百千瓦级高峰值功率Tm∶YLF激光器

任席奎，裴继红，阮双琛

1)深圳大学电子与信息工程学院，广东深圳 518060；2)深圳市激光工程重点实验室，先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室，深圳大学物理与光电工程学院，广东深圳 518060

工作波长在2 μm附近的激光在医学、遥感、激光雷达与中红外激光产生等领域具有广泛应用．在医学上，2 μm激光可用作激光手术刀，具有对人体组织穿透深度浅，手术精度高的特点[1]；在遥感方面，2 μm激光可用于测量大气中水蒸汽与CO2含量，用相干多普勒雷达测量风切变与风速[2]；2 μm 波段激光对大气和烟雾穿透能力强，适合应用于激光测距与激光雷达领域；2 μm激光也适合作为抽运源，通过光参量振荡器(optical parametric oscillator, OPO)方式产生中红外激光(3～5、 8～12 μm)[3-4]．

与光纤激光器相比，固体激光器具有光束质量好和峰值功率高等特点．近年来，国内外科学家围绕2 μm波段激光器展开大量研究．YAO等[5]报道一种InGaAs/GaAs作为可饱和吸收体的被动调Q Tm∶YAP激光器，实现1 940～1 964 nm的宽波段调谐，产生激光的最短脉宽为447 ns, 最大单脉冲能量为28.1 μJ．李哲等[6]实现480 mJ的电光调Q Cr,Tm,Ho∶YAG激光器的2 μm输出，脉冲宽度80 ns，但其采用闪光灯泵浦方式，光束质量难以保证．FAORO等[7]利用Cr2+∶ZnS作为可饱和吸收体，在Tm∶YLF激光器中获得脉宽14 ns，峰值功率65 kW的1 900 nm波段输出．FENG等[8]采用Tm∶LSO晶体作为增益介质，通过被动调Q方式实现脉宽7.8 μs、单脉冲能量14 μJ的2 038 nm激光输出．HOU等[9]采用石墨烯可饱和吸收镜，获得脉宽为735 ns、单脉冲能量为8.5 μJ、平均功率为362 mW的2 μm激光输出．欧阳德钦等[10]采用光纤激光器实现平均功率100 W 的脉冲激光输出，但由于重复频率过高，峰值功率仅为12.3 kW．SEBBAG等[11]报道采用Cr∶ZnS作为可饱和吸收体的Tm∶YAP被动调Q激光器，获得波长为1 935 nm、脉冲宽度为35.8 ns、单脉冲能量为1.85 mJ的脉冲激光输出．LIU等[12]使用LiNbO3电光调制，实现脉宽为107.4 ns、重复频率为200 Hz、单脉冲能量为1.65 mJ，峰值功率为15.4 kW的2 μm波段激光输出．SHEINTOP等[13]报道一种高峰值功率窄线宽可调谐的声光调Q Tm∶YLF激光器，峰值功率可达53.2 kW．由以上研究结果可见，有关2 μm脉冲激光器的研究主要集中在不同脉冲激光调制方式，以及不同增益晶体方面，以实现2 μm波段更短的脉冲宽度与更高峰值功率激光输出．但由于2 μm波段激光对水汽的吸收强烈，高峰值功率可能导致光学零件的损坏．因此，室温下实现2 μm的高峰值功率激光输出并不容易，鲜有报道在室温条件下，仅通过振荡器实现峰值功率超过100 kW 的2 μm脉冲激光输出．

本研究在室温条件下，采用激光端面泵浦Tm∶YLF 晶体，通过合理的腔型设计，实现峰值功率100 kW 的1 879 nm激光输出，对应脉宽为52.2 ns，重复频率为2 kHz，最大平均输出功率为10.5 W，斜率效率为33%，光-光转换效率为30%，x和y方向M2因子分别为1.51和1.71．所研制激光器具有高的峰值功率与良好的光束质量，有望用于透明塑料的精细加工、激光医疗以及激光打标等领域．

