連天虹，王石語，劉國榮，王一斌，蔡德芳，李兵斌，過 振

(1. 西安電子科技大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院,陜西 西安 710071;2. 總裝備部西安軍代局,陜西 西安 710032；3. 西安科技大學(xué) 理學(xué)院,陜西 西安 710054)

引言

單縱模固體激光器在相干激光雷達(dá)、相干光通信、非線性頻率產(chǎn)生等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。固體激光器獲得單縱模輸出的方式有短腔法、扭擺模法、腔內(nèi)插入標(biāo)準(zhǔn)具法、單向運行環(huán)形腔法、單塊非平面環(huán)形腔(NPRO)等[1]。2009年，北京理工大學(xué)林志峰等人用激光二極管(LD)抽運厚度為1 mm的Cr,Tm,Ho∶YAG微片激光介質(zhì)，獲得了31 mW的單縱模激光輸出[2]。2012年，北京理工大學(xué)C.Gao等人用L型扭擺腔法獲得了Tm∶YAG晶體的2 μm單頻輸出，輸出功率1.46 W[3]。2011年，B. Q. Yao等人用Ho∶YAP作為激光介質(zhì)，在腔內(nèi)插入2個標(biāo)準(zhǔn)具，通過調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)具角度，在室溫下分別獲得了72.6 mW的2 102.5 nm單頻激光和42.0 mW的2 130.8 nm單頻激光[4]。2013年，北京理工大學(xué)Wang Lei 等人用Tm∶LuAG激光介質(zhì)，在腔內(nèi)插入標(biāo)準(zhǔn)具獲得了2 μm可調(diào)諧激光輸出[5]。2010年，華北光電技術(shù)研究所陳三斌等人用LD單端抽運Nd∶YVO4晶體，采用四鏡環(huán)形腔，在22.5W抽運功率下獲得了9.9 W的1 064 nm單頻激光輸出[6]。NPRO激光器由于采用單塊結(jié)構(gòu)，具有極高的頻率穩(wěn)定性，北京理工大學(xué)高春清等人對其進(jìn)行了深入研究。2009年，他們采用LD抽運單塊NPRO Nd∶YAG激光器和單塊鍵合晶體Tm∶YAG激光器，分別獲得了7.876 W和616 mW的1 064 nm和1 319 nm的單頻激光輸出；用LD抽運NPRO Tm∶YAG激光器，獲得了878 mW的2 μm單頻激光輸出[7]。2012年，他們用1 532 nm光纖激光器抽運Er∶YAG 單塊NPRO，獲得了6.1 W 1 645 nm單頻輸出[8]，2013年，他們將功率提高到10.5 W[9]。他們還用Ho∶YAG單塊NPRO獲得了8.0 W 的2 122 nm單頻激光輸出[10]。

單向環(huán)形腔法是獲得大功率單縱模激光最有效的方式之一。單向運行的行波腔消除了增益介質(zhì)中由于駐波效應(yīng)產(chǎn)生的空間燒孔效應(yīng)，增益飽和效應(yīng)使其單縱模輸出。通常利用法拉第磁光效應(yīng)使環(huán)形腔單向運行，對分離器件的環(huán)形腔，通常要在腔內(nèi)插入法拉第光隔離器；對單塊非平面環(huán)行腔，需外部對介質(zhì)提供磁場。另一種使環(huán)形腔單向運行的方式是采用聲光調(diào)制器。R.Roy等用該技術(shù)在環(huán)形腔中獲得Ti∶sapphire激光的單縱模輸出[11]。L. J. Bromley等人用聲光調(diào)制器實現(xiàn)了單向輸出和調(diào)Q的Nd∶YAG激光器[12]，獲得了重復(fù)頻率1 kHz、單脈沖能量13 μJ的脈沖輸出，對應(yīng)的平均功率為13 mW。D. Y. Shen等人用聲光調(diào)制器在環(huán)形腔中實現(xiàn)了單頻Ho∶YAG 激光器，獲得了3.7 W 2 114 nm激光輸出[13]。聲光調(diào)制器作為光學(xué)單向器具有插入損耗小、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小等優(yōu)點。目前報道的用該技術(shù)獲得的1.06 μm Nd∶YAG 激光的功率僅為幾十毫瓦，不能滿足實際應(yīng)用的需求。本文在四鏡環(huán)形腔中用聲光調(diào)制器作為單向器獲得了Nd∶YAG單縱模激光，提高了輸出功率水平，以滿足實際應(yīng)用需要。

