787～952 nm可调谐全固态Cr:LiSAF激光器

栾昆鹏，于　力，沈炎龙，陶蒙蒙，马连英，易爱平

(西北核技术研究所，西安710024；激光与物质相互作用国家重点实验室，西安710024)



787～952nm可调谐全固态Cr:LiSAF激光器

栾昆鹏，于力，沈炎龙，陶蒙蒙，马连英，易爱平

(西北核技术研究所，西安710024；激光与物质相互作用国家重点实验室，西安710024)

摘要：实现了X型腔全固态端面泵浦Cr:LiSAF激光器的高效率输出和宽谱调谐。斜效率最高为33.3%，在吸收泵浦功率为650 mW时，输出功率最高达160 mW。在谐振腔内插入双折射滤光片(BF)调谐，调谐范围达787～952 nm。测量了激光器的光谱、光束质量等，分析了激光器效率和调谐范围的限制因素。研究表明，X型腔全固态端面泵浦的Cr:LiSAF激光器可以实现高效的近红外宽谱调谐输出。

关键词：固体激光器；近红外；调谐激光器；Cr:LiSAF激光

近红外宽谱调谐激光器在光谱学、非线性光学、生物医学等领域有着广泛的应用[1-4]。与近红外波段较常见的宽谱调谐的Ti:Sapphire激光器相比，Cr:LiSAF激光器除具有相近的调谐范围外，还具有被动损耗小、泵浦阈值低、可用红光LD泵浦等优点[5-7]。全固态的Cr:LiSAF激光器是目前近红外宽谱调谐激光器领域的研究热点。

通常，全固态的Cr:LiSAF激光器通过在X型谐振腔内插入调谐元件-双折射滤光片(birefringentfilter，BF)来实现宽谱调谐功能[7-8]。X型腔结构的激光器具有稳定范围大、便于插入调Q和调谐等功能元件、效率高等优点。而利用BF调谐，具有插入损耗较小、调谐范围宽等优点。目前国际上全固态Cr:LiSAF激光器的泵浦阈值低至1mW[9]，斜效率最高52%[7]，调谐范围达780～1 110nm[7]。全固态Cr:LiSAF激光器可采用自锁模[10]、被动锁模[11]、主动调Q[12]、自调Q[13]等方式实现脉冲激光输出。而我国全固态Cr:LiSAF激光器在调谐范围、激光器效率等方面的研究与国际水平有一定差距，特别是没有兼顾激光器的调谐范围和效率。如我国Cr:LiSAF激光器的调谐范围最宽为785～985nm，但其光-光效率仅为7%[8]；国内斜效率最高为39%，但其调谐范围仅为783～913nm[14]。

本文实现了X型腔端面泵浦的全固态Cr:LiSAF激光器的高效率激光输出和宽谱调谐。对激光器效率和调谐范围的限制因素进行了分析，对光谱和光束质量等特性进行了研究。

1实验装置

图1为端面泵浦X型腔Cr:LiSAF激光器结构图。

图1端面泵浦X型腔Cr:LiSAF激光器结构图Fig.1Schematic diagram of the X-shaped cavity end-pumped Cr:LiSAF laser

泵浦源为671nmNd:YVO4/LBO激光器，泵浦功率0～1W可调，光束质量因子M2约为1.5，发散角约1.5mrad，偏振度超过100∶1。通过半波片调整泵浦的偏振方向，使其π偏振态入射晶体，此时晶体对泵浦光的吸收系数最大。焦距为50mm的非球面透镜将泵浦光耦合进晶体。增益介质为中心长度5mm的Cr:LiSAF晶体，其端面为双面Brewster角切割，以减小端面的反射损耗。实验测得晶体对π偏振的671nm泵浦光有89%的吸收。晶体被铟箔包裹放置在紫铜热沉中。凹面镜M1的曲率半径R1=80mm，凹面镜M2的曲率半径R2=80mm，晶体与M1和M2之间的距离分别设为L1和L2，均约为40mm，M2和M3之间的距离L3，以及M1和M4之间的距离L4均在200～300mm，这样的谐振腔设计使得谐振光的腰斑位于晶体中部，腰斑半径为30～40μm。M1和M2的离轴角θ1和θ2均约为10°，以实现谐振腔的像散补偿。M4为激光输出镜。图中BF作为调谐元件，以Brewster角插入光路中，转动BF即可实现调谐。

2实验结果与分析

2.1激光器的自由运转

在未加BF调谐时，激光器处于自由运转状态，激光器的振荡波长主要由Cr:LiSAF晶体的受激辐射截面和镜片镀膜情况决定。图2为未加BF时的激光器效率曲线，图中T为输出镜的透过率，Pth为泵浦功率阈值，η为斜效率。此时激光器镜片镀膜的高反射率区间在760～900nm，激光振荡波长约860nm。随着输出镜透过率T的增加，斜效率增大，泵浦阈值升高：在透过率T为4%时，斜效率η最高达33.3%；在透过率T为0.1%时，泵浦功率阈值Pth最低为41.1mW。激光器斜效率与文献报道中超过50%的斜效率[7]相比还有一定差距，原因是腔损耗过大，特别是镜片镀膜情况不够理想。在M2、M3后都能观察到激光光斑并测到一定的功率，这说明高反镜片对激光的反射率不够高，降低了激光器的效率。

