全固態可調諧脈沖鈦寶石激光系統設計

陳喆，庫耕，萬俊超，王偉，周傳清

1 上海交通大學生物醫學工程學院，上海市，200240

2 上海奧通激光技術有限公司，上海市，200240

0 引言

從1982年Peter F.Moulton在麻省理工學院的Lincoln實驗室首先發現摻鈦藍寶石晶體可產生調諧激光以來[1]，鈦寶石激光器的應用價值引起了人們的廣泛關注。鈦寶石激光器是迄今為止輸出光譜在近紅外波段調諧范圍最寬的固體激光器之一，若輔之以非線性光學的頻率變換技術，制成波長可調諧的鈦寶石激光器[2]，可滿足生物成像、診斷和治療等諸多領域的應用需求。

鈦寶石激光器可以在多種模式下運轉，其中采用倍頻脈沖Nd:YAG激光器進行縱向泵浦是目前獲得穩定輸出的主要方法[3]。要得到更高的輸出功率，就要提高泵浦光的注入功率，然而這將受到晶體損傷閾值的限制。本實驗采用雙向[4]、旁軸泵浦鈦寶石晶體，能解決這一限制問題，提高激光器的光能轉化效率。

本實驗搭建了一套穩定的倍頻調Q脈沖Nd:YAG激光器，它由內循環水冷系統冷卻，具有良好的穩定性和高的激光脈沖能量。通過調節KTP晶體的旋轉角度，可以使Nd:YAG激光器同時出射1064 nm和532 nm波長的激光，再次使用KTP倍頻晶體倍頻的1064 nm波長激光，泵浦鈦寶石激光器的振蕩級，同時用Nd:YAG激光器直接出射的532 nm波長激光泵浦鈦寶石激光器的放大級，從而實現了鈦寶石激光器輸出激光的產生和二次放大，最終輸出毫瓦級、寬調諧的脈沖激光。由于其穩定、寬調諧等特性，使其成為很多醫用成像儀器的理想光源，適用于光聲成像等諸多生物醫學成像領域。

1 系統設計及裝置

根據系統設計要求，該激光器應有良好的激光輸出特性（如激光單脈沖能量、激光耦合效率、光斑質量等），又要有良好的穩定性和可重復性（特別是大功率時，鏡片膜層容易損壞）。

1.1 鈦寶石激光器泵浦源、振蕩級、放大級的結構設計

經典泵浦源結構設計使用KTP晶體倍頻1064 nm波長激光，并用其產生的532 nm激光同時泵浦鈦寶石激光器的振蕩級和放大級，但因為KTP晶體的倍頻效率有限[5]（一般為70%～80%），并且1064 nm激光不能直接用來泵浦鈦寶石晶體，所以泵浦光的總能量利用率較低。本實驗泵浦源設計見圖1。實驗裝置采用恒溫控制的內循環水冷系統冷卻，保證泵浦源長時間工作的穩定性。泵浦源結構設計在之前設計[6]的基礎上做出改進，適當調節KTP晶體主光軸的旋轉角度，改變倍頻效率，使其出射的1064 nm激光在鈦寶石激光器模塊內再次倍頻產生532 nm激光，并用其泵浦鈦寶石激光器的振蕩級；Nd:YAG激光器同時出射的532 nm激光用于泵浦鈦寶石激光器的放大級，提高了總能量利用率。

鈦寶石激光器諧振腔的設計中，采用了雙向、旁軸泵浦的兩鏡直腔法[7-8]，如圖2虛線上部所示。雙向泵浦時，泵浦光的峰值功率分散在鈦寶石晶體的兩對稱面（鈦寶石晶體尺寸：6 mm×10 mm×23 mm），從而可以在不損壞鈦寶石晶體的條件下，提高泵浦光的注入功率[9]。由于泵浦光（532 nm）和鈦寶石晶體產生的振蕩光（理論峰值波長790 nm）的布儒斯特角不同，且考慮到二者同軸時，鏡片鍍膜不易達到要求，所以二者光軸偏離4o～5o(偏離過大時，激光模式由低階模向高階模轉化)。兩鏡直腔法的光斑直徑較大，可以充分利用整個抽運區，提高耦合效率，且能減小調節光路的困難程度。

鈦寶石激光器的放大級中，實驗采用兩級放大系統[10]，如圖2虛線下部所示。Nd:YAG激光器出射的532 nm激光，泵浦鈦寶石晶體（鈦寶石晶體尺寸6 mm×15 mm×25 mm）的兩個面，振蕩級激光兩次通過能級反轉的鈦寶石晶體放大后，得到了功率更高、光束質量更好的放大級輸出光。放大級鈦寶石晶體略大于振蕩級鈦寶石晶體，這樣的設計有利于能量的提取，可以得到更高的輸出能量。

1.2 系統光路圖及裝置說明

鈦寶石激光器的泵浦源（Nd:YAG激光器）和鈦寶石激光器的振蕩級及放大級的結構原理圖分別如圖1和圖2所示。圖1中1、2、3、4、5、6器件構成了Nd:YAG激光器的振蕩級，其激光輸出脈沖能量、脈沖頻率可調。5器件中，脈沖氙燈泵浦Nd:YAG晶體，并且5器件的封閉系統由循環水冷卻系統冷卻，保證了光腔內溫度恒定和振蕩級穩定輸出。8器件為馬達驅動的光控開關。10器件為Nd:YAG激光器的放大級，能夠成倍地放大輸出功率。13器件為LD指示光源，用于調試光路。

