王斯琦,李永亮,李仕明,白沖沖,王淵博,雷 雨

(長(zhǎng)春理工大學(xué)光電工程學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130022)

1 引 言

自1960年世界上第一臺(tái)紅寶石激光器問(wèn)世,科學(xué)工作者不斷深入探索固體激光器理論,激光器技術(shù)已獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。泵浦源作為固體激光器的重要組成部分,它的選擇直接影響著激光器的輸出功率、輸出波長(zhǎng)以及輸出功率穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展,一些效率不高的泵浦源已被逐漸淘汰,時(shí)至今日仍備受人們青睞的只剩閃光燈泵浦、連續(xù)弧光燈泵浦和激光二極管泵浦。而與前者相比,激光二極管作為泵浦源展現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢(shì)。采用激光二極管泵浦的固體激光器,以其自身的優(yōu)越性能,已被大量應(yīng)用于軍事和民用中,包括工業(yè)生產(chǎn)、武器裝備、精密測(cè)量、通信與信息處理等方面,并且在相應(yīng)的領(lǐng)域里實(shí)現(xiàn)了突破性變革。

1965年,美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的L.F.Johnson在77 K低溫條件下使用閃光燈泵浦,首次實(shí)現(xiàn)了Yb∶YAG的激光運(yùn)轉(zhuǎn)[1]。但由于Yb3+吸收帶與閃光燈的光譜匹配差,導(dǎo)致獲得的激光效率很低,當(dāng)時(shí)并未引起對(duì)Yb∶YAG晶體的重視。1971年,Reinberg等人采用GaAs∶Si發(fā)光二極管作為泵浦源,獲得了峰值功率為0.7 W的1029 nm脈沖激光輸出[2],這表明Yb∶YAG晶體的激光性能與泵浦條件有關(guān)。20世紀(jì)八十年代末九十年代初,InGaAs激光二極管(LD)出現(xiàn)并迅速發(fā)展,大功率LD陣列被視為穩(wěn)定的泵浦源,而摻Y(jié)b3+晶體材料也因其優(yōu)良的激光性質(zhì)而重新返回到人們的視野中。Yb3+離子能級(jí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單(2F7/2-2F5/2),量子效率高,熒光壽命長(zhǎng),適合于LD泵浦。在摻Y(jié)b3+激光材料中,Yb∶YAG 晶體相對(duì)熱承載小,并且具有較高的晶場(chǎng)分裂能和較寬的吸收帶,因此成為L(zhǎng)D泵浦固體激光器增益介質(zhì)的主要研究方向之一。目前激光二極管泵浦Yb∶YAG晶體已經(jīng)實(shí)現(xiàn)千瓦量級(jí)的連續(xù)激光輸出,其YAG基質(zhì)具有優(yōu)秀的熱力學(xué)、光學(xué)、化學(xué)穩(wěn)定性,適合用于LD泵浦下的高功率激光輸出。Yb∶YAG晶體在激光切割、鉆孔、光纖溫度傳感器以及軍用領(lǐng)域都具有重要的應(yīng)用價(jià)值,代表著新型激光材料的發(fā)展趨勢(shì)。

本文分析了Yb∶YAG作為激光晶體材料的優(yōu)勢(shì),對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外Yb∶YAG全固態(tài)激光器的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié),分別介紹了Yb∶YAG透明陶瓷激光器、摻鐿光纖激光器,可調(diào)諧Yb∶YAG激光器、Yb∶YAG薄片激光器以及雙波長(zhǎng)Yb∶YAG激光器的最新研究情況,并對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

2 Yb∶YAG激光晶體材料的優(yōu)勢(shì)

Yb∶YAG的主要優(yōu)點(diǎn)之一是吸收和發(fā)射峰較為靠近。當(dāng)941 nm泵浦Yb∶YAG激光器時(shí)的1029 nm 輸出產(chǎn)生的相對(duì)熱生成的計(jì)算值<11%,這己被激光量熱法實(shí)驗(yàn)證明[3],并且證實(shí)橫向馳豫和激發(fā)態(tài)吸收的存在。

從激光性能和可靠性方面來(lái)說(shuō),吸收帶寬和熒光壽命長(zhǎng)是Yb∶YAG具有的明顯優(yōu)勢(shì)。Yb∶YAG對(duì)泵浦二極管波長(zhǎng)的溫度調(diào)控要求不很嚴(yán)格,使成本減少,另外,1 ms的熒光壽命使CW二極管與Yb∶YAG一起使用時(shí)在一個(gè)較寬的脈沖重復(fù)頻率(PRF)范圍內(nèi)的熒光損耗較少。

