2.94 μm LiNbO3 聲光調Q Er:YAG激光輸出脈沖特性*

王滔寧 姜玲玲 程庭清 王禮 江海河

1) (中國科學院合肥物質科學研究院,健康與醫學技術研究所,合肥 230031)

2) (中國科學技術大學,合肥 230026)

3) (中國科學院合肥物質科學研究院,安徽光學精密機械研究所,合肥 230031)

1 引言

Er:YAG 激光器可以實現2.94 μm 窄脈寬和高峰值的相干光輸出,具有廣泛的科學研究和應用需求.一方面,2.94 μm 納秒脈沖Er:YAG 激光是寬調諧中紅外激光器理想的固體泵浦激光源.對于具有優異特性的中紅外寬調諧Fe:ZnSe 或CdSe或CdTe 等激光器,室溫下需要3 μm 波段脈沖寬度小于Fe2+熒光壽命(300 ns)的窄脈沖激光器作為泵浦源,納秒Er:YAG 固體激光泵浦源相比HF氣體激光器、非線性頻率變換光源具有系統簡單、廉價和可集成等優點[1–3].對于科學研究廣泛采用的中紅外非線性參量激光,納秒Er:YAG 脈沖激光2.94 μm 的較長泵浦波長更接近非線性參量輸出波長,有利于減少參量轉換中的量子虧損,提高光光轉換效率,可獲得更大的輸出能量[4–6].另一方面,相比常規的數百微秒長脈沖Er:YAG 激光,納秒激光脈寬遠小于牙硬組織的熱馳豫時間(約24 μs)[7],可以極大地減少在牙硬組織消融過程中的熱量積累,避免對消融組織及周圍組織的熱損傷[8,9].因此,發展2.94 μm Er:YAG 納秒脈沖激光技術有助于促進中紅外激光技術的發展和應用.

調Q技術是目前獲得納秒窄脈寬、高峰值功率脈沖的一種主要手段,分為主動調Q和被動調Q.其中,主動調Q包含聲光調Q和電光調Q.由于被動調Q脈沖發生的時間不可控,而主動電光調Q需要在腔內插入偏振器、且熱退偏效應導致的退偏損耗較大[10,11],在較高重復頻率下難以獲得較大的脈沖激光能量.由于聲光調Q具有結構簡單、摻入損耗低等特點,可避免退偏損耗和實現脈沖可控,聲光調Q開關和調Q已成為3 μm 和中紅外波段激光的研究重點.Schnell 等[12]在1990 年研制了閃光燈泵浦Er:YAG 聲光調Q激光器,采用鍺晶體作為聲光調Q開關,獲得了9.3 μJ,100 ns脈沖激光輸出.由于缺乏低損耗、高損傷閾值的中紅外聲光晶體,限制了該波段聲光調Q激光輸出能量.研究人員也一直努力在尋找3 μm 波段新型聲光開關.2019年,Pushkin 等[13]將KG(WO4)晶體成功用于閃光燈泵浦的Er:YAG 聲光調Q激光器,在2 Hz 重復頻率下獲得了12.5 mJ,100 ns脈沖激光輸出,但是該晶體生長過程復雜,價格昂貴.相對于KG(WO4)晶體,LiNbO3晶體不僅生長容易、價格便宜、性能穩定,而且擁有優秀的聲光特性,在3 μm 波段具有較高的抗損傷閾值(>200 MW/cm2)和較高的透過率(90%)[11].前不久,本研究組[14]成功實現了將LiNbO3晶體用作聲光Q開關對Er:Cr:YSGG 激光器進行聲光調Q.但是,目前還沒有見到更接近3 μm 波長的聲光調Q激光研究的報道.

本文制備了2.94 μm Er:YAG LiNbO3聲光調Q激光器,研究了20 Hz 重復頻率下的激光輸出脈沖特性,探究了不同延遲時間和透過率對激光輸出脈沖特性的影響規律,設計凹凸諧振腔補償熱透鏡效應,明顯提高了激光器輸出能量,實現了LiNbO3聲光調QEr:YAG 激光器穩定調Q高能量激光穩定輸出,適合于中紅外寬調諧激光器的泵浦和激光牙組織的無熱損傷的應用研究.

