LD泵浦被動調Q皮秒Nd∶YVO4微片激光器

楊 歡,余 錦,張 尚,劉 洋,張 雪

(1.中國科學院光電研究院,北京 100094；2.中國科學院大學,北京 100049)

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·激光器技術·

LD泵浦被動調Q皮秒Nd∶YVO4微片激光器

楊 歡1,2,余 錦1,張 尚1,2,劉 洋1,2,張 雪1,2

(1.中國科學院光電研究院,北京 100094；2.中國科學院大學,北京 100049)

報道了一種新型調Q微片激光器。首次提出了斜泵浦方案,實驗中分別采用LD端面垂直泵浦和斜泵浦兩種方式,結構簡單緊湊。微片采用Nd∶YVO4作為工作物質,半導體可飽和吸收鏡(SESAM)為調Q元件。在兩種泵浦方式下,都獲得了重復頻率范圍在千赫茲到兆赫茲的皮秒激光脈沖輸出。以光纖耦合輸出的808 nm LD作為泵浦源,在垂直泵浦的情況下,在420 mW 抽運功率下,獲得6.40 mW的1064 nm激光輸出,脈沖寬度57.8 ps,對應單脈沖能量6 nJ,x、y方向的光束質量因子分別為1.18、1.17。在斜泵浦的情況下,在550 mW抽運功率下,獲得2.25 mW的1064 nm激光輸出,脈沖寬度64.3 ps,對應單脈沖能量17 nJ,x、y方向的光束質量因子分別為1.29、1.32。

微片激光器； 被動調Q； Nd∶YVO4晶體；半導體可飽和吸收鏡

1 引 言

隨著科學技術的不斷進步,超短皮秒脈沖激光越來越廣泛地應用在工業、科研、醫學等領域,并發揮著越來越重要的作用。在諸如激光測距、激光雷達、材料加工、精細機械加工、泵浦探針實驗,光電檢測、生物組織切割等多方面的應用中[1-7],皮秒激光器都扮演著關鍵的角色。因此,獲得更可靠更簡單的皮秒脈沖激光已成為當前的發展趨勢。

自從皮秒激光誕生以來,鎖模技術一直是產生皮秒激光脈沖的主流技術[8-11]。但是,如果不采取特殊措施,鎖模激光器系統中將會存在一些不可忽視的問題,如光路校準困難、鎖模過程易受外界干擾、機械穩定性不夠高、重頻過高等。與鎖模激光器相比,被動調Q激光器則有著結構簡單、穩定性好、重頻可調等優勢。同時,被動調Q技術不需要額外高壓電源、電控設備、電光開關等裝置,因此有著較高的安全性、簡易性和實用性。然而,傳統的被動調Q激光器只能獲得納秒量級的脈沖激光輸出。考慮到被動調Q激光器輸出脈沖寬度強烈依賴于諧振腔長度,為實現脈寬為數百甚至數十皮秒的激光脈沖輸出,使用腔長極短的調Q微片激光器成為最簡單有效的途徑之一。此外,通過非線性光譜展寬技術能夠將調Q微片激光脈沖壓縮到幾皮秒,從而達到激光加工中“冷加工”的要求。調Q微片激光器已成為產生超短皮秒脈沖的一個理想的種子源。

本文采用光纖耦合輸出的808 nm LD泵浦一塊厚為200 μm的Nd∶YVO4晶體微片,利用半導體可飽和吸收鏡(SESAM)進行被動調Q。采用斜泵浦和垂直泵浦兩種方式,分別測量了泵浦光功率與輸出激光功率的關系,并用自行搭建的GHz自相關儀對兩種泵浦方式下的脈寬進行了測量。實驗獲得了重頻為千赫茲到兆赫茲的1064 nm皮秒脈沖激光。由于激光器主體為一塊厚度僅為200 μm的微片,整個裝置結構簡單緊湊,且能得到較穩定的激光輸出。

2 實驗裝置及實驗結果

實驗中采用的Nd∶YVO4微片激光器裝置如圖1所示(其中，裝置1為半導體激光二極管(LD),2為準直系統,3為衰減片,4為雙色鏡(808 nm高透,1064 nm高反),5為Nd∶YVO4微片)。

