LD側(cè)面泵浦Tm:YAG電光調(diào)Q激光的實(shí)驗(yàn)研究

鐘玉龍,程庭清

(1中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院健康與醫(yī)學(xué)技術(shù)研究所,安徽 合肥 230031;2中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),安徽 合肥 230026)

0 引言

2 μm波段位于近紅外大氣窗口、水的吸收峰處和人眼安全區(qū),所以在環(huán)境監(jiān)測(cè)、激光雷達(dá)、醫(yī)療手術(shù)、材料加工等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1-4]。高峰值功率的2 μm激光器也是3～5 μm光參量振蕩器(OPO)的理想泵浦源[5,6]。Tm:YAG晶體是2 μm波長(zhǎng)固體激光器的理想介質(zhì),具有較寬的吸收和發(fā)射光譜、良好的機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性等特點(diǎn)[7]。Tm3+間的交叉弛豫過(guò)程(3H4+3H6→23F4)使Tm:YAG具有較高的量子效率[8]。Tm:YAG晶體上能級(jí)壽命較長(zhǎng),接近10 ms[9],有利于其在調(diào)Q運(yùn)行中的高能量存儲(chǔ)。此外,Tm:YAG在785 nm附近有較強(qiáng)的吸收峰,可以被商業(yè)化的高功率785 nm激光二極管(LD)直接泵浦[10]。

為了獲得高峰值功率、高脈沖能量和窄脈沖寬度的2 μ m激光器,最常用的方法是調(diào)Q技術(shù),也稱(chēng)為Q開(kāi)關(guān)技術(shù)。按諧振腔內(nèi)的損耗控制方式,調(diào)Q技術(shù)可分為主動(dòng)調(diào)Q和被動(dòng)調(diào)Q。與主動(dòng)調(diào)Q相比,被動(dòng)調(diào)Q的可控性較差,獲得的脈沖激光能量較低,脈寬在幾百ns甚至μs量級(jí)。常見(jiàn)的主動(dòng)調(diào)Q有電光調(diào)Q、聲光調(diào)Q等。由于聲光調(diào)Q的調(diào)制深度(約80%)不足,得到的激光脈沖寬度通常大于100 ns[11,12]。相比之下,電光調(diào)Q有更快的開(kāi)關(guān)速度,高的穩(wěn)定性和可控性,有助于實(shí)現(xiàn)更短的激光脈沖及更高的效率。

2015年,Liu等[13]報(bào)道了二極管泵浦的電光調(diào)QTm:LuAG激光器。他們使用LiNbO3(鈮酸鋰)晶體作為電光Q開(kāi)關(guān),Tm:LuAG激光器在重復(fù)頻率為50 Hz時(shí),輸出的最大單脈沖能量為2.5 mJ,脈沖寬度為88 ns。2016年Jin等[14]進(jìn)行了LD連續(xù)泵浦Tm:YAG板條RTP電光調(diào)Q激光器的實(shí)驗(yàn)研究。Tm:YAG板條激光器在重復(fù)頻率為1 kHz時(shí),獲得的最大脈沖能量為7.5 mJ,最窄脈沖寬度為58 ns,對(duì)應(yīng)的斜效率達(dá)到21.7%。2018年,Guo等[15]報(bào)道了LD翼泵浦Tm:LuAG晶體的電光調(diào)Q激光器,鈮酸鋰(LN)晶體作為電光Q開(kāi)關(guān),Tm:LuAG激光器在100 Hz的重復(fù)頻率下,獲得的最大單脈沖能量為10.8 mJ,脈沖寬度為52 ns。2019年,Ma等[16]使用LGS(硅酸鎵鑭)晶體作為電光Q開(kāi)關(guān),報(bào)道了LD端面泵浦Tm:YAP晶體的電光調(diào)Q激光器,該激光器可以工作在高達(dá)200 kHz的重復(fù)頻率下,輸出的脈沖寬度為5.52 ns,平均輸出功率為2.79 W。因此,電光調(diào)QTm激光器還未能實(shí)現(xiàn)高脈沖能量和高峰值功率的激光輸出。

本文使用兩個(gè)相同的Tm:YAG晶體棒串接作為增益介質(zhì),LGS晶體作為電光Q開(kāi)關(guān),中心波長(zhǎng)為785 nm的LD陣列進(jìn)行側(cè)面泵浦,白寶石堆片和格蘭棱鏡分別作為起偏器,研究了不同起偏方式下Tm:YAG激光器的輸出特性。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

