Yb∶LuAG單晶光纖的連續及脈沖激光性能

馬曉斐， 王 濤， 張 健， 尹延如， 張百濤， 賈志泰

(山東大學 晶體材料國家重點實驗室， 山東 濟南 250100)

1 引 言

單晶光纖結合了體塊單晶高熱導率、高激光損傷閾值、低非線性效應和玻璃光纖大長徑比、散熱能力強的優勢，有望成為新一代全固態激光器的激光增益介質。Lu3Al5O12(LuAG)的熔點為2 333 K，密度為6.67 g/cm3，是一種具有優異的熱光學性能、高激光損傷閾值和高熱導率的石榴石結構晶體。與Y3Al5O12(YAG)相比，LuAG晶體的熱導率受摻雜離子濃度增加的影響較小，有利于實現激光器的小型化和集成化。此外，Yb∶LuAG具有比Yb∶YAG更大的有效發射橫截面積，更適合于高功率固體激光器[9]。

單晶光纖的研究還處于發展階段，應用主要集中于高能激光[10]和高溫傳感[11]。目前，單晶光纖激光主要針對的是連續激光和主振蕩功率放大器(MOPA)，對于單晶光纖脈沖激光器的研究相對較少。脈沖激光相較于連續激光具有更高的峰值功率，主要應用于信息通信、激光加工和生物醫療等領域。調Q和鎖模技術是產生脈沖激光的主要方式，其中，基于可飽和吸收體的被動調Q技術具有使用方便、無驅動裝置、結構簡單的優點，易于實現脈沖激光輸出[12]。MoTe2為二維過渡金屬硫化物(TMDC)，具有較好的非線性光學(NLO)可飽和吸收性質，已被廣泛應用于脈沖調制器。

本文對微下拉法(μ-PD)生長的Yb∶LuAG單晶光纖進行了連續(CW)激光實驗，并利用MoTe2作為可飽和吸收體，實現了3.39 μJ的被動調Q脈沖激光輸出。

2 實 驗

2.1 樣品制備

實驗中的Yb∶LuAG單晶光纖采用μ-PD法生長，直徑1 mm和3 mm，Yb3+離子摻雜濃度為

10%和7%。對于實驗中所用單晶光纖的生長及表征之前已有報道，所制備的單晶光纖長度均大于100 mm[17]。為便于將光纖置于金屬銅沉進行激光實驗，截取為通光長度8 mm，端面拋光未鍍膜，具體編號和參數如表1所示。

表1 實驗所用單晶光纖(SCF)的參數

2.2 MoTe2樣品表征

分別使用Cary 7000分光光度計和Perkin Elmer 100 FT-IR分光光度計測量MoTe2樣品0.2～2.5 μm范圍內的紫外-可見-近紅外(UV-Vis-NIR)透射光譜和1.28～10 μm 的傅里葉變換紅外FTIR透射光譜。

Z掃描測試實驗裝置如圖1所示，包括沿光路依次設置的泵浦源、分光鏡、聚焦透鏡、MoTe2樣品、第一能量計、第二能量計。分光鏡將泵浦源的出射光束分為兩束，第一光束透過聚焦透鏡和MoTe2樣品后照射在第一能量計上，第二光束照射在第二能量計上作為參考光束，兩個能量計連接計算機進行數據采集。實驗過程中，MoTe2樣品在軌道上沿光軸方向直線移動，當MoTe2樣品靠近焦點時光束能量密度逐漸升高，并在焦點位置達到最大，通過焦點后光束能量密度逐漸降低。入射源是閃光燈泵浦皮秒激光器(PL2251C)，選擇532 nm(焦點處能量39 μJ和43 μJ)和1 064 nm波長(焦點處能量40，60，90 μJ)分別進行Z掃描測試。

