董航，劉景良，李玥，白芳，金光勇，陳薪羽

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

單LD雙端泵浦Tm：YLF激光器研究

董航，劉景良，李玥，白芳，金光勇，陳薪羽

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

高功率2μm Tm：YLF激光器在環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療衛(wèi)生等民生領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。對(duì)單LD雙端泵浦Tm：YLF激光器開展了研究。分別對(duì)晶體的摻雜濃度和長(zhǎng)度對(duì)激光輸出特性的影響進(jìn)行分析，優(yōu)化選取Tm：YLF激光晶體參數(shù)，Tm：YLF晶體摻雜原子分子數(shù)為3%，尺寸為3mm×3mm×14mm。當(dāng)輸出鏡透過(guò)率T=10%時(shí)，實(shí)現(xiàn)15.4W的激光輸出，相應(yīng)的斜率效率和轉(zhuǎn)化效率分別為32.4%和28.57%。激光中心波長(zhǎng)為1908.65nm，線寬為0.22nm。在輸出功率15W時(shí)，沿x、y方向的光束質(zhì)量分別為=1.31、=1.36，近似基模輸出。

激光技術(shù)；雙端泵浦；Tm：YLF

近年來(lái)，1.9μm Tm激光在醫(yī)療、軍事及科學(xué)研究等領(lǐng)域有著越來(lái)越重要的應(yīng)用。并且由于Tm：YLF激光晶體較低的多光子弛豫速率，可以作為獲取2μm高功率、高效率Ho激光和3～5μm光參量振蕩器（OPO）的泵浦源［1-4］。隨著激光二極管器件技術(shù)的逐漸成熟，使得泵浦的摻Tm激光器得到迅速發(fā)展，目前Tm離子已經(jīng)成為較為廣泛應(yīng)用的晶體基質(zhì)摻雜離子，如YAG、YAP和YLF晶體等［5］，尤其是Tm：YLF激光器發(fā)展極為迅速。2004年，QPeak公司的Alex Dergachev等人首次報(bào)道了用體光柵作為光譜選擇輸出耦合器的高功率連續(xù)Tm： YLF激光器的研究。該激光器最大功率超過(guò)30W，斜率效率為30%，波長(zhǎng)為1940nm，線寬為0.8nm。相較于國(guó)外，國(guó)內(nèi)的Tm激光發(fā)展也極為迅速，王天衡等人采用體光柵代替全反鏡，激光二極管泵浦Tm：YLF激光器選獲得線寬小于0.3nm的1909.5nm激光穩(wěn)定輸出，相應(yīng)的斜率效率為37.4%，光轉(zhuǎn)換效率為25.7%。目前Tm：YLF激光器可以實(shí)現(xiàn)較高功率輸出，但是由于光譜寬度較寬，且輸出穩(wěn)定性不好，泵浦Ho：YAG激光器效果不理想，進(jìn)而對(duì)3～5μm泵浦產(chǎn)生了一定的難度，如何實(shí)現(xiàn)Tm：YLF激光器窄線寬輸出是關(guān)鍵問(wèn)題。用體光柵（VBG）代替全反鏡，利用其對(duì)波長(zhǎng)的選擇作用，使Tm：YLF激光器輸出線寬變小，另外體光柵損耗小，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高功率、窄線寬輸出。

1 理論分析

首先基于Tm激光的準(zhǔn)三能級(jí)結(jié)構(gòu)，建立了相關(guān)激光器運(yùn)轉(zhuǎn)的速率方程如下：

其中，NU是激光上能級(jí)的粒子數(shù)密度，NL是激光下能級(jí)的粒子數(shù)密度，Ntotal是粒子數(shù)密度，是激光上能級(jí)非泵浦激發(fā)粒子數(shù)密度，τU為上能級(jí)壽命，γ為能級(jí)上轉(zhuǎn)換參數(shù)，n為晶體折射率，σem、σabs分別為有效發(fā)射截面和有效吸收截面。

泵浦速率：

其中，Pp是泵浦功率，ηα是泵浦吸收比例，ηQY是量子效率，hνp是泵浦光光子能量。假設(shè)晶體長(zhǎng)度l，泵浦吸收系數(shù)為α，則有

歸一化的泵浦空間分布rp對(duì)于圓形高斯光束有：

激活介質(zhì)內(nèi)激光光子場(chǎng)的空間分布用φ0表示，歸一化形式如下：

其中，Pout是激光輸出功率，lout是激活介質(zhì)的長(zhǎng)度，TOC是輸出鏡的透過(guò)率，νL為激光光子頻率，ωp、ωL分別是泵浦光和激光的束腰大小。

