LD侧面泵浦Tm:YAG电光调Q激光的实验研究

钟玉龙,程庭清

(1中国科学院合肥物质科学研究院健康与医学技术研究所,安徽 合肥 230031;2中国科学技术大学,安徽 合肥 230026)

0 引言

2 μm波段位于近红外大气窗口、水的吸收峰处和人眼安全区,所以在环境监测、激光雷达、医疗手术、材料加工等领域有着广泛的应用[1-4]。高峰值功率的2 μm激光器也是3～5 μm光参量振荡器(OPO)的理想泵浦源[5,6]。Tm:YAG晶体是2 μm波长固体激光器的理想介质,具有较宽的吸收和发射光谱、良好的机械强度和热稳定性等特点[7]。Tm3+间的交叉弛豫过程(3H4+3H6→23F4)使Tm:YAG具有较高的量子效率[8]。Tm:YAG晶体上能级寿命较长,接近10 ms[9],有利于其在调Q运行中的高能量存储。此外,Tm:YAG在785 nm附近有较强的吸收峰,可以被商业化的高功率785 nm激光二极管(LD)直接泵浦[10]。

为了获得高峰值功率、高脉冲能量和窄脉冲宽度的2 μ m激光器,最常用的方法是调Q技术,也称为Q开关技术。按谐振腔内的损耗控制方式,调Q技术可分为主动调Q和被动调Q。与主动调Q相比,被动调Q的可控性较差,获得的脉冲激光能量较低,脉宽在几百ns甚至μs量级。常见的主动调Q有电光调Q、声光调Q等。由于声光调Q的调制深度(约80%)不足,得到的激光脉冲宽度通常大于100 ns[11,12]。相比之下,电光调Q有更快的开关速度,高的稳定性和可控性,有助于实现更短的激光脉冲及更高的效率。

2015年,Liu等[13]报道了二极管泵浦的电光调QTm:LuAG激光器。他们使用LiNbO3(铌酸锂)晶体作为电光Q开关,Tm:LuAG激光器在重复频率为50 Hz时,输出的最大单脉冲能量为2.5 mJ,脉冲宽度为88 ns。2016年Jin等[14]进行了LD连续泵浦Tm:YAG板条RTP电光调Q激光器的实验研究。Tm:YAG板条激光器在重复频率为1 kHz时,获得的最大脉冲能量为7.5 mJ,最窄脉冲宽度为58 ns,对应的斜效率达到21.7%。2018年,Guo等[15]报道了LD翼泵浦Tm:LuAG晶体的电光调Q激光器,铌酸锂(LN)晶体作为电光Q开关,Tm:LuAG激光器在100 Hz的重复频率下,获得的最大单脉冲能量为10.8 mJ,脉冲宽度为52 ns。2019年,Ma等[16]使用LGS(硅酸镓镧)晶体作为电光Q开关,报道了LD端面泵浦Tm:YAP晶体的电光调Q激光器,该激光器可以工作在高达200 kHz的重复频率下,输出的脉冲宽度为5.52 ns,平均输出功率为2.79 W。因此,电光调QTm激光器还未能实现高脉冲能量和高峰值功率的激光输出。

本文使用两个相同的Tm:YAG晶体棒串接作为增益介质,LGS晶体作为电光Q开关,中心波长为785 nm的LD阵列进行侧面泵浦,白宝石堆片和格兰棱镜分别作为起偏器,研究了不同起偏方式下Tm:YAG激光器的输出特性。

1 实验装置

LD侧面泵浦Tm:YAG电光调Q实验装置如图1所示。实验中采用线性腔结构以减少光学元件,使激光器结构紧凑、易于调整。激光谐振腔长度为295 mm,其由两个平面镜M1、M2构成,其中M1表面镀有2.02 μm激光全反膜,M2为激光谐振腔的输出镜,表面镀有2.02 μm激光部分透射膜,透射率为60%。

图1 LD侧面泵浦Tm:YAG电光调Q实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of LD side pumped EO Q-switched Tm:YAG laser

使用LGS晶体作为电光Q开关。LGS是近年来备受关注的新型电光晶体材料,其电光系数相对较小,为2.3×10-12m/V;光损伤阈值高,为950 MW/cm2;透射光谱范围宽。LGS具有不吸湿、物理化学特性稳定等优点,是较为理想的电光调Q晶体。实验采用退压式电光调Q,工作电压设置为5500 V。起偏器分别采用白宝石堆片和格兰棱镜。白宝石堆片由两片白宝石片组成,片与片之间间隙约为1 mm,表面光洁度为40/20,没有镀膜,实验中以布儒斯特角插入谐振腔内。格兰棱镜的材料为α-BBO(偏硼酸钡),棱镜的输入、输出表面镀有保护膜,光洁度为40/20,棱镜间隙面未镀膜。激光泵浦系统由两个独立的LD侧面泵浦模块串接而成,每个泵浦模块由3组LD阵列组成,LD阵列呈120°均匀放置在Tm:YAG晶体棒周围。采用两个相同的侧泵泵浦模块串接,同步输出,从而提高激光的泵浦功率,提高增益,同时减小在高重复频率下热透镜效应的影响。单个Tm:YAG晶体棒尺寸为Φ3 mm×70 mm,其中Tm3+的掺杂浓度为3.5 at%,晶体棒两端镀有2.02 μm的增透膜(T＞99.5%)。脉冲激光电源驱动的LD阵列中心发射波长为785 nm,单个泵浦模块的峰值功率为3600 W。在工作频率为10 Hz时,泵浦脉宽为1 ms,单个脉冲的最大注入能量为7.2 J。实验中采用水冷方式,利用去离子水对激光系统进行散热,水冷机温度控制在18°C,控制精度为±0.2°C。

