1、第32卷第4期激光與紅外Vol. 32,No. 42002年8月LASER &INFRAREDAugust ,2002激光器技術(shù)文章編號:100125078(2002 0420240203側(cè)面泵浦Nd Y A G 連續(xù)激光器劉媛, 方高瞻, 王小薇, 劉斌, 馬驍宇, 肖建偉(中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所, 北京100083摘要:介紹了一種二極管側(cè)面泵浦的Nd Y A G 連續(xù)激光器, 采用了簡單、實(shí)用的側(cè)面泵浦結(jié)構(gòu), 獲得37. 9W 的連續(xù)1. 064nm 的激光輸出, 斜效率為31. 5%, 光效率為23. 7%。關(guān)鍵詞:側(cè)面泵浦; 二極管泵浦頭; 光纖準(zhǔn)直; 泵浦腔中圖分類號:TN2

2、48. 1; TN365文獻(xiàn)標(biāo)識碼:ALaser 2LasersG ao G Xiao 2wei ,L IU Bin ,MA Xiao 2yu ,XIAO Jian 2wei(Institute of Semiconductors ,CAS ,Beijing 100083,China Abstract :a LD side 2pumped cw Nd Y A G laser is introduced. By using a simple ,practical side 2pum ped structure ,the output of 37. 9W in 1. 064nm is obtain

3、ed. The slo pe efficiency is 31. 5%and the optical efficiency is 23. 7%K ey w ords :side 2pumped ;diode pumped head ;fibre align ;pump cavity1引言進(jìn)入九十年代以來, 隨著大功率半導(dǎo)體激光器的制作工藝進(jìn)一步成熟, 大功率半導(dǎo)體泵浦的固體激光器(DPSSL 得到了蓬勃的發(fā)展。與傳統(tǒng)的燈泵固體激光器相比, 二極管泵浦的固體激光器的體積減小, 重量減輕, 壽命也從原來的500h 增加到10,000h 1。其次, 由于半導(dǎo)體激光器的線寬很窄, 只有幾個納米, 與增

4、益介質(zhì)的吸收光譜可以很好的匹配, 所以使得熱荷載減少, 總體效率由原來的3%提高到10%以上1, 同時也降低了對冷卻系統(tǒng)的要求, 在醫(yī)療, 工業(yè), 軍事領(lǐng)域有廣泛的用途。再者半導(dǎo)體激光器的波長可以通過改變半導(dǎo)體材料, 及各材料的組分來進(jìn)行調(diào)節(jié), 得新的波長。比如:用G a In/Al G a InP 材料系可得到680nm ,665nm 的紅光量子阱激光器, 用來泵浦紫翠寶石獲得波長在701858nm 范圍內(nèi)的可調(diào)諧激光輸出2; 利用控制材料組分的方法, 可以將In G aAs/Al G aAs 系的應(yīng)變量子阱激光器的輸出波長調(diào)至785nm ,980nm 附近,用來泵浦摻Ho 3+,Er 3+

5、的增益介質(zhì), 得到紅外2m , 1. 5m 附近的激光輸出2、3。這些新的波長在醫(yī)療,通訊, 軍事上都有很大的利用價值。還有, 泵浦源LD 輸出功率穩(wěn)定性很高, 泵浦功率的波動對線寬的影響大大降低, 使得二極管泵浦的固體激光器具有更高的頻率穩(wěn)定性。再加上半導(dǎo)體激光器的價格逐年下降, 用半導(dǎo)體激光器泵浦的固體激光器代替燈泵的固體激光器已經(jīng)成了一種必然的趨勢。目前, 國內(nèi)外對二極管泵浦頭的設(shè)計多種多樣4-7, 對于圓柱狀的激光晶體來說, 國內(nèi)主要采用在晶體冷卻管外表面鍍增透, 全反膜來提高泵浦效率8。這種方法比較煩瑣, 而且在圓柱形表面鍍大面積的全反膜也比較困難。本文設(shè)計了一種簡單實(shí)用的泵浦頭結(jié)構(gòu)

6、, 用9個最大輸出功率為20W 的連續(xù)半導(dǎo)體陣列激光器作為泵浦源, 在輸入泵浦功率為180W 時, 得到了37. 9W 的基頻光輸出, 斜效率為31. 5%。2二極管泵浦頭裝置所謂的二極管泵浦頭是指, 將多個半導(dǎo)體激光作者簡介:劉媛(1976- , 女, 碩士, 現(xiàn)為中科院半導(dǎo)體所在讀博士生, 從事大功率固體激光器研究。收稿日期:2002203206 器或半導(dǎo)體激光器列陣做成組件模塊與激光晶體配合, 裝成套件, 我們稱為二極管泵浦頭。它可以與諧振腔構(gòu)成大功率激光器, 也可以單獨(dú)作為放大器, 用在大功率的MOPA 系統(tǒng)中。它是組成大功率半導(dǎo)體泵浦固體激光器的核心器件 。圖1二極管泵浦頭的橫截面示

7、意圖本文使用了9個100m ×1m ×10mm 的連續(xù)LD bar 作為泵浦源, 單bar 輸出波長為808nm , , 線形排列, , 。bar 和bar 0. 34m ×1m 120°對準(zhǔn)晶體棒的中心, 進(jìn)行泵浦。半導(dǎo)體激光器采用整體制冷, 產(chǎn)生的熱量靠熱沉中流動的去離子水迅速帶走。由于半導(dǎo)體激光器的輸出波長隨著溫度的升高將出現(xiàn)紅移, 所以我們通過控制冷卻水的溫度, 使其輸出波長中心與Nd Y A G 晶體的最強(qiáng)吸收峰808nm 相匹配, 控溫精度可以達(dá)到±1。增益介質(zhì)的尺寸為<3×56mm , 摻雜濃度為1. 0at. %

