2.94 μm LiNbO3 声光调Q Er:YAG激光输出脉冲特性*

王滔宁 姜玲玲 程庭清 王礼 江海河

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,合肥 230031)

2) (中国科学技术大学,合肥 230026)

3) (中国科学院合肥物质科学研究院,安徽光学精密机械研究所,合肥 230031)

1 引言

Er:YAG 激光器可以实现2.94 μm 窄脉宽和高峰值的相干光输出,具有广泛的科学研究和应用需求.一方面,2.94 μm 纳秒脉冲Er:YAG 激光是宽调谐中红外激光器理想的固体泵浦激光源.对于具有优异特性的中红外宽调谐Fe:ZnSe 或CdSe或CdTe 等激光器,室温下需要3 μm 波段脉冲宽度小于Fe2+荧光寿命(300 ns)的窄脉冲激光器作为泵浦源,纳秒Er:YAG 固体激光泵浦源相比HF气体激光器、非线性频率变换光源具有系统简单、廉价和可集成等优点[1–3].对于科学研究广泛采用的中红外非线性参量激光,纳秒Er:YAG 脉冲激光2.94 μm 的较长泵浦波长更接近非线性参量输出波长,有利于减少参量转换中的量子亏损,提高光光转换效率,可获得更大的输出能量[4–6].另一方面,相比常规的数百微秒长脉冲Er:YAG 激光,纳秒激光脉宽远小于牙硬组织的热驰豫时间(约24 μs)[7],可以极大地减少在牙硬组织消融过程中的热量积累,避免对消融组织及周围组织的热损伤[8,9].因此,发展2.94 μm Er:YAG 纳秒脉冲激光技术有助于促进中红外激光技术的发展和应用.

调Q技术是目前获得纳秒窄脉宽、高峰值功率脉冲的一种主要手段,分为主动调Q和被动调Q.其中,主动调Q包含声光调Q和电光调Q.由于被动调Q脉冲发生的时间不可控,而主动电光调Q需要在腔内插入偏振器、且热退偏效应导致的退偏损耗较大[10,11],在较高重复频率下难以获得较大的脉冲激光能量.由于声光调Q具有结构简单、掺入损耗低等特点,可避免退偏损耗和实现脉冲可控,声光调Q开关和调Q已成为3 μm 和中红外波段激光的研究重点.Schnell 等[12]在1990 年研制了闪光灯泵浦Er:YAG 声光调Q激光器,采用锗晶体作为声光调Q开关,获得了9.3 μJ,100 ns脉冲激光输出.由于缺乏低损耗、高损伤阈值的中红外声光晶体,限制了该波段声光调Q激光输出能量.研究人员也一直努力在寻找3 μm 波段新型声光开关.2019年,Pushkin 等[13]将KG(WO4)晶体成功用于闪光灯泵浦的Er:YAG 声光调Q激光器,在2 Hz 重复频率下获得了12.5 mJ,100 ns脉冲激光输出,但是该晶体生长过程复杂,价格昂贵.相对于KG(WO4)晶体,LiNbO3晶体不仅生长容易、价格便宜、性能稳定,而且拥有优秀的声光特性,在3 μm 波段具有较高的抗损伤阈值(>200 MW/cm2)和较高的透过率(90%)[11].前不久,本研究组[14]成功实现了将LiNbO3晶体用作声光Q开关对Er:Cr:YSGG 激光器进行声光调Q.但是,目前还没有见到更接近3 μm 波长的声光调Q激光研究的报道.

本文制备了2.94 μm Er:YAG LiNbO3声光调Q激光器,研究了20 Hz 重复频率下的激光输出脉冲特性,探究了不同延迟时间和透过率对激光输出脉冲特性的影响规律,设计凹凸谐振腔补偿热透镜效应,明显提高了激光器输出能量,实现了LiNbO3声光调QEr:YAG 激光器稳定调Q高能量激光稳定输出,适合于中红外宽调谐激光器的泵浦和激光牙组织的无热损伤的应用研究.

