單LD雙端泵浦Tm：YLF激光器研究

董航，劉景良，李玥，白芳，金光勇，陳薪羽

（長春理工大學 理學院，長春 130022）

單LD雙端泵浦Tm：YLF激光器研究

董航，劉景良，李玥，白芳，金光勇，陳薪羽

（長春理工大學 理學院，長春 130022）

高功率2μm Tm：YLF激光器在環境監測、醫療衛生等民生領域有著重要應用。對單LD雙端泵浦Tm：YLF激光器開展了研究。分別對晶體的摻雜濃度和長度對激光輸出特性的影響進行分析，優化選取Tm：YLF激光晶體參數，Tm：YLF晶體摻雜原子分子數為3%，尺寸為3mm×3mm×14mm。當輸出鏡透過率T=10%時，實現15.4W的激光輸出，相應的斜率效率和轉化效率分別為32.4%和28.57%。激光中心波長為1908.65nm，線寬為0.22nm。在輸出功率15W時，沿x、y方向的光束質量分別為=1.31、=1.36，近似基模輸出。

激光技術；雙端泵浦；Tm：YLF

近年來，1.9μm Tm激光在醫療、軍事及科學研究等領域有著越來越重要的應用。并且由于Tm：YLF激光晶體較低的多光子弛豫速率，可以作為獲取2μm高功率、高效率Ho激光和3～5μm光參量振蕩器（OPO）的泵浦源［1-4］。隨著激光二極管器件技術的逐漸成熟，使得泵浦的摻Tm激光器得到迅速發展，目前Tm離子已經成為較為廣泛應用的晶體基質摻雜離子，如YAG、YAP和YLF晶體等［5］，尤其是Tm：YLF激光器發展極為迅速。2004年，QPeak公司的Alex Dergachev等人首次報道了用體光柵作為光譜選擇輸出耦合器的高功率連續Tm： YLF激光器的研究。該激光器最大功率超過30W，斜率效率為30%，波長為1940nm，線寬為0.8nm。相較于國外，國內的Tm激光發展也極為迅速，王天衡等人采用體光柵代替全反鏡，激光二極管泵浦Tm：YLF激光器選獲得線寬小于0.3nm的1909.5nm激光穩定輸出，相應的斜率效率為37.4%，光轉換效率為25.7%。目前Tm：YLF激光器可以實現較高功率輸出，但是由于光譜寬度較寬，且輸出穩定性不好，泵浦Ho：YAG激光器效果不理想，進而對3～5μm泵浦產生了一定的難度，如何實現Tm：YLF激光器窄線寬輸出是關鍵問題。用體光柵（VBG）代替全反鏡，利用其對波長的選擇作用，使Tm：YLF激光器輸出線寬變小，另外體光柵損耗小，可以實現穩定的高功率、窄線寬輸出。

1 理論分析

首先基于Tm激光的準三能級結構，建立了相關激光器運轉的速率方程如下：

其中，NU是激光上能級的粒子數密度，NL是激光下能級的粒子數密度，Ntotal是粒子數密度，是激光上能級非泵浦激發粒子數密度，τU為上能級壽命，γ為能級上轉換參數，n為晶體折射率，σem、σabs分別為有效發射截面和有效吸收截面。

泵浦速率：

其中，Pp是泵浦功率，ηα是泵浦吸收比例，ηQY是量子效率，hνp是泵浦光光子能量。假設晶體長度l，泵浦吸收系數為α，則有

歸一化的泵浦空間分布rp對于圓形高斯光束有：

激活介質內激光光子場的空間分布用φ0表示，歸一化形式如下：

其中，Pout是激光輸出功率，lout是激活介質的長度，TOC是輸出鏡的透過率，νL為激光光子頻率，ωp、ωL分別是泵浦光和激光的束腰大小。

對以上方程進行仿真分析，仿真使用物理參數有：有效發射截面σem為0.23×10-20cm2、有效吸收截面σabs為0.35×10-20cm2、泵浦吸收系數為1.413、泵浦光斑半徑為430μm，通過仿真模擬得到Tm晶體摻雜濃度與長度對激光輸出特性的影響如圖1所示。由圖1（a）得到，泵浦功率越高，摻雜濃度越高其輸出功率的增長幅度越大。這是因為摻雜濃度越高，量子效率越高，導致交叉弛豫速率增加。但隨之晶體吸收系數也越大，導致熱負荷加重，使得晶體更易斷裂。因此在選取實驗所用晶體時摻雜原子分子數不應過高或過低。由圖1（b）可知，在相同泵浦條件下晶體長度為12mm、14mm和16mm時，激光輸出功率較大，且斜率效率較高。

圖1 Tm晶體對激光輸出特性的影響

2 實驗裝置及結果討論

LD端面泵浦Tm：YLF激光器實驗裝置實物圖如圖2（a）所示，對應的原理圖如圖2（b）所示。圖中，抽運源LD發出的激光經過耦合透鏡f1準直，半透半反鏡M1將其分成兩束，一束經過多個45°高反鏡M2、M3、M4反射后，由聚焦透鏡f3耦合到晶體后端，距晶體端面約2mm處，另一束則直接由聚焦透鏡f2聚焦到晶體前端，距晶體前端面約2mm處。由于Tm：YLF晶體的吸收截面較小，熱應力斷裂極限很小，為了提高Tm：YLF晶體對泵浦光的吸收，需要對其進行雙端泵浦，以獲得高功率激光輸出，為實現雙端抽運的泵浦方式，所以諧振腔設計成“L”型平凹折疊腔。

