2 089 nm調Q鎖模Tm,Ho∶CaYAlO4激光器

孫 銳， 令維軍， 陳 晨， 董 忠， 袁 振， 許 強， 張亞妮

(1. 天水師范學院 激光技術研究所， 甘肅 天水 741001； 2. 寶雞文理學院 物理與光電技術學院， 陜西 寶雞 721016)

1 引 言

全固態紅外激光器由于高輸出功率和優異的光束質量被廣泛應用于各個領域[1-5]，尤其是2 μm波段的超快激光因其光譜對應生物分子“指紋”區域，成為近幾年超快激光領域的研究熱點。被動鎖模技術是目前獲得2 μm超快激光的主要手段，因此探索合適的鎖模材料顯得尤為重要。最近在2 μm波段的超快固體激光器的相關報道中，一批具有優良性能的二維納米材料，如過渡金屬硫化物(TMDs)、碳納米管(CNTs)、氧化石墨烯(GO)等被證實在近中紅外波段超快激光器中具有廣泛的應用前景。其中，碳納米管具有較高的化學穩定性、弛豫時間相對較短、造價低廉利于大規模生產等優點，基于碳納米管的2 μm超快固體激光目前最高輸出功率為240 mW[6-8]。基于過渡金屬硫化物的2 μm固體激光器最大輸出功率也達到了500 mW[9-11]以上，雖然過渡金屬硫化物具有調制深度大、穩定性好等優點，但目前主要通過機械剝離法來制備，樣品面積普遍較小不利于大規模生產。

與碳納米管和過渡金屬硫化物相比，氧化石墨烯是通過熱剝離等方法從氧化石墨中獲得的。氧化石墨烯材料具有恢復時間短、寬帶吸收及損傷閾值高等優點，并且由于表面大量含氧官能團的存在，相較于其他材料更有利于鎖模器件的制備[12]，從2009年便開始了作為鎖模啟動元件的研究，但研究大都集中在1 μm波段。通過在Nd∶YVO4激光器腔內引入氧化石墨烯，在2013年就已經實現了瓦級以上的連續鎖模輸出[13]。2015年，Zhu等通過氧化石墨烯可飽和吸收體在Yb∶Y2SiO5激光器中獲得了脈寬763 fs的連續鎖模信號[14]。Wang等利用氧化石墨烯在Nd∶GGG晶體中實現了最高輸出功率408 mW的調Q運轉，脈沖寬度為237 ns[15]。到2018年，Ahmad等實現了中心波長1 555.7 nm、脈沖寬度1.18 ps的連續鎖模運轉[16]。而2 μm固體激光的報道很少，Zhang等利用氧化石墨烯在Tm,Y∶CaF2晶體中實現了調Q運轉[17]。2019年，本課題組在Tm∶LuAG激光器中通過氧化石墨烯實現了調Q鎖模運轉[18]。

晶體CaYAlO4(CYA)是一種通過提拉法生長的優良激光介質基質材料。由于CYA屬于鈣鈦礦型結構，因此與其他鈣鈦礦型晶體類似，是一種理想的激光基質[19-20]。而摻雜有Tm3+和Ho3+離子的Tm,Ho∶CaYAlO4，具有較高的吸收效率和較寬的調諧寬度，并且其可吸收光譜波長范圍較廣，吸收峰主要有691，797，1 212，1 694 nm[21]。目前該晶體的相關鎖模報道較少，僅Zhao等在2018年通過半導體可飽和吸收鏡實現了Tm,Ho∶CaYAlO4的87 fs連續鎖模運轉[22]。但半導體可飽和吸收鏡也同時存在著制造工藝相對復雜、造價十分昂貴等問題。所以探索更廉價高效的鎖模材料顯得尤為重要。

我們采用傳統的的X型五鏡腔，通過在腔內引入自制的GO可飽和吸收體，首次在Tm,Ho∶CaYAlO4激光器中實現了穩定的調Q鎖模運轉。采用3%輸出鏡時，將泵浦功率逐步提高到最大3 W時，獲得的最大鎖模輸出功率為213 mW，對應的鎖模脈沖的重復頻率為100 MHz，輸出鎖模脈沖中心波長2 089 nm，調制深度接近100%。

2 氧化石墨烯可飽和吸收體的制備

圖1 氧化石墨烯可飽和吸收體的實物圖(a)、電鏡圖(b)及拉曼光譜(c)。

Fig.1 Photo(a), SEM(b) and Raman spectrum(c) of the GO-Sas.

