1. 引言
近年来,红外激光器在激光雷达、激光测距、大气环境检测方面发挥非常重要的作用,Tm:YAP固体激光器输出波长位于2 μm附近,处于大气传输窗口,且对人眼安全,在光电对抗、遥感探测及激光医疗方面的应用,越来越多地受到人们关注 [1]。脉冲激光具有脉宽窄、光谱范围窄、峰值功率高和重频可调谐等优点 [2],而获得脉冲式激光重要的一个手段就是调Q操作,调Q一般分为主动调Q和被动调Q,主动调Q常见的操作方式有机械转镜调Q、声光调Q、电光调Q等,被动调Q则是在腔内放置一块饱和吸收体材料,常见的材料有Cr2+掺杂的晶体、碳基材料等。然而,主动调Q激光器在腔内增加调Q元件,面临的问题包括增加了成本,腔型结构不够紧凑以及使得腔结构复杂化;被动调Q激光器在腔内使用饱和吸收体,会增加腔内损耗,同时饱和吸收体的损伤阈值限制了激光器的单脉冲能量 [3]。产生纳秒和微秒脉冲的另一种机制是自调Q (SQS),自调Q特点突出,在腔内不需要放置任何调Q元件,自调Q脉冲激光器腔结构更加紧凑,成本低廉,另外,腔内损耗更低,容易输出较高的平均功率 [4],因此,对激光脉冲序列的研究具有重要的意义。
近年来已有一些关于激光自调Q脉冲序列的研究报道,1993年,Li Shiqun等人报道了第一台用双掺晶体Cr,Nd:YAG作为激活介质的自调Q脉冲激光器 [5],2005年,Su Liangbi等人报道了Yb,Na:CaF2激光器,得到最小脉宽为1.5 μs,重复频率为28 kHz的脉冲序列,最大平均输出功率为400 mW,斜率效率为20.3% [6]。双掺晶体的自调Q脉冲最早被发现,其产生机理是由于双掺离子中的一种离子为可饱和吸收离子,而另一种作为激活粒子产生激光振荡,输出脉冲激光。随着时间推移,1 μm波段的自调Q脉冲激光器得到广泛研究,其中较为常见的掺杂晶体为Nd3+和Yb3+作为激活粒子,2012年,Gupta Pradeep K.等人用SQS型Nd:YVO4激光器,产生脉冲宽度为460 ns,重复频率为61.2 kHz,单脉冲能量为10 μJ,平均输出功率为600 mW,输出波长为914 nm [7]。2014年,Xu Jinlong等人研究了自调Q正交极化双波长Yb:CGB激光器,两个中心波长分别为E//b极化1052.6 nm和E//c极化1057.7 nm,输出脉冲序列重频为35 kHz,脉冲宽度为287 ns,最高输出功率为416 mW [8]。Song Qi等人在2015年报道了另一种双波长自调Q激光器,使用钕玻璃激光器,输出中心波长为1056.86 nm和1060.23 nm,脉冲宽度和重复频率分别为2.02 μs和50.2 kHz [9]。同年,Cai Wei等人用Tm:YAP激光器实现SQS脉冲输出,中心波长为1988 nm,最短脉冲持续时间1.64 μs,重复率65.16 kHz,平均输出功率1.68 W,文中指出产生自调Q脉冲的机理是晶体的热透镜效应 [3]。2018年Zhang Bin等人报道了自调QTm:YLF激光器,输出波长1.91 μm,相应的脉宽和重复率分别为1.4 μs和21 kHz,平均输出功率为610 mW,并提出自调Q脉冲的产生基于准三能级的可饱和重吸收效应 [10]。目前关于自调Q脉冲激光器在1 μm波段的报道较多,而在2 μm波段的研究还比较少,关于产生自调Q脉冲激光的机理也是出现两种不同的声音,依然存在一些疑问,有必要对自调Q脉冲激光器的产生机理进行理论分析,为了更好地研究自调Q脉冲激光器的输出特性,本文通过改变晶体掺杂浓度,晶体长度以及输出镜的透过率参数,找到最优的参数,分析自调Q脉冲激光器输出特性。
2. 速率方程模型建立
Tm激光器中Tm3+在794 nm附近有强的吸收峰,所以以794 nm的半导体泵浦源泵浦时容易产生1.9 μm的激光输出;存在横向驰豫过程,即Tm3+吸收一个泵浦光子会产生两个位于激光上能级的光子,可以表达为