1 实验装置

图1为Tm∶YLF激光器的实验装置示意图．为确保激光具有较高的光束质量，实验采用端面泵浦方式，二极管激光器(laser diode, LD)的最大泵浦功率为120 W，中心波长为793～796 nm，其工作波长可以随着温度的调节而变化(0.3 nm/℃)．通过仔细调节工作温度，实现LD输出波长与Tm∶YLF的吸收谱相匹配，从而实现最大转换效率．LD通过纤芯直径为200 μm的多模光纤(NA=0.22)输出，并将其耦合至1.0∶1.5的扩束器中，经扩束器出来的泵浦光汇聚至Tm∶YLF晶体中心，此时泵浦光光斑直径约为300 μm．图1中的M1、M2与M3分别为激光器的泵浦镜、45°二色镜与输出镜，均为厚度3 mm、直径20 mm的JGS1石英玻片．其中，M1为平凹镜，双面均对792～796 nm高透(透射率T>95%)， 凹面(曲率半径为200 mm)镀有1 850～2 000 nm的增反膜(反射率R>99.9%)； M2朝向谐振腔的一面镀有1 850～2 000 nm的增反膜(R>99.9%)； M3凹面(曲率半径为200 mm)镀有1 850～2 000 nm的部分透射膜，实验采用透射率T分别为10%和15%的2种输出镜．Tm∶YLF晶体是σ偏振的a轴晶体，是激光器的工作物质，Tm3+掺杂质量分数为2%，晶体尺寸为3 mm×3 mm×20 mm， 两端镀有对792～796 nm和1 850～2 000 nm的增透膜(R>99.9%)． 声光Q开关两端镀有对792～796 nm和1 850～2 000 nm的增透膜(R>99.9%)， 频率能在1～100 kHz调节，用50 W的电源驱动．为了抑制腔内的热透镜效应，必须对晶体与声光Q开关晶体散热．Tm∶YLF晶体用厚度为0.1 mm的铟片包裹，置于紫铜热沉上，紫铜热沉与声光晶体经循环水致冷，用恒温水箱将温度控制在20 ℃．实验在室温下进行，实验室相对湿度约45%．经计算，将激光器的腔长设计为50 mm，M2与M3的距离为95 mm．

2 结果及分析

研究不同输出耦合镜下的激光器输出表现．采用T=10%的输出耦合镜，当输入功率为2.84 W时，开始出现1 879 nm的激光输出，即起振阈值为2.84 W；采用T=15%的输出耦合镜，当输入功率为2.93 W时，出现激光输出，即起振阈值为2.93 W．图2分别为T=10%与T=15%时，输出激光功率与泵浦功率的关系曲线．可见，产生激光的最大输出功率分别为9.5 W和10.6 W，光-光转换率分别为27.1%和30.28%．因此，采用T=15%的输出耦合镜能够实现更高的输出功率与转换效率，实验采用T=15%的输出耦合镜．

调Q激光器的重复频率与输出激光的脉冲宽度、峰值功率密切相关，因此，实验研究输入功率为35 W时，不同重复频率对脉宽的影响，结果如图3．可见，输出激光脉宽随重复频率的增加而增大．为获得更短的输出脉宽，并兼顾保护激光器器件，最终将激光器的脉冲宽度设定为2 kHz．

图3 输入功率35 W时，输出激光的脉冲宽度与重复频率的关系Fig.3 Relationship between the pulse width and the repetition frequency at the input power of 35 W

图4 连续激光与调Q激光的输出光谱Fig.4 Output spectra of continuous laser and Q-switched laser

当输入功率为35 W时， 使用光谱仪(NIRQuest 256-2.5, 测量范围900～2 500 nm)测量激光器的输出光谱，如图4．可见，在连续工作模式下，输出激光的中心波长为1 901 nm；调Q状态下输出的中心波长为1 879 nm，谱线宽度为0.79 nm．调Q激光的中心波长相对于连续激光发生蓝移，这是由声光Q开关工作时引入的额外损耗造成的．

