单LD双端泵浦Tm：YLF激光器研究

董航，刘景良，李玥，白芳，金光勇，陈薪羽

（长春理工大学 理学院，长春 130022）

单LD双端泵浦Tm：YLF激光器研究

董航，刘景良，李玥，白芳，金光勇，陈薪羽

（长春理工大学 理学院，长春 130022）

高功率2μm Tm：YLF激光器在环境监测、医疗卫生等民生领域有着重要应用。对单LD双端泵浦Tm：YLF激光器开展了研究。分别对晶体的掺杂浓度和长度对激光输出特性的影响进行分析，优化选取Tm：YLF激光晶体参数，Tm：YLF晶体掺杂原子分子数为3%，尺寸为3mm×3mm×14mm。当输出镜透过率T=10%时，实现15.4W的激光输出，相应的斜率效率和转化效率分别为32.4%和28.57%。激光中心波长为1908.65nm，线宽为0.22nm。在输出功率15W时，沿x、y方向的光束质量分别为=1.31、=1.36，近似基模输出。

激光技术；双端泵浦；Tm：YLF

近年来，1.9μm Tm激光在医疗、军事及科学研究等领域有着越来越重要的应用。并且由于Tm：YLF激光晶体较低的多光子弛豫速率，可以作为获取2μm高功率、高效率Ho激光和3～5μm光参量振荡器（OPO）的泵浦源［1-4］。随着激光二极管器件技术的逐渐成熟，使得泵浦的掺Tm激光器得到迅速发展，目前Tm离子已经成为较为广泛应用的晶体基质掺杂离子，如YAG、YAP和YLF晶体等［5］，尤其是Tm：YLF激光器发展极为迅速。2004年，QPeak公司的Alex Dergachev等人首次报道了用体光栅作为光谱选择输出耦合器的高功率连续Tm： YLF激光器的研究。该激光器最大功率超过30W，斜率效率为30%，波长为1940nm，线宽为0.8nm。相较于国外，国内的Tm激光发展也极为迅速，王天衡等人采用体光栅代替全反镜，激光二极管泵浦Tm：YLF激光器选获得线宽小于0.3nm的1909.5nm激光稳定输出，相应的斜率效率为37.4%，光转换效率为25.7%。目前Tm：YLF激光器可以实现较高功率输出，但是由于光谱宽度较宽，且输出稳定性不好，泵浦Ho：YAG激光器效果不理想，进而对3～5μm泵浦产生了一定的难度，如何实现Tm：YLF激光器窄线宽输出是关键问题。用体光栅（VBG）代替全反镜，利用其对波长的选择作用，使Tm：YLF激光器输出线宽变小，另外体光栅损耗小，可以实现稳定的高功率、窄线宽输出。

1 理论分析

首先基于Tm激光的准三能级结构，建立了相关激光器运转的速率方程如下：

其中，NU是激光上能级的粒子数密度，NL是激光下能级的粒子数密度，Ntotal是粒子数密度，是激光上能级非泵浦激发粒子数密度，τU为上能级寿命，γ为能级上转换参数，n为晶体折射率，σem、σabs分别为有效发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。假设晶体长度l，泵浦吸收系数为α，则有

归一化的泵浦空间分布rp对于圆形高斯光束有：

激活介质内激光光子场的空间分布用φ0表示，归一化形式如下：

其中，Pout是激光输出功率，lout是激活介质的长度，TOC是输出镜的透过率，νL为激光光子频率，ωp、ωL分别是泵浦光和激光的束腰大小。

对以上方程进行仿真分析，仿真使用物理参数有：有效发射截面σem为0.23×10-20cm2、有效吸收截面σabs为0.35×10-20cm2、泵浦吸收系数为1.413、泵浦光斑半径为430μm，通过仿真模拟得到Tm晶体掺杂浓度与长度对激光输出特性的影响如图1所示。由图1（a）得到，泵浦功率越高，掺杂浓度越高其输出功率的增长幅度越大。这是因为掺杂浓度越高，量子效率越高，导致交叉弛豫速率增加。但随之晶体吸收系数也越大，导致热负荷加重，使得晶体更易断裂。因此在选取实验所用晶体时掺杂原子分子数不应过高或过低。由图1（b）可知，在相同泵浦条件下晶体长度为12mm、14mm和16mm时，激光输出功率较大，且斜率效率较高。

