LD泵浦被動(dòng)調(diào)Q皮秒Nd∶YVO4微片激光器

楊 歡,余 錦,張 尚,劉 洋,張 雪

(1.中國(guó)科學(xué)院光電研究院,北京 100094；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

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·激光器技術(shù)·

LD泵浦被動(dòng)調(diào)Q皮秒Nd∶YVO4微片激光器

楊 歡1,2,余 錦1,張 尚1,2,劉 洋1,2,張 雪1,2

(1.中國(guó)科學(xué)院光電研究院,北京 100094；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

報(bào)道了一種新型調(diào)Q微片激光器。首次提出了斜泵浦方案,實(shí)驗(yàn)中分別采用LD端面垂直泵浦和斜泵浦兩種方式,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。微片采用Nd∶YVO4作為工作物質(zhì),半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM)為調(diào)Q元件。在兩種泵浦方式下,都獲得了重復(fù)頻率范圍在千赫茲到兆赫茲的皮秒激光脈沖輸出。以光纖耦合輸出的808 nm LD作為泵浦源,在垂直泵浦的情況下,在420 mW 抽運(yùn)功率下,獲得6.40 mW的1064 nm激光輸出,脈沖寬度57.8 ps,對(duì)應(yīng)單脈沖能量6 nJ,x、y方向的光束質(zhì)量因子分別為1.18、1.17。在斜泵浦的情況下,在550 mW抽運(yùn)功率下,獲得2.25 mW的1064 nm激光輸出,脈沖寬度64.3 ps,對(duì)應(yīng)單脈沖能量17 nJ,x、y方向的光束質(zhì)量因子分別為1.29、1.32。

微片激光器； 被動(dòng)調(diào)Q； Nd∶YVO4晶體；半導(dǎo)體可飽和吸收鏡

1 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,超短皮秒脈沖激光越來(lái)越廣泛地應(yīng)用在工業(yè)、科研、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域,并發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。在諸如激光測(cè)距、激光雷達(dá)、材料加工、精細(xì)機(jī)械加工、泵浦探針實(shí)驗(yàn),光電檢測(cè)、生物組織切割等多方面的應(yīng)用中[1-7],皮秒激光器都扮演著關(guān)鍵的角色。因此,獲得更可靠更簡(jiǎn)單的皮秒脈沖激光已成為當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)。

自從皮秒激光誕生以來(lái),鎖模技術(shù)一直是產(chǎn)生皮秒激光脈沖的主流技術(shù)[8-11]。但是,如果不采取特殊措施,鎖模激光器系統(tǒng)中將會(huì)存在一些不可忽視的問(wèn)題,如光路校準(zhǔn)困難、鎖模過(guò)程易受外界干擾、機(jī)械穩(wěn)定性不夠高、重頻過(guò)高等。與鎖模激光器相比,被動(dòng)調(diào)Q激光器則有著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、重頻可調(diào)等優(yōu)勢(shì)。同時(shí),被動(dòng)調(diào)Q技術(shù)不需要額外高壓電源、電控設(shè)備、電光開(kāi)關(guān)等裝置,因此有著較高的安全性、簡(jiǎn)易性和實(shí)用性。然而,傳統(tǒng)的被動(dòng)調(diào)Q激光器只能獲得納秒量級(jí)的脈沖激光輸出?？紤]到被動(dòng)調(diào)Q激光器輸出脈沖寬度強(qiáng)烈依賴(lài)于諧振腔長(zhǎng)度,為實(shí)現(xiàn)脈寬為數(shù)百甚至數(shù)十皮秒的激光脈沖輸出,使用腔長(zhǎng)極短的調(diào)Q微片激光器成為最簡(jiǎn)單有效的途徑之一。此外,通過(guò)非線(xiàn)性光譜展寬技術(shù)能夠?qū)⒄{(diào)Q微片激光脈沖壓縮到幾皮秒,從而達(dá)到激光加工中“冷加工”的要求。調(diào)Q微片激光器已成為產(chǎn)生超短皮秒脈沖的一個(gè)理想的種子源。

