王云鵬，王　飛，趙東旭

(中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機械與物理研究所 發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國家重點實驗室，吉林 長春 130033)

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Cr2+∶ZnSe全固態(tài)中紅外激光器

王云鵬，王飛，趙東旭*

(中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機械與物理研究所 發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國家重點實驗室，吉林 長春 130033)

建立了一種高質(zhì)量、高效率全固態(tài)中紅外激光系統(tǒng)，并對激光輸出的效率、光束質(zhì)量等指標(biāo)進行了測試。首先，以二極管激光器為泵浦源，Tm3+∶YAP晶體為增益介質(zhì)，搭建了輸出波長為1.97 μm的近紅外激光器。然后，以Tm3+∶YAP激光器為泵浦源，自行開發(fā)研制的Cr2+∶ZnSe單晶為增益介質(zhì)，搭建了全固態(tài)中紅外激光器。最后，測試了全固態(tài)中紅外激光器的光束質(zhì)量及激光器出光效率，并對諧振腔光效率的理論輸出值與實際的激光器出光參數(shù)進行了對比。實驗結(jié)果表明：此全固態(tài)中紅外激光器的光光轉(zhuǎn)換效率為17.2%，斜率效率為20%，在最高輸出能量為3 W時的光束質(zhì)量(M2)在x和y方向分別為1.7和1.73，光束基本為圓形的高斯光斑。

全固態(tài)中紅外激光器；Tm3+∶YAP晶體；Cr2+∶ZnSe單晶；諧振腔

1　引　言

中紅外波段(2～6 μm)激光主要用于遙感、痕量氣體分析、污染測量、軍事對抗等方面，并在生物醫(yī)學(xué)診斷和醫(yī)學(xué)治療方面有很大的應(yīng)用價值[1-5]。在中紅外激光器領(lǐng)域，全固態(tài)激光器因其具有高效率、大功率、波長可調(diào)諧范圍寬、光束質(zhì)量好、體積小、性能可靠及長壽命等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用。其中過渡金屬離子Cr2+摻雜的II-VI族化合物晶體Cr2+∶ZnSe為增益介質(zhì)、輸出波長為2.5 μm左右的全固態(tài)激光器是最受關(guān)注的中紅外激光器之一。

20世紀(jì)90年代,Ralph H.Page等人對摻雜二價過渡金屬離子(Cr2+)的Ⅱ～Ⅵ硫化物中的光譜特性進行了細致的研究[6]。目前國外對Cr2+∶ZnSe激光器的研究已經(jīng)取得了一定的成果[6-13]。2001年，G.J.Wagner等人用1.93 μm泵浦源泵浦Cr2+∶ZnSe晶體，獲得了平均功率為1.7 W的中紅外激光，效率達到了36%[11]。2004年，T.J.Carrig等人以調(diào)Q的Tm3+∶YAP激光器泵浦Cr2+∶ZnSe晶體，獲得了平均脈沖功率為18.5 W的中紅外激光[10]。2008年，I.S.Moskalev等人研制的Cr2+∶ZnSe連續(xù)激光器輸出功率達到了12.5 W[14]，出光效率達到了43.5%，這是目前報導(dǎo)的輸出功率最大的連續(xù)激光器。國內(nèi)在近十幾年的Cr2+∶ZnSe全固態(tài)中紅外激光器的發(fā)展中，由于激光器增益介質(zhì)的尺寸及摻雜均勻度等參數(shù)一直受熱擴散法晶體生長方法限制，很難使Cr2+∶ZnSe全固態(tài)中紅外激光器的出光效率、光束質(zhì)量等關(guān)鍵指標(biāo)達到要求。改變晶體的生長方法從而提高激光器性能是目前要解決的一個難題。

本文在高溫高壓下，在全石墨腔內(nèi)運用布里奇曼緩慢生長晶體的方法，生長出了高質(zhì)量Cr2+∶ZnSe單晶，這種生長方法異于國內(nèi)現(xiàn)有的在ZnSe晶體生長完成后再對其晶體進行Cr2+離子注入的生長技術(shù)，不僅避免了Cr2+摻雜的不均勻性，而且將小面積片狀晶體變成大的塊狀晶體，增加了泵浦光的徑向吸收長度，從而能夠有效提高激光的輸出效率，進一步為國內(nèi)Cr2+∶ZnSe全固態(tài)中紅外激光器技術(shù)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

