紧凑高效型百瓦级2 μm 棒状Tm∶YAG 激光器

吴健宏，杜仕峰，高 昀，王海龙，陈玲芝，王志超，薄 勇，崔大复，彭钦军

（1.中国科学院理化技术研究所 固体激光重点实验室，北京 100190；2.中国科学院理化技术研究所 功能晶体与激光技术重点实验室，北京 100190；3.中国科学院大学，北京 100049；4.齐鲁中科光物理与工程技术研究院，山东 济南 250000）

1 引言

2 µm 激光具有高人眼安全性且位于水分子及CO2吸收峰附近，该波段的高功率激光器可广泛应用于差分吸收激光雷达、微创医疗手术、大气环境检测以及材料加工等领域[1-4]。此外，2 µm 激光还可以作为可靠的光学参量振荡器（OPO）泵浦源，直接产生中远红外波段激光[5-6]。除了兼顾高功率激光输出外，许多应用对激光系统轻小化和可靠性的需求不断提高，因此，结构紧凑、近室温工作的高功率2 µm 激光器有助于推动其在相关领域的应用。

激光二极管（LD）侧面泵浦棒状增益介质具有结构简单、热分布均匀、吸收效率高等优点[7]，因此是研制紧凑型高功率激光器的理想方案之一。基于Tm3+离子掺杂晶体的3F4-3H6辐射跃迁可直接获得2 µm 激光输出[8]。在众多基质晶体材料的选择中，Tm∶YAG 具有较高的热导率和良好的机械性能，有利于实现激光器高功率稳定运转[9]。此外，Tm∶YAG 制备工艺成熟，加工成本低，有利于大规模生产从而满足激光器广泛应用的需求。Tm∶YAG 晶体的吸收带位于785 nm 附近，与商用LD 的发射波长相匹配。其高效的交叉弛豫过程可以迅速积累上能级粒子数，使其成为近室温下直接产生2 µm 激光的理想增益介质[10]。目前，国内外报道的侧面泵浦棒状Tm∶YAG 激光器输出功率已经达到了百瓦级水平[11-14]。2002 年，Lai等[12]设计了一种复合抛物面聚光器（CPC），通过波长为785 nm 的三个LD 阵列对棒状Tm∶YAG 晶体进行侧面泵浦，并利用单个激光模块搭建了谐振腔长度为125 mm 的平平腔。在晶体冷却温度为-10 ℃时，该激光器最终实现了150 W 的激光输出，中心波长为2.02 µm，光-光转换效率达16.3%，在输出功率为135 W 的条件下，平均光束质量因子M2为34。为了实现百瓦级激光输出，单个激光模块的Tm∶YAG 激光器需要在低冷却温度下运转，然而该温度下晶体端面容易结霜并损伤光学膜层，从而降低了激光器的可靠性。因此，研究人员开始探索多个激光模块串接的方法，以实现近室温下的高功率激光输出。2013 年，中国科学院理化技术研究所团队报道了一种三个侧面泵浦Tm∶YAG 激光模块串接的激光器，其谐振腔长度为615 mm。在8 ℃的冷却温度下，最终实现了267 W 的2.07 µm 连续波激光输出，光-光转换效率达20.7%，斜率效率为29.8%，平均光束质量因子M2为25.4[14]。然而，多个激光模块串接的高功率Tm∶YAG 激光器结构相对复杂，需要外接多台水冷机和驱动电源，导致系统体积庞大，实用性受限。

限制Tm∶YAG 激光器在室温下实现高功率输出的主要因素在于Tm3+的准三能级结构，其下能级粒子数分布会随温度升高而增加，导致重吸收损耗也显著增加[15]，所以需要借助强泵浦方式获得更多的粒子数反转。除此之外，设计结构紧凑的激光器还必须应对高强度泵浦引起的晶体热效应，以及可能导致晶体碎裂的问题，这对热管理措施提出了更高的要求。因此，在棒状Tm∶YAG激光器研究中，实现近室温下的高功率激光输出并保持系统结构紧凑仍然面临着挑战。

本文报道了一种近室温运转、结构简单紧凑的百瓦级棒状Tm∶YAG 激光器。通过光线追迹法模拟了泵浦光在晶体内的分布，并据此优化了三向侧面泵浦的激光模块结构，提高了晶体内泵浦光的功率密度。模块选用了低掺杂浓度双端键合的Tm∶YAG 晶体棒以降低重吸收损耗并减缓热透镜效应。激光器的谐振腔采用平平对称短腔结构，该结构腔内往返损耗和衍射损耗低，其几何腔长仅88 mm。在冷却温度为12 ℃条件下，实现了最大功率119 W 的2.02 µm 激光输出，光-光转化效率和斜率效率分为别19.6%和32.7%。在最大输出功率条件下，功率波动小于1%，测得的平均光束质量因子M2＜21.5。