2 实验结果及分析

实验研究了不同起偏方式下Tm:YAG激光器的输出特性。用白宝石堆片作为起偏器时,在10 Hz情况下,测得的调Q运转下激光器输出能量和脉冲宽度随泵浦能量的变化曲线如图2所示。当单脉冲注入能量,在5.75 J范围内,激光输出能量随泵浦能量线性增加,脉冲宽度也呈下降趋势。当泵浦能量为5.96 J时,获得的输出能量为52 mJ、脉冲宽度为70 ns,未见拖尾现象。但继续增加泵浦能量时,测得的脉冲如图3所示,由图可见出现了拖尾脉冲,继续增加注入能量,拖尾现象愈加严重,同时发现前面脉冲的宽度不发生变化,此时测得的激光能量虽有增加,但均为尾脉冲贡献。因此在白宝石堆片条件下,激光器输出的最大单脉冲能量为52 mJ,最小的脉冲宽度为70 ns,对应的峰值功率和斜效率分别为0.74 MW、10.02%。

图2 白宝石堆片作为起偏器时输出能量和脉宽随泵浦能量的变化曲线Fig.2 The output energy and pulse width vary with pump energy when Sapphire is used as polarizer

图3 白宝石堆片作为起偏器时输出的脉冲具有尾脉冲,输出主脉冲宽度为70 nsFig.3 The output pulse with a tail pulse when Sapphire is used as polarizer and main pulse width is 70 ns

用格兰棱镜作为起偏器时,在10 Hz情况下,测得的调Q运转下激光器输出能量和脉冲宽度随泵浦能量的变化曲线如图4所示。输出能量随泵浦能量线性增加,当泵浦能量为7.2 J时,获得的最大输出能量为60 mJ,脉宽为65.6 ns,峰值功率为0.91 MW,对应的斜效率为5.41%。随着泵浦能量增加,输出能量继续增加,脉冲宽度逐渐减小。测得的脉冲如图5所示。可以观察到输出激光脉冲形状下降沿光滑,无拖尾现象。由于受到LD泵浦源最大功率的限制,没有继续增加注入能量。

图4 格兰棱镜作为起偏器时输出能量和脉宽随泵浦能量变化曲线Fig.4 The output energy and pulse width vary with pump energy when Glan prism is used as polarizer

图5 格兰棱镜作为起偏器时的输出脉冲,脉宽为65.6 nsFig.5 The output pulse when Glan prism is used as polarizer and pulse width is 65.6 ns

由以上实验可以看出:白宝石堆片作为起偏器时,如脉宽压缩到70 ns,会有明显的尾脉冲出现,限制了激光能量进一步提高,获得的最佳输出为:重复频率为10 Hz情况下,最大单脉冲输出能量达到52 mJ(美国Coherent J-50MB-IR),脉冲宽度为70 ns(波兰VIGO PVI-2TE-10.6),峰值功率达到0.74 MW,斜效率达到10.02%。而格兰棱镜作为起偏器时无尾脉冲,在此基础上增加注入能量,重复频率为10 Hz的情况下,获得最大单脉冲输出能量达到60 mJ(美国Coherent J-50MB-IR),脉冲宽度为63.5 ns(波兰VIGO PVI-2TE-10.6),峰值功率达到0.91 MW,斜效率达到5.4%。可见格兰棱镜条件下的激光阈值较高,斜效率低于白宝石堆片。出现这一现象的主要原因是:Tm:YAG是准三能级结构,其能级结构跃迁示意图如图6所示,Tm:YAG上能级存在弛豫过程,上能级储存的能量不是一次性释放出来,而是经过一次快速释放以后,存留了一部分能量到尾脉冲中。而白宝石堆片和格兰棱镜的消光比和透射率不同,实测白宝石堆片的消光比为50:1,透射率为99.01%;而格兰棱镜的消光比为266:1,透射率为79.82%;与白宝石堆片相比,格兰棱镜的消光比更大、损耗更大、阈值更高,弛豫的反转粒子数达不到起偏条件,有利于抑制尾脉冲的产生。

图6 Tm:YAG能级结构跃迁示意图Fig.6 Energy-level transition diagram of Tm:YAG

3 结论

采用不同起偏器对LD泵浦Tm:YAG电光调Q激光器的输出特性进行了实验研究。用格兰棱镜作为起偏器时,输出激光的中心波长为2.02 μm。调Q运转时,在重复频率为10 Hz情况下,获得的激光脉冲最大输出能量为60 mJ,输出脉冲宽度为63.5 ns,峰值功率达到0.94 MW,斜效率达到5.4%。结果表明,格兰棱镜作为起偏元件、LGS晶体作为电光Q开关的组合在一定程度上提高了Tm:YAG调Q激光器的输出能量,能产生窄脉宽、高能量的2 μm激光脉冲。