緊湊高效型百瓦級2 μm 棒狀Tm∶YAG 激光器

吳健宏，杜仕峰，高 昀，王海龍，陳玲芝，王志超，薄 勇，崔大復，彭欽軍

（1.中國科學院理化技術研究所 固體激光重點實驗室，北京 100190；2.中國科學院理化技術研究所 功能晶體與激光技術重點實驗室，北京 100190；3.中國科學院大學，北京 100049；4.齊魯中科光物理與工程技術研究院，山東 濟南 250000）

1 引言

2 μm 激光具有高人眼安全性且位于水分子及CO2吸收峰附近，該波段的高功率激光器可廣泛應用于差分吸收激光雷達、微創醫療手術、大氣環境檢測以及材料加工等領域[1-4]。此外，2 μm 激光還可以作為可靠的光學參量振蕩器（OPO）泵浦源，直接產生中遠紅外波段激光[5-6]。除了兼顧高功率激光輸出外，許多應用對激光系統輕小化和可靠性的需求不斷提高，因此，結構緊湊、近室溫工作的高功率2 μm 激光器有助于推動其在相關領域的應用。

激光二極管（LD）側面泵浦棒狀增益介質具有結構簡單、熱分布均勻、吸收效率高等優點[7]，因此是研制緊湊型高功率激光器的理想方案之一。基于Tm3+離子摻雜晶體的3F4-3H6輻射躍遷可直接獲得2 μm 激光輸出[8]。在眾多基質晶體材料的選擇中，Tm∶YAG 具有較高的熱導率和良好的機械性能，有利于實現激光器高功率穩定運轉[9]。此外，Tm∶YAG 制備工藝成熟，加工成本低，有利于大規模生產從而滿足激光器廣泛應用的需求。Tm∶YAG 晶體的吸收帶位于785 nm 附近，與商用LD 的發射波長相匹配。其高效的交叉弛豫過程可以迅速積累上能級粒子數，使其成為近室溫下直接產生2 μm 激光的理想增益介質[10]。目前，國內外報道的側面泵浦棒狀Tm∶YAG 激光器輸出功率已經達到了百瓦級水平[11-14]。2002 年，Lai等[12]設計了一種復合拋物面聚光器（CPC），通過波長為785 nm 的三個LD 陣列對棒狀Tm∶YAG 晶體進行側面泵浦，并利用單個激光模塊搭建了諧振腔長度為125 mm 的平平腔。在晶體冷卻溫度為-10 ℃時，該激光器最終實現了150 W 的激光輸出，中心波長為2.02 μm，光-光轉換效率達16.3%，在輸出功率為135 W 的條件下，平均光束質量因子M2為34。為了實現百瓦級激光輸出，單個激光模塊的Tm∶YAG 激光器需要在低冷卻溫度下運轉，然而該溫度下晶體端面容易結霜并損傷光學膜層，從而降低了激光器的可靠性。因此，研究人員開始探索多個激光模塊串接的方法，以實現近室溫下的高功率激光輸出。2013 年，中國科學院理化技術研究所團隊報道了一種三個側面泵浦Tm∶YAG 激光模塊串接的激光器，其諧振腔長度為615 mm。在8 ℃的冷卻溫度下，最終實現了267 W 的2.07 μm 連續波激光輸出，光-光轉換效率達20.7%，斜率效率為29.8%，平均光束質量因子M2為25.4[14]。然而，多個激光模塊串接的高功率Tm∶YAG 激光器結構相對復雜，需要外接多臺水冷機和驅動電源，導致系統體積龐大，實用性受限。

限制Tm∶YAG 激光器在室溫下實現高功率輸出的主要因素在于Tm3+的準三能級結構，其下能級粒子數分布會隨溫度升高而增加，導致重吸收損耗也顯著增加[15]，所以需要借助強泵浦方式獲得更多的粒子數反轉。除此之外，設計結構緊湊的激光器還必須應對高強度泵浦引起的晶體熱效應，以及可能導致晶體碎裂的問題，這對熱管理措施提出了更高的要求。因此，在棒狀Tm∶YAG激光器研究中，實現近室溫下的高功率激光輸出并保持系統結構緊湊仍然面臨著挑戰。

本文報道了一種近室溫運轉、結構簡單緊湊的百瓦級棒狀Tm∶YAG 激光器。通過光線追跡法模擬了泵浦光在晶體內的分布，并據此優化了三向側面泵浦的激光模塊結構，提高了晶體內泵浦光的功率密度。模塊選用了低摻雜濃度雙端鍵合的Tm∶YAG 晶體棒以降低重吸收損耗并減緩熱透鏡效應。激光器的諧振腔采用平平對稱短腔結構，該結構腔內往返損耗和衍射損耗低，其幾何腔長僅88 mm。在冷卻溫度為12 ℃條件下，實現了最大功率119 W 的2.02 μm 激光輸出，光-光轉化效率和斜率效率分為別19.6%和32.7%。在最大輸出功率條件下，功率波動小于1%，測得的平均光束質量因子M2＜21.5。

