全固態(tài)可調(diào)諧脈沖鈦寶石激光系統(tǒng)設(shè)計

陳喆，庫耕，萬俊超，王偉，周傳清

1 上海交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，上海市，200240

2 上海奧通激光技術(shù)有限公司，上海市，200240

0 引言

從1982年P(guān)eter F.Moulton在麻省理工學(xué)院的Lincoln實驗室首先發(fā)現(xiàn)摻鈦藍(lán)寶石晶體可產(chǎn)生調(diào)諧激光以來[1]，鈦寶石激光器的應(yīng)用價值引起了人們的廣泛關(guān)注。鈦寶石激光器是迄今為止輸出光譜在近紅外波段調(diào)諧范圍最寬的固體激光器之一，若輔之以非線性光學(xué)的頻率變換技術(shù)，制成波長可調(diào)諧的鈦寶石激光器[2]，可滿足生物成像、診斷和治療等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

鈦寶石激光器可以在多種模式下運(yùn)轉(zhuǎn)，其中采用倍頻脈沖Nd:YAG激光器進(jìn)行縱向泵浦是目前獲得穩(wěn)定輸出的主要方法[3]。要得到更高的輸出功率，就要提高泵浦光的注入功率，然而這將受到晶體損傷閾值的限制。本實驗采用雙向[4]、旁軸泵浦鈦寶石晶體，能解決這一限制問題，提高激光器的光能轉(zhuǎn)化效率。

本實驗搭建了一套穩(wěn)定的倍頻調(diào)Q脈沖Nd:YAG激光器，它由內(nèi)循環(huán)水冷系統(tǒng)冷卻，具有良好的穩(wěn)定性和高的激光脈沖能量。通過調(diào)節(jié)KTP晶體的旋轉(zhuǎn)角度，可以使Nd:YAG激光器同時出射1064 nm和532 nm波長的激光，再次使用KTP倍頻晶體倍頻的1064 nm波長激光，泵浦鈦寶石激光器的振蕩級，同時用Nd:YAG激光器直接出射的532 nm波長激光泵浦鈦寶石激光器的放大級，從而實現(xiàn)了鈦寶石激光器輸出激光的產(chǎn)生和二次放大，最終輸出毫瓦級、寬調(diào)諧的脈沖激光。由于其穩(wěn)定、寬調(diào)諧等特性，使其成為很多醫(yī)用成像儀器的理想光源，適用于光聲成像等諸多生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域。

1 系統(tǒng)設(shè)計及裝置

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，該激光器應(yīng)有良好的激光輸出特性（如激光單脈沖能量、激光耦合效率、光斑質(zhì)量等），又要有良好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性（特別是大功率時，鏡片膜層容易損壞）。

1.1 鈦寶石激光器泵浦源、振蕩級、放大級的結(jié)構(gòu)設(shè)計

經(jīng)典泵浦源結(jié)構(gòu)設(shè)計使用KTP晶體倍頻1064 nm波長激光，并用其產(chǎn)生的532 nm激光同時泵浦鈦寶石激光器的振蕩級和放大級，但因為KTP晶體的倍頻效率有限[5]（一般為70%～80%），并且1064 nm激光不能直接用來泵浦鈦寶石晶體，所以泵浦光的總能量利用率較低。本實驗泵浦源設(shè)計見圖1。實驗裝置采用恒溫控制的內(nèi)循環(huán)水冷系統(tǒng)冷卻，保證泵浦源長時間工作的穩(wěn)定性。泵浦源結(jié)構(gòu)設(shè)計在之前設(shè)計[6]的基礎(chǔ)上做出改進(jìn)，適當(dāng)調(diào)節(jié)KTP晶體主光軸的旋轉(zhuǎn)角度，改變倍頻效率，使其出射的1064 nm激光在鈦寶石激光器模塊內(nèi)再次倍頻產(chǎn)生532 nm激光，并用其泵浦鈦寶石激光器的振蕩級；Nd:YAG激光器同時出射的532 nm激光用于泵浦鈦寶石激光器的放大級，提高了總能量利用率。