。以794 nm的激光为泵浦激励时,基态中的Tm3+吸收泵浦光的能量跃迁到3H4能级后,不能在3H4能级长时间停留,在自发辐射和无辐射跃迁效应下迅速转移到3F4能级上,当3F4能级上的粒子数不断积累到一个值时,在3F4能级和3H4能级之间形成粒子数反转,某时刻谐振腔内的Q值突然变大时,就会有1.9 μm的激光产生 [11]。在准三能级系统中,激光跃迁会导致较低的激光能级产生热粒子布局,导致基态重吸收效应(GSRA),GSRA损耗在本质上是可饱和的,因此它提供了一种有效的自调Q开关机制。基于上述考虑,Tm:YAP激光器的自调Q现象可以归结在3H6能级产生热粒子群的可饱和GSRA机制,图1是Tm离子的能级示意图,主要涉及到激光的能量传输和GSRA过程。
![](//html.hanspub.org/file/1-2140234x11_hanspub.png)
Figure 1. Diagram of Tm3+ energy levels
图1. Tm3+能级示意图
Tm:YAP自调Q脉冲激光器的速率方程可表示为 [7] [10] [12]:
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
其中,(1)式表示腔内瞬时光子数,(2)式为腔内瞬时反转粒子数密度,(3)式表示重吸收损失项,(4)式为增益介质的Tm:YAP的饱和强度,(5)式为增益介质的瞬时激光强度。方程中各符号代表的物理意义及数值见表1 [12]。
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 1. The physical meaning and numerical value represented by each symbol
表1. 各符号表示的物理意义及数值
将表1各数值带入(1)-(5)式,在泵浦功率
为10 W时,可以得到粒子数关于时间的变化曲线图,如图2所示,其中图2(a)表示反转粒子数密度随时间的变化情况,随着泵浦能量的注入,在3F4能级和3H4能级之间形成粒子数反转,当达到一定阈值,反转粒子数积累到最高水平,随之反转粒子数水平开始下降,并产生光子如图2(b)所示,在反转粒子数积累的过程中是没有光子产生的,当反转粒子数从最高水平开始下降时,光子产生,也就是表现出来的脉冲输出。图2(c)表示重吸收损耗项,当泵浦能量注入时,重吸收损耗逐渐减小到零,此时晶体相当于饱和吸收体被全部漂白,光子产生后,晶体重吸收损耗项恢复,随着反转粒子数积累的过程,晶体逐渐被漂白,然后光子脉冲产生。此过程往复实现,产生了稳定的自调Q脉冲输出。
![](//html.hanspub.org/file/1-2140234x33_hanspub.png)
Figure 2. Changes of particle number in the cavity: (a) Inversion particle number density, (b) Photon number in the cavity, and (c) Reabsorption loss term
图2. 腔内粒子数变化情况:(a) 反转粒子数密度,(b) 腔内光子数,(c) 重吸收损失项
3. 参数优化与讨论
为了对实验方案的可行性提供依据,本文模拟了各参数对输出功率的影响,找到斜率效率最高的腔参数。图3所示为理论模拟所用到的实验装置图。采用简单的平凹腔结构,泵浦源为输出波长为794 nm的光纤耦合激光二极管,纤芯直径为400 μm,数值孔径为0.22。使用1:1耦合透镜组将泵浦光耦合进Tm:YAP激光晶体内。腔镜M1为平面镜,镀有1.9~2.1 μm全反射膜和780~800 nm高透射膜,腔镜M2曲率半径为300 mm,其对1.9~2.1 μm激光的最佳透过率将在下文的理论模拟中进行讨论。
仿真模拟结果如图4所示,给出不同晶体掺杂浓度、晶体长度、以及输出镜透过率下,输出功率的变化趋势,找到最佳的输出效率。功率范围在7~18 W时,脉冲序列稳定输出,因此我们对泵浦功率为7~18 W进行分析研究。图4(a)表示在晶体长度为5 mm,M2透过率为6%时,掺杂浓度为1.5 at.%、3.5 at.%、5.0 at.%的Tm:YAP晶体,输出功率随着泵浦功率的变化情况;从图中可以明显看出,在一定的浓度范围内,掺杂浓度5.0 at.%的Tm: YAP晶体输出斜率效率最高,而且光转换效率最高,浓度过高会出现浓度淬灭的现象,并不是浓度越高越好;由于5.0 at.%的Tm:YAP容易生长,且比较常见,因此实验中,我们选用掺杂浓度为5.0 at.%的Tm: YAP晶体。