圖1 鈦寶石激光器的泵浦源結構圖Fig.1 Structure of pumping source of Ti:sapphire laser

圖2 鈦寶石激光器的振蕩級和放大級結構圖Fig.2 Structure of Ti:sapphire laser's resonant cavity and amplification stage

圖2為鈦寶石激光器的諧振腔部分，分別由上部虛線框內的振蕩級和下部虛線框內的放大級組成。1器件為1064 nm高透、532 nm高反鏡，它把泵浦光分開，1064 nm泵浦光再次倍頻后用于泵浦鈦寶石激光器的振蕩級，532 nm激光用于泵浦鈦寶石激光器的放大級。

在振蕩級部分（上部虛線框內），1064 nm入射光經過KTP晶體后，倍頻為可泵浦鈦寶石激光器的532 nm激光。然后經過6器件擴束和8器件均分，分別泵浦鈦寶石晶體的兩側。產生的激光在由11、12、14器件組成的諧振腔內形成振蕩[11]。其中11器件放在360o可調旋轉臺上，調節11器件角度，即可調節輸出波長[12]。泵浦鈦寶石晶體時，由于鈦寶石晶體對水平偏振光（π光）吸收高于豎直偏振光（o光）[6]，因此泵浦光的偏振特性對光轉化效率影響很大。所以，我們在該系統鈦寶石振蕩級內加入了二分之一波片，通過旋轉二分之一波片，提高了光轉化效率。

放大級的泵浦光同樣由20器件分為兩部分，分別泵浦鈦寶石晶體的兩側，實現了鈦寶石能級反轉。振蕩級的出射激光經過鈦寶石晶體兩次放大后輸出。

由于1064 nm激光不可見，而且532 nm激光功率較大，不便于調整光路，所以實驗采用光斑直徑較小(1 mm)的He-Ne激光器（中心波長632.8 nm）作為指示光源，分別調整泵浦光在鈦寶石晶體上的位置和角度，以達到較好的泵浦效果。

2 實驗結果及討論

在鈦寶石激光器輸出頻率1 Hz，振蕩級泵浦能量120 mW時，采用光譜儀（AvaSpec-2048）探測鈦寶石激光器的輸出激光光譜，結果見圖3所示。

圖3 鈦寶石激光器調諧曲線Fig.3 Tuning curve of Ti:sapphire laser

圖3通過連續、等角度旋轉振蕩級后反射鏡（圖2中11部件），同時等角度采樣鈦寶石激光器激光輸出的波長和能量，平滑擬合數據后獲得。如圖3所示,該激光器調諧波段為710 nm～950 nm，在此調諧波段范圍內，鈦寶石激光器的輸出功率大于5 mW，充分證明了該鈦寶石激光器的寬調諧特性。當振蕩級后反射鏡旋轉至某一角度時，鈦寶石激光器激光輸出功率最大（66 mW），此時鈦寶石激光器激光輸出譜線半高寬約為2 nm，中心波長約為740 nm。此結果與鈦寶石晶體輻射理論的中心波長有所出入（理論峰值功率處中心波長為790 nm），因為鈦寶石激光器輸出波長不僅由鈦寶石晶體性質決定，還受諧振腔機械結構、鍍膜等原因的影響。在今后的實驗中，通過調節透鏡、反射鏡角度、改變輸出鏡透過率等方法，可調節該鈦寶石激光器中心波長至理論中心波長，進一步提高鈦寶石激光器激光輸出功率。

在泵浦光頻率1 Hz，采用功率計(Ophir,NovaII)探測鈦寶石激光器的輸出功率。測得在鈦寶石激光器振蕩級泵浦能量為120 mJ(532 nm)、放大級泵浦能量為198 mJ(532 nm)時，放大級輸出功率66 mJ(740 nm)，光能轉化效率為20.75%。在實驗中，放大級輸出功率、光能轉化效率隨泵浦光能量增加而上升，但高能量時，色散棱鏡和振蕩級后反射鏡容易損壞，所以使用更高損傷閾值的色散棱鏡和后反射鏡，可使該激光器達到更高輸出功率和更高的能量轉化效率。

用相紙記錄近場輸出光斑圖像(38 mJ時)如圖4所示。由圖4可知，該激光器近場輸出光斑接近圓形，遠場(3 m)光斑形狀無大差異，光束質量較好。

圖4 鈦寶石激光器輸出光斑Fig.4 The output picture of Ti:sapphire laser

因為泵浦源（Nd:YAG激光器）產生1064 nm激光和532 nm激光，1064 nm激光二次倍頻后，同時與532 nm激光分別泵浦鈦寶石激光器的振蕩級和放大級，所以泵浦源內KTP的光轉化效率對放大級激光輸出功率影響較大，通過調節KTP的旋轉角度，可以調節泵浦光中1064 nm和532 nm激光的能量比例。實驗發現，調節二者光能量比例至1:1時，鈦寶石激光器輸出功率最高。

3 結論

本文介紹了鈦寶石激光器的實驗裝置，在泵浦源結構上首次采用調Q脈沖Nd:YAG激光器出射的1064 nm激光的二次倍頻光和532 nm激光同時泵浦鈦寶石的振蕩級和放大級，提高了總能量利用率；在諧振腔的設計上同時采用了雙向、旁軸泵浦，降低了鈦寶石晶體、透鏡的鍍膜要求，使鏡片膜層不易損壞；采用兩級放大系統，提高了全固態可調諧脈沖鈦寶石激光器的單脈沖輸出功率；通過調節后反射鏡的旋轉角度，實現了鈦寶石激光器的寬調諧輸出。該鈦寶石激光器，因為其總能量利用率高、穩定、寬調諧和高功率等特點，在生物醫學成像等領域有廣泛的應用價值。

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