1. 引言
激光技术自诞生之后就在不断发展进步，在医疗、通讯、工业、军事、商业等几乎全部科技领域都有着激光技术的支持，激光有着不可小觑的应用前景。近年来，处于人眼安全区的2 µm波段中红外激光光源广泛应用于激光医疗[1] [2]、激光雷达[3]、激光遥感、激光测距、大气环境监测[4]、空间通讯等前沿科技领域。以Tm:YAP晶体为增益介质的固体激光器可输出近2 μm激光，并且晶体本身具有良好的机械性能和热力学性能，适合作为获取2 μm激光的增益介质。
基于调Q技术获得的脉冲激光具有峰值功率高、单脉冲能量大、输出脉宽窄等优点，因此脉冲激光是医疗、材料加工等领域常用的激光光源[5]。目前常见的调Q技术主要有主动调Q、被动调Q和自调Q，前两种方式都是通过在激光器谐振腔内插入额外元件实现调制，都可以实现高能量、短脉宽输出，但是会在腔内引入损耗，并且无法将腔型紧凑化。而自调Q并不需要在腔内插入额外元件，因此能够将腔结构变得更紧凑，制造成本也会更加低廉，因此对于自调Q激光器的研究具有广阔的前景[6]。
早在1968年，Isaac等人在一台输出波长为694.3 nm的红宝石激光器中观察到了自调Q脉冲输出现象。这是首次在未加任何调制元件的激光器中观察到调Q脉冲输出[7]。随后在1993年，Li等人首次实现了使用Cr，Nd:YAG晶体的LD泵浦自调Q激光器。该激光器产生了30 μJ的单脉冲能量和30 ns的脉宽，中心波长为1064 nm [8]。2003年，清华大学的徐震等人利用简化的自调Q速率方程，通过数值求解计算了自调Q输出脉冲多个参量，首次提出将自调Q晶体同时看作激光增益介质和可饱和吸收体的观点，分析认为在自调Q晶体中，激光增益作用的长度和可饱和吸收作用的长度相等[9]。
在2014年，Xu等人报道了一台LD泵浦的Yb:CGB晶体自调Q激光器。该激光器可以实现1052.6 nm和1057.7 nm的正交偏振双波长激光输出，输出脉宽为287 ns，平均输出功率为416 mW，脉冲重频为35 kHz [10]。2018年，Zhang等人设计了Tm:YLF自调Q激光器，并实现脉冲输出。当吸收泵浦功率为4.5 W时，输出脉宽为1.4 μs，脉冲重频为21 kHz，输出激光中心波长为1.91 μm，最大平均输出功率为610 mW [11]。2023年，Kang等人利用掺Tm光纤激光器对Ho:GdVO4晶体进行泵浦，实现自调Q脉冲输出。在泵浦功率为11.7W时，激光器最大平均输出功率为1.07 W，输出脉宽为1.81 μs，最高脉冲重频为56.53 kHz。这是首次关于单掺杂Ho晶体自调Q脉冲激光器的报道[12]。
2. 实验装置
LD单端泵浦Tm:YAP自调Q激光器实验装置如图1所示，采用平凹腔结构，腔长为20 mm。实验中采用的增益介质为c-cut的Tm:YAP晶体，Tm离子的掺杂浓度为5%，晶体尺寸为3 mm × 3 mm × 15 mm，晶体两端均镀有对792 nm和1.94 μm的抗反膜，以减少能量损失。为防止泵浦光照射使热量在晶体内堆积，从而面临热致双折射和热量梯度差所产生的应力形变，导致晶体损坏，将整个晶体放置在紫铜热沉中，把晶体周围利用厚度为0.1 mm的铟箔紧密包裹，以便增加晶体与铜块之间的接触面积，以减少不均匀的热效应。热沉下方放置连接有温控系统的热电制冷片，再在水冷模块的协助下对晶体进行散热。整个实验过程中，通过温控系统将温度保持在283 K (10℃)。实验采用的泵浦源工作中心波长为792 nm的二极管激光器，可以达到的最大输出功率分别为43 W，工作温度设定在25℃。通过光纤耦合输出，光纤芯径为400 μm，数值孔径都为0.22，光束质量因子为174.5。泵浦光通过耦合比为1:1的耦合系统输出，两片平凸透镜L1，L2构成了这套耦合系统，两透镜焦距均为65 mm。通过两个透镜组耦合之后，泵浦光斑在Tm:YAP晶体端面处的光斑半径为200 μm。M1和M2分别为激光谐振腔的输入镜和输出镜。M1为平面透镜，镀有780~800 nm高透膜和1.9~2.1 μm全反膜；M2为凹平透镜，对1.9~2.1 μm激光的透过率为2%，其曲率半径分别为100 mm、300 mm和500 mm，在后续会对不同曲率半径的输出镜进行分开实验，以此探究输出镜曲率半径对输出特性的影响。平均输出功率由美国Coherent公司生产的型号为PM30的激光功率计探测。通过Tektronix公司生产的一个100 MHz带宽的MDO3012型数字荧光示波器和InGaAs PIN快速光电二极管探测器(上升时间~10 ns)来记录调Q的脉冲激光信号，以此可以获取脉冲光的脉冲宽度和脉冲重频。
Figure 1. Experimental setup diagram
图1. 实验装置图
3. 实验结果及分析
Figure 2. Variation of average output power with pump power at different curvature radius
图2. 不同曲率半径时平均输出功率随泵浦功率变化曲线