對Cr2+∶ZnSe進行抽運的波長為2 μm左右，Tm3+∶YAP激光器無疑是合適的泵浦源。Tm3+∶YAP是最早被研究的波長為2 μm激光晶體之一。1995年R.C.Stoneman 和L.Esterowitz等人用Ti∶ sapphire 激光器泵浦Tm3+∶YAP晶體，獲得了1.93～2.0 μm波長的連續(xù)可調(diào)激光輸出[14]；1998年，Payne M.J.等人用二極管泵浦Tm3+∶YAP晶體，得到了730 mW,波長范圍為1.97～2.02 μm，激光器效率為42%的連續(xù)激光輸出[15]；2010年，J.Li等人用793 nm波長光纖耦合二極管泵浦Tm∶YAP晶體，獲得了344 mW、1.99 μm、效率為33%的紅外激光輸出[16]。與傳統(tǒng)的燈泵浦方式相比，采用波長為790 nm激光二極管泵浦Tm3+∶YAP晶體，不僅大大改善了激光器的效率和熱效應(yīng)，而且具有壽命長、體積小、穩(wěn)定度高等優(yōu)點。因此，隨著激光二極管泵浦源的大力發(fā)展，以二極管激光器泵浦的Tm3+∶YAP激光器亦得到了廣泛的發(fā)展與應(yīng)用。為實現(xiàn)高質(zhì)量的Cr2+∶ZnSe全固態(tài)中紅外激光器的激光輸出，本文中首先搭建了Tm3+∶YAP激光器作為中紅外全固態(tài)激光器泵浦源，以高溫高壓下布里奇曼方法緩慢生長的Cr2+∶ZnSe晶體為激光器的增益介質(zhì)，最終獲得高功率、高光束質(zhì)量、輸出波長為2.5 μm的全固態(tài)中紅外連續(xù)激光輸出。

2　實驗裝置

實驗裝置如圖1所示，首先運用輸出波長在1.97 μm附近的Tm3+∶YAP激光器作為Cr2+∶ZnSe全固態(tài)中紅外激光器泵浦源。波長為0.79 μm、輸出功率為40 W LIMO二極管激光器作為Tm3+∶YAP激光器泵浦源，以400 μm光纖耦合輸出并經(jīng)過光纖聚焦鏡(FF)聚焦于原子百分比為3%的Tm3+∶YAP晶體柱(C1)中(由中電十一所購得)，聚焦光斑約為12 μm。晶體尺寸為3 mm×3 mm×12 mm，c軸切割，前后表面分別鍍790 nm及1.97 μm波長增透膜。諧振腔搭建為平凹腔(輸入端腔鏡M1鍍R≈99%的1.97 μm波長全反膜和T≈80%的970 nm波長增透膜，輸出耦合鏡M2選r=-150 mm的凹面鏡并鍍有R≈96.3%的1.97 μm波長高反膜。

圖1　實驗裝置圖 Fig.1　Experimental setup

圖2　晶體制冷裝置 Fig.2　Schematic of crystal cooling device

晶體制冷系統(tǒng)如圖1中CE1、CE2，以紫銅為晶體承載架包覆晶體，后置TCE1-12706制冷片，其后固定散熱器。此散熱器為商用CPU水冷循環(huán)散熱器，由散熱泵頭、短水管、散熱網(wǎng)、風(fēng)扇及內(nèi)置散熱液組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。工作時，散熱泵頭使散熱液在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)，經(jīng)過與散熱片熱端接觸的紫銅傳熱頭后迅速升華并帶走大量熱量，當(dāng)散熱液循環(huán)至散熱網(wǎng)時，通過風(fēng)扇給散熱液降溫并流至泵頭導(dǎo)熱端，繼續(xù)進行循環(huán)散熱。這種散熱裝置比起單風(fēng)扇散熱更高效，而且在移動激光器本體時比有外接循環(huán)水系統(tǒng)的激光器裝置更加方便，不再受水管的長度限制，可在不增大激光器體積的前提下增大激光器的使用自由度。將溫度探頭裝置于紫銅晶體承載器中，由改裝的STC-8080A+溫控器連接制冷片和散熱器風(fēng)扇，在實時觀測晶體溫度情況下調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速及制冷片輸入電流，對晶體溫度進行精確調(diào)控，調(diào)節(jié)精度為0.2 ℃。調(diào)節(jié)晶體溫度保持(22±0.5) ℃，其溫變參數(shù)如圖3所示。

