欒昆鵬，于　力，沈炎龍，陶蒙蒙，馬連英，易愛平

(西北核技術研究所，西安710024；激光與物質(zhì)相互作用國家重點實驗室，西安710024)

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787～952nm可調(diào)諧全固態(tài)Cr:LiSAF激光器

欒昆鵬，于力，沈炎龍，陶蒙蒙，馬連英，易愛平

(西北核技術研究所，西安710024；激光與物質(zhì)相互作用國家重點實驗室，西安710024)

摘要：實現(xiàn)了X型腔全固態(tài)端面泵浦Cr:LiSAF激光器的高效率輸出和寬譜調(diào)諧。斜效率最高為33.3%，在吸收泵浦功率為650 mW時，輸出功率最高達160 mW。在諧振腔內(nèi)插入雙折射濾光片(BF)調(diào)諧，調(diào)諧范圍達787～952 nm。測量了激光器的光譜、光束質(zhì)量等，分析了激光器效率和調(diào)諧范圍的限制因素。研究表明，X型腔全固態(tài)端面泵浦的Cr:LiSAF激光器可以實現(xiàn)高效的近紅外寬譜調(diào)諧輸出。

關鍵詞：固體激光器；近紅外；調(diào)諧激光器；Cr:LiSAF激光

近紅外寬譜調(diào)諧激光器在光譜學、非線性光學、生物醫(yī)學等領域有著廣泛的應用[1-4]。與近紅外波段較常見的寬譜調(diào)諧的Ti:Sapphire激光器相比，Cr:LiSAF激光器除具有相近的調(diào)諧范圍外，還具有被動損耗小、泵浦閾值低、可用紅光LD泵浦等優(yōu)點[5-7]。全固態(tài)的Cr:LiSAF激光器是目前近紅外寬譜調(diào)諧激光器領域的研究熱點。

通常，全固態(tài)的Cr:LiSAF激光器通過在X型諧振腔內(nèi)插入調(diào)諧元件-雙折射濾光片(birefringentfilter，BF)來實現(xiàn)寬譜調(diào)諧功能[7-8]。X型腔結(jié)構(gòu)的激光器具有穩(wěn)定范圍大、便于插入調(diào)Q和調(diào)諧等功能元件、效率高等優(yōu)點。而利用BF調(diào)諧，具有插入損耗較小、調(diào)諧范圍寬等優(yōu)點。目前國際上全固態(tài)Cr:LiSAF激光器的泵浦閾值低至1mW[9]，斜效率最高52%[7]，調(diào)諧范圍達780～1 110nm[7]。全固態(tài)Cr:LiSAF激光器可采用自鎖模[10]、被動鎖模[11]、主動調(diào)Q[12]、自調(diào)Q[13]等方式實現(xiàn)脈沖激光輸出。而我國全固態(tài)Cr:LiSAF激光器在調(diào)諧范圍、激光器效率等方面的研究與國際水平有一定差距，特別是沒有兼顧激光器的調(diào)諧范圍和效率。如我國Cr:LiSAF激光器的調(diào)諧范圍最寬為785～985nm，但其光-光效率僅為7%[8]；國內(nèi)斜效率最高為39%，但其調(diào)諧范圍僅為783～913nm[14]。

本文實現(xiàn)了X型腔端面泵浦的全固態(tài)Cr:LiSAF激光器的高效率激光輸出和寬譜調(diào)諧。對激光器效率和調(diào)諧范圍的限制因素進行了分析，對光譜和光束質(zhì)量等特性進行了研究。

1實驗裝置

圖1為端面泵浦X型腔Cr:LiSAF激光器結(jié)構(gòu)圖。

圖1端面泵浦X型腔Cr:LiSAF激光器結(jié)構(gòu)圖Fig.1Schematic diagram of the X-shaped cavity end-pumped Cr:LiSAF laser

