基于Nd:LGGG連續與調Q脈沖人眼安全激光器研究

李健，許永娜，張倩倩，劉倩慧，安珍妮

(山東師范大學物理與電子科學學院，山東省光學與光子器件技術重點實驗室，山東 濟南 250014)

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基于Nd:LGGG連續與調Q脈沖人眼安全激光器研究

李健，許永娜，張倩倩，劉倩慧，安珍妮

(山東師范大學物理與電子科學學院，山東省光學與光子器件技術重點實驗室，山東 濟南 250014)

摘要：1.4 μm人眼安全激光具有對人眼安全、對煙霧環境穿透能力強以及易于產生和探測等特點。本文基于Nd:LGGG新晶體，采用石墨烯作為可飽和吸收體，研究了1.4 μm人眼安全激光輸出特性。在注入泵浦光功率15.6 W時，獲得2.38 W的1.4 μm連續激光輸出，光-光轉換效率為15.4%；在注入泵浦光功率14.3 W時，獲得平均功率為255 mW的1.4 μm調Q激光輸出，輸出脈沖寬度為490 ns，重復頻率為80 kHz，激光單脈沖能量為3.2 μJ，脈沖峰值功率6.53 W。

關鍵詞：Nd:LGGG;人眼安全;調Q脈沖

由于激光被廣泛應用于人類生產生活的各個方面，因此其安全性一直是廣大激光科研工作者的研究熱點之一。從可見光到中紅外頻段電磁波譜的大氣透過率在大氣窗口中有3個重要的波段：一是1.4～2.0 μm波段，不但對人眼最為安全，而且對煙霧環境的穿透能力強，易于產生和探測；二是3～5 μm中紅外波段，大氣透過率最高；三是8 ～12 μm中紅外波段。目前獲得對人眼安全的激光的方法主要有兩種，一種是激光介質受到外來能量泵浦，直接產生對人眼安全的激光，主要的激光增益介質有Nd、Er、Ho、Tm激光晶體[1-8]；另一種是不具有人眼安全性質的激光經過頻率變換，獲得具有人眼安全性質的激光。在全固態激光器中，摻Nd的激光增益介質由于具有較高的增益發射截面、高效率的激光輸出而被廣泛應用。

1.4 μm波段的激光受激輻射截面小、泵浦功率較低，實驗條件要求高，相關報道不多[9-15]。首次關于1.4 μm人眼安全激光的報道是1994年Kbecek等[9]用Nd:YAG單晶做為激光增益介質，成功得到了波長為1 443 nm的激光輸出，最大功率只有69 mW。在1997年，同樣是Nd:YAG單晶作為激光增益介質，得到了功率4.9 W、波長為1 444 nm連續激光輸出，光-光轉換率19.6%，是迄今為止所獲得的最高功率[10]。摻釹镥釓鎵石榴石(Nd:LGGG)是一種新型的激光增益介質，具有良好的化學穩定性、熱穩定性和高溫力學性能。石墨烯作為一種新型可飽和吸收體，在激光調Q技術中受到廣泛關注。本文基于Nd:LGGG新晶體，采用石墨烯做可飽和吸收體，研究了1.4 μm人眼安全激光輸出特性，首次實現了Nd:LGGG/石墨烯調Q脈沖激光輸出。

1Nd:LGGG晶體特性

激光晶體的光譜性質主要由摻雜離子及其濃度決定。固態激光器中的激光晶體材料已從之前的幾種基本的晶體發展到今天的陶瓷、微晶玻璃等不同種類，而摻雜離子包括Nd3+、Er3+、Ho3+、Tm3+等和過渡金屬離子Cr3+、Ti3+等兩大類，在這其中摻Nd激光晶體材料應用最為廣泛。目前為止已有140余種摻Nd激光晶體介質，其中，Nd:YAG、Nd:YVO4應用最廣，Nd:YVO4主要被用作低功率小型激光器。對于Nd:GGG晶體，Nd3+離子半徑(99.5 pm)大于Gd3+的離子半徑(93.8 pm)，將Nd3+取代Gd3+會導致晶格畸變，因此在Gd3+離子格位雙摻Nd3+和的Lu3+(離子半徑為84.8 pm)進行補償，生長出新型的激光晶體Nd:LGGG，不僅降低了晶格的畸變，還有效地提高了晶格的性能，而且Lu3+、Gd3+在Nd3+周圍隨機無序分布[16]。圖1為Nd:LGGG晶體的吸收光譜，適合采用808 nm半導體激光泵浦，圖2為摻Nd的激光晶體中的能級躍遷示意圖。

圖1　Nd:LGGG晶體的吸收光譜圖Fig.1　Absorption spectra of Nd:LGGG crystal

圖2　摻Nd的激光晶體中能級躍遷示意圖Fig.2　Illustration of energy level transition of Nd ion doped laser crystal

