1. 引言
同步双波长振荡的固体激光器在精密测量、光谱研究、泵浦探针测量以及差分吸收雷达等领域有着广阔的应用前景[1]-[6]。通常情况下，采用单增益介质实现双波长激光的输出。然而两波长之间存在固有的增益竞争效应，造成不稳定的输出功率，并且输出功率和斜率效率也会因为额外添加的损耗而下降[7]。2020年，Z. H. Tu等人通过倾斜输出镜耦合器，实现了两组双波长拉曼激光的输出[8]，这两组双波长激光在一个小时内总输出功率的不稳定性分别为5.4%和7.6%。采用双增益介质实现双波长激光输出，可以有效地消除增益竞争效应，获得稳定的功率。
双波长激光治疗中的剂量控制，需要对两个波长激光的功率比例进行调节[9]。功率均衡的双波长激光器有利于实现效率高的外差拍频[10]。2018年，H. C. Liang等人利用楔形键合的Nd:YVO4/Nd:GdVO4晶体，改变泵浦束腰在竖直平面上的位置，1064 nm和1063 nm之间的功率比可以平滑地在0.6至1.78之间变化[11]。2020年，M. Nadimi等人通过改变激光二极管的带内泵浦波长，进而改变了每个晶体的吸收泵浦功率，灵活调控两波长之间的输出功率比[12]。然而目前功率比可调控的同步双波长振荡激光器主要集中于1 μm波段。2 μm激光位于水分子吸收峰，并且长波长在产生相干太赫兹辐射上转换效率更高[13]-[15]。因此，研究位于2 μm波段的功率比可调谐双波长固体激光器是很有意义的。
在本论文中，我们实现了功率稳定且功率比可调的Tm,Ho:(LLF/YLF)双波长激光器。通过仅仅沿着腔轴改变泵浦聚焦位置，两波长的输出功率比可以大范围调谐，且双波长的频差也发生变化。当Z0 = 2.4 mm时，该双波长激光器获得565 mW的最大总输出功率。
2. 实验装置
图1为同偏振双波长激光器的实验装置图。泵浦源采用市面上成熟的光纤耦合激光二极管，其输出中心波长为792 nm，最高输出功率为12 W。泵浦光通过一根芯径为100 μm，数值孔径为0.22的光纤耦合输出。泵浦光束被重新成像，并通过1:1的耦合透镜组聚焦到激光晶体内部。该耦合透镜组系统的传输效率为94%。在本实验中，我们采用了简单的线型平凹腔结构，腔长为94 mm。前腔镜M1为平镜，紧贴着激光晶体的前端面，且其对792 nm的激光高透，对2 μm的激光高反。输出镜M2为曲率半径为100 mm的凹面镜，对2 μm激光有一定的透过率。该同偏振双波长激光器的增益介质由两块晶体组成，4 × 4 × 2 mm3 Tm,Ho:LLF和4 × 4 × 2.5 mm3 Tm,Ho:YLF。这两块晶体都是沿着a轴切割，其中Tm3+的掺杂浓度为5 at.%，Ho3+的掺杂浓度为0.5 at.%。两块增益介质的前后端面都镀有792 nm和2 μm的高透膜。两块晶体被紧密地放置在一起，并且它们的c轴彼此平行。增益介质被小心地包裹在银箔内，并放置在铜制热沉中，通过热电制冷模块和水冷系统控制在288 K。定义Z0 = 0为Tm,Ho:LLF晶体的前端面。实验中，采用功率计(MolectronPM10)来测量输出功率。输出波长采用波长计(771A, Bristol)进行测量。输出激光光束的轮廓由光束质量分析仪(WinCamD-IR-BB, DataRay Inc)测量。
Figure 1. The experimental setup of the homopolarized dual-wavelength Tm,Ho:(LLF/LLF) laser
图1. 同偏振双波长Tm,Ho:(LLF/YLF)激光器的实验装置
3. 实验结果及分析
我们首先探究了不同输出镜透过率下Tm,Ho:(LLF/YLF)激光器的输出特性。改变泵浦聚焦位置，使该激光器输出功率最大。图2(a)为在输出镜透过率为2%、4%、6%和10%的情况下，该激光器输出功率随吸收泵浦功率的变化关系。可以看到，在4%和6%的输出镜透过率情况下，该同偏振双波长激光器的输出性能最好。在吸收泵浦功率为1.78 W时，分别得到641 mW和636 mW的最大输出功率，对应的斜率效率分别为40.1%和40.3%。图2(b)为在最大输出功率下，该激光器在不同输出镜透过率下的输出波长。可以看到在2%和4%输出镜透过率下，两激光晶体输出波长相近。在6%输出镜透过率下，该激光器输出激光为三波长。在10%输出镜透过率下，Tm,Ho:LLF晶体的输出波长在2055 nm附近，Tm,Ho:YLF晶体的输出波长在2053 nm附近。随着输出镜透过率的逐渐增大，谐振腔内损耗增加，从而激光晶体内部的反转粒子数密度变大。根据激光晶体的增益谱计算，随着反转粒子数的增大，输出波长发生蓝移。结合该激光器的输出功率以及光谱特性考虑，选择10%透过率的输出镜进行后续实验。
Figure 2. The Tm,Ho:(LLF/YLF) laser with maximum output power: (a) output power, (b) output spectra