圖1 Nd∶YVO4微片激光器實驗裝置示意圖

光纖耦合LD能夠輸出0～1.8 W的808 nm激光。經測定,在電流為1.3 A時,LD輸出光譜如圖2所示。由圖可知,LD輸出光譜中心波長為808.78nm,半高全寬(FWHM)約為0.5 nm,位于Nd∶YVO4晶體吸收峰(如圖3)內。在此電流下,泵浦功率密度為220 kW/cm2,低于SESAM損傷閾值(1 GW/cm2)。考慮到泵浦源輸出光譜受泵浦電流的影響較為敏感,所以實驗中將泵浦電流固定為1.3A,采用在泵浦光路中添加可調節衰減片的辦法來實現泵浦強度的改變。

圖2 1.3A驅動電流下泵浦源輸出光譜圖

圖3 Nd∶YVO4吸收譜線圖[12]

實驗所采用Nd∶YVO4微片厚度為200 μm,摻雜濃度為3.0 at.%,晶體前端為抽運端面鍍808 nm高透膜,1064 nm高反膜,另一端粘合一塊半導體可飽和吸收鏡(SESAM),其調制深度為10%。整個微片可看成是一個長為200 μm的平平腔。

垂直泵浦的情況下(圖1(a)所示),將光纖出射的泵浦光準直經過衰減片和雙色鏡(鍍808 nm高透膜,1064 nm高反膜),通過透鏡聚焦到微片上,適當調節聚焦透鏡與微片的距離,以獲得最大輸出。為實現反射泵浦輻射與出射脈沖激光輻射的有效空間分離,項目組首次提出斜泵浦方案,如圖1(b)所示,準直光通過衰減片不經過雙色鏡,直接聚焦到微片上。由于微片是傾斜擺放,可以直接將泵浦光與輸出激光分離。圖4為兩種泵浦方式下的輸出激光光譜,表明兩種泵浦方式下實驗均得到了較好的1064 nm激光輸出。

(b)斜泵浦Nd∶YVO4微片激光器光譜圖

圖5(a)為垂直泵浦的情況下,Nd∶YVO4微片激光器在室溫下激光輸出功率與輸入泵浦功率的關系。泵浦閾值功率約為160 mW,當泵浦功率為420 mW 時,1064 nm激光的輸出功率達到6.40 mW。當抽運功率高于160 mW時,由于激光輸出功率遠離閾值功率,激光功率與抽運功率呈現較好的線性關系,光-光轉化效率達1.52%。而在斜泵浦的情況下,Nd∶YVO4微片激光器在室溫下激光輸出功率與輸入泵浦功率的關系如圖5(b)所示。當泵浦功率小于450 mW時,激光功率變化不大,當泵浦功率大于450 mW時,激光功率突然陡峭增長,這是由于泵浦功率低于450 mW時,并未達到調Q閾值,諧振腔內僅能產生連續激光。而當泵浦功率大于調Q閾值功率時,輸入輸出功率近似為線性關系。當泵浦功率為550 mW時,輸出激光功率為2.52 mW,光- 光轉化效率達0.46%。

圖5 Nd∶YVO4YVO4微片激光器輸入輸出特性

對比圖5(a)(b)可知,斜泵浦雖然可以有效地分離泵浦光與激光,但是光-光轉化效率低于垂直泵浦的情況,且泵浦閾值功率高于垂直泵浦。這顯然是由于在兩種泵浦方式下,泵浦光斑尺寸的差別所造成的。與垂直泵浦相比,實驗中由于斜泵浦時所用聚焦透鏡焦距較大,導致其泵浦光斑比較大,且投影到增益介質表面的泵浦光斑呈橢圓形,進一步增大了其面積,使其泵浦功率密度相對較小,同時泵浦光泵浦方向與激光振蕩方向不一致,導致其光-光轉化效率較低。

實驗中,自行搭建自相關儀,以KTP為倍頻晶體,通過測量倍頻光綠光的變化,得到兩種泵浦方式下,激光的脈沖形狀如圖6所示。圖6(a)表明,垂直泵浦的情況下,輸出激光為57.8 ps的高斯光斑。圖6(b)表明,斜泵浦的情況下,輸出激光為64.3 ps。

圖6 Nd∶YVO4微片激光器輸出自相關曲線

用刀口掃描法分別測量兩種泵浦方式下輸出激光的光束質量如圖7。實驗表明,兩種泵浦方式下均得到了良好的TEM00基橫模激光輸出。垂直泵浦方式下獲得的激光x、y方向的光束質量因子分別為1.18、1.17,表明垂直泵浦下得到的激光光斑基本為圓形,而斜泵浦方式下獲得的激光x、y方向的光束質量因子分別為1.29、1.32,均比垂直泵浦情況下獲得的光束質量差,這也是由斜入射的非圓對稱泵浦光斑而引起的。