鈦寶石激光器諧振腔的設(shè)計中，采用了雙向、旁軸泵浦的兩鏡直腔法[7-8]，如圖2虛線上部所示。雙向泵浦時，泵浦光的峰值功率分散在鈦寶石晶體的兩對稱面（鈦寶石晶體尺寸：6 mm×10 mm×23 mm），從而可以在不損壞鈦寶石晶體的條件下，提高泵浦光的注入功率[9]。由于泵浦光（532 nm）和鈦寶石晶體產(chǎn)生的振蕩光（理論峰值波長790 nm）的布儒斯特角不同，且考慮到二者同軸時，鏡片鍍膜不易達(dá)到要求，所以二者光軸偏離4o～5o(偏離過大時，激光模式由低階模向高階模轉(zhuǎn)化)。兩鏡直腔法的光斑直徑較大，可以充分利用整個抽運(yùn)區(qū)，提高耦合效率，且能減小調(diào)節(jié)光路的困難程度。

鈦寶石激光器的放大級中，實驗采用兩級放大系統(tǒng)[10]，如圖2虛線下部所示。Nd:YAG激光器出射的532 nm激光，泵浦鈦寶石晶體（鈦寶石晶體尺寸6 mm×15 mm×25 mm）的兩個面，振蕩級激光兩次通過能級反轉(zhuǎn)的鈦寶石晶體放大后，得到了功率更高、光束質(zhì)量更好的放大級輸出光。放大級鈦寶石晶體略大于振蕩級鈦寶石晶體，這樣的設(shè)計有利于能量的提取，可以得到更高的輸出能量。

1.2 系統(tǒng)光路圖及裝置說明

鈦寶石激光器的泵浦源（Nd:YAG激光器）和鈦寶石激光器的振蕩級及放大級的結(jié)構(gòu)原理圖分別如圖1和圖2所示。圖1中1、2、3、4、5、6器件構(gòu)成了Nd:YAG激光器的振蕩級，其激光輸出脈沖能量、脈沖頻率可調(diào)。5器件中，脈沖氙燈泵浦Nd:YAG晶體，并且5器件的封閉系統(tǒng)由循環(huán)水冷卻系統(tǒng)冷卻，保證了光腔內(nèi)溫度恒定和振蕩級穩(wěn)定輸出。8器件為馬達(dá)驅(qū)動的光控開關(guān)。10器件為Nd:YAG激光器的放大級，能夠成倍地放大輸出功率。13器件為LD指示光源，用于調(diào)試光路。

圖1 鈦寶石激光器的泵浦源結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of pumping source of Ti:sapphire laser

圖2 鈦寶石激光器的振蕩級和放大級結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of Ti:sapphire laser's resonant cavity and amplification stage

圖2為鈦寶石激光器的諧振腔部分，分別由上部虛線框內(nèi)的振蕩級和下部虛線框內(nèi)的放大級組成。1器件為1064 nm高透、532 nm高反鏡，它把泵浦光分開，1064 nm泵浦光再次倍頻后用于泵浦鈦寶石激光器的振蕩級，532 nm激光用于泵浦鈦寶石激光器的放大級。

在振蕩級部分（上部虛線框內(nèi)），1064 nm入射光經(jīng)過KTP晶體后，倍頻為可泵浦鈦寶石激光器的532 nm激光。然后經(jīng)過6器件擴(kuò)束和8器件均分，分別泵浦鈦寶石晶體的兩側(cè)。產(chǎn)生的激光在由11、12、14器件組成的諧振腔內(nèi)形成振蕩[11]。其中11器件放在360o可調(diào)旋轉(zhuǎn)臺上，調(diào)節(jié)11器件角度，即可調(diào)節(jié)輸出波長[12]。泵浦鈦寶石晶體時，由于鈦寶石晶體對水平偏振光（π光）吸收高于豎直偏振光（o光）[6]，因此泵浦光的偏振特性對光轉(zhuǎn)化效率影響很大。所以，我們在該系統(tǒng)鈦寶石振蕩級內(nèi)加入了二分之一波片，通過旋轉(zhuǎn)二分之一波片，提高了光轉(zhuǎn)化效率。

放大級的泵浦光同樣由20器件分為兩部分，分別泵浦鈦寶石晶體的兩側(cè)，實現(xiàn)了鈦寶石能級反轉(zhuǎn)。振蕩級的出射激光經(jīng)過鈦寶石晶體兩次放大后輸出。

由于1064 nm激光不可見，而且532 nm激光功率較大，不便于調(diào)整光路，所以實驗采用光斑直徑較小(1 mm)的He-Ne激光器（中心波長632.8 nm）作為指示光源，分別調(diào)整泵浦光在鈦寶石晶體上的位置和角度，以達(dá)到較好的泵浦效果。

