任席奎，裴繼紅，阮雙琛

1)深圳大學電子與信息工程學院，廣東深圳 518060；2)深圳市激光工程重點實驗室，先進光學精密制造技術廣東普通高校重點實驗室，深圳大學物理與光電工程學院，廣東深圳 518060

工作波長在2 μm附近的激光在醫(yī)學、遙感、激光雷達與中紅外激光產生等領域具有廣泛應用．在醫(yī)學上，2 μm激光可用作激光手術刀，具有對人體組織穿透深度淺，手術精度高的特點[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，用相干多普勒雷達測量風切變與風速[2]；2 μm 波段激光對大氣和煙霧穿透能力強，適合應用于激光測距與激光雷達領域；2 μm激光也適合作為抽運源，通過光參量振蕩器(optical parametric oscillator, OPO)方式產生中紅外激光(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量好和峰值功率高等特點．近年來，國內外科學家圍繞2 μm波段激光器展開大量研究．YAO等[5]報道一種InGaAs/GaAs作為可飽和吸收體的被動調Q Tm∶YAP激光器，實現(xiàn)1 940～1 964 nm的寬波段調諧，產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]實現(xiàn)480 mJ的電光調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，通過被動調Q方式實現(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]采用光纖激光器實現(xiàn)平均功率100 W 的脈沖激光輸出，但由于重復頻率過高，峰值功率僅為12.3 kW．SEBBAG等[11]報道采用Cr∶ZnS作為可飽和吸收體的Tm∶YAP被動調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電光調制，實現(xiàn)脈寬為107.4 ns、重復頻率為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]報道一種高峰值功率窄線寬可調諧的聲光調Q Tm∶YLF激光器，峰值功率可達53.2 kW．由以上研究結果可見，有關2 μm脈沖激光器的研究主要集中在不同脈沖激光調制方式，以及不同增益晶體方面，以實現(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烈，高峰值功率可能導致光學零件的損壞．因此，室溫下實現(xiàn)2 μm的高峰值功率激光輸出并不容易，鮮有報道在室溫條件下，僅通過振蕩器實現(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，通過合理的腔型設計，實現(xiàn)峰值功率100 kW 的1 879 nm激光輸出，對應脈寬為52.2 ns，重復頻率為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量，有望用于透明塑料的精細加工、激光醫(yī)療以及激光打標等領域．

1 實驗裝置

圖1為Tm∶YLF激光器的實驗裝置示意圖．為確保激光具有較高的光束質量，實驗采用端面泵浦方式，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節(jié)而變化(0.3 nm/℃)．通過仔細調節(jié)工作溫度，實現(xiàn)LD輸出波長與Tm∶YLF的吸收譜相匹配，從而實現(xiàn)最大轉換效率．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的擴束器中，經(jīng)擴束器出來的泵浦光匯聚至Tm∶YLF晶體中心，此時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，實驗采用透射率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，Tm3+摻雜質量分數(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調節(jié)，用50 W的電源驅動．為了抑制腔內的熱透鏡效應，必須對晶體與聲光Q開關晶體散熱．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 ℃．實驗在室溫下進行，實驗室相對濕度約45%．經(jīng)計算，將激光器的腔長設計為50 mm，M2與M3的距離為95 mm．

2 結果及分析

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，當輸入功率為2.84 W時，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，當輸入功率為2.93 W時，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，輸出激光功率與泵浦功率的關系曲線．可見，產生激光的最大輸出功率分別為9.5 W和10.6 W，光-光轉換率分別為27.1%和30.28%．因此，采用T=15%的輸出耦合鏡能夠實現(xiàn)更高的輸出功率與轉換效率，實驗采用T=15%的輸出耦合鏡．

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

圖3 輸入功率35 W時，輸出激光的脈沖寬度與重復頻率的關系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Q激光的輸出光譜Fig.4 Output spectra of continuous laser and Q-switched laser

當輸入功率為35 W時， 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Q激光的中心波長相對于連續(xù)激光發(fā)生藍移，這是由聲光Q開關工作時引入的額外損耗造成的．

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

圖5為調Q重復頻率為2 kHz時，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，當泵浦功率為35 W時，獲得最大輸出功率10.5 W．對應的光-光轉換率為30%，斜率效率為33%．當泵浦功率超過35 W時，實驗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．為了保護激光器元件不被損壞，實驗中沒有進一步增加泵浦功率．

圖6為當重復頻率為2 kHz時，1 879 nm激光脈沖寬度與泵浦功率的關系．可見，脈沖寬度隨輸入功率的增加而減?。畧D7為重復頻率為2 kHz、泵浦功率為35 W時的脈沖輪廓，最短脈沖寬度為52.2 ns．實驗中使用PIN光電探測器(EOTET-5000)探測散射光的脈沖信號， 使用示波器(Tektronix DPO7104C)顯示脈沖波形和寬度．

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

圖7 重復頻率為2 kHz、泵浦功率為35 W時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

同時計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，當泵浦功率為35 W時，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的光束質量(M2因子)，實驗裝置如圖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，實驗中將相機安裝在一個線性導軌上，方便連續(xù)改變相機的位置．

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，并進行擬合計算，結果如圖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 語

本研究報道一種LD端面泵浦Tm∶YLF晶體聲光調Q激光器，具有結構簡單、緊湊及成本低的特點．通過合理設計諧振腔尺寸以及優(yōu)化輸入條件，實現(xiàn)中心波長為1 879 nm的線偏振激光輸出，峰值功率達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，光束質量良好．若將激光器封裝在氮氣或氬氣中，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加工、激光打標及激光醫(yī)療等領域有重要應用．