1.9μmTm:YLF激光器转换效率理论计算与分析

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  摘要:Tm:YLF晶体因其优良的机械性能及光谱特性,成为1.9mm 激光器的首选晶体。为获得高效率、高功率的1.9mm Tm:YLF激光,分析了Tm:YLF晶体的物化参数、光谱特性以及单掺Tm3+激光器的发光机理,从速率方程出发建立了Tm:YLF激光器转换效率的计算模型,利用该模型分析了输出镜透过率、泵浦-激光模式比等参数对Tm:YLF激光器转换效率的影响,并提出了参数设计范围。
  关键词:Tm:YLF激光器;1.9mm激光;转换效率
  Abract:With good machine performance and spectrum characteristic, Tm:YLF crystal has become the prior choice for 1.9μm laser. In order to acquire high efficiency and high power of 1.9μm Tm:YLF laser, physicochemical parameters, spectrum characteristic of Tm:YLF crystal and radiation mechanism of singly-doped Tm3+ laser are analyzed in this paper, and then calculation model of conversion efficiency in Tm:YLF laser is established via rate equation. The parameter effect of output coupler transmittance and the ratio of pump-laser mode on conversion efficiency in Tm:YLF laser is analyzed by this calculation model, and the design scope of those parameters is put forward.
  Key words:Tm:YLF laser, 1.9μm laser, conversion efficiency.
  1引言
  Tm:YLF是一种较脆的晶体,热致损伤阈值较低,限制了其输出功率的发展,如何优化设计Tm:YLF激光器参数来降低其损伤阈值是当前的研究重点,另外,国外Tm:YLF激光器的斜率达到50%,转换效率达到41%[1-2],而国内Tm:YLF激光器的相关技术指标比国际水平约低15%。如何提高Tm:YLF激光器的转换效率和最高输出功率也是当前需要解决的主要问题。
  为降低Tm:YLF激光器的热损耗和热致损伤概率,提高泵浦承受功率,获得高效率、高功率1.9?m Tm:YLF激光输出,本文研究了Tm:YLF晶体特性、发光机理,从速率方程出发对激光器转换效率进行了理论计算与分析,提出了激光谐振腔的参数设计范围。
  2Tm:YLF晶体特性
  2.1 Tm:YLF晶體物化特性
  氟化钇锂(LiYF4,YLF)晶体是一种各向异性晶体,具有最小的极化损耗,和许多稀土离子掺杂时具有较长的上能级寿命。掺杂Tm离子时,可以获得1.91?m激光,正好与Ho:YAG晶体最强的吸收峰重叠,因而,1.91?m Tm:YLF激光常被用作Ho:YAG激光器的泵浦源。但是YLF晶体为各向异性,因此其热畸变也是不规则的。
  YLF是研究最为广泛的一种氟化物晶体,其a轴晶体随着偏振的选择可以获得两种波长的激光,一种是电矢量方向平行于c轴的p偏振光;另一种是电矢量垂直于c轴的s偏振光。a轴方向晶体的热膨胀系数大于c轴方向。
  YLF又是一种易碎的晶体,具有较低的拉伸强度和应力断裂极限,其热力学参数如表1所示。文献报道,790nm半导体激光端面泵浦时,Tm:YLF晶体的热致应力断裂极限约为5kWcm-2 [4]。通常,可以通过减小离子掺杂浓度的办法来提高这个极限值,因为降低离子掺杂浓度就可以减小泵浦波长的吸收系数,从而热功率分布可以分步到更大的长度上。
  Tm:YLF晶体的吸收光谱和荧光光谱如图1所示[5]。从其吸收光谱可见,Tm:YLF的π偏振方向在780nm和792nm处有较强的吸收,吸收系数分别为1.09cm-1和0.82cm-1;σ偏振方向上的吸收相比π偏振方向总体较弱。从荧光光谱可见,Tm:YLF在1.65~1.95μm波段有多个发射峰,总体而言,π偏振方向上的发射峰较高,特别是在波长1830nm和1880nm附近,对于σ偏振方向,波长1908nm处发射截面最大。
  2.2 Tm:YLF激光器的能级跃迁
  发射波长为1.9μm的Tm:YLF激光是一种典型的准三能级系统。在稳态泵浦下,Tm3+离子在多重态Stark能级上的热布居满足玻尔兹曼分布[6]。
  Tm激光系统能级跃迁如图2所示。常温工作的Tm系统主要包括以下能量传递过程。
