基于Nd:YAG/Cr:YAG鍵合晶體的被動調(diào)Q微片激光器

王 運，王勇剛，劉思聰，陳兆哲，王慧中，黎 巍

(陜西師范大學 物理學與信息技術學院，陜西 西安 710119)

0 引言

被動調(diào)Q固體激光器由于其簡單的結構、低廉的價格，以及較大的峰值功率和單脈沖能量，被廣泛的應用在激光雷達、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、材料加工、激光點火等領域[1-3]。可飽和吸收體是被動調(diào)Q固體激光器中至關重要的器件?，F(xiàn)階段主要用于被動調(diào)Q固體激光器的可飽和吸收體包括染料吸收體[4]、色心晶體[5]、半導體可飽和吸收鏡[6]、摻Cr4+晶體[7-9]、二維材料[10-12]等。Cr4+:YAG晶體由于其在1 μm波段具有較高的損傷閾值，較好的熱穩(wěn)定性，較大的吸收截面，以及較長的使用壽命等特點，被廣泛認為是小型全固態(tài)激光器的理想被動Q開關[1,13]。為了獲得更小型化的激光器和更好的激光輸出性能，通常將增益介質(zhì)和可飽和吸收體連接在一起。Nd:YAG/Cr:YAG晶體就是利用晶體鍵合技術將Nd:YAG晶體與Cr:YAG晶體接合在一起，形成一塊整體。這樣的結構相比于傳統(tǒng)分離晶體的結構具有明顯的優(yōu)勢，比如更弱的熱效應，更小的腔長等[14]。由此可以得到更窄的脈沖激光輸出，以及更加小型化的激光器[15]。從1994年美國林肯國家實驗室首次報道了基于Nd:YAG/Cr:YAG鍵合晶體的被動調(diào)Q微型激光器[16]，經(jīng)過若干年的發(fā)展，現(xiàn)在關于Nd:YAG/Cr:YAG鍵合晶體被動調(diào)Q固體激光器的研究也愈發(fā)的成熟。2014年，北京工業(yè)大學報道了一種被動調(diào)Q微型激光器，分別采用[100]切割Nd:YAG和[110]切割Cr4+:YAG晶體作為激光增益介質(zhì)和被動調(diào)Q晶體，在重復頻率100 Hz時，獲得單脈沖能量5 mJ、脈沖寬度12.98 ns的激光輸出[17]。2015年，中科院上海光機所報道了一種Nd:YAG/Cr:YAG被動調(diào)Q微型激光器，重復頻率為8.1 kHz,單脈沖能量為50.1 μJ，脈沖寬度為3.2 ns，峰值功率為15.7 kW[18]。2019年，廣東省晶體與激光技術工程研究中心將Nd:YAG/Cr:YAG/YAG晶體應用在被動調(diào)Q拉曼激光系統(tǒng)中，獲得了最大平均輸出功率0.92 W，重復頻率53.5 kHz，脈沖寬度3.22 ns的調(diào)Q激光輸出[19]。上述相關研究進一步推進了基于Nd:YAG/Cr:YAG鍵合晶體的被動調(diào)Q微型激光器的發(fā)展，但在獲得高輸出能量的時候，脈沖寬度卻還停留在3 ns以上。因此，研究基于Nd:YAG/Cr:YAG鍵合晶體被動調(diào)Q激光器獲得高能量和窄脈寬兼顧的激光輸出是很有必要的。

利用Nd:YAG/Cr:YAG鍵合晶體，搭建了1064 nm被動調(diào)Q微片激光器，腔長為7 mm。在采用脈沖光源泵浦鍵合晶體時，獲得了脈沖寬度1.72 ns、單脈沖能量120 μJ、峰值功率70.3 kW的被動調(diào)Q脈沖激光，并研究了輸出激光脈沖的數(shù)量和延時特性與泵浦光源能量之間的關系。在采用連續(xù)光源泵浦時，獲得了脈沖寬度3.54 ns、平均輸出功率492 mW、重復頻率3.1 kHz的被動調(diào)Q脈沖激光。相應的單脈沖能量為158.8 μJ、峰值功率為44.8 kW。通過對脈沖泵浦時激光器輸出能量隨時間變化的測量以及連續(xù)泵浦時輸出脈沖序列的表征，表明我們搭建的被動調(diào)Q激光器具有較好的穩(wěn)定性。

1 實驗裝置

圖1 被動調(diào)Q微片激光器實驗裝置圖

圖1為基于Nd:YAG/Cr:YAG鍵合晶體的被動調(diào)Q微片激光器的實驗裝置圖。泵浦源為最大輸出功率50 W、中心波長808 nm的半導體激光二極管,具有連續(xù)光輸出和脈沖光輸出兩種模式。泵浦光通過光纖耦合輸出，光纖纖芯直徑100 μm，數(shù)值孔徑NA=0.22，從光纖輸出的光經(jīng)過耦合比為1:1的耦合鏡聚焦在鍵合晶體上。

