基于Nd:LGGG連續(xù)與調(diào)Q脈沖人眼安全激光器研究

李健，許永娜，張倩倩，劉倩慧，安珍妮

(山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，山東省光學(xué)與光子器件技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250014)

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基于Nd:LGGG連續(xù)與調(diào)Q脈沖人眼安全激光器研究

李健，許永娜，張倩倩，劉倩慧，安珍妮

(山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，山東省光學(xué)與光子器件技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250014)

摘要：1.4 μm人眼安全激光具有對(duì)人眼安全、對(duì)煙霧環(huán)境穿透能力強(qiáng)以及易于產(chǎn)生和探測(cè)等特點(diǎn)。本文基于Nd:LGGG新晶體，采用石墨烯作為可飽和吸收體，研究了1.4 μm人眼安全激光輸出特性。在注入泵浦光功率15.6 W時(shí)，獲得2.38 W的1.4 μm連續(xù)激光輸出，光-光轉(zhuǎn)換效率為15.4%；在注入泵浦光功率14.3 W時(shí)，獲得平均功率為255 mW的1.4 μm調(diào)Q激光輸出，輸出脈沖寬度為490 ns，重復(fù)頻率為80 kHz，激光單脈沖能量為3.2 μJ，脈沖峰值功率6.53 W。

關(guān)鍵詞：Nd:LGGG;人眼安全;調(diào)Q脈沖

由于激光被廣泛應(yīng)用于人類生產(chǎn)生活的各個(gè)方面，因此其安全性一直是廣大激光科研工作者的研究熱點(diǎn)之一。從可見光到中紅外頻段電磁波譜的大氣透過率在大氣窗口中有3個(gè)重要的波段：一是1.4～2.0 μm波段，不但對(duì)人眼最為安全，而且對(duì)煙霧環(huán)境的穿透能力強(qiáng)，易于產(chǎn)生和探測(cè)；二是3～5 μm中紅外波段，大氣透過率最高；三是8 ～12 μm中紅外波段。目前獲得對(duì)人眼安全的激光的方法主要有兩種，一種是激光介質(zhì)受到外來能量泵浦，直接產(chǎn)生對(duì)人眼安全的激光，主要的激光增益介質(zhì)有Nd、Er、Ho、Tm激光晶體[1-8]；另一種是不具有人眼安全性質(zhì)的激光經(jīng)過頻率變換，獲得具有人眼安全性質(zhì)的激光。在全固態(tài)激光器中，摻Nd的激光增益介質(zhì)由于具有較高的增益發(fā)射截面、高效率的激光輸出而被廣泛應(yīng)用。

1.4 μm波段的激光受激輻射截面小、泵浦功率較低，實(shí)驗(yàn)條件要求高，相關(guān)報(bào)道不多[9-15]。首次關(guān)于1.4 μm人眼安全激光的報(bào)道是1994年Kbecek等[9]用Nd:YAG單晶做為激光增益介質(zhì)，成功得到了波長(zhǎng)為1 443 nm的激光輸出，最大功率只有69 mW。在1997年，同樣是Nd:YAG單晶作為激光增益介質(zhì)，得到了功率4.9 W、波長(zhǎng)為1 444 nm連續(xù)激光輸出，光-光轉(zhuǎn)換率19.6%，是迄今為止所獲得的最高功率[10]。摻釹镥釓鎵石榴石(Nd:LGGG)是一種新型的激光增益介質(zhì)，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和高溫力學(xué)性能。石墨烯作為一種新型可飽和吸收體，在激光調(diào)Q技術(shù)中受到廣泛關(guān)注。本文基于Nd:LGGG新晶體，采用石墨烯做可飽和吸收體，研究了1.4 μm人眼安全激光輸出特性，首次實(shí)現(xiàn)了Nd:LGGG/石墨烯調(diào)Q脈沖激光輸出。

1Nd:LGGG晶體特性

激光晶體的光譜性質(zhì)主要由摻雜離子及其濃度決定。固態(tài)激光器中的激光晶體材料已從之前的幾種基本的晶體發(fā)展到今天的陶瓷、微晶玻璃等不同種類，而摻雜離子包括Nd3+、Er3+、Ho3+、Tm3+等和過渡金屬離子Cr3+、Ti3+等兩大類，在這其中摻Nd激光晶體材料應(yīng)用最為廣泛。目前為止已有140余種摻Nd激光晶體介質(zhì)，其中，Nd:YAG、Nd:YVO4應(yīng)用最廣，Nd:YVO4主要被用作低功率小型激光器。對(duì)于Nd:GGG晶體，Nd3+離子半徑(99.5 pm)大于Gd3+的離子半徑(93.8 pm)，將Nd3+取代Gd3+會(huì)導(dǎo)致晶格畸變，因此在Gd3+離子格位雙摻Nd3+和的Lu3+(離子半徑為84.8 pm)進(jìn)行補(bǔ)償，生長(zhǎng)出新型的激光晶體Nd:LGGG，不僅降低了晶格的畸變，還有效地提高了晶格的性能，而且Lu3+、Gd3+在Nd3+周圍隨機(jī)無序分布[16]。圖1為Nd:LGGG晶體的吸收光譜，適合采用808 nm半導(dǎo)體激光泵浦，圖2為摻Nd的激光晶體中的能級(jí)躍遷示意圖。