2 實驗設置

實驗裝置如圖1 所示,Er:YAG 晶體棒長度為Φ4 mm×105 mm,其中Er3+離子摻雜原子濃度為50%.晶體棒兩端鍍有2.94 μm 增透膜.諧振腔腔長255 mm,HR 為反射率大于99%的全反鏡,OC為輸出耦合鏡.由于Er:YAG 晶體上能級壽命為120 μs,為了能夠滿足使粒子數盡可能反轉的同時盡可能地減小熱效應,并考慮到激光調Q振蕩特性,實驗中閃光燈的泵浦脈寬選取在150 μs.用壓縮機制冷去離子水并通過水循環帶走泵浦光在激光晶體中產生的剩余熱量,水溫保持在(291±0.3) K,流量為33 L/min.本實驗中采用新型的LiNbO3晶體作為調Q開關,晶體兩端鍍有2.7—3.0 μm增透膜,聲光開關放置在激光晶體與全反鏡之間并靠近晶體端面的位置.聲光開關射頻頻率為40.68 MHz,最大電驅動功率40 W.

圖1 LiNbO3 聲光調Q Er:YAG 激光器實驗裝置圖Fig.1.Schematic diagram of the Er:YAG laser system with LiNbO3-based acousto-optic Q-switch.

3 實驗系統及測量結果

測量晶體熱焦距可為在一定的泵浦功率范圍內對激光器進行熱透鏡效應補償提供依據,以此設計合適的熱補償腔型,改善激光器輸出性能,提高輸出能量.利用臨界腔法測量了20 Hz 下Er:YAG晶體熱焦距,結果如圖2 所示.

圖2 熱焦距隨泵浦功率變化趨勢Fig.2.Trend of thermal focal length with pump power.

根據 ABCD 矩陣計算可知,當采用平凸腔進行熱焦距補償時,凸面鏡曲率為–5 mm,不符合實際,所以設計凹凸腔對晶體熱焦距進行補償.根據實驗室現有條件,選擇輸出鏡(OC)曲率半徑為–216 mm,計算可得全反鏡(HR)曲率的取值范圍為(288.18,+∞).在使用凹凸腔補償熱透鏡效應時,應使得g1g2的乘積盡可能接近0.5.在 Matlab中模擬可知,隨著全反鏡曲率增大,g1g2的乘積增長速度越來越緩慢,最后近似不再增長,如圖3 所示.

圖3 諧振腔穩定性 g1g2 與全反鏡曲率半徑變化關系Fig.3.Stability of the resonant cavity g1g2 versus radius of curvature variation in total reflectors.

據實驗室現有條件,采用曲率半徑分別為680,1000 和5000 mm 凹面鏡進行對比實驗,為保護腔內元件,輸出鏡反射率為70%,使用能量計(COHERENTJ-50-MB-IR)對輸出能量進行測量.結果如圖4 所示.

圖4 不同曲率半徑下激光器輸出能量曲線對比Fig.4.Comparison of laser output energy curves at different radii of curvature.

由圖4 可以看出,全反鏡曲率半徑為5000 mm時,激光器輸出能量最大,補償效果最好,從實驗上驗證了模擬結果.激光器在平平腔中輸出能量最大為180.6 mJ,在凹凸腔中輸出能量最大為771.3 mJ,提高了4.27 倍.凹凸腔結構有效補償了Er:YAG 晶體中熱效應,實現了穩定靜態輸出,為后面調Q實驗提供了實驗基礎.

4 結果與討論

4.1 調Q 延時對激光器輸出性能的影響

理論分析可知,Q開關打開最佳時間應該位于泵浦后時候的某一時刻,此時增益介質上能級的反轉粒子數達到最大值.當Q開關過早打開時,由于增益介質上能級的反轉粒子數沒有達到最大值就開始起振,調Q輸出能量會出現下降,而后繼積累的上能級粒子還可能出現多脈沖現象;當Q開關打開過晚時,由于增益介質較短壽命的上能級粒子自發輻射損耗,將降低激光輸出脈沖能量.因此,需要找到一個最佳的調Q延遲時間,使得激光器實現輸出能量最大.根據氙燈泵浦脈寬,將延遲時間分別設置在110,130,150,170,190,210 μs 進行實驗,平平腔的實驗結果如圖5 所示.

圖5 不同調Q 延時下輸出能量隨泵浦能量變化特性曲線Fig.5.Characteristic curves of output energy versus pump energy with different Q-delays.

從圖5 可以看出,當調Q延遲時間在110—170 μs 之間時,在低能量泵浦情況下,由于Er:YAG激光閾值較高,超過閾值之上的泵浦能量就顯得較少,此時泵浦脈寬對LiNbO3聲光調QEr:YAG 激光器輸出能量的影響差別不大.繼續增加泵浦能量,可以發現: 輸出能量隨著泵浦能量的增加而增加,在泵浦能量為46 J時,激光輸出能量達到最大;隨后,由于大的泵浦伴隨著強的熱效應影響,激光輸出能量隨著泵浦能量的增加而減小.調Q延遲時間為170 μs時,激光器實現了輸出最大的調Q能量,當延遲時間超過190 μs 時激光器的輸出能量出現了明顯下降,其原因是由于Er:YAG 增益介質上能級4I11/2壽命僅為120 μs,延遲時間太長即Q開關打開過晚時,增益介質上能級壽命遠小于該時間,自發輻射將損耗大量的上能級粒子,導致激光輸出脈沖能量的下降.170 μs 為本激光器系統最佳的調Q延遲時間.