图5 重复频率为2 kHz时，1 879 nm激光的平均输出功率与泵浦功率的关系Fig.5 The relationship between average output power and pump power at a repetition rate of 2 kHz

图5为调Q重复频率为2 kHz时，1 879 nm激光的平均输出功率随泵浦功率的变化情况．可见，脉冲激光的平均输出功率整体随着泵浦功率的提高线性增加，当泵浦功率为35 W时，获得最大输出功率10.5 W．对应的光-光转换率为30%，斜率效率为33%．当泵浦功率超过35 W时，实验中听到明显的水汽声音，说明激光器的峰值功率过高，已经和空气中的水汽产生作用，若将环境湿度降低，可获得更高功率的输出．为了保护激光器元件不被损坏，实验中没有进一步增加泵浦功率．

图6为当重复频率为2 kHz时，1 879 nm激光脉冲宽度与泵浦功率的关系．可见，脉冲宽度随输入功率的增加而减小．图7为重复频率为2 kHz、泵浦功率为35 W时的脉冲轮廓，最短脉冲宽度为52.2 ns．实验中使用PIN光电探测器(EOTET-5000)探测散射光的脉冲信号， 使用示波器(Tektronix DPO7104C)显示脉冲波形和宽度．

图6 重复频率为2 kHz时，1 879 nm激光脉冲宽度与泵浦功率的关系Fig.6 The relationship between pulse width and pump power at a repetition rate of 2 kHz

图7 重复频率为2 kHz、泵浦功率为35 W时的脉冲波形与脉冲宽度Fig.7 (Color online) Pulse shape and pulse width at repetition frequency of 2 kHz and pump power of 35 W

同时计算了不同泵浦功率下的输出激光峰值功率，如图8．可见，激光器的峰值功率随着泵浦功率的提高基本呈线性增加，当泵浦功率为35 W时，获得最大峰值功率为100.2 kW．

图8 输出激光的峰值功率随泵浦功率的变化Fig.8 The peak power of the output laser versus the pump power

使用本课题组自行搭建装置测试输出激光光束在最高功率时的光束质量(M2因子)，实验装置如图9．其中，透镜L1与L2的焦距分别150 mm与350 mm；M4为反射镜；M5和M6为反射式衰减片；格兰泰勒棱镜用来连续改变进入探测器的功率．使用光束分析仪(Pyrocam IIIHR)连接电脑来观测光斑形状，实验中将相机安装在一个线性导轨上，方便连续改变相机的位置．

图9 测试M2因子的装置Fig.9 (Color online) Experimental setup for testing M2 factor

图10 光束在不同位置处的光束半径与光斑形状Fig.10 (Color online) Beam radius and spot shape at different positions

测得沿光束传播方向上不同位置的光斑宽度，并进行拟合计算，结果如图10．x和y方向上的M2因子值分别为1.51和1.71， 光学不对称性为1.13，说明该激光器在最高输出功率下仍具有较好的光束质量．最后，利用格兰泰勒棱镜测试输出光的偏振特性，其消光比接近1，说明输出激光为线偏振光．

结 语

本研究报道一种LD端面泵浦Tm∶YLF晶体声光调Q激光器，具有结构简单、紧凑及成本低的特点．通过合理设计谐振腔尺寸以及优化输入条件，实现中心波长为1 879 nm的线偏振激光输出，峰值功率达100.2 kW，最短脉冲宽度为52.2 ns，斜率效率为33%．输出激光在x和y方向的M2因子分别为1.51和1.71，光束质量良好．若将激光器封装在氮气或氩气中，以隔绝空气中的水汽，有望获得更高的输出峰值功率．所研制激光器在塑料精细加工、激光打标及激光医疗等领域有重要应用．