2 实验装置与理论分析

图1 为三向侧面泵浦Tm∶YAG 激光模块横截面示意图。该激光模块尺寸为78 mm×103 mm×100 mm，由陶瓷漫反射器、Tm∶YAG 晶体棒、石英玻璃管、LD 阵列组成。Tm∶YAG 晶体棒的直径为3 mm，总长度为74 mm，端面均镀对2.02 µm 增透膜。其中晶体棒两端通过扩散键合技术键合了19 mm 未掺杂的YAG，掺杂区域为36 mm。该设计可以有效降低晶体棒内部的热梯度差，从而减缓由折射率梯度变化引起的热透镜效应[16]。Tm3+的掺杂浓度为3%，对于Tm3+的准三能级系统，较低掺杂有利于减少上转换发光和重吸收损耗，从而降低激光器的阈值。与此同时，低吸收系数在紧凑的侧面泵浦结构中有助于实现均匀的泵浦光吸收，进而改善晶体棒的热效应。晶体棒放置在玻璃管的中心并通过冷却水进行冷却。三个LD阵列通过铜热沉连接控温，并且间隔120°对称放置在一个特质陶瓷反射器外侧。该激光模块利用一个水冷机同时对LD 阵列和Tm∶YAG 晶体进行冷却。实验中的LD 阵列和晶体的冷却水流量通过实验优化后分别设定为4.5 L/min 和8 L/min，冷却温度为（12±0.2）℃，确保水流迅速带走热量。在该温度下，LD 阵列的中心波长在最大驱动电流时为780.5 nm，发射谱线的半峰全宽（FWHM）约为1.7 nm，匹配了Tm∶YAG 较宽的吸收带[17]。陶瓷反射器内表面对泵浦光的反射率＞97%，泵浦光通过反射器上37 mm 长、3 mm 宽的狭缝入射，经过玻璃棒和冷却水折射的补偿照射到晶体棒表面。未被吸收的泵浦光经过陶瓷反射器多次反射可被晶体充分吸收。

图1 三向侧面泵浦Tm∶YAG 激光模块横截面示意图Fig.1 Cross-sectional diagram of three fold side-pumped Tm∶YAG laser module

为了在近室温的条件下实现高功率激光输出，通过缩短LD 阵列与晶体棒之间的距离可以提高耦合吸收效率，进而提高泵浦光功率密度；但是，泵浦光分布的均匀性将会相应地变差[18]，从而影响晶体棒内的热梯度分布。因此，在保证均匀性的前提下，利用Zemax 软件基于光线追迹法对泵浦光在晶体棒内的分布进行模拟，以优化激光模块器件尺寸获得较高的耦合吸收效率。最终设计的陶瓷反射器内径为12 mm，玻璃管内径为5 mm，厚度为2.5 mm，此时LD 阵列发光面到晶体棒轴线的距离为7 mm。通过软件模拟，泵浦光在晶体棒内的理论分布如图2 所示。从图2 可以看出，泵浦光在晶体棒内分布较为均匀，晶体棒中心吸收强度略高于周围区域吸收强度。经计算可得该激光模块的耦合吸收效率约为80%，即单位体积内的泵浦光平均功率密度约为1.9 W/mm3，几乎是之前报道的两倍[11,14]。如此高的泵浦光功率密度有利于在近室温条件下提高输出功率和光-光转换效率。同时，高均匀泵浦也有助于降低晶体棒内的热梯度，减少折射率梯度变化对光束的传输和聚焦特性的影响，从而改善光束质量。

图2 模拟的Tm∶YAG 晶体棒中心截面的泵浦光分布Fig.2 Simulated distribution of pump light in Tm∶YAG crystal rod at central section

Tm∶YAG 激光实验装置如图3 所示。激光谐振腔由单个激光模块和两个平面镜M1 和M2 构成，几何腔长为88 mm，激光系统的占地面积仅为88 mm×103 mm（不包括水冷机）。平面高反镜M1表面镀有对2.02 µm 的高反膜（R＞99.5%），输出耦合镜M2 对 2.02 µm 激光部分透射。为了最大化实现高功率输出，通过Findlay-Clay 方法[19]计算了M2的最佳耦合透过率，其值约为8%。由于实验室缺少该透过率的耦合输出镜，因此，我们选取了透过率为6%和9.6%的耦合输出镜进行后续实验。同时，为了防止晶体端面和光学器件表面结霜，实验室的温度保持在22 ℃，控制相对湿度＜30%。

