姜萌，金龍，劉暢，董淵，金光勇

（長春理工大學 物理學院，長春 130022）

近年來，可見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，同時在科學研究領(lǐng)域也具有重大的應(yīng)用需求。綠光光譜范圍內(nèi)的可見光激光器由于其獨特的優(yōu)點，在醫(yī)學、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]?？梢娂す獾膶崿F(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 Nd3+激光器進行非線性頻率轉(zhuǎn)換，是目前實現(xiàn)綠光激光較為常見的一種方案。例如2007年張恒利等人[6]設(shè)計了一種電光調(diào)Q Nd：YAG激光器，實驗中通過LBO晶體對基頻光倍頻，在1 kHz的重復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，實驗中通過三硼酸鋰（LBO）晶體對Nd：YVO4晶體的1 064 nm基頻光進行倍頻，當輸入電流為30 A時，實現(xiàn)重復頻率為20 kHz，平均功率23.5 W的532 nm激光輸出，對應(yīng)的脈沖寬度為44.3 ns。上述的實驗均需要二次非線性頻率變換過程才能獲得可見光波段的激光，然而倍頻晶體會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+無需進行非線性頻率轉(zhuǎn)換，具有可以直接輸出可見光的優(yōu)勢，其中Tb3+和Pr3+激光器因其各自的能級躍遷（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+離子能級結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，相比于Tb3+離子，Pr3+離子的四能級結(jié)構(gòu)并不是特別復雜，是目前用于直接產(chǎn)生可見激光的最成熟的稀土離子。

圖1 Pr3+能級結(jié)構(gòu)圖

迄今為止，Pr3+已經(jīng)在多個波段（523 nm，604 nm，607 nm，639 nm和720 nm）實現(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Pr：YLF進行抽運，在523 nm處達到2.9 W的輸出功率，斜率效率為72%，光-光效率為67%，該實驗雖然是歷史上最有效的報道之一，但實驗中采用的OPSL泵浦源價格昂貴，難以實現(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三種波長下，實現(xiàn)了Pr：LiYF4激光器的被動調(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式Q開關(guān)，產(chǎn)生調(diào)Q脈沖的時刻具有一定的隨機性，難以準確控制，另外，染料易變質(zhì)，需要經(jīng)常更換，輸出不穩(wěn)定，與被動調(diào)Q相比，主動調(diào)Q的優(yōu)點在于可以獲得kHz高重復頻率的巨脈沖，并且重復頻率易于控制。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的半導體激光器作為泵浦條件，研究了在20 kHz的重復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。為了更精準地描述Pr：YLF脈沖激光器內(nèi)部的運轉(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為能級壽命；l為晶體長度；Lc為諧振腔長度；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（聲光晶體寬度）；L為聲場（聲光晶體長度）；PS為聲功率。

通過龍格庫塔法對上述速率方程進行求解，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激光的能級壽命為35.7μs，因此對于Pr：YLF激光器的調(diào)Q關(guān)門時間的操作存在極限，即調(diào)Q關(guān)門時間大于能級壽命時積累的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)與等于能級壽命時的上能級反轉(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)門時間近似等于能級壽命時間。從仿真圖中可以看到在35.7μs時刻由于完全打開Q開關(guān)，導致此時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，可以觀測到上能級積累以及產(chǎn)生峰值光子的這一現(xiàn)象。根據(jù)這一仿真結(jié)果，對后續(xù)Pr：YLF調(diào)Q脈沖激光器實驗提供了理論基礎(chǔ)。

2 實驗裝置

高重頻聲光調(diào)QPr：YLF522 nm激光器的實驗裝置如圖3所示，由于Pr3+在藍光光譜范圍內(nèi)有較強的吸收峰，因此實驗中采用444 nm半導體激光器作為泵浦源，其最大輸出功率為12 W，泵浦光通過一個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99.8%的反射率，在泵浦波長處有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)是一個無涂層的a軸切割Pr：YLF晶體，尺寸為3 mm ×3 mm ×5 mm。該Pr：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，安裝在一個設(shè)定溫度為18℃的水冷銅塊中。將聲光Q開關(guān)放置在光路中來獲得高峰值功率激光，信號由聲光調(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組成的雙臺階信號，其電壓和持續(xù)時間是可控的，濾光片是用來阻擋泵浦光的。最終，輸入鏡和輸出鏡之間的腔長優(yōu)化至108 mm。

圖3 Pr：YLF聲光調(diào)Q激光器裝置示意圖

圖4 信號發(fā)生裝置波形圖

3 實驗結(jié)果與討論

首先實驗中分別研究了輸出鏡曲率半徑R=100 mm，透過率T=1.5%、2.5%、4%的522 nm綠光的連續(xù)運轉(zhuǎn)特性。實驗測量了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，當吸收功率為7.44 W時，透過率T=4%時，522 nm輸出最高功率1.273 W，此時腔長為97 mm。然后將聲光調(diào)Q晶體至于腔內(nèi)，測量了重復頻率為20 kHz時的輸出功率，同時測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，相比于無聲光調(diào)Q，其輸出功率與光學效率均有所下降，在吸收功率為5.69 W時，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晶體具有一個初始損耗，該損耗會間接地增加激光器的諧振腔損耗，繼而造成閾值升高，激光器光學效率降低，導致激光器功率下降。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，對應(yīng)的脈沖寬度為50.48 ns。此時諧振腔長度為108 mm。

圖8（a）和圖8（b）分別為重復頻率為20 kHz時的脈沖序列和最窄脈沖寬度示意圖，從圖8（a）中可以看出，實驗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，脈沖周期為50 μs。

圖8 重復頻率為20 kHz時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四能級速率方程，并對其進行了數(shù)值求解，為實驗開展提供理論依據(jù)。實驗中首先采用不同透過率的輸出鏡研究了Pr：YLF連續(xù)激光輸出特性，實驗結(jié)果表明當輸出鏡透過率T=4%時，輸出激光特性最好，輸出功率最高。在連續(xù)激光實驗獲得最佳激光參數(shù)后，進一步實現(xiàn)了聲光調(diào)Q綠光輸出，當晶體吸收功率為5.69 W、重復頻率為20 kHz時，獲得522 nm綠光輸出功率106 mW，輸出脈沖能量為5.3μJ，對應(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)果進行了對比，驗證了理論的正確性。該實驗為實現(xiàn)綠光脈沖激光輸出提供了技術(shù)基礎(chǔ)，并且對于進一步實現(xiàn)261 nm紫外脈沖激光器有重要指導意義。