2 实验设置

实验装置如图1 所示,Er:YAG 晶体棒长度为Φ4 mm×105 mm,其中Er3+离子掺杂原子浓度为50%.晶体棒两端镀有2.94 μm 增透膜.谐振腔腔长255 mm,HR 为反射率大于99%的全反镜,OC为输出耦合镜.由于Er:YAG 晶体上能级寿命为120 μs,为了能够满足使粒子数尽可能反转的同时尽可能地减小热效应,并考虑到激光调Q振荡特性,实验中闪光灯的泵浦脉宽选取在150 μs.用压缩机制冷去离子水并通过水循环带走泵浦光在激光晶体中产生的剩余热量,水温保持在(291±0.3) K,流量为33 L/min.本实验中采用新型的LiNbO3晶体作为调Q开关,晶体两端镀有2.7—3.0 μm增透膜,声光开关放置在激光晶体与全反镜之间并靠近晶体端面的位置.声光开关射频频率为40.68 MHz,最大电驱动功率40 W.

图1 LiNbO3 声光调Q Er:YAG 激光器实验装置图Fig.1.Schematic diagram of the Er:YAG laser system with LiNbO3-based acousto-optic Q-switch.

3 实验系统及测量结果

测量晶体热焦距可为在一定的泵浦功率范围内对激光器进行热透镜效应补偿提供依据,以此设计合适的热补偿腔型,改善激光器输出性能,提高输出能量.利用临界腔法测量了20 Hz 下Er:YAG晶体热焦距,结果如图2 所示.

图2 热焦距随泵浦功率变化趋势Fig.2.Trend of thermal focal length with pump power.

根据 ABCD 矩阵计算可知,当采用平凸腔进行热焦距补偿时,凸面镜曲率为–5 mm,不符合实际,所以设计凹凸腔对晶体热焦距进行补偿.根据实验室现有条件,选择输出镜(OC)曲率半径为–216 mm,计算可得全反镜(HR)曲率的取值范围为(288.18,+∞).在使用凹凸腔补偿热透镜效应时,应使得g1g2的乘积尽可能接近0.5.在 Matlab中模拟可知,随着全反镜曲率增大,g1g2的乘积增长速度越来越缓慢,最后近似不再增长,如图3 所示.

图3 谐振腔稳定性 g1g2 与全反镜曲率半径变化关系Fig.3.Stability of the resonant cavity g1g2 versus radius of curvature variation in total reflectors.

据实验室现有条件,采用曲率半径分别为680,1000 和5000 mm 凹面镜进行对比实验,为保护腔内元件,输出镜反射率为70%,使用能量计(COHERENTJ-50-MB-IR)对输出能量进行测量.结果如图4 所示.

图4 不同曲率半径下激光器输出能量曲线对比Fig.4.Comparison of laser output energy curves at different radii of curvature.

由图4 可以看出,全反镜曲率半径为5000 mm时,激光器输出能量最大,补偿效果最好,从实验上验证了模拟结果.激光器在平平腔中输出能量最大为180.6 mJ,在凹凸腔中输出能量最大为771.3 mJ,提高了4.27 倍.凹凸腔结构有效补偿了Er:YAG 晶体中热效应,实现了稳定静态输出,为后面调Q实验提供了实验基础.

4 结果与讨论

4.1 调Q 延时对激光器输出性能的影响

理论分析可知,Q开关打开最佳时间应该位于泵浦后时候的某一时刻,此时增益介质上能级的反转粒子数达到最大值.当Q开关过早打开时,由于增益介质上能级的反转粒子数没有达到最大值就开始起振,调Q输出能量会出现下降,而后继积累的上能级粒子还可能出现多脉冲现象;当Q开关打开过晚时,由于增益介质较短寿命的上能级粒子自发辐射损耗,将降低激光输出脉冲能量.因此,需要找到一个最佳的调Q延迟时间,使得激光器实现输出能量最大.根据氙灯泵浦脉宽,将延迟时间分别设置在110,130,150,170,190,210 μs 进行实验,平平腔的实验结果如图5 所示.

图5 不同调Q 延时下输出能量随泵浦能量变化特性曲线Fig.5.Characteristic curves of output energy versus pump energy with different Q-delays.

从图5 可以看出,当调Q延迟时间在110—170 μs 之间时,在低能量泵浦情况下,由于Er:YAG激光阈值较高,超过阈值之上的泵浦能量就显得较少,此时泵浦脉宽对LiNbO3声光调QEr:YAG 激光器输出能量的影响差别不大.继续增加泵浦能量,可以发现: 输出能量随着泵浦能量的增加而增加,在泵浦能量为46 J时,激光输出能量达到最大;随后,由于大的泵浦伴随着强的热效应影响,激光输出能量随着泵浦能量的增加而减小.调Q延迟时间为170 μs时,激光器实现了输出最大的调Q能量,当延迟时间超过190 μs 时激光器的输出能量出现了明显下降,其原因是由于Er:YAG 增益介质上能级4I11/2寿命仅为120 μs,延迟时间太长即Q开关打开过晚时,增益介质上能级寿命远小于该时间,自发辐射将损耗大量的上能级粒子,导致激光输出脉冲能量的下降.170 μs 为本激光器系统最佳的调Q延迟时间.

