綠光的輸出是通過激光二極管(LD)泵浦Nd∶YAG、Nd∶YVO4產生1064nm的基頻光，再與KTP、LBO等非線性晶體進行倍頻輸出，其特征是光學結構復雜、元器件多、輸出功率低、轉換效率低下。如何優化激光器結構以獲得出光質量好、出光功率高、轉換效率高的激光一直是全固態綠光激光領域的研究熱點[5-7]。其轉換效率也包含了基頻光(1064nm)的轉換效率，同時基頻光的脈沖峰值功率和光束質量也嚴重影響和制約倍頻光的輸出效率，因此優化結構包括對基頻光的優化。中小功率用于倍頻的基頻光通常采用LD端面泵浦Nd∶YVO4的結構，其主要缺點是單端泵浦使晶體內的熱量分布不均勻、熱效應高、嚴重影響輸出光束質量和效率，同時YVO4不適合注入功率高的情況。近年來，在超快激光、特殊波長激光的研究過程中，為獲得更加優良的基頻光源，開始探索激光二極管端面泵浦Nd∶YAG的激光器結構方式，相關研究人員對該方式的晶體熱效應[8-11]、被動調Q技術[8,12]、晶體鍵合技術[13]、微片激光器[12]、腔體結構技術[14]等領域進行了大量的研究。

本文從綠光激光器的基頻產生方式上提出了LD雙端面泵浦Nd∶YAG的結構方式，優化散熱模式、減小晶體熱效應，同時在倍頻結構中采用1/4波片與偏振片組合以提高倍頻效率。實驗結果證明其轉換效率高，在小型化、便攜式、低能耗倍頻激光器領域有極好的產業化前景。

2 激光二極管雙端面泵浦Nd∶YAG倍頻激光器實驗結構與分析

激光二極管雙端面泵浦Nd∶YAG/Cr4+∶YAG被動調Q、腔內倍頻激光器實驗結構裝置如圖1所示。兩臺光纖輸出半導體激光器經過耦合透鏡分別從YAG晶體的兩個端面入射，采用U形折疊腔，腔長為500mm。其中M1為1064nm全反鏡；M2和M3為1064nm高反、808nm高透鏡，與泵浦光軸成45°角放置，形成U形結構；激光晶體Nd∶YAG的尺寸為3mm×3mm×10mm，摻雜濃度1%；M4為1064nm1/4波片；M5為偏振片；被動調Q晶體Cr4+∶YAG的透過率T=75%；M6為532nm激光輸出鏡，靠近LBO晶體面鍍1064nm高透、532nm高反膜，另一面鍍1064nm高透膜，與LBO光軸成45°角放置，所有鏡片尺寸為Ф20mm×3mm。LBO倍頻晶體尺寸為3mm×3mm×20mm,采用電子溫控器精確控制晶體溫度。

圖1LD雙端面泵浦Nd∶YAG被動調Q腔內倍頻激光器示意圖
Fig.1Schematic of LD double end pumped Nd∶YAG passivelyQ-switched intracavity frequency doubling laser

2.1 雙端面泵浦ND∶YAG及熱效應分析

對于中小型的DPSSL而言，采用雙端面激光二極管泵浦方式可以使泵浦光在諧振腔內形成的增益區與激光腔模體積空間交疊增大，從而實現降低閾值功率、提高斜效率的目的。更進一步，相比于單端泵浦，其熱源區溫度梯度更為平緩、中心溫度更低、熱效應更低、輸出光束質量更好。在雙端面泵浦光的照射下，一部分能量被激光晶體吸收，一部分變為廢熱，影響激光器的正常工作，因而對晶體棒進行冷卻散熱十分必要。常用的方法是水冷或者傳導冷卻，使其側表面保持在恒定的溫度點。實驗中的泵浦源采用大族天成半導體公司的808nm半導體光纖輸出激光器，型號為M808±3-30-D400/22-T6-P，如圖2所示，中心波長808nm，光譜寬度3nm，最高輸出功率38W，閾值電流1.54A，斜效率5.21W/A，電光轉換效率41.6%。采用T封裝模式，輸出光纖芯徑400μm、數值孔徑0.22。半導體激光器泵浦光的光纖芯徑為400μm，從尾纖出來具有一定的發散角，為了有效地將泵浦光注入到晶體中，采用兩個焦距為60mm和30mm的平凸透鏡組成一望遠鏡系統耦合透鏡組，其放大比例為2∶1，使得泵浦光在晶體端面的焦斑直徑為800μm，并在兩個耦合透鏡底座放置水平可調裝置，在實驗中調節耦合透鏡與晶體端面的距離以便輸出最大功率。