從光譜學(xué)特性來(lái)看,Yb∶YAG的上能級(jí)在基態(tài)上約612 cm-1(室溫下約3 kT),由此可以得出結(jié)論:一小部分泵浦功率的消耗用于漂白較低能級(jí)上的集居數(shù)和未經(jīng)泵浦的部分對(duì)該激光波長(zhǎng)的吸收。Yb∶YAG也有一個(gè)較小的發(fā)射截面(及較高的飽和強(qiáng)度),需要較高的泵浦強(qiáng)度以達(dá)到一個(gè)給定的增益。簡(jiǎn)言之,Yb∶YAG晶體最適合應(yīng)用于高功率、連續(xù)或高脈沖重復(fù)頻率(PRF)激光。

從上述這些優(yōu)點(diǎn)可以看出,Yb∶YAG晶體是一種適用于LD泵浦的高效、高功率固體激光介質(zhì)。但同時(shí)Yb∶YAG也有增益小,泵浦閾值高,受溫度影響較大,需要高效率致冷等缺點(diǎn)。其中最主要的缺點(diǎn)就是對(duì)泵浦功率密度要求較高,不過(guò)采用高功率InGaAS激光二極管作為泵浦源可以很容易克服這個(gè)問(wèn)題。此外雖然還有其他摻鐿的系統(tǒng),如Yb∶LiYF4,Yb∶YAlO3等,但Yb∶YAG發(fā)展前景最為廣闊,因?yàn)樗m應(yīng)LD泵浦的帶寬,受激輻射截面較大,熱傳導(dǎo)性質(zhì)較好,并容易生長(zhǎng)出優(yōu)質(zhì)晶體。

3 Yb∶YAG全固態(tài)激光器

3.1 Yb∶YAG透明陶瓷激光器

近年來(lái),透明光學(xué)陶瓷材料的制備工藝不斷取得突破,激光陶瓷作為一種新型激光增益介質(zhì)材料得到了快速發(fā)展。Yb∶YAG激光陶瓷制造工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、可以實(shí)現(xiàn)多層或多功能陶瓷結(jié)構(gòu),而且陶瓷的吸收與發(fā)射光譜、熒光壽命、熱導(dǎo)率等參數(shù)都與單晶相似。因此高質(zhì)量的Yb∶YAG 陶瓷在未來(lái)將是Yb∶YAG 單晶材料強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)者。

2003年,K.Takaichi等首次報(bào)道了LD泵浦的Yb∶YAG陶瓷激光器[4]。采用2.4 W功率泵浦摻雜濃度為1at.%,厚度為1.6 mm的Yb∶YAG陶瓷,獲得了345 mW的1039 nm激光輸出。2006年,日本的JunDong等報(bào)道了采用Cr:YAG陶瓷被動(dòng)調(diào)Q的Yb∶YAG陶瓷激光器,獲得了峰值功率82 kW,脈沖寬度380 ps的1030 nm 激光[5]。2007年,上海硅酸鹽研究所的吳玉松等人在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)Yb∶YAG陶瓷的制備,并在泵浦功率7 W條件下得到了268 mW的1030 nm激光[6]。同年,上海光機(jī)所的許毅等人利用國(guó)產(chǎn)Yb∶YAG激光陶瓷,在泵浦功率為9 W時(shí),獲得了1.63 W 1030 nm激光[7]。2013年,程瑩等人報(bào)道了通過(guò)鍵合Yb∶YAG激光陶瓷來(lái)強(qiáng)化Cr,Yb∶YAG自調(diào)Q薄片激光器光學(xué)性能的研究結(jié)果[8]。在抽運(yùn)功率為7.1 W條件下獲得了0.53 W的自調(diào)Q激光輸出,光光轉(zhuǎn)換效率為7.5%。在實(shí)驗(yàn)中獲得了脈沖寬度小于3 ns、脈沖能量高于25 μJ、峰值功率9 kW的自調(diào)Q脈沖輸出。2015年,汪珂,朱江峰等人實(shí)驗(yàn)研究了LD抽運(yùn)國(guó)產(chǎn)Yb∶YAG陶瓷的高效率連續(xù)激光輸出與波長(zhǎng)調(diào)諧輸出特性[9]。比較了不同摻雜原子數(shù)分?jǐn)?shù)(1%、2%、5%、10%、15%)和不同厚度(3 mm、6 mm)的激光陶瓷的輸出激光性質(zhì)。充分證明了高質(zhì)量國(guó)產(chǎn)Yb∶YAG陶瓷在高功率激光輸出方面的光明前景,同時(shí)驗(yàn)證了利用鎖模技術(shù)獲得超短激光脈沖的可行性。2016年,于洋,朱江峰實(shí)現(xiàn)了激光二極管抽運(yùn)國(guó)產(chǎn)Yb∶YAG陶瓷高功率被動(dòng)調(diào)Q激光器[10]。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,使用半導(dǎo)體可飽和吸收鏡作為調(diào)Q元件,在6.3 W的吸收抽運(yùn)功率下得到了被動(dòng)調(diào)Q激光脈沖,輸出調(diào)Q激光脈沖的最大平均輸出功率為1.24 W。