對(duì)以上方程進(jìn)行仿真分析，仿真使用物理參數(shù)有：有效發(fā)射截面σem為0.23×10-20cm2、有效吸收截面σabs為0.35×10-20cm2、泵浦吸收系數(shù)為1.413、泵浦光斑半徑為430μm，通過(guò)仿真模擬得到Tm晶體摻雜濃度與長(zhǎng)度對(duì)激光輸出特性的影響如圖1所示。由圖1（a）得到，泵浦功率越高，摻雜濃度越高其輸出功率的增長(zhǎng)幅度越大。這是因?yàn)閾诫s濃度越高，量子效率越高，導(dǎo)致交叉弛豫速率增加。但隨之晶體吸收系數(shù)也越大，導(dǎo)致熱負(fù)荷加重，使得晶體更易斷裂。因此在選取實(shí)驗(yàn)所用晶體時(shí)摻雜原子分子數(shù)不應(yīng)過(guò)高或過(guò)低。由圖1（b）可知，在相同泵浦條件下晶體長(zhǎng)度為12mm、14mm和16mm時(shí)，激光輸出功率較大，且斜率效率較高。

圖1 Tm晶體對(duì)激光輸出特性的影響

2 實(shí)驗(yàn)裝置及結(jié)果討論

LD端面泵浦Tm：YLF激光器實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖如圖2（a）所示，對(duì)應(yīng)的原理圖如圖2（b）所示。圖中，抽運(yùn)源LD發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)耦合透鏡f1準(zhǔn)直，半透半反鏡M1將其分成兩束，一束經(jīng)過(guò)多個(gè)45°高反鏡M2、M3、M4反射后，由聚焦透鏡f3耦合到晶體后端，距晶體端面約2mm處，另一束則直接由聚焦透鏡f2聚焦到晶體前端，距晶體前端面約2mm處。由于Tm：YLF晶體的吸收截面較小，熱應(yīng)力斷裂極限很小，為了提高Tm：YLF晶體對(duì)泵浦光的吸收，需要對(duì)其進(jìn)行雙端泵浦，以獲得高功率激光輸出，為實(shí)現(xiàn)雙端抽運(yùn)的泵浦方式，所以諧振腔設(shè)計(jì)成“L”型平凹折疊腔。

圖2 激光器實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物與原理圖

泵浦源選用美國(guó)nLight公司生產(chǎn)的激光二極管（LD），中心波長(zhǎng)為792nm，通過(guò)焦距為35mm和75mm的耦合透鏡進(jìn)入晶體，焦點(diǎn)在晶體內(nèi)2mm左右位置。結(jié)合前一節(jié)的理論分析，選用Tm：YLF晶體摻雜濃度為3.0%，尺寸為3mm×3mm×14mm，晶體兩端面平行且拋光，并鍍有792nm抗反射膜和1.9μm高透膜系。對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置中的晶體，可選用較軟且導(dǎo)熱性良好、不易氧化的銦箔包住，用銅熱沉封裝，熱沉下安裝有半導(dǎo)體制冷片TEC，通過(guò)控溫器可以對(duì)熱沉溫度進(jìn)行控制，TEC溫度設(shè)定為17℃。體光柵外形尺寸為6×6mm2，周期為645nm，厚度選定6mm，調(diào)制折射率為3.5×10-4，折射率為1.48。

基于以上的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)搭建以及測(cè)量結(jié)果分析。分別對(duì)不同輸出鏡透過(guò)率以及不同輸出鏡曲率半徑對(duì)激光輸出特性進(jìn)行了測(cè)量分析，并由此對(duì)激光的輸出波長(zhǎng)及光束質(zhì)量進(jìn)行了測(cè)量。