2實驗裝置

圖3　實驗裝置示意圖Fig.3　Illustration of the experimental apparatus

3實驗結果

實驗中，首先用Nd3+摻雜摩爾分數為1.0%的Nd:LGGG做激光增益介質研究激光連續輸出的光譜特性。輸出激光的光譜信息由光譜儀(YokogawaAQ 6315A，350～1 750 nm)記錄。Nd:LGGG激光輸出的光譜如圖4所示，此時的泵浦功率是15.6 W，光譜儀的分辨率是5 nm，輸出激光的中心波長在1 423.2 nm。

圖5給出了Nd:LGGG激光增益介質在不同泵浦功率的情況下，連續激光輸出功率的變化情況。泵浦功率為15.6 W時，最大輸出功率為2.38 W, 此時對應的光-光轉換效率和斜效率分別是15.4%和20%。激光閾值功率為3.6 W。

圖4　Nd:LGGG激光光譜Fig.4　Laser spectra of Nd:LGGG

圖5　連續激光輸出功率隨泵浦功率的變化Fig.5　Variation of continuous laser output power with pumped power

圖6給出了石墨烯做可飽和吸收體時在不同泵浦功率下，調Q脈沖激光輸出平均功率的變化情況。從圖中可以看出，采用石墨烯做可飽和吸收體，在注入泵浦光功率14.3W時，獲得平均功率為255 mW的1.4 μm 調Q激光輸出，相對應的光-光轉換效率是1.78%。

圖7給出了激光的脈沖寬度和重復頻率隨泵浦功率的變化關系。當泵浦功率從7.3 W增加到14.3 W時，脈沖寬度從1 138 ns減小到490 ns，同時，激光的重復頻率則是由4 kHz 增加到 80 kHz，算出激光最大單脈沖能量為3.2 μJ，脈沖峰值功率6.53 W。圖8中給出了泵浦功率為14.3 W時的典型脈沖波形圖。

圖6　調Q脈沖激光輸出平均功率隨泵浦功率的變化Fig.6　Variation of average output power of Q-switched laser with pump power for Nd:LGGG laser

圖7　Nd:LGGG激光脈寬與重復頻率隨重復頻率的變化Fig.7Variation of Nd:LGGG laser pulse width and repetition rate with pump power

圖8　脈寬為490 ns的調Q脈沖波形Fig.8　Q-switched pulse shape of 490 ns pulse width

4結論

人眼安全激光是激光領域的研究熱點之一，獲得人眼安全激光的方式有多種，但最能體現固體激光器的結構緊湊、體積小等特點的方式仍以半導體激光直接泵浦激光晶體獲得人眼安全激光的方法最吸引人。但由于1.4 μm波段對應的能級受激輻射截面小，剩余熱量導致熱效應明顯，從而導致激光轉換效率低，難以獲得大功率激光輸出。因此，尋找合適的激光晶體以獲得人眼安全激光一直是研究熱點。本文基于Nd:LGGG新晶體，采用石墨烯做可飽和吸收體，進行了連續和調Q脈沖激光器研究，實現了1.4 μm人眼安全激光輸出，為進一步尋找適合獲得1.4 μm人眼安全激光的激光晶體提供實驗依據。

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DOI:10.3976/j.issn.1002-4026.2016.03.018

收稿日期：2016-03-15

基金項目：國家自然科學基金(61205174)

作者簡介：李健(1963-)，男，教授，研究方向為全固態激光器件與非線性光學。Email：lijian@sdnu.edu.cn

中圖分類號：TN248.1

文獻標識碼：A

文章編號：1002-4026(2016)03-0105-05

Nd:LGGG based eye-safe laser with Continuous and Q-switched pulse of 1.4 μm wavelength

LI Jian, XU Yong-na, ZHANG Qian-qian, LIU Qian-hui, An Zhen-ni

(Shandong Provincial Key Laboratory of Optics and Photonic Device, School of Physics and Electronics,Shandong Normal University, Jinan 250014, China)

Abstract∶1.4 μm eye-safe laser has such characteristics as safety to human eyes, strong penetrating power in smoke scenario, and convenience to be made and detected. We addressed its output performance with Nd: LGGG crystal as a subject and graphene as a saturable absorber. When injection pump power is 15.6 W, continuous output power is 2.38 W, optical to optical conversion efficiency of 15.4%. When injection pump power is 14.3 W, output characteristics are average output power of 255 mW, output pulse width of 490 ns, pulse repetition frequency of 80 kHz, single pulse energy of 3.2 μJ and pulse peak power of 6.53 W.

Key words∶Nd:LGGG; eye-safe laser; Q-switched pulse