激光二极管抽运四片串联Nd_YAG薄片激光器

激光二极管抽运四片串联Nd_YAG薄片激光器 ，第 卷 第 期 ,, ,, 中 国 激 光 ,:,,,,::,,,，,,,,,,,,,:,, 年 月,:,, ,, ,,,:,,,::,,:,,:,,,,,,, :激光二极管抽运四片串联 薄片激光器 :,,,, 刘 洋 王 超 唐晓 军徐鎏 婧梁兴 波刘 刚 赵 鸿 ,，,华北光电技术研究所固体激光技术重点实验室 北 京 ,:::,, ，。 ,，摘 要 针对四薄片串联结构 利 用 传输矩阵方法对谐振腔进行优化设计 采 用 四 片 薄 片 串 联 谐 ,,,, :,,,, ，，,,。振腔采用双凹对称腔 实 现 了 的 激 光 输 出 验证了激光二极管 抽运薄片激光器的定标放大能力 ,,,,,, ,, 关 键 词 激 光 器 ,薄 片 激 光 器 ,谐 振 腔 设 计 ,,晶 体 ,定 标 放 大:,,,, 中 图 分 类 号 文 献 标 识 码 ,, ,:,,,,,,,:,,:,,:,,,:,,:,,,,,,,:,::: , ,,,,,,,:,,,,,,,,:,,:,,,, ,,,,,,,,,,), ,,,,,,,,,,,,: ,,,,,,:,, ,,,,,,,,,,,,,,,:, ,,,,, ,, ,,,,,,:,,:,:,, ,,，，,,,,,,,,,,,,,,,:,::,,:,,,),,,,,,,,,,,,,,:,,,:,::,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,:):,,,,,,,,, ，,,,,,,,:::,,,,,,,,, ， ,,,,,,,, ,,,,,,:,,,:,,,:,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,:,,,,,,,,:,:,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,:,,,,,,,,, ,， ,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,:,,:,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,),:,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,:,,,,:,,,,:,,,:,,,, ，,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,, ,:,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,:,,,,,,,,,,,,, ,,),,,,,,,,,,,,,,:,,, ,,,,, ,,,:,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,:,,,,,,:,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,, ,,, :,,,,:,,, ,,:,,,,:,,:,,,,:,,:,,,,:,,:,,,,: 、，输 矩 阵 对 谐 振 腔 进 行 计 算 分 析 得 到 利 用 双 凹 对 引言 ,称 ,,,,激 光 二 极 管 抽运的固体激光器 由 ,,,,,，腔 结 构 有 利 于 激 光 功 率 抽 取 的 结 论 进 而 验 证 、、于 其 独 特 的 优 势 被 广 泛 应 用 于 工 业 国 防 科 研 和 了 医 。抽 运 薄 片 激 光 器 的 定 标 放 大 能 力 ,, 谐 振 腔 设 计，、 疗 等 多 个 领 域 特 别 是 高 功 率 高 光 束 质 量 的 ,,, ，四 片 串 联 的 折 叠 谐 振 腔 如 图 所 示 其 中 ,, ,， ,。 有 着 更 广 阔 的 应 用 前 景 、，为 谐 振 腔 的 输 入 输 出 腔 镜 为 薄 片 增 ,,,,,, : 。 ，益 介 质 通 过实验测量了薄 片 晶 体 热 透 镜 焦 距 随 抽按 照 增 益 介 质 的 形 状 分 类 阵 列 抽 运 的 固 ,, 、，，体 激 光 器 主 要 可 以 分 为 圆 棒 状 激 光 器 板 条 激 光 运 功率的变化关系 得 到 当 抽 运 功 率 为 时 ,,,,, 、器 。对 应 的 热 透 镜 焦 距 为 , ,),,,。薄 片 激 光 器 和 光 纤 激 光 器其 中 薄 片 激 光 器 是 一 四 薄 片串联折叠腔可以等效为图 所 示 的 直, ，种 很 有 潜 力 的 高 功 率 激 光 器 由 于 其 轴 向 准 一 维 。