泵浦源為671nmNd:YVO4/LBO激光器，泵浦功率0～1W可調(diào)，光束質(zhì)量因子M2約為1.5，發(fā)散角約1.5mrad，偏振度超過100∶1。通過半波片調(diào)整泵浦的偏振方向，使其π偏振態(tài)入射晶體，此時晶體對泵浦光的吸收系數(shù)最大。焦距為50mm的非球面透鏡將泵浦光耦合進晶體。增益介質(zhì)為中心長度5mm的Cr:LiSAF晶體，其端面為雙面Brewster角切割，以減小端面的反射損耗。實驗測得晶體對π偏振的671nm泵浦光有89%的吸收。晶體被銦箔包裹放置在紫銅熱沉中。凹面鏡M1的曲率半徑R1=80mm，凹面鏡M2的曲率半徑R2=80mm，晶體與M1和M2之間的距離分別設為L1和L2，均約為40mm，M2和M3之間的距離L3，以及M1和M4之間的距離L4均在200～300mm，這樣的諧振腔設計使得諧振光的腰斑位于晶體中部，腰斑半徑為30～40μm。M1和M2的離軸角θ1和θ2均約為10°，以實現(xiàn)諧振腔的像散補償。M4為激光輸出鏡。圖中BF作為調(diào)諧元件，以Brewster角插入光路中，轉(zhuǎn)動BF即可實現(xiàn)調(diào)諧。

2實驗結(jié)果與分析

2.1激光器的自由運轉(zhuǎn)

在未加BF調(diào)諧時，激光器處于自由運轉(zhuǎn)狀態(tài)，激光器的振蕩波長主要由Cr:LiSAF晶體的受激輻射截面和鏡片鍍膜情況決定。圖2為未加BF時的激光器效率曲線，圖中T為輸出鏡的透過率，Pth為泵浦功率閾值，η為斜效率。此時激光器鏡片鍍膜的高反射率區(qū)間在760～900nm，激光振蕩波長約860nm。隨著輸出鏡透過率T的增加，斜效率增大，泵浦閾值升高：在透過率T為4%時，斜效率η最高達33.3%；在透過率T為0.1%時，泵浦功率閾值Pth最低為41.1mW。激光器斜效率與文獻報道中超過50%的斜效率[7]相比還有一定差距，原因是腔損耗過大，特別是鏡片鍍膜情況不夠理想。在M2、M3后都能觀察到激光光斑并測到一定的功率，這說明高反鏡片對激光的反射率不夠高，降低了激光器的效率。

圖2不同輸出鏡透過率時的激光器效率曲線Fig.2Laser efficiency curves with different output couplers

2.2激光器的調(diào)諧特性

加入0.5mm厚的BF后，激光振蕩波長受BF調(diào)諧。圖3為激光器在吸收泵浦功率為550mW時的調(diào)諧曲線。輸出鏡在高反射率區(qū)間的透過率為4%～6%。鏡片組1( 圖3中的Mirrorset1)的鍍膜為760～900nm區(qū)間高反，鏡片組2(圖3中的Mirrorset2)的鍍膜為870～960nm區(qū)間高反。使用鏡片組1，調(diào)諧范圍為787～894nm，最高輸出功率為138mW(840nm)；使用鏡片組2，調(diào)諧范圍為867～952nm，最高輸出功率為132mW(890nm)。與文獻報道中Cr:LiSAF激光器可實現(xiàn)780～1 100nm的調(diào)諧[7]相比，本文的激光器調(diào)諧范圍在短波長已接近780nm，這是由晶體的自吸收效應決定的調(diào)諧下限。在長波長方向，調(diào)諧范圍受限于鍍膜鏡片。由圖3可見，在波長大于960nm時，輸出鏡透過率迅速增大，使得腔損耗增大以致不能起振。通過更換960～1 100nm的高反鏡片，有望進一步擴展調(diào)諧范圍。

圖3激光調(diào)諧和輸出鏡透過率曲線Fig.3Laser tuning curves and transmissions of the output couplers

由圖4可見，選用4%透過率的輸出鏡，在加入BF并調(diào)諧至860nm時，激光器的斜效率僅比自由運轉(zhuǎn)時下降了0.7%，但是泵浦功率閾值增加了32mW。在吸收泵浦功率550mW時，加入BF后輸出功率下降約10mW。理論上以Brewster角插入光路的BF的插入損耗為0，但是在實際調(diào)節(jié)中，BF的入射角偏差、表面污損等因素都會造成BF的插入損耗，因而插入BF會降低激光器斜效率。