圖1 二極管抽運(yùn)國(guó)產(chǎn)Yb∶YAG陶瓷被動(dòng)調(diào)Q激光器實(shí)驗(yàn)裝置圖

3.2 摻鐿光纖激光器

光纖激光器是指使用光纖作為增益介質(zhì)的激光器。通過(guò)在光纖基質(zhì)材料中摻雜不同躍遷能級(jí)的稀土離子,如釹(Nd),鉺(Er),鐿(Yb),銩(Tm)等來(lái)實(shí)現(xiàn)不同波段的激光輸出。由于鐿離子(Yb3+)在石英玻璃基質(zhì)中溶解度高,其本身能級(jí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,吸收以及發(fā)射帶較寬,使得摻Y(jié)b3+光纖激光器相比于其他摻稀土離子光纖激光器更有優(yōu)勢(shì),更易實(shí)現(xiàn)高效率、高功率的激光輸出。有關(guān)文獻(xiàn)表明,近20年來(lái)光纖激光器的輸出高功率紀(jì)錄均由摻鐿光纖激光器所創(chuàng)造。目前,摻Y(jié)b3+光纖激光器的最高輸出功率比其他摻稀土離子激光器輸出功率高1～2個(gè)量級(jí)[11]。

摻稀土離子光纖激光器通常采用激光二極管作為泵浦源。光纖激光器和激光二極管幾乎在同一時(shí)間出現(xiàn),但由于低亮度的半導(dǎo)體激光難以與直徑僅幾微米的光纖纖芯耦合,光纖激光器在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)的激光輸出效率很低。1988年,E.Snitzer等人提出了一種基于雙包層光纖的泵浦技術(shù),這打破了光纖激光器低輸出功率的局面[12],這種新的泵浦技術(shù)使光纖激光器輸出功率由毫瓦級(jí)迅速提升到瓦量級(jí)。1994年,H.M.Pask等首次將包層泵浦技術(shù)用于摻鐿光纖中,得到了斜率效率為80%,功率為0.5 W 的1040 nm激光輸出。1997年,Muendel等人利用916 nm激光二極管泵浦雙包層摻鐿光纖獲得1100 nm激光,輸出功率35.5 W,激光器效率達(dá)64%。1999年,Dominic等人設(shè)計(jì)了一種雙端泵浦方案,成功實(shí)現(xiàn)了110 W連續(xù)單模激光輸出,這是光纖激光器輸出功率首次突破百瓦量級(jí),引起了研究者的廣泛關(guān)注。但由于當(dāng)時(shí)光纖和激光二極管制造工藝不夠成熟,在此后幾年中摻鐿光纖激光的輸出功率并未取得大的突破。

隨著雙包層光纖制造工藝的逐漸成熟和900 nm波段高功率激光二極管的發(fā)展,摻Y(jié)b3+光纖激光器的輸出功率也獲得了進(jìn)一步提升。2004年英國(guó)南安普敦大學(xué)的Jeong等人報(bào)道了世界上首個(gè)千瓦量級(jí)光纖激光輸出[13]。他們利用975 nm激光二極管雙端泵浦纖芯直徑為43 μm的雙包層摻鐿光纖,產(chǎn)生了功率為1.01 kW的1090 nm激光輸出。同年,Jeong等采用圖2所示結(jié)構(gòu),對(duì)激光器參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化并增加泵浦光功率,使激光器的輸出功率提高到了1.36 kW[14],輸出激光的光束質(zhì)量得到了明顯改善。在之后的十年間,光纖激光器的輸出功率開(kāi)始飛速提升[15-17]。目前英國(guó)的SPI公司,美國(guó)的IPG公司,芬蘭的CoreLase公司等都開(kāi)發(fā)出了千瓦級(jí)光纖激光器產(chǎn)品[18-19]。IPG公司于2009年研制出單模光纖激器輸出功率為10 kW[20],在2013年推出的光纖激光器輸出功率高達(dá)20 kW[21],這是迄今為止單模光纖激光器的最高功率。

