鐘玉龍,程庭清

(1中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院健康與醫(yī)學技術(shù)研究所,安徽 合肥 230031;2中國科學技術(shù)大學,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、激光雷達、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、良好的機械強度和熱穩(wěn)定性等特點[7]。Tm3+間的交叉弛豫過程(3H4+3H6→23F4)使Tm:YAG具有較高的量子效率[8]。Tm:YAG晶體上能級壽命較長,接近10 ms[9],有利于其在調(diào)Q運行中的高能量存儲。此外,Tm:YAG在785 nm附近有較強的吸收峰,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),也稱為Q開關(guān)技術(shù)。按諧振腔內(nèi)的損耗控制方式,調(diào)Q技術(shù)可分為主動調(diào)Q和被動調(diào)Q。與主動調(diào)Q相比,被動調(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。常見的主動調(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有更快的開關(guān)速度,高的穩(wěn)定性和可控性,有助于實現(xiàn)更短的激光脈沖及更高的效率。

2015年,Liu等[13]報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開關(guān),Tm:LuAG激光器在重復(fù)頻率為50 Hz時,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]進行了LD連續(xù)泵浦Tm:YAG板條RTP電光調(diào)Q激光器的實驗研究。Tm:YAG板條激光器在重復(fù)頻率為1 kHz時,獲得的最大脈沖能量為7.5 mJ,最窄脈沖寬度為58 ns,對應(yīng)的斜效率達到21.7%。2018年,Guo等[15]報道了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開關(guān),報道了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激光器還未能實現(xiàn)高脈沖能量和高峰值功率的激光輸出。

本文使用兩個相同的Tm:YAG晶體棒串接作為增益介質(zhì),LGS晶體作為電光Q開關(guān),中心波長為785 nm的LD陣列進行側(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 實驗裝置

LD側(cè)面泵浦Tm:YAG電光調(diào)Q實驗裝置如圖1所示。實驗中采用線性腔結(jié)構(gòu)以減少光學元件,使激光器結(jié)構(gòu)緊湊、易于調(diào)整。激光諧振腔長度為295 mm,其由兩個平面鏡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實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of LD side pumped EO Q-switched Tm:YAG laser

使用LGS晶體作為電光Q開關(guān)。LGS是近年來備受關(guān)注的新型電光晶體材料,其電光系數(shù)相對較小,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、物理化學特性穩(wěn)定等優(yōu)點,是較為理想的電光調(diào)Q晶體。實驗采用退壓式電光調(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,沒有鍍膜,實驗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)由兩個獨立的LD側(cè)面泵浦模塊串接而成,每個泵浦模塊由3組LD陣列組成,LD陣列呈120°均勻放置在Tm:YAG晶體棒周圍。采用兩個相同的側(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,同時減小在高重復(fù)頻率下熱透鏡效應(yīng)的影響。單個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)動的LD陣列中心發(fā)射波長為785 nm,單個泵浦模塊的峰值功率為3600 W。在工作頻率為10 Hz時,泵浦脈寬為1 ms,單個脈沖的最大注入能量為7.2 J。實驗中采用水冷方式,利用去離子水對激光系統(tǒng)進行散熱,水冷機溫度控制在18°C,控制精度為±0.2°C。

2 實驗結(jié)果及分析

實驗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,在10 Hz情況下,測得的調(diào)Q運轉(zhuǎn)下激光器輸出能量和脈沖寬度隨泵浦能量的變化曲線如圖2所示。當單脈沖注入能量,在5.75 J范圍內(nèi),激光輸出能量隨泵浦能量線性增加,脈沖寬度也呈下降趨勢。當泵浦能量為5.96 J時,獲得的輸出能量為52 mJ、脈沖寬度為70 ns,未見拖尾現(xiàn)象。但繼續(xù)增加泵浦能量時,測得的脈沖如圖3所示,由圖可見出現(xiàn)了拖尾脈沖,繼續(xù)增加注入能量,拖尾現(xiàn)象愈加嚴重,同時發(fā)現(xiàn)前面脈沖的寬度不發(fā)生變化,此時測得的激光能量雖有增加,但均為尾脈沖貢獻。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輸出能量和脈寬隨泵浦能量的變化曲線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,在10 Hz情況下,測得的調(diào)Q運轉(zhuǎn)下激光器輸出能量和脈沖寬度隨泵浦能量的變化曲線如圖4所示。輸出能量隨泵浦能量線性增加,當泵浦能量為7.2 J時,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。測得的脈沖如圖5所示?？梢杂^察到輸出激光脈沖形狀下降沿光滑,無拖尾現(xiàn)象。由于受到LD泵浦源最大功率的限制,沒有繼續(xù)增加注入能量。

圖4 格蘭棱鏡作為起偏器時輸出能量和脈寬隨泵浦能量變化曲線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

由以上實驗可以看出:白寶石堆片作為起偏器時,如脈寬壓縮到70 ns,會有明顯的尾脈沖出現(xiàn),限制了激光能量進一步提高,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到52 mJ(美國Coherent J-50MB-IR),脈沖寬度為70 ns(波蘭VIGO PVI-2TE-10.6),峰值功率達到0.74 MW,斜效率達到10.02%。而格蘭棱鏡作為起偏器時無尾脈沖,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到60 mJ(美國Coherent J-50MB-IR),脈沖寬度為63.5 ns(波蘭VIGO PVI-2TE-10.6),峰值功率達到0.91 MW,斜效率達到5.4%?？梢姼裉m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是準三能級結(jié)構(gòu),其能級結(jié)構(gòu)躍遷示意圖如圖6所示,Tm:YAG上能級存在弛豫過程,上能級儲存的能量不是一次性釋放出來,而是經(jīng)過一次快速釋放以后,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,實測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)達不到起偏條件,有利于抑制尾脈沖的產(chǎn)生。

圖6 Tm:YAG能級結(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LD泵浦Tm:YAG電光調(diào)Q激光器的輸出特性進行了實驗研究。用格蘭棱鏡作為起偏器時,輸出激光的中心波長為2.02 μm。調(diào)Q運轉(zhuǎn)時,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,峰值功率達到0.94 MW,斜效率達到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。