圖5為激光器在自由運轉(zhuǎn)和BF調(diào)諧時的光譜。在自由運轉(zhuǎn)時，如圖5(a)所示，光譜底寬約2nm，并且在泵浦功率變化時，光譜中心會發(fā)生幾納米的漂移。在插入BF調(diào)諧時，光譜中心受BF控制并保持穩(wěn)定，光譜寬度明顯壓縮，如圖5(b)所示，半高全寬(FWHM)約為0.05nm。實驗結(jié)果表明，在腔內(nèi)插入BF可以有效調(diào)諧、穩(wěn)頻和壓縮譜線寬度。

圖4自由運轉(zhuǎn)和BF調(diào)諧時激光斜效率對比Fig.4Comparison of laser efficiency curves taken in free running and tuning with BF

(a)Laser spectra taken in free running

(b)Laser spectra taken when tunning with BF

圖6為激光器的光束質(zhì)量和光斑圖像?；∈该娴墓馐|(zhì)量M2為1.15，子午面的光束質(zhì)量M2為1.19。振蕩模式為近TEM00模，但是光斑形狀呈橢圓。這是因為諧振腔存在像散。腔內(nèi)以Brewster角入射的晶體和離軸入射的凹面鏡M1、M2均為像散元件。理論計算表明，M1和M2的離軸角θ1和θ2均控制為約10°時兩種像散可以抵消，但是實際調(diào)節(jié)的偏差造成像散沒有完全補償，使得光斑在弧矢面和子午面有不同的光斑直徑和焦點。

圖6激光器輸出光斑直徑和典型2維光斑圖像Fig.6The diameters of the output beam and typical 2D beam profile

3結(jié)論

本文研究了X型腔全固態(tài)端面泵浦的Cr:LiSAF激光器。泵浦閾值最低為41.1mW，斜效率最高為33.3%，在吸收泵浦功率為650mW時，輸出功率最高達160mW。在諧振腔內(nèi)插入BF調(diào)諧，調(diào)諧范圍達787～952nm，光譜FWHM壓縮至0.05nm。輸出光斑接近基模高斯光束。激光器的效率受到了鍍膜鏡片損耗過大的影響，同時調(diào)諧范圍在長波長方向受到了鍍膜區(qū)間的限制。更換損耗更小、區(qū)間更寬的鍍膜鏡片，有望進一步提升激光器效率和擴展調(diào)諧范圍。研究表明，X型腔全固態(tài)端面泵浦的Cr:LiSAF激光器可以作為高效的近紅外寬譜調(diào)諧激光源。

參考文獻

[1]WANGXZ,WANGZF,BUYK,etal.A1 064nm, 1 085nmdual-wavelengthNd:YVO4laserusingFabry-Perotfiltersasoutputcouplers[J].IEEEPhotonicsTechnolLett, 2014, 26(19): 1 983-1 985.

[2]BOSSD,KüHNJ,JOURDAINP,etal.Measurementofabsolutecellvolume,osmoticmembranewaterpermeability,andrefractiveindexoftransmembranewaterandsoluteflux

bydigitalholographicmicroscopy[J].JBiomedOpt, 2013, 18(3): 036007.

[3]KIMRK,CHUS,HANYG.Stableandwidelytunablesingle-longitudinal-modedual-wavelengtherbium-dopedfiberlaserforopticalbeatfrequencygeneration[J].PhotonicsTechnolLett, 2012, 24(6): 521-523.

[4]HANCOCKS,LEWISP,FOSTERM,etal.Measuringforestswithdualwavelengthlidar:Asimulationstudyovertopography[J].AgriculturalandForestMeteorology, 2012, 161: 123-133.

[5]PAYNESA,CHASELL,SMITHLK,etal.LaserperformanceofLiSrAlF6:Cr3+[J].JApplPhys, 1989, 66(3): 1 051-1 056.

