作者简介:任席奎(1986—),男(汉族),湖北省随州市人,深圳大学博士研究生.E-mail:mailrenxikui@163.com
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深圳大学光电工程学院,深圳市激光工程重点实验室,先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室,深圳 518060
Ren Xikui, Li Chunbo, Wang Dongdong, Du Chenlin, and Ruan ShuangchenCollege of Optoelectronic Engineering, Shenzhen Key Laboratory of Laser Engineering, Key Laboratory of Advanced Optical Precision Manufacturing Technology of Guangdong Higher Education Institutes, Shenzhen University, Shenzhen 518060, P.R.China
optoelectronics and laser technology; solid laser; Tm:YAP; acousto-optic Q-switched; Tm-doped solid laser; high power
DOI: 10.3724/SP.J.1249.2015.04411
报道一种室温下连续运转、结构紧凑、高效率、高功率L型折叠腔掺铥固体激光器.采用793 nm波长半导体二极管激光器对掺杂摩尔分数3%的 Tm:YAP 晶体进行双端泵浦,当泵浦功率120 W时,获得42 W中心波长1 988 nm的连续输出激光.声光调Q运转时,在重复频率10 kHz,泵浦功率120 W时, 平均输出功率达到39.4 W, 脉宽247.5 ns, 单脉冲能量3.94 mJ, 峰值功率16 kW, 斜率效率为35%.
We demonstrate a simple, compact and highly-efficient L-cavity-thulium-doped laser system working at room temperature.The Tm-doped Tm:YAP crystal is pumped by two 793 nm laser diodes at both ends of the crystal. Mole fraction of the Tm3+ in Tm:YAP crystal is 3%. With an incident pump power of 120 W, a maximum continuous-wave output power of 42 W is obtained at 1 988 nm. The average power of 39.4 W, a peak power of 16 kW, a single pulse energy of 3.94 mJ and a pulse width of 247.5 ns are achieved at pulse recurrence frequency of 10 kHz under an incident pump power of 120 W by using an acousto-optic Q-switch, and the slope efficiency is 35%.
2 μm波段激光具有对水汽强烈吸收峰,对人眼安全等特点,使其在大气传感、医学和空间光通信领域有着广阔的应用前景[1-3].同时,2 μm激光器又可作为光学参量振荡产生中红外激光的泵浦源[4].Tm3+对800 nm附近激光吸收较强,可用商用GaAlAs二极管激光器高效泵浦产生2 μm左右激光.
近年来,国内外展开大量关于2 μm附近固体激光器的研究,2012年,Li等[5]介绍一种二极管双端泵浦的 Tm:YAP 激光器,其在1 988 nm处最大连续输出功率为14.7 W,斜率效率为43.8%,光光转换率为35.1%,M2因子为1.9.同年,Cao等[6]采用二极管侧面泵浦Tm:YAG晶体,获得171.4 W的平均输出功率,光光转换率为13.3%,斜率效率为18.9%.2013年,Gorajek[7]在直腔内泵浦Tm:YLF晶体,获得平均功率为25 W,脉宽11 ns,峰值功率为0.5 MW的激光输出.Meissner等[8]设计一种激光二极管部分端面泵浦混合腔板条Tm:YLF激光器,输出功率200 W,光光转换效率24%,斜率效率为27%.Shen等[9]采用4个二极管泵浦Tm:YLF产生的1 908 nm激光泵浦Ho:YAG晶体,最终获得111 W的2.12 μm激光输出.Wang等[10]利用LD侧面泵浦3个Tm:YAG晶体,在2.07 μm处得到267 W的激光输出,光光转换效率为20.7%,斜率效率为29.8%.2014年,Zhang等[11]报道一种在近室温条件下连续运转的二极管侧面泵浦Tm,Ho:YAG激光器,在温度6 ℃时,得到37.24 W的激光输出,斜率效率为16.7%.Duan等[12]采用LD泵浦Tm:YLF板条型晶体,采用布拉格光栅与法布里珀罗标准具进行调谐,获得最大输出功率为115 W,线宽为0.1 nm,最大斜率效率为38.4%,中心波长为1 908 nm的激光输出.同年,Yao等[13]利用Tm:YLF产生的两束偏振方向正交的1.9 μm激光双端泵浦Ho:YAG晶体,得到2 μm的激光输出,最高连续输出功率为61.9 W,单脉冲能量接近2.84 mJ.2015年,Kwiatkowski等[14]报道了基于Ho:YLF的主振荡功率放大(master oscillator power amplifier,MOPA)系统,Ho:YLF由掺铥光纤激光器泵浦,当泵浦功率为82.5 W时,连续波输出功率是24.5 W,在重复频率1 kHz时,脉宽为22 ns.