圖1 開孔Z掃描測試示意圖

2.3 激光實驗

基于MoTe2的Yb∶LuAG單晶光纖被動調Q脈沖激光器示意圖如圖2所示。泵浦源為940 nm光纖耦合激光二極管(LD)，芯徑為200 μm，數值孔徑(NA)為0.22。增益介質是僅端面拋光未鍍增透膜的Yb∶LuAG單晶光纖 3# (10%,Φ=3 mm)。單晶光纖安裝在水冷銅塊中并保持在20 ℃。聚焦耦合系統(1∶1)用于將泵浦光會聚到晶體端面。M1是輸入鏡，對940 nm泵浦光增透、對1 030 nm激光高反。輸出耦合鏡M2在1 010～1 100 nm處的透過率為1%、5%、10%和30%。M1和M2組成諧振腔。藍寶石襯底上沉積的MoTe2作為被動調Q可飽和吸收體，插入諧振腔內進行脈沖激光調制。在M2后面放置一個1 μm以下濾光片以阻擋剩余的泵浦光。實驗中，使用帶有探頭(Newport，919P-050-26)的功率計(Newport，1919-R)測量平均輸出功率。輸出光譜和脈沖分別由光譜分析儀(YOKOGAWA,AQ6370C)和數字熒光示波器(Tektronix,DPO 7104)記錄，帶寬為1 GHz。

圖2 基于MoTe2的Yb∶LuAG單晶光纖(SCF)被動調Q脈沖激光器示意圖

未插入可飽和吸收體即為連續激光實驗裝置。實驗中對表1中1#～3# 不同摻雜濃度不同直徑的單晶光纖分別進行了連續激光實驗。

數據處理：實驗中需測試透過晶體前后的激光功率Pp和Pt，借助如下公式計算得到吸收的泵浦功率。由于單晶光纖兩端僅拋光未鍍增透膜，所以需要考慮兩次菲涅爾反射：

Pp(1-R)2e-αl=Pt,

(1)

菲涅爾反射率：

(2)

吸收率：

η=1-e-αl,

(3)

吸收功率：

(4)

其中n為晶體折射率。

3 結果與討論

3.1 CW激光實驗

對于μ-PD法生長的直徑Ф=1 mm、7%摻雜的1# Yb∶LuAG SCF,在940 nm泵浦，水冷溫度18 ℃，輸出耦合鏡透過率T=10%和30%時，分別獲得了0.781 W和0.580 W的激光輸出。圖3所示為輸出功率和光-光轉化效率分別與吸收泵浦功率的關系，激光輸出結果匯總于表2。

圖3 Yb∶LuAG SCF 1# (7%,Φ=1 mm) 在940 nm泵浦下輸出功率(a)、光-光轉化效率(b)與吸收泵浦功率的關系(插圖為相應晶體的照片)。

表2 Yb∶LuAG SCF 1#的激光輸出

對于2#直徑Ф=3 mm、10%摻雜的Yb∶LuAG單晶光纖，如圖4內插圖所示，直徑波動～10.5%，起伏較大，采用940 nm泵浦進行連續激光實驗。水冷溫度設置為16 ℃，輸出耦合鏡透過率T=10%時，獲得了斜效率14.01%、最大輸出功率1.406 W(對應的光-光轉化效率為8.562%)的激光輸出。

圖4 Yb∶LuAG SCF 2# (10%,Φ=3 mm,直徑波動～10.5%)在940 nm泵浦下輸出功率、光-光轉化效率與吸收泵浦功率的關系(插圖為相應晶體的照片)。

如圖5(a)所示，對于3#單晶光纖 (10%,Φ=3 mm，直徑波動～1%)在940 nm泵浦下進行連續激光實驗。其在輸出鏡透過率5%、10%和30%時，均獲得了>4 W的激光輸出。其中，T=10%和30%的激光輸出結果在此前已報道[17]。如圖5(b)所示，當輸出鏡透過率為1%和5%時，對應的輸出激光中心波長為～1 078 nm；當輸出鏡透過率為10%和30%時，對應的輸出激光中心波長～1 048 nm。在最高輸出功率為4.702 W時，光斑兩個方向的光束質量因子M2分別為1.101和1.009，如圖5(c)所示；光斑形狀如圖5(d)，CCD圖表明輸出光斑具有較好的高斯分布。該晶體的激光實驗數據匯總于表3。