  3H6能级上的Tm3+吸收790nm附近的泵浦光子,被激发至3H4能级;
  3H4、3H5、3F4上的粒子发生自发辐射向下跃迁;
  处于3H4能级上的Tm3+与周围处于3H6能级上的Tm3+发生弛豫过程 (3H6, 3H4)→2(3F4),这使得一个泵浦光子可以产生两个上能级粒子,量子效率为2;
  上转换效应,(3F4, 3F4)→(3H6, 3H5),(3F4, 3F4)→(3H6, 3H4);
  激光上能级3F4的粒子受激辐射向激光下能级3H6跃迁,发出波长在1.9mm附近的激光;
  激光产生后,会在3H6和3F4 之间产生再吸收问题,也就是激光下能级所处的多重态能级上的粒子会吸收激光光子。   3单掺Tm激光器转换效率计算模型的建立
  这里所利用的速率方程模型是以Takunori Taira的文献为基础的[7],但是做了一定的修改,从而可以解释上转换和交叉弛豫的影响。这个方法也被Bjurshagen用来处理Nd:YAG蓝光问题[8-9]。模型考虑了准三能级系统的再吸收损耗、上转换、交叉弛豫、泵浦光和激光模式大小、泵浦光和激光模式的分布以及他们在纵向上的重合情况。这个模型做了如下假定:热弛豫较快,没有基态损耗,没有腔内衍射。尽管792nm半导体激光泵浦的1.9μm Tm:YLF激光器在整个泵浦-激光发生过程中包括两个以上的能级交叉弛豫现象(如图2所示),但是两个上能级(3H4,3H5)的激发强度假定近似为零。考虑到激光上能级寿命(在10ms水平)相比3H4和3H5能级的寿命(均在μs量级)要长得多[10-11],这个假定是合理的。
  Tm:YLF系统的能级图如图2所示。在这个能级图中,NU为激光上能级的粒子数密度,N2为激光上能级中斯塔克能级上的粒子数密度,激光就是从这个能级上产生,NL为激光下能级的粒子数密度,N1为激光下能级中斯塔克能级的粒子数密度,激光产生以后粒子进入这个能级状态。粒子数总密度用Ntotal表示,与粒子掺杂浓度成一定的比例关系,Ntotal可以由下式给出
  4谐振腔参数对Tm:YLF激光器输出功率的影响
  在激光器具体设计中,主要关注谐振腔参数的选择,了解谐振腔各参数对激光器输出功率的影响显得更加重要。本节的分析中,利用计算模型和表2中的参数,另外,依据文献和实验中的阈值(约12.0W),取上转换率为10-23 m3s-1。
  4.1计算模型参数假定
  根据表2中的参数,将分析输出镜透过率、泵浦-激光模式比对激光器转换效率的影响。
  模拟中所用的参数列于表2中,这些参数基于近平顶光束泵浦时掺杂浓度3.5%的Tm:YLF晶体。假设激光器一直在运行,并定义泵浦光与激光的模式比为,表达式如下
  4.2输出镜反射率对激光器输出功率的影响
  模型分析中,令激光介质上泵浦光斑和激光光斑大小相等且恒定不变,并假定泵浦光斑为平顶均匀分布,在此基础上,依据速率方程模型和表2中的参数数值计算了最大泵浦功率120W时不同输出镜反射率情况下激光器的输出功率,结果如图3所示。
  从图3可以看出,输出镜反射率83%时激光器的输出功率最高;输出镜反射率在63%~93%之间变化时激光器的输出功率大于最优输出功率的90%;因而在激光器设计中,将输出镜反射率设计在63%~93%之间,考虑到高反射率时腔内光子密度较高光学元件容易损伤,激光器的寿命会有所降低,所以,在激光器设计时,在不影响其他光学性能的情况下应降低输出镜的反射率。
  4.3泵浦-激光模式比对激光器输出功率的影响
  模型分析中,假定晶体上泵浦光光斑半径大小保持不变,并假定泵浦光斑为平顶均匀分布,在此基础上,变化激光光斑大小,并依据速率方程模型和表2中的参数数值计算了最大泵浦功率60W和120W时不同泵浦-激光模式比情况下激光器的输出功率,结果如图4所示。
  从图4可以看出,泵浦功率60W和120W时,泵浦-激光模式比1.43时激光器的输出功率最高;泵浦-激光模式比在1.2~1.8之间变化时激光器的输出功率大于最優结果的90%;泵浦-激光模式比为1时,激光器输出功率理论值为最优功率值的70.0%。因而在LD泵浦的Tm:YLF激光器设计中,不能将泵浦-激光模式比设计为1:1,而应该设计在1.2~1.8之间,没有其他条件约束时,应该将此参数设计为1.43。
  4结束语
  1.9μm 单掺Tm3+激光是获得2.1μm Ho:YAG激光的重要泵浦源。本文从速率方程出发建立了连续模式下单掺Tm3+激光器速率方程模型,从理论上分析了输出镜透过率、泵浦-激光模式比对连续Tm:YLF激光器转换效率的影响,获得了Tm:YLF激光器高效率运行的谐振腔参数,为高效率、高功率Tm:YLF激光的实验研究提供了理论指导。
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  作者信息:
  张兵(1980.1- ),男,本科,高工,毕业于合肥工业大学,研究方向:光电对抗。
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