全固態(tài)窄線寬的1.9μm Tm：YLF激光器研究

李顏新，郭露露，張壽俊，白芳，金光勇

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 理學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

2μm波段人眼安全激光處于大氣窗口，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、激光醫(yī)療和光通信領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]。摻Ho晶體是產(chǎn)生高性能2μm激光的首選物質(zhì)。而摻Tm工作物質(zhì)吸收峰在0.8μm處，并且適于LD泵浦，成本低，故可作為2μmHo激光器優(yōu)良的泵浦光源[2-4]。但是目前Tm：YLF激光器發(fā)射線寬較寬，其作為泵浦光源時(shí)將嚴(yán)重制約下一級(jí)激光器的吸收轉(zhuǎn)化效率。所以，在保證輸出功率的基礎(chǔ)上如何限制輸出線寬是Tm：YLF激光器研究中的關(guān)鍵問題。

2014年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的姚寶銓等人將兩個(gè)Tm：YLF晶體串接在一個(gè)諧振腔中，通過使用體光柵結(jié)合未鍍膜的F-P標(biāo)準(zhǔn)具（0.5mm厚），將Tm：YLF激光器的輸出波長(zhǎng)限制在1908nm處，該激光器的斜率效率為37.5%[5]。2017年，光電信息控制與安全技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的安朝衛(wèi)和關(guān)松在室溫條件下利用激光二極管雙端抽運(yùn)Tm：YLF板條的實(shí)驗(yàn)方案，采用VBG和0.3mmF-P控制了激光器的輸出線寬，將波長(zhǎng)限制在了0.14nm[6]。2017年，長(zhǎng)春理工大學(xué)白芳對(duì)窄線寬元件雙F-P標(biāo)準(zhǔn)具的參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，利用設(shè)計(jì)的F-P標(biāo)準(zhǔn)具實(shí)現(xiàn)了線寬為0.1nm的Tm：YLF激光輸出[7]。

本文從體光柵波長(zhǎng)限制技術(shù)入手，對(duì)體光柵參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析采用體光柵做全反鏡與僅采用全反鏡情況下激光輸出線寬的不同，進(jìn)而優(yōu)化Tm：YLF激光輸出線寬，實(shí)現(xiàn)高功率窄線寬1.9μmTm：YLF激光輸出。

1 窄線寬元器件理論分析

體光柵是以衍射對(duì)波長(zhǎng)和角度的靈敏性為基礎(chǔ)發(fā)展而來的新興窄帶通濾波元件。由于反射式體光柵的光柵間距最小，布拉格角度的選擇性最好，所以本實(shí)驗(yàn)選用反射式布拉格體光柵作激光諧振腔鏡來實(shí)現(xiàn)窄線寬的激光輸出。反射式體光柵原理示意圖如圖1所示，θ為入射光折射角，Λ代表周期，t為光柵厚度，布拉格衍射條件：

其中，n為體光柵折射率，λ為入射光波長(zhǎng)。

體光柵對(duì)滿足布拉格條件的入射光的衍射效率最大，易將其衍射；對(duì)波長(zhǎng)偏離衍射中心波長(zhǎng)的入射光的衍射效率快速下降，從而阻斷其衍射。體光柵的這種特性使其能夠?qū)崿F(xiàn)窄帶反射。

圖1 反射式布拉格體光柵原理示意圖

對(duì)于反射式體光柵，其衍射效率表達(dá)式為[8]：

式中，參數(shù)Φ表征體光柵最大衍射效率，具體表示為：

式中，δn為體光柵的調(diào)制折射率參數(shù)，F(xiàn)φ為傾斜因子，表達(dá)式為：

式中，ξ為6失相參數(shù)，描述布拉格入射角θ發(fā)生微小偏移量Δθ或衍射中心波長(zhǎng)λ發(fā)生微小偏移量Δλ時(shí)的失調(diào)量，具體表示為：

式中，f為體光柵空間頻率，滿足fΛ=1。φ為光柵矢量與其前表面法線的夾角。

對(duì)于非傾斜反射式體光柵（φ=0），參數(shù)ξ和Φ可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：

當(dāng) Δλ=0時(shí)，整理式（6）、（7）和式（2），得到非傾斜反射式體光柵的角度選擇性為：

當(dāng)Δθ=0時(shí)，得到非傾斜反射式體光柵的光譜選擇性為：

由式（8）和式（9）可以看出，體光柵厚度t和調(diào)制折射率δn對(duì)衍射效率影響顯著。在布拉格條件滿足Δθ=Δλ=0時(shí)，失相參數(shù)ξ=0，衍射效率簡(jiǎn)化為：

非傾斜反射式體光柵的衍射線寬為：

由式（10）和式（11）可得，體光柵厚度同時(shí)影響著衍射效率和衍射線寬。圖2表示了光柵厚度在折射率為3.5×10-4時(shí)對(duì)衍射效率的影響，以及在衍射效率為99%，光柵周期為645nm時(shí)對(duì)衍射光譜寬度的影響。由圖可得，隨著厚度的增加，體光柵的衍射效率迅速增加然后趨向于1，衍射線寬則迅速減小然后趨向于一個(gè)確定值。根據(jù)仿真結(jié)果，當(dāng)光柵厚度為6mm，調(diào)制折射率為3.5×10-4時(shí)，體光柵衍射效率達(dá)到了99.6%，衍射光譜寬度僅0.681nm。

