基于Nd:YAG/V:YAG鍵合晶體的1 338 nm微片激光器研究

劉倩慧，安珍妮，張倩倩，李健

(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)

基于Nd:YAG/V:YAG鍵合晶體的1 338 nm微片激光器研究

劉倩慧，安珍妮，張倩倩，李健*

(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)

基于Nd:YAG/V:YAG鍵合晶體，在連續和準連續LD端面泵浦條件下，研究了輸出波長1 338 nm的被動調Q微片激光器的輸出特性。在連續泵浦條件下，最大的輸出功率為0.73 W，此時得到穩定的調Q脈沖輸出，脈沖寬度為139 ns。在準連續泵浦下，獲得了被動鎖模調Q激光輸出，輸出的最大功率為1.01 W，對應的脈沖寬度為80 ns，其中的鎖模系列單脈沖寬度約為70 ps。實驗結果表明，Nd:YAG/V:YAG鍵合晶體有利于獲得高功率緊湊的1 338 nm脈沖激光輸出，同時準連續泵浦能有效地降低激光晶體的熱效應從而獲得更高功率的激光輸出。

Nd:YAG/V:YAG；鍵合晶體；微片激光器

隨著激光技術的不斷發展進步，微片激光器越來越多地應用于科研、工業、醫學等領域[1-3]。微片激光器具有結構簡單、體積小、重量輕、光學系統集成化、可以實現高效率運轉等優點[1-6]，容易獲得短脈沖高峰值激光輸出, 且由于采用端面抽運的方式, 激光的輸出光束質量好、穩定性好、效率高[4-8]。在精細加工、超快物理過程測量、激光測距、光電檢測等方面都扮演著關鍵的角色，成為近年來激光研究領域的熱點[1-8]。

1.3 μm激光處于大氣透過窗口,光纖低損耗接近零色散區域,因而受到研究者的重視[1-3,6-11]。釔鋁石榴石晶體(Nd:YAG)具有良好的光學、熱學和機械性能，且成本較低，易于獲得較大尺寸的晶體，成為目前使用最廣泛的晶體之一。基于Nd:YAG晶體，不同的研究小組分別研究了1.3 μm激光的輸出特性，如雙波長激光器、大功率側面泵浦激光器、倍頻激光器及被動調Q激光器等。另外，基于Nd:YAG/V:YAG鍵合晶體的1.3 μm微片激光器也有相應的報道[6-8]。

本文基于Nd:YAG/V:YAG鍵合晶體，研究了在不同泵浦條件下被動鎖模調Q激光的輸出特性。

1 實驗裝置

泵浦源是光纖耦合輸出的LD激光器，輸出功率最大為80 W，中心波長為808 nm，其數值孔徑NA=0.22，芯徑為400 μm。實驗中選取Nd:YAG/V:YAG鍵合的晶體做為激光晶體,其端面為3 mm×3 mm, Nd:YAG的長度為2 mm,摻雜質量分數為1.2 %,作為激光增益介質；V:YAG的長度為0.159 mm，在1 338 nm處的透過率為95%，實驗中做為被動調Q晶體。晶體前端面均鍍對808 nm激光的增透膜和1 300～1 600 nm激光的高反膜(R>99.9 %)，直接做為激光輸入鏡。晶體后端面均鍍對808 nm激光的增透膜和1300～1600 nm激光的半反膜(R=97%)，直接做為激光輸出鏡。所有晶體都由恒溫20 °C的循環水冷卻，輸出功率由功率計測量。脈沖波形由快速P-I-N管接收，并在Tektronix數字示波器上顯示。光譜儀記錄光譜信息,最高分辨率為0.05 nm。詳見圖1。

圖1 微片激光器的實驗光路圖Fig.1 Experimental setup of the microchip laser

2 實驗結果分析

2.1 連續泵浦1 338 nm激光研究

實驗中，首先研究了連續光泵浦下激光器的輸出特性，圖2中給出了泵浦功率和輸出功率的關系曲線。該微片激光的閾值功率為1 W，當泵浦功率為9.8 W時得到的最大輸出功率為0.73 W，對應的光光轉換效率為7.46 %，斜效率為8.3 %。

光光轉換效率與泵浦功率的關系如圖3所示。最大的光-光轉換效率為9.17%，此時的泵浦功率為4.6 W。當泵浦功率大于4.6 W時，光-光轉換效率下降，此時激光輸出功率接近于飽和狀態，激光功率飽和的主要原因是受晶體內熱效應的影響。

另外，在泵浦功率為9.8 W時，我們研究了激光器輸出光譜特性。圖4給出了激光輸出波長信息，很明顯激光輸出波長為1 338 nm。實驗中并沒有觀察到其他波長躍遷的出現。

圖2 不同泵浦條件下輸出功率與泵浦功率的關系Fig.2 The relationships between the output power and the pump powers under different pump mode

圖3 不同泵浦條件下光-光轉換效率和泵浦功率的關系Fig.3 The relationships between the optical-to-optical conversion efficiency and the pump powers under different pump modes

