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1、高重频 LD 泵浦 ErYSGG 固体激光器 陈国;李宝;赵书云;苑利钢;魏磊【摘 要】2.73.0 m 激光器在医疗、军事等方面具有重要的应用价值,本文简单分析了 ErYSGG 晶体的能级结构以及激光特性,重点描述了采用 968 nm LD 泵浦ErYSGG 晶体产生 2.79 m 激光,在 500 Hz 的泵浦频率下获得最高功率 14.3 W的 2.79 m 激光输出,光光转换效率达到 7.1,斜效率达到 11,同时采用二氧化碲(TeO2)作为 Q 开关,实现 10 W 的脉冲输出,动静比达到70,脉冲宽度 63.18 ns,这对于 2.79 m 激光在中长波激光器中的应用具有重要意义.【
2、期刊名称】激光与红外【年(卷),期】2019(049)008【总页数】5 页(P956-960)【关键词】高重频;窄脉宽;ErYSGG;固体激光器【作 者】陈国;李宝;赵书云;苑利钢;魏磊【作者单位】固体激光技术重点实验室,北京 100015;固体激光技术重点实验室,北京 100015;固体激光技术重点实验室,北京 100015;固体激光技术重点实验室,北京100015;固体激光技术重点实验室,北京 100015【正文语种】中 文【中图分类】TN248.1 1 引 言 2.73.0 m 波段激光处于水的吸收峰,能够激发水分子的高速动能,让水分子成为医疗手术中的切割媒介,在牙科、骨科等领域有着广
3、泛的应用1。同时,2.73.0 m 波段的激光又是泵浦非线性晶体产生中长波红外激光的优质泵浦源,其波长更靠近中长波,在非线性转换中,具有更高的量子效率,且在 2.7 m 泵浦中长波红外光参量振荡器(OPO)时,信号光和闲频光分别对应中波和长波波段,可以通过这种方式实现中长波同时输出2。目前,国内外对 ErYSGG 晶体产生的 2.79 m 激光开展了非常广泛的研究,主要研究为氙灯侧泵 ErYSGG 晶体,但用氙灯泵浦时,由于氙灯发光谱线较宽,会导致 ErYSGG 晶体的吸收较差,激光转换效率较低,同时带来废热较大,热效应严重,严重影响输出功率的提高3,因此开展 LD 泵浦 ErYSGG 的激光
4、特性研究是提高激光输出功率的有效途径,具有非常重要的实际应用价值。2 理论分析 光谱研究表明,ErYSGG晶体在 4002500 nm 波段内的吸收谱带主要为 Er3+的特征吸收4-6。常温下 ErYSGG 晶体在 4002500 nm 波段的吸收光谱如图 1所示。由图 1 可知,ErYSGG 晶体在 487 nm、525 nm、656 nm、790 nm、970 nm 及 1535 nm 附近有明显的吸收峰,分别对应于能级结构图(如图 2 所示)中Er3+从基态 4I15/2 到激发态 4F7/2、2H11/2、4F9/2、4I9/2、4 I11/2 及4I13/2 的跃迁7-8。图 1 E
5、rYSGG 晶体吸收光谱 Fig.1 Absorption spectrum of ErYSGG crystal 图 2 ErYSGG 晶体能级结构 Fig.2 Energy level structure of ErYSGG crystal 根据 Er3+在 ErYSGG 晶体中的斯塔克能级8-11,968 nm 附近谱带对应 4 I11/2 4I15/2 跃迁；当激发波长为 970 nm 时发射谱带强度较大。ErYSGG 晶体中 Er3+上能级 4I11/2 寿命为 1.4 ms,下能级 4I13/2 寿命可达到 3.4 ms12-13,是寿命更长的亚稳态。受激辐射过程中,跃迁下来的粒子积
6、累在 4I13/2 能级上,不利于激光发射过程中保持足够的粒子数反转。因此,原则上说 2.79 m 铒激光器是“自饱和”的,激光发射会自行终止。由于 4I13/2 能级上的铒离子之间发生上转换过程 4I13/24I9/211,同时也发生 4I13/24I15/2 的自发辐射,这就使为4I13/2 与 4 I11/2 产生离子束反转成为可能14-19。虽然 ErYSGG 晶体在 487 nm、525 nm、656 nm、790 nm、968 nm 及1535 nm 有强吸收峰,但是结合 Er3+的吸收光谱图以及能级结构图,可以知道产生2.79 m 激光的过程为:4I15/2 能级的基态粒子通过受
7、激跃迁到 4I11/2 能级,形成粒子束反转并辐射到 4I13/2 能级,并释放出波长为 2.79 m 附近的光子形成激光,因此要获得 2.79 m 波段的激光必须选用 968 nm 波长附近的光源作为激励,但是具体的吸收峰值波长在下文将通过实验获得。3 实验测试 3.1 吸收与发射特性测试 本文采用波长在 970 nm 附近,波长可以调谐的半导体激光光源照射浓度 35%、长度 3 mm 的晶体,得出了晶体的吸收曲线如图 3 所示。图 3 表明晶体在 959973 nm 波段的单次吸收都在 86.5%以上,晶体吸吸收谱线较宽,吸收谱宽大于等于 14 nm。吸收谱较宽,便于选择合适的半导体激光泵