4.2 輸出耦合鏡反射率對激光器輸出性能的影響

為了研究不同反射率對調Q激光輸出特性的影響,在重復頻率為20 Hz 的條件下,將輸出耦合鏡反射率設置為70%,75%,80%,85%進行實驗,平平腔的實驗結果如圖6 所示.

圖6 20 Hz 時不同反射率下調Q 輸出能量隨泵浦能量變化的特性曲線Fig.6.Characteristic curves of the output energy of Qswitched laser versus pump energy at 20 Hz with different reflectivities.

由圖6 可以看出,當輸出耦合鏡的反射率分別為70%,75%,80%,85%時,LiNbO3聲光調QEr:YAG 激光器的最大輸出能量分別為16.56,21.69,28.24,30.53 mJ.在上述實驗中,反射率為85%的耦合鏡輸出的激光調Q能量最大,達到了30.53 mJ,對應的峰值功率為244.63 kW.由于反射率為90%時的耦合鏡會進一步提升腔內激光功率密度,腔內是腔外的19倍,這可能對諧振腔鏡和晶體的膜層造成損傷.所以,未進行反射率為90%的輸出耦合鏡相關的調Q實驗.

4.3 熱效應對激光器輸出特性的影響

為研究熱效應對激光器輸出特性的影響,設計了凹凸腔與平平腔的對比實驗.為了防止腔內能量密度過高而導致腔內光學元件發生損傷,在20 Hz重復頻率下,采用反射率為70%的輸出耦合鏡進行實驗.由圖7 可知,在泵浦能量小于46 J 區間,平平腔輸出激光能量隨著泵浦能量的增加而增加;在泵浦能量大于46 J 區間,由于熱效應嚴重未得到補償,激光能量隨著泵浦能量的增加而下降.而在凹凸腔中,其輸出激光能量隨著泵浦能量的增加一直在增加.結合圖8 可知,平平腔和凹凸腔中最大脈沖能量分別為16.56 mJ 和34.68 mJ,對應的脈沖寬度分別為154.7 ns 和119.9 ns.相比平平腔,凹凸腔的激光器輸出能量提高了2.09倍,且脈沖寬度壓縮1.29 倍.因此,合適的凹凸腔結構可以在一定泵浦功率范圍內有效改善激光器的輸出特性.

圖7 不同腔型下脈沖能量隨泵浦能量的變化曲線Fig.7.Curves of pulse energy with pump energy under different cavity types.

在凹凸腔的實驗中發現,當泵浦能量超過49.5 J以后,進一步增加泵浦能量,其脈寬突然變大,這表明發生了漏光現象,其原因是調Q開關超聲驅動功率不足,以至于Q開關無法關死,激光脈沖中含有少部分靜態激光,激光器調Q性能下降低.

另外,為研究LiNbO3聲光調QEr:YAG 激光器的穩定性,在重復頻率20 Hz下,測試了30 min的激光輸出脈沖能量.結果如圖9 所示,激光器的不穩定性(SD)小于4.09%.說明該激光器具有較高的穩定性,能夠在長時間下穩定工作.

圖9 30 min 內激光器輸出能量的穩定性Fig.9.Stability of the laser output energy within 30 min.

5 結論

本文使用LiNbO3晶體作為聲光Q開關研制了閃光燈泵浦聲光調QEr:YAG 激光器,首次實驗證實了LiNbO3可用于2.94 μm 激光調Q,并研究了輸出脈沖特性,在20 Hz 重復頻率下,獲得了激光最大輸出能量34.68 mJ 的聲光調Q脈沖,為目前該波長聲光調Q激光器最高輸出能量;2.94 μm調Q激光器可實現200—300 ns 脈沖激光輸出,與中紅外寬調諧Fe:ZnSe 激光上能級壽命相匹配;稍寬的納秒鉺激光有助于提升激光組織消融效率.研制的LiNbO3聲光調QEr:YAG 激光器可以實現穩定運行,在30 min 內能量標準偏差SD 小于4.09%.本文LiNbO3開關為3 μm 波段聲光調Q技術研究提供了新的途徑,有助于拓展調諧中紅外激光和臨床醫療研究.