由于光纤元器件的不断发展,掺铥光纤激光器近年来得到快速发展.2012年,Tang Yulong等[15]采用LD泵浦掺铥光纤,在2 019 nm波长处实现了137 W的激光输出,光光斜率效率为62%.2013年,Stutzki等[16]报道一种高脉冲能量和高平均功率的调Q掺铥光纤振荡器,脉冲能量为2.4 mJ,平均功率为33 W.2014年,Hu等[17]使用LD泵浦双包层掺铥石英光纤,在波长1 908 nm处得到输出功率227 W,斜率效率达到54.3%,光光转换率为51.2%.Stutzki等[18]发布一种基于掺铥石英光纤的啁啾脉冲放大系统,输出平均功率为152 W,峰值功率达到4 MW.Yin等[19]采用MOPA技术,种子信号经过两级放大,在1 950 nm处得到115 W的输出,斜率效率为51.7%.同年欧阳德钦等[20]报道一种百瓦级全光纤化掺铥光纤激光器,基于线型腔实现中心波长约1 945 nm、功率为150 mW的连续光输出,采用3级MOPA结构,实现123 W的掺铥光纤激光输出,斜率效率为59.1%.2015年,Wang等[21]采取全光纤MOPA结构,在1 971 nm处获得310 W的单频激光输出,斜率效率为56%.
与光纤激光器相比,固体激光器光束质量好,信噪比高,可获得较高功率的脉冲输出.目前掺铥固体激光器要获得高功率,一般都采取侧面泵浦的方式或者是采用板条状激光晶体,但是侧面泵浦产生的激光光束质量差,板条激光晶体的加工难度大、成本高.YLF晶体热稳定性差,在高功率输出时,热透镜效应严重.YAG晶体截面吸收系数小,转换效率低.本研究通过优化谐振腔型,选用L型腔,在室温下使用GaAlAs激光二极管激光器双端泵浦b轴切割的3 mm×3 mm×20 mm普通条状Tm:YAP晶体,20 ℃循环冷却水恒温制冷,在泵浦功率为120 W时,获得42 W中心波长为1 988 nm的连续光输出.声光调Q运转时,在重复频率为10 kHz,泵浦功率为120 W时,输出激光的平均功率为39.4 W,脉宽为247.5 ns,单脉冲能量为3.94 mJ,峰值功率为16 kW,斜率效率为35%.
激光器设计采用紧凑的三镜L型腔,利用ABCD矩阵对谐振腔进行了分析与设计.
[a b
c d]=[1 L2
0 1][1 0
-1/f 1][1 L1
0 1](1)
[A B
C D]=[1 0
-(R1)/2 1][d b
c a][1 0
(-R2)/2 1][a b
c d]
[1 0
-(R1)/2 1](2)
G1=(a-b)/R1(3)
G2=(d-b)/R2(4)
其中, 式(1)为谐振腔的单向矩阵; 式(2)为自入射高斯光束至透镜出射面的变换矩阵; G1和G2均为谐振腔稳定性参数; L1为泵浦镜至晶体中心的距离; f为晶体的热焦距; L2为晶体中心至输出耦合镜的距离; R1和R2分别为泵浦镜与输出耦合镜的曲率半径. 经过计算可知, 晶体中心处的模半径是 220 μm,输出镜处模半径为390 μm. 为此, 选用 1.0:1.5 的激光扩束器,使泵浦光与激光谐振腔模式匹配.
激光器高功率运转时,Tm:YAP晶体的热透镜效应对激光器的功率稳定性、光束质量和斜率效率等有显著影响[3- 4].实验发现,对谐振腔进行优化设计,可以显著减少晶体的热透镜效应对谐振腔稳定性影响. 图1为激光器稳定性参数G1G2与晶体热焦距的关系.计算可知,当Tm:YAP晶体热焦距大于30 mm时, 0<G1G2<1, 谐振腔可处于稳定状态.由图1可见,实验采用的L型折叠腔,其热焦距在很大范围内变动时,都可使谐振腔稳定,这说明谐振腔的设计有效补偿了热透镜效应,有利于激光器在高功率状态下的稳定输出.
