藍(lán)光LD 抽運(yùn)Pr3+：YLF 直接獲得橙紅光的實(shí)驗(yàn)研究

金玉實(shí)，李青松，董淵，金光勇

（長春理工大學(xué) 理學(xué)院，長春 130022）

藍(lán)光LD 抽運(yùn)Pr3+：YLF 直接獲得橙紅光的實(shí)驗(yàn)研究

金玉實(shí)，李青松，董淵，金光勇

（長春理工大學(xué) 理學(xué)院，長春 130022）

對藍(lán)光二極管（LD）泵浦Pr：YLF晶體輸出橙紅光進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了不同偏振方向的晶體和不同透過率的輸出鏡對橙紅光輸出功率的影響。在a切Pr3+：YLF晶體吸收功率為4.5W時(shí)最高輸出639.7nm激光功率為491mW。c切Pr3+：YLF晶體在吸收功率為3.3W時(shí)最高輸出607.3nm激光功率為177mW。

Pr3+：YLF晶體；藍(lán)光LD；a切；c切

波長在600nm～650nm的可見光是與人類日常生活關(guān)系最密切的波段，一方面人類主要依靠視覺獲得大部分信息，另一方面，科技的進(jìn)步對激光存儲、激光顯示以及水下激光通信等多個(gè)領(lǐng)域提出了更高要求，迫切需求質(zhì)量更好、效率更高、可靠性更佳的黃橙光激光光源［1-3］。目前，用非線性頻率變換的方法輸出橙光激光是相對成熟的常用手段，通?？梢詫⒔t外波段的光，如946mn、1064nm、1320mn等轉(zhuǎn)化成二次或三次諧波輸出可見光波段的激光［4］。這就必須進(jìn)行至少一次或兩次的非線性頻率轉(zhuǎn)化，不可避免的出現(xiàn)光-光轉(zhuǎn)換效率低的現(xiàn)象，相比于直接泵浦的轉(zhuǎn)換方式，其劣勢顯而易見。同時(shí)，這種方法受限于半導(dǎo)體激光器（LD）技術(shù)的發(fā)展［5］，泵浦光源的選擇較為稀少，而且能夠選取的激光晶體也集中在少數(shù)幾種，如：Nd：YAG、Nd：YVO4、Nd：GdVO4等晶體。因此，尋找能直接產(chǎn)生該波段激光激射的新型工作介質(zhì)并規(guī)?；膽?yīng)用十分必要。稀土元素Pr的三價(jià)離子具有豐富的能級結(jié)構(gòu)，使其在可見光波段能夠產(chǎn)生若干種不同波長的躍遷，藍(lán)光LD泵浦源的發(fā)射譜線與鐠離子的吸收峰能夠?qū)崿F(xiàn)較好交疊，因而摻Pr3+晶體在全固態(tài)可見光激光領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢［6］。

藍(lán)光泵浦直接作用到摻Pr3+激光器可以產(chǎn)生綠光、橙光和紅光，這是相對有效且簡便的方法。2011年哈爾濱工業(yè)大學(xué)Li X.D.等人用染料激光器抽運(yùn)Pr3+：YLF晶體得到639.4nm激光輸出，證明了抽運(yùn)Pr3+：YLF晶體可以直接輸出黃橙光范圍的激光［7］。實(shí)驗(yàn)中最大輸出能量為142μJ，脈寬為15ns，峰值功率為9.5kW。2013年廈門大學(xué)王鳳娟等人報(bào)道了藍(lán)光激光二極管（LD）（中心波長約為444nm）單端縱向抽運(yùn)摻鐠氟化釔鋰（Pr3+：YLF）的紅光（640nm）和綠光（522nm）激光器［8］。本文首先測試了藍(lán)光LD抽運(yùn)源的輸出特性，進(jìn)而展開了藍(lán)光抽運(yùn)Pr3+：YLF晶體產(chǎn)生可見光的實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，圖2為實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖2 Pr3+：YLF激光器實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)中所用到的光源為最大輸出功率為8W的光纖耦合藍(lán)光半導(dǎo)體抽運(yùn)源，其中心波長為443～444nm，光纖芯徑為200μm，采用風(fēng)冷方式對半導(dǎo)體光纖耦合模塊進(jìn)行冷卻。由于激光器本身自帶冷卻控溫系統(tǒng)，在高功率時(shí)波長漂移現(xiàn)象不嚴(yán)重，經(jīng)過光束整形系統(tǒng)后，在距聚焦透鏡4cm處80%的能量聚集在半徑約為200μm處。諧振腔腔型為平凹腔。輸入鏡為平面鏡，鍍有對400～450nm高透（T＞96%），并且對600～650nm高反（R＞99.8%）。輸出鏡是凹面鏡，曲率半徑為50mm的，激射紅光的輸出鏡分別比較了透過率在600～650nm處2%和5%的鏡片。激射橙光的輸出鏡鍍有590～630nm處透過率為2%的鏡片，該鏡片在639nm處透過率約為40%，有效抑制了紅光的增益競爭。實(shí)驗(yàn)中分別比較了a切和c切的Pr3+：YLF晶體，其摻雜濃度為0.5%，尺寸為3mm×3mm×5mm。使用銦箔包裹Pr3+：YLF晶體，并放置在通水冷卻紫銅塊中，水溫控制在恒溫15℃。激光器諧振腔長度約為4.5cm。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

