CN101132100A - Ld抽运固体激光器腔内损耗测量方法及使用该方法的装置 - Google Patents

Abstract

一种测量LD抽运固体激光器腔内往返损耗的方法。实验中测量激光功率与抽运功率的关系；接着将实验结果代入速率方程进行数值拟合确定腔内损耗值。速率方程中，考虑到激光振荡以及影响激光运转的其它跃迁过程，同时认为抽运光与激光均为高斯分布。本发明特别适于低增益微片固体激光器腔内往返损耗的测量。

Description

LD抽运固体激光器腔内损耗测量方法及使用该方法的装置

【技术领域】：

本发明涉及激光器技术领域；具体地涉及对LD抽运固体激光器腔内损耗进行测量；尤其是在激光器腔长短、增益低的情况下对LD抽运固体激光器腔内损耗进行测量。

【背景技术】：

LD抽运固体激光器体积小巧、成本低，且可广泛适用于激光测距、光通信等多个领域。在这种激光器的生产、研发及维护中，腔内往返损耗是一个重要指标。它与激光器净增益的关系是决定激光器运转状况的主要因素。此外，准确地确定腔内往返损耗也是将调Q、稳频、选模等各种激光技术应用于LD抽运固体激光器的必要条件。

目前测量固体激光器腔内损耗最常用的方法是Findlay-Clay分析法。该方法首先测量不同输出镜反射率下的抽运阈值，再利用输出镜反射率与抽运阈值的关系，通过数值拟合得到激光器腔内损耗值。这种方法需要更换几组不同反射率的输出镜，且需要反射率的变化范围较大，这样才能对腔内往返损耗进行准确测量。它只适用于具有较高增益的激光器。Findlay-Clay分析法还需要改变谐振腔的结构，不仅给测量带来一定的误差，而且对谐振腔已封装的激光器更是无能为力。在很多LD抽运激光器尤其是微片激光器中，激光介质长度很短，增益相对较低，为了实现激光运转，经常需要选择反射率高的输出镜进行输出耦合。此类激光器难以在一定反射率范围内更换输出镜，这导致Findlay-Clay分析方法的使用受到一定限制。对于已经封装好的或者不希望调整的激光器，Findlay-Clay分析方法也无法适用。

测量腔内往返损耗的另外一种途径是从理论上分析激光运转的速率方程得到。这种方法的理论模型通常只考虑激光的产生，忽略其他跃迁过程。然而固体激光介质中发光中心粒子能级丰富，结构复杂；受到抽运源激发后，除激光下能级粒子的激发和上能级粒子的辐射跃迁外，还存在着其它一些跃迁过程，如常发生在稀土离子掺杂激光介质中的无辐射弛豫和上转换发光等。在LD高抽运功率密度抽运条件下，这些跃迁过程带来了额外的损耗，显著地影响着激光的运转和激光输出。仅考虑固体激光器的激光产生过程而将其他跃迁过程的影响计入腔内损耗，其测量和计算结果的可靠性将难以保证。

【发明内容】：

为了解决背景技术的问题，本发明在考虑了与激光过程同时发生的其他跃迁过程情况下，提供了一种操作简单、结果准确、易于在研究和生产中实施的测量LD抽运固体激光器腔内损耗的方法及使用这种方法的装置。

本发明的发明原理为：与激光的产生相伴的各种能量转换过程均可在速率方程中得到表达，并影响激光介质中反转粒子数密度的分布和激光器的增益；激光器增益与损耗的关系最终体现在输出激光功率与抽运功率的关系上，而在实验中容易测量到LD抽运固体激光器的输出激光功率与相应抽运功率。

当LD抽运固体激光器中的工作物质受到抽运源激发后，影响激光运转的各能级粒子数会迅速发生变化。激光运转达到稳定的同时各能级粒子数将达到稳定。在这个基础上列出的各种固体激光器速率方程组虽然不尽相同，但是激光器稳定运转时其增益等于损耗，均可表达为振荡光腔内光子数变化率为零，即：

$\frac{\mathrm{d\Φ}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\σ}\frac{c_0}{n}\underset{V}{\∫\∫\∫}\mathrm{N\φdV}-\frac{\mathrm{\Φ}}{\mathrm{\τ}}=0---\left(1\right)$

方程(1)中的第一项为对谐振腔进行的体积分。其中，s是发光粒子激发态发射截面，c₀是真空光速，n是工作物质折射率，N是反转粒子数密度，与抽运光子流密度W_P和振荡光光子数密度φ相关，W_P与抽运功率P_in的关系为：

