摘要：采用中心波長為(wei) 888 nm的激光二極管作為(wei) 抽運源，減輕了Nd:YVO4晶體(ti) 中的熱效應。通過合理的諧振腔設計，擴大激光晶體(ti) 處的基模尺寸和振蕩光在凹麵腔鏡處的入射角，減輕了激光晶體(ti) 內(nei) 部的熱效應和諧振腔像散，提高了激光器的輸出功率。采用四鏡環形腔選模的辦法，獲得穩定的高功率單頻激光輸出。在吸收的抽運功率為(wei) 67.5 W時，實現了最高功率為(wei) 21.5 W的532 nm單頻激光輸出，其8 h功率穩定性優(you) 於(yu) ±1%，光束質量M2<1.1，光光轉換效率為(wei) 31.9%。

     1、引言

      全固態高功率單頻綠光激光器可廣泛應用於(yu) 科學研究的各個(ge) 領域，比如抽運鈦寶石激光器或染料激光器，精確測量和高分辨率的激光光譜實驗。然而，在高功率抽運的條件下，激光增益介質中會(hui) 產(chan) 生嚴(yan) 重的熱效應，這就限製了激光功率和光束質量的進一步提高。因此，目前高功率固態激光器研究的熱點，主要是集中在研究激光晶體(ti) 熱效應特性和減輕激光晶體(ti) 中的熱效應上。減輕激光晶體(ti) 熱效應的方法包括采用複合增益介質，低摻雜晶體(ti) ，雙端抽運方式或者直接抽運的方式。

      目前已有多種方法能使激光器達到單縱模運轉，例如用扭轉模腔、短腔諧振、標準具選模及雙折射濾光片選模等。但在設計高功率輸出內(nei) 腔倍頻激光器時，大多仍是利用環形諧振腔，消除空間燒孔效應進行選模。然而，由於(yu) 環形腔包含的腔內(nei) 元件太多，因而增加了激光器的內(nei) 腔損耗，不利於(yu) 高功率單頻激光器的獲得。關(guan) 於(yu) 高功率單頻激光器的研製，國外主要以美國的相幹公司為(wei) 代表，形成了VerdiV係列的單頻綠光光源，在采用中心波長為(wei) 808nm抽運源的情況下，其最高輸出功率為(wei) 18W；德國的ELS公司則采用薄片晶體(ti) ，實現了最高輸出功率為(wei) 15W的單頻綠光光源。在國內(nei) ，山西大學光電研究所長期從(cong) 事全固態單頻激光器的研究工作，但是受激光晶體(ti) 熱效應的影響，限製了激光器輸出功率的提高。

     本文采用楔形Nd∶YVO4晶體(ti) 作為(wei) 增益介質改善了激光器的穩定性，在單端抽運情況下，使用環形諧振腔選模技術實現了高功率單頻綠光激光輸出。采用中心波長為(wei) 888nm的激光二極管（LD）作為(wei) 抽運源，減輕了激光晶體(ti) 的熱效應。通過合理的環形諧振腔設計，盡量保證在增益介質處獲得較大的基模尺寸並且縮小諧振腔腔鏡處振蕩光的入射角度，減輕了增益介質處的熱效應和環形腔的像散，提高單頻激光的輸出功率。在吸收的抽運功率為(wei) 67．5W時，單頻綠光的最大輸出功率達到了21．5W，M2＜1．1，光光轉換效率為(wei) 31．9％，光斑的橢圓率優(you) 於(yu) 0．16，輸出綠光8h功率穩定性優(you) 於(yu) ±1％。

       2、實驗設計與(yu) 裝置

      圖1為(wei) 實驗裝置圖，諧振腔為(wei) 四鏡環形腔，其中包含兩(liang) 個(ge) 平麵鏡［M1：S1，減反（AR）888nm；S2，高透（HT）888nm，高反（HR）1064nm和M2：S1，HR1064nm］和兩(liang) 個(ge) 凹麵鏡（M3：S1，HR1064nm和M4：S1，HR1064nm，HT532nm；S2，HT532nm。犚M3，M4＝100mm）。增益介質采用α切割的楔形複合Nd∶YVO4晶體(ti) （S1，S2：AR888nm，1064nm），摻雜原子數分數為(wei) 0．8％，尺寸為(wei) 3mm×3mm×（3＋20）mm，對888nm抽運光的吸收效率為(wei) 89％。楔形晶體(ti) 的設計可以起到偏振分束器的作用，在不同偏振方向模式的競爭(zheng) 中，保證π偏振光優(you) 先於(yu) σ偏振光在腔內(nei) 起振，提高激光器的線偏振度和偏振方向的穩定性。法拉第旋轉器（TGG）和半波片（HWP）組成的光學單向器使激光器實現單向運轉，獲得穩定的單頻輸出。倍頻晶體(ti) 采用尺寸為(wei) 3mm×3mm×15mm的LBO晶體(ti) （S1，S2：AR1064nm，532nm），通過自製的控溫儀(yi) （控製精度為(wei) 0．01℃）將晶體(ti) 溫度控製為(wei) 非臨(lin) 界相位匹配溫度149℃。抽運源采用光纖耦合輸出的激光二極管（LIMOF400DL888EX1458），中心波長為(wei) 888nm，最大輸出功率為(wei) 90W，光纖芯徑為(wei) 400μm，數值孔徑犖犃為(wei) 0．22。激光二極管輸出的激光光束經傳(chuan) 輸效率為(wei) 96％的望遠係統整形後聚焦於(yu) Nd∶YVO4晶體(ti) 內(nei) 。

