Tm:YAP谐振泵浦Ho:YLF被动调Q激光器

Tm:YAP Resonantly Pumped Ho:YLF Passively Q-Switched Laser

摘要: 本文报道了谐振泵浦连续波和被动调Q脉冲Ho:YLF激光器。首先，实现了输出波长为1940 nm的Tm:YAP连续波激光器，将其作为泵浦源对Ho:YLF激光器进行谐振泵浦。其次，以Ho:YLF晶体作为激光增益介质，实现了输出波长为2065.26 nm的Ho:YLF连续波激光器，在吸收泵浦功率为6.02 W时，获得最大输出功率为3.68 W，相应的斜率效率和光光转换效率分别为75.83%和61.10%，最后以Cr²⁺:ZnS晶体作为可饱和吸收体，实现了输出波长为2053 nm的Ho:YLF被动调Q脉冲激光器，在吸收泵浦功率为5.26 W时，获得最大平均输出功率1.76 W，相应的斜率效率和光光转换效率分别为43.50%和33.52%。此时脉冲宽度为46.55 ns，脉冲重频为2.56 kHz，单脉冲能量为686.7 μJ，峰值功率为14.75 kW。

Abstract: This paper reports resonantly pumped continuous wave and passively Q-Switched Ho:YLF lasersFirst, a Tm:YAP continuous wave laser with the output wavelength of 1940 nm is realized as a pump source for resonantly pumped Ho:YLF laser. Second, by using Ho:YLF crystal as the gain medium, a Ho:YLF continuous wave laser with the output wavelength of 2065.26 nm is realized. The maximum output power of 3.68 W was obtained under 6.02 W absorbed pump power with the slope efficiency and optical-to-optical conversion efficiency of 75.83% and 61.10% respectively. Last, by using Cr²⁺:ZnS crystal as the saturable absorber, a Ho:YLF Passively Q-Switched laser with the output wavelength of 2053 nm is realized. The maximum average output power of 1.76 W was obtained under 5.26W absorbed pump power with the slope efficiency and optical-to-optical conversion efficiency of 43.50% and 33.52% respectively. At this time, the pulse width is 46.55 ns, the pulse repetition rate is 2.56 kHz, the single pulse energy is 686.7 μJ, and the peak power is 14.75 kW.

1. 引言

在过去的几十年里，激光技术经历了迅速的发展，并已成为现代科技不可或缺的一部分。特别是2 μm固体激光器，由于其独特的波长范围，能够在许多领域中发挥重要作用。2 μm波段激光具备良好的大气透过性和对生物组织的高吸收率，使其在激光通信、遥感探测、医疗手术及材料加工等多个应用领域中展示出其独特的优势[1] [2] [3]。脉冲激光器通常采用主动调Q和被动调Q两种技术。其中被动调Q技术是通过插入可饱和吸收体的非线性吸收特性来改变谐振腔中的Q值。它具有结构简单、体积小的优点[4]。在被动调Q激光器中，选用合适的可饱和吸收体是实现高效激光输出的关键因素。与其他可饱和吸收体相比较，Cr²⁺:ZnS晶体具有较高的损伤阈值、较低的热光系数和较高的热导率，所以能承受高能量密度，并展现出较小的温度梯度和较弱的热透镜效应[5] [6]。

在实现2 μm波长激光输出的领域中，目前主要有三种技术途径被广泛探索和研究，分别为光学参量振荡器[7]，Tm-Ho共掺激光器[8]和单掺Ho³⁺激光器[9]。光学参量振荡器一般面临着结构复杂、光束质量较差、激光线宽宽泛及光光转换效率偏低等挑战，Tm-Ho共掺激光器中Tm³⁺和Ho³⁺之间的能量传递过程会限制高功率激光的输出，且对环境温度有较高的要求，不容易产生高功率输出。单掺Ho³⁺激光器通常使用掺Tm³⁺的固体或光纤激光器作为泵浦源，其发射波长与掺Ho³⁺晶体的吸收峰相匹配，使获得中心波长位于2 μm附近的激光成为可能。这种谐振泵浦技术在工作温度和环境要求方面具有较低的敏感性，量子损耗也显著降低。相比直接泵浦Tm³⁺和Ho³⁺共掺晶体的技术，它在减少晶体热积累、避免敏化离子吸收损耗和减小上转换损耗方面展现了明显的优势。因此，单掺Ho³⁺激光器无论在室温还是低温条件下，实现高效率、高功率、高光束质量和高稳定性的2 μm激光器相对容易[10] [11] [12]。2015年，崔铮等人报道了通过用Tm:YAP激光器谐振泵浦的方法，成功实现了采用Cr²⁺:ZnS作为可饱和吸收体的Ho:YLF被动调Q激光器。在27.1 W的注入泵浦功率下，当可饱和吸收体与输出镜距离为105 mm时，获得了最短的脉冲持续时间33.3 ns；而在距离为5 mm时，实现了最高的平均输出功率6.8 W [13]。2016年，杨超等人报道了一种自制的1940 nm全光纤激光器，以此作为泵浦源谐振泵浦Ho:YLF激光器。在连续激光模式下，Ho:YLF激光器实现了最高7.79 W的连续波激光输出，相应斜率效率为55.2%。通过加入Cr²⁺:ZnS作为饱和吸收体，获得了最高6.03 W的平均输出功率和45.9%的斜率效率[14]。