LD側(cè)面泵浦Tm:YAG電光調(diào)Q實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。實(shí)驗(yàn)中采用線(xiàn)性腔結(jié)構(gòu)以減少光學(xué)元件,使激光器結(jié)構(gòu)緊湊、易于調(diào)整。激光諧振腔長(zhǎng)度為295 mm,其由兩個(gè)平面鏡M1、M2構(gòu)成,其中M1表面鍍有2.02 μm激光全反膜,M2為激光諧振腔的輸出鏡,表面鍍有2.02 μm激光部分透射膜,透射率為60%。

圖1 LD側(cè)面泵浦Tm:YAG電光調(diào)Q實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of LD side pumped EO Q-switched Tm:YAG laser

使用LGS晶體作為電光Q開(kāi)關(guān)。LGS是近年來(lái)備受關(guān)注的新型電光晶體材料,其電光系數(shù)相對(duì)較小,為2.3×10-12m/V;光損傷閾值高,為950 MW/cm2;透射光譜范圍寬。LGS具有不吸濕、物理化學(xué)特性穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),是較為理想的電光調(diào)Q晶體。實(shí)驗(yàn)采用退壓式電光調(diào)Q,工作電壓設(shè)置為5500 V。起偏器分別采用白寶石堆片和格蘭棱鏡。白寶石堆片由兩片白寶石片組成,片與片之間間隙約為1 mm,表面光潔度為40/20,沒(méi)有鍍膜,實(shí)驗(yàn)中以布儒斯特角插入諧振腔內(nèi)。格蘭棱鏡的材料為α-BBO(偏硼酸鋇),棱鏡的輸入、輸出表面鍍有保護(hù)膜,光潔度為40/20,棱鏡間隙面未鍍膜。激光泵浦系統(tǒng)由兩個(gè)獨(dú)立的LD側(cè)面泵浦模塊串接而成,每個(gè)泵浦模塊由3組LD陣列組成,LD陣列呈120°均勻放置在Tm:YAG晶體棒周?chē)?。采用兩個(gè)相同的側(cè)泵泵浦模塊串接,同步輸出,從而提高激光的泵浦功率,提高增益,同時(shí)減小在高重復(fù)頻率下熱透鏡效應(yīng)的影響。單個(gè)Tm:YAG晶體棒尺寸為Φ3 mm×70 mm,其中Tm3+的摻雜濃度為3.5 at%,晶體棒兩端鍍有2.02 μm的增透膜(T＞99.5%)。脈沖激光電源驅(qū)動(dòng)的LD陣列中心發(fā)射波長(zhǎng)為785 nm,單個(gè)泵浦模塊的峰值功率為3600 W。在工作頻率為10 Hz時(shí),泵浦脈寬為1 ms,單個(gè)脈沖的最大注入能量為7.2 J。實(shí)驗(yàn)中采用水冷方式,利用去離子水對(duì)激光系統(tǒng)進(jìn)行散熱,水冷機(jī)溫度控制在18°C,控制精度為±0.2°C。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)研究了不同起偏方式下Tm:YAG激光器的輸出特性。用白寶石堆片作為起偏器時(shí),在10 Hz情況下,測(cè)得的調(diào)Q運(yùn)轉(zhuǎn)下激光器輸出能量和脈沖寬度隨泵浦能量的變化曲線(xiàn)如圖2所示。當(dāng)單脈沖注入能量,在5.75 J范圍內(nèi),激光輸出能量隨泵浦能量線(xiàn)性增加,脈沖寬度也呈下降趨勢(shì)。當(dāng)泵浦能量為5.96 J時(shí),獲得的輸出能量為52 mJ、脈沖寬度為70 ns,未見(jiàn)拖尾現(xiàn)象。但繼續(xù)增加泵浦能量時(shí),測(cè)得的脈沖如圖3所示,由圖可見(jiàn)出現(xiàn)了拖尾脈沖,繼續(xù)增加注入能量,拖尾現(xiàn)象愈加嚴(yán)重,同時(shí)發(fā)現(xiàn)前面脈沖的寬度不發(fā)生變化,此時(shí)測(cè)得的激光能量雖有增加,但均為尾脈沖貢獻(xiàn)。因此在白寶石堆片條件下,激光器輸出的最大單脈沖能量為52 mJ,最小的脈沖寬度為70 ns,對(duì)應(yīng)的峰值功率和斜效率分別為0.74 MW、10.02%。

圖2 白寶石堆片作為起偏器時(shí)輸出能量和脈寬隨泵浦能量的變化曲線(xiàn)Fig.2 The output energy and pulse width vary with pump energy when Sapphire is used as polarizer