图3 Tm∶YAG 激光系统实验装置图Fig.3 Schematic of experimental setup for Tm∶YAG laser system

3 结果与讨论

3.1 激光输出特性

首先，对激光器的输出性能进行测试。使用功率计（Gentenc-EO,MAESTRO）测量了透过率为6%和9.6%的耦合输出镜时，不同泵浦功率下Tm∶YAG 激光器的连续波输出功率，具体结果如图4所示。当输出耦合率为6%时，该激光器的功率阈值大约为200 W，随着泵浦功率的增加，输出功率线性增长。当总的泵浦功率达到最大609 W时，该激光器的最高输出功率可达119 W，光-光转换效率为19.6%，斜效率为32.7%。在输出耦合率为9.6%的情况下，激光器的阈值提高至约255 W。这是由于激光器的阈值功率密度与耦合输出损耗呈正相关关系[15]。当泵浦功率达到最大时，最高输出功率可达110 W，光-光转换效率为18%，斜效率为35%。根据综合实验结果，选用6%的输出耦合镜进行后续实验。值得注意的是，在实验过程中未观察到激光输出有饱和现象，这表明可以通过进一步增加泵浦功率来提高激光器的输出功率。

图4 不同透过率耦合输出镜时Tm∶YAG 激光器输出功率随泵浦功率的变化关系Fig.4 Output power of Tm∶YAG laser versus pump power for different output couplers

3.2 激光输出光谱

图5 给出了使用光谱仪（OceanOptics,NIRQuest256,探测范围850～2 500 nm,分辨率＜10 nm）测得的Tm∶YAG 激光输出光谱。从图中可以看出Tm∶YAG 激光的中心波长为2.02 µm，谱线宽度约为13 nm。

图5 Tm∶YAG 激光输出光谱Fig.5 Output spectrum of Tm∶YAG laser

3.3 激光输出稳定性

为了评估该激光器的稳定性和可靠性，在最大输出功率下，记录了激光器连续运行2 h的功率波动数据，结果如图6所示。测量结果表明，Tm∶YAG 激光器的最大平均输出功率为118.8 W，功率波动小于1%。从图中可观察到，输出功率呈现出微小的周期性起伏，这一现象可能源自水冷机控温精度的波动以及工作电流的不稳定[20]。在近室温条件下，晶体端面及其他光学器件没有出现结霜现象，同时晶体没有出现损伤，这表明该激光器具备长时间稳定工作的能力，能够满足相关领域对功率稳定和装置可靠性的要求，具有广泛的应用价值和前景。

图6 2 h 内Tm∶YAG 激光器输出功率稳定性测量Fig.6 Measured output power stability of Tm∶YAG laser over 2 h

3.4 激光光束特性

在最大输出功率条件下，对Tm∶YAG激光器输出的光束质量因子M2进行了测量。激光输出光束经过两个楔形镜反射后通过一个焦距为150 mm的平凸透镜聚焦。利用红外相机（Spiricon Pyrocam IIIHR）测量沿光轴不同距离处的光斑4-sigma直径，结果如图7所示。使用BeamSquared®光束质量分析软件对测量数据进行拟合，得到了激光输出光束在x和y方向上的光束质量因子和分别为21.01和21.68。插图为红外相机在焦点附近采集的远场光斑二维强度分布，表明Tm∶YAG激光器为多横模模式运转。

图7 在最大输出功率下测得的Tm∶YAG 激光器在x 和y轴方向的光束质量。插图：光束的二维强度分布。Fig.7 Measurement of the beam quality factor for the Tm∶YAG laser at the maximum output power.Inset：farfield two-dimensional beam intensity distribution.

4 结论

本文通过理论模拟对LD 侧面泵浦的Tm∶YAG 激光模块结构进行优化设计，提高了晶体棒内泵浦光功率密度，结合高效的热管理和谐振腔优化，实现了近室温下高功率和高效率的2.02 µm 激光输出。激光模块中LD 阵列和晶体的温度控制在近室温12 ℃。经实验优化后选用透过率为6%的输出镜，在泵浦功率为609 W 时，Tm∶YAG 激光的最大输出功率为119 W，中心波长为2.02 µm，对应的光-光转换效率为19.6%，斜率效率达32.7%。实验测得的光束质量因子和分别为21.01 和21.68。在最大输出功率下，该激光器在2 h 内的功率波动小于1%，且没有观察到晶体端面或光学器件结霜以及晶体损伤等现象。除此之外，该激光器模块和谐振腔的设计简单紧凑，相对于光纤耦合LD端泵的Tm∶YAG 激光器而言，LD 侧泵Tm∶YAG激光器光学元件数量少，几何腔长短，且易于调整和维护。同时模块仅采用一个水冷机进行冷却，大幅减少了整个激光系统的体积。这种结构紧凑、可靠性高的百瓦级2 µm 棒状Tm∶YAG激光在医疗和科研等各领域具有广泛的应用前景和使用价值。

本文专家审稿意见及作者回复内容的下载地址：http://cjl.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJL.20230174.