文章编号:025827025(2001)1120974203
LD抽运Nd∶YVO
平行平面腔激光器中的
激光输出功率凹陷
宋 峰 丁 欣 张潮波 陈云琳 商美茹 张光寅
(南开大学光子学中心,天津市光电子联合科学研究中心 天津300071)
提要 研究了激光二极管(LD)抽运的Nd∶YVO
平行平面腔激光器在不同热透镜焦距时的输出功率特性曲线。发
现输出功率曲线中的凹陷现象,对它进行了分析,指出了热透镜效应和腔长对激光输出特性的复杂影响。
关键词 激光二极管,固体激光器,Nd∶YVO
,热透镜效应,输出特性
中图分类号 TN24811 文献标识码 A
DipsofOutputPowerCurveofLDPumpedNd∶YVO
Plane2parallelCavityLaser
SONGFeng DINGXin ZHANGChao2bo CHENYun2lin
SHANGMei2ru ZHANGGuang2yin
(PhotonicsCenter,NankaiUniversity,TianjinUnitedResearch
CenteronOpto2electronics,Tianjin300071)
Abstract OutputcharacteristicsoflaserdiodepumpedNd∶YVO
plane2parallelcavitylaseratdifferentthermallensesare
researched.Thedipsintheoutputpowercurvesarefoundandanalyzed.Theeffectsofthermallenseffectandresonatorlengthson
theoutputcharacteristicsareputforward.
Keywords laserdiode,solid2statelaser,Nd∶YVO
,thermallenseffect,outputcharacteristics
3天津市光电子联合科学研究中心资助项目(编号
200020)及天津市自然科学基金重点项目(编号
99380111)。
收稿日期:2000208209;收到修改稿日期:2000212205
1 引 言
LD抽运的Nd∶YVO
激光器的研究和应用非常
广泛,与Nd∶YAG激光器相比,其主要缺点是热效应
现象较为严重,影响了激光效率、腔的稳定性、输出
光束质量等
。人们对于如何测量确定热透镜焦
距进行了大量研究
,本文以LD抽运的两镜直
腔为对象,研究了热透镜效应对输出功率的影响,发
现了输出功率特性曲线中的凹陷现象,对它进行了
分析。
2 实验与结果
图1为两镜直腔,用它来研究热透镜焦距对输
出功率的影响。激光介质为3mm×3mm×5mm的
Nd∶YVO
,掺杂浓度0.5at.2%。其一面镀808nm高
透和11064μm高反膜,用作全反镜,另一面镀11064
μm高透膜。输出耦合镜OC对11064μm激光的透
过率T=10%,它可以平移,以测量不同腔长时的激
光输出特性。实验采用的半导体激光器是Coherent
公司的FAP系统,经传输光纤(芯径为800μm)通过耦
合系统从激光器的一端抽运激光晶体。抽运光的中
心波长为80712nm,功率在1～16W之间。
实验中把Nd∶YVO
包裹在铜块中,保持较好的
热接触,固定在制冷片上进行有效的热电制冷,还采
用了温控措施,在抽运功率为1～16W间,温度基本
维持在1517℃和1613℃之间。
测量了不同腔长下,激光输出功率随抽运功率
(热透镜焦距)的变化。结果见图2所示。
根据实验数据,可以得到以下结果:1)在任何
第28卷 第11期
2001年11月
中 国 激 光
CHINESEJOURNALOFLASERS
Vol.A28,No.11
November,2001
图1实验装置示意图
Fig.1LDpumpedNd∶YVO
plane2parallellaser
图2不同腔长下输出功率随抽运功率(热透镜焦距)
的变化曲线
Fig.2Relationshipbetweentheoutputpowerand
pumppowerindifferentcavitylengths
腔长下,刚开始时输出激光随着抽运功率的增加而
增加;2)对于长腔长情况,到了一定的抽运功率,输
出激光将逐渐下降,直到变为0;3)当腔长缩短,到
了一定抽运功率时,输出功率下降,但随着抽运功率
的增加,输出功率改变了下降的趋势,转而上升。这
样,在输出曲线上出现了一个凹点;4)随着腔长进
一步缩短,凹点对应的抽运功率会提高,而且在凹点
后的输出功率会进一步上升,超过凹点前的输出功
率,而后再逐步降到0;5)当腔长缩短到39cm以
下,会出现几个凹点。
3 实验结果分析
Innocenzi等
提出了LD抽运的固体激光器中
热透镜焦距的理论模型,并给出了计算公式
πK
ph
(dn/dT)
1-exp(-α
l)
(1)
此处:P
ph
=η
abs
abs
=η
abs
in
式中,K
为热传导率;w
为抽运光束的光斑半径;
ph
为吸收的抽运功率中成为热量的功率(约为吸
收功率的20%);P
abs
为吸收的抽运光功率;P
in
为抽
运光功率;η
abs
为介质对抽运光的吸收系数;η
为吸
收的能量转化为热量的转化系数;α
为介质吸收系
数;l为晶体长度。对掺杂浓度为015at.2%的Nd∶
YVO
晶体来说,K
为01054W/cm・K;α
=1418
cm
-1
;l=5mm;dn/dT为热光系数,大小为(417±
016)×10
-6
/K。
由公式(1)可知,热透镜焦距的大小与抽运功率
成反比。抽运功率越大,热焦距f
越小。当腔长、
抽运光斑(取650μm)、激活晶体位置等确定后,热
透镜焦距只跟抽运功率成一一对应关系。参见图
3。该理论模型和计算公式已经被很多实验所证
