1 引言

1319 nm的全固态激光器由于光束质量好、结构紧凑和性能稳定等特点,在钠信标、激光显示、激光医学、光纤通讯和环境监测等方面具有非常重要的应用价值和前景^[1-4]。因此1319 nm激光一直是国内外的研究热点。

2005年,Denman等^[5]采用种子源注入环形腔锁定放大器获得了功率为60 W、光束质量因子M²为1.1的1319 nm连续激光输出,其中激光工作介质为棒状Nd∶YAG结构。2010年,Sawruk等^[6]采用主振荡功率放大(MOPA)结构和种子源为尾纤LD端面抽运棒状Nd∶YAG的环形腔结构获得平均功率为13~15 W、重复频率为77 MHz、脉宽为200~500 ps的1319 nm激光。放大器的每一级均为双通放大结构,经三级放大后平均功率为85 W,光束质量接近衍射极限。2011年,许祖彦等^[7]采用MOPA结构,获得了功率为21.7 W、重复频率为500 Hz的1319 nm激光。在放大器中,采用一级双通加一级单通结构,激光输出功率为59.6 W,放大光光效率为6.6%。2013年,李楠等^[8]采用基于MOPA结构的准连续长脉冲1319 nm激光器,放大器采用棒状Nd∶YAG结构,输出单脉冲激光能量为800 mJ。2013年,Zheng等^[9]采用矩形板条端面抽运方式,种子光利用反射镜多次通过板条宽度方向上的不同区域,实现了五通放大结构。种子源采用重复频率为1 kHz、脉宽为75 μs、平均功率为10 W的1319 nm激光,经板条五通放大后输出功率为42.3 W,放大光光效率为6.5%。2016年,谢仕永等^[10]采用885 nm LD 双端抽运Nd∶YAG 三镜环形腔, 产生了窄线宽准连续微秒脉冲1319 nm 激光,平均功率为22.5 W,其中激光介质为直径3 mm的Nd∶YAG激光棒。

目前,已报道的1319 nm激光均是在棒状和板条Nd∶YAG上实现的^[11-14]。传统棒状结构在高功率抽运下存在严重的热效应,不仅降低了光束质量、增大退偏损耗,还限制功率的进一步提高。板条结构的热效应相对于棒状结构有了较大的改善,但由于1319 nm的发射截面只有1064 nm的1/3,板条放大器中的1319 nm激光效率仍较低。由于棒状和板条结构存在缺陷,为了获得更高性能的1319 nm激光输出,需要寻找新的激光增益介质结构,为此本文提出采用平面波导结构的Nd∶YAG作为激光放大增益介质,获得了脉冲能量为36 mJ的准连续1319 nm激光输出,光光效率为8.3%。

2 实验装置

平面波导增益介质构型介于板条和光纤之间^[15]。在厚度上为波导结构,其中芯层厚度一般为几十微米到几百微米,在长度上为常规尺寸。它结合了板条和光纤在构型上的优点而避免了缺点,使之具有激光效率高、抽运耦合易行以及高效散热等优点^[16]。通过建立平面波导结构的热应力模型,进行理论分析及计算,可知在一定波导厚度下,芯层越薄,可承受的热负载功率越大,因此,理论上芯层厚度越小越好。但考虑到实际工艺难度,实验采用的平面波导结构尺寸为0.6 mm×10 mm×60 mm,芯层厚度控制在100 μm。如图1所示,芯层为掺杂原子数分数为1.5%的Nd∶YAG,包层为非掺杂YAG,芯层两端各键合5 mm长的非掺杂YAG。波导端面镀有1319、1064和808 nm高透膜,两个侧面镀SiO₂倏逝膜。此外,为了抑制1064 nm的寄生振荡和放大的自发辐射(ASE),对波导端面进行切角处理。

图 1. 平面波导结构示意图

Fig. 1. Schematic of planar waveguide configuration

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Nd∶YAG激光介质在室温条件下可同时跃迁产生1064、1319 和1338 nm 激光^[17],但由于1319 nm的发射截面只有1064 nm的1/3,而且平面波导Nd∶YAG放大器的增益非常高,容易产生1064 nm波长的寄生振荡和ASE,因此难以产生单一1319 nm波长激光,需要抑制1064 nm和1338 nm波长激光起振。图2为1319 nm激光器光路示意图,其中谐振腔结构包括腔镜M1、M2、分光镜M3、两个Nd∶YAG抽运头、1319 nm旋光晶体和偏振片。全反镜M1镀1319 nm高反膜和1338 nm高透膜,输出镜M2镀1319 nm部分反射膜和1064 nm高透膜,分光镜M3镀1064 nm高反膜和1319 nm高透膜以增加1064 nm激光的损耗,从而有效抑制谐振腔内1064 nm和1338 nm激光的起振。

