一种紧凑的2μm自调Q激光器外文翻译资料

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一种紧凑的2mu;m自调Q激光器

蔡伟^a，刘杰^a,b,*，李春^a，朱宏桐^a，葛平光^a，郑力和^c，苏梁比^c，徐俊^c

^a山东省光学与光子器件重点实验室，物理与电子学院，山东师范大学，济南 250014，中国

^b国家重点晶体材料实验室，山东大学，济南 250100，中国

^c透明和光功能无机材料重点实验室，上海硅酸盐研究所，中国科学院，上海 201800，中国

摘要：二极管泵浦YAlO₃掺杂Tm³ (Tm:YAP)在2mu;m紧凑的线性腔自调Q激光器。获得最大平均输出功率为1.68W，中心波长为1988nm稳定的自调Q激光脉冲，对应的斜率效率为31.7%。脉冲重复率和单脉冲能量分别为65.16 kHz和25.7mu;J。据我们所知，这是第一个在2mu;m领域二极管泵浦的全固态自调Q激光器。

关键词：自调Q；二极管泵浦；Tm:YAlO₃晶体；2mu;m

1. 引言

近年来，在2mu;m人眼安全区发射的脉冲固体激光器因其在医学、测距、激光雷达、环境大气监测等方面的广泛应用而备受关注。此外，在中红外区，他们也可以被用作泵浦光学参量振荡器（OPOs）和固体激光器的泵浦源。一般来说，调Q可提供简单的方法来获得在2mu;m附近的纳秒或微秒脉冲。利用主动或被动调制方案可以实现调Q。2mm主动调Q是利用电光(EO)或声光(AO)设备来提供所需的光闸。2mu;m被动调Q是基于半导体和基于碳材料或掺杂离子如Cr² 的晶体组成的可饱和吸收体的。然而，在被动Q开关激光器中，含有这些元件的激光结构成本更高，缺乏紧凑性，和增加的复杂性。在被动调Q激光器中，我们需要在腔内用一个饱和吸收体，来增大腔内损耗。同时吸收体的光损伤阈值限制了被动调Q脉冲能量。另一种产生微妙脉冲的方法是自调Q。Freund首次报道了红宝石激光。与其他的调Q方法相比较，它更简单、成本更低。在这种技术中，没有特殊的调制元件被需在激光腔内来启动和维持脉冲机制。激光腔简单地由光学谐振腔、合适的增益介质和泵浦源组成。这些特点使自调Q成为获得脉冲激光的潜在方法。二极管泵浦全固态自调Q激光多在1mu;m波段，没有报道在2mu;m波段。

Tm:YAP单晶体作为2mu;m激光增益介质具有很强的吸引力，主要是由于其自然双折射结合良好的保温和机械性能类似于那些YAG晶体。此外，铥在YAP晶体上（5.5 times;10 ^-21 cm²）的发射截面是在YAG晶体上（2.2 times;10 ^-21 cm²）的2倍。因此，Tm:YAP晶体适用于激光二极管泵浦，是一种很有发展前途的激光材料。

2004年，Sullivan et al. 报道一个AO调Q Tm:YAP激光器的最大重复频率为30kHz。2010年，B. Q. Yao et al. 报道在被动调Q二极管泵浦Tm:YAP激光器中首次使用InGaAs/GaAs作为一个可饱和吸收体。最近，我们的研究小组首次报道Tm:YAP被动调Q是基于碳纳米管的饱和吸收激光能。然而，自调Q Tm:YAP激光器从未报道过。

在本文中，一种紧凑的2mu;m波段二极管泵浦自调Q激光器首次被报道。一个简单的平凹腔，Tm:YAP自调Q激光器最大输出功为1.68W，斜率效率为31.7%，在吸收的泵浦功率7.04W之下。获得最大自调Q脉冲能量为25.7mu;J，获得重复频率为65.16kHz，脉宽为1.64mu;m的脉冲。我们研究了自调Q激光器的几个方面，包括输出特性，激光脉冲宽度的变化，和吸收泵浦功率重复率。实验结果表明：对于全固态自调Q脉冲激光器来说，Tm:YAP是一种很有前途的激光材料。

1. 实验装置

实验装置如图1所示。泵浦源是795nm光纤耦合二极管激光器，芯径为400mm，最大输出功率为30W，数值孔径为0.22。通过焦距为50mm的耦合系统将泵浦光束聚焦到Tm:YAP晶体中，聚焦的泵浦光斑半径约为160micro;m。激光晶体为3times;3times;5 mm³ Tm:YAP（b-cut）掺杂浓度为5%。晶体两端镀有反射膜。该晶体用铟纸包裹，放在在铜块中，通过水冷装置来控制他的温度。水冷温度维持在18℃。不仅有助于获得稳定的输出功率，并防止激光晶体的热断裂。谐振腔由一个分色输入耦合器M1（HT@795nm和HR@1.9-2.1mu;m），和一个凹面输出耦合器（OC）M2组成，OC曲率半径为100mm，透过率分别为2%和5%。为使激光运行在TEM₀₀模式下，得到高转换效率，谐振腔的长度设计为保持晶体中在泵浦光和基波谐振模式之间最佳匹配模式。激光脉冲信号是由一个1GHz的数字示波器（Tektronix DPO 4104）和一个上升时间250ps的快速光电探测器(ET-5000）探测的的。通过功率计量器来探测平均输出功率(30A-SH-V1,以色列制造)。