本文采用光纖耦合輸出的808 nm LD泵浦一塊厚為200 μm的Nd∶YVO4晶體微片,利用半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM)進(jìn)行被動(dòng)調(diào)Q。采用斜泵浦和垂直泵浦兩種方式,分別測(cè)量了泵浦光功率與輸出激光功率的關(guān)系,并用自行搭建的GHz自相關(guān)儀對(duì)兩種泵浦方式下的脈寬進(jìn)行了測(cè)量。實(shí)驗(yàn)獲得了重頻為千赫茲到兆赫茲的1064 nm皮秒脈沖激光。由于激光器主體為一塊厚度僅為200 μm的微片,整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,且能得到較穩(wěn)定的激光輸出。

2 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中采用的Nd∶YVO4微片激光器裝置如圖1所示(其中，裝置1為半導(dǎo)體激光二極管(LD),2為準(zhǔn)直系統(tǒng),3為衰減片,4為雙色鏡(808 nm高透,1064 nm高反),5為Nd∶YVO4微片)。

圖1 Nd∶YVO4微片激光器實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

光纖耦合LD能夠輸出0～1.8 W的808 nm激光。經(jīng)測(cè)定,在電流為1.3 A時(shí),LD輸出光譜如圖2所示。由圖可知,LD輸出光譜中心波長(zhǎng)為808.78nm,半高全寬(FWHM)約為0.5 nm,位于Nd∶YVO4晶體吸收峰(如圖3)內(nèi)。在此電流下,泵浦功率密度為220 kW/cm2,低于SESAM損傷閾值(1 GW/cm2)?？紤]到泵浦源輸出光譜受泵浦電流的影響較為敏感,所以實(shí)驗(yàn)中將泵浦電流固定為1.3A,采用在泵浦光路中添加可調(diào)節(jié)衰減片的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)泵浦強(qiáng)度的改變。

圖2 1.3A驅(qū)動(dòng)電流下泵浦源輸出光譜圖

圖3 Nd∶YVO4吸收譜線(xiàn)圖[12]

實(shí)驗(yàn)所采用Nd∶YVO4微片厚度為200 μm,摻雜濃度為3.0 at.%,晶體前端為抽運(yùn)端面鍍808 nm高透膜,1064 nm高反膜,另一端粘合一塊半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM),其調(diào)制深度為10%。整個(gè)微片可看成是一個(gè)長(zhǎng)為200 μm的平平腔。

垂直泵浦的情況下(圖1(a)所示),將光纖出射的泵浦光準(zhǔn)直經(jīng)過(guò)衰減片和雙色鏡(鍍808 nm高透膜,1064 nm高反膜),通過(guò)透鏡聚焦到微片上,適當(dāng)調(diào)節(jié)聚焦透鏡與微片的距離,以獲得最大輸出。為實(shí)現(xiàn)反射泵浦輻射與出射脈沖激光輻射的有效空間分離,項(xiàng)目組首次提出斜泵浦方案,如圖1(b)所示,準(zhǔn)直光通過(guò)衰減片不經(jīng)過(guò)雙色鏡,直接聚焦到微片上。由于微片是傾斜擺放,可以直接將泵浦光與輸出激光分離。圖4為兩種泵浦方式下的輸出激光光譜,表明兩種泵浦方式下實(shí)驗(yàn)均得到了較好的1064 nm激光輸出。