由圖3（a）可知，當(dāng)諧振腔物理長(zhǎng)度L=100mm、輸出鏡曲率半徑為R=200mm時(shí)，透過(guò)率分別為10%、15%和23%時(shí)條件下，當(dāng)注入功率為42.21W時(shí)，最大輸出功率分別為11.84W，11.23W和10.23W，相應(yīng)的斜率效率分別為34.42%，32.96%和31.54%，光光轉(zhuǎn)換效率分別為28.05%，26.60%和24.35%。同樣由圖3（b）可知，當(dāng)諧振腔物理長(zhǎng)度L=100mm、輸出鏡透過(guò)率為T=10%時(shí)，曲率半徑分別為200mm、 150mm和300mm，當(dāng)泵浦功率為53.9W時(shí)，激光器最大輸出功率分別為15.4W、14.16W、12.95W，相應(yīng)的斜率效率分別為32.4%、28.3%和31.1%，光光轉(zhuǎn)化效率分別為28.57%、24.03%和26.27%。綜合上述關(guān)于諧振腔參數(shù)實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)諧振腔物理長(zhǎng)度為100mm、輸出鏡曲率半徑為200mm、透過(guò)率為10%時(shí)，閾值為7W，1.9μm Tm：YLF激光輸出特性最佳。

圖3 不同輸出鏡透過(guò)率和不同曲率半徑下Tm：YLF激光輸出特性

實(shí)驗(yàn)采用YOKOGAWA公司生產(chǎn)的AQ6375光譜分析儀測(cè)量了在最高激光功率輸出的情況下Tm：YLF激光器的激光光譜，如圖4所示。激光輸出中心波長(zhǎng)為1908.65nm，相應(yīng)的激光線寬為0.22nm。實(shí)現(xiàn)了窄線寬激光輸出。

圖4 最高激光輸出功率時(shí)激光光譜圖

圖5 1.9μm激光輸出光斑及光束質(zhì)量圖

除此之外，實(shí)驗(yàn)還對(duì)1.9μm輸出激光的光斑和光束質(zhì)量進(jìn)行了測(cè)量，如圖5所示。采用Pyrocam III光束質(zhì)量分析儀對(duì)激光的光斑和光束質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量得出，在激光輸出15W時(shí)，沿x、y方向的光束質(zhì)量分別為=1.31、=1.36。經(jīng)計(jì)算激光束腰約為385μm，光束發(fā)散角為3.2mard。從2D激光光束剖面圖可以看出，此時(shí)激光輸出近似為基模輸出。

3 結(jié)論

基于Tm：YLF激光準(zhǔn)三能級(jí)速率方程組，開展了對(duì)晶體的摻雜濃度和長(zhǎng)度對(duì)激光輸出特性的影響進(jìn)行分析，理論分析和實(shí)驗(yàn)表明小尺寸Ho：YAG晶體摻雜原子分子數(shù)為0.3時(shí)，激光器效率較高。激光器輸出功率密度較大，因此散熱是關(guān)鍵問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了板條激光介質(zhì)和熱阻小的銦作為導(dǎo)熱介質(zhì)，滿足連續(xù)運(yùn)行嚴(yán)苛的工作條件。采用雙端泵浦結(jié)構(gòu)和體光柵，并最終實(shí)現(xiàn)15.4W的激光輸出，斜率效率和光光轉(zhuǎn)化效率分別為32.4%和28.57%。激光的輸出中心波長(zhǎng)為1908.65nm，0.22nm的窄線寬輸出。1.9μmTm：YLF窄線寬激光器為2μm激光器的研究打下了基礎(chǔ)。

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Laser Diode Dual-end-pumped Tm：YLF Laser

DONG Hang，LIU Jingliang，LI Yue，BAI Fang，JIN Guangyong，CHEN Xinyu
（School of Sciences，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

High power 2μm Tm：YLF laser has important applications in environmental monitoring，health care and other liveli?hood areas.And then Tm：YLF laser dual-end-pumped by laser-diode（LD）has been carried out.The effects of doping concen?tration and length of the crystal on the output characteristics of the laser were analyzed.The parameters of Tm：YLF laser crystal were optimized.The Tm：YLF crystal with the dimension of 3mm×3mm×14mm is doped with 3%Tm3+(atomic fraction).When the output mirror tranmittance is 10%，the maximum output power of 15.4W at 1.9μm obtained with 43.35W pumping power.At the same time，the slope efficiency of 32.4%and the optical to optical conversion efficiency of 28.57%are achieved.The free run?ning laser spectrum of Tm：YLF is measured by a spectrometer，the central wavelength is 1908.65nm，the linewidth is 0.22nm. When the output power is 15W，the beam quality factor figures are=1.31，=1.36.The output laser is similar to a TEM00 output.

laser technique；dual-end-pump；Tm：YLF laser

TN24，O043

A

1672-9870（2017）03-0001-04

2017-03-17

長(zhǎng)春理工大學(xué)校青年基金（XQNJJ-2014-02）

董航（1992-），女，碩士研究生，E-mail：donghangwoo@126.com