，，腔 其 中 , ,, ,,::,,, ,,::,,, ,, , , ,,, ,的 温度分 布和 较好的散热 效果可 以 有效地减小热透，，。总 腔 长 为 四薄片呈对称排布 ,:: ,,,,:: ,, ，镜 效 应 从 而 薄 片 激 光 器在获得高功率激光 输 出的，，，，分 别 为 各 薄 片 对 应 的 热 透 镜 焦 距 ,,,,,,,, ,,,,薄 ，。 同 时 保 持 高 效 率 和 高 光 束 质 量目 前 多 种 结 构 ， 片 的 厚 度 远 小 于 谐 振 腔 长 度 将它 们视为理想的薄 的 薄片状 激光 器已经实现 了高平 均 功率和极好的光。 ，透 镜 由于 四片薄片各 参数和抽运功率 均 相同 ，束 质 量 的 激 光 输 出 最重要的是该结构激光 器 具有，，以 镜 作 为 参 考 四 ,,,,,, ,,, ,,,,,,,,,, ) 功 率 定 标 放 大 能 力 的 同 时 还 能 够 保 持 优 良 的 光 束 质 ,,,收 稿 日 期 收到修改稿日期 ,:,,::,:,:,,:,,,)))),,,,,,—,，，，。,作 者 简 介 刘 洋 男 硕 士 主要从事固体激光技术方面的研究 。 量,,,,,),,,,,,,,,:,,,,,,,,,:, ，本 文 针 对 四片薄片串联 折 叠腔 利 用 传,,,, , , , ,,,,,， ,,,,,,, ,, ,, ,, 、、、式 中 分 别 为 四 薄 片 上的基模光斑半 ,,,,,,,, ，。径 为 薄 片 晶 体 厚 度 , 选取腔内 其 他 点 作为参考位置可以得到 腔 内任 ，意 位置处的基模高 斯 光束 的 束 宽 计 算 了 平 凹 腔 和 ) 双 凹 腔 对 应 不 同 腔 参 数 的 种腔型的腔内基 模 振荡 , ，，光 包 络 曲 线 其 中 平 凹 腔 的 凹 面 镜 为 全 反 镜 平 ) ,面 镜 为 输 出 镜 双 凹 对 称 腔 的 全 反 镜 和 输 出 镜 均 图 四片串联薄片激光器实验示意图 ，。 ,面 镜 分 别 对 应 图 中 的 和 图 为 为 凹 , ,, ,,, ,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,:,, ,,,,,计 算 得、、到 的 平 凹 平 凹 凹 凹 和 凹 , ,,,, ,, ,, , ,,))),:,,,,,,,,,,,,,, 。凹 种 腔 型 腔 内 基 模 振 荡 光 包 络 曲 线 , ,,,, ,, ) ,,，,,利 用式 可 以 计 算 得 到 种 腔型的基模和多 ,,, ，阶 模 模 式 体 积 图 为 四 种 腔 型 模 体 积 归 一 化 计 , 算 。结 果 图 抽运四片串联薄片等效直腔 , ,, ,,,, ,,,,,,,,,,,,:,,,:,:,,,,,,,,:,,,,,, ,:,,,,,,,,,,,,,, 薄 片 串 联 单 程 传 输 矩 阵 为 , :, ,,,, , , ×, ,,,,,, ,, ,, ,:, ),, 图 种腔型腔内基模光斑的大小 , , , , : , ,:,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,:,,,:,,,:: ×,,,,,,,, ,,,,,,:, ),,:, ),, ,,, : ,,,,,, ,,,,,,,, ,,,:, ),,: , ，,谐 振 腔 对 应 的 参 数 为 , ,,,,,, , ),, , ，，,其 中 分 别 为 全 反 镜 和 输 出 镜 的 曲 率 ,,,,,), ,, 。。半 径 谐 振 腔 稳 定 条 件 为 :,,,,, , , 腔 内 的 往 返 传 输 矩 阵 为 , : ,, ,, ,× , , ,,,,, ,, ,, , , ),, ,,,:,, ,,,,, , ,,,,,,), 图 种腔型模体积的比较 , ,镜 上 的 基 模 高 斯 光 束 的 束 宽 为 ,,,,,, ,,,,,:,,,,,:,,,,,:,:,,:,,,,,,,,,,,,,,:,,,:,, ,, , ,,, λ,, λ、，从 图 可 以 看 出 在 四 片 薄 片 串 联 的 谐 振 腔 ,, ,,, , , ,,, ,, , ,,) π , , 槡,, , ,, ),槡 中 采 用 对 称的 双凹对称腔可 以 得 到 较 大 的 模 式 体 π,, ,，。 积 更 有 利 于 激光功率的提取 下 面考虑热透镜焦 ，由 于 薄 片 的 厚 度 远 小 于 谐 振 腔 长 度 近 似 求 ，。