3 實驗裝置

如圖2所示為Tm,Ho∶CaYAlO4被動鎖模激光器的實驗裝置，諧振腔選用的是典型的X型五鏡腔結構，抽運源為最高輸出功率3 W、可調諧獲得800 nm左右近紅外光的可調諧摻鈦藍寶石激光器。激光晶體為Tm,Ho∶CaYAlO4，晶體內銩離子(Tm3+)和鈥離子(Ho3+)的摻雜濃度分別為6%和0.5%，晶體尺寸為3 mm×3 mm×4 mm，吸收峰為798 nm，端面為布儒斯特角切割。為了控制晶體的熱透鏡效應，保證激光器穩定運轉，需要冷卻激光晶體。使用薄導熱金屬銦箔將激光晶體完全包裹住僅保留兩個通光面，再將包裹好的晶體夾持紫銅冷卻夾具內，并在冷卻夾具內通入恒溫循環水對夾具進行冷卻，恒溫水設定維持在12 ℃左右。為了防止低溫下水冷夾表面出現冷凝水珠，我們將實驗室溫度保持在20 ℃，濕度維持在30%左右。對抽運光波長高透的聚焦透鏡(L)焦距f=150 mm，對抽運光透過率大于95%。圖中M1、M2選用的是Layertec公司生產的2 μm泵浦鏡，曲率半徑分別為100 mm和75 mm，對抽運激光高透，透過率大于95%，對2 μm振蕩光反射率大于99.9%。由ABCD矩陣計算模擬振蕩光斑，可得到在晶體中振蕩光斑大小約為58 μm，與經聚焦透鏡聚焦后的31 μm的抽運光斑比值接近于0.5，理論上抽運光與振蕩光形成了良好的匹配，可以獲得較高的輸出效率以及更低的輸出閾值。實驗中使用的氧化石墨烯可飽和吸收體損傷閾值約為750 μJ/cm2，為保證吸收體的正常運行需要保持表面能量密度低于其損傷閾值。M3選用曲率半徑為100 mm的平凹反射鏡，對2 μm振蕩光高反，反射率大于99.9%，M4是平面反射鏡，對2 μm振蕩光反射率大于99.9%。氧化石墨烯可飽和吸收體位于M3的焦點附近，由ABCD矩陣計算模擬振蕩光斑在可飽和吸收體表面的振蕩光斑約為163.6 μm。M5為輸出耦合鏡(Output coupler，OC)，對振蕩光部分透過，本實驗共選用了透過率為1.5%和3%兩種規格的輸出鏡。M6和M7為平面高反鏡，對抽運光高反，反射率大于99.9%。

圖2 Tm,Ho∶CaYAlO4被動調Q鎖模激光實驗裝置

Fig.2 Experimental setup of the passivelyQ-switched mode locked Tm,Ho∶CaYAlO4laser

4 分析與討論

采用圖2光路設計獲得如圖3(a)所示數據，由實驗數據發現，Tm,Ho∶CaYAlO4晶體擁有較高的泵浦光吸收效率，并且激光器的運轉狀態影響該晶體的泵浦光吸收效率。當鎖模激光器處于非運轉狀態時，Tm,Ho∶CaYAlO4晶體對抽運光的吸收效率約為89.7%；當實現連續光運轉時，由于激光運轉狀態下會快速消耗晶體內部的反轉粒子數，使得晶體吸收效率提高，激光晶體的吸收效率達到了95.5%左右。當Tm,Ho∶CaYAlO4激光器引入氧化石墨烯可飽和吸收體、處于被動調Q鎖模運轉時，激光晶體的吸收效率變化不大，仍然保持在95.5%左右。

