波片法对Nd:YVO4064nm谱线增益的控制

　　0　引言

　　Nd: YVO4属于四方晶系,锆石英结构,是正单轴晶体,与各向同性的Nd: YAG相比, Nd:YVO4有几种光谱特性特别适合于激光二极管泵浦:吸收系数高、受激截面大、吸收谱线宽,对809nm波长存在很强的吸收带,而且其吸收系数变化不大。Nd:YVO4是自然双折射晶体,除具有很强的偏振吸收外,还具有很强的偏振辐射特性,激光输出沿着特殊的π方向,呈线性偏振。偏振输出具有一个显著的优点,即避免了多余的热致双折射。Nd:YVO4的以上特点使其广泛的应用于LD泵浦的全固态激光器中[1-6]。本文着重论述不同偏振光对Nd:YVO4受激发射截面的影响。

　　1　实验分析

　　实验装置如图1所示:

　　为LDA泵浦的Nd: YVO4激光器, LDA为LIMO公司生产,最大输出功率15 W,光纤耦合输出,光纤芯径400μm,数值孔径0. 22, CO为光学耦合系统,由两个平凸镜组成, Nd: YVO4为a-cut,规格为3 mm×3 mm×5 mm,钕离子的掺杂浓度为0. 1%,左端面直接镀808 nm@HT, 1 064 nm@HR,作为一腔镜,右端镀1 064 nm@HT, OC为输出镜曲率半径R=1 000 mm镀1 064 nm透过率为30%,整个腔长为80 mm,经过光学耦合系统后聚焦到Nd: YVO4上的光斑半径约为350μm左右,泵浦功率为10W时热透镜焦距大约为300 mm左右,利用ABCD定律求得激光在Nd:YVO4上的光斑半径约为250μm左右,将腔内插入λ/4波片来改变腔内激光的偏振态,通过旋转λ/4波片可以使腔内激光的偏振方向发生改变,该波片两端未镀膜,因此插入损耗比较大,单程损耗约为4%左右,根据偏振光学的Jones矩阵有:

　　其中ωp和ωL分别为Nd:YVO4上的泵浦光斑半径和激光光斑半径,L为激光腔内的固有损耗,T4为输出镜的透射损耗,σ4为1 064 nm激发态发射截面,τ为上能级寿命ηP4和ηa分别为量子效率和泵浦光吸收率,f1为室温下高能级的粒子数分别所占在多重态总粒子数的比例,在计算过程中以上参数分别取:L=0. 09,τ=90μs,ωp和ωL分别350μm和250μm,ηP4=1,ηa=0. 6,实验中λ/4波片的快轴起初为水平方向,仔细调整好光路,然后测量出激光器的阈值,然后将λ/4波片的快轴方向由水平顺时针转动15度,记录激光的阈值,以此类推,直到快轴方向转过90度。将数据代入到公式(2)中,就可以计算出Nd:YVO4在不同的情况下的受激发射截面,绘出λ/4波片的快轴转角与受激发射截面的关系曲线,如图2所示。

　　由图可以看出当λ/4波片的快轴由0°旋转致90°时激光器的输出功率由4. 1 W到1. 7 W再到3. 8W,并对快轴为0°和45°时激光的输出功率特性进行了测量,得出输出功率与泵浦功率的关系如图4所示: