被動調(diào)Q鎖模運轉(zhuǎn)Tm∶LuScO3陶瓷激光器特性

2021-07-22 01:02:36張明霞杜曉娟王文婷薛婧雯令維軍

發(fā)光學(xué)報 2021年7期

張明霞，袁振，杜曉娟，王翀，王文婷，薛婧雯，令維軍，董忠

(天水師范學(xué)院激光技術(shù)研究所, 甘肅天水 741000)

1 引言

全固態(tài)激光器以其體積小、效率高、性能穩(wěn)定等特點歷來是激光技術(shù)研究的熱點方向之一。在固體激光技術(shù)及其相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展中，增益介質(zhì)的開發(fā)是研究的基礎(chǔ)和先導(dǎo)，決定著能否產(chǎn)生高性能的激光振蕩。近年來，隨著制備工藝的進步，激光陶瓷是繼單晶、玻璃之后又一值得矚目的激光增益介質(zhì)，由于兼具了晶體和玻璃材料的優(yōu)點，使得激光陶瓷為固體激光器的發(fā)展提供了一個多樣性的選擇。Ikesue在NaturePhotonics上發(fā)表了關(guān)于陶瓷激光器的綜述性文章，總結(jié)了陶瓷激光器的發(fā)展現(xiàn)狀和未來趨勢，同時預(yù)言陶瓷將成為未來固體激光器發(fā)展的新范式[1]。對應(yīng)人眼安全區(qū)域和大氣窗口的2 μm波段激光，在大氣傳輸[2]、激光雷達[3]、激光醫(yī)療[4]等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用潛力，所以2 μm波段的陶瓷固體激光器必將受到人們更大的關(guān)注。

目前，2 μm波段全固態(tài)激光器中最普遍的激光增益介質(zhì)為單晶，該介質(zhì)的激光器適用于各種連續(xù)和脈沖激光器件。人們已在許多類基質(zhì)中成功實現(xiàn)了激光被動鎖模運轉(zhuǎn)，鎢酸鹽基質(zhì)如KLuW[5-6]、NaYW[7]和KYW[8-9]，氧化物基質(zhì)如Lu2O3[10-12]、Sc2O3[13]，石榴石基質(zhì)如YAG[14-15]、YAP[16]、CaYAlO4[17]、CaGdAlO4[18]、LuAG[19]，氟化物基質(zhì)如GdLiF4[20]、LiLuF4[21]。玻璃也是一種重要的激光介質(zhì)，玻璃基質(zhì)如CLNGG[22]、Glass[23]，其制作工藝簡單，可以實現(xiàn)大尺寸及稀土元素高濃度摻雜，熱致雙折射效應(yīng)低；但是，玻璃的缺點主要是熱導(dǎo)率和硬度不夠高、熒光線寬較寬及激光振蕩閾值較高。激光陶瓷具有與激光晶體大致類似的光譜和激光特性，同時具有可以獲得大尺寸、高質(zhì)量的潛在優(yōu)勢。除此之外，由于陶瓷的特殊晶界結(jié)構(gòu)，又使得激光陶瓷具有與激光晶體不同的性能。激光透明陶瓷制備周期短，生產(chǎn)成本低，能夠大規(guī)模生產(chǎn)，可摻雜濃度高，其熱導(dǎo)率介于晶體和玻璃之間，優(yōu)于玻璃，劣于晶體。

在各種材料中，石榴石型的晶體和稀土倍半氧化物是制備激光透明陶瓷的主要選擇，目前2 μm波段的關(guān)于激光透明陶瓷材料的報道非常少，研究最廣泛并且最具有代表性的激光陶瓷材料就是YAG和Lu2O3。石榴石型的YAG陶瓷分為Tm∶YAG和Tm,Ho∶YAG，其中在Tm∶YAG陶瓷全固態(tài)激光器中，得到了輸出7.3 W、中心波長2 015 nm的連續(xù)光運轉(zhuǎn)[24]。利用SESAM、石墨烯分別得到最短3 ps[25]和2.8 ps[26]的鎖模脈沖輸出，對應(yīng)中心波長分別為2 012 nm和2 016 nm。在Tm,Ho∶YAG陶瓷全固態(tài)激光器中，得到輸出1.2 W、中心波長2 090 nm和2 096 nm的雙波長連續(xù)光運轉(zhuǎn)[27]。利用稀土倍半氧化物Tm∶Lu2O3陶瓷作為激光增益介質(zhì)，得到輸出34 W、中心波長2 068 nm的連續(xù)光運轉(zhuǎn)[28]，利用SESAM獲得最短180 fs[29]的鎖模脈沖輸出，對應(yīng)中心波長為2 076 nm。近期，Xu等首次成功制備了Tm∶LuScO3混合三氧化物陶瓷，并利用直腔成功實現(xiàn)連續(xù)和調(diào)Q激光輸出，對應(yīng)的中心波長分別為1 980 nm和1 976 nm，并詳細描述了該陶瓷的特性[30]。該工作豐富了激光透明陶瓷材料在2 μm波段的種類，并且在摻Tm3+或Tm3+、Ho3+共摻陶瓷全固態(tài)激光器中其中心波長首次小于2 μm，恰好位于水分子強吸收帶1 800～2 000 nm區(qū)域，因而必將會有更大的應(yīng)用潛力，引起了研究人員的關(guān)注。

利用自行搭建的可調(diào)諧摻鈦藍寶石固體激光器作為摻Tm3+或Tm3+、Ho3+共摻激光增益介質(zhì)的抽運源，其光束質(zhì)量好，波長從740～844 nm可調(diào)，基本包涵摻Tm3+或Tm3+、Ho3+激光增益介質(zhì)的其中一個或幾個吸收峰，從而利用一臺泵浦源即可方便地研究不同摻Tm3+或Tm3+、Ho3+共摻的激光增益介質(zhì)。利用該泵浦源，我們對Tm∶LuScO3陶瓷超快輸出特性進行了系統(tǒng)研究，在X型折疊腔中成功實現(xiàn)了Tm∶LuScO3陶瓷最高輸出功率257 mW、斜效率14.06%的連續(xù)光輸出，中心波長為1 992 nm，并利用低損耗的商業(yè)化SESAM，成功實現(xiàn)穩(wěn)定的調(diào)Q鎖模運轉(zhuǎn)。在Xu等工作的基礎(chǔ)上，我們進一步研究了該Tm∶LuScO3陶瓷的吸收特性，提出后期優(yōu)化該激光陶瓷的方案，實現(xiàn)了更低閾值、更高斜效率的連續(xù)光運轉(zhuǎn)，同時實驗上探究了利用不同SESAM獲得的調(diào)Q鎖模運轉(zhuǎn)特性，對今后該晶體的改進、實現(xiàn)連續(xù)鎖模運轉(zhuǎn)及應(yīng)用提供了更加細致的參考和指導(dǎo)。

2 實驗裝置

Tm∶LuScO3陶瓷激光器連續(xù)和調(diào)Q鎖模運轉(zhuǎn)實驗裝置如圖1所示，泵浦源是我們自行設(shè)計搭建的可調(diào)諧摻鈦藍寶石激光器，通過雙折射濾光片M7可將泵浦光中心波長從740 nm逐步調(diào)到844 nm，從而找出Tm∶LuScO3陶瓷在該范圍的最高吸收波長。圖2為2 W泵浦光功率下Tm∶LuScO3陶瓷吸收功率隨泵浦光中心波長的變化曲線，得出晶體在中心波長795.7 nm處吸收功率最高。故本實驗選用中心波長795.7 nm、光譜寬度0.6 nm、最高功率3.5 W的泵浦光作為Tm∶LuScO3陶瓷的抽運源。

圖1 Tm∶LuScO3陶瓷連續(xù)和調(diào)Q鎖模激光實驗裝置

Tm∶LuScO3陶瓷諧振腔采用典型的X型五鏡折疊腔，聚焦透鏡L2焦距為120 mm，折疊鏡M11、M12和M14凹面曲率半徑均為100 mm，對770～1 050 nm波段激光透過率>95%，對1 800～2 075 nm波段激光反射率>99.9%。M15為對1 800～2 075 nm波長激光的反射率>99.9%的高反平面鏡，輸出耦合鏡M13有0.9%、1.5%、3%和5%四種透過率。

圖2 Tm∶LuScO3陶瓷對泵浦光不同波長的吸收功率圖

Tm∶LuScO3陶瓷采用布氏角切割，兩端面均被拋光，晶體尺寸為3 mm×3 mm×5 mm，Tm3+的摻雜濃度為2%。由于Tm∶LuScO3陶瓷存在量子缺陷引起的較低熱導(dǎo)率，通過水冷可以有效地解決該增益介質(zhì)的熱效應(yīng)。將Tm∶LuScO3陶瓷用銦箔包裹，夾在紫銅加工的冷卻塊內(nèi)，用13 ℃的恒溫循環(huán)水進行冷卻。為了保證低溫下晶體表面不會出現(xiàn)冷凝水珠，我們將實驗室濕度保持在30%左右。由于該波段更接近于水分子強吸收波段，所以水蒸氣會對鎖模產(chǎn)生較大的影響，從而加大了鎖模的難度，降低濕度更有益于實現(xiàn)該陶瓷的鎖模運轉(zhuǎn)。

啟動鎖模所用的可飽和吸收體為德國BATOP公司商業(yè)生產(chǎn)的反射式和透射式可飽和吸收體，分別用數(shù)字①、②和③表示，詳細參數(shù)見表1。利用激光傳輸ABCD矩陣模擬振蕩光斑，可以計算出晶體中最小光腰半徑為33 μm，可飽和吸收體位置處光腰半徑約為80 μm。

表1 可飽和吸收體詳細參數(shù)

3 連續(xù)光實驗分析

Tm∶LuScO3陶瓷在795.7 nm抽運源處激光不同運轉(zhuǎn)模式下，對應(yīng)的晶體吸收效率曲線如圖3(a)所示，當(dāng)激光處于非運轉(zhuǎn)狀態(tài)時，激光晶體的吸收效率為59.66%，相對于Xu課題組的790 nm抽運源52%的吸收效率，增加了約7%，說明中心波長795.7 nm相對于790 nm更適合作為Tm∶LuScO3陶瓷的抽運源。當(dāng)激光處于連續(xù)和調(diào)Q鎖模運轉(zhuǎn)狀態(tài)時，晶體的吸收效率進一步提高到63.17%，詳細數(shù)據(jù)見表2。導(dǎo)致吸收效率提高的原因是激光運轉(zhuǎn)消耗Tm∶LuScO3陶瓷內(nèi)部的上能級離子數(shù)，使得晶體的吸收效率上升了3.51%。連續(xù)和調(diào)Q鎖模運轉(zhuǎn)或是選用不同的輸出耦合鏡基本不影響激光晶體的吸收效率。

圖3 (a)激光不同運轉(zhuǎn)狀態(tài)下的晶體吸收效率;(b)CW和QML輸出功率隨吸收泵浦功率的變化關(guān)系。

圖3(b)為激光在連續(xù)光運轉(zhuǎn)下分別選用透過率為0.9%、1.5%、3%和5%的輸出鏡的輸出功率隨各自運轉(zhuǎn)狀態(tài)下的晶體吸收泵浦功率變化關(guān)系，選用透過率為3%的輸出鏡時輸出最高功率257 mW的連續(xù)光，出光閾值功率為474 mW，斜效率為14.06%。選用透過率為1.5%和0.9%輸出鏡時，最高輸出功率分別為137 mW和105 mW，出光閾值功率分別為436 mW和430 mW，斜效率分別為7.7%和6.02%。選用透過率為5%輸出鏡時，最高輸出功率為159 mW，斜效率分別為9.14%，詳細參數(shù)見表2。

比較我們報道過的Tm,Ho∶LLF[31]晶體，在輸出鏡透過率為1.5%的同樣腔型下，該晶體在非激光運轉(zhuǎn)下對泵浦光的吸收效率為35.85%，激光運轉(zhuǎn)下的吸收效率約為77%，獲得最高985 mW的連續(xù)輸出功率，出光閾值143 mW，斜效率為39.8%，遠遠大于Tm∶LuScO3陶瓷在相同泵浦光功率下的輸出功率，且出光閾值更低。

我們分析高功率低閾值的激光輸出主要歸功于Tm,Ho∶LLF晶體的高發(fā)射截面、高摻雜濃度和合理的晶體長度等因素，下一步我們將采用高摻雜和不同的晶體長度Tm∶LuScO3陶瓷進一步實驗，以期得到更好的輸出指標(biāo)。