图2不同输出镜透过率时的激光器效率曲线Fig.2Laser efficiency curves with different output couplers

2.2激光器的调谐特性

加入0.5mm厚的BF后，激光振荡波长受BF调谐。图3为激光器在吸收泵浦功率为550mW时的调谐曲线。输出镜在高反射率区间的透过率为4%～6%。镜片组1( 图3中的Mirrorset1)的镀膜为760～900nm区间高反，镜片组2(图3中的Mirrorset2)的镀膜为870～960nm区间高反。使用镜片组1，调谐范围为787～894nm，最高输出功率为138mW(840nm)；使用镜片组2，调谐范围为867～952nm，最高输出功率为132mW(890nm)。与文献报道中Cr:LiSAF激光器可实现780～1 100nm的调谐[7]相比，本文的激光器调谐范围在短波长已接近780nm，这是由晶体的自吸收效应决定的调谐下限。在长波长方向，调谐范围受限于镀膜镜片。由图3可见，在波长大于960nm时，输出镜透过率迅速增大，使得腔损耗增大以致不能起振。通过更换960～1 100nm的高反镜片，有望进一步扩展调谐范围。

图3激光调谐和输出镜透过率曲线Fig.3Laser tuning curves and transmissions of the output couplers

由图4可见，选用4%透过率的输出镜，在加入BF并调谐至860nm时，激光器的斜效率仅比自由运转时下降了0.7%，但是泵浦功率阈值增加了32mW。在吸收泵浦功率550mW时，加入BF后输出功率下降约10mW。理论上以Brewster角插入光路的BF的插入损耗为0，但是在实际调节中，BF的入射角偏差、表面污损等因素都会造成BF的插入损耗，因而插入BF会降低激光器斜效率。

图5为激光器在自由运转和BF调谐时的光谱。在自由运转时，如图5(a)所示，光谱底宽约2nm，并且在泵浦功率变化时，光谱中心会发生几纳米的漂移。在插入BF调谐时，光谱中心受BF控制并保持稳定，光谱宽度明显压缩，如图5(b)所示，半高全宽(FWHM)约为0.05nm。实验结果表明，在腔内插入BF可以有效调谐、稳频和压缩谱线宽度。

图4自由运转和BF调谐时激光斜效率对比Fig.4Comparison of laser efficiency curves taken in free running and tuning with BF

(a)Laser spectra taken in free running

(b)Laser spectra taken when tunning with BF

图6为激光器的光束质量和光斑图像。弧矢面的光束质量M2为1.15，子午面的光束质量M2为1.19。振荡模式为近TEM00模，但是光斑形状呈椭圆。这是因为谐振腔存在像散。腔内以Brewster角入射的晶体和离轴入射的凹面镜M1、M2均为像散元件。理论计算表明，M1和M2的离轴角θ1和θ2均控制为约10°时两种像散可以抵消，但是实际调节的偏差造成像散没有完全补偿，使得光斑在弧矢面和子午面有不同的光斑直径和焦点。

图6激光器输出光斑直径和典型2维光斑图像Fig.6The diameters of the output beam and typical 2D beam profile

3结论

本文研究了X型腔全固态端面泵浦的Cr:LiSAF激光器。泵浦阈值最低为41.1mW，斜效率最高为33.3%，在吸收泵浦功率为650mW时，输出功率最高达160mW。在谐振腔内插入BF调谐，调谐范围达787～952nm，光谱FWHM压缩至0.05nm。输出光斑接近基模高斯光束。激光器的效率受到了镀膜镜片损耗过大的影响，同时调谐范围在长波长方向受到了镀膜区间的限制。更换损耗更小、区间更宽的镀膜镜片，有望进一步提升激光器效率和扩展调谐范围。研究表明，X型腔全固态端面泵浦的Cr:LiSAF激光器可以作为高效的近红外宽谱调谐激光源。

参考文献

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收稿日期：2016-03-04；修回日期：2016-04-01 基金项目：激光与物质相互作用国家重点实验室基金资助项目(SKLLIM1502Z)

作者简介：栾昆鹏(1989- )，男，吉林集安人，研究实习员，硕士，主要从事激光技术及应用方面的研究。 E-mail:luankunpeng@nint.ac.cn

中图分类号：TN248.1

文献标志码：A

文章编号：2095-6223(2016)020304(4)

787-952nmTunableAll-Solid-StateCr:LiSAFLaser

LUANKun-peng,YULi,SHENYan-long,TAOMeng-meng,MALian-ying,YIAi-ping

Abstract:(Northwest Institute of Nuclear Technology,Xi’an710024，China；State Key Laboratory of Laser Interaction with Matter,Xi’an710024,China)

Abstract:Anall-solid-stateX-shapedcavityend-pumpedCr:LiSAFlaserwithhighefficiencyandwidetuningrangeisdemonstrated.Theslopeefficiencyisashighas33.3%andtheoutputpoweris160mWwithabsorbedpumppowerof650mW.Thetuningrangeis787-952nmwhenabirefringentfilter(BF)isinsertedinthecavityasthetuningelement.OutputlaserpropertiessuchasspectraandM2aremeasured.Thelimitationsoftheefficiencyandtuningrangearediscussed.TheresultsindicatethattheCr:LiSAFlasercouldbeahighefficiencyandwidelytunablenear-infraredlasersource.

Key words:solid-state laser；near infrared；tunable laser；Cr:LiSAF laser