從圖3（a）中可以看出，a切Pr3+：YLF晶體的吸收效率在58%左右。隨著抽運(yùn)電流的增加，輸出功率隨之增加，并且呈近線性增長趨勢，實(shí)驗(yàn)中給定最大電流加到最高1.4A，此時(shí)得到輸出功率7.6W。同時(shí)，也測得了不同電流下的輸出光譜，LD抽運(yùn)源的輸出波長隨著注入電流的增加而增加，其波動(dòng)范圍不大，在443nm～444nm，可以很好地匹配a切晶體的最強(qiáng)吸收峰（443.5nm）。從圖3（b）中可以看出，c切Pr3+：YLF晶體在低功率時(shí)的吸收效率在60%左右。隨著抽運(yùn)電流的增加，晶體的吸收效率呈平緩趨勢，這是由于隨著電流增加，其中心波長漂移到444nm處，而c切晶體最強(qiáng)吸收峰在441.5nm附近，因而無法很好地匹配。實(shí)驗(yàn)中給定最大電流時(shí)最高吸收功率為3.3W。

圖3 Pr3+：YLF晶體吸收功率曲線

（1）Pr3+：YLF激光器輸出紅光（639.7nm）的實(shí)驗(yàn)。如圖4可知，對于Pr3+：YLF晶體，輸出鏡T= 2%時(shí)激光輸出功率遠(yuǎn)高于T=5%，且閾值也較低。a切晶體在吸收功率為4.5W時(shí)最高輸出功率為492mW。c切晶體在吸收功率為3.3W時(shí)最高輸出功率為419mW。其輸出激光的光譜如圖5所示。

圖4 Pr3+：YLF晶體紅光輸出功率曲線

圖5 輸出639nm激光光譜圖

圖6 Pr3+：YLF晶體橙光輸出功率曲線

圖7 輸出607nm激光光譜圖

（2）Pr3+：YLF激光器輸出橙光（607.3nm）的實(shí)驗(yàn)。輸入鏡和晶體參數(shù)不變，輸出鏡采用在590～630nm處透過率為2%的鏡片，比較不同偏振方向的晶體對橙光輸出功率的影響，如圖6所示。如圖可知橙光輸出功率遠(yuǎn)低于紅光，這是由于紅光受激發(fā)射截面遠(yuǎn)大于橙光，所以紅光閾值也低于橙光，輸出功率遠(yuǎn)高于橙光。a切晶體在吸收功率為4.5W時(shí)最高輸出功率為79mW。c切晶體在吸收功率為3.3W時(shí)最高輸出功率為177mW。其輸出激光的光譜如圖7所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)中觀測到的可見光

可以看出a切Pr3+：YLF晶體輸出橙光的功率遠(yuǎn)低于c切晶體，這是由于a切Pr3+：YLF晶體有5條較強(qiáng)的發(fā)射譜線，分別位于479.4nm、522.7nm、604.7nm、607.5nm、639.9nm，而c切Pr3+：YLF晶體有4條較強(qiáng)的發(fā)射譜線，分別位于479.4nm、481.3nm、607.5nm、639.8nm，a切晶體激射橙光時(shí)受到604nm波長增益競爭的影響，而c切晶體沒有604nm左右的發(fā)射譜線，故不會受到影響。在實(shí)驗(yàn)過程中，觀測到了亮眼的紅光和橙黃光，如圖8。

3 結(jié)論

本文進(jìn)行了藍(lán)光二極管（LD）泵浦Pr3+：YLF晶體輸出橙紅光的實(shí)驗(yàn)研究，并分析了不同偏振方向的晶體和不同透過率的輸出鏡對橙紅光輸出功率的影響。在a切Pr3+：YLF晶體吸收功率為4.5W時(shí)最高輸出639.7nm激光功率為491mW、607.3nm激光功率為79mW。在c切Pr：YLF晶體在吸收功率為3.3W時(shí)最高輸出639.7nm激光功率為412mW、607.3nm激光功率為177mW。

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Experiment Study on Blue Laser Diode-pumped Pr3+：YLF Orange Red Laser

JIN Yushi，LI Qingsong，DONG Yuan，JIN Guangyong
（School of Science，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

The blue laser diode-pumped Pr3+：YLF laser is investigated experimentally，by which the orange red laser is directly obtained.In this paper，the influence of output power of orange red laser with different polarization direction of the crystal and dif?ferent transmittance of output mirrors is analyzed.A maximum output power of 491mW at 639.7nm laser is obtained at an ab?sorbed pump power of 4.5W with thea-cut Pr3+：YLF crystal.And a maximum output power of 177mW at 607.3nm laser is ob?tained at an absorbed pump power of 3.3W with thec-cut Pr3+：YLF crystal.

Pr3+：YLF crystal；blue laser diode；a-cut；c-cut

TN24，O043

A

1672-9870（2017）02-0024-03

2016-11-21

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61505012）

金玉實(shí)（1992-），女，碩士研究生，E-mail：849705676@qq.com

金光勇（1971-），男，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，E-mail：jgycust@163.com