通过更换不同曲率半径的输出镜进行实验，谐振腔腔长L = 20 mm，前腔镜紧贴激光晶体，泵浦光斑半径
= 200 μm，保持不变，选择曲率半径为100 mm、300 mm和500 mm的输出镜进行实验。不同曲率半径输出镜对应输出激光平均功率如图2所示。从图中可以看出相同泵浦功率下，平均输出功率会随着输出镜曲率半径的减小而减小，且都出现了饱和现象。在泵浦功率为13.3 W，输出镜曲率半径为500 mm时，对应最大平均输出功率为2.85 W。
图3所示为不同输出镜曲率半径情况下，输出脉宽和脉冲重频都随着泵浦功率变化的曲线。从图(a)中可以看出，脉宽随着泵浦功率变化先是急剧减小，随后减小趋势变缓，最后趋于稳定。在泵浦功率为13.3 W，腔长为20 mm，输出镜曲率半径为100 mm时，输出脉宽最窄为0.49 μs。图(b)中可以看出，输出重频会随着泵浦功率的增加而呈现线性增加，在泵浦功率为13.3 W，腔长为20 mm，输出镜曲率半径为500 mm时，最大输出重频为35.7 kHz。
Figure 3. Variation of (a) output pulse width and (b) pulse refrequency with pump power at different curvature radius
图3. 不同曲率半径时(a) 输出脉宽和(b) 脉冲重频随泵浦功率变化曲线
图4所示为不同输出镜曲率半径下，输出峰值功率和输出单脉冲能量随泵浦功率的变化曲线。从图(a)中可以看出峰值功率和单脉冲能量都随着泵浦功率的增加而线性增加，且各自的最大值都是在曲率半径为100 mm时获得，最大值峰值功率为322.5 W，最大单脉冲能量为158 μJ。从图中还可以发现，在泵浦功率相同情况下，峰值功率和单脉冲能量会随着曲率半径减小而增大。
Figure 4. Variation of (a) peak power and (b) pulse energy with pump power at different curvature radius
图4. 不同曲率半径时(a) 峰值功率和(b) 单脉冲能量随泵浦功率变化曲线
图5、图6分别展示了腔长L = 20 mm，输出镜曲率半径分别为100 mm、300 mm时，从示波器上观察到不同时间范围下的自调Q脉冲图，两种情况下都是在各自达到最大输出功率下进行取样。图中(a)表示每格宽度为4 ms，图(b)表示每格宽度为1 μs。各自的最窄脉冲宽度为0.49 μs、0.75 μs。
Figure 5. The diagram of output pulses when R = 100 mm (a) 4 ms/div and (b) 1 μs/div
图5. R = 100 mm时的脉冲图(a) 4 ms/div和(b) 1 μs/div
Figure 6. The diagram of output pulses when R = 300 mm (a) 4 ms/div and (b) 1 μs/div
图6. R = 300mm时的脉冲图(a) 4 ms/div和(b) 1 μs/div
利用单色仪分别测量了在腔长L = 20 mm时，输出镜曲率半径分别为500 mm、300 mm、100 mm的输出激光中心波长，结果如图7所示。从图中可看出，在腔长为20 mm时，曲率半径为500 mm和300 mm的输出中心波长接近，都在2026 nm附近，而当曲率半径为100 mm时，中心波长则红移到2044 nm处。
Figure 7. Output wavelength at different curvature radius
图7. 不同曲率半径下输出波长
利用光束质量分析仪测量了在泵浦光斑半径为200 μm时，腔长为20 mm，输出镜曲率半径为100 mm情况下的光束质量以及二维能量分布，如图8所示。在x和y方向上的光束质量因子都接近1.1；从二维能量分布图中可以看出，该情况下在光束截面上光斑的椭圆度较好，能量集中分布在光斑中心位置。因此，我们可以认为该输出激光的模式为TEM00模。
Figure 8. Beam quality when R = 100 mm
图8. R = 100 mm时光束质量
4. 结论
本文根据Tm离子的基态重吸收效应，建立了Tm:YAP自调Q激光器的速率方程模型，并通过数值模拟计算了谐振腔内反转粒子数与光子数密度，脉冲输出的平均输出功率、脉冲宽度、输出脉冲重频、峰值功率、单脉冲能量等相关参数随泵浦功率的变化趋势。通过数值模拟速率方程为后续实验提供参考。
在完成模拟计算之后，搭建Tm:YAP自调Q脉冲激光器。在泵浦光斑半径为200 μm，腔长为20 mm情况下，通过更换曲率半径分别为100 mm、300 mm和500 mm的输出镜进行实验，探究输出镜曲率半径对Tm:YAP自调Q激光器输出特性的影响。当泵浦功率为13.3 W，输出镜曲率半径为100 mm时，输出脉宽为0.49 μs，最大单脉冲能量为158 μJ，中心波长为2044 nm。
NOTES
*通讯作者。