$W_P=\frac{P_{\mathrm{in}}[1-\exp (-\mathrm{\α}\·l)]}{h{\mathrm{\υ}}_P\mathrm{\σ}\·N_0}\·\exp [-(\mathrm{\α}\·z+\frac{{2r}^2}{{\mathrm{\ω}}_P^2})]---\left(2\right)$

a是激光介质吸收系数，l是激光介质长度，v_P是抽运光频率，N₀是基态粒子数密度，ω_P是抽运光光斑半径；F是谐振腔内振荡光总光子数，它与输出激光功率P_out的关系为：

$\mathrm{\Φ}=\frac{{2P}_{\mathrm{out}}[\mathrm{nl}+(L-l)]}{(1-R){\mathrm{hv}}_e{c}_0}---\left(3\right)$

L是谐振腔腔长，R是输出镜反射率，v_e是激光频率；F与φ的关系为：

$\mathrm{\φ}=\frac{2}{\mathrm{\π}{\mathrm{\ω}}_0^{2}L}\·\mathrm{\Φ}\·\exp (-\frac{{2r}^2}{{\mathrm{\ω}}_0^2})---\left(4\right)$

ω₀激光光斑半径；t是振荡光腔内光子寿命，其表达式为：

$\mathrm{\τ}=\frac{2\·[\mathrm{nl}+(L-l)]}{c_0[\ln \left(\frac{1}{R}\right)+\mathrm{\δ}]}---\left(5\right)$

d是本发明测量的腔内损耗。

反转粒子数密度N可通过速率方程进行求解。求解出N后，结合方程(1)-(5)，可对激光功率P_out与抽运功率P_in的关系进行数值求解。而本发明正是利用在实验中测量到的激光功率与抽运功率之间的关系与方程(1)-(5)相结合，通过数值拟合得到腔内损耗d值。

依据本发明的第一方面，提供一种测量LD抽运固体激光器腔内损耗的方法，包括以下步骤：

(1)测量激光功率与抽运功率的关系；

(2)利用速率方程进行数值拟合测定腔内往返损耗值。

优选地，在对对激光功率与抽运功率关系的测量中的实验对象是LD抽运固体激光器。

优选地，不需要更改激光谐振腔或其内部任何元件。

优选地，针对速率方程的数值拟合中所考虑的速率方程不仅涉及到激光振荡，同时还考虑了影响激光运转的其它跃迁过程。

更优选地，影响激光运转的其它跃迁过程包括稀土离子的激发态吸收、无辐射弛豫、能量累积上转换、共协上转换等。

此外，在针对速率方程的数值拟合中抽运光和激光均为高斯分布。

依据本发明的第二方面，提供一种使用上述方法的LD抽运固体激光器，其中优选地，该LD抽运固体激光器可以是全固态的LD端面抽运铒镱共掺磷酸盐玻璃微片固体激光器；该LD抽运固体激光器包括LD泵浦源、泵浦耦合系统、微片激光器谐振腔、铒镱共掺磷酸盐玻璃微片；该LD抽运固体激光器输出波长为1.54μm的激光波段。

与其它已有技术相比本发明具有如下优点：(1)本发明在对腔内往返损耗进行测量时不需更换不同反射率的输出镜，可以实现对固体激光器腔内往返损耗的无干扰测量。(2)本发明的理论模型考虑了抽运光和振荡光的高斯分布以及激光介质中与激光振荡同时发生的其它各种能够影响激光运转的能量转换过程。固体激光器中这些能量转换过程往往较明显，只有在理论模型中加以充分考虑才能准确地对腔内损耗进行测量。(3)本发明实验装置简单，不需改变激光器谐振腔结构，可方便地对谐振腔已封装的激光器腔内往返损耗进行测量，且成本低廉，易于实际操作。

上述方法和装置可以应用于激光测距、光通信、激光医疗等多个领域。

【附图说明】：

图1是依据本发明实施例1的装置结构示意图；

图2是使用图1所示装置的铒镱共掺磷酸盐玻璃激光器能级及相关跃迁示意图；

图3是使用图1所示装置的铒镱共掺磷酸盐玻璃激光器采用腔长5mm的平平腔时输出功率与抽运功率关系的实验测量数据，及利用数值模拟得到的腔内损耗取值0.0045、0.0052和0.006时输出功率与抽运功率关系曲线；

图4是依据本发明实施例2的装置结构示意图；

图5是依据本发明实施例3的装置结构示意图；

图6是使用图5所示装置，将谐振腔腔镜与激光介质集成在一起，腔长1mm的铒镱共掺磷酸盐玻璃激光器的输出功率与抽运功率关系实验测量数据，及利用数值模拟得到的腔内损耗取值0.002、0.0033和0.005时输出功率与抽运功率关系曲线。

