藍(lán)光泵浦高重頻聲光調(diào)QPr：YLF綠光激光器

姜萌，金龍，劉暢，董淵，金光勇

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 物理學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

近年來(lái)，可見(jiàn)光激光器不僅廣泛地適用于日常生活中，例如激光照明和微型投影儀等，同時(shí)在科學(xué)研究領(lǐng)域也具有重大的應(yīng)用需求。綠光光譜范圍內(nèi)的可見(jiàn)光激光器由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)學(xué)、顯示技術(shù)、分子成像和激光加工等方面都具有潛在的應(yīng)用前景[1-4]?？梢?jiàn)激光的實(shí)現(xiàn)方法主要是由幾種稀土離子（Nd3+，Dy3+，Sm3+，Tb3+和 Pr3+）直接或間接產(chǎn)生[5]，其中對(duì) Nd3+激光器進(jìn)行非線性頻率轉(zhuǎn)換，是目前實(shí)現(xiàn)綠光激光較為常見(jiàn)的一種方案。例如2007年張恒利等人[6]設(shè)計(jì)了一種電光調(diào)Q Nd：YAG激光器，實(shí)驗(yàn)中通過(guò)LBO晶體對(duì)基頻光倍頻，在1 kHz的重復(fù)頻率下輸出脈沖能量為9.7 MJ的532 nm激光，脈沖寬度為12.2 ns。與Nd：YAG相比，2017年崔健豐等人[7]采用的Nd：YVO4晶體受激發(fā)射截面是Nd：YAG晶體的三倍，實(shí)驗(yàn)中通過(guò)三硼酸鋰（LBO）晶體對(duì)Nd：YVO4晶體的1 064 nm基頻光進(jìn)行倍頻，當(dāng)輸入電流為30 A時(shí)，實(shí)現(xiàn)重復(fù)頻率為20 kHz，平均功率23.5 W的532 nm激光輸出，對(duì)應(yīng)的脈沖寬度為44.3 ns。上述的實(shí)驗(yàn)均需要二次非線性頻率變換過(guò)程才能獲得可見(jiàn)光波段的激光，然而倍頻晶體會(huì)引入更多的插入損耗，影響最終激光輸出的光-光轉(zhuǎn)換效率。相比之下，Dy3+、Sm3+、Tb3+和 Pr3+無(wú)需進(jìn)行非線性頻率轉(zhuǎn)換，具有可以直接輸出可見(jiàn)光的優(yōu)勢(shì)，其中Tb3+和Pr3+激光器因其各自的能級(jí)躍遷（Pr3+：3P1-3H5，Tb3+：5D4-7F5）可以直接在綠光光譜范圍內(nèi)產(chǎn)生激光，已成為研究者們感興趣的研究課題。Pr3+離子能級(jí)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，相比于Tb3+離子，Pr3+離子的四能級(jí)結(jié)構(gòu)并不是特別復(fù)雜，是目前用于直接產(chǎn)生可見(jiàn)激光的最成熟的稀土離子。

圖1 Pr3+能級(jí)結(jié)構(gòu)圖

迄今為止，Pr3+已經(jīng)在多個(gè)波段（523 nm，604 nm，607 nm，639 nm和720 nm）實(shí)現(xiàn)連續(xù)光輸出[8-10]。在綠色光譜區(qū)域，METZ P W 等人[10]使用最高輸出功率5 W的OPSL泵浦源對(duì)Pr：YLF進(jìn)行抽運(yùn)，在523 nm處達(dá)到2.9 W的輸出功率，斜率效率為72%，光-光效率為67%，該實(shí)驗(yàn)雖然是歷史上最有效的報(bào)道之一，但實(shí)驗(yàn)中采用的OPSL泵浦源價(jià)格昂貴，難以實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。此外，Yang Q 等人[11]采用 SnS2作為飽和吸收體，在522 nm、639 nm、720 nm三種波長(zhǎng)下，實(shí)現(xiàn)了Pr：LiYF4激光器的被動(dòng)調(diào)Q。其最大平均輸出功率和最短脈沖分別為522 nm（23 mW，240 ns）、639 nm（60 mW，165 ns）、720 nm（40 mW，247 ns）。然而由于它是一種被動(dòng)式Q開(kāi)關(guān)，產(chǎn)生調(diào)Q脈沖的時(shí)刻具有一定的隨機(jī)性，難以準(zhǔn)確控制，另外，染料易變質(zhì)，需要經(jīng)常更換，輸出不穩(wěn)定，與被動(dòng)調(diào)Q相比，主動(dòng)調(diào)Q的優(yōu)點(diǎn)在于可以獲得kHz高重復(fù)頻率的巨脈沖，并且重復(fù)頻率易于控制。在本文中首次提出了聲光調(diào)QPr：YLF激光器直接產(chǎn)生522 nm的脈沖激光器。以444 nm的半導(dǎo)體激光器作為泵浦條件，研究了在20 kHz的重復(fù)頻率下的激光輸出特性，并在吸收泵浦功率為5.69 W的情況下，脈沖寬度為50.48 ns，峰值功率為105 W，脈沖能量為5.3μJ。