在本文中我们以自建的Tm:YAP激光器作为泵浦源，研究了连续波和被动调Q脉冲Ho:YLF激光器的输出特性。在Ho:YLF连续波激光器中，获得中心波长为2065.26 nm、最大输出功率为3.68 W的连续激光输出，其斜率效率为75.83%。在Ho:YLF被动调Q激光器中，获得中心波长为2053 nm、最大平均输出功率为1.76 W的脉冲激光输出，其斜率效率为43.50%。

2. 实验装置

Figure 1. Experimental setup of the Tm:YAP laser

图1. Tm:YAP激光器的实验装置

为了实现谐振泵浦Ho:YLF激光器，首先搭建了1940 nm Tm:YAP高功率激光器作为Ho:YLF激光器的泵浦源，其实验装置如图1所示。选取光纤耦合的LD用作实验中的泵浦源，芯径Dc为400 μm，数值孔径NA为0.22，最大输出功率为50 W，激光器的中心波长为792 nm。整体采用了“Z”型双凹腔结构，其中M₁为曲率半径是518 mm，对振荡光全反的曲面镜，M₂和M₃为两片45˚二色镜，都对泵浦光高透(T > 99.5%)，对振荡光高反(R > 99.5%)，M₄为曲率半径是200 mm，且对振荡光的透过率为20%的输出镜。首先通过40 mm的准直透镜(F₁)和100 mm的会聚透镜(F₂)，将半径为200 μm的泵浦光斑扩束到半径为500 μm，再通过45˚二色镜将泵浦光注入到Tm:YAP晶体内部。本实验中，Tm:YAP晶体为a轴切割，掺杂浓度为3 at.%，尺寸规格为3 3 20 mm³的块状晶体，为了解决Tm:YAP晶体强热透镜效应导致的谐振腔稳定性不好的问题，本实验特定采用了双凹腔的结构。

Ho:YLF激光器的实验装置图如图2所示，其中使用的Ho:YLF晶体尺寸为4 4 40 mm³，掺杂浓度0.5 at.%，晶体两端面均镀有对1.94 μm以及2 μm的增透膜(T > 99.5%)。该实验选用了L型谐振腔，使用这个腔型的原因为在做被动调Q实验时，防止泵浦光对2 μm激光的脉冲调制产生影响，通过f = 150 mm的会聚透镜M₈对Tm:TAP固体激光器产生的激光进行聚焦，当会聚透镜M₈距离Tm:TAP固体激光器的输出镜270 mm时，聚焦到Ho:YLF晶体内的光斑大小为~ 220 μm，并使泵浦光斑的束腰位置距离Ho:YLF晶体前端面10 mm。M₅为平镜，它对1.9 μm泵浦光高透，对2 μm振荡光高反，使得泵浦光只有一次通过Ho:YLF晶体(单程泵浦)，45˚二色镜M₆对1.94 μm泵浦光高透、对2 μm振荡光高反，平凹镜M₇为激光器输出镜，曲率半径为300 mm，对振荡光的透过率为20%。谐振腔腔长为160 mm，在M₆和M₇中插入可饱和吸收体Cr²⁺:ZnS晶体，其中Cr²⁺:ZnS晶体的尺寸为4 10 2.5mm³，对2 μm激光的小信号透过率为83%。另外d表示可饱和吸收体距离M₇的距离。

Figure 2. Experimental setup of the Ho:YLF laser

图2. Ho:YLF激光器的实验装置

3. 实验结果与讨论

3.1. Tm:YAP连续波激光器输出特性

实验中使用激光功率计(北京物科光电，LP-3B20)测量了该激光器的输出功率。图3为输出功率与注入泵浦功率的变化关系，由图3可知，当注入泵浦功率为80.3 W时，激光器的输出功率达到最大，为19.16 W，斜率效率为31.77%，光光转换效率为23.86%。

Figure 3. Output power of Tm:YAP laser

图3. Tm:YAP激光器的输出功率

实验中利用波长计(Bristol Instruments, 771A)测量最大输出功率下的光谱，如图4所示，其中心波长为1940.43 nm，峰值半高宽(FWHM)为0.1659 nm。