【具体实施例】：

通过附图和下面的实施例，本发明的目的、特征及优点被详细地进一步被说明，但是本发明不限于这些实施例。

实施例1：如图1所示，本发明实施装置包括抽运半导体激光器1、泵浦耦合系统2、激光介质3、激光器平平谐振腔4、975nm滤波片5、功率计6。其中抽运半导体激光器1输出波长975nm的抽运光经过抽运耦合系统2后，在激光介质3处耦合为半径75μm的基模高斯分布圆形光斑。激光介质3是厚度1mm的铒镱共掺磷酸盐玻璃微片，铒离子浓度N_e为9.88×10²⁵/cm³，镱离子浓度N_Y为2.01×10²⁷/cm³。激光介质3受激辐射产生出波长1540nm的光，在激光器谐振腔4中振荡后输出为激光。本实例中微片激光器谐振腔全反射镜由镀在激光介质表面的1540nm高反射膜代替，输出镜为平镜，反射率99％，腔长可调。975nm滤波片镀有1540nm增透膜；滤去975nm抽运光后，由功率计6测量1540nm激光功率。

对本实施例中所用铒镱共掺磷酸盐玻璃的能级结构和速率方程分析见图2的示意表示及下面详细说明：

处于基态²F_7/2能级的镱离子吸收LD发出的975nm左右的激发光后跃迁到激发态²F_5/2能级，而后通过能量转移将能量传递给铒离子。主要的能量转移过程有两个：²F_5/2(Yb³⁺)+⁴I_15/2(Er³⁺)→²F_7/2(Yb³⁺)+⁴I_11/2(Er³⁺)，²F_5/2(Yb³⁺)+⁴I_13/2(Er³⁺)→²F_7/2(Yb³⁺)+⁴F_9/2(Er³⁺)，分别对应图1中的ET1和ET2过程。其中ET1使铒离子从基态跃迁到⁴I_11/2能级，之后大部分粒子将通过无辐射弛豫到激光上能级⁴I_13/2。在⁴I_13/2的粒子除了受激辐射回基态发出1.54μm激光以外，还有一部分会通过累积能量转移和共协上转换进一步激发到更高的能级上(图1中ET2和过程5)，这些更高能级上的粒子回到基态时产生绿色和红色及近红外的上转换发光，从而降低了激光上能级的粒子数，使得反转粒子数减少，影响激光的抽运阈值和输出功率。

考虑到以上激发和跃迁过程，我们可以写出简化的单模运转稳态速率方程：

$\frac{{\mathrm{dN}}_{2Y}}{\mathrm{dt}}{=\mathrm{\σ}}_y{N}_Y{W}_P-k_1{N}_{2Y}{N}_{1E}-K_2{N}_{2Y}{N}_{2E}-N_{2Y}{\mathrm{\γ}}_y=0---\left(6\right)$

$\frac{{\mathrm{dN}}_{2E}}{\mathrm{dt}}{=N}_{3E}{A}_{w1}-k_2{N}_{2Y}{N}_{2E}-N\frac{c_0}{n}{{\mathrm{\σ}}_e\mathrm{\φ}-N}_{2E}{\mathrm{\γ}}_e-2C{N}_{2E}^2=0---\left(7\right)$

$\frac{{\mathrm{dN}}_{3E}}{\mathrm{dt}}=k_1{N}_{2Y}{N}_{1E}-N_{3E}{A}_{w1}+N_{4E}{A}_{w2}=0---\left(8\right)$

$\frac{{\mathrm{dN}}_{4E}}{\mathrm{dt}}={\mathrm{CN}}_{2E}^2+N_{5E}{A}_{w3}-N_{4E}{A}_{w2}=0---\left(9\right)$

$\frac{{\mathrm{dN}}_{5E}}{\mathrm{dt}}={k_{2}N}_{2Y}{N}_{2E}-N_{5E}{A}_{w3}=0---\left(10\right)$

$\frac{\mathrm{d\Φ}}{\mathrm{dt}}={\mathrm{\σ}}_e\frac{c_0}{n}\underset{V}{\∫\∫\∫}\mathrm{N\φ}(x,y,z)\mathrm{dV}-\frac{\mathrm{\Φ}}{{\mathrm{\τ}}_c}=0---\left(11\right)$