圖4 激光器的輸出光譜圖Fig.4 The output spectrum of the laser

圖5 連續泵浦條件下激光的脈沖寬度和重復頻率與泵浦功率的關系 Fig.5 The pulse width and pulse repetition rate versus the pump power under cw pump

圖6 連續泵浦條件下激光器的輸出脈沖序列和單脈沖寬度Fig.6 The output pulse train and the single pulse width under cw pump

實驗中，我們還研究了不同泵浦功率下激光輸出脈沖的寬度和重復頻率的變化情況，如圖5所示。隨著泵浦功率的增加，激光的脈沖寬度有明顯減小的趨勢；相反，脈沖的重復頻率有增加的趨勢。但泵浦功率從1 W增加到9.8 W時，激光的脈沖寬度從451 ns減小到139 ns，而激光的重復頻率從86 kHz增加到215 kHz。在泵浦功率為9.8 W時，激光的輸出單脈沖能量為3.39 μJ。

圖6a和6b分別給出了實驗中泵浦功率為9.8 W時典型的脈沖序列圖和單脈沖圖，圖中脈沖的重復頻率為215 kHz，單脈沖寬度為139 ns。

2.2 準連續泵浦1 338 nm激光研究

實驗中將泵浦源調整為脈沖重復頻率1 kHz，單脈沖寬度0.2 ms模式(即泵浦光為1∶5模式)，此時激光輸出0.2 ms然后停0.8 ms，給激光器足夠的時間散熱，能有效地提高泵浦光的吸收效率，降低晶體內熱效應的影響，從而得到更高的激光輸出功率。實驗中首先研究了激光輸出功率和泵浦功率的關系，兩者之間的關系曲線同樣在圖2中表示。如圖2所示，激光的輸出功率最大為1.01 W，與連續泵浦相比，此時的輸出功率有明顯地提高，且激光飽和時的閾值也明顯地提高，實驗結果也同樣表明了脈沖泵浦能有效地降低激光晶體內熱效應的影響而得到更高的輸出功率。在圖3中給出了脈沖泵浦下光光轉換效率的變化趨勢，實驗中光光轉換效率達到飽和的功率明顯變大。當泵浦功率大于9.6 W時，實驗中觀察到了鎖模調Q現象，圖7a給出了此時的脈沖序列，可以看到實驗中得到了穩定的脈沖序列，圖7b給出了鎖模調Q單脈沖的波形圖。整個脈沖的寬度大約為80 ns，而序列中單脈沖的寬度大約為70 ps。

圖7 準連續泵浦條件下脈沖序列和鎖模調Q脈沖Fig.7 A typical pulse train and the mode-locked Q-switched pulse under quasi-cw pump

3 結論

本文基于Nd:YAG/V:YAG鍵合晶體，研究了連續和準連續LD端面泵浦條件下，輸出波長1 338 nm的被動調Q微片激光器的輸出特性。在連續泵浦條件下，得到穩定的調Q脈沖輸出，最大的輸出功率為0.73 W，脈沖寬度為139 ns。在準連續泵浦下，被動鎖模調Q激光輸出的最大功率為1.01 W，對應的脈沖寬度為80 ns，其中的鎖模系列單脈沖寬度約為70 ps。實驗結果表明，Nd:YAG/V:YAG鍵合晶體有利于獲得高功率緊湊的1 338 nm脈沖激光輸出，同時，準連續泵浦能有效地降低激光晶體的熱效應從而獲得更高功率的激光輸出。實驗結果充分證明了鍵合晶體和脈沖泵浦技術在獲得大功率脈沖激光方面的優點。

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Research on Nd:YAG/V:YAG bonded crystal based microchip laser operating at 1 338 nm

LIU Qian-hui, AN Zhen-ni, ZHANG Qian-qian, LI Jian*

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

∶In this paper, based on Nd:YAG/V:YAG bonded crystal, the output characteristics of an passively Q-switched microchip laser operating at 1 338 nm was demonstrated under cw and quasi-cw LD end-pumping. In the cw pumping region, stable Q-switched pulse was obtained with the maximum output power of 0.73 W and a pulse width of 139 ns. Under the quasi-cw pumping region, the phenomenon of passive mode-lock Q-switched was achieved, the maximum output power was 1.01 W and the pulse width was about 80 ns. Among them there was mode-locked pulse train in the Q-switched pulse with single pulse width of 70 ps. The experiment results show that Nd:YAG/V:YAG bonded crystal have the advantages in obtaining 1 338 nm compact pulse laser with high output power and quasi-cw pumping mode can greatly decrease the thermal effects and ensure high laser output power.

∶Nd:YAG/V:YAG；bonded crystal；microchip laser

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.02.018

2016-09-09

國家自然科學基金(61205174)

劉倩慧(1991—)，女，碩士研究生，研究方向為全固態激光器。

*通信作者，李健(1963—)，男，教授，研究方向為全固態激光器件與非線性光學。E-mail：lijian@sdnu.edu.cn

TN248.1

A

1002-4026(2017)02-0121-05