4 調(diào)Q鎖模實驗分析

如圖1的激光實驗裝置，我們試驗了不同的反射式和透射式可飽和吸收體，最終在3種可飽和吸收體中成功實現(xiàn)穩(wěn)定的調(diào)Q鎖模運轉(zhuǎn)，3種SESAM詳細參數(shù)見表1。連續(xù)光運轉(zhuǎn)下，通過計算得出透過率為0.9%、1.5%、3%和5%輸出鏡對應(yīng)的最高腔內(nèi)功率分別為11.67，9.13，8.57，3.18 W。選用透過率為0.9%、1.5%和3%輸出鏡進行鎖模實驗。

圖4(a)、(b)、(c)分別為①、②和③號可飽和吸收體分別在0.9%、1.5%和3%輸出鏡下的輸出功率隨晶體的吸收功率變化曲線，圖中QML節(jié)點之前激光基本處于雜亂的調(diào)Q鎖模狀態(tài)，節(jié)點之后處于穩(wěn)定有序的調(diào)Q鎖模狀態(tài)。利用公式：

(1)

其中，Φ為可飽和吸收體上的能流通量，P為QML節(jié)點處的腔內(nèi)功率，F(xiàn)為鎖模脈沖的重復(fù)頻率，R為可飽和吸收體處的光腰半徑，可估算出啟動調(diào)Q鎖模所需的能流通量，即QML節(jié)點處的能流通量。實驗中①、②、③號可飽和吸收體在QML節(jié)點處的腔內(nèi)功率約為5，3.8，4 W，鎖模重復(fù)頻率為121.9 MHz，可飽和吸收體處的光腰半徑約為80 μm。計算出①、②、③號可飽和吸收體在QML節(jié)點的能流通量分別為204，155，163 μJ/cm2。①號可飽和吸收體在3%輸出鏡下獲得最高10.04%的斜效率，最高功率167 mW的調(diào)Q鎖模激光運轉(zhuǎn)。穩(wěn)定鎖模的閾值功率均不相同，且0.9%輸出鏡下更易實現(xiàn)調(diào)Q鎖模運轉(zhuǎn)，原因是0.9%的輸出鏡下腔內(nèi)的功率密度最高。更加詳細參數(shù)見表2。

圖4(d)為連續(xù)和調(diào)Q鎖模運轉(zhuǎn)下通過光譜分析儀(AvaSpec-NIR256-2.5TEC)測量獲得的光譜，連續(xù)光的中心波長為1 993 nm，光譜的半高寬為5 nm。①號可飽和吸收體調(diào)Q鎖模脈沖的中心波長為1 987 nm，光譜的半高寬為12 nm，相對于連續(xù)光光譜，光譜漂移6 nm；②號可飽和吸收體調(diào)Q鎖模脈沖的中心波長為1 993 nm，光譜的半高寬為10 nm；③號可飽和吸收體調(diào)Q鎖模脈沖的中心波長為1 987 nm，光譜的半高寬為10 nm，相對于連續(xù)光光譜，光譜漂移6 nm?？梢钥闯?，調(diào)Q鎖模運轉(zhuǎn)使得激光光譜被展寬，①號和③號可飽和吸收體光譜中心波長相對于連續(xù)光有6 nm的波長漂移。

圖4 (a)～(c)①、②和③號SESAM調(diào)Q鎖模輸出功率隨泵浦吸收功率的變化關(guān)系；(d)連續(xù)運轉(zhuǎn)輸出光譜和①、②和③號SESAM鎖模光譜。