實驗中用到的增益介質(zhì)和可飽和吸收體為Nd:YAG/Cr:YAG鍵合晶體，尺寸為3×3×7 mm3。其中增益介質(zhì)Nd:YAG為1.1%的Nd3+摻雜，長度為4.8 mm?？娠柡臀阵wCr:YAG的初始透過率為35%,長度為2.2 mm。在鍵合晶體的S1端面鍍有1064 nm波段高反膜，808 nm波段高透膜；在S2端面鍍有808 nm波段高反膜，1064 nm波段部分反射膜，反射率為70%。將上述鍵合晶體涂上導熱硅脂，側(cè)面用銦箔包裹，固定在紫銅塊中。紫銅塊與恒溫水冷卻系統(tǒng)連接，溫度設定為18℃。實驗過程中通過光電探測器接收脈沖激光信號，并通過帶寬為1 GHz的數(shù)字示波器觀察脈沖序列。

2 實驗結果和分析

2.1 脈沖光泵浦下的激光輸出特性

實驗中首先采用脈沖泵浦方式，泵浦光的脈寬設定為140 μs，重復頻率設定為100 Hz。通過改變泵浦源的峰值功率來改變泵浦光的輸入能量。圖2(a)為激光輸出能量和光-光轉(zhuǎn)化效率隨輸入能量變化而變化的曲線圖。當泵浦光能量大于2.94 mJ時，可以觀察到被動調(diào)Q激光脈沖，此時為一個調(diào)Q激光脈沖。此后，隨著輸入能量的增大，總輸出能量呈階梯狀增加，輸出的調(diào)Q脈沖數(shù)目也逐漸增多。這主要是因為單個調(diào)Q激光脈沖的能量是一定的，激光器在輸出下一個脈沖之前，總的輸出能量保持不變，呈現(xiàn)平臺狀。隨著輸入能量逐漸增大，增益介質(zhì)上能級繼續(xù)進行反轉(zhuǎn)粒子數(shù)積累，當達到脈沖發(fā)射閾值時，將會產(chǎn)生第二個脈沖，輸出能量陡然增大，出現(xiàn)第二個平臺[20-23]。在泵浦光能量達到6.3 mJ時，激光器輸出4個調(diào)Q脈沖，總輸出能量為480 μJ。在每個平臺內(nèi)，激光器光-光轉(zhuǎn)化效率隨輸入能量的增大而逐漸降低。這是因為在產(chǎn)生第一個脈沖之后，泵浦光的能量還不足以產(chǎn)生第二個脈沖，泵浦光的能量作用于增益介質(zhì)，使其進行反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的積累[21]。在輸出單個脈沖時，最大光-光轉(zhuǎn)化效率為4.1%。圖2(b)為不同泵浦能量下的輸出脈沖序列。在每個泵浦脈沖周期內(nèi)，當泵浦光能量為2.94 mJ時，輸出一個調(diào)Q激光脈沖；泵浦光能量為4.06 mJ時，輸出兩個調(diào)Q激光脈沖；泵浦光能量為5.18 mJ時，輸出三個調(diào)Q激光脈沖；泵浦光能量為6.3 mJ時，輸出了四個調(diào)Q激光脈沖。圖2(c)為激光器輸出兩個脈沖時，脈沖延遲時間隨輸入能量增大而變化的曲線圖。從圖中可以看出，脈沖延遲時間隨泵浦光能量的增大而逐漸減小，最短時間延遲為37.4 μs。這主要是因為Cr:YAG晶體在高能量泵浦下飽和吸收速率會增大。圖2(d)為單脈沖能量和峰值功率隨泵浦能量變化的曲線圖。單脈沖能量和峰值功率隨著泵浦光能量的增大波動幅度較小，單脈沖能量在120 μJ左右，相應的峰值功率為70 kW左右。

圖2 脈沖光泵浦時被動調(diào)Q激光結果：(a)總輸出能量及光-光轉(zhuǎn)化效率隨泵浦光能量變化的曲線；(b)不同泵浦能量下的脈沖序列；(c)激光器發(fā)出兩個脈沖時脈沖延遲時間隨泵浦能量的變化曲線；(d)單脈沖能量和峰值功率隨泵浦能量變化的曲線