表3 Yb∶LuAG SCF 3#的連續激光輸出結果

圖5 Yb∶LuAG SCF 3# (10%,Φ=3 mm,直徑波動～1%) 在940 nm泵浦下輸出功率與吸收泵浦功率的關系(插圖為相應晶體的照片)(a)、輸出光譜(b)、最高輸出功率下的光束質量因子(c)、最高輸出功率下的光斑(d)。

此外，為探究水冷溫度對實驗的影響，采用3# Yb∶LuAG單晶光纖在940 nm泵浦，輸出鏡透過率10%時，改變水冷溫度，測量其輸出激光功率及光-光轉化效率。由圖6可見，在水冷溫度由20 ℃降至16 ℃時，輸出功率隨水冷溫度降低而增加，但變化較小，與以往的報道相符[18]。

圖6 Yb∶LuAG SCF 3# (10%,Φ=3 mm,直徑波動～1%) 在940 nm泵浦不同水冷溫度下輸出功率(a)、光-光轉化效率(b)與吸收泵浦功率的關系。

μ-PD法生長的1#～3# Yb∶LuAG單晶光纖均已實現激光輸出。對比同直徑的2#和3#單晶光纖的連續實驗結果，可知2#單晶光纖由于直徑波動較大(～10.5%)，激光輸出功率嚴重受限。3# (10%,Φ=3 mm,直徑波動～1%)單晶光纖的激光輸出功率>4W，且在水冷16～20 ℃范圍內，激光輸出功率隨水冷溫度降低而增大。此外，采用940 nm泵浦時，主要有～1 049 nm和～1 078 nm兩種中心波長的激光輸出。如圖7所示，對于Yb3+三能級體系，1 049 nm的輸出對應于2F5/2最低能級至2F7/2最高能級的躍遷。對于輸出波長1 078 nm的研究相對較少，2004年，GRIEBNER等借助Yb∶Lu2O3實現了中心波長1 080 nm的鎖模激光輸出[19]；2014年，BROWN等表征了Yb3+∶Lu2O3晶體的發射光譜，存在～1 078 nm的發射峰[6]。實驗測得的～1 078 nm的發射波長應該是Yb3+摻雜材料的一個基本特性，然而對于Yb∶LuAG單晶光纖1 078 nm的激光輸出原理尚未有報道，還有待深入研究。

圖7 Yb3+的能級簡圖

單晶光纖結合了體塊晶體和玻璃光纖的優勢，理論上具有優異的激光性能。然而，由于單晶光纖激光測試設備的限制，只能將單晶光纖切割為長度8 mm，增益長度較小，且單晶光纖端面未鍍相應的增透膜，所以輸出功率和斜效率較低。

3.2 MoTe2性能

二維過渡金屬硫化物(TMDC)具有優異的光學和電學性能。MoTe2作為常用的TMDC，被廣泛用作非線性光學可飽和吸收體材料。圖8(a)、(b)分別為實驗中所用的MoTe2在0.2～2.5 μm范圍內的紫外-可見-近紅外透過光譜和1.28～10 μm范圍內的FTIR透射譜。結果表明，制備的MoTe2樣品在0.2～7 μm范圍內無吸收峰，在1～7 μm內透過率>50%，展現出較好的線性光學性質。