圖2 衍射效率及線寬與光柵厚度的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)選用厚度為6mm，調(diào)制折射率為3.5×10-4，折射率為1.48，周期為645nm的反射式體光柵。體光柵端面上鍍有對(duì)于振蕩光及泵浦光的高透膜，減小其對(duì)振蕩光和泵浦光的損耗。

2 1.9μmTm：YLF激光器實(shí)驗(yàn)裝置

1.9μmTm：YLF激光器的實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。抽運(yùn)源用波長(zhǎng)為792nm的NL-P4-70-0792型半導(dǎo)體激光器，泵浦光斑在晶體內(nèi)2mm處大小為430μm。Tm：YLF晶體摻雜濃度為3.5%，尺寸為3×3×12mm2，a軸切割，晶體兩端鍍膜使其對(duì)泵浦光和激光高透。體光柵參數(shù)如理論分析部分所述。諧振腔采用平凹折疊腔，腔長(zhǎng)為100mm，輸出鏡透過率為10%，曲率半徑為200mm。

圖3 LD端面泵浦Tm：YLF激光器實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖4 Tm：YLF激光器實(shí)驗(yàn)原理圖

1.9μmTm：YLF激光器的實(shí)驗(yàn)原理圖如圖4所示。實(shí)驗(yàn)采用單LD雙端泵浦的方式，保證Tm：YLF晶體兩端注入泵浦光的中心波長(zhǎng)一致，同時(shí)可以增強(qiáng)晶體對(duì)泵浦光的吸收。為了使晶體兩端溫度分布均勻，實(shí)驗(yàn)過程采用TEC高效散熱，同時(shí)保證晶體兩端注入功率相同。

3 1.9μm Tm：YLF激光器實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 基于普通全反鏡的1.9μm Tm：YLF激光器的輸出特性

選用普通全反鏡代替圖4中的體光柵進(jìn)行測(cè)量，激光器的輸出特性如圖5所示，光譜圖如圖6所示。晶體吸收51.82W的泵浦功率時(shí)，得到18.78W的激光輸出，激光中心波長(zhǎng)為1907.90nm。激光器的斜率效率為40.7%，光光轉(zhuǎn)換效率為36.24%，線寬為2.1nm。

圖5 基于全反鏡時(shí)激光器輸出特性

圖6 基于全反鏡時(shí)激光器輸出光譜圖

3.2 VBG作全反鏡的1.9μm Tm：YLF激光器的輸出特性

VBG作全反鏡時(shí)激光器輸出特性如圖7所示，光譜圖如圖8所示。晶體吸收52W的泵浦功率時(shí)，得到功率為18.08W，中心波長(zhǎng)為1908.94nm的激光輸出。激光器的光光轉(zhuǎn)換效率為24.77%，斜率效率為45.28%，線寬為0.22nm。對(duì)比圖7和圖8的結(jié)果，以體光柵為腔鏡時(shí)，線寬可縮小到全反鏡時(shí)的10%，線寬得到有效壓制。同時(shí)最大輸出功率降低約0.7W，輸出功率降低可能由體光柵自身?yè)p耗引起。

圖7 VBG作全反鏡激光器輸出特性

圖8 VBG作全反鏡激光器輸出光譜

3.3 基于VBG和F-P標(biāo)準(zhǔn)具的1.9μm Tm：YLF激光器的輸出特性

為了使線寬進(jìn)一步壓窄，在體光柵做反射鏡的同時(shí)，在諧振腔內(nèi)插入了雙F-P標(biāo)準(zhǔn)具。標(biāo)準(zhǔn)具為YAG材質(zhì)，厚度分別為0.1mm和1mm，對(duì)1908nm激光的反射率為0.04，折射率為1.82。激光器輸出特性和輸出光譜圖分別如圖9和圖10所示。晶體吸收49.58W的泵浦功率時(shí)，得到17.78W的激光輸出，激光中心波長(zhǎng)為1908.55nm。激光器的光光轉(zhuǎn)換效率為35.86%，斜率效率為42.89%，線寬僅為0.1nm。獲得了高功率窄線寬的1.9μm的激光輸出。

圖9 基于VBG和F-P標(biāo)準(zhǔn)具激光器輸出特性

圖10 基于VBG和F-P標(biāo)準(zhǔn)具激光器輸出光譜圖

4 結(jié)論

本文以反射式布拉格體光柵原理為基礎(chǔ)，分析了體光柵衍射效率和衍射線寬受體光柵厚度和調(diào)制折射率影響。實(shí)驗(yàn)所用反射式體光柵厚度為6mm，調(diào)制折射率為3.5×10-4。此參數(shù)的體光柵的衍射效率高達(dá)99.6%，衍射光譜寬度僅0.681nm。采用單LD雙端泵浦方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析了在全反鏡和體光柵條件下激光輸出線寬的不同。最后基于體光柵結(jié)合腔內(nèi)插入雙F-P標(biāo)準(zhǔn)具搭建激光器。激光器在泵浦功率為49.58W時(shí)，輸出功率為17.78W，斜率效率為42.89%，光光轉(zhuǎn)換效率為35.86%。激光中心波長(zhǎng)1908.55nm，線寬僅為0.1nm。這些性能的改善使得Tm：YLF激光器作為2μm摻HO3+激光器的泵浦源更為有效。