外文文献翻译角抽运NdYAG复合板条多波长连续运转激光器

1毕业设计/论文外文文献翻译系别信息科学与技术系专业班级光信0802姓名邹雅琴评分华中科技大学武昌分校2012年3月2角抽运Nd:YAG复合板条1.1μm多波长连续运转激光器刘欢柳强巩马理(清华大学精密仪器与机械学系光子与电子技术研究中心，北京，10084)*[e-mail]摘要报道了一种适合中小功率的全固态激光器的角抽运方法，抽运光从板条激光器中板条晶体的角部入射，可获得较高的抽运效率和较好的抽运均匀性。采用单角抽运方式，进行了角抽运Nd:YAG复合板条1.1μm多波长连续运转激光器的实验研究。激光腔采用紧凑型平-平直腔结构，腔长仅为22mm。当注入抽运功率为50.3W时，1,1μm多波长激光连续输出功率最高可达12.6W，光-光转换效率为24%。1引言角抽运方式是我们研究中心提出的一种新的抽运方式。其基本原理是在板条状激光介质的的角部切出一个倒角，抽运光通过这个倒角耦合到激光介质内部，利用抽运光在介质内的全反射来实现多程吸收，大大增加了吸收路程，在较低的掺杂浓度下也能获得较高的抽运效率和较好的抽运均匀性。角抽运方式和热键合技术结合起来能获得更好的激光输出，通过热扩散方式的方法在掺杂介质的两边缝合非掺杂介质，能把抽运光吸收区限制在中间的掺杂区，防止激光在界之内形成回路，有利于抽运光能量的提取和激光介质的散热。近年来，作者所在的研究小组已经成功实现了千瓦级连续输出的激光二极管（LD）角抽运Yb:YAG激光器稳定运转，光—光转换效率高，但光束质量不高，像散比较严重，限制了它的应用。目前，中小功率输出的全固态基膜激光器有着更广阔的应用前景。角抽运方式作为一种新的抽运形式，既具有端面抽运效率高，激光晶体冷却方法简单的优点，又具有侧面抽运均匀性好、功率扩展性强的优点。因此利用角抽运方式，开展中小功率全固态激光器的实验研究具有十分重要的应用价值。从原理上分析，角抽运中小功率输出的复合板条固体激光器是完全可行的，但是其耦合系统、激光介质腔型结构、输出功率特性等与大功率时存在有一些差异，这需要进行深入细致的理论计算和实验研究。3在中小功率固体激光器的发展过程中，通常使用Nd:YAG和Nd∶YVO4作为增益介质，两者都实现了较好的激光输出。Nd∶YAG的主要优点是热机械性能好，而Nd∶YVO4的主要优点是有效受激发射截面大，偏振输出，有利于消除热致双折射带来的影响。对于角抽运方式，由于其吸收光程比较长，因此对掺杂浓度和有效发射截面要求不高。Nd:YVO4的优点得不到充分发挥，所以在中小功率角抽运固体激光器增益介质的选择中，采用Nd:YAG材料作为增益介质更为合适。目前已经成功实现了角抽运Nd:YAG复合板条1064nm激光及其倍频光准连续、高效、稳定输出和角抽运Nd:YAG复合板条1319nm/1318双波长激光连续、高效、稳定输出。近年来，人们开始对Nd:YAG的1.1um附近的谱线产生了极大的兴趣，其中主要包括对1112nm和1123nm激光器的研制。1112nm激光经倍频可获得556nm的黄光，该波长非常接近人眼最敏感波长555nm，非常适合于激光显示和照明。1123nm激光器可以作为掺铥光纤的抽运源，通过上转换得到481nm的蓝光输出；同时1123nm的倍频光561nm黄光在医学、生物荧光实验研究和全息照相存储等领域有着极大的用途。1997年，R.Paschptta等利用激光二极管抽运Nd:YAG，获得了1.6W的1123nm激光输出，再将该激光抽运掺铥光纤，经频率上转换获得230mW的481nm蓝光输出.1999年，N.MOORE等展示了衍射极限输出的1123nm驻波腔激光器，注入抽运功率5.6W时，激光输出功率1.7W；同时，他们构建了一个单向环形腔单频1123nm激光器，产生180mW的单频输出。2004年，台湾的Y.F.Chen等采用Cr4+:YAG被动调Q，在抽运功率1.5W时，获得了150mW，10KHz的调Q输出，脉宽50ns。