1 理論分析

調(diào)Q技術(shù)也稱為Q開(kāi)關(guān)技術(shù)，相比于普通激光器，調(diào)Q激光器可以獲得峰值功率更高、脈沖寬度更窄的輸出激光。為了更精準(zhǔn)地描述Pr：YLF脈沖激光器內(nèi)部的運(yùn)轉(zhuǎn)特性，建立速率方程如下：

其中，式（1）和式（2）分別代表反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度的變化方程和光子數(shù)密度的變化方程，式中Rp為泵浦抽運(yùn)速率；N為反轉(zhuǎn)粒子數(shù)；?為腔內(nèi)光子數(shù)；σ為受激發(fā)射截面；c為光速；τf為能級(jí)壽命；l為晶體長(zhǎng)度；Lc為諧振腔長(zhǎng)度；為腔內(nèi)光子壽命；R為輸出鏡反射率；ξ為腔內(nèi)損耗。調(diào)Q晶體損耗中的，其中為衍射效率；M2為品質(zhì)因數(shù)；H為聲場(chǎng)（聲光晶體寬度）；L為聲場(chǎng)（聲光晶體長(zhǎng)度）；PS為聲功率。

通過(guò)龍格庫(kù)塔法對(duì)上述速率方程進(jìn)行求解，所用參數(shù)如表1所示。獲得如下腔內(nèi)光子數(shù)與反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度隨時(shí)間變化規(guī)律的仿真結(jié)果，如圖2所示。

表1 數(shù)值模擬的參數(shù)

圖2 腔內(nèi)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)和光子數(shù)密度變化規(guī)律

從圖2中可以看出，此時(shí)腔內(nèi)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度以及光子數(shù)密度的形成周期為20 kHz，其中圖2（a）表示反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度隨時(shí)間的變化規(guī)律，隨著泵浦能量注入，使得諧振腔內(nèi)大量積累反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，由于Pr：YLF激光的能級(jí)壽命為35.7μs，因此對(duì)于Pr：YLF激光器的調(diào)Q關(guān)門時(shí)間的操作存在極限，即調(diào)Q關(guān)門時(shí)間大于能級(jí)壽命時(shí)積累的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)與等于能級(jí)壽命時(shí)的上能級(jí)反轉(zhuǎn)的積累量是相同的。因此在理論模擬中給定的調(diào)Q關(guān)門時(shí)間近似等于能級(jí)壽命時(shí)間。從仿真圖中可以看到在35.7μs時(shí)刻由于完全打開(kāi)Q開(kāi)關(guān)，導(dǎo)致此時(shí)的諧振腔損耗突然下降，閾值隨之下降，形成激光脈沖，如圖2（a）、圖2（b）所示，可以觀測(cè)到上能級(jí)積累以及產(chǎn)生峰值光子的這一現(xiàn)象。根據(jù)這一仿真結(jié)果，對(duì)后續(xù)Pr：YLF調(diào)Q脈沖激光器實(shí)驗(yàn)提供了理論基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

高重頻聲光調(diào)QPr：YLF522 nm激光器的實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，由于Pr3+在藍(lán)光光譜范圍內(nèi)有較強(qiáng)的吸收峰，因此實(shí)驗(yàn)中采用444 nm半導(dǎo)體激光器作為泵浦源，其最大輸出功率為12 W，泵浦光通過(guò)一個(gè)50 mm聚焦透鏡聚焦到晶體中，諧振腔采用平-凹腔結(jié)構(gòu)，輸入鏡在522 nm處鍍有高達(dá)99.8%的反射率，在泵浦波長(zhǎng)處有99.5%的透光率。輸出鏡是曲率半徑為100 mm的凹透鏡，在522 nm處分別鍍有透過(guò)率為1.5%、2.5%和4%的涂層。此外，在470～490 nm 和 590～650 nm的透射率均大于99.5%，以抑制這種高增益發(fā)射。所使用的激光增益介質(zhì)是一個(gè)無(wú)涂層的a軸切割Pr：YLF晶體，尺寸為3 mm ×3 mm ×5 mm。該P(yáng)r：YLF晶體的摻雜濃度為0.5a.t%。該晶體的泵浦吸收率約為58%。另外，為了防止晶體熱斷裂將其包裹在銀箔中，安裝在一個(gè)設(shè)定溫度為18℃的水冷銅塊中。將聲光Q開(kāi)關(guān)放置在光路中來(lái)獲得高峰值功率激光，信號(hào)由聲光調(diào)制器產(chǎn)生，如圖4所示。示波器選用泰克DPO3054。聲光調(diào)制器產(chǎn)生由高電壓和低電壓信號(hào)組成的雙臺(tái)階信號(hào)，其電壓和持續(xù)時(shí)間是可控的，濾光片是用來(lái)阻擋泵浦光的。最終，輸入鏡和輸出鏡之間的腔長(zhǎng)優(yōu)化至108 mm。

