激光二極管抽運Tm：YAP2μm激光器研究

溫雅 李嵩 王彬

摘 要：該文報道了一種室溫條件下795 nm的激光二極管（LD）端面抽運連續摻銩鋁酸釔（Tm：YAP）激光器。產生人眼安全波段的激光輸出，利用摻雜濃度為3at%，a軸切割，尺寸為3×3×10 mm3的Tm：YAP晶體，采用平凹腔結構，當輸出鏡透過率T=10%時，獲得最大輸出功率6.87 W的1988 nm連續激光輸出，斜率效率39.4%。x和y方向上的光束質量M2因子分別為1.34和1.38。可以作為3-5 μm、8-12 μm波段可調諧光參量振蕩器（OP）有效抽運源。

關鍵詞：2μm Tm：YAP晶體 激光二極管抽運 激光器

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（a）-0155-02

激光二極管（LD）泵浦Tm3+產生的2 μm波段處于人眼安全波段，在中紅外激光器領域很有廣泛的應用[1]，如：大氣監測、激光醫療、激光雷達，激光遙感、激光測距等[2]。此外2 μm波段激光還是產生常溫3-5 μm、8-12 μm波段可調諧光參量振蕩器（OPO）有效抽運源[3]。可用于紅外激光偵測、干擾技術[4]等。

近年來國內外在2 μm波段激光方面進行了大量研究，在摻Tm3+的鋁酸釔（YAP）晶體為工作物質的2 μm激光器研究上取得了很多階段性成果?。2006年英國的Thangavel Thevar報道了室溫下LD抽運連續Tm：YAP激光器。Tm3+摻雜濃度為3%，晶體尺寸為2 mm×4 mm×5 mm，抽運能量為30 mJ，產生了1.99 μm，370 mW的激光輸出，斜效率為9.6%[5]；2010年北京理工大學報道了a軸切割，摻雜濃度5%，尺寸為3×3×5 mm3，輸出波長1.99 μm的激光器，抽運功率2.4 W，輸出功率588 mW，斜率效率41.5%，M2在x方向為1.44，在y方向為1.43[6]。同年張曉娟等報道了室溫工作的全固態Tm：YAP激光器，泵浦原采用了GaAS半導體激光器，獲得輸出波長1.99 μm，最大輸出功率13.5 W，光-光轉換效率28.2%，斜率效率36%，而沒有對光束質量進行報道[7]。該文采用中心波長為795 nm的激光二極管為抽運源，以a軸切割Tm：YAP晶體為工作物質實現中心波長為1988 nm激光輸出，抽運功率為21.15 W時，輸出功率可達6.87 W，斜率效率39.4%，x和y方向上的光束質量可達1.34和1.38。

1 實驗裝置

單端抽運Tm：YAP連續激光器實驗結構如圖1所示。抽運源采用中心波長795 nm的光纖激光器，將抽運光通過聚焦耦合鏡f1和f2耦合到Tm：YAP晶體內部，焦距分別為25 mm和50 mm；Tm：YAP晶體采用摻雜濃度為3%，a軸切割，尺寸為3×3×10 mm3，晶體兩端鍍有對795nm和1.99 μm的高透膜（R<0.5%）；晶體放在銅熱沉中，用厚度為0.1 nm的銦箔包裹，M1鍍有對795 nm高透（R<0.5%），1.99 μm高反（R>99.5%）的膜；輸出鏡M2采用平凹鏡，曲率半徑為200 mm，鍍有對1.99 μm（R>99.5%）透過率為10%和15%的高透膜。

2 實驗結果及分析

搭建實驗光路，測量當T=10%，R=200 mm時，腔長分別為80 mm、100 mm、120 mm輸出激光進行測量，圖2為不同腔長情況下，輸出功率隨抽運功率變化曲線，從實驗數據得到兩者基本呈線性關系，隨著輸入功率增大，輸出功率隨之增大，在腔長為80 mm、100 mm、120 mm下，激光器輸出最大功率分別為6.87 W、5.91 W、5.01 W，對應的斜率效率分別為39.4%、34.8%和26.9%。即隨著腔長增加，輸出功率會減小，短腔長可以獲得更大的輸出功率，腔長80 mm，抽運功率達到21.15 W時，獲得功率為6.87 W的輸出。

采用YOKOGAWA公司的AQ6375Co型光譜儀和美國Spiricon公司的Pyrocam-Ⅲ型光束質量分析儀分別對T=10%，R=200 mm時，腔長為80 mm時輸出激光進行測量，光譜圖和光斑圖分別如圖3所示。可得到其輸出中心波長為1988 nm，譜線寬度為2.67 nm，x和y方向上最好的光束質量為1.34和1.38。

3 結論

該文采用激光二極管端面抽運a軸切割的Tm：YAP晶體，獲得了1988 nm連續激光輸出。當輸出鏡透過率T=10%，腔長為80 mm，抽運功率達到21.15 W時，獲得了6.87 W連續波輸出，中心波長為1988 nm，譜線寬度為2.67 nm，斜率效率為39.4%，其x和y方向上最好的光束質量為1.34和1.38。利用該系統獲得的激光輸出，目前在國內處于領先水平。

參考文獻

[1] Hamit Kalaycioglu， Alphan Sennaroglu，Adnan Kurt.Influence of Doping Concentration on the Power Performance of Diode-Pumped Continuous-Wave Tm3+：YAlO3 Lasers.IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS，2005，11（3）：667-673.

[2] Petr Koranda，Jan Sulc，Maxim Doroshenko et al..Cr：ZnSe laser pumped with Tm：YAP microchip laser[C].Soild State Lasers XIX： Technology and Devices，2010.

[3] Wang Keqiang，Han Long，Wang Jianjun el al..LD pumped intro-cavity OPO high repetition frequency 2 μm laser[J].High power Laser and Particle Beams，2005，17（zl）：185-188.

[4] Alex Dergachev，Darrell Armstrong，Arlee Smith et al..3.4-μm ZGP RISTRA nanosecond optical parametric oscillator pumped by a 2.05 μm Ho：YLF MOPA system[J].opt.Express，2007，15（22）：14404-14413.

[5] Thangavel Thevar and Norman P.Barnes.Diode-pumped，continuous.wave Tm：YAlO3 laser.APPLIED OPTICS，2006，45（14）：3352-3355.

[6] Ka S.Wu，Jesper Munch，Peter J.Veitch，David J.Ottaway.Suppression of self-pulsing behaviour in Tm：YAlO3 lasers via pump diode-current feedback[J]IQEC 2011，978-0-9775657-7-1.

[7] 張曉娟，王立新，蔡軍，等.室溫工作的全固態Tm：YAP激光器[J].光電技術應用，2010（25）4-45-47.