Figure 4. Output spectrum of Tm:YAP laser

图4. Tm:YAP激光器的输出光谱

图5表示在Tm:YAP激光器输出功率为2 W、5 W、10 W和19 W时，采用90/10刀口法对其水平方向上的光束质量进行了测量，分别得到相应的光束质量M²为1.12、1.45、2.12和2.47。此激光器在输出功率19 W之内的光束质量，满足泵浦Ho:YLF晶体的要求。

(a) (b)

(c) (d)

Figure 5. Beam quality measerements of Tm:YAP laser: (a) P_out = 2 W; (b) P_out = 5 W; (c) P_out = 10 W; (d) P_out = 19 W

图5. Tm:YAP激光器光束质量：(a) P_out = 2 W；(b) P_out = 5 W；(c) P_out = 10 W；(d) P_out = 19 W

为进一步探究Tm:YAP激光器激光输出的稳定性，在最大输出功率下，利用激光功率计对30 min之内的输出功率进行了取样操作，首先，将记录的步长设置为1 s，一共有1800个数据点可供参考，数据点的多样性也会保证结论的严谨性。如图6所示为最大输出功率随时间的变化关系，由图可知功率稳定性较高，其均方根值(Root Mean Squared, RMS)为0.32%。当均方根值越小时，说明数据的稳定性越高。

Figure 6. Power stability of Tm:YAP laser

图6. Tm:YAP激光器的功率稳定性

基于上述实验数据，可确定此Tm:YAP连续波激光器完全符合作为Ho:YLF激光器的泵浦源。

3.2. 谐振泵浦Ho:YLF连续波激光器输出特性

在实验中，首先在没有插入可饱和吸收体的情况下，记录了Ho:YLF激光器连续波输出特性，实验中测得Ho:YLF晶体对泵浦光的吸收效率为49%，为了更加准确的表现出Ho:YLF晶体的输出特性，所以使用吸收泵浦功率来描述激光器的输出特性。Ho:YLF激光器的连续输出功率与吸收泵浦的关系如图7所示，当吸收泵浦功率为870 mW时，激光开始起振，随着吸收泵浦功率的增加，输出功率也随之线性增加，在吸收泵浦功率为6.02 W时，输出激光并没有发生输出饱和现象，最大输出功率为3.68 W，在增加吸收泵浦功率的过程中，斜率效率基本保持不变，约为75.83%，光光转换效率约为61.10%

Figure 7. Output power of CWHo:YLF laser

图7. Ho:YLF连续激光器的输出功率

实验中使用波长计来测量Ho:YLF激光器在最大输出功率下的输出光谱。如图8所示，输出激光的中心波长为2065.26 nm，FWHM为0.3709 nm。

Figure 8. Output spectrum of CW Ho:YLF laser

图8. Ho:YLF连续激光器的输出光谱

实验中使用光束质量分析仪(DataRay, WinCamD-IR-BB)对输出激光的能量分布进行测量，首先利用焦距为100 mm的会聚透镜对光束进行会聚，之后用光束质量分析仪记录激光沿光轴方向不同位置处的光斑尺寸，从而计算出x轴方向和y轴方向上的光束质量因子M²。由图9可知，$M_x^2$ = 1.10，$M_y^2$ = 1.12；表明输出激光光束都近似衍射极限传播。插图为在各个输出镜透过率下的光场二维能量分布图，表明输出激光光束为TEM₀₀模。

Figure 9. Beam quality measerements of CW Ho:YLF laser

图9. Ho:YLF连续激光器的光束质量

3.3. 谐振泵浦Ho:YLF被动调Q激光器输出特性

在被动调Q实验中，首先利用Ho:YLF连续波激光器的腔参数，其次通过改变可饱和吸收体Cr²⁺:ZnS在谐振腔内的位置，研究脉冲激光的输出特性。当距离d分别设置为10 mm、35 mm和60 mm时，平均输出功率与吸收泵浦功率的关系如图10所示。其中当d逐渐增大时，Ho:YLF晶体对泵浦光的吸收效率分别为44.00% (d = 10 mm)、44.97% (d = 35 mm)和45.06% (d = 60 mm)，由图10可以看出，当d为60 mm时，在吸收泵浦功率为5.26 W时得到最大的平均输出功率1.76 W，激光器的斜率效率最高，为43.50%，光光转换效率最高，为33.52%，其输出效果最佳。当d为10 mm和35 mm时，最大的平均输出功率分别为1.48 W和1.68 W，激光器的吸收斜率效率分别为37.12%和40.03%，光光转换效率分别为31.29%和28.30%。