如图2所示,为防止放大器中的回光进入谐振腔,保持振荡器输出激光状态稳定,在输出镜M2后加入由布儒斯特角薄膜偏振片、λ/2波片和法拉第旋光器组合成的隔离器。由于种子光光束较小,为使种子光斑大小与平面波导尺寸相匹配,首先采用两个球透镜进行扩束,光路中的45°反射镜镀有1319 nm高反膜。种子光经扩束之后,光斑直径约为10 mm,X方向使用柱透镜进行会聚,使种子光有效耦合进平面波导端面。X方向对应增益介质的导波方向,Y方向对应非导波方向。

图 2. 1319 nm激光放大器光学示意图

Fig. 2. Optical sketch map of 1319 nm laser amplifier

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放大器采用端面抽运耦合,抽运源为2列×10 bar空间叠加的半导体激光器阵列(LDA),抽运光在25 ℃冷却水条件下工作。抽运光慢轴方向用R_y=35 mm和R_y=30 mm柱透镜缩束,快轴方向用R_x=35 mm的柱透镜对光斑聚焦。抽运源的慢轴方向对应平面波导的非导波方向,抽运光由慢轴缩束和快轴会聚后以一定的倾斜角度从波导端面进入增益介质内部。进入波导内部的抽运光在YAG和SiO₂倏逝膜的界面上全内反射,多次经过芯层被吸收。将抽运光以不同角度耦合进波导,测试端面反射比例和抽运透射比例,用于选择合适的抽运耦合角度。由于端面膜层均需要对三个波长高透射率,所以无法实现在大角度范围内对808 nm均高透射率。在实验测试中,角度越大,端面对抽运光的反射比例越大。对于从端面进入平面波导内部的抽运光,当角度较小时,抽运光经过芯层的次数明显减小,芯层对抽运光的吸收不足。因此需要整体考虑,选择合适的抽运光工作角度,实现增益介质对抽运光的高效率吸收。

3 实验结果及分析

振荡级在重复频率为200 Hz时,输出脉宽为170 μs的1319 nm波长激光,光束质量因子为 Mx2=1.12, My2=1.17。根据前期理论计算结果和实验结果^[18],在平面波导激光放大器中,后端抽运放大的光光效率高于前端抽运,因此实验中采用后端抽运方式。两个通水热沉焊接到Nd∶YAG平面波导的大面,实现增益介质的良好散热,抽运源冷却水温度为25 ℃。为避免在种子光提取能量前,波导积累足够能量而产生寄生振荡,需要调整抽运信号的脉宽及信号延时,使放大器抽运激光脉冲与种子光脉冲完全同步。放大器无加载时,波导后的1319 nm激光平均功率为2.7 W。当抽运工作电流为110 A,抽运功率为54 W时,输出功率为7.22 W,放大光光效率为8.3%。输出功率曲线和光光效率曲线如图3所示,可以看出,放大器输出功率基本随抽运功率线性增加,放大器工作稳定。

图 3. 输出功率和光光效率随抽运工作电流变化曲线图

Fig. 3. Change curve of output power and luminous efficiency versus pump working current

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根据系统各参数,理论计算相应抽运功率下的输出平均功率和光光效率,如图4所示。当抽运功率为54 W时,理论输出功率可以达到10.5 W,光光效率为15%。在理论计算过程中,未考虑ASE的影响。对比两组曲线可知,实验测试数据均低于理论计算值。光光效率较低的原因主要在于波导存在较强的ASE以及较大的材料自身损耗。材料中存在较强的储能,但这部分储能以ASE的形式传递出去。若能采用损耗较小的材料,则放大光光效率可以得到一定程度的提升。

图 4. 理论计算的功率和效率随着抽运功率的变化曲线

Fig. 4. Theoretical output power and efficiency versus pump power

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采用光谱分析仪(AQ6370C,YOKOGAWA公司,日本)测量输出激光的光谱,设置扫描测量范围为1317~1321 nm。当抽运功率为54 W时,光谱如图5所示,中心波长为1319.23 nm,20 dB线宽为0.04 nm,放大输出的光谱特性与种子光一致。

图 5. 输出激光光谱

Fig. 5. Output laser spectrum

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4 结论

采用平面波导Nd∶YAG作为激光放大器增益介质,实现了Nd∶YAG平面波导激光放大器1319 nm准连续激光输出。当抽运电流为110 A、重复频率为200 Hz时,获得了、脉冲宽度为170 μs,脉冲能量为36 mJ的1319 nm激光输出,放大光光效率为8.3%。验证了平面波导结构实现1319 nm激光放大的可行性。下一步将优化激光放大系统,重点减小系统ASE,实现更高效率的1319 nm激光输出。