图3 不同抽运功率下的热透镜焦距
Fig. 3 Theoretical curve of thermal focal lengths at different
pump powers. The dots are measured by experiments
根据谐振腔理论
,在抽运光斑固定的情况下,
当抽运功率上升时,振荡激光的基模半径将发生变
化,由大变小再变大,具有U 型的关系曲线,见图4
(基模半径 w
是晶体入射端面的激光光斑半径) 。
对于短腔长,基模半径更小些,基模基本保持不变的
动力范围更大些。在计算图4 中的有关曲线时,我
们已按图3 所示的关系将抽运功率换算为热透镜的
焦距值,再根据参考文献中所给的关系而得出。
采用如图1 所示的平行平面腔,第二个U 型曲线落
5 7 9 11 期 宋 峰 等: LD抽运Nd∶YVO
平行平面腔激光器中的激光输出功率凹陷
在甚高功率处,在这里没有画出。
图4 不同腔长下激光光斑与抽运功率的U 型
关系曲线关系
Fig. 4 U2type curves between pump power and
fundamental waist in different cavity lengths
腔长固定为79 cm 时,基模光斑与抽运功率的
关系如图4 中曲线1 所示。该曲线中的所有 w
均大于抽运光斑半径值 w
值, 只是在其底部, w
近 w
, 因而只有在输入功率 P
in
为3 W附近,腔的衍
射损耗较低,才有较弱的激光输出,见图2 中最低的
一条输出功率曲线所示。腔长固定为 59 cm 时,U
型凹陷如图4 中的曲线2 所示,此时,激光基模光斑
半径 w
随抽运功率增大逐步减小, 但其大小还是在
抽运光光斑相匹配的范围内, 模体积比较大。当抽运
功率进一步增加时, 基模半径 w
减小,当输入抽运
功率在4 W附近时, w
达到最小值,约600μm。在
这种情况下 TEM
11
模的直径约为840μm,但抽运光
斑的直径只有650μm,不利于 TEM
11
模等高阶模的
产生,而只能产生基模,此时,模体积减少,而抽运光
区域未变,抽运能量的利用率减少,所以输出功率下
降。当抽运功率进一步增长,基模半径 w
过了最低
点后将增大,输出功率又开始增大,直到进入非稳区
输出功率又骤然下降。从而在输出曲线上出现了凹
陷。
在腔长较短时(49 cm 或39 cm) ,基模半径的最
低值小(见图4 中的曲线3 ,4) ,比抽运光斑半径小
得多,从而会导致 TEM
01
, TEM
10
, TEM
11
模乃至更高
阶模的振荡,在基模未到最小光斑时就产生了非基
模(如 TEM
01
, TEM
10
, TEM
11
模) 输出, 它占有较大的
模体积,因而输出功率迅速上升,当基模通过最低点
之后增大到一定程度,TEM
00
模的增大又遏制了这些
非基模的输出,使功率迅速下降。这是导致输出功
率曲线中出现双凹一凸的原因(见图中较高的两条
曲线) 。
总之,由于热透镜效应的影响,有限激活孔径的
限制, 及 TEM
00
模和非基模间的竞争使LD 抽运的
Nd∶YVO
激光输出曲线上出现了凹陷。在凹陷附近
激光有较高功率的基模输出,而且输出功率较为稳
定。另外,通过谐振腔变换圆理论,可以得到:两倍
凹陷(或尖峰 ) 位置对应的抽运功率产生的热焦距大
小刚好为谐振腔长,所以可以通过测量凹陷或尖峰
的位置来准确测量热焦距的大小。
参 考 文 献
1 T. Y. Fan. Heat generation in Nd∶YAGand Yb∶YAG. IEEE
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2 J . L. Blows , T. Omatsu , J . Dawes et al . . Heat generation in
Nd ∶YVO
with and without laser action. IEEE Photon.
Technol . Lett . , 1998 , 10(12) :1727～1729
3 M. E. Innocenzi , H. T. Yura , C. L. Fincher et al . . Thermal
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Appl . Phys. Lett . , 1990 , 56(19) :1831～1833
4 B. Neuenschwander , R. Weber , H. P. Weber. Determination
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Appl . Phys. Lett . , 1995 , 67(10) :1361～1362
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Thermal lensing measurements in line2focus end2pumped
neodymium yttrium aluminium garnet using holographic lateral
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8 Zhang Guangyin. Dynamic analysis of solid2state laser
resonators. Acta Physica Sinica (物理学报) , 1991 , 40 (7) :
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6 7 9 中 国 激 光 28 卷