1 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示。諧振腔采用四鏡矩形環(huán)形腔，反射鏡M1～M4均為平鏡，M1、M2和M3在45°入射時對激光波長1 064 nm全反，M3對808 nm泵浦光全透，M4為輸出耦合鏡，45°入射時對1 064 nm激光的透過率為15%。M1與M2及M3與M4間的距離為15 cm， M2與M3即M1與M4間的距離為12 cm，諧振腔長為54 cm。較長的腔長有利于基橫模輸出，平面反射鏡能減弱斜入射產(chǎn)生的像散。實驗中所用Nd∶YAG增益介質(zhì)大小為?2×20 mm3，用銦皮包裹并夾持在鋁熱沉中散熱冷卻。泵浦源為光纖耦合激光二極管，其在25 ℃的中心波長為808 nm。泵浦光經(jīng)耦合系統(tǒng)整形后端面泵浦激光介質(zhì)。

圖1 實驗裝置框圖Fig.1 Scheme of experimental setup

實驗中所用聲光調(diào)制器(AOM)由熔融石英制成，其對環(huán)形腔中2個方向傳播的光產(chǎn)生損耗差。Clarkson給出了該損耗差產(chǎn)生的機理[14]，由于2個方向的光束和聲波的相對夾角不同，經(jīng)運動的聲波面反射后會產(chǎn)生不同的多普勒頻移，從而導(dǎo)致2個方向的光具有不同的布拉格角，因此在一定角度入射時聲光調(diào)制器對2束光有不同的衍射損耗，具有較大損耗的光束在競爭中處于劣勢而不能持續(xù)振蕩，衍射損耗較小方向的光束能夠持續(xù)振蕩，從而獲得單向輸出。

由于增益介質(zhì)的熱效應(yīng)會影響諧振腔的穩(wěn)定性，在該諧振腔設(shè)計中我們考慮了熱透鏡效應(yīng)。在端面高斯光泵浦結(jié)構(gòu)中，熱效應(yīng)可以近似為1個透鏡，其等效焦距可以表示為[15]

(1)

式中:Kc為增益介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù);ωp為泵浦光半徑;η為產(chǎn)熱系數(shù);P為泵浦功率; dn/dT為介質(zhì)折射率隨溫度的變化率;α為介質(zhì)對泵浦光的吸收系數(shù);lc為介質(zhì)長度。實驗中使用的Nd∶YAG晶體的相關(guān)參數(shù)值：Kc=0.14 W/(cm·K);ωp=0.5 mm;η=0.32; dn/dT=7.3×10-6K-1;α=0.5 mm-1;lc=2 cm。諧振腔的傳輸矩陣為

(2)

式中l(wèi)為諧振腔長度，要使諧振腔穩(wěn)定，需滿足-1<(A+D)/2<1，即諧振腔長度需滿足0

2 實驗結(jié)果

圖2所示為輸出光功率隨泵浦光功率的變化?？梢钥闯?，隨著泵浦功率增大，輸出功率隨泵浦功率以接近線性的形式增加，但在泵浦功率13 W時，曲線發(fā)生彎曲。在理想情況下，光泵單縱模激光器的輸出功率隨吸收的泵浦功率線性變化。但實際中，在泵浦功率變化時，激光二極管的管芯溫度通常都會發(fā)生微小變化，使泵浦光的中心波長產(chǎn)生漂移，從而影響其與激光介質(zhì)的光譜匹配程度，使激光輸出功率隨泵浦功率的變化趨勢偏離線性；另一個會影響該變化趨勢的原因是激光介質(zhì)的熱效應(yīng)引起的熱致衍射損耗，隨著泵浦功率的變化，熱致衍射損耗發(fā)生變化，即在泵浦功率變化時，諧振腔的損耗也在發(fā)生變化。這兩方面因素通常會使光泵激光器輸出功率隨泵浦功率的變化趨勢偏離線性。在18.1 W泵浦時，獲得了1 W的激光輸出。

圖2 輸出功率隨泵浦光功率的變化Fig.2 Output power versus optical pump power

對應(yīng)于54 cm腔長的縱模間隔為0.56 GHz，用自由光譜區(qū)為4 GHz的共焦球面掃描干涉儀測量輸出激光的縱模，測量結(jié)果如圖3所示。可見，激光器為單縱模輸出。

圖3 輸出激光的縱模結(jié)構(gòu)Fig.3 Output spectra of laser

用刀口法測量了距輸出鏡不同位置處的光斑半徑，用最小二乘法擬合了光斑半徑隨距離的變化，結(jié)果如圖4所示。進(jìn)而計算出光束質(zhì)量因子M2為1.21，可見激光器為近基橫模輸出。

圖4 光斑半徑隨距離的變化Fig.4 Beam radius versus distance from output coupler

3 結(jié)論

本文用聲光調(diào)制器給環(huán)形腔中2個方向的光提供損耗差使四鏡環(huán)形腔單向運行從而實現(xiàn)單縱模輸出。實驗獲得了輸出功率1 W的1.06 μm Nd∶YAG 單縱模激光，光束質(zhì)量因子M2為1.21。該輸出功率及其緊湊的結(jié)構(gòu)能滿足許多重要的應(yīng)用需要。

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