2 實驗結(jié)果及討論

在鈦寶石激光器輸出頻率1 Hz，振蕩級泵浦能量120 mW時，采用光譜儀（AvaSpec-2048）探測鈦寶石激光器的輸出激光光譜，結(jié)果見圖3所示。

圖3 鈦寶石激光器調(diào)諧曲線Fig.3 Tuning curve of Ti:sapphire laser

圖3通過連續(xù)、等角度旋轉(zhuǎn)振蕩級后反射鏡（圖2中11部件），同時等角度采樣鈦寶石激光器激光輸出的波長和能量，平滑擬合數(shù)據(jù)后獲得。如圖3所示,該激光器調(diào)諧波段為710 nm～950 nm，在此調(diào)諧波段范圍內(nèi)，鈦寶石激光器的輸出功率大于5 mW，充分證明了該鈦寶石激光器的寬調(diào)諧特性。當(dāng)振蕩級后反射鏡旋轉(zhuǎn)至某一角度時，鈦寶石激光器激光輸出功率最大（66 mW），此時鈦寶石激光器激光輸出譜線半高寬約為2 nm，中心波長約為740 nm。此結(jié)果與鈦寶石晶體輻射理論的中心波長有所出入（理論峰值功率處中心波長為790 nm），因為鈦寶石激光器輸出波長不僅由鈦寶石晶體性質(zhì)決定，還受諧振腔機(jī)械結(jié)構(gòu)、鍍膜等原因的影響。在今后的實驗中，通過調(diào)節(jié)透鏡、反射鏡角度、改變輸出鏡透過率等方法，可調(diào)節(jié)該鈦寶石激光器中心波長至理論中心波長，進(jìn)一步提高鈦寶石激光器激光輸出功率。

在泵浦光頻率1 Hz，采用功率計(Ophir,NovaII)探測鈦寶石激光器的輸出功率。測得在鈦寶石激光器振蕩級泵浦能量為120 mJ(532 nm)、放大級泵浦能量為198 mJ(532 nm)時，放大級輸出功率66 mJ(740 nm)，光能轉(zhuǎn)化效率為20.75%。在實驗中，放大級輸出功率、光能轉(zhuǎn)化效率隨泵浦光能量增加而上升，但高能量時，色散棱鏡和振蕩級后反射鏡容易損壞，所以使用更高損傷閾值的色散棱鏡和后反射鏡，可使該激光器達(dá)到更高輸出功率和更高的能量轉(zhuǎn)化效率。

用相紙記錄近場輸出光斑圖像(38 mJ時)如圖4所示。由圖4可知，該激光器近場輸出光斑接近圓形，遠(yuǎn)場(3 m)光斑形狀無大差異，光束質(zhì)量較好。

圖4 鈦寶石激光器輸出光斑Fig.4 The output picture of Ti:sapphire laser

因為泵浦源（Nd:YAG激光器）產(chǎn)生1064 nm激光和532 nm激光，1064 nm激光二次倍頻后，同時與532 nm激光分別泵浦鈦寶石激光器的振蕩級和放大級，所以泵浦源內(nèi)KTP的光轉(zhuǎn)化效率對放大級激光輸出功率影響較大，通過調(diào)節(jié)KTP的旋轉(zhuǎn)角度，可以調(diào)節(jié)泵浦光中1064 nm和532 nm激光的能量比例。實驗發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)二者光能量比例至1:1時，鈦寶石激光器輸出功率最高。

3 結(jié)論

本文介紹了鈦寶石激光器的實驗裝置，在泵浦源結(jié)構(gòu)上首次采用調(diào)Q脈沖Nd:YAG激光器出射的1064 nm激光的二次倍頻光和532 nm激光同時泵浦鈦寶石的振蕩級和放大級，提高了總能量利用率；在諧振腔的設(shè)計上同時采用了雙向、旁軸泵浦，降低了鈦寶石晶體、透鏡的鍍膜要求，使鏡片膜層不易損壞；采用兩級放大系統(tǒng)，提高了全固態(tài)可調(diào)諧脈沖鈦寶石激光器的單脈沖輸出功率；通過調(diào)節(jié)后反射鏡的旋轉(zhuǎn)角度，實現(xiàn)了鈦寶石激光器的寬調(diào)諧輸出。該鈦寶石激光器，因為其總能量利用率高、穩(wěn)定、寬調(diào)諧和高功率等特點，在生物醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用價值。

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