摘要：改变LD侧泵固体激光器谐振腔反射镜的透过率对热透镜效应有一定的影响，文中对此进行了分析。同时，介绍了热透镜焦距传统的测量方法以及“非稳腔”法。本文在实验平台上利用“非稳腔”法测定了反射镜透过率分别为：5%、10%、15%、20%时LD侧泵固体激光器的热透镜焦距f，在同一坐标下绘制了f-I、f-P曲线。
关键词：热透镜效应；测试比对；固体激光器；LD侧泵
1.引言
近年来，大功率、高效能二极管泵浦固体激光器一直是激光领域的前沿课题，由于二极管泵浦固体激光器效率高、寿命长、体积小、可靠性好，因此应用前景非常广阔。尽管因为二极管泵浦光与Nd：YAG晶体吸收光谱匹配良好，使二极管泵浦固体激光器中工作物质的热效应大为降低，但由于量子损耗的存在，造成它与灯泵浦固体激光器一样，不可避免的存在着热效应问题，尤其在大功率二极管泵浦固体激光器中热效应显得更为显著。此外，改变谐振腔反射镜的透过率对热透镜效应有一定的影响，本文着重从该方面进行分析。
2.LD泵浦条件下的热透镜效应
2.1 热透镜介绍
热透镜是由于激光器中的传输介质吸收了激光束，从而温度升高使得介质折射系数发生变化而形成的[1]。所生成的透镜（通常是发散式的）使得沿激光束轴线方向的照度发生变化。
2.2LD泵浦条件下的热透镜效应产生的原因和特点
二极管泵浦固体激光器中工作物质产生的热量主要是由于工作物质吸收泵浦光再转化为激光的输出过程中，粒子非辐射跃迁过程所产生的热量，这种过程产生的热称为量子损耗。显然每产生一个光子，其相应产生的热为：
Q=hv1-hv2[2]……………………………（2.1）
其中h为普朗克常数，hv1、hv2分别为泵浦光频率、激光频率。
当然，LD泵浦条件下工作物质的热效应相对于灯泵浦要轻微一些。因为在灯泵浦固体激光器中由于闪光灯发射的光谱较宽，工作物质除上述原因产生的热量以外，还会由于红外及紫外辐射吸收产生大量的热。但是，由于二极管发射的泵浦光方向性很强，空间分布比较集中，使工作物质中泵浦功率分布不均匀，有些区域功率密度很高，相应的产生的热功率也很大。所以二极管泵浦条件下工作物质的热效应情况就比较复杂[3]。
二极管侧面泵浦条件下工作物质为Nd：YAG（YAG棒直径为3mm，长为67mm）。采用了单条的激光二极管阵列，每3个的激光二极管阵列串联排列在同一个金属模块上，共组成三个模块，这三个模块均匀分布在的周围，呈三边对称形。每一个金属模块共用一个液体冷却通道，冷却液沿激光二极管阵列的串联方向流通。
3.输出镜不同透过率下热透镜焦距测量实验
对于平平热透镜腔，由稳定性条件可知，腔型条件满足
时，激光腔处于稳定区[4]。如果使镜面M1紧贴模块，从而保证了L1<f，则要保证激光器工作在稳定区内，有激光输出，只需要满足L2<f，且腔型不构成对称腔即可。我们可以利用这个原理来测量装置的热透镜焦距。
我们利用上面所说的“非稳腔”法对现有的半导体侧向泵浦模块进行热焦距的测量。实验中采用的LD侧向泵浦的Nd：YAG模块（YAG棒直径为3mm，长为67mm），采用循环水冷方式（冷却水温度20℃），M1为1064HR，M2是透过率为5%的输出镜。实验中M1紧贴模块，移动M2镜至不同位置。实验中，我们选取了L2从500mm到900mm，每隔50mm的9个长度，对每一组合逐渐加大电流，观察输出功率随泵浦电流的变化，当增大泵浦电流到某一值时，激光停止输出，记录下此时的驱动电流及电压。对应于此泵浦功率的热焦距大小即为当时的L1值。
图3.1 “非稳腔”法测LD泵浦固体激光器热焦距示意图
完成透过率为5%的输出镜热透镜效应测量后，将M2上的透镜依次换成透过率为10%、15%、20%的输出镜，按第一次实验的步骤依次完成测量。
测量的热透镜焦距为：f= L/2n+d…………………（3.1）
根据测量我们可以得到在同一坐标下不同透过率输出镜的f-I及f-P示意图，如下所示：
图3.2 不同输出镜透过率下热焦距f与驱动电流I关系曲线
由f-I曲线图可见，4条曲线接近重合，变化一致。当热透镜焦距逐渐增大时，其驱动电流逐渐减小。
图3.3 不同输出镜透过率下热焦距f与驱动电功率p关系曲线
由f-P关系曲线可见，对同一透镜，随着热焦距的增大，其驱动功率逐渐减小；对于不同透镜，在某一热焦距下，随着透镜透过率的增加，其驱动功率逐渐减小。但由于此种改变并不是特别显著，因此在f-P图上看到的4条曲线仍然是接近重合的。
4.总结
本文对LD侧泵固体激光器的热透镜效应进行了分析。同时，介绍了热透镜焦距传统的测量方法以及“非稳腔”法。并在实验平台上利用“非稳腔”法测定了在某一驱动电流I下LD侧泵固体激光器在输出镜透过率分别为5%、10%、15%、20%时的热透镜焦距f，绘制了f-I、f-P曲线。由f-I、f-P数据及曲线可知：输出镜不同透过率对热焦距有一定的影响，但是变化不明显。由f-I曲线图可见，4条曲线接近重合，变化一致。当热透镜焦距逐渐增大时，其驱动电流逐渐减小。由f-P数据表可见，对同一透镜，随着热焦距的增大，其驱动功率逐渐减小；对于不同透镜，在某一热焦距下，随着透镜透过率的增加，其驱动功率逐渐减小。但由于此种改变并不是特别显著，因此在f-P图上看到的4条曲线仍然是接近重合的。
参考文献：
[1].姜东升，周寿桓，胡渝，刘盛纲，LD侧泵浦固体激光器的热效应分析和模拟研究，电子科技大学学报，1999年，第28卷，第4期；
[2].赵海霞，姜东升，赵 鸿，王建军，二极管侧面泵浦固体激光器热效应研究，华北光电技术研究所，北京，2001；
[3].张 玲，杨少辰，刘 欣，刘庆学，何坤娜，氪灯侧面泵浦Nd：YAG激光器热透镜效应研究，北方交通大学学报，2002年6月，第26卷，第3期；
[4].谢武，半导体侧向泵浦固体激光器热效应的研究，深圳大学硕士学位论文，2006年5月
论文作者:刘明夏,陶东,龙四维
论文发表刊物:《电力设备》2019年第6期
论文发表时间:2019/7/8
标签：透镜论文; 焦距论文; 激光器论文; 固体论文; 激光论文; 曲线论文; 电流论文; 《电力设备》2019年第6期论文;