圖3 白寶石堆片作為起偏器時(shí)輸出的脈沖具有尾脈沖,輸出主脈沖寬度為70 nsFig.3 The output pulse with a tail pulse when Sapphire is used as polarizer and main pulse width is 70 ns

用格蘭棱鏡作為起偏器時(shí),在10 Hz情況下,測(cè)得的調(diào)Q運(yùn)轉(zhuǎn)下激光器輸出能量和脈沖寬度隨泵浦能量的變化曲線(xiàn)如圖4所示。輸出能量隨泵浦能量線(xiàn)性增加,當(dāng)泵浦能量為7.2 J時(shí),獲得的最大輸出能量為60 mJ,脈寬為65.6 ns,峰值功率為0.91 MW,對(duì)應(yīng)的斜效率為5.41%。隨著泵浦能量增加,輸出能量繼續(xù)增加,脈沖寬度逐漸減小。測(cè)得的脈沖如圖5所示?？梢杂^(guān)察到輸出激光脈沖形狀下降沿光滑,無(wú)拖尾現(xiàn)象。由于受到LD泵浦源最大功率的限制,沒(méi)有繼續(xù)增加注入能量。

圖4 格蘭棱鏡作為起偏器時(shí)輸出能量和脈寬隨泵浦能量變化曲線(xiàn)Fig.4 The output energy and pulse width vary with pump energy when Glan prism is used as polarizer

圖5 格蘭棱鏡作為起偏器時(shí)的輸出脈沖,脈寬為65.6 nsFig.5 The output pulse when Glan prism is used as polarizer and pulse width is 65.6 ns

由以上實(shí)驗(yàn)可以看出:白寶石堆片作為起偏器時(shí),如脈寬壓縮到70 ns,會(huì)有明顯的尾脈沖出現(xiàn),限制了激光能量進(jìn)一步提高,獲得的最佳輸出為:重復(fù)頻率為10 Hz情況下,最大單脈沖輸出能量達(dá)到52 mJ(美國(guó)Coherent J-50MB-IR),脈沖寬度為70 ns(波蘭VIGO PVI-2TE-10.6),峰值功率達(dá)到0.74 MW,斜效率達(dá)到10.02%。而格蘭棱鏡作為起偏器時(shí)無(wú)尾脈沖,在此基礎(chǔ)上增加注入能量,重復(fù)頻率為10 Hz的情況下,獲得最大單脈沖輸出能量達(dá)到60 mJ(美國(guó)Coherent J-50MB-IR),脈沖寬度為63.5 ns(波蘭VIGO PVI-2TE-10.6),峰值功率達(dá)到0.91 MW,斜效率達(dá)到5.4%?？梢?jiàn)格蘭棱鏡條件下的激光閾值較高,斜效率低于白寶石堆片。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是:Tm:YAG是準(zhǔn)三能級(jí)結(jié)構(gòu),其能級(jí)結(jié)構(gòu)躍遷示意圖如圖6所示,Tm:YAG上能級(jí)存在弛豫過(guò)程,上能級(jí)儲(chǔ)存的能量不是一次性釋放出來(lái),而是經(jīng)過(guò)一次快速釋放以后,存留了一部分能量到尾脈沖中。而白寶石堆片和格蘭棱鏡的消光比和透射率不同,實(shí)測(cè)白寶石堆片的消光比為50:1,透射率為99.01%;而格蘭棱鏡的消光比為266:1,透射率為79.82%;與白寶石堆片相比,格蘭棱鏡的消光比更大、損耗更大、閾值更高,弛豫的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達(dá)不到起偏條件,有利于抑制尾脈沖的產(chǎn)生。

圖6 Tm:YAG能級(jí)結(jié)構(gòu)躍遷示意圖Fig.6 Energy-level transition diagram of Tm:YAG

3 結(jié)論

采用不同起偏器對(duì)LD泵浦Tm:YAG電光調(diào)Q激光器的輸出特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。用格蘭棱鏡作為起偏器時(shí),輸出激光的中心波長(zhǎng)為2.02 μm。調(diào)Q運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),在重復(fù)頻率為10 Hz情況下,獲得的激光脈沖最大輸出能量為60 mJ,輸出脈沖寬度為63.5 ns,峰值功率達(dá)到0.94 MW,斜效率達(dá)到5.4%。結(jié)果表明,格蘭棱鏡作為起偏元件、LGS晶體作為電光Q開(kāi)關(guān)的組合在一定程度上提高了Tm:YAG調(diào)Q激光器的輸出能量,能產(chǎn)生窄脈寬、高能量的2 μm激光脈沖。