采用声光调Q，在抽运功率为19.2W时获得了平均功率3W的调Q输出，重复频率20KHz，峰值功率大于1kW；激光器连续运转时1123nm输出功率高达3.8W。2005年，蔡志强等报道了一台LD端面抽运Nd:YAG1123nm连续运转激光器，最高输出功率为2.6W，光—光转换效率为16.4%，斜率效率为18%。2006年，F.Q.Jia等采用内腔倍频技术，在抽运功率为1.6W时，实现了109mW的连续556nm黄光输出。2007年，E.J.Zang等报道一台输出功率达1.25W的1123nm单频激光器，斜率效率为39%，激光频率调节范围超过3GHz。2009年，S.S.Zhang等实现了LD端面抽运陶瓷Nd:YAG1123nm连续运转激光器10.8W稳定输出，光光转换效率高达41.4%。本文采用角抽运技术，实现了10.9W的连续1112nm/1116nm/1123nm多波长激光稳定输出，光光转4换效率21.7%，斜率效率22%。2实验装置实验装置如图1所示，LDbar的最大连续输出功率为50W，发光面积为10mm×0.7mm，有一定的发散角，而激光介质角面的尺寸为3mm×0.8mm，因此实验中使用由柱面透镜组成的耦合系统对抽运光进行压缩整形。在快轴方向使用一个焦距为12.7mm的柱面透镜，在慢轴方向使用两个焦距为30mm的柱面透镜，通过调整各个柱面透镜的位置，可以把抽运光完全耦合到激光介质中，实验结果表明耦合效率可以达到95%以上。根据光线追迹的数值计算方法，对角抽运复合板条的抽运吸收效率和均匀性进行了理论分析，并设计出单角复合板条各项参数的最佳范围。采用上述的抽运耦合系统和优化的复合板条晶体，抽运吸收效率可达92.6%。根据理论的指导，加工了优化的单角Nd:YAG复合板条。Nd:YAG复合板条的掺杂原子数分数为1.0%。掺杂区域的尺寸为14mm×0.8mm×0.8mm，两条非掺杂区域的尺寸为14mm×3.5mm×0.8mm，在复合板条的一角沿45°切一个倒角作为抽运光的入射面。由于1123nm的受激发射截面约为1064nm的1/15，约为1319nm的1/3，约为946nm的3/5，因此为了获得增益较小的1112，1116和1123nm条激光谱线的运转，不仅需要抑制1064nm激光的振荡，还需要抑制1319nm和946nm的振荡。选择激光谱线的方法很多，比如腔内加入色散棱镜、在谐振腔镜上镀制特殊要求的膜5系等。这里通过提高谐振腔两腔镜对1064，1319和946nm的透射率，抑制其起振，同时提高谐振腔对1112，1116和1123nm的反射率，以获得这3种波长激光的运转。但值得注意的是，仅通过镀制窄带的反射膜系，很难实现三者当中任意一条激光谱线的单独运转，还需插入相关的选频器件，比如标准具、双折射滤波片等。实验中采用平平直腔结构，考虑到谐振腔需要抑制掉1064，1319和946nm的激光振荡，对两腔镜镀制了特殊的膜系。高反镜上镀制了对1123nm高反（R＞99.8%），对1064nm（R＞74%），1319nm（R＞79%），946NM（＞80%）高透的膜系；输出镜上镀制了对1123nm部分透射（R＝2%），对1064nm（R＞73%），1319nm（R＞34%），946nm（R＞80%）高透的膜系。实验结果表明，1064，1319和946nm的激光振荡被成功抑制，获得了1..1μm附近激光的稳定运转。由于1112，1116和1123nm这3条激光谱线的相对性能和受激发射截面比较接近，因此在特定的抽运功率下它们很容易同时起振。在实验中也观察到三波长同时振荡的情况。为了尽量扩展激光器的稳区范围，提高多波长激光的输出功率，采用线性短腔结构，腔长仅为22mm。3实验结果图2给出了多波长激光连续输出功率与注入抽运功率之间的关系曲线。当注入抽运功率为50.3W时，连续输出功率最高可达10.9W，光光转换效率为21.7%，斜率效率为22%。