圖2 光纖輸出半導體激光器Fig.2 Semiconductor laser by fiber output

激光介質晶體采用中國電子科技集團11所研制的Nd∶YAG晶體介質，3mm×3mm×10mm的長方體結構，其摻雜濃度為1%，受激發射截面為2.8×10-19cm-2，熱導率為14W/mK。傳統的側面YAG激光器由于光-光轉換效率不高，晶體發熱量大，其散熱方式通常為水冷卻直接沖刷晶體表面、帶走熱量，水冷的缺點是水溫不穩定，影響激光功率輸出的穩定性。端面泵浦由于其轉換效率高，發熱量小，一般采用傳導冷卻的方式，而雙端面泵浦由于泵浦光在晶體內分布更為均勻，進一步提高了轉換效率，同時為了確保冷卻效果，本實驗采用晶體表面傳導冷卻、熱沉通水的方式進行散熱。

根據Nd∶YAG激光晶體的形狀，設計了用含銅4.5%的硬鋁(編號6061)來制作散熱熱沉，其熱導率為177W/mK。圖3為晶體散熱熱沉結構示意圖與實物圖，熱沉由底座和左上緊固塊構成，晶體放置在中間通孔內，孔的尺寸與晶體尺寸相同。為了更好地散熱，用銦膜包裹晶體的側面，通過緊固螺絲1和緊固螺絲2提供壓力使晶體側面和熱沉表面緊密結合并固定晶體。將熱沉固定在通水基座上，該方式確保冷卻的效果，同時使得冷卻水的溫度變化被熱沉吸收，晶體內的溫度分布均勻、熱流量恒定、輸出激光穩定。

被動調Q晶體Cr4+∶YAG的尺寸為5mm×5mm×2.2mm，在高功率被動調Q情況下其累積熱效應不容忽視，與YAG晶體的散熱方式相同，如圖4所示。將Cr4+∶YAG晶體的后端面緊密粘貼到熱沉上，前端面用一薄蓋片通過緊固螺絲與熱沉連在一起，形成一個傳熱模塊，再將該模塊與通水熱沉相連，保證對晶體散熱的能力與均勻性。由于激光介質YAG晶體的熱透鏡效應，照射到Cr4+∶YAG上的光斑將會被會聚，用紅外鏡觀察發現其光斑約為0.4mm，因此在Cr4+∶YAG的前蓋片和后熱沉的中間開Φ1mm的小孔，以便激光光束通過。

圖3 晶體熱沉結構示意圖Fig.3 Schematic of crystal heat sink

圖4 Cr4+∶YAG晶體熱沉結構示意圖Fig.4 Schematic of Cr4+∶YAG crystal heat sink

對于激光二極管輸出的激光光束的分布，較多文獻將其視為平行平面光或者理想高斯光束，但對于光纖耦合輸出泵浦光而言，激光二極管出射光束經過微透鏡聚焦后進入光纖，從尾端射出，再經過耦合透鏡進入激光晶體的端面，其光斑分布采用超高斯光束描述更為合理[11]。超高斯光束沿z軸進入晶體的兩個端面(z=0，z=l)，其光束光強分布表達式為：

(1)