4.2 输出耦合镜反射率对激光器输出性能的影响

为了研究不同反射率对调Q激光输出特性的影响,在重复频率为20 Hz 的条件下,将输出耦合镜反射率设置为70%,75%,80%,85%进行实验,平平腔的实验结果如图6 所示.

图6 20 Hz 时不同反射率下调Q 输出能量随泵浦能量变化的特性曲线Fig.6.Characteristic curves of the output energy of Qswitched laser versus pump energy at 20 Hz with different reflectivities.

由图6 可以看出,当输出耦合镜的反射率分别为70%,75%,80%,85%时,LiNbO3声光调QEr:YAG 激光器的最大输出能量分别为16.56,21.69,28.24,30.53 mJ.在上述实验中,反射率为85%的耦合镜输出的激光调Q能量最大,达到了30.53 mJ,对应的峰值功率为244.63 kW.由于反射率为90%时的耦合镜会进一步提升腔内激光功率密度,腔内是腔外的19倍,这可能对谐振腔镜和晶体的膜层造成损伤.所以,未进行反射率为90%的输出耦合镜相关的调Q实验.

4.3 热效应对激光器输出特性的影响

为研究热效应对激光器输出特性的影响,设计了凹凸腔与平平腔的对比实验.为了防止腔内能量密度过高而导致腔内光学元件发生损伤,在20 Hz重复频率下,采用反射率为70%的输出耦合镜进行实验.由图7 可知,在泵浦能量小于46 J 区间,平平腔输出激光能量随着泵浦能量的增加而增加;在泵浦能量大于46 J 区间,由于热效应严重未得到补偿,激光能量随着泵浦能量的增加而下降.而在凹凸腔中,其输出激光能量随着泵浦能量的增加一直在增加.结合图8 可知,平平腔和凹凸腔中最大脉冲能量分别为16.56 mJ 和34.68 mJ,对应的脉冲宽度分别为154.7 ns 和119.9 ns.相比平平腔,凹凸腔的激光器输出能量提高了2.09倍,且脉冲宽度压缩1.29 倍.因此,合适的凹凸腔结构可以在一定泵浦功率范围内有效改善激光器的输出特性.

图7 不同腔型下脉冲能量随泵浦能量的变化曲线Fig.7.Curves of pulse energy with pump energy under different cavity types.

在凹凸腔的实验中发现,当泵浦能量超过49.5 J以后,进一步增加泵浦能量,其脉宽突然变大,这表明发生了漏光现象,其原因是调Q开关超声驱动功率不足,以至于Q开关无法关死,激光脉冲中含有少部分静态激光,激光器调Q性能下降低.

另外,为研究LiNbO3声光调QEr:YAG 激光器的稳定性,在重复频率20 Hz下,测试了30 min的激光输出脉冲能量.结果如图9 所示,激光器的不稳定性(SD)小于4.09%.说明该激光器具有较高的稳定性,能够在长时间下稳定工作.

图9 30 min 内激光器输出能量的稳定性Fig.9.Stability of the laser output energy within 30 min.

5 结论

本文使用LiNbO3晶体作为声光Q开关研制了闪光灯泵浦声光调QEr:YAG 激光器,首次实验证实了LiNbO3可用于2.94 μm 激光调Q,并研究了输出脉冲特性,在20 Hz 重复频率下,获得了激光最大输出能量34.68 mJ 的声光调Q脉冲,为目前该波长声光调Q激光器最高输出能量;2.94 μm调Q激光器可实现200—300 ns 脉冲激光输出,与中红外宽调谐Fe:ZnSe 激光上能级寿命相匹配;稍宽的纳秒铒激光有助于提升激光组织消融效率.研制的LiNbO3声光调QEr:YAG 激光器可以实现稳定运行,在30 min 内能量标准偏差SD 小于4.09%.本文LiNbO3开关为3 μm 波段声光调Q技术研究提供了新的途径,有助于拓展调谐中红外激光和临床医疗研究.