距 变 化 时 上 面 两 种 双 凹 对 称 腔 的 稳 定 性 得 谐 振 腔 的 基 模 体 积 和 多 阶 模 体 积 分 别 为 图 为 凹 凹 和 凹 凹, ,,: ,,,: , ,,, ,,,,, )), , , ,，,,, ,,,,,,,, ,:: ,π,,,, , ,。两种腔型的 参 数 随 热 透 镜 焦 距 的 变 化 情 况从 图 , , ,,,,,,, ,,,,,,, ,π ,,槡，中可以看 出 当 热 透 镜 焦 距 逐 渐 变 短 时凹 凹 ,,: ,)× ,,刘 洋 等 激光二极管抽运四片串联 薄 片 激 光 器 :,,,, ，，，凹的 热 透 镜 效 应 由 上 述 谐 振 腔 计 算 得 到 的 结 论 选 腔 由 稳 腔 向 非 稳 腔 过 渡而 凹 ,,:, ,,,,,,,,)用 。 谐振腔一直工作在稳区范围内 、，输 出 输 入 镜 的 曲 率 半 径 均 为 输 出 镜 的 透 ,,, , 。，射 率 为 实 验 中 进 行 了 激 光 器 在 不 同 抽 ,,,, 运 光 、。同条件下的输 出 功 率 和单脉冲能量如图 所 示 ,,:， 注 入 条 件 下 激 光 输 出 特 性 的 研 究 得到了激光器不 图 两种双凹对称腔不同热透镜焦距下的 参 数 , , ,,,, , ,,,,,,,,,:,,,:,,,,,:,,,,,,,,:,,,:,, ,,) ,,,,,,,,,:,:,,,,,,,,,,,, 图 单薄片输出功率随抽运功率的变化 : 实 验 研 究 ,,,: :,,,,:,,,,,,,,,,,,:,:,,, ,,,,,, :,,,:,,,,,,,,,,,, ，四 片薄 片串 联 实验装置照片 如 图 所 示 增 益 , ,介 质 为 块 的 ,:,,,, ,:,,×,:,,×,,,,, ，。 薄 片 掺 杂 原 子 数 分 数 为 薄 片 增 益 介 质 与,,:, 微 通 道 水 冷 热 沉 焊 接 在 一 起实现薄片的有效 散 。 热 ，采 用 四 通 抽 运 耦 合 方 式 保 证 抽 运 光 的 充 分 吸 收 抽 ，运 光路 和激 光光路在两个正交的平面上 个 抽 运 , 模 块 分 别 从 薄 片 的 下 侧 以 角 抽 运 增 益 介 质 ,,? ，表 面 抽 运 光 经 晶 体 后 端 面 反 射 到 凹 面 的 ,:,,, 图 双薄片输出功率随抽运功率的变化 ,全 ,,,, :,,,,:,,,,,,,,,,,,:,:,,, ,,,,,。 反 射 镜 后 再 次 入 射 到 增 益 介 质 整个抽运光主要光 :,,,:,,,:,,,,,, ，强 的 分 布 形 状 接 近 方 形 方 形 增 益 介 质 的 边 缘 为 被 ，抽 运 光 填 充 均 匀 抽 运 光 的 耦 合 效 率 达 到 , :, 。 以 上 图 实 验 装 置 照 片 , ,,,, ,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,图 四片串联输出功率随抽运功率的变化 , 首先进 行了 单薄片 以及双 薄 片串联谐振腔实验 ,,,, :,,,,:,,,,,,,,,,,,:,:,,, ,,,,,，， 研 究 分 别 得 到 了 和 的 激 光 输 出 :,, , ,,,,,, :,,,:,,:,,,,,,,, 、，输 出 与 输 入 功 率 变 化 曲 线 如 图 所 示 对 应 的 光:, ) ，，可 以 看 出 随 注 入 抽 运 功 率 的 提 高 激 光 器 的 。 光 转 换 效 率 分 别 为 和 为 了 进 一 步 ,,,,, ,,,,, 输 ，验 证 薄 片 增 益 模 块 的 定 标 放 大 能 力 搭 建 了 四 块 薄 。 ，出 功 率 随 之 增 高 当 抽 运 电 流 为 抽 运 脉 ,,: , ，片 串 联 的 实 验 装 置 采用双凹对称腔结构 补 偿发散 ，，宽 为 抽 运 频 率 为 即 抽 运 的 占 空 ,::,,::: ,,μ 比 为 。