$N_{1E}=\frac{N_E-N}{2}---\left(12\right)$

$N_{2E}=\frac{N_E+N}{2}---\left(13\right)$

式中，N_1Y、N_2Y分别为镱离子²F_7/2，²F_5/2能级的粒子数密度，N_Y为Yb³⁺离子总粒子数密度，N_1E、N_2E、N_3E、N_4E、N_5E分别为铒离子的⁴I_15/2、⁴I_13/2、⁴I_11/2、⁴I_9/2、⁴F_9/2能级的粒子数密度，它们是空间位置的函数；N＝N_2E-B_1E为反转粒子数密度。N_3E、N_4E和N_5E能级粒子数远小于N_1E、N_2E，所以N_E＝N_2E+N_1E近似为铒离子总粒子数密度；k₁N_2YN_1E、k₂N_2YN_2E分别代表能量转移过程ET1、ET2导致的粒子数密度的变化，CN_2E ²代表共协上转换引起的粒子数密度的变化，k₁、k₂、C分别为这三个过程的速率系数，它们的大小由离子与基质的性质共同决定；γ_y、γ_e分别为镱离子²F_5/2能级和铒离子⁴I_13/2能级的自发辐射几率；σ_y为Yb³⁺的吸收截面；A_w1、A_w2和A_w3分别为铒离子的弛豫过程的多光子无辐射弛豫速率；σ_e为铒离子受激辐射截面；n为激光介质的折射率。腔内光子寿命τ_c的表达式为：

${\mathrm{\τ}}_c=\frac{2[\mathrm{nl}+(L-l)]}{c_0[\ln \left(\frac{1}{R}\right)+\mathrm{\δ}]}---\left(14\right)$

l为腔内激光介质长度，L为腔长，R为输出镜反射率，δ为所求的腔内往返损耗。速率方程(6)-(10)可化简为：

$N=\frac{k_1{N}_{1E}{\mathrm{\σ}}_Y{N}_Y{W}_P}{(k_1{N}_{1E}+k_2{N}_{2E}+{\mathrm{\γ}}_y)\·\frac{C_0}{n}\·{\mathrm{\σ}}_e\mathrm{\φ}}-\frac{N_{2E}{\mathrm{\γ}}_e+{\mathrm{CH}}_{2E}^2}{\frac{c_0}{n}\·{\mathrm{\σ}}_e\mathrm{\φ}}---\left(15\right)$

将方程(12)和方程(13)代入方程(15)后，可求解出反转粒子数密度N与腔内振荡光光子数密度φ，抽运光子流密度W_p及空间位置的关系。

总抽运速率W、抽运光子流密度W_p、抽运功率P_in、振荡光输出功率P_out、腔内振荡光总光子数F、腔内振荡光光子数密度φ的关系在本实施例中的具体表达式为：

$W=\frac{P_{\mathrm{in}}[1-\exp \left({-\mathrm{\σ}}_y{N}_{y}l\right)}{h{v}_p{\mathrm{\σ}}_y{N}_y}---\left(16\right)$

$W_P=\frac{2{\mathrm{\σ}}_y{N}_Y}{{\mathrm{\π\ω}}_P^2[1-\exp (-{\mathrm{\σ}}_y{N}_{Y}l)]}\·W\·\exp [-({\mathrm{\σ}}_y{N}_{Y}z+\frac{{2r}^2}{{\mathrm{\ω}}_P^2})]---\left(17\right)$

$\mathrm{\Φ}=\frac{{2P}_{\mathrm{out}}[\mathrm{nl}+(L-l)]}{(1-R){\mathrm{hv}}_e{c}_0}---\left(18\right)$

$\mathrm{\φ}=\frac{2}{\mathrm{\π}{\mathrm{\ω}}_0^{2}L}\·\mathrm{\Φ}\·\exp (-\frac{{2r}^2}{{\mathrm{\ω}}_0^2})---\left(19\right)$

在考虑激光和抽运光为高斯分布的情况下，激光功率和抽运功率的关系没有解析表达式；但是在实验中测量激光功率和相应的抽运功率后，结合方程(12)、(13)、(15)对翻转离子数密度N的表达式进行求解；那么方程(11)中仅剩τ_c表达式中的腔内损耗δ这一参数未知。利用实验中测量的多组激光功率和相应抽运功率值，结合方程(11)，可对腔内损耗δ进行拟合。

本实例中数值模拟使用参数如下：镱离子975nm吸收截面s_y为11.65×10^-21cm²，铒离子1540nm发射截面s_e为3.34×10^-21cm²；镱离子⁴F_5/2能级到铒离子⁴I_15/2能级能量转移系数k₁为5×10^-16cm³/s；镱离子⁴F_5/2能级到铒离子⁴I_13/2能级能量累积上转换系数k₂为5×10^-16cm³/s；铒离子⁴I_13/2能级共协上转换系数C为6×10^-19cm³/s；镱离子⁴F_5/2能级自发辐射几率γ_y为1000/s；铒离子⁴I_13/2能级能级自发辐射几率γ_e为125/s。