(b)斜泵浦Nd∶YVO4微片激光器光譜圖

圖5(a)為垂直泵浦的情況下,Nd∶YVO4微片激光器在室溫下激光輸出功率與輸入泵浦功率的關(guān)系。泵浦閾值功率約為160 mW,當(dāng)泵浦功率為420 mW 時(shí),1064 nm激光的輸出功率達(dá)到6.40 mW。當(dāng)抽運(yùn)功率高于160 mW時(shí),由于激光輸出功率遠(yuǎn)離閾值功率,激光功率與抽運(yùn)功率呈現(xiàn)較好的線(xiàn)性關(guān)系,光-光轉(zhuǎn)化效率達(dá)1.52%。而在斜泵浦的情況下,Nd∶YVO4微片激光器在室溫下激光輸出功率與輸入泵浦功率的關(guān)系如圖5(b)所示。當(dāng)泵浦功率小于450 mW時(shí),激光功率變化不大,當(dāng)泵浦功率大于450 mW時(shí),激光功率突然陡峭增長(zhǎng),這是由于泵浦功率低于450 mW時(shí),并未達(dá)到調(diào)Q閾值,諧振腔內(nèi)僅能產(chǎn)生連續(xù)激光。而當(dāng)泵浦功率大于調(diào)Q閾值功率時(shí),輸入輸出功率近似為線(xiàn)性關(guān)系。當(dāng)泵浦功率為550 mW時(shí),輸出激光功率為2.52 mW,光- 光轉(zhuǎn)化效率達(dá)0.46%。

圖5 Nd∶YVO4YVO4微片激光器輸入輸出特性

對(duì)比圖5(a)(b)可知,斜泵浦雖然可以有效地分離泵浦光與激光,但是光-光轉(zhuǎn)化效率低于垂直泵浦的情況,且泵浦閾值功率高于垂直泵浦。這顯然是由于在兩種泵浦方式下,泵浦光斑尺寸的差別所造成的。與垂直泵浦相比,實(shí)驗(yàn)中由于斜泵浦時(shí)所用聚焦透鏡焦距較大,導(dǎo)致其泵浦光斑比較大,且投影到增益介質(zhì)表面的泵浦光斑呈橢圓形,進(jìn)一步增大了其面積,使其泵浦功率密度相對(duì)較小,同時(shí)泵浦光泵浦方向與激光振蕩方向不一致,導(dǎo)致其光-光轉(zhuǎn)化效率較低。

實(shí)驗(yàn)中,自行搭建自相關(guān)儀,以KTP為倍頻晶體,通過(guò)測(cè)量倍頻光綠光的變化,得到兩種泵浦方式下,激光的脈沖形狀如圖6所示。圖6(a)表明,垂直泵浦的情況下,輸出激光為57.8 ps的高斯光斑。圖6(b)表明,斜泵浦的情況下,輸出激光為64.3 ps。

圖6 Nd∶YVO4微片激光器輸出自相關(guān)曲線(xiàn)

用刀口掃描法分別測(cè)量?jī)煞N泵浦方式下輸出激光的光束質(zhì)量如圖7。實(shí)驗(yàn)表明,兩種泵浦方式下均得到了良好的TEM00基橫模激光輸出。垂直泵浦方式下獲得的激光x、y方向的光束質(zhì)量因子分別為1.18、1.17,表明垂直泵浦下得到的激光光斑基本為圓形,而斜泵浦方式下獲得的激光x、y方向的光束質(zhì)量因子分別為1.29、1.32,均比垂直泵浦情況下獲得的光束質(zhì)量差,這也是由斜入射的非圓對(duì)稱(chēng)泵浦光斑而引起的。

圖7 Nd∶YVO4微片激光器輸出激光光斑

圖8為兩種泵浦方式下的激光脈沖序列圖。由圖可看出兩種泵浦方式下均獲得了調(diào)Q脈沖序列。圖9為激光重復(fù)頻率隨泵浦功率的變化關(guān)系,由圖9(a)可看出垂直泵浦時(shí),重復(fù)頻率隨泵浦功率基本呈線(xiàn)性變化,這也是該微片激光器最大的優(yōu)勢(shì)。實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)泵浦功率達(dá)到420 mW時(shí),可獲得平均功率為6.40 mW,重頻1.06 MHz的調(diào)Q脈沖激光,對(duì)應(yīng)單脈沖能量為6 nJ。