图2. 最高输出功率的Tm,Ho:(LLF/YLF)激光器：(a) 输出功率，(b) 输出光谱
图3为在输出镜透过率为10%，吸收泵浦功率为1.78 W的情况下，Tm,Ho:(LLF/YLF)同偏振激光器的输出光谱随泵浦聚焦位置的变化关系。当Z0 = 1.8 mm时，仅前晶体Tm,Ho:LLF达到阈值，输出激光的波长为2055 nm。泵浦聚焦位置向后移动，后晶体Tm,Ho:YLF开始出光，输出激光的波长为2053 nm。当Z0 = 3.4 mm时，仅有2053 nm激光输出。对输出光谱进行分析，随着泵浦聚焦位置向后移动，两激光晶体的输出波长发生了漂移，两输出波长之间的频差也相应地发生变化。产生这种现象的原因是随着泵浦聚焦位置的变化，泵浦光束的发散改变了前后晶体中的模式匹配和反转粒子数密度。
Figure 3. Output spectra versus pump focus position at the absorbed pump power of 1.78 W
图3. 在1.78 W的吸收泵浦功率下输出光谱随泵浦聚焦位置的变化关系
通过对输出光谱图进行高斯拟合，可以估计得到2055 nm和2053 nm激光的输出功率比，进而估计得到2055 nm和2053 nm激光的输出功率。图4为在最大的吸收泵浦功率下，总、2055 nm和2053 nm的输出功率随泵浦聚焦位置的变化关系。随着泵浦聚焦位置从Z0 = 1.8 mm向后移动，总输出功率一直增大，2055 nm激光的输出功率逐渐降低，2053 nm激光的输出功率逐渐升高。直到Z0 = 2.4 mm，该Tm,Ho:(LLF/YLF)同偏振激光器达到565 mW的最大总输出功率。此时，2055 nm激光和2053 nm激光的输出功率分别为247 mW和318 mW。泵浦聚焦位置继续向后移动，2055 nm激光的输出功率持续下降，2053 nm激光的输出功率继续上升，并于Z0 = 3.0 mm处达到最大的输出功率，之后输出功率开始下降。任一波长的输出功率比例可以完全覆盖从0%至100%。因此，我们不仅可以实现双波长的共存与切换，并且还可以有效地控制两波长激光的输出功率比。
图5(a)为在泵浦聚焦位置为2.4 mm，吸收泵浦功率为1.78 W时，测得最高输出功率的Tm,Ho:(LLF/YLF)激光器的光束质量。插图为总激光光束的二维光斑轮廓。通过测量激光轴向不同位置的光斑半径，通过计算得到输出激光在x方向和y方向上的光束质量因子分别为1.64和1.50。该激光束的空间分布是基横模(TEM00)。与此同时，我们还测量了在最高的吸收泵浦功率下，该双波长激光器在30分钟内总输出功率的不稳定性。如图5(b)所示，总输出功率的RMS不稳定性为0.29%。
在Z0 = 1.8 mm和Z0 = 4.3 mm时，实现了2055 nm和2053 nm的单波长输出。图6为单波长激光器的输出功率随吸收泵浦功率的变化关系。当吸收泵浦功率为0.474 W时，Tm,Ho:LLF晶体和Tm,Ho:YLF
Figure 4. Output power versus pump focus position at the absorbed pump power of 1.78 W
图4. 在1.78 W的吸收泵浦功率下输出功率随泵浦聚焦位置的变化关系
Figure 5. (a) Laser beam qualities (Inset: two-dimensional beam profile) and (b) power stability of the total output laser
图5. 总输出激光的(a) 光束质量因子(插图：二维光斑分布)和(b) 功率稳定性
Figure 6. Output characteristics of single wavelength lasers: (a) Tm,Ho:LLF, (b) Tm,Ho:YLF
图6. 单波长激光器的输出特性：(a) Tm,Ho:LLF，(b) Tm,Ho:YLF
晶体产生的激光同时开始起振。随着吸收泵浦功率的逐渐增大，2055 nm激光的输出功率线性增加，而后出现饱和现象；2053 nm激光的输出功率一直线性增加。在吸收泵浦功率为1.78 W时，2055 nm激光和2053 nm激光的最大输出功率分别为432 mW和386 mW，对应的斜率效率分别为32.1%和28.4%。
4. 结论
综上所述，我们实现了大范围可调谐功率比的Tm,Ho:(LLF/YLF)同偏振双波长激光器。通过仅仅沿着光轴改变泵浦聚焦位置，2055 nm和2053 nm的输出功率比例可以完全覆盖从0%至100%。与此同时，两波长之间的频差也发生了改变。在本实验中，我们不仅可以得到两组单波长激光输出，还可以得到任意功率比的双波长激光输出。
NOTES
*通讯作者。