图3是采用腔长5mm的平平谐振腔时输出激光功率与抽运功率图，其中的离散点为实验中的测量点。利用实验数据进行数值拟合，该谐振腔的腔内损耗d为0.0052。图3中还通过数值模拟绘制出了采用腔长5mm平平谐振腔条件下，腔内损耗δ分别为0.0045、0.0052和0.006时输出激光功率P_out和抽运功率P_in的关系曲线。其中δ取值0.0052的曲线与实验点有较好的匹配。以同样的方法测量出的腔长3.5mm的平平腔腔内往返损耗0.0034。若在速率方程中不考虑上转换效应，腔长3.5mm和5mm的条件下，腔内损耗值分别为0.0724和0.0846，明显过高。

实施例2：该实施例基本上与实施例1相同，不同处如图4中部分4所示，微片激光器谐振腔输出镜曲率半径为214mm，反射率99％，与镀在激光介质上的1540nm高反射膜构成平凹腔，其能级和速率方程分析与实施例1相同。在腔长4.5、5.5、6.5mm的情况下，平凹腔腔内往返损耗分别为0.0048、0.0056、0.0059。

实施例3：如图5所示，本发明实施装置包括抽运半导体激光器1、抽运耦合系统2、激光介质3、975nm滤波片4、功率计5。其中抽运半导体激光器1输出波长975nm的抽运光经过抽运耦合系统2后，在激光介质3处耦合为半径75μm的基模高斯分布圆形光斑。激光介质3是厚度1mm的铒镱共掺磷酸盐玻璃微片，铒离子浓度N_e为9.88×10²⁵/cm³，镱离子浓度N_Y为2.01×10²⁷/cm³。激光介质3靠近抽运耦合系统2一侧镀有1.54μm波段的全反射膜和0.98μm波段透射率大于85％的增透膜，其另一侧有1.54μm波段透射率1％的镀膜。激光介质3两侧的镀膜代替了本实例中二极管抽运固体激光器的谐振腔全反射镜和输出耦合镜。其能级和速率方程分析与实施例1相同。激光介质3受激辐射产生出波长1540nm的光，经过振荡后输出为激光。本实施例中二极管抽运固体激光器的特点在于谐振腔腔镜由激光介质表面的镀膜代替。它的谐振腔与激光介质集成在一起，谐振腔及其内部任何器件均不可做任何更改。

图6是采用该腔型时输出激光功率与抽运功率的关系图。经过拟合该谐振腔的腔内损耗δ为0.0033。图6中还通过数值模拟绘制出了采用这种集成谐振腔条件下，腔内损耗δ分别为0.002、0.0033和0.005时输出激光功率P_out和抽运功率P_in的关系曲线。其中δ取值0.0033的曲线与实验点有较好的匹配。

Claims (7)

1.一种测量LD抽运固体激光器腔内损耗的方法，包括以下步骤：

(1)测量激光功率与抽运功率的关系；

(2)利用速率方程进行数值拟合测定腔内往返损耗值。

2.依据权利要求1中的测量LD抽运固体激光器腔内损耗的方法，其中在对激光功率与抽运功率关系的测量中的实验对象是LD抽运的固体激光器。

3.依据权利要求1中的测量LD抽运固体激光器腔内损耗的方法，其中根据权利要求1所述的对激光器激光功率与抽运功率关系的实验测量，其特征还在于：不需要更改激光谐振腔或其内部任何元件。

4.依据权利要求1中的测量LD抽运固体激光器腔内损耗的方法，其中利用速率方程进行的数值拟合中所考虑的速率方程不仅涉及到激光振荡过程，同时还考虑了影响激光运转的其它跃迁过程。

5.依据权利要求4中的影响LD抽运固体激光器激光运转的其它跃迁过程包括稀土离子的激发态吸收、无辐射弛豫、能量累积上转换、共协上转换等。

6.依据权利要求1中的测量LD抽运固体激光器腔内损耗的方法，其中在针对速率方程的数值拟合中抽运光和激光均为高斯分布。

7.使用前述权利要求中所述方法的LD抽运固体激光器，其中该LD抽运固体激光器是全固态的LD端面抽运铒镱共掺磷酸盐玻璃微片固体激光器；该LD抽运固体激光器包括LD抽运源、抽运耦合系统、微片激光器谐振腔、铒镱共掺磷酸盐玻璃微片；该LD抽运固体激光器输出波长处于1.54μm波段。

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