圖2 激光二極管雙端泵浦YDFL實(shí)驗(yàn)裝置HR:高反射率 HT:高透光

3.3 可調(diào)諧Yb∶YAG激光器

隨著通信的日趨頻繁,通信設(shè)備供應(yīng)商開(kāi)始渴望快速靈活的新一代通信網(wǎng)絡(luò),而可調(diào)諧激光器輸出功率靈活、可靠性高、噪聲低,恰好能滿足這種需求,這也為激光器的發(fā)展指明了一個(gè)方向。

由于Yb∶YAG在910～1100 nm幾乎都有發(fā)射譜線存在,熒光帶寬較寬,因此Yb∶YAG較為適合進(jìn)行可調(diào)諧運(yùn)轉(zhuǎn)。1995年,T.Y.Fan等采用三個(gè)InGaAs LD泵浦Yb∶YAG晶體,在泵浦功率為3 W時(shí),獲得了1.05 W調(diào)諧范圍1028.98～1031.74 nm的可調(diào)諧激光[22]。同年,來(lái)自德國(guó)斯圖加特大學(xué)的U.Brauch等人在激光器諧振腔內(nèi)插入雙折射濾光器,得到調(diào)諧范圍為1018～1053 nm的激光[23]。2000年日本的JiroSaikawa等人通過(guò)對(duì)雙折射濾光片的調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)了從1024.1～1108.6 nm的Yb∶YAG激光輸出,他們還將LBO晶體插入諧振腔內(nèi),獲得了515.3～537.7 nm的可調(diào)諧綠光[24]。2001年,天津大學(xué)的張麗哲等人采用兩個(gè)激光二極管雙端泵浦Yb∶YAG晶體,獲得了調(diào)諧范圍在1030.5～1055.5 nm的激光[25]。2005年,日本的R.Bhandari等人報(bào)道了調(diào)諧范圍為14 nm的聲光調(diào)Q激光和調(diào)諧范圍為51 nm的連續(xù)激光[26]。2008年,日本的ShinkiNakamura等采用Yb∶YAG陶瓷獲得了從1020.1～1083.6 nm的激光[27],實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示,這是首次實(shí)現(xiàn)Yb∶YAG陶瓷的可調(diào)諧輸出。

圖3 可調(diào)諧Yb∶YAG陶瓷激光器的實(shí)驗(yàn)設(shè)置 LD-光纖耦合二極管激光器;L1,L2-聚焦透鏡;DM-平面二向色鏡;M-凹面鏡(ROC=250 mm);OC:輸出耦合器

3.4 Yb∶YAG薄片激光器

薄片激光器,顧名思義,其增益介質(zhì)的厚度非常的薄,激光晶體的厚度一般都在幾百個(gè)微米左右,并且薄片激光器的諧振腔長(zhǎng)度都非常短,由于薄片激光器晶體薄、腔長(zhǎng)短,就使得腔內(nèi)兩個(gè)縱模的頻率間隔增大,進(jìn)而超過(guò)增益帶寬,即在熒光譜線的寬度內(nèi)只存在一個(gè)縱模,因而容易獲得單縱模激光振蕩。LD抽運(yùn)的薄片激光器具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、光學(xué)系統(tǒng)集成化等優(yōu)點(diǎn),便于實(shí)現(xiàn)高效率運(yùn)轉(zhuǎn),在材料微加工行業(yè)倍受青睞,LD泵浦的薄片激光器單頻性好,被廣泛應(yīng)用于光信息的儲(chǔ)存、全息等領(lǐng)域。近年來(lái),薄片激光器在軍事領(lǐng)域也逐漸嶄露頭角,利用激光進(jìn)行測(cè)距、制導(dǎo)等技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用。