單脈沖的脈沖波形如圖3(a)所示，其插圖為輸出激光的遠場光強分布。輸出激光的脈沖寬度為1.72 ns，光束呈現(xiàn)很好的基橫模分布。圖3(b)為脈沖寬度與泵浦光能量的關系圖。隨著泵浦光能量的增大，脈沖寬度維持在1.72 ns左右,波動幅度很小。這主要是因為Cr:YAG晶體的初始透過率決定了飽和閾值，在不同泵浦能量下脈沖發(fā)射時腔內(nèi)的光子數(shù)基本一樣，在損耗不變的情況下，每個脈沖從建立到熄滅的時間和總能量基本不變[24]。圖3(c)為15 min內(nèi)，輸出激光能量隨時間變化的曲線圖。輸出激光能量隨時間變化波動性較小，表明我們搭建的激光器具有較好的穩(wěn)定性。

圖3 脈沖光泵浦時被動調(diào)Q激光結果(a)單脈沖波形和光束質(zhì)量圖；(b)脈沖寬度隨泵浦光能量變化的曲線；(c)激光器輸出單脈沖能量隨時間變化的曲線

2.2 連續(xù)光泵浦下的激光輸出特性

通過逐漸增大泵浦功率，我們獲得了一個穩(wěn)定的被動調(diào)Q脈沖激光。平均輸出功率與泵浦功率之間的關系如圖4(a)所示。當泵浦功率達到10 W時，出現(xiàn)被動調(diào)Q激光脈沖。泵浦功率在10 -13.5 W之間，可以獲得穩(wěn)定的調(diào)Q脈沖。相應的平均輸出功率從258 mW增大到492 mW，斜效率為6.7%。同時我們記錄了不同泵浦功率下的重復頻率和脈沖寬度，如圖4(b)所示。重復頻率隨著泵浦功率的增大而增大，脈沖寬度隨著泵浦功率的增大而減小。當泵浦功率增加到13.5 W時，最大的重復頻率為3.1 kHz，最短脈沖寬度為3.54 ns。由于連續(xù)光泵浦相比于脈沖光泵浦熱效應更強，在繼續(xù)增加泵浦功率時，脈沖波形開始出現(xiàn)波動，因此最短脈沖寬度相比于脈沖泵浦時所獲得的結果更寬。輸出脈沖的單脈沖波形如圖4(c)所示。

圖4 連續(xù)光泵浦時被動調(diào)Q激光結果 (a)平均輸出功率隨泵浦功率變化的曲線；(b)脈沖寬度和重復頻率隨泵浦功率變化的曲線；(c)單脈沖波形；(d)單脈沖能量和峰值功率隨泵浦功率變化的曲線

根據(jù)重復頻率和脈沖寬度，我們定量的計算了輸出激光的單脈沖能量和峰值功率,如圖4(d)所示。單脈沖能量和峰值功率隨泵浦功率的增加而單調(diào)增加。當泵浦功率達到13.5 W時，最大單脈沖能量達到了158.7 μJ，最大峰值功率為44.8 kW。圖5為三個不同泵浦功率下的脈沖序列圖，直觀的展示了重復頻率隨泵浦功率變化的情況。隨著泵浦功率的增大，脈沖數(shù)目增多，重復頻率增大。并且從圖中可以看出，脈沖抖動較小，激光器的調(diào)Q狀態(tài)較為穩(wěn)定。

3 結論

利用Nd:YAG/Cr:YAG鍵合晶體搭建了1064 nm被動調(diào)Q微片激光器。采用脈沖激光端面泵浦方式，獲得了脈沖寬度1.72 ns、單脈沖能量120 μJ、峰值功率70 kW的被動調(diào)Q脈沖激光，相應的最大光-光轉(zhuǎn)化效率為4.1%。研究了脈沖泵浦光激發(fā)Nd:YAG/Cr:YAG鍵合晶體產(chǎn)生調(diào)Q激光的輸出特性，發(fā)現(xiàn)可以通過控制單個泵浦周期內(nèi)泵浦光源的能量，調(diào)節(jié)輸出激光脈沖的數(shù)目以及延遲時間。利用連續(xù)光源泵浦Nd:YAG/Cr:YAG鍵合晶體，獲得了脈沖寬度3.54 ns、重復頻率3.1 kHz、單脈沖能量158.7 μJ、峰值功率44.8 kW、平均輸出功率492 mW的被動調(diào)Q脈沖激光，相應的斜效率為6.7%。對比之下，發(fā)現(xiàn)脈沖光源泵浦相比于連續(xù)光源泵浦更易獲得窄脈寬的調(diào)Q脈沖激光。通過對脈沖泵浦時激光器輸出能量隨時間變化的測量以及連續(xù)泵浦時輸出脈沖序列的表征，表明我們搭建的被動調(diào)Q激光器具有較好的穩(wěn)定性。這種窄脈寬、高能量且具有高穩(wěn)定性的微型激光器在激光加工、激光點火、激光醫(yī)療等領域的應用具有重要意義。