在1.1μm多波长激光输出功率为10.9W时，利用光谱6仪观测激光器输出光谱，如图3所示，可观测到1112，1116和1123nm3波长同时振荡，1064nm激光已经被完全抑制，同时分别测量了这3个波长的线宽，分别为0.114，0.091和0.108nm。利用光谱仪监测了不同抽运功率时的激光器输出谱线，均未发现1064，1319和946nm的激光振荡。当注入抽运功率为48W时，对多波长激光连续输出功率的短期不稳定性进行了实验分析，每隔1min读取一个输出功率，在15min内，输出功率的不稳定度小于0.6%，测量结果如图4所示。7当1.1μm多波长激光输出功率为10.9W时，利用SpiriconM2-200光束质量分析仪测量了1.1μm多波长激光的光束质量因子M2。经过仔细调节，多波长激光的光束质量因子为Mx2＝10.18，My2＝2.75，测量结果如图5所示。束腰宽度在x和y方向分别为672μm和337μm。4结论采用角抽运技术进行了角抽运Nd:YAG／YAG1.1μm多波长连续运转激光器输出特性的实验研究，得到了比较理想的实验结果。连续1.1μm多波长激光最高输出功率达到10.9W，光-光转换效率为21.7%，斜率效率为22%，在抽运功率为48W时，多波长激光连续输出功率的不稳定度小于0.6%。当1.1μm多波长激光输出功率为10.9W时，它的光束质量因子为Mx2＝10.18，My2＝2.75。由于仅采用腔镜镀膜的方式很难实现1.1μm波段单一谱线的稳定运转，因此下一步将在腔内插入双折射滤波片或者标准具等选频器件，以实现1.1μm波段单一谱线的高功率稳定输出。8参考文献1.M.Gong,C.Li,Q.Liu,P.Yan,G.Chen,H.Zhang,andR.Cui,“Corner-pumpingmethodandgainmoduleforhighpowerslablaser,”U.S.PatentPatentNo.:US7,388,895B2(2008).2.M.Gong,C.Li,Q.Liu,G.Chen,W.Gong,andP.Yan,“200-Wcorner-pumpedYb:YAGslablaser,”Appl.Phys.B79(3),265–267(2004).3.Q.Liu,M.Gong,F.Lu,W.Gong,andC.Li,“520-Wcontinuous-wavediodecorner-pumpedcompositeYb:YAGslablaser,”Opt.Lett.30(7),726–728(2005).4.Q.Liu,M.Gong,F.Lu,W.Gong,C.Li,andD.Ma,“Corner-pumpedYb:yttriumaluminumgarnetslablaseremittedupto1kW,”Appl.Phys.Lett.88(10),101113(2006).5.W.A.Clarkson,andD.C.Hanna,“EfficientNd:YAGlaserendpumpedbya20-Wdiode-laserbar,”Opt.Lett.21(12),869–871(1996).6.M.Frede,R.Wilhelm,M.Brendel,C.Fallnich,F.Seifert,B.Willke,andK.Danzmann,“HighpowerfundamentalmodeNd:YAGlaserwithefficientbirefringencecompensation,”Opt.Express12(15),3581–3589(2004).7.G.D.Goodno,S.Palese,J.Harkenrider,andH.Injeyan,“Yb:YAGpoweroscillatorwithhighbrightnessandlinearpolarization,”Opt.Lett.26(21),1672–1674(2001).8.D.Golla,M.Bode,S.Knoke,W.Sch