8、, 晶體兩端兩鍍有1. 064m 的增透膜。晶體棒裝在一個內(nèi)徑為4. 5mm 的玻璃管中, 靠玻璃管中流動著的去離子水進(jìn)行冷卻。由于晶體棒和玻璃管需要機(jī)械固定, 所以, 晶體棒得到泵浦的有效長度為34mm 。泵浦頭的橫截面如圖1所示。由于晶體的橫向尺寸比較小 , 泵浦光單程通過晶體, 不能被完全吸收。為了有效地利用泵浦功率, 我們在玻璃管的外部安裝了一個銅管, 將銅管的內(nèi)表面精細(xì)拋光, 作為反射面, 構(gòu)成了一個泵浦腔, 使得泵浦光在晶體中可以得到二次吸收。這種結(jié)構(gòu)即簡單又實(shí)用, 而且實(shí)驗證明, 銅管泵浦腔的使用可以有效的改善泵浦頭的激光輸出性能。此外, 由于實(shí)驗中使用的LD bars 的發(fā)散角

9、很大, 以半高全寬計算, 垂直于半導(dǎo)體結(jié)面方向的快軸發(fā)射角與平行于半導(dǎo)體結(jié)面方向的慢軸發(fā)散角分別為40°和10°。為了使大部分泵浦光能量最終入射到晶體, 被有效地吸收, 我們選取了三根直徑為2. 2mm 的光纖棒做為準(zhǔn)直透鏡, 來壓縮泵浦光, 提高泵浦效率。光纖棒與二極管線陣的發(fā)光區(qū)的距離控制為0. 4mm , 耦合效率可以達(dá)到89 %。這樣, 通過光纖棒的總泵浦功率可以達(dá)到160W 。3二極管泵浦頭的性能我們采用了直線型平平腔的結(jié)構(gòu), 腔長為310mm , 輸出耦合鏡的透過率為7%。由于半導(dǎo)體激光器對于溫度的改變是很敏感的, 所以我們首先在不同溫度下, 對激光泵浦頭的運(yùn)轉(zhuǎn)

10、性能做了測試。如圖2所示, 可以看出, 隨著溫度的升高, 激光頭的斜效率和最大輸出功率也在升高, 說明實(shí)驗中的半導(dǎo)體列陣的最佳溫度偏高, 大致在26附近。圖中的橫坐標(biāo)為經(jīng)過光纖棒準(zhǔn)直后, 的泵浦功率。圖2不同溫度下, 二極管泵浦頭的功率輸出特圖3三種情況下, 泵浦頭輸出性能的比較其次, 我們將半導(dǎo)體列陣模塊的溫度統(tǒng)一控制在26±1。然后分別對未加銅管, 加銅管未加光纖準(zhǔn)直, 既加銅管又加光纖準(zhǔn)直這三種情況下, 激光泵浦頭的運(yùn)轉(zhuǎn)性能做了實(shí)驗研究。結(jié)果我們發(fā)現(xiàn), 銅管泵浦腔及光纖準(zhǔn)直棒的使用對泵浦頭的激光性能均有很大的改善作用。首先, 我們測定了在未加銅管泵浦腔時, 激光頭的運(yùn)轉(zhuǎn)性能,

11、如圖3中圓點(diǎn)所示, 可以看到, 當(dāng)輸入的LD 泵浦功率為135W 時, 1. 06m 的基頻光輸出只有5. 1W , 斜效率為7. 2%。而加上銅管之后, 在同樣的輸入功率下, 可以得到142第4期激光與紅外10W 的基頻光輸出, 斜效率為11%, 如圖中方三角實(shí)點(diǎn)所示。輸出功率提高了將近一倍。圖中的方實(shí)點(diǎn)為加入了光纖準(zhǔn)直棒后, 激光頭的性能。當(dāng) LD 輸入功率為135W 時, 得到了20. 7W 的基頻光輸出。斜效率為23%。當(dāng)輸入功率為180W 時, 得到了37. 9W 的輸出, 斜效率為28%。若將光纖棒的損耗排除在外, 則斜效率為31. 5%。4總結(jié)本文介紹了一種實(shí)用、簡單的二極管激光

12、器列陣側(cè)面泵浦Nd Y A G 的激光泵浦頭裝置, 得到了37.9W 的1. 064m 的多模激光輸出。斜效率為31. 5%。文中還討論了銅管泵浦腔與光纖準(zhǔn)直系統(tǒng)以及溫度對激光輸出性能的影響。需要指出的是,由于在激光泵浦頭裝置中, 半導(dǎo)體列陣激光器與晶體采用統(tǒng)一制冷, 而實(shí)驗中所用的半導(dǎo)體列陣激光器的最佳溫度為26, 是很不理想的, 所以, 制冷, 參考文獻(xiàn):1H Weber , et al. Diode Pum ped S olid State Lasers :from10W to 10KWA.SPIE ,1999,Vol. 3862:2.2劉興新, 等. 國外軍用固體激光技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀J.激

13、光與紅外,2000,30(1 :7.3W F Krupke ,et al. Advanced Diode Pum ped S olid StateLasers (DPSSLs :NearTerm Trends and FutureProspectsA.SPIE ,2000. 3889:64.4Y Hirano , et al. 208-W TEM 00operation of a diode 2pumped Nd Y A G rod laser J.Opt. letts ,1999,24(10 . 679.5D G olla , et al. 3002W cw diode 2laser side 2pumped Nd Y A G rod laser. J.Opt. Lett ,1995,20(10 :1148.6S Fu