圖3 Pr：YLF聲光調(diào)Q激光器裝置示意圖

圖4 信號(hào)發(fā)生裝置波形圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

首先實(shí)驗(yàn)中分別研究了輸出鏡曲率半徑R=100 mm，透過(guò)率T=1.5%、2.5%、4%的522 nm綠光的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)特性。實(shí)驗(yàn)測(cè)量了522 nm連續(xù)光的輸出功率與晶體吸收功率的關(guān)系，如圖5所示。

圖5 連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)下輸出功率特性曲線

從圖中可以看出，522 nm基頻光的功率隨著晶體吸收功率的增加而增加，當(dāng)吸收功率為7.44 W時(shí)，透過(guò)率T=4%時(shí)，522 nm輸出最高功率1.273 W，此時(shí)腔長(zhǎng)為97 mm。然后將聲光調(diào)Q晶體至于腔內(nèi)，測(cè)量了重復(fù)頻率為20 kHz時(shí)的輸出功率，同時(shí)測(cè)量了在不同吸收功率下脈沖能量和脈沖寬度的變化，其變化關(guān)系如圖6、圖7所示。

圖6 20 kHz重復(fù)頻率下的平均功率隨吸收功率的變化關(guān)系

圖7 20 kHz重復(fù)頻率下脈沖寬度與脈沖能量隨吸收功率的變化關(guān)系

從圖6中可以看出，在腔內(nèi)插入聲光調(diào)Q晶體后，激光振蕩閾值從2.116 W升至3.132 W，相比于無(wú)聲光調(diào)Q，其輸出功率與光學(xué)效率均有所下降，在吸收功率為5.69 W時(shí)，調(diào)Q脈沖最大平均功率為106 mW。造成這種現(xiàn)象的主要原因是聲光調(diào)Q晶體具有一個(gè)初始損耗，該損耗會(huì)間接地增加激光器的諧振腔損耗，繼而造成閾值升高，激光器光學(xué)效率降低，導(dǎo)致激光器功率下降。從圖7可以看到隨著吸收功率的升高，脈沖寬度越來(lái)越窄，脈沖能量隨之增大，吸收功率5.69 W處，輸出脈沖能量為5.3μJ，對(duì)應(yīng)的脈沖寬度為50.48 ns。此時(shí)諧振腔長(zhǎng)度為108 mm。

圖8（a）和圖8（b）分別為重復(fù)頻率為20 kHz時(shí)的脈沖序列和最窄脈沖寬度示意圖，從圖8（a）中可以看出，實(shí)驗(yàn)中獲得的脈沖序列與模擬中的腔內(nèi)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)及光子數(shù)形成周期完全相同，即在調(diào)Q頻率設(shè)置為20 kHz時(shí)，脈沖周期為50 μs。

圖8 重復(fù)頻率為20 kHz時(shí)的脈沖序列圖和最窄脈沖寬度

4 結(jié)論

文中首先在理論方面建立了Pr：YLF聲光調(diào)Q四能級(jí)速率方程，并對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值求解，為實(shí)驗(yàn)開(kāi)展提供理論依據(jù)。實(shí)驗(yàn)中首先采用不同透過(guò)率的輸出鏡研究了Pr：YLF連續(xù)激光輸出特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)輸出鏡透過(guò)率T=4%時(shí)，輸出激光特性最好，輸出功率最高。在連續(xù)激光實(shí)驗(yàn)獲得最佳激光參數(shù)后，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了聲光調(diào)Q綠光輸出，當(dāng)晶體吸收功率為5.69 W、重復(fù)頻率為20 kHz時(shí)，獲得522 nm綠光輸出功率106 mW，輸出脈沖能量為5.3μJ，對(duì)應(yīng)的脈沖寬度和峰值功率分別為50.48 ns和105 W，并與前述理論模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了理論的正確性。該實(shí)驗(yàn)為實(shí)現(xiàn)綠光脈沖激光輸出提供了技術(shù)基礎(chǔ)，并且對(duì)于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)261 nm紫外脈沖激光器有重要指導(dǎo)意義。