激光晶體Nd∶YAG產生熱能的原因很多，主要來源是熒光量子效應[10]，此處只考慮其產生的熱量，則晶體兩邊注入泵浦光在體內產生的熱功率密度為左右兩邊注入光熱量之和，左邊泵浦光在晶體內產生的熱源分布：

(2)

右邊泵浦光在晶體內產生的熱源分布：

(3)

式中，光量子效率η=1-808/1064=0.24，808nm為泵浦光，1064nm為輸出激光。

圖5 單端泵浦與雙端泵浦棒內溫度場分布Fig.5 Temperature field distribution of single end-pumping and double end-pumping

利用Matlab軟件熱分析微分方式對晶體進行溫度場數值模擬分析，設定激光晶體的尺寸為3mm×3mm×10mm，對808nm的泵浦光吸收系數β=9.1cm-1，設定晶體側面溫度恒定為300K，兩個通光端面絕熱。注入相同總功率為40W時，得到單端注入晶體的端面中心最高溫度為760K，而雙端面注入時端面中心最高溫度為530K，晶體內部溫度分布如圖5所示，可見通過雙端泵浦的方式可使YAG晶體內部的發熱量均勻，溫度梯度更小，晶體熱效應更低，輸出光束質量就更好。

2.2 腔內倍頻結構設計

通常Nd∶YAG晶體輸出的基頻光為自然偏振光，而倍頻晶體LBO需要線偏振光，通常的做法是在腔內加上一個偏振片，但是加上偏振片后會使其輸出基頻光的功率減半、廢熱增加，同時使晶體內部的能量提取分布不均勻，加大晶體的熱效應，使基頻光產生嚴重的畸變，降低倍頻效率。因此，在偏振片的前端加上1/4波片，根據波片的理論[15]，腔內的基頻光將分成兩個部分：以偏振片為界，穿過Nd∶YAG晶體的1064光束將是橢圓偏振光，相比于線偏振光而言，橢圓偏振光在晶體內的能量提取率分布均勻、提取效率高、熱效應低從而保證高功率輸出；而腔內另一側將是線偏振光，保證倍頻效率。

常用的倍頻晶體主要有KTP和LBO，KTP晶體在高功率密度激光的長期作用下容易產生“灰跡”，影響激光器的穩定性，LBO的非線性系數小于KTP，但有較高的損傷閾值且生產工藝成熟，適合高功率密度下工作。本實驗采用1類相位匹配倍頻晶體LBO，相位匹配角θ=90°、Φ=0°，LBO倍頻晶體需要精確控制其溫度以提高倍頻效率，采用TEC溫控裝置控制溫度保持在148℃，控制精度為0.1℃，圖6為LBO溫控器。

圖6 LBO溫控器Fig.6 Temperature control of LBO

3 激光二極管雙端面泵浦Nd∶YAG倍頻激光器實驗及數據分析

3.1 基頻光實驗及數據

將圖1中的M7鏡片換成1064nm波長90%反射的輸出鏡，倍頻晶體、被動調Q晶體、M4-M6鏡片去掉，保持腔長不變，即為LD雙端面泵浦YAG的基頻光輸出實驗裝置。打開水冷設備，確保水溫恒定在20℃。用一套電源控制系統控制兩個泵源的輸出功率，確保兩端注入的泵浦光功率相同，在輸出鏡后面用激光功率計(中國計量科學研究院的NIM-P1000激光功率計)進行輸出功率測試。測得的數據如表1所示，第一列為半導體激光器電流增加數據，第二列、第三列分別為在相應電流下單端輸出的能量和總的輸出能量，第四列為振蕩激光輸出。

表1泵浦光電流、單泵源功率、雙泵源功率、激光輸出功率數據
Tab.1 Electricity of pumping light, power of single pumping light, power of single pumping light, power of output laser