圖1　Nd:LGGG晶體的吸收光譜圖Fig.1　Absorption spectra of Nd:LGGG crystal

圖2　摻Nd的激光晶體中能級(jí)躍遷示意圖Fig.2　Illustration of energy level transition of Nd ion doped laser crystal

2實(shí)驗(yàn)裝置

圖3　實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.3　Illustration of the experimental apparatus

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中，首先用Nd3+摻雜摩爾分?jǐn)?shù)為1.0%的Nd:LGGG做激光增益介質(zhì)研究激光連續(xù)輸出的光譜特性。輸出激光的光譜信息由光譜儀(YokogawaAQ 6315A，350～1 750 nm)記錄。Nd:LGGG激光輸出的光譜如圖4所示，此時(shí)的泵浦功率是15.6 W，光譜儀的分辨率是5 nm，輸出激光的中心波長(zhǎng)在1 423.2 nm。

圖5給出了Nd:LGGG激光增益介質(zhì)在不同泵浦功率的情況下，連續(xù)激光輸出功率的變化情況。泵浦功率為15.6 W時(shí)，最大輸出功率為2.38 W, 此時(shí)對(duì)應(yīng)的光-光轉(zhuǎn)換效率和斜效率分別是15.4%和20%。激光閾值功率為3.6 W。

圖4　Nd:LGGG激光光譜Fig.4　Laser spectra of Nd:LGGG

圖5　連續(xù)激光輸出功率隨泵浦功率的變化Fig.5　Variation of continuous laser output power with pumped power

圖6給出了石墨烯做可飽和吸收體時(shí)在不同泵浦功率下，調(diào)Q脈沖激光輸出平均功率的變化情況。從圖中可以看出，采用石墨烯做可飽和吸收體，在注入泵浦光功率14.3W時(shí)，獲得平均功率為255 mW的1.4 μm 調(diào)Q激光輸出，相對(duì)應(yīng)的光-光轉(zhuǎn)換效率是1.78%。

圖7給出了激光的脈沖寬度和重復(fù)頻率隨泵浦功率的變化關(guān)系。當(dāng)泵浦功率從7.3 W增加到14.3 W時(shí)，脈沖寬度從1 138 ns減小到490 ns，同時(shí)，激光的重復(fù)頻率則是由4 kHz 增加到 80 kHz，算出激光最大單脈沖能量為3.2 μJ，脈沖峰值功率6.53 W。圖8中給出了泵浦功率為14.3 W時(shí)的典型脈沖波形圖。

圖6　調(diào)Q脈沖激光輸出平均功率隨泵浦功率的變化Fig.6　Variation of average output power of Q-switched laser with pump power for Nd:LGGG laser

圖7　Nd:LGGG激光脈寬與重復(fù)頻率隨重復(fù)頻率的變化Fig.7Variation of Nd:LGGG laser pulse width and repetition rate with pump power

圖8　脈寬為490 ns的調(diào)Q脈沖波形Fig.8　Q-switched pulse shape of 490 ns pulse width

4結(jié)論

人眼安全激光是激光領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，獲得人眼安全激光的方式有多種，但最能體現(xiàn)固體激光器的結(jié)構(gòu)緊湊、體積小等特點(diǎn)的方式仍以半導(dǎo)體激光直接泵浦激光晶體獲得人眼安全激光的方法最吸引人。但由于1.4 μm波段對(duì)應(yīng)的能級(jí)受激輻射截面小，剩余熱量導(dǎo)致熱效應(yīng)明顯，從而導(dǎo)致激光轉(zhuǎn)換效率低，難以獲得大功率激光輸出。因此，尋找合適的激光晶體以獲得人眼安全激光一直是研究熱點(diǎn)。本文基于Nd:LGGG新晶體，采用石墨烯做可飽和吸收體，進(jìn)行了連續(xù)和調(diào)Q脈沖激光器研究，實(shí)現(xiàn)了1.4 μm人眼安全激光輸出，為進(jìn)一步尋找適合獲得1.4 μm人眼安全激光的激光晶體提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

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DOI:10.3976/j.issn.1002-4026.2016.03.018

收稿日期：2016-03-15

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(61205174)

作者簡(jiǎn)介：李健(1963-)，男，教授，研究方向?yàn)槿虘B(tài)激光器件與非線性光學(xué)。Email：lijian@sdnu.edu.cn

中圖分類號(hào)：TN248.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-4026(2016)03-0105-05

Nd:LGGG based eye-safe laser with Continuous and Q-switched pulse of 1.4 μm wavelength

LI Jian, XU Yong-na, ZHANG Qian-qian, LIU Qian-hui, An Zhen-ni

(Shandong Provincial Key Laboratory of Optics and Photonic Device, School of Physics and Electronics,Shandong Normal University, Jinan 250014, China)

Abstract∶1.4 μm eye-safe laser has such characteristics as safety to human eyes, strong penetrating power in smoke scenario, and convenience to be made and detected. We addressed its output performance with Nd: LGGG crystal as a subject and graphene as a saturable absorber. When injection pump power is 15.6 W, continuous output power is 2.38 W, optical to optical conversion efficiency of 15.4%. When injection pump power is 14.3 W, output characteristics are average output power of 255 mW, output pulse width of 490 ns, pulse repetition frequency of 80 kHz, single pulse energy of 3.2 μJ and pulse peak power of 6.53 W.

Key words∶Nd:LGGG; eye-safe laser; Q-switched pulse