[6]DURFEECG,STORZT,GARLICKJ,etal.Directdiode-pumpedKerr-lensmode-lockedTi:sapphirelaser[J].OptExpress, 2012, 20(13): 13 677-13 683.

[7]DEMIRBASU,EGGERTS,LEITENSTORFERA.CompactandefficientCr:LiSAFlaserspumpedbyonesingle-spatial-modediode:aminimalcostapproach[J].JOptSocAmB, 2012, 29(8): 1 894-1 903.

[8]欒昆鵬, 于力, 沈炎龍, 等. 寬譜可調(diào)諧的全固化Cr:LiSAF激光器 [J]. 強激光與粒子束, 2015, 27(4): 041009. (LUANKun-peng,YULi,SHENYan-long,etal.Widelytunableall-solid-stateCr:LiSAFlasers[J].HighPowerLaserandParticleBeams, 2015, 27(4): 041009.)

[9]KUBECEKV,QUINTERO-TORRESR,DIELSJCM.Ultralow-pump-thresholdlaser-diode-pumpedcontinuousCr:LiSAFlaser[C]//ProcofSPIE， 2003, 5036: 119-122.

[10]UEMURAS,TORIZUKAK.Developmentofadiode-pumpedKerr-lensmode-lockedCr:LiSAFlaser[J].IEEEQuantumElectron, 2003, 39(1): 68-73.

[11]PRASANKUMARR,HIRAKAWAY,KOWALEVICZAM,etal.AnextendedcavityfemtosecondCr:LiSAFlaserpumpedbylowcostdiodelasers[J].OptExpress, 2003, 11(11): 1 265-1 269.

[12]FROMZELV,PRASADCR,JOHNSONC,etal.Ahighenergydiode-pumpedCr:LiSAFlaserforwatervapordifferentialabsorptionlidar[C]//LasersandElectro-Optics,CLEO'99,IEEE, 1999: 481.

[13]BEYATLIE,SENNAROGLUAl,DEMIRBASU.Self-Q-switchedCr:LiCAFlaser[J].JOptSocAmB, 2013, 30(4): 914-921.

[14]欒昆鵬, 于力, 沈炎龍, 等. 外腔調(diào)諧的全固態(tài)Cr:LiSAF激光器 [J]. 光學精密工程, 2015, 23(12): 3 316-3 321. (LUANKun-peng,YULi,SHENYan-long,etal.Widelytunableall-solid-stateCr:LiSAFlaserswithexternalcavities[J].OpticsandPrecisionEngineering, 2015, 23(12): 3 316-3 321. )

收稿日期：2016-03-04；修回日期：2016-04-01 基金項目：激光與物質(zhì)相互作用國家重點實驗室基金資助項目(SKLLIM1502Z)

作者簡介：欒昆鵬(1989- )，男，吉林集安人，研究實習員，碩士，主要從事激光技術及應用方面的研究。 E-mail:luankunpeng@nint.ac.cn

中圖分類號：TN248.1

文獻標志碼：A

文章編號：2095-6223(2016)020304(4)

787-952nmTunableAll-Solid-StateCr:LiSAFLaser

LUANKun-peng,YULi,SHENYan-long,TAOMeng-meng,MALian-ying,YIAi-ping

Abstract:(Northwest Institute of Nuclear Technology,Xi’an710024，China；State Key Laboratory of Laser Interaction with Matter,Xi’an710024,China)

Abstract:Anall-solid-stateX-shapedcavityend-pumpedCr:LiSAFlaserwithhighefficiencyandwidetuningrangeisdemonstrated.Theslopeefficiencyisashighas33.3%andtheoutputpoweris160mWwithabsorbedpumppowerof650mW.Thetuningrangeis787-952nmwhenabirefringentfilter(BF)isinsertedinthecavityasthetuningelement.OutputlaserpropertiessuchasspectraandM2aremeasured.Thelimitationsoftheefficiencyandtuningrangearediscussed.TheresultsindicatethattheCr:LiSAFlasercouldbeahighefficiencyandwidelytunablenear-infraredlasersource.

Key words:solid-state laser；near infrared；tunable laser；Cr:LiSAF laser