图1 G1G2与热焦距的关系
Fig.1 G1G2 versus thermal focal length
实验装置如图2. 其中,LD1和LD2是两个793 nm的半导体二极管激光器,通过芯径为200 μm光纤,耦合进1.0:1.5的激光扩束器,会聚于b轴3 mm×3 mm×20 mm Tm:YAP切割的晶体中心,晶体掺杂摩尔分数为3%,两端镀有1 900~2 100 nm以及790~795 nm的增透膜,晶体用1 mm厚的铟片包裹置于紫铜夹具之中,20 ℃恒温循环水冷; M1是平凹反射镜,曲率半径为100 mm,对1 900~2 100 nm高反,对793 nm高透; M2为45°平面反射镜,对1 900~2 100 nm高反,对793 nm高透; M3为输出镜,曲率半径是100 mm,对1 900~2 100 nm的透过率为15%; 声光Q开关位于M2与M3之间,功率计置于输出镜M3之后.M1与M2之间的距离约为450 mm,M2与M3之间的距离约为80 mm.实验室室温21 ℃,相对湿度为51%.
激光器处于连续运转状态,采用傅里叶光谱仪(型号为TENSOR 27)测得的输出激光光谱如图3.可见,激光中心波长为1 988 nm,谱线宽度约为1.2 nm.
实验测得该激光器在连续工作方式下的泵浦-输出功率曲线如图4.激光器阈值为5.6 W,随着泵浦功率的提高,输出功率呈线性增加,当输入功率增至120 W时,得到连续输出功率为42.9 W,斜率效率为36.3%.为保护晶体,实验中未进一步提高泵浦功率.由图4可见,该激光器的输出功率没有出现饱和迹象,功率输出稳定.这说明该激光器的谐振腔可有效抑制Tm:YAP晶体的热透镜效应,适合高功率稳定输出.
图5为激光器脉冲运转状态时,采用傅里叶光谱仪测得输出激光的光谱,谱线宽度约为4 nm,相比连续输出光谱有所展宽.
在调制脉宽10 μs、重复频率10 kHz条件下,逐步加大泵浦功率,测量输出功率,得到泵浦-平均输出功率曲线如图6. 可见,平均输出功率随着泵浦功率呈线性变化,当输入功率增加到120 W时,脉冲平均输出功率达到39.4 W.图7为调Q泵浦功率-峰值功率曲线,随着泵浦功率的增加,峰值功率也不断增加,并未出现饱和趋势,但为了保护晶体,没有继续增加泵浦功率.当泵浦功率达到120 W时,输出平均功率为39.4 W,脉宽为247.5 ns,峰值功率约为16 kW.图8为泵浦功率120 W时,由示波器观测到的调Q序列,可见,重复频率为10 kHz,脉冲稳定性很好.图9为泵浦功率120 W,重复频率10 kHz时的单脉冲波形,脉宽为247.5 ns.
在上述实验条件下测得输出激光脉冲脉宽(图 10),发现随着泵浦功率的提高,脉宽有变窄的趋势,当泵浦功率为110 W时,
得到最脉宽为227.5 ns.
本研究介绍一种结构简单紧凑、高效率、高功率的2 μm 折叠腔固体激光器,采用双端抽运Tm:YAP晶体方案,在连续状态下,泵浦功率为120 W时,输出功率为42 W.当激光器处于脉冲工作状态,泵浦功率为120 W,重复频率为10 kHz时,平均输出功率为39.4 W,脉宽为247.5 ns,单脉冲能量为3.94 mJ,峰值功率为16 kW.激光器输出功率随泵浦功率的增加呈线性增加,未出现饱和现象,在保证激光器件不损坏的条件下,可通过增加泵浦功率获得更高功率的激光输出.说明此激光器的谐振腔设计合理,有效抑制了Tm:YAP晶体的热透镜效应,适合大功率运转.
深圳大学学报理工版
JOURNAL OF SHENZHEN UNIVERSITY SCIENCE AND ENGINEERING
(1984年创刊 双月刊)
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编辑出版 深圳大学学报理工版编辑部
主 编 阮双琛
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