高 输 出 激 光 的 光 束 质 量 参 考 文 献 ,,， ,,,,:,,,,,,,,:,,,),,,,, ,,,,, ,,,,,,,,,,,, ,,,, ,,,，，,， :,,,:,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,, ,::,,,，，，克 希 耐 尔 固 体 激 光 工 程 孙 文 江 泽 文 程 国 祥 译 ,,,,,,，北 京 科 学 出 版 社 ,::,，， ,:,:,,,:,,,,,:,,:,:,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,，， ,,,,,,,:,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,:,,::,,,),,,,,,,:,,,,,,,,,, :,,,,:,,,,, ，鸿 ，唐 小 军 高平均功率全固态激光器 ,,中 国 激周 寿 桓 赵 ,:, 图 四片串联单脉冲能量随抽运重复频率的变化 ,: ，，,,,光,::,:,,,,:,,,,, ，，,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,:,:,,,,,,,, ,,, ,, ,,,, ,),,,,,: ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,:,,, ,,,,,,,,,，，,,,,,,,,,,,:,,,,,,,, ,,,,,,:,,,:::,,,,:,,: :,,,:,,:,,,,,,,, ，，,,,,,:,,,,,,,,,, :, ,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,:,,,, ,,，光 转 换 效 率 为 与 单 薄 片 及 双 薄 片 实 验 ,,,,,,，,:,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,) ,,，，,,, ,,,,,,:,,,:,,,,,,,,,, ,,,,,,:,,,::,,,,,:,,,,,结 ，。 果 相 比 较 效 率 有 一 定 的 下 降 分 析 原 因 主 要 ，，,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,, ,, 是 腔 ,,,，,,,,,, :,,,, ,,,, ,,,,,,,,,:,,,,,,,,:,,,,,,,,, ，,,, ,::,,,:,:,,,:,:， 内 热 透 镜 效 应 的 加 剧 以及腔长的增加等 因 素导致 ，，,李 强 蔡 艳 芳 姜 梦 华 等 激光二极管侧面抽运的 ,:,,,, ，效 率 的 下 降 但实验 结果从整体趋 势 上体 现 了 ,,薄 片 激 光 器 ,,中 国 激 光 ，，,,,:,,::,,,:,:,,,:,: ,,， ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,。 ,抽 运 薄 片 激 光 器 具 有 较 好 的 定 标 放 大 能 力 ，, ,::,,,,,,,,,,:结论 ,，， ::,,:,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,:,,:,,:,,,,:,,,,,,,,,,,,，,,,, ,,:,,×,,,,,,,,,:,,,,,,,, :,,,,,,,,,,:, ,,,,,,,),,)，针 对 四 薄 片串联的谐振 腔 结构 利 用 传 ,,,, ,,，,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,) ,输 矩 阵 方 法 对 谐 振 腔 进 行 了 优 化 设 计 利 用 双 凹 ,::,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,:,,,::,,,,,,,,, ,,,,:,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,:,,,,,,, 对,,，，, ,,,,,,,::,,,::,,,,，，，称 腔 结 构 四 薄 片 串 联 在 抽 运 电 流 为 抽 ,,: ,，， ,,,::,,,,,:,,,,:,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,, ,,,,,,,:,,),,,，， ,,,,,, :,,,, ,,,, ,,,,,:,,,,,,,, :,,,,,,,,:::，，运 脉 宽 为抽 运 频 率 为条 件 下 实 ,::,,:::,,μ,,, ,,,,:,:现 了 ，，姚 震 宇 蒋 建 锋 涂 ,波 等 激 光 二 极 管 抽 运 ,,,,,, :,,,,薄 片 激 光 器 ,,中 国 激 光 ，，,,,:,,:::,,,,:,。 的 激 光 输 出 从 而 验 证 了 全 固 态 薄 片 ,,,,,, : 增 。益 模 块 具 有 较 好 的 定 标 放 大 的 特 性 下 一 步 的 ,栏 目 编 辑 宋 梅 梅 研 究 工作 可 以 利 用 非 稳 腔 结 构 和 腔 内 自 适 应 光 学 系 统 提