百千瓦級高峰值功率Tm∶YLF激光器

任席奎，裴繼紅，阮雙琛

1)深圳大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，廣東深圳 518060；2)深圳市激光工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，先進(jìn)光學(xué)精密制造技術(shù)廣東普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，廣東深圳 518060

工作波長在2 μm附近的激光在醫(yī)學(xué)、遙感、激光雷達(dá)與中紅外激光產(chǎn)生等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用．在醫(yī)學(xué)上，2 μm激光可用作激光手術(shù)刀，具有對人體組織穿透深度淺，手術(shù)精度高的特點(diǎn)[1]；在遙感方面，2 μm激光可用于測量大氣中水蒸汽與CO2含量，用相干多普勒雷達(dá)測量風(fēng)切變與風(fēng)速[2]；2 μm 波段激光對大氣和煙霧穿透能力強(qiáng)，適合應(yīng)用于激光測距與激光雷達(dá)領(lǐng)域；2 μm激光也適合作為抽運(yùn)源，通過光參量振蕩器(optical parametric oscillator, OPO)方式產(chǎn)生中紅外激光(3～5、 8～12 μm)[3-4]．

與光纖激光器相比，固體激光器具有光束質(zhì)量好和峰值功率高等特點(diǎn)．近年來，國內(nèi)外科學(xué)家圍繞2 μm波段激光器展開大量研究．YAO等[5]報(bào)道一種InGaAs/GaAs作為可飽和吸收體的被動(dòng)調(diào)Q Tm∶YAP激光器，實(shí)現(xiàn)1 940～1 964 nm的寬波段調(diào)諧，產(chǎn)生激光的最短脈寬為447 ns, 最大單脈沖能量為28.1 μJ．李哲等[6]實(shí)現(xiàn)480 mJ的電光調(diào)Q Cr,Tm,Ho∶YAG激光器的2 μm輸出，脈沖寬度80 ns，但其采用閃光燈泵浦方式，光束質(zhì)量難以保證．FAORO等[7]利用Cr2+∶ZnS作為可飽和吸收體，在Tm∶YLF激光器中獲得脈寬14 ns，峰值功率65 kW的1 900 nm波段輸出．FENG等[8]采用Tm∶LSO晶體作為增益介質(zhì)，通過被動(dòng)調(diào)Q方式實(shí)現(xiàn)脈寬7.8 μs、單脈沖能量14 μJ的2 038 nm激光輸出．HOU等[9]采用石墨烯可飽和吸收鏡，獲得脈寬為735 ns、單脈沖能量為8.5 μJ、平均功率為362 mW的2 μm激光輸出．歐陽德欽等[10]采用光纖激光器實(shí)現(xiàn)平均功率100 W 的脈沖激光輸出，但由于重復(fù)頻率過高，峰值功率僅為12.3 kW．SEBBAG等[11]報(bào)道采用Cr∶ZnS作為可飽和吸收體的Tm∶YAP被動(dòng)調(diào)Q激光器，獲得波長為1 935 nm、脈沖寬度為35.8 ns、單脈沖能量為1.85 mJ的脈沖激光輸出．LIU等[12]使用LiNbO3電光調(diào)制，實(shí)現(xiàn)脈寬為107.4 ns、重復(fù)頻率為200 Hz、單脈沖能量為1.65 mJ，峰值功率為15.4 kW的2 μm波段激光輸出．SHEINTOP等[13]報(bào)道一種高峰值功率窄線寬可調(diào)諧的聲光調(diào)Q Tm∶YLF激光器，峰值功率可達(dá)53.2 kW．由以上研究結(jié)果可見，有關(guān)2 μm脈沖激光器的研究主要集中在不同脈沖激光調(diào)制方式，以及不同增益晶體方面，以實(shí)現(xiàn)2 μm波段更短的脈沖寬度與更高峰值功率激光輸出．但由于2 μm波段激光對水汽的吸收強(qiáng)烈，高峰值功率可能導(dǎo)致光學(xué)零件的損壞．因此，室溫下實(shí)現(xiàn)2 μm的高峰值功率激光輸出并不容易，鮮有報(bào)道在室溫條件下，僅通過振蕩器實(shí)現(xiàn)峰值功率超過100 kW 的2 μm脈沖激光輸出．

本研究在室溫條件下，采用激光端面泵浦Tm∶YLF 晶體，通過合理的腔型設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)峰值功率100 kW 的1 879 nm激光輸出，對應(yīng)脈寬為52.2 ns，重復(fù)頻率為2 kHz，最大平均輸出功率為10.5 W，斜率效率為33%，光-光轉(zhuǎn)換效率為30%，x和y方向M2因子分別為1.51和1.71．所研制激光器具有高的峰值功率與良好的光束質(zhì)量，有望用于透明塑料的精細(xì)加工、激光醫(yī)療以及激光打標(biāo)等領(lǐng)域．

1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為Tm∶YLF激光器的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖．為確保激光具有較高的光束質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)采用端面泵浦方式，二極管激光器(laser diode, LD)的最大泵浦功率為120 W，中心波長為793～796 nm，其工作波長可以隨著溫度的調(diào)節(jié)而變化(0.3 nm/℃)．通過仔細(xì)調(diào)節(jié)工作溫度，實(shí)現(xiàn)LD輸出波長與Tm∶YLF的吸收譜相匹配，從而實(shí)現(xiàn)最大轉(zhuǎn)換效率．LD通過纖芯直徑為200 μm的多模光纖(NA=0.22)輸出，并將其耦合至1.0∶1.5的擴(kuò)束器中，經(jīng)擴(kuò)束器出來的泵浦光匯聚至Tm∶YLF晶體中心，此時(shí)泵浦光光斑直徑約為300 μm．圖1中的M1、M2與M3分別為激光器的泵浦鏡、45°二色鏡與輸出鏡，均為厚度3 mm、直徑20 mm的JGS1石英玻片．其中，M1為平凹鏡，雙面均對792～796 nm高透(透射率T>95%)， 凹面(曲率半徑為200 mm)鍍有1 850～2 000 nm的增反膜(反射率R>99.9%)； M2朝向諧振腔的一面鍍有1 850～2 000 nm的增反膜(R>99.9%)； M3凹面(曲率半徑為200 mm)鍍有1 850～2 000 nm的部分透射膜，實(shí)驗(yàn)采用透射率T分別為10%和15%的2種輸出鏡．Tm∶YLF晶體是σ偏振的a軸晶體，是激光器的工作物質(zhì)，Tm3+摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，晶體尺寸為3 mm×3 mm×20 mm， 兩端鍍有對792～796 nm和1 850～2 000 nm的增透膜(R>99.9%)． 聲光Q開關(guān)兩端鍍有對792～796 nm和1 850～2 000 nm的增透膜(R>99.9%)， 頻率能在1～100 kHz調(diào)節(jié)，用50 W的電源驅(qū)動(dòng)．為了抑制腔內(nèi)的熱透鏡效應(yīng)，必須對晶體與聲光Q開關(guān)晶體散熱．Tm∶YLF晶體用厚度為0.1 mm的銦片包裹，置于紫銅熱沉上，紫銅熱沉與聲光晶體經(jīng)循環(huán)水致冷，用恒溫水箱將溫度控制在20 ℃．實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)室相對濕度約45%．經(jīng)計(jì)算，將激光器的腔長設(shè)計(jì)為50 mm，M2與M3的距離為95 mm．

2 結(jié)果及分析

研究不同輸出耦合鏡下的激光器輸出表現(xiàn)．采用T=10%的輸出耦合鏡，當(dāng)輸入功率為2.84 W時(shí)，開始出現(xiàn)1 879 nm的激光輸出，即起振閾值為2.84 W；采用T=15%的輸出耦合鏡，當(dāng)輸入功率為2.93 W時(shí)，出現(xiàn)激光輸出，即起振閾值為2.93 W．圖2分別為T=10%與T=15%時(shí)，輸出激光功率與泵浦功率的關(guān)系曲線．可見，產(chǎn)生激光的最大輸出功率分別為9.5 W和10.6 W，光-光轉(zhuǎn)換率分別為27.1%和30.28%．因此，采用T=15%的輸出耦合鏡能夠?qū)崿F(xiàn)更高的輸出功率與轉(zhuǎn)換效率，實(shí)驗(yàn)采用T=15%的輸出耦合鏡．

調(diào)Q激光器的重復(fù)頻率與輸出激光的脈沖寬度、峰值功率密切相關(guān)，因此，實(shí)驗(yàn)研究輸入功率為35 W時(shí)，不同重復(fù)頻率對脈寬的影響，結(jié)果如圖3．可見，輸出激光脈寬隨重復(fù)頻率的增加而增大．為獲得更短的輸出脈寬，并兼顧保護(hù)激光器器件，最終將激光器的脈沖寬度設(shè)定為2 kHz．

圖3 輸入功率35 W時(shí)，輸出激光的脈沖寬度與重復(fù)頻率的關(guān)系Fig.3 Relationship between the pulse width and the repetition frequency at the input power of 35 W

圖4 連續(xù)激光與調(diào)Q激光的輸出光譜Fig.4 Output spectra of continuous laser and Q-switched laser

當(dāng)輸入功率為35 W時(shí)， 使用光譜儀(NIRQuest 256-2.5, 測量范圍900～2 500 nm)測量激光器的輸出光譜，如圖4．可見，在連續(xù)工作模式下，輸出激光的中心波長為1 901 nm；調(diào)Q狀態(tài)下輸出的中心波長為1 879 nm，譜線寬度為0.79 nm．調(diào)Q激光的中心波長相對于連續(xù)激光發(fā)生藍(lán)移，這是由聲光Q開關(guān)工作時(shí)引入的額外損耗造成的．

圖5 重復(fù)頻率為2 kHz時(shí)，1 879 nm激光的平均輸出功率與泵浦功率的關(guān)系Fig.5 The relationship between average output power and pump power at a repetition rate of 2 kHz

圖5為調(diào)Q重復(fù)頻率為2 kHz時(shí)，1 879 nm激光的平均輸出功率隨泵浦功率的變化情況．可見，脈沖激光的平均輸出功率整體隨著泵浦功率的提高線性增加，當(dāng)泵浦功率為35 W時(shí)，獲得最大輸出功率10.5 W．對應(yīng)的光-光轉(zhuǎn)換率為30%，斜率效率為33%．當(dāng)泵浦功率超過35 W時(shí)，實(shí)驗(yàn)中聽到明顯的水汽聲音，說明激光器的峰值功率過高，已經(jīng)和空氣中的水汽產(chǎn)生作用，若將環(huán)境濕度降低，可獲得更高功率的輸出．為了保護(hù)激光器元件不被損壞，實(shí)驗(yàn)中沒有進(jìn)一步增加泵浦功率．

圖6為當(dāng)重復(fù)頻率為2 kHz時(shí)，1 879 nm激光脈沖寬度與泵浦功率的關(guān)系．可見，脈沖寬度隨輸入功率的增加而減小．圖7為重復(fù)頻率為2 kHz、泵浦功率為35 W時(shí)的脈沖輪廓，最短脈沖寬度為52.2 ns．實(shí)驗(yàn)中使用PIN光電探測器(EOTET-5000)探測散射光的脈沖信號(hào)， 使用示波器(Tektronix DPO7104C)顯示脈沖波形和寬度．

圖6 重復(fù)頻率為2 kHz時(shí)，1 879 nm激光脈沖寬度與泵浦功率的關(guān)系Fig.6 The relationship between pulse width and pump power at a repetition rate of 2 kHz

圖7 重復(fù)頻率為2 kHz、泵浦功率為35 W時(shí)的脈沖波形與脈沖寬度Fig.7 (Color online) Pulse shape and pulse width at repetition frequency of 2 kHz and pump power of 35 W

同時(shí)計(jì)算了不同泵浦功率下的輸出激光峰值功率，如圖8．可見，激光器的峰值功率隨著泵浦功率的提高基本呈線性增加，當(dāng)泵浦功率為35 W時(shí)，獲得最大峰值功率為100.2 kW．

圖8 輸出激光的峰值功率隨泵浦功率的變化Fig.8 The peak power of the output laser versus the pump power

使用本課題組自行搭建裝置測試輸出激光光束在最高功率時(shí)的光束質(zhì)量(M2因子)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖9．其中，透鏡L1與L2的焦距分別150 mm與350 mm；M4為反射鏡；M5和M6為反射式衰減片；格蘭泰勒棱鏡用來連續(xù)改變進(jìn)入探測器的功率．使用光束分析儀(Pyrocam IIIHR)連接電腦來觀測光斑形狀，實(shí)驗(yàn)中將相機(jī)安裝在一個(gè)線性導(dǎo)軌上，方便連續(xù)改變相機(jī)的位置．

圖9 測試M2因子的裝置Fig.9 (Color online) Experimental setup for testing M2 factor

圖10 光束在不同位置處的光束半徑與光斑形狀Fig.10 (Color online) Beam radius and spot shape at different positions

測得沿光束傳播方向上不同位置的光斑寬度，并進(jìn)行擬合計(jì)算，結(jié)果如圖10．x和y方向上的M2因子值分別為1.51和1.71， 光學(xué)不對稱性為1.13，說明該激光器在最高輸出功率下仍具有較好的光束質(zhì)量．最后，利用格蘭泰勒棱鏡測試輸出光的偏振特性，其消光比接近1，說明輸出激光為線偏振光．

結(jié) 語

本研究報(bào)道一種LD端面泵浦Tm∶YLF晶體聲光調(diào)Q激光器，具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊及成本低的特點(diǎn)．通過合理設(shè)計(jì)諧振腔尺寸以及優(yōu)化輸入條件，實(shí)現(xiàn)中心波長為1 879 nm的線偏振激光輸出，峰值功率達(dá)100.2 kW，最短脈沖寬度為52.2 ns，斜率效率為33%．輸出激光在x和y方向的M2因子分別為1.51和1.71，光束質(zhì)量良好．若將激光器封裝在氮?dú)饣驓鍤庵?，以隔絕空氣中的水汽，有望獲得更高的輸出峰值功率．所研制激光器在塑料精細(xì)加工、激光打標(biāo)及激光醫(yī)療等領(lǐng)域有重要應(yīng)用．