8、浦源进行泵浦。其中在968 nm 处表现出吸收最强,通过计算,此处的吸收系数为 7.8 cm-1,有利于形成巨大的粒子数反转。图 3 晶体吸收曲线 Fig.3 Crystal absorption curve 采用分光光度计测试了 ErYSGG 的荧光曲线如图 4 所示,在 2.79 m 处有最强的发射峰。图 4 ErYSGG 晶体的发射光谱 Fig.4 The emission spectrum of ErYSGG crystal 3.2 ErYSGG 激光器实验装置 实验装置如图 5 所示,采用三块 968 nm LD 线阵组成的侧泵模块侧面泵浦ErYSGG 晶体的方式来实现激光输出。LD
9、 峰值波长为 968 nm,谱宽 3.1 nm,正好处于晶体的吸收峰值。晶体为掺杂浓度 35%的 ErYSGG,直径为 3 mm,长度为90 mm,双端键合,键合长度为两端各 15 mm。侧面为三维 968 nm 脉冲 LD 线阵,水温控制在 25。图 5 激光器结构图 Fig.5 Structure diagram of the laser 由于 ErYSGG 热透镜效应较严重,平平腔在高功率下容易失谐,因此采用双凹腔对热透镜进行修复,实现稳定输出。在激光器后镜上镀有 2.63.0 m 全反射膜,输出镜上镀 2.63.0 m 半透半反膜(T=10%)。晶体本身转换效率低,因此采用声光调 Q
10、的方式将极大的减少插入损耗。二氧化锑晶体制作的声光 Q 开关,激光透过率大于99%,对激光进行调制,实现窄脉宽激光输出。实验过程中,LD 泵浦模块与 YSGG/ErYSGG 晶体均采用水冷装置进行冷却,温度控制在 25。激光输出功率采用 OPHIR 的 NOVA型激光功率计测量,激光光谱仪采用 IR550 型红外光谱仪,测量精度 0.02 nm。4 实验结果与分析 4.1 高功率 2.79 m 静态输出 由于晶体本身热导率不高,热透镜效应严重,连续泵浦会严重影响激光器的出光效率甚至对晶体带来严重破坏,为减小激光器的散热压力以及避免破坏,采用重频为 500 Hz 的脉冲电源驱动 968 nm L
11、D 抽运 ErYSGG,将谐振腔调至最佳时,实现 14.3 W 2.79 m 激光输出,光光转换效率达到 7.1%,斜效率达到 11%,激光脉冲宽度为 1 s,图 6 为激光器输出功率曲线。采用红外光谱仪对激光光谱进行扫描,得到光谱图如图 7 所示。激光器输出的激光波长峰值为 2792.6 nm,谱宽(FWHM)为 1.94 nm。4.2 动态输出 为实现高峰值功率输出,采用声光调 Q 的方式。Q 晶体采用二氧化锑,由于 Q 晶体表面膜层损伤阈值的限制,在 500 Hz 下,实现了 10 W、2.79 m 激光光输出,单脉冲能量 2 mJ,动静比达到 70%,脉宽 63.18 ns,如图 8
12、所示。图 6 激光器输出功率曲线 Fig.6 Output power curve of the laser 图 7 输出光谱图 Fig.7 Spectrum of crystal 图 8 激光脉宽采集图 Fig.8 Figure of pulse-width 4.3 实验分析 实验中发现,随着泵浦功率的增加,晶体的热透镜越来越严重,在泵浦功率超过 200 W 时,激光器的转换效率开始下降,再增加功率将导致激光器谐振腔失谐引起功率下降。同时 2.79 m 激光器器件的镀膜水平极大地限制了激光器功率水平的提升,经测试,目前该波段膜层的损伤阈值只能达到2030 MW/cm2,如果能提高到 500
13、MW/cm2 的水平,将大大改善激光器的输出功率水平。5 结 论 本文采用重频 500 Hz 的脉冲 LD 抽运浓度 35%的 ErYSGG 晶体,实现 14.3 W、2.79 m 静态输出,同时实现 10 W 动态输出,动静比达到 70%,重要的是在 500 Hz高频率下实现大于 320 MW 的峰值功率输出,同时输出的谱宽很窄(1.94 nm),为2.79 m 泵浦光参量振荡器,实现中波、长波一体化输出成为可能。本文实现指标也是目前国内公开报道的 2.79 m、高重频、窄脉冲激光器的最高指标。为了进一步提高该类激光器的功率水平,需要激光器的散热性能,减少热透镜效应,同时需要提升器件的镀膜水
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