圖5 掃描時間為100 μs和10 ns的①、②、③號可飽和吸收體鎖模脈沖序列。

表2為激光在不同運轉(zhuǎn)狀態(tài)下相關(guān)的具體參數(shù)，No laser為激光非運轉(zhuǎn)狀態(tài)，CW為連續(xù)運轉(zhuǎn)激光狀態(tài)，①、②、③表示激光在通過①、②、③號可飽和吸收體輸出的調(diào)Q鎖模運轉(zhuǎn)狀態(tài)。對比表中數(shù)據(jù)可以看出，無激光輸出時激光晶體吸收效率最低，運轉(zhuǎn)狀態(tài)下激光輸出效率基本相同，連續(xù)光運轉(zhuǎn)下選用透過率為3%的輸出鏡獲得最高的斜效率和輸出功率。調(diào)Q鎖模運轉(zhuǎn)下①號可飽和吸收體更適合作為Tm∶LuScO3陶瓷的鎖模原件，原因是①號可飽和吸收體具有最寬的平滑光譜，且具有最小的鎖模啟動飽和能流通量，因此更易于啟動鎖模獲得高功率運轉(zhuǎn)。通過快速光電二極管(ET-5000)連接500 MHz的數(shù)字示波器(RIGOL，DS4054)來進行連續(xù)鎖模脈沖序列的探測。圖5為3種SESAM在掃描時間為100 μs/div和10 ns所獲得的調(diào)包絡(luò)和鎖模脈沖序列，鎖模脈沖的重復(fù)頻率均為121.9 MHz。測得①號可飽和吸收體的最窄鎖模脈沖上升沿為1 ns，對應(yīng)的調(diào)Q包絡(luò)脈沖寬度為50 μs，重復(fù)頻率為45.45 KHz；②號可飽和吸收體的最窄鎖模脈沖上升沿為1.9 ns，對應(yīng)的調(diào)Q包絡(luò)脈沖寬度為100 μs，重復(fù)頻率為125 KHz；③號可飽和吸收體的最窄鎖模脈沖上升沿為2.8 ns，對應(yīng)的調(diào)Q包絡(luò)脈沖寬度為150 μs，重復(fù)頻率為83.3 kHz。通過鎖模重復(fù)頻率理論公式：

f=C/2L，

(2)

其中C為光速，L為振蕩腔的長度，可以得出在誤差允許范圍內(nèi)，實驗中所用的腔長1.22 m滿足該公式。

在實驗中，脈沖寬度的測量采用商業(yè)自相關(guān)儀(APE,pulse check 50)來完成，該自相關(guān)儀能測量的最大脈沖寬度為12 ps，但由于實際的脈沖寬度大于其最大脈沖寬度12 ps，且脈沖包含調(diào)Q成分，所以無法用自相關(guān)儀測量鎖模脈沖寬度。利用公式：

(3)

其中tm為被測鎖模脈沖上升沿時間，tr為實際鎖模脈沖上升沿時間，tp為光電探測器上升沿時間，t0為示波器上升沿時間，可估算鎖模脈沖的寬度[32]。實驗中①、②、③號可飽和吸收體被測鎖模脈沖上升沿時間約1，1.36，2.76 ns，光電探測器上升沿時間為35 ps，利用公式：

t0×WB=0.35～0.4，

(4)

其中WB為示波器帶寬，實驗中示波器的帶寬為500 MHz，可估算實驗中t0在700～800 ps之間，因此可計算①、②、③號SESAM實際鎖模脈沖上升沿時間分別為599～713，1 099～1 165，2 641～2 670 ps之間，由于脈沖寬度約等于上升沿時間的1.25倍，故①、②、③號可飽和吸收體實際鎖模脈沖寬度在749～891，1 374～1 456，3 301～3 338 ps之間。通過提高泵浦功率，有望實現(xiàn)連續(xù)鎖模脈沖。

5 結(jié) 論

本文選用固態(tài)反應(yīng)燒結(jié)方法制作的Tm∶LuScO3混合三氧化物陶瓷，首先利用可調(diào)諧的摻鈦藍寶石激光器作為泵浦源，測得Tm∶LuScO3陶瓷740～844 nm范圍內(nèi)的最大吸收中心波長為795.7 nm。接著搭建典型的X型諧振腔，分別通過0.9%、1.5%、3%和5%的輸出鏡實現(xiàn)了連續(xù)光運轉(zhuǎn)，中心波長為1 993 nm，在3%輸出鏡下，獲得最高輸出功率為257 mW，斜效率為14.06%。利用透過率為0.9%、1.5%、3%的輸出鏡，結(jié)合三種不同的可飽和吸收體分別成功實現(xiàn)了穩(wěn)定的調(diào)Q鎖模運轉(zhuǎn)，獲得最窄鎖模脈沖寬度在749～891 ps之間，重復(fù)頻率121.9 MHz，對應(yīng)的調(diào)Q包絡(luò)脈沖寬度為50 μs，重復(fù)頻率45.45 kHz，中心波長為1 987 nm，對應(yīng)最大單脈沖能量為1.37 nJ。