图1 Tm晶体对激光输出特性的影响

2 实验装置及结果讨论

LD端面泵浦Tm：YLF激光器实验装置实物图如图2（a）所示，对应的原理图如图2（b）所示。图中，抽运源LD发出的激光经过耦合透镜f1准直，半透半反镜M1将其分成两束，一束经过多个45°高反镜M2、M3、M4反射后，由聚焦透镜f3耦合到晶体后端，距晶体端面约2mm处，另一束则直接由聚焦透镜f2聚焦到晶体前端，距晶体前端面约2mm处。由于Tm：YLF晶体的吸收截面较小，热应力断裂极限很小，为了提高Tm：YLF晶体对泵浦光的吸收，需要对其进行双端泵浦，以获得高功率激光输出，为实现双端抽运的泵浦方式，所以谐振腔设计成“L”型平凹折叠腔。

图2 激光器实验装置实物与原理图

泵浦源选用美国nLight公司生产的激光二极管（LD），中心波长为792nm，通过焦距为35mm和75mm的耦合透镜进入晶体，焦点在晶体内2mm左右位置。结合前一节的理论分析，选用Tm：YLF晶体掺杂浓度为3.0%，尺寸为3mm×3mm×14mm，晶体两端面平行且抛光，并镀有792nm抗反射膜和1.9μm高透膜系。对实验装置中的晶体，可选用较软且导热性良好、不易氧化的铟箔包住，用铜热沉封装，热沉下安装有半导体制冷片TEC，通过控温器可以对热沉温度进行控制，TEC温度设定为17℃。体光栅外形尺寸为6×6mm2，周期为645nm，厚度选定6mm，调制折射率为3.5×10-4，折射率为1.48。

基于以上的实验方案进行实验搭建以及测量结果分析。分别对不同输出镜透过率以及不同输出镜曲率半径对激光输出特性进行了测量分析，并由此对激光的输出波长及光束质量进行了测量。

由图3（a）可知，当谐振腔物理长度L=100mm、输出镜曲率半径为R=200mm时，透过率分别为10%、15%和23%时条件下，当注入功率为42.21W时，最大输出功率分别为11.84W，11.23W和10.23W，相应的斜率效率分别为34.42%，32.96%和31.54%，光光转换效率分别为28.05%，26.60%和24.35%。同样由图3（b）可知，当谐振腔物理长度L=100mm、输出镜透过率为T=10%时，曲率半径分别为200mm、 150mm和300mm，当泵浦功率为53.9W时，激光器最大输出功率分别为15.4W、14.16W、12.95W，相应的斜率效率分别为32.4%、28.3%和31.1%，光光转化效率分别为28.57%、24.03%和26.27%。综合上述关于谐振腔参数实验可知，当谐振腔物理长度为100mm、输出镜曲率半径为200mm、透过率为10%时，阈值为7W，1.9μm Tm：YLF激光输出特性最佳。

图3 不同输出镜透过率和不同曲率半径下Tm：YLF激光输出特性

实验采用YOKOGAWA公司生产的AQ6375光谱分析仪测量了在最高激光功率输出的情况下Tm：YLF激光器的激光光谱，如图4所示。激光输出中心波长为1908.65nm，相应的激光线宽为0.22nm。实现了窄线宽激光输出。

图4 最高激光输出功率时激光光谱图

图5 1.9μm激光输出光斑及光束质量图

除此之外，实验还对1.9μm输出激光的光斑和光束质量进行了测量，如图5所示。采用Pyrocam III光束质量分析仪对激光的光斑和光束质量进行测量得出，在激光输出15W时，沿x、y方向的光束质量分别为=1.31、=1.36。经计算激光束腰约为385μm，光束发散角为3.2mard。从2D激光光束剖面图可以看出，此时激光输出近似为基模输出。

3 结论

基于Tm：YLF激光准三能级速率方程组，开展了对晶体的掺杂浓度和长度对激光输出特性的影响进行分析，理论分析和实验表明小尺寸Ho：YAG晶体掺杂原子分子数为0.3时，激光器效率较高。激光器输出功率密度较大，因此散热是关键问题，实验验证了板条激光介质和热阻小的铟作为导热介质，满足连续运行严苛的工作条件。采用双端泵浦结构和体光栅，并最终实现15.4W的激光输出，斜率效率和光光转化效率分别为32.4%和28.57%。激光的输出中心波长为1908.65nm，0.22nm的窄线宽输出。1.9μmTm：YLF窄线宽激光器为2μm激光器的研究打下了基础。

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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

长春理工大学校青年基金（XQNJJ-2014-02）

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