图4(b)表示M2透过率为6%,掺杂浓度为5 at.%时,晶体长度为3 mm、5 mm、7 mm、10 mm的Tm:YAP晶体,输出功率随着泵浦功率的变化情况;从图中可以明显得出,在一定的晶体长度范围内,晶体长度为5 mm的Tm:YAP晶体输出斜率效率最高,而且光转换效率最高,在实验中,我们选用长度为5 mm的Tm:YAP晶体。图4(c)表示掺杂浓度为5.0 at.%,长度为5 mm时,输出耦合镜M2的透过率为2%、4%、6%、8%,输出功率随着泵浦功率的变化情况;从图中可以得出,输出耦合镜M2的透过率为6%时,输出的斜率效率最高,且光转换效率最高。综上所述,为了实验得到更优良的输出特性,我们在实验中选用掺杂浓度为5.0 at.%,长度为5 mm的Tm:YAP晶体,选用透过率为6%的输出耦合镜M2。选择浓度时,浓度增加的时候,光转换效率和输出斜率效率也随之增加,但是浓度过高会出现浓度淬灭效应,使得输出效率下降;晶体长度与晶体掺杂浓度有一定的联系,每种掺杂浓度都存在一个最佳的晶体长度,平衡了吸收效率与再吸收损耗的关系;透过率决定输出功率的效率,当透过率增加时,提高了透射光的比例,有利于提高输出功率,但是同时阈值也增加了,从而导致腔内光强下降,因此存在一个使输出功率达到极大值的最佳透射率。
![](//html.hanspub.org/file/1-2140234x35_hanspub.png)
Figure 4. Output power changes with pump power under different parameters: (a) Crystal doping concentration; (b) Crystal length; and (c) Output coupling mirror transmittance
图4. 不同参数下输出功率随泵浦功率的变化情况:(a) 晶体掺杂浓度;(b) 晶体长度;(c) 输出耦合镜透过率
通过数值模拟,选用掺杂浓度为5.0 at.%,长度为5 mm的Tm:YAP晶体,透过率为6%的输出耦合镜M2。得到脉冲宽度、重复频率、峰值功率、脉冲能量随泵浦功率变化的关系图,如图5所示。图5(a)表示脉冲宽度随泵浦功率的增加逐渐减小的过程,随着泵浦功率的增加变化趋势也越来越平缓。图5(b)表示脉冲重复频率随泵浦功率的增加逐渐增加的变化过程,近似线性增长。图5(c)表示峰值功率随泵浦功率的增加的逐渐变大,而且变化趋势越来越明显。图5(d)表示单脉冲能量随泵浦功率增加逐渐变大的过程,在不同的功率下变化趋势有明显变化。在泵浦功率为18 W时,脉冲宽度为5.1 μs,重复频率为22.7 kHz,峰值功率为12.1 W,脉冲能量为61.9 μJ。
![](//html.hanspub.org/file/1-2140234x36_hanspub.png)
![](//html.hanspub.org/file/1-2140234x37_hanspub.png)
Figure 5. The evolutions of (a) Pulse width, (b) Repetition frequency, (c) Peak power, and (d) Pulse energy with the increase of the pump power
图5. 各输出特性随泵浦功率的变化情况:(a) 脉冲宽度;(b) 重复频率;(c) 峰值功率;(d) 脉冲能量
4. 结论
通过数值模拟,确定Tm:YAP的晶体掺杂浓度为5.0 at.%,长度为5 mm,输出透过率为6%的耦合镜。对自调Q实验的实质进行了理论分析,对自调Q脉冲激光器的研究具有指导意义。泵浦功率从7 W增加到18 W,脉冲宽度逐渐减小,重复频率、峰值功率、脉冲能量不断增加。在泵浦功率为18 W时,脉冲宽度为5.1 μs,重复频率为22.7 kHz,峰值功率为12.1 W,脉冲能量为61.9 μJ。自调Q脉冲激光器在2 μm波段的研究越发广泛,利用其自身的损耗小、成本低的优势,在科研、医疗等领域具有非常深远的意义。
基金项目
国家自然科学基金(61775166, 61275138),天津自然科学基金(19JCZDJC32600),天津市高等学校创新团队培养计划(TD13-5035)。
NOTES
*通讯作者。