圖7 Nd∶YVO4微片激光器輸出激光光斑

圖8為兩種泵浦方式下的激光脈沖序列圖。由圖可看出兩種泵浦方式下均獲得了調Q脈沖序列。圖9為激光重復頻率隨泵浦功率的變化關系,由圖9(a)可看出垂直泵浦時,重復頻率隨泵浦功率基本呈線性變化,這也是該微片激光器最大的優勢。實驗中,當泵浦功率達到420 mW時,可獲得平均功率為6.40 mW,重頻1.06 MHz的調Q脈沖激光,對應單脈沖能量為6 nJ。

圖8 Nd∶YVO4微片激光器輸出激光脈沖序列波形圖

圖9 Nd∶YVO4微片激光器輸出激光重復頻率

由圖9(b)可看出斜泵浦時,重復頻率隨泵浦功率基本呈線性變化。當泵浦功率達到550 mW時,可獲得功率為獲得2.52 mW,重頻146.3 kHz的1064 nm激光,對應單脈沖能量為17 nJ。對比兩圖可以看出,斜泵浦時得到的激光重復頻率普遍低于垂直泵浦得到的重復頻率。這是由于斜泵浦的泵浦光斑比垂直泵浦的大,且泵浦光呈橢圓形,泵浦功率密度相對較小有效降低了重復頻率,從而大大提高了單脈沖能量。這也是調Q激光器的特點之一。

3 結 論

報道了一種新型LD泵浦被動調Q皮秒脈沖Nd∶YVO4微片激光器。首次提出斜泵浦的方案。采用垂直泵浦和斜泵浦兩種泵浦方式。實驗分別測量了兩種泵浦方式下該激光器的各項性能參數。在兩種泵浦方式下,均獲得了重頻范圍在千赫茲到兆赫茲的皮秒脈沖激光輸出。在垂直泵浦的情況下,在420 mW抽運功率下,獲得6.4 mW的1064 nm激光輸出,脈沖寬度57.8 ps,對應單脈沖能量6 nJ,x、y方向的光束質量因子分別為1.18、1.17。在斜泵浦的情況下,在0.55 W抽運功率下,獲得2.25 mW的1064 nm激光輸出,脈沖寬度64.3ps,對應單脈沖能量17nJ,x、y方向的光束質量因子分別為1.29、1.32。兩種泵浦方式各有優缺點,垂直泵浦激光閾值低,光-光轉化效率高,光束質量好,但對應單脈沖能量不高。而斜泵浦能有效分離泵浦光與激光,由于其泵浦光斑呈橢圓形,同等條件下能增大光斑面積,從而有效降低脈沖的重復頻率,使得單脈沖能量較高,另一方面,也正是由于泵浦光斑比較大,且泵浦光泵浦方向與激光震蕩方向不一致,泵浦光為非圓對稱光斑導致其泵浦閾值功率較高,光-光轉化效率不高,光束質量也比垂直泵浦的情況差。

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Experiment of LD pumped Nd∶YVO4picosecond passively Q-switched microchip laser

YANG Huan1,2,YU Jin1,ZHANG Shang1,2,LIU Yang1,2,ZHANG Xue1,2

(1.Academy of Opto-Electronics,Chinese Academy of Science,Beijing 100094,China；2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

A passively Q-switched picosecond microchip laser is reported,which adopted a simple and compact end-pumped structure.With a thin Nd∶YVO4crystal as the gain material and a semiconductor saturable absorber mirror (SESAM) as the passive Q-switch,the microchip laser is able to operate in both normal- incidence and oblique-incidence schemes and obtains picosecond pulsed laser outputs with the repetition rate ranging from several hundred kilohertz (kHz) to megahertz (MHz).The laser performance is measured with a fiber-coupled 808 nm laser diode as the pump source.At a normal-incidence,pump power of 420 mW,the average output power of the 1064 nm laser is 6.40 mW,and the pulse width is 57.8 ps,corresponding to a single pulse energy of 6 nJ,and the beam-quality parameters in thexandydirections are 1.18 and 1.17,respectively.At an oblique-incidence,pump power of 550 mW,the average output power of the 1064 nm laser is 2.25 mW,and the pulse width is 64.3 ps,corresponding to a single pulse energy of 17 nJ,and the beam-quality parameters in thexandydirections are 1.29 and 1.32,respectively.

microchip laser;passively Q-switch;Nd∶YVO4crystal;SESAM

1001-5078(2015)11-1325-06

楊 歡(1989-)，女，碩士研究生，主要從事激光技術方面研究。E-mail：rainy8975@163.com

2015-03-10;

2015-04-08

TN245

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.11.008