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(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，山東省光學(xué)與光子器件技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)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(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，山東省光學(xué)與光子器件技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南250014)

基于Nd:YAG/V:YAG鍵合晶體，在連續(xù)和準(zhǔn)連續(xù)LD端面泵浦條件下，研究了輸出波長(zhǎng)1 338 nm的被動(dòng)調(diào)Q微片激光器的輸出特性。在連續(xù)泵浦條件下，最大的輸出功率為0.73 W，此時(shí)得到穩(wěn)定的調(diào)Q脈沖輸出，脈沖寬度為139 ns。在準(zhǔn)連續(xù)泵浦下，獲得了被動(dòng)鎖模調(diào)Q激光輸出，輸出的最大功率為1.01 W，對(duì)應(yīng)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)準(zhǔn)連續(xù)泵浦能有效地降低激光晶體的熱效應(yīng)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(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，微片激光器越來(lái)越多地應(yīng)用于科研、工業(yè)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[1-3]。微片激光器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、光學(xué)系統(tǒng)集成化、可以實(shí)現(xiàn)高效率運(yùn)轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)[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(yùn)的方式, 激光的輸出光束質(zhì)量好、穩(wěn)定性好、效率高[4-8]。在精細(xì)加工、超快物理過(guò)程測(cè)量、激光測(cè)距、光電檢測(cè)等方面都扮演著關(guān)鍵的角色，成為近年來(lái)激光研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)[1-8]。

1.3 μm激光處于大氣透過(guò)窗口,光纖低損耗接近零色散區(qū)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(xué)、熱學(xué)和機(jī)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(zhǎng)激光器、大功率側(cè)面泵浦激光器、倍頻激光器及被動(dòng)調(diào)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(yīng)的報(bào)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(dòng)鎖模調(diào)Q激光的輸出特性。

1 實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)為808 nm，其數(shù)值孔徑NA=0.22，芯徑為400 μm。實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)度為2 mm,摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2 %,作為激光增益介質(zhì)；V:YAG的長(zhǎng)度為0.159 mm，在1 338 nm處的透過(guò)率為95%，實(shí)驗(yàn)中做為被動(dòng)調(diào)Q晶體。晶體前端面均鍍對(duì)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(duì)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(huán)水冷卻，輸出功率由功率計(jì)測(cè)量。脈沖波形由快速P-I-N管接收，并在Tektronix數(shù)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(jiàn)圖1。

圖1 微片激光器的實(shí)驗(yàn)光路圖Fig.1 Experimental setup of the microchip laser

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 連續(xù)泵浦1 338 nm激光研究

實(shí)驗(yàn)中，首先研究了連續(xù)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(guān)系曲線。該微片激光的閾值功率為1 W，當(dāng)泵浦功率為9.8 W時(shí)得到的最大輸出功率為0.73 W，對(duì)應(yīng)的光光轉(zhuǎn)換效率為7.46 %，斜效率為8.3 %。

光光轉(zhuǎn)換效率與泵浦功率的關(guān)系如圖3所示。最大的光-光轉(zhuǎn)換效率為9.17%，此時(shí)的泵浦功率為4.6 W。當(dāng)泵浦功率大于4.6 W時(shí)，光-光轉(zhuǎn)換效率下降，此時(shí)激光輸出功率接近于飽和狀態(tài)，激光功率飽和的主要原因是受晶體內(nèi)熱效應(yīng)的影響。

另外，在泵浦功率為9.8 W時(shí)，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(zhǎng)信息，很明顯激光輸出波長(zhǎng)為1 338 nm。實(shí)驗(yàn)中并沒(méi)有觀察到其他波長(zhǎng)躍遷的出現(xiàn)。

圖2 不同泵浦條件下輸出功率與泵浦功率的關(guān)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(zhuǎn)換效率和泵浦功率的關(guān)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(xù)泵浦條件下激光的脈沖寬度和重復(fù)頻率與泵浦功率的關(guān)系 Fig.5 The pulse width and pulse repetition rate versus the pump power under cw pump

圖6 連續(xù)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(shí)驗(yàn)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(fù)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(shì)；相反，脈沖的重復(fù)頻率有增加的趨勢(shì)。但泵浦功率從1 W增加到9.8 W時(shí)，激光的脈沖寬度從451 ns減小到139 ns，而激光的重復(fù)頻率從86 kHz增加到215 kHz。在泵浦功率為9.8 W時(shí)，激光的輸出單脈沖能量為3.39 μJ。

圖6a和6b分別給出了實(shí)驗(yàn)中泵浦功率為9.8 W時(shí)典型的脈沖序列圖和單脈沖圖，圖中脈沖的重復(fù)頻率為215 kHz，單脈沖寬度為139 ns。

2.2 準(zhǔn)連續(xù)泵浦1 338 nm激光研究

實(shí)驗(yàn)中將泵浦源調(diào)整為脈沖重復(fù)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(shí)激光輸出0.2 ms然后停0.8 ms，給激光器足夠的時(shí)間散熱，能有效地提高泵浦光的吸收效率，降低晶體內(nèi)熱效應(yīng)的影響，從而得到更高的激光輸出功率。實(shí)驗(yàn)中首先研究了激光輸出功率和泵浦功率的關(guān)系，兩者之間的關(guān)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(xù)泵浦相比，此時(shí)的輸出功率有明顯地提高，且激光飽和時(shí)的閾值也明顯地提高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也同樣表明了脈沖泵浦能有效地降低激光晶體內(nèi)熱效應(yīng)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(zhuǎn)換效率的變化趨勢(shì)，實(shí)驗(yàn)中光光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到飽和的功率明顯變大。當(dāng)泵浦功率大于9.6 W時(shí)，實(shí)驗(yàn)中觀察到了鎖模調(diào)Q現(xiàn)象，圖7a給出了此時(shí)的脈沖序列，可以看到實(shí)驗(yàn)中得到了穩(wěn)定的脈沖序列，圖7b給出了鎖模調(diào)Q單脈沖的波形圖。整個(gè)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(zhǔn)連續(xù)泵浦條件下脈沖序列和鎖模調(diào)Q脈沖Fig.7 A typical pulse train and the mode-locked Q-switched pulse under quasi-cw pump

3 結(jié)論

本文基于Nd:YAG/V:YAG鍵合晶體，研究了連續(xù)和準(zhǔn)連續(xù)LD端面泵浦條件下，輸出波長(zhǎng)1 338 nm的被動(dòng)調(diào)Q微片激光器的輸出特性。在連續(xù)泵浦條件下，得到穩(wěn)定的調(diào)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(zhǔn)連續(xù)泵浦下，被動(dòng)鎖模調(diào)Q激光輸出的最大功率為1.01 W，對(duì)應(yīng)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)，準(zhǔn)連續(xù)泵浦能有效地降低激光晶體的熱效應(yīng)從而獲得更高功率的激光輸出。實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分證明了鍵合晶體和脈沖泵浦技術(shù)在獲得大功率脈沖激光方面的優(yōu)點(diǎn)。

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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(guó)家自然科學(xué)基金(61205174)

劉倩慧(1991—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)槿虘B(tài)激光器。

*通信作者，李健(1963—)，男，教授，研究方向?yàn)槿虘B(tài)激光器件與非線性光學(xué)。E-mail：lijian@sdnu.edu.cn

TN248.1

A

1002-4026(2017)02-0121-05