Figure 10. Average output power of PQS Ho:YLF laser

图10. Ho:YLF被动调Q激光器的平均输出功率

图11为可饱和吸收体在谐振腔内不同位置下，脉冲宽度、脉冲重复频率、单脉冲能量和峰值功率随着吸收泵浦功率的变化关系图。由图11可知当吸收泵浦功率最大时，脉冲宽度依次为50.17 ns (d = 10 mm)、46.89 ns (d = 35 mm)和46.55 ns (d = 60 mm)，脉冲重复频率依次为2.41 kHz (d = 10 mm)、2.48 kHz (d = 35 mm)和2.56 kHz (d = 60 mm)，单脉冲能量依次为611.2 J (d = 10 mm)、675.1 J (d = 35 mm)和686.7 J (d = 60 mm)，峰值功率依次为12.18 kW (d = 10 mm)、14.39 kW (d = 35 mm)和14.75 kW (d = 60 mm)。

(a) (b)

(a) (b)

Figure 11. Output characteristics of PQS Ho:YLF laser for different d: (a) Pulse width; (b) Pulse repetition rate; (c) Single pulse energy; (d) Peak power

图11. 不同d下Ho:YLF被动调Q激光器的输出特性：(a) 脉冲宽度；(b) 脉冲重复频率；(c) 单脉冲能量；(d) 峰值功率

当d = 60 mm时，在最大平均输出功率下记录了单脉冲轮廓和脉冲序列。如图12所示，图(a)为单脉冲轮廓，图(b)为脉冲序列。可以从脉冲序列图可以看出脉冲的强度并没有很大的跳动，这是因为可饱和吸收体的恢复时间为5.7 s，是远远小于两个脉冲的间隔时间，导致两次脉冲建立过程中的初始粒子数浓度一样，使得脉冲序列有良好的稳定性。

实验中采用单色仪(Zolix, Omni-λ 300)测量了d = 60 mm时脉冲激光的输出光谱，如图13所示，其中心波长为2053 nm，FWHM为0.39 nm。

实验中使用光束质量分析仪测量了d = 60 mm时，最大平均输出功率下脉冲激光的能量分布，由图14可知，$M_x^2$ = 1.26，$M_y^2$ = 1.30，表明输出激光光束都近似衍射极限传播。插图为光场的二维能量分布图，表明输出激光光束为TEM₀₀模。

(a) (b)

Figure 12. The PQS Ho:YLF laser for d = 60 mm: (a) A single pulse; (b) A train of output pulses

图12. D = 60 mm时，Ho:YLF被动调Q激光器：(a) 单脉冲轮廓；(b) 脉冲序列

Figure 13. Output spectrum of PQS Ho:YLF laser for d = 60 mm

图13. d = 60 mm时，Ho:YLF被动调Q激光器的输出光谱

Figure 14. Beam quality measerements of PQS Ho:YLF laser for d = 60 mm

图14. d = 60 mm时，Ho:YLF被动调Q激光器光束质量

利用激光功率计对30 min之内的Ho:YLF被动调Q激光器的最大平均输出功率进行了取样观察，如图15所示为平均输出功率随时间的变化关系，由图可知功率稳定性较高，其RMS为0.34%。

Figure 15. Power stability of PQS Ho:YLF laser for d = 60 mm

图15. d = 60 mm时，Ho:YLF被动调Q激光器的功率稳定性

4. 结论

首先，以Tm:YAP晶体作为激光增益介质，采用Z型腔结构，在注入泵浦功率为80 W时，实现了最大输出功率为19.16 W，中心波长在1940 nm的激光输出，其斜率效率和光光转换效率分别达到了31.77%和23.86%，在最大输出功率下，功率稳定性为0.32%，且在2 W至19 W的输出功率范围内，光束质量因子从1.12增加至2.47。以Tm:YAP激光器对L型腔结构的Ho:YLF激光器进行谐振泵浦，在吸收泵浦功率为6.02 W时，实现了最大输出功率为3.68 W，中心波长为2065.26 nm的激光输出，其斜率效率和光光转换效率分别达到了75.83%和61.10%，在最大输出功率下，功率稳定性为0.5%，输出激光水平方向和竖直方向光束质量因子分别为$M_x^2$ = 1.10，$M_y^2$ = 1.12。最后，将插入可饱和吸收体放置在距离输出镜60 mm时，在吸收泵浦功率为5.26 W时，获得最大平均输出功率1.76 W，中心波长为2053 nm的脉冲激光输出，相应的斜率效率和光光转换效率分别为43.50%和33.52%。此时脉冲宽度为46.55 ns，脉冲重频为2.56 kHz，单脉冲能量为686.7 μJ，峰值功率为14.75 kW，功率稳定性为0.34%，输出激光水平方向和竖直方向光束质量分别为$M_x^2$ = 1.26，$M_y^2$ = 1.30，由此可知，当可饱和吸收体上的振荡光班越小时，脉冲激光的输出特性越好。

NOTES

^*通讯作者。