圖8 (a)MoTe2 SA在0.2～2.5 μm范圍的紫外-可見-近紅外光譜;(b)MoTe2 SA在1.28～10 μm范圍的FTIR透射譜。

開孔Z掃描測試實驗結果如圖9所示，擬合曲線是根據非線性光學理論對實驗數據的擬合。MoTe2沿光軸方向由遠距離接近焦點位置時歸一化透過率逐漸增大，MoTe2在532 nm和1 064 nm展現出優異的可飽和吸收現象，表明制備的可飽和吸收體MoTe2具有優秀的非線性光學性質。

圖9 (a)MoTe2 SA在532 nm處的Z掃描數據和理論擬合；(b)MoTe2 SA在1 064 nm處的Z掃描數據和理論擬合。

3.3 基于MoTe2被動調Q的單晶光纖激光器

在3# Yb∶LuAG單晶光纖(10%,Φ=3 mm)獲得了4.703 W連續激光輸出的基礎上，以MoTe2作為可飽和吸收體，獲得了最高平均功率為0.522 W的被動調Q脈沖激光輸出，實驗結果如圖10所示。圖10(a)為輸出平均功率與吸收的泵浦功率關系圖，插圖為輸出功率最高時的激光2D光斑。圖10(b)為輸出光譜圖，輸出鏡透過率分別為10%和30%時，輸出激光的中心波長分別為1 048.94 nm和1 047.08 nm。圖11為T=10%時，基于MoTe2調Q的Yb∶LuAG SCF激光器在頻率為77.02 kHz和236.5 kHz時的脈沖形狀和脈沖序列。圖12(a)、(b)分別顯示了T=10%時，脈沖持續時間、脈沖重復頻率、脈沖能量和峰值功率隨吸收泵浦功率的變化。輸出鏡透過率T=10%，當吸收泵浦功率為10.67 W時，輸出平均功率為0.261 W，此時對應最大單脈沖能量3.39 μJ。表4中總結了基于MoTe2可飽和吸收體的Yb3+摻雜被動調Q激光輸出結果，本實驗結果的峰值功率較小，但是具有相對較大的單脈沖能量。

圖10 (a)不同輸出耦合鏡下，基于MoTe2被動調Q Yb∶LuAG單晶光纖激光器的平均輸出功率與吸收的泵浦功率關系和輸出功率最高時的激光2D光斑(插圖)；(b)基于MoTe2被動調Q Yb∶LuAG單晶光纖激光器的輸出光譜。

圖11 基于MoTe2調Q的Yb∶LuAG SCF激光器產生的時間脈沖形狀和脈沖序列。 (a)頻率為77.02 kHz；(b)頻率為236.5 kHz。

圖12 基于MoTe2調Q的Yb∶LuAG SCF激光器性能與吸收泵浦功率的關系。 (a)脈沖持續時間和脈沖重復頻率；(b)脈沖能量和峰值功率。

表4 基于MoTe2 SA的Yb3+摻雜被動調Q激光比較

4 結 論

本文采用μ-PD制備的Yb∶LuAG單晶光纖(SCF)作為增益介質，獲得了輸出功率大于4 W、斜效率21.66%、光束質量因子M2接近于1的連續激光輸出。采用940 nm泵浦時，實現了～1 049 nm和～1 078 nm兩種中心波長的激光輸出。并且在水冷16～20 ℃范圍內，激光輸出功率隨水冷溫度降低而增大。

此外，在藍寶石基底上制備了MoTe2并進行了線性和非線性光學性能表征。結果表明，MoTe2樣品在0.2～7 μm范圍內無吸收峰，在1～7 μm內透過率>50%，展現出較好的線性光學性質；在532 nm和1 064 nm激光照射下，通過焦點位置附近時產生了飽和吸收現象，表明制備的可飽和吸收體MoTe2具有優秀的非線性光學性質。基于該材料，進行了Yb∶LuAG單晶光纖的被動調Q激光實驗，最終獲得最大單脈沖能量3.39 μJ的激光輸出。本工作為Yb∶LuAG單晶光纖在全固態高功率連續和脈沖激光器的應用提供了參考。

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