圖2 激光器實驗裝置實物與原理圖

泵浦源選用美國nLight公司生產的激光二極管（LD），中心波長為792nm，通過焦距為35mm和75mm的耦合透鏡進入晶體，焦點在晶體內2mm左右位置。結合前一節的理論分析，選用Tm：YLF晶體摻雜濃度為3.0%，尺寸為3mm×3mm×14mm，晶體兩端面平行且拋光，并鍍有792nm抗反射膜和1.9μm高透膜系。對實驗裝置中的晶體，可選用較軟且導熱性良好、不易氧化的銦箔包住，用銅熱沉封裝，熱沉下安裝有半導體制冷片TEC，通過控溫器可以對熱沉溫度進行控制，TEC溫度設定為17℃。體光柵外形尺寸為6×6mm2，周期為645nm，厚度選定6mm，調制折射率為3.5×10-4，折射率為1.48。

基于以上的實驗方案進行實驗搭建以及測量結果分析。分別對不同輸出鏡透過率以及不同輸出鏡曲率半徑對激光輸出特性進行了測量分析，并由此對激光的輸出波長及光束質量進行了測量。

由圖3（a）可知，當諧振腔物理長度L=100mm、輸出鏡曲率半徑為R=200mm時，透過率分別為10%、15%和23%時條件下，當注入功率為42.21W時，最大輸出功率分別為11.84W，11.23W和10.23W，相應的斜率效率分別為34.42%，32.96%和31.54%，光光轉換效率分別為28.05%，26.60%和24.35%。同樣由圖3（b）可知，當諧振腔物理長度L=100mm、輸出鏡透過率為T=10%時，曲率半徑分別為200mm、 150mm和300mm，當泵浦功率為53.9W時，激光器最大輸出功率分別為15.4W、14.16W、12.95W，相應的斜率效率分別為32.4%、28.3%和31.1%，光光轉化效率分別為28.57%、24.03%和26.27%。綜合上述關于諧振腔參數實驗可知，當諧振腔物理長度為100mm、輸出鏡曲率半徑為200mm、透過率為10%時，閾值為7W，1.9μm Tm：YLF激光輸出特性最佳。

圖3 不同輸出鏡透過率和不同曲率半徑下Tm：YLF激光輸出特性

實驗采用YOKOGAWA公司生產的AQ6375光譜分析儀測量了在最高激光功率輸出的情況下Tm：YLF激光器的激光光譜，如圖4所示。激光輸出中心波長為1908.65nm，相應的激光線寬為0.22nm。實現了窄線寬激光輸出。

圖4 最高激光輸出功率時激光光譜圖

圖5 1.9μm激光輸出光斑及光束質量圖

除此之外，實驗還對1.9μm輸出激光的光斑和光束質量進行了測量，如圖5所示。采用Pyrocam III光束質量分析儀對激光的光斑和光束質量進行測量得出，在激光輸出15W時，沿x、y方向的光束質量分別為=1.31、=1.36。經計算激光束腰約為385μm，光束發散角為3.2mard。從2D激光光束剖面圖可以看出，此時激光輸出近似為基模輸出。

3 結論

基于Tm：YLF激光準三能級速率方程組，開展了對晶體的摻雜濃度和長度對激光輸出特性的影響進行分析，理論分析和實驗表明小尺寸Ho：YAG晶體摻雜原子分子數為0.3時，激光器效率較高。激光器輸出功率密度較大，因此散熱是關鍵問題，實驗驗證了板條激光介質和熱阻小的銦作為導熱介質，滿足連續運行嚴苛的工作條件。采用雙端泵浦結構和體光柵，并最終實現15.4W的激光輸出，斜率效率和光光轉化效率分別為32.4%和28.57%。激光的輸出中心波長為1908.65nm，0.22nm的窄線寬輸出。1.9μmTm：YLF窄線寬激光器為2μm激光器的研究打下了基礎。

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Laser Diode Dual-end-pumped Tm：YLF Laser

DONG Hang，LIU Jingliang，LI Yue，BAI Fang，JIN Guangyong，CHEN Xinyu
（School of Sciences，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

High power 2μm Tm：YLF laser has important applications in environmental monitoring，health care and other liveli?hood areas.And then Tm：YLF laser dual-end-pumped by laser-diode（LD）has been carried out.The effects of doping concen?tration and length of the crystal on the output characteristics of the laser were analyzed.The parameters of Tm：YLF laser crystal were optimized.The Tm：YLF crystal with the dimension of 3mm×3mm×14mm is doped with 3%Tm3+(atomic fraction).When the output mirror tranmittance is 10%，the maximum output power of 15.4W at 1.9μm obtained with 43.35W pumping power.At the same time，the slope efficiency of 32.4%and the optical to optical conversion efficiency of 28.57%are achieved.The free run?ning laser spectrum of Tm：YLF is measured by a spectrometer，the central wavelength is 1908.65nm，the linewidth is 0.22nm. When the output power is 15W，the beam quality factor figures are=1.31，=1.36.The output laser is similar to a TEM00 output.

laser technique；dual-end-pump；Tm：YLF laser

TN24，O043

A

1672-9870（2017）03-0001-04

2017-03-17

長春理工大學校青年基金（XQNJJ-2014-02）

董航（1992-），女，碩士研究生，E-mail：donghangwoo@126.com