图1.对二极管端面泵浦Tm: YAP实验装置原理图的自调Q激光

1. 结果与讨论

在我们的实验中分别使用两个输出耦合镜（OC），透过率率分别为2%和5%。泵浦吸收功率和平均输出功率如图2所示。图2中的实心蓝色标记表明了透过率为2%的平均输出功率。激光泵浦阈值功率约为1.41W，斜率效率为18.4%，在吸收泵浦功率为7.04W下最大平均输出为1.03W。透过率为5%的输出镜，在相同的吸收泵浦功率为7.04W条件下，最大的平均输出为1.68W，斜率效率为31.7%，对应的激光阈值功率为1.74W。

图2.平均输出功率作为吸收泵功率的函数

脉冲宽度和自调Q重复率与吸收泵浦功率的关系如图3所示。可以看出，随着吸收泵浦功率的增大，重复频率增大，脉冲宽度迅速减小。对于透过率为2% 的OC，当吸收泵浦功率从1.41增加到7.04W时，脉冲宽度变窄，从8.5mu;m到1.79mu;m，而脉冲重复率从14kHz增加到63.19kHz，对应的单脉冲能量为3.57–16.3mu;J 。对于透过率为5%的OC，随着吸收泵浦功率从1.74到7.04W，脉冲宽度减小，从8.42mu;m到1.64mu;m，而脉冲重复率从20.68kHz增加到65.16kHz，对应的单脉冲能量为2.42–25.7mu;J 。在吸收泵浦功率为7.04W的条件下，获得了最大重复频率为65.16kHz和最小脉宽为1.64mu;s。利用光学频谱分析测量仪（AvaSpec-NIR256–2.2-RM）测量出自调Q脉冲的频谱。图4显示了在吸收泵浦功率为7.04W条件下自调Q的光谱。我们可以看到，对于不同的输出耦合器，中心波长是相似的，约为1988nm且FWHM为22nm。

图3.脉冲宽度和重复频率作为吸收泵功率的函数

图4.泵浦功率为7.04W的二极管泵浦TM激光器的光谱特性

这种现象也在许多激光器中可以实现包括红宝石，Nd:YAG，Cr:LiSAF，Cr:LiCAF，Alexandrite和掺杂TM光纤激光器。自调Q的物理原理不是很好理解，并可能对不同的增益介质会有所不同。对掺杂Cr³ 增益介质如Cr³ :LiSAF，Cr:LiCAF和红宝石，自调Q效果归因于一个发生在增益介质里以及起源于热透镜效应诱导的折射率变化的时间依赖透镜产生的非线性损耗机制。对掺TM光纤如掺杂TM³ 石英光纤，自调Q的行为归因于激光光子在光纤附加部分的重吸收。在我们的实验中，自调Q效应可能归因于一个发生在增益介质里以及起源于人口反演诱导的折射率变化的时间依赖透镜产生的非线性损耗机制。进一步详细的研究需要充分了解自调Q的基本物理。

图5给出了一个典型的示波器记录脉冲顺序，它的时间抖动小于10%。可以看出，可通过使用更高的初始输出耦合器的传输获得短脉冲持续时间和高重复性。表1总结了不同的OC传输率的实验结果。在吸收泵浦功率为7.04W条件下获得实验结果。为了保护激光晶体不受伤害，我们不再增加泵浦功率。在我们的实验中，脉冲持续时间更加延长了。但与其他的调Q方法相比较自调Q是更加简单、成本更低。激光腔简单地由一个光学谐振腔、一个合适的增益介质和一个泵浦源组成。下一个工作将获得窄脉冲持续时间和较高的脉冲能量。

图5.典型Tm:YAP激光器自调Q脉冲图

（a）输出耦合器初始传输率T=2%（b）输出耦合器始传输率T=5%

表1.吸收泵浦功率为7.04W的实验结果

1. 结论

我们首次报道了一种紧凑的1988nm二极管泵浦自调Q TM：YAP激光器。吸收泵浦功率为7.04W时，获得最短脉宽为1.64mu;m，相应的最大平均输出功率为1.68W、斜率效率为31.7%。当重复率约为65.16kHz时，自调Q脉冲能量约为25.7mu;J、峰值功率为15.64W。我们的实验结果表明，TM：YAP是紧凑和高效的全固态激光器优良的自调Q晶体。

致谢

这项工作是由山东省科技发展项目资助（批准号2013GGX10108）。

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