如圖3(b)所示，當激光器處于連續光(CW)運轉狀態時，首先選用1.5%輸出耦合鏡，通過逐步調高抽運功率測得此時該諧振腔的出光閾值是238 mW；當抽運功率達到最大3 W時，獲得最高輸出功率為278 mW，對應的斜效率為13%。之后換成3%輸出耦合鏡，出光閾值提升至293 mW，最高抽運功率下對應的最高輸出功率達到309 mW，諧振腔斜效率提高到14.6%。當在平面反射鏡M4前引入氧化石墨烯可飽和吸收體之后，首先選用1.5%的輸出鏡，通過逐步調高抽運功率測得此時該諧振腔的出光閾值提升至305 mW；當再逐步提升抽運功率使晶體吸收抽運功率達到1 461 mW時，此時氧化石墨烯可飽和吸收體上對應功率密度約為194.28 μJ/cm2，激光器進入穩定的調Q鎖模運轉狀態；最后提升抽運功率到最大值3 W時，激光器獲得最大輸出功率為120 mW，斜效率為5.2%。之后換成3%輸出耦合鏡，此時諧振腔的出光閾值提升到339 mW；當吸收抽運功率達到1 859 mW時，氧化石墨烯可飽和吸收體上對應功率密度約為215.45 μJ/cm2，激光器再次進入穩定的調Q鎖模運行狀態；再提升抽運功率達到最大值3 W時，激光器最大輸出功率為213 mW，斜效率為10.1%。由表1的實驗數據可知，在保證實現調Q鎖模的前提下；選用3%輸出鏡，激光器可以獲得更高的輸出效率；選用1.5%輸出鏡，激光器可以獲得更低的閾值。所以我們在調Q鎖模運轉時可以根據需求選用合適的輸出耦合鏡。

圖3 實驗數據圖。(a)晶體吸收功率與入射抽運功率的關系；(b)連續光平均輸出功率和調Q鎖模功率與吸收抽運功率的關系。

Fig.3 Experimental data diagram. (a)Crystal absorbed powerversusthe incident pump power. (b)Average output power of continuous wave andQ-switched mode lockedversusthe absorbed pump power.

表1 不同激光運轉狀態下的激光輸出參數

如圖4所示為吸收抽運功率為2.5 W時的鎖模光譜，光譜圖數據由AVANTES生產的AvaSpecNIR256-2.5TEC光譜分析儀采集獲得，由實驗數據圖可以得到鎖模激光器輸出的鎖模脈沖的中心波長為2 089 nm，光譜的半高寬Δλ為14 nm。圖5是顯示在RIGOL生產的DS4024數字示波器上的調Q鎖模脈沖序列圖，示波器帶寬為200 MHz，探測器為EOT生產的快速光電二極管(ET-5000)。數字示波器所選掃描時間分別為1 ms、100 μs和10 ns。其中圖5(b)中的調Q包絡的寬度約為14 μs，調Q包絡的重復頻率為71.43 kHz，在調Q包絡下的鎖模脈沖頻率為100 MHz，經計算鎖模脈沖頻率符合1.5 m腔長所對應的理論重復頻率，鎖模脈沖的調制深度接近100%。

圖4 吸收抽運功率為2.5 W的鎖模光譜

由于調Q包絡的存在影響了利用自相關儀Pulse check 150獲取鎖模脈沖自相關曲線的準確性，所以沒能獲得準確的脈沖自相關信號。并且由于調Q鎖模的鎖模脈沖寬度遠大于自相關儀的脈沖測量上限35 ps，因此需要利用公式

(1)

根據示波器鎖模信號估算鎖模脈沖的寬度[25]。實驗中測得鎖模脈沖的上升沿時間tm≈1.8 ns，光電探測器自身的上升沿時間tp=35 ps，又因為對于示波器自身的上升沿時間t0有

t0×WB=0.35～0.4，

(2)

其中WB為示波器的帶寬，由此可估算得到實驗中的t0在等式右側取值為0.35時為1.75 ns，再根據實際脈沖寬度與實際上升沿時間的關系，可以估算出該脈沖的實際鎖模脈沖寬度約為524.81 ps。

圖5 掃描時間為2 ms(a)、100 μs(b)及10 ns(c)的鎖模脈沖序列圖。

Fig.5 Mode-locked pulse trains at 2 ms(a)， 100 μs(b) and 10 ns(c).

5 結 論

本實驗采用氧化石墨烯可飽和吸收體，首次在Tm,Ho∶CaYAlO4激光器中實現了調Q鎖模運轉。在3%輸出耦合鏡下，該激光腔出光閾值為339 mW，逐漸提高抽運功率，當吸收抽運功率達到1 859 mW時，Tm,Ho∶CaYAlO4激光器進入穩定的調Q鎖模運行狀態。當抽運功率達到3 W時，獲得中心波長為2 089 nm、斜效率為10.1%、對應最大輸出功率為213 mW的被動調Q鎖模脈沖，鎖模脈沖的重復頻率為100 MHz，調制深度接近100%。實驗結果證明GO可以作為2 μm波段Tm3+、Ho3+共摻CaYAlO4固體激光器被動調Q鎖模的快速啟動元件，具有潛在的開發應用價值。后期通過進一步優化可飽和吸收體、控制腔內色散將有可能獲得更窄的脈沖寬度。