圖8 Nd∶YVO4微片激光器輸出激光脈沖序列波形圖

圖9 Nd∶YVO4微片激光器輸出激光重復(fù)頻率

由圖9(b)可看出斜泵浦時(shí),重復(fù)頻率隨泵浦功率基本呈線(xiàn)性變化。當(dāng)泵浦功率達(dá)到550 mW時(shí),可獲得功率為獲得2.52 mW,重頻146.3 kHz的1064 nm激光,對(duì)應(yīng)單脈沖能量為17 nJ。對(duì)比兩圖可以看出,斜泵浦時(shí)得到的激光重復(fù)頻率普遍低于垂直泵浦得到的重復(fù)頻率。這是由于斜泵浦的泵浦光斑比垂直泵浦的大,且泵浦光呈橢圓形,泵浦功率密度相對(duì)較小有效降低了重復(fù)頻率,從而大大提高了單脈沖能量。這也是調(diào)Q激光器的特點(diǎn)之一。

3 結(jié) 論

報(bào)道了一種新型LD泵浦被動(dòng)調(diào)Q皮秒脈沖Nd∶YVO4微片激光器。首次提出斜泵浦的方案。采用垂直泵浦和斜泵浦兩種泵浦方式。實(shí)驗(yàn)分別測(cè)量了兩種泵浦方式下該激光器的各項(xiàng)性能參數(shù)。在兩種泵浦方式下,均獲得了重頻范圍在千赫茲到兆赫茲的皮秒脈沖激光輸出。在垂直泵浦的情況下,在420 mW抽運(yùn)功率下,獲得6.4 mW的1064 nm激光輸出,脈沖寬度57.8 ps,對(duì)應(yīng)單脈沖能量6 nJ,x、y方向的光束質(zhì)量因子分別為1.18、1.17。在斜泵浦的情況下,在0.55 W抽運(yùn)功率下,獲得2.25 mW的1064 nm激光輸出,脈沖寬度64.3ps,對(duì)應(yīng)單脈沖能量17nJ,x、y方向的光束質(zhì)量因子分別為1.29、1.32。兩種泵浦方式各有優(yōu)缺點(diǎn),垂直泵浦激光閾值低,光-光轉(zhuǎn)化效率高,光束質(zhì)量好,但對(duì)應(yīng)單脈沖能量不高。而斜泵浦能有效分離泵浦光與激光,由于其泵浦光斑呈橢圓形,同等條件下能增大光斑面積,從而有效降低脈沖的重復(fù)頻率,使得單脈沖能量較高,另一方面,也正是由于泵浦光斑比較大,且泵浦光泵浦方向與激光震蕩方向不一致,泵浦光為非圓對(duì)稱(chēng)光斑導(dǎo)致其泵浦閾值功率較高,光-光轉(zhuǎn)化效率不高,光束質(zhì)量也比垂直泵浦的情況差。

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Experiment of LD pumped Nd∶YVO4picosecond passively Q-switched microchip laser

YANG Huan1,2,YU Jin1,ZHANG Shang1,2,LIU Yang1,2,ZHANG Xue1,2

(1.Academy of Opto-Electronics,Chinese Academy of Science,Beijing 100094,China；2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

A passively Q-switched picosecond microchip laser is reported,which adopted a simple and compact end-pumped structure.With a thin Nd∶YVO4crystal as the gain material and a semiconductor saturable absorber mirror (SESAM) as the passive Q-switch,the microchip laser is able to operate in both normal- incidence and oblique-incidence schemes and obtains picosecond pulsed laser outputs with the repetition rate ranging from several hundred kilohertz (kHz) to megahertz (MHz).The laser performance is measured with a fiber-coupled 808 nm laser diode as the pump source.At a normal-incidence,pump power of 420 mW,the average output power of the 1064 nm laser is 6.40 mW,and the pulse width is 57.8 ps,corresponding to a single pulse energy of 6 nJ,and the beam-quality parameters in thexandydirections are 1.18 and 1.17,respectively.At an oblique-incidence,pump power of 550 mW,the average output power of the 1064 nm laser is 2.25 mW,and the pulse width is 64.3 ps,corresponding to a single pulse energy of 17 nJ,and the beam-quality parameters in thexandydirections are 1.29 and 1.32,respectively.

microchip laser;passively Q-switch;Nd∶YVO4crystal;SESAM

1001-5078(2015)11-1325-06

楊 歡(1989-)，女，碩士研究生，主要從事激光技術(shù)方面研究。E-mail：rainy8975@163.com

2015-03-10;

2015-04-08

TN245

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.11.008