電流/A單泵源功率/W雙泵源功率/W輸出功率/W33.87.60.783.55.110.22.8146.412.84.234.57.7515.55.7659.0518.17.925.510.320.79.79611.623.211.86.512.925.813.8714.228.415.97.515.53117.8816.833.619.18.518.136.221.2919.438.822.3

根據表1的數據得到雙端面泵浦Nd∶YAG激光器的輸出激光和泵浦光的擬合關系如圖7所示?？梢钥闯?，激光輸出功率與泵浦功率呈線性關系、均勻增強，其對應擬合線性關系為

Pout=0.712×Pin-4.756，

(4)

在注入總功率為38.8 W時，輸出最大功率為22.3 W，閾值功率為6.68 W，光-光轉換斜效率為71.2%，具有極高的轉換效率。

圖7 輸出激光與注入激光關系曲線Fig.7 Relationship of output power and input power

采用激光M2測試儀對該激光器的輸出光束進行了測試，得到如圖8所示的光斑和M2因子。其輸出激光光束模式為基模，M2因子為1.4，可見采用雙端泵浦方式極高地提升了YAG激光器的輸出光束質量。

圖8 1 064 nm激光光斑分布及M2平方因子Fig.8 Intensity of facula and M2 factor of 1 064 nm wavelength laser

添加Cr4+∶YAG被動調Q晶體進行調Q后得到脈沖寬度為8.93 ns、頻率為10 kHz的脈沖光輸出，計算得到脈沖峰值功率高達250 kW，有利于倍頻效率的提高。圖9為測量得到的脈沖寬度波形。

圖9 被動調Q脈沖波形Fig.9 Pulse laser waveform of passive Q-switched

3.2 倍頻光實驗及數據分析

在基頻光實驗裝置上首先加上偏振片，用功率計測試偏振基頻光輸出，得到對應的功率數據；再加上被動調Q晶體得到脈沖偏振光輸出功率數據；最后按照圖1所示的倍頻結構搭建完整的實驗裝置，測出綠光輸出功率，圖10為輸出綠光測試照片。所有的數據如表2所示,其中1 064①和1 064②分別表示1 064 nm的自然輸出光和偏振輸出光，QCW表示調Q后的偏振光，532表示倍頻綠光。

圖10 倍頻激光輸出照片Fig.10 Picture of intracavity frequency doubling laser

表2泵浦光電流、LD功率、基頻光、基頻偏振光、調Q偏振光、倍頻光輸出功率數據
Tab.2 Electricity of pumping light, power of LD, power of fundamental frequency laser, power of fundamental frequency polarized laser, power ofQ-switched polarized laser, power of output laser

電流/A33.544.555.566.577.588.598087.610.212.815.518.120.723.225.828.43133.636.238.81 064①0.782.814.235.767.929.7911.813.815.917.819.121.222.31 064②002.254.246.588.1610.412.013.013.814.415.215.6QCW0000.352.424.355.516.446.597.327.87.918.2153200001.292.263.203.684.845.616.096.366.72

圖11為調Q偏振光與倍頻光的轉換效率?？偟霓D換效率為86%，可以看出在低功率段時轉換效率低于86%，而到高功率段轉換效率可達到90%以上。這是因為：(1)采用了雙端泵浦降低晶體熱效應，提升了基頻光光束質量；(2)運用1/4波片與偏振片組合結構，大大提升了對YAG晶體內儲存能量的提取率、消除空間燒孔效應，提升了倍頻前基頻光的峰值功率。圖12為總的光-光轉換效率，基本成線性，轉換效率為26.8%。用M2測試儀對倍頻光的光束質量進行測試，得到其M2因子為1.35，相比于基頻光，其光束質量稍有提高，分析其原因應該是調Q晶體的熱沉小孔相當于光闌，過濾了基頻光中的高階模式，使光束質量得到了進一步提高。

圖11 調Q偏振光與綠光轉換效率的關系
Fig.11 Relationship of output power andQ-switched polarized power