2 實驗裝置與理論分析

圖1 為三向側面泵浦Tm∶YAG 激光模塊橫截面示意圖。該激光模塊尺寸為78 mm×103 mm×100 mm，由陶瓷漫反射器、Tm∶YAG 晶體棒、石英玻璃管、LD 陣列組成。Tm∶YAG 晶體棒的直徑為3 mm，總長度為74 mm，端面均鍍對2.02 μm 增透膜。其中晶體棒兩端通過擴散鍵合技術鍵合了19 mm 未摻雜的YAG，摻雜區域為36 mm。該設計可以有效降低晶體棒內部的熱梯度差，從而減緩由折射率梯度變化引起的熱透鏡效應[16]。Tm3+的摻雜濃度為3%，對于Tm3+的準三能級系統，較低摻雜有利于減少上轉換發光和重吸收損耗，從而降低激光器的閾值。與此同時，低吸收系數在緊湊的側面泵浦結構中有助于實現均勻的泵浦光吸收，進而改善晶體棒的熱效應。晶體棒放置在玻璃管的中心并通過冷卻水進行冷卻。三個LD陣列通過銅熱沉連接控溫，并且間隔120°對稱放置在一個特質陶瓷反射器外側。該激光模塊利用一個水冷機同時對LD 陣列和Tm∶YAG 晶體進行冷卻。實驗中的LD 陣列和晶體的冷卻水流量通過實驗優化后分別設定為4.5 L/min 和8 L/min，冷卻溫度為（12±0.2）℃，確保水流迅速帶走熱量。在該溫度下，LD 陣列的中心波長在最大驅動電流時為780.5 nm，發射譜線的半峰全寬（FWHM）約為1.7 nm，匹配了Tm∶YAG 較寬的吸收帶[17]。陶瓷反射器內表面對泵浦光的反射率＞97%，泵浦光通過反射器上37 mm 長、3 mm 寬的狹縫入射，經過玻璃棒和冷卻水折射的補償照射到晶體棒表面。未被吸收的泵浦光經過陶瓷反射器多次反射可被晶體充分吸收。

圖1 三向側面泵浦Tm∶YAG 激光模塊橫截面示意圖Fig.1 Cross-sectional diagram of three fold side-pumped Tm∶YAG laser module

為了在近室溫的條件下實現高功率激光輸出，通過縮短LD 陣列與晶體棒之間的距離可以提高耦合吸收效率，進而提高泵浦光功率密度；但是，泵浦光分布的均勻性將會相應地變差[18]，從而影響晶體棒內的熱梯度分布。因此，在保證均勻性的前提下，利用Zemax 軟件基于光線追跡法對泵浦光在晶體棒內的分布進行模擬，以優化激光模塊器件尺寸獲得較高的耦合吸收效率。最終設計的陶瓷反射器內徑為12 mm，玻璃管內徑為5 mm，厚度為2.5 mm，此時LD 陣列發光面到晶體棒軸線的距離為7 mm。通過軟件模擬，泵浦光在晶體棒內的理論分布如圖2 所示。從圖2 可以看出，泵浦光在晶體棒內分布較為均勻，晶體棒中心吸收強度略高于周圍區域吸收強度。經計算可得該激光模塊的耦合吸收效率約為80%，即單位體積內的泵浦光平均功率密度約為1.9 W/mm3，幾乎是之前報道的兩倍[11,14]。如此高的泵浦光功率密度有利于在近室溫條件下提高輸出功率和光-光轉換效率。同時，高均勻泵浦也有助于降低晶體棒內的熱梯度，減少折射率梯度變化對光束的傳輸和聚焦特性的影響，從而改善光束質量。

圖2 模擬的Tm∶YAG 晶體棒中心截面的泵浦光分布Fig.2 Simulated distribution of pump light in Tm∶YAG crystal rod at central section

Tm∶YAG 激光實驗裝置如圖3 所示。激光諧振腔由單個激光模塊和兩個平面鏡M1 和M2 構成，幾何腔長為88 mm，激光系統的占地面積僅為88 mm×103 mm（不包括水冷機）。平面高反鏡M1表面鍍有對2.02 μm 的高反膜（R＞99.5%），輸出耦合鏡M2 對 2.02 μm 激光部分透射。為了最大化實現高功率輸出，通過Findlay-Clay 方法[19]計算了M2的最佳耦合透過率，其值約為8%。由于實驗室缺少該透過率的耦合輸出鏡，因此，我們選取了透過率為6%和9.6%的耦合輸出鏡進行后續實驗。同時，為了防止晶體端面和光學器件表面結霜，實驗室的溫度保持在22 ℃，控制相對濕度＜30%。