圖3　晶體溫變參數(shù) Fig.3　Curve of temperature change parameter of the crystal

將Tm3+∶YAP激光器發(fā)射的波長為1.97 μm的紅外激光用f=50 mm氟化鈣透鏡(L3)聚焦于尺寸為5 mm×5 mm×15 mm的Cr2+∶ZnSe晶體中，Cr2+∶ZnSe晶體為本組在高溫高壓下全石墨腔內(nèi)運用布里奇曼緩慢方法生長的原子百分比為3%的單晶[17]。諧振腔依然利用平凹腔，諧振腔的入光端鏡(M3)鍍R≈98.6%的2～2.9 μm波長全反膜和T≈78%的1.97 μm波長增透膜；耦合輸出鏡(M4)鍍R≈96.2%的2～2.9 μm波長高反膜，依然運用與Tm3+∶YAP激光器相同結(jié)構(gòu)的晶體制冷系統(tǒng)使晶體恒溫。利用f=100 mm的氟化鈣透鏡將輸出激光聚焦進卓立漢光omni-λ中紅外光譜儀中，并由Thorlabs公司的PDA20Ha中紅外光電探測器探測，對各波長進行單點相對強度的探測。

3　實驗結(jié)果與討論

圖4　Tm3+發(fā)光能級譜圖(a)及Tm3+∶YAP晶體的吸收(b)及熒光光譜(c) Fig.4　Diagram of Tm3+ energy level transition(a) and absorption(b)/luminescent(c) spectrum of Tm3+∶YAP crystal

圖4(a)為Tm3+離子的能級譜圖，當(dāng)Tm3+離子吸收790 nm光后，先從基態(tài)3H6躍遷到3H4能級，由于3H4、3F4、3H6三能級相距很近，Tm3+將從3H4態(tài)到基態(tài)發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，中間產(chǎn)生2個到3F4能級的躍遷，而處于3F4能級的Tm3+進一步向基態(tài)躍遷產(chǎn)生1.97 μm左右的熒光，這即是790 nm光泵浦Tm3+的發(fā)光原理。本文所購得的Tm3+∶YAP晶體經(jīng)瓦里安CARY500紫外可見近紅外光譜儀和卓立漢光omni-λ中紅外光譜儀測得吸收光譜及發(fā)光光譜如圖4(b)、4(c)所示，符合Tm3+∶YAP激光器增益介質(zhì)條件。

本文搭建的Tm3+∶YAP激光器泵浦源的電流功率(Pcurrent)與二極管輸出功率(Poutput)成線性關(guān)系，滿足:

(1)

圖5　Tm3+∶YAP 激光器輸出光譜(a)、輸出功率曲線(b)及光束質(zhì)量圖(c) Fig.5　Tm3+∶YAP laser spectrum(a), output power curve (b) and the beam profile(c)

光功率探測器PDA所測得的二極管輸入電流與激光的發(fā)射功率的相關(guān)曲線如圖5(b)所示，利用波長為793 nm的二極管激光器直接泵浦摻雜原子百分比濃度為3%的Tm∶YAP晶體實現(xiàn)了14.1 W 的1.97 μm激光輸出，激光光譜如圖5(a)所示，光光轉(zhuǎn)換效率為36.2%，斜率效率為40%，如圖5(b)所示。在最高輸出14.1 W時的光束質(zhì)量M2在x和y方向分別為1.10和1.12。將光束擴束至半徑約為7 mm，以一塊帶200 μm細孔的黑板縱切光斑并使光束通過小孔，固定黑板于水平/豎直二維平移臺上，在7 mm×7 mm面積上移動，以光斑中心為探測面積中點，水平/豎直方向每隔1 mm采集該點透光能量，從而得到光斑能量分布。圖5(c)為Tm3+∶YAP激光光束能量分布示意圖。從圖中可以看到光束基本為圓形的高斯光斑，因平移臺精度的限制使得采集的數(shù)據(jù)間隔稍大。

圖6　Cr2+∶ZnSe激光器輸出光譜(a)、輸出功率曲線(b)及光束質(zhì)量圖(c) Fig.6　Cr2+∶ZnSe laser spectrum(a) output power curve (b)and the beam profile(c)

利用Tm∶YAP激光器作為一級泵浦源泵浦摻雜濃度原子百分比為3%的Cr2+∶ZnSe晶體，實現(xiàn)了約3 W的2.3 μm激光輸出，如圖6(a)所示，光光轉(zhuǎn)換效率為17.2%，斜率效率為20%，如圖6(b)所示。在最高輸出3 W時，光束質(zhì)量M2在x和y方向分別為1.7和1.73，光束基本為圓形的高斯光斑，如圖6(c)所示。

為了與實驗中得出的激光輸出效率相比較，利用激光器動力學(xué)模型推測激光器的理論輸出效率。假設(shè)腔內(nèi)抽運光和激光在Cr2+∶ZnSe晶體中有很好的模式重疊，忽略橫向光場分布的不同，則激光器模型應(yīng)滿足:

(2)

式中，R1、R2為諧振腔前后端鏡的反射率，Ta、Tb為激光介質(zhì)前后端透射率，γth為激光閾值，α為光損失率。如果要實現(xiàn)激光輸出，則激光介質(zhì)要在足夠功率的泵浦光照射下，小信號增益高于激光閾值增益。受激發(fā)射導(dǎo)致上能級粒子減少而使光增益減小到閾值。當(dāng)上能級粒子數(shù)飽和到閾值水平, 腔內(nèi)振蕩增益與損耗抵消, 激光器達到動力學(xué)平衡。在腔內(nèi)，振蕩光強(Ioc)為前向(If)與后向(Ib)光強之和，假設(shè)前后光場強度相等，因此，實際輸出功率密度就是順光方向光場能量的百分比，則輸出光光強Iout應(yīng)為:

(3)

式中，Tout為輸出鏡透射率。設(shè)Pabs為吸收光的泵浦功率，閾值功率為Pth，則將Pabs和Pth代入式(2)、(3)中得到的輸出光強為:

(4)

又因為

(5)

則將式(4)帶入式(5)中有:

(6)

將上述提及的鏡面參數(shù)與晶體參數(shù)代入式(6)中，得到激光器效率最大為40%?？紤]到腔內(nèi)振蕩損耗以及腔內(nèi)損失分布的不均勻性，實際得到的激光效率應(yīng)略小于激光輸出效率的理論值。實驗中得到的Cr2+∶ZnSe全固態(tài)激光器的光束質(zhì)量良好，輸出效率約為20%。在實驗中，相對于理論計算中的參數(shù)，如Tb、Tout等參數(shù)的絕對數(shù)值都受介質(zhì)膜的制作方法及作用波長帶寬影響，不僅如此，整個諧振過程的熱損耗以及機械調(diào)制也會影響激光器的整個輸出效率。

4　結(jié)　論

本文以二極管激光器為泵浦源搭建了波長為1.97 μm輸出的Tm3+∶YAP激光器，并以此為泵浦源，利用Cr2+∶ZnSe晶體為增益介質(zhì)，完成了Cr∶ZnSe全固態(tài)中紅外激光器的設(shè)計與搭建，中紅外激光光束質(zhì)量良好，輸出效率達到20%。結(jié)果表明，本組自行研發(fā)的Cr2+∶ZnSe晶體適用于中紅外激光的增益介質(zhì)。

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All solid state Mid-IR laser of Cr2+∶ZnSe

WANG Yun-peng, WANG Fei, ZHAO Dong-xu*

(State Key Laboratory of Luminescence and Applications,Changchun Institute of Optics,FineMechanicsandPhysics,ChineseAcademyofSciences,Changchun130033,China)*Correspondingauthor,E-mailzhaodx@ciomp.ac.cn

A kind of all solid state Mid-IR laser system with high quality and high efficiency is built. Firstly, we use diode laser as the pump source, Tm3+∶ YAP crystal as the gain medium, to build a NIR laser with the wavelength of 1.97 μm. Secondly, we use NIR laser as the pump source, a self-made Cr2+∶ZnSe single crystal as the gain medium, to build an all solid state Mid-IR laser. Finally, we test the quality and efficiency of output laser, and comparison of the theoretical output efficiency of the laser with the actual parameters is carried out. The experimental results show that light-light conversion efficiency of the all solid state Mid-IR laser is 17.2%; slope efficiency is 20%; the beam quality(M2) of the highest output at 3 W are respectively 1.7 and 1.73 inxandydirection; the Gaussian beam is circular.

all solid state Mid-IR laser;Tm3+∶YAP crystal;Cr2+∶ZnSe single crystal;resonant cavity

2016-04-29；

2016-06-10

科技部國際合作資助項目(No.2014DRR10420)

2095-1531(2016)05-0563-06

TN216

Adoi:10.3788/CO.20160905.0563

王云鵬(1985—)，男，吉林長春人，博士，助理研究員，主要從事紅外激光開發(fā)研制及超快激光的研制及相關(guān)化學(xué)、生物超快動力學(xué)方面的研究。 E-mail:wangyunpeng@ciomp.ac.cn

趙東旭(1974—)，男，遼寧新民人，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事晶體生長、納米結(jié)構(gòu)與器件方面的研究。E-mail:zhaodx@ciomp.ac.cn

Supported by International Cooperation Project of Ministry of Science and Technology of China(No.2014DRR10420)