圖12 光-光總轉換效率Fig.12 Total optical-optical conversion efficiency

圖13 去掉1/4波片后的調Q偏振光與綠光轉換效率Fig.13 Relationship of 532 nm output power and power plate without quarter-wave plate

圖14 去掉1/4波片后的輸出穩定性數據Fig.14 Stability of output power without Q-switched polarized quarter-wave

實驗中為了驗證1/4波片與偏振片組合結構對倍頻轉換效率的影響，特地去掉1/4波片，在相同的條件下進行了倍頻測試，結果如圖13所示。最大輸出功率為5.94 W，轉換效率約為69%，有一定的下降。同時其輸出穩定性差。圖14顯示，在24 h內，輸出功率波動幅度較大，波動范圍可達1.04 W。實驗結果表明，1/4波片與偏振片組合結構對倍頻轉換效率與輸出穩定性有較大的提升。

4 結 論

結合Nd∶YAG晶體與端面泵浦的優點，創新性地提出對Nd∶YAG晶體進行雙端面泵浦的激光器結構，結合晶體傳導冷卻、熱沉通水的冷卻模式，實現了雙端面泵浦YAG激光器高轉換效率輸出。同時采用1/4波片與偏振片組合結構，優化了LBO腔內倍頻激光器結構，實現基頻光高提取率、倍頻光高轉換率的倍頻激光輸出。在注入功率38.8 W時，獲得22.3 W的高輸出功率、71.2%的高光-光轉換效率的基頻光。經過調Q偏振后，實現QCW偏振光與綠光86%的高倍頻效率。得到光束為基模、M2因子近衍射極限的輸出光束質量。該結構倍頻激光器可在體積和能耗上達到很高的優化，為相應的激光器實現小型化、便攜式提供了相應的指導。

參 考 文 獻：

[1] 柳強，閆興鵬，陳海龍，等.高功率全固態紫外激光器研究新進展 [J].中國激光, 2010, 37(9):2289-2298.

LIU Q, YAN X P, CHEN H L,etal..New progress in high-power all-solid-state ultraviolet laser [J].Chin.J.Lasers, 2010, 37(9):2289-2298.(in Chinese)

[2] 于淼，金光勇，王超.高峰值功率KDP晶體四倍頻266 nm紫外激光器 [J].強激光與粒子束, 2015, 27(4):27041003.

YU M, JIN G Y, WANG C.High peak power fourth harmonic 266 nm UV laser using a KDP crystal [J].HighPowerLaserPart.Beams, 2015, 27(4):27041003.(in Chinese)

[3] 林彥, 霍玉晶, 何淑芳.深紫外固體激光系統 [J].中國激光, 2009, 36(7):1826-1830.

LIN Y, HUO Y J, HE S F.Deep ultraviolet solid-state laser system [J].Chin.J.Lasers, 2009, 36(7):1826-1830.(in Chinese)

[4] 蘇艷麗, 何京良, 姜其暢，等.激光二極管抽運Nd∶YVO4晶體五倍頻213 nm深紫外激光器 [J].中國激光, 2006, 33(12):1590-1592.

SU Y L, HE J L, JIANG Q C,etal..Efficient 213 nm radiation fifth harmonic generation of a laser diode-pumped Nd∶YVO4laser [J].Chin.J.Lasers, 2006, 33(12):1590-1592.(in Chinese)

[5] 李義民, 檀慧明, 付喜宏, 等.LD泵浦腔內倍頻Nd∶YAG/LBO藍光473 nm激光器的低噪聲運轉 [J].光學 精密工程, 2008, 16(1):11-15

LI Y M, TAN H M, FU X H,etal..LD pumped intracavity frequency doubling 473 nm Nd∶YAG/LBO laser with low noise operation [J].Opt.PrecisionEng., 2008, 16(1):11-15.(in Chinese)

[6] 申高，檀慧明，劉飛.全固態355 nm連續紫外激光器的優化設計 [J].光學 精密工程, 2005, 13(5):731-735.