圖3 Tm∶YAG 激光系統實驗裝置圖Fig.3 Schematic of experimental setup for Tm∶YAG laser system

3 結果與討論

3.1 激光輸出特性

首先，對激光器的輸出性能進行測試。使用功率計（Gentenc-EO,MAESTRO）測量了透過率為6%和9.6%的耦合輸出鏡時，不同泵浦功率下Tm∶YAG 激光器的連續波輸出功率，具體結果如圖4所示。當輸出耦合率為6%時，該激光器的功率閾值大約為200 W，隨著泵浦功率的增加，輸出功率線性增長。當總的泵浦功率達到最大609 W時，該激光器的最高輸出功率可達119 W，光-光轉換效率為19.6%，斜效率為32.7%。在輸出耦合率為9.6%的情況下，激光器的閾值提高至約255 W。這是由于激光器的閾值功率密度與耦合輸出損耗呈正相關關系[15]。當泵浦功率達到最大時，最高輸出功率可達110 W，光-光轉換效率為18%，斜效率為35%。根據綜合實驗結果，選用6%的輸出耦合鏡進行后續實驗。值得注意的是，在實驗過程中未觀察到激光輸出有飽和現象，這表明可以通過進一步增加泵浦功率來提高激光器的輸出功率。

圖4 不同透過率耦合輸出鏡時Tm∶YAG 激光器輸出功率隨泵浦功率的變化關系Fig.4 Output power of Tm∶YAG laser versus pump power for different output couplers

3.2 激光輸出光譜

圖5 給出了使用光譜儀（OceanOptics,NIRQuest256,探測范圍850～2 500 nm,分辨率＜10 nm）測得的Tm∶YAG 激光輸出光譜。從圖中可以看出Tm∶YAG 激光的中心波長為2.02 μm，譜線寬度約為13 nm。

圖5 Tm∶YAG 激光輸出光譜Fig.5 Output spectrum of Tm∶YAG laser

3.3 激光輸出穩定性

為了評估該激光器的穩定性和可靠性，在最大輸出功率下，記錄了激光器連續運行2 h的功率波動數據，結果如圖6所示。測量結果表明，Tm∶YAG 激光器的最大平均輸出功率為118.8 W，功率波動小于1%。從圖中可觀察到，輸出功率呈現出微小的周期性起伏，這一現象可能源自水冷機控溫精度的波動以及工作電流的不穩定[20]。在近室溫條件下，晶體端面及其他光學器件沒有出現結霜現象，同時晶體沒有出現損傷，這表明該激光器具備長時間穩定工作的能力，能夠滿足相關領域對功率穩定和裝置可靠性的要求，具有廣泛的應用價值和前景。

圖6 2 h 內Tm∶YAG 激光器輸出功率穩定性測量Fig.6 Measured output power stability of Tm∶YAG laser over 2 h

3.4 激光光束特性

在最大輸出功率條件下，對Tm∶YAG激光器輸出的光束質量因子M2進行了測量。激光輸出光束經過兩個楔形鏡反射后通過一個焦距為150 mm的平凸透鏡聚焦。利用紅外相機（Spiricon Pyrocam IIIHR）測量沿光軸不同距離處的光斑4-sigma直徑，結果如圖7所示。使用BeamSquared?光束質量分析軟件對測量數據進行擬合，得到了激光輸出光束在x和y方向上的光束質量因子和分別為21.01和21.68。插圖為紅外相機在焦點附近采集的遠場光斑二維強度分布，表明Tm∶YAG激光器為多橫模模式運轉。

圖7 在最大輸出功率下測得的Tm∶YAG 激光器在x 和y軸方向的光束質量。插圖：光束的二維強度分布。Fig.7 Measurement of the beam quality factor for the Tm∶YAG laser at the maximum output power.Inset：farfield two-dimensional beam intensity distribution.

4 結論

本文通過理論模擬對LD 側面泵浦的Tm∶YAG 激光模塊結構進行優化設計，提高了晶體棒內泵浦光功率密度，結合高效的熱管理和諧振腔優化，實現了近室溫下高功率和高效率的2.02 μm 激光輸出。激光模塊中LD 陣列和晶體的溫度控制在近室溫12 ℃。經實驗優化后選用透過率為6%的輸出鏡，在泵浦功率為609 W 時，Tm∶YAG 激光的最大輸出功率為119 W，中心波長為2.02 μm，對應的光-光轉換效率為19.6%，斜率效率達32.7%。實驗測得的光束質量因子和分別為21.01 和21.68。在最大輸出功率下，該激光器在2 h 內的功率波動小于1%，且沒有觀察到晶體端面或光學器件結霜以及晶體損傷等現象。除此之外，該激光器模塊和諧振腔的設計簡單緊湊，相對于光纖耦合LD端泵的Tm∶YAG 激光器而言，LD 側泵Tm∶YAG激光器光學元件數量少，幾何腔長短，且易于調整和維護。同時模塊僅采用一個水冷機進行冷卻，大幅減少了整個激光系統的體積。這種結構緊湊、可靠性高的百瓦級2 μm 棒狀Tm∶YAG激光在醫療和科研等各領域具有廣泛的應用前景和使用價值。

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