      與(yu) 中心波長為(wei) 808nm激光二極管抽運相比，采用中心波長為(wei) 888nm的激光二極管抽運具有兩(liang) 個(ge) 優(you) 點：1）采用888nm直接抽運方式減小了量子虧(kui) 損產(chan) 生的熱，例如，要獲得1064nm激光輸出，與(yu) 808nm抽運相比，熱負荷將從(cong) 24．1％縮減為(wei) 16．5％，這樣在激光的抽運過程中，增益介質會(hui) 吸收更多的抽運功率而保證熱負荷不會(hui) 增加；2）888nm抽運方式無偏振吸收的特性在降低熱效應的同時也改善了激光器工作的穩定性。為(wei) 了定量地描述晶體(ti) 的熱效應，使用LASCAD軟件分析了888nm和808nm抽運方式在吸收了相同的抽運功率下晶體(ti) 內(nei) 部的溫度分布。首先，選用摻雜原子數分數為(wei) 0．8％，尺寸為(wei) 3mm×3mm×（3＋20）mm的Nd∶YVO4晶體(ti) ，該晶體(ti) 對波長為(wei) 888nm抽運光的吸收效率為(wei) 89％。其次，采用摻雜原子數分數為(wei) 0．2％，尺寸為(wei) 3mm×3mm×（3＋20）mm的Nd∶YVO4晶體(ti) ，當抽運光的波長為(wei) 808nm時，Nd∶YVO4晶體(ti) 對抽運光的吸收效率為(wei) 95％。圖2為(wei) 在吸收了相同的抽運功率條件下采用兩(liang) 種抽運方式晶體(ti) 內(nei) 部在橫向和縱向的溫度分布圖。

    由圖可見，采用888nm抽運方式，增益介質中最高溫度為(wei) 349．5K（等價(jia) 於(yu) 808nm抽運方式在抽運功率為(wei) 32W時的最高溫度），比808nm抽運方式低72．6K，與(yu) 此同時，晶體(ti) 內(nei) 部的溫度分布也比較均勻。這就為(wei) 單端麵抽運方式下徑向溫度分布不均勻提供了一種有效的解決(jue) 方案，從(cong) 而簡化了以往雙端麵抽運的實驗裝置，使單端麵抽運方式獲得高功率單頻運轉成為(wei) 可能。

    在高功率激光器的設計中，熱透鏡是一個(ge) 關(guan) 鍵參數，要優(you) 化激光器的參數，就必須測量熱透鏡，並分析熱透鏡對激光穩區和模式的影響，通過合理的腔型設計減輕熱透鏡效應對激光器的影響。在此設計中，通過對888nm抽運時熱效應的分析，設計合理的諧振腔，擴大增益介質處基模模式尺寸，進一步改善激光晶體(ti) 處的熱效應。此外，為(wei) 了獲得單頻激光輸出，采用四鏡環形諧振腔的設計，如圖1所示，該腔型中包含兩(liang) 麵傾(qing) 斜的凹麵鏡，因而會(hui) 引入額外的像散。於(yu) 是在整個(ge) 設計中，為(wei) 了獲得更高功率的穩定單頻激光輸出，要盡量減小環形諧振腔帶來的像散。實驗中，使用30∶75的整形係統將抽運光在激光增益介質處的腰斑直徑擴大為(wei) 1mm，諧振腔長度為(wei) 490mm，兩(liang) 凹麵鏡間距離為(wei) 96mm，振蕩光在腔鏡處的入射角為(wei) 10°，此時基模模式在增益介質中的光斑直徑設計為(wei) 0．8mm，抽運光與(yu) 基頻光的光斑尺寸均得到了放大，這將進一步改善激光晶體(ti) 中的熱效應。而諧振腔的像散則無法完全消除，在諧振腔的設計上，盡量減小振蕩光在凹麵腔鏡處的入射角及凹麵腔鏡離軸入射引入的像散影響。

     3、實驗結果與(yu) 分析

     通過分析，采用888nm直接抽運和合理的諧振腔設計，以及環形腔選模的辦法，最終在吸收的抽運功率為(wei) 67．5W時，通過單端麵抽運和內(nei) 腔倍頻的方式獲得了輸出功率為(wei) 21．5W的穩定單頻綠光激光器。當抽運功率從(cong) 閾值到67．5W連續增加時，輸出的激光均可以保持良好的光束質量，並且輸出功率連續增加，如圖3所示。

    圖4為(wei) 激光器輸出功率為(wei) 21．5W時，掃描法布裏珀羅（FP）腔得到的單頻曲線，證明激光器實現穩定單頻運轉。

     在輸出功率最大時，測得綠光激光器8h功率穩定性優(you) 於(yu) ±1％，光束質量小於(yu) 1．1，如圖5所示。

      圖5為(wei) 通過光束質量分析儀(yi) 測量的光斑分布曲線圖，光光轉換效率為(wei) 31．9％。由實驗結果可見，888nm直接抽運方式和擴大激光晶體(ti) 處基模光斑尺寸，極大地減輕了增益介質在高功率抽運過程中產(chan) 生的嚴(yan) 重熱效應，提高了激光器的輸出功率和光光轉換效率。

    4、結論

    通過LASCAD軟件分析了888nm和808nm抽運方式的熱效應，與(yu) 808nm激光二極管抽運相比，采用888nm激光二極管抽運具有量子虧(kui) 損小，以及無偏振吸收的特性，可以有效減輕激光晶體(ti) 的熱效應。通過合理的腔型設計，擴大了增益介質處基模的光斑尺寸並且減小了諧振腔的像散。利用環形腔選模方法，獲得穩定的高功率單頻綠光激光輸出。在吸收的抽運功率為(wei) 67．5W時，采用單端抽運方式獲得了最高功率為(wei) 21．5W的單頻綠光激光輸出，其光光轉換效率達到31．9％，光束質量犕2＜1．1，8h功率穩定性優(you) 於(yu) ±1％。