SHEN G, TAN H M, LIU F.Optimization design for all-solid-sate 355 nm continuous-wave ultraviolet laser [J].Opt.PrecisionEng., 2005, 13(5):731-735.(in Chinese)

[7] 馬瑩, 王成, 繆同群.VCSEL直接倍頻藍光固態激光器的研究 [J].光學 精密工程, 2005, 13(3):253-259.

MA Y, WANG C, MIAO T Q.Blue light laser by direct frequency doubling of VCSEL [J].Opt.PrecisionEng., 2005, 13(3):253-259.(in Chinese)

[8] 劉宗華, 鄭義.LD泵浦被動調Q-Yb3+∶YAG微晶片激光器的優化設計 [J].發光學報, 2013, 34(9):1219-1226.

LIU Z H, ZHENG Y, Design and optimization of LD-pumped passivelyQ-switched Yb3+∶YAG microchip laser [J].Chin.J.Lumin., 2013, 34(9):1219-1226.(in Chinese)

[9] 鄭義, 高明義, 姚建銓.LD端面泵浦各向異性激光介質的熱效應研究 [J].光電子·激光, 2003, 14(10):1094-1098.

ZHENG Y, GAO M Y, YAO J Q.Study on thermal effect of anisotropic laser medium by LD end-pumped [J].J.Optoelectron.Laser, 2003, 14(10):1094-1098.(in Chinese)

[10] 李隆，聶建萍，史彭，等.端面泵浦熱傳導各向異性激光棒的溫度場 [J].光學 精密工程, 2009, 17(12):2931-2938.

LI L, NIE J P, SHI P,etal..Temperature field characteristics of thermal conductive anisotropic laser rods by LD end-pumped [J].Opt.PrecisionEng., 2009, 17(12):2931-2938.(in Chinese)

[11] 李隆，耿鷹鴿，于庚華，等.脈沖激光二極管端面泵浦Nd∶YAG圓棒晶體熱效應 [J].應用激光，2015(5):597-602.

LI L, GENG Y G, YU G H,etal..Thermal effect of Nd∶YAG rod crystal end pumped by pulse LD [J].Appl.Laser, 2015(5):597-602.(in Chinese)

[12] 王旭, 程光華, 孫哲.LD泵浦被動調Q Yb∶YAG薄片激光器的研究 [J].光子學報, 2016, 45(3):0314009.

WANG X, CHENG G H, SUN Z.Research of LD-pumped passivelyQ-switched Yb∶YAG thin disk laser [J].ActaPhoton.Sinica, 2016, 45(3):0314009.(in Chinese)

[13] 江煒, 何青, 陳振強, 等.基于Nd∶YAG/Cr∶YAG/YAG鍵合晶體LD側面泵浦激光器 [J].光子學報, 2014, 43(4):0414002.

JIANG W, HE Q, CHEN Z Q,etal..LD side-pumped laser based on Nd∶YAG/Cr∶YAG compositecrystal [J].ActaPhoton.Sinica, 2014, 43(4):0414002.(in Chinese)

[14] 耿鷹鴿，李隆，潘曉瑞，等.LD端面泵浦變熱導率方形Yb∶YAG微片晶體熱效應 [J].光學技術, 2017, 43(2):103-107.

GENG Y G, LI L, PAN X R,etal..Thermal effect of variable thermal-conductivity circular Yb∶YAG crystal end pumped by pluse LD [J].Opt.Tech., 2017, 43(2):103-107.(in Chinese)

[15] 張學輝, 姜夢華, 劉斌, 等.高效率Nd∶YVO4/LBO臨界相位匹配脈沖綠光激光器 [J].強激光與粒子束, 2013, 25 (11):2831-2835.

ZHANG X H, JIANG M H, LIU B,etal..High efficiency Nd∶YVO4/LBO critical phase matching green laser [J].HighPowerLaserPart.Beams, 2013, 25(11):2831-2835.(in Chinese)