1994年,德國(guó) Giesen等人首次利用Yb∶YAG晶體作為激光增益介質(zhì),設(shè)計(jì)了具有多通泵浦結(jié)構(gòu)的二極管泵浦的Yb∶YAG 薄片激光器。此后,對(duì)Yb∶YAG薄片激光器的研究發(fā)展迅速。2000年,C.Stewen 等人利用 Yb∶YAG 薄片激光器實(shí)現(xiàn)了功率為647 W 的連續(xù)激光,并在此基礎(chǔ)上升級(jí)實(shí)驗(yàn),利用四個(gè)薄片Yb∶YAG 獲得了1070 W的功率輸出[28]。2003年,瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院實(shí)現(xiàn)了利用SESAM進(jìn)行鎖模,采用圖4所示實(shí)驗(yàn)裝置獲得了光束質(zhì)量幾乎接近衍射極限的脈沖寬度為810 fs,輸出激光功率60 W,峰值功率高至1.9 MW的脈沖輸出[29]。2004年,德國(guó)Trumpf Laser公司采用在一個(gè)諧振腔里放多個(gè)薄片的方式,即通過(guò)定標(biāo)放大來(lái)提高激光的輸出功率,實(shí)現(xiàn)了9 kW的連續(xù)激光輸出。2006年,瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院在前面工作的基礎(chǔ)上仍采用Yb∶YAG薄片增益介質(zhì)得到了脈寬800 fs,峰值功率高達(dá)5.6 MW的1030 nm激光[30]。2010年,Trumpf Laser技術(shù)公司的薄片激光器可以產(chǎn)生的最大功率為16 kW,發(fā)散角在8mrad之內(nèi),激光器功率穩(wěn)定性大于99%,足以滿足工業(yè)需求。2011年,中國(guó)工程物理研究所的王春華等采用16通泵浦系統(tǒng)獲得27 W的連續(xù)激光,光-光轉(zhuǎn)換效率為38.8%[31]。同年,德國(guó)Quantenoptik研究所實(shí)現(xiàn)了一臺(tái)功率可調(diào)的利用克爾透鏡鎖模的Yb∶YAG 薄片振蕩器[32],實(shí)驗(yàn)中獲得了平均功率17 W,重復(fù)頻率40 MHz的脈沖輸出,光-光轉(zhuǎn)換效率為25%。2015年,M.Hemmer等人使用低溫冷卻的Yb∶YAG薄片激光器,脈沖能量高達(dá)160 mJ,得到了重復(fù)頻率為100 Hz的優(yōu)良激光束[33]。

圖4 810 fs脈沖的Yb∶YAG薄片激光器實(shí)驗(yàn)裝置 M1-M4-球面曲面鏡；DM-色散鏡

3.5 雙波長(zhǎng)Yb∶YAG激光器

激光具有單色性,一臺(tái)激光器通常情況下只輸出單一波長(zhǎng)的激光同時(shí)抑制其他波長(zhǎng)。但在精密光譜分析、差分吸收激光雷達(dá)、激光醫(yī)療等在許多領(lǐng)域中需要能夠同時(shí)輸出兩個(gè)甚至多個(gè)波長(zhǎng)的激光器。此外,通過(guò)對(duì)多波長(zhǎng)激光進(jìn)行非線性混頻,能夠獲得某些特殊波段的波長(zhǎng),這對(duì)非線性光學(xué)混頻方面的研究也有著重要意義。全固態(tài)雙波長(zhǎng)激光器體積小,結(jié)構(gòu)緊湊,覆蓋波段大,已展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。

2006年,Jun Dong等研究人員在室溫下實(shí)現(xiàn)了通過(guò)溫度梯度技術(shù)生長(zhǎng)的Yb∶YAG晶體的高效雙波長(zhǎng)光學(xué)性能[34],證明了最佳效率的激光抽運(yùn)Yb∶YAG晶體的波長(zhǎng)為1030 nm和1049 nm,并在1030 nm處實(shí)現(xiàn)了高達(dá)68%的斜度效率和51%以上的光-光轉(zhuǎn)換率。實(shí)驗(yàn)表明,通過(guò)溫度梯度技術(shù)生長(zhǎng)的Yb∶YAG晶體具有非常好的光學(xué)性能,是用于高功率雙波長(zhǎng)激光器的良好材料。2009年,H.Yoshioka等人設(shè)計(jì)了以YAG陶瓷作為主體材料的二極管泵浦摻鐿飛秒激光器,成功地實(shí)現(xiàn)了在1033.5 nm和1048.3 nm波長(zhǎng)處的被動(dòng)模式鎖定[35]。這是第一個(gè)鎖模Yb∶YAG陶瓷激光器,并且是沒(méi)有采用克爾透鏡模式鎖定的情況下二極管泵浦陶瓷激光器所獲得的最短脈沖,但此種方案中兩個(gè)波長(zhǎng)的鎖模不同步。2010年,H.Yoshioka等人對(duì)實(shí)驗(yàn)方案作出改進(jìn),成功實(shí)現(xiàn)了在激光器的1033.6 nm和1047.6 nm兩個(gè)最強(qiáng)增益線上同時(shí)獨(dú)立產(chǎn)生模式鎖定[36],此時(shí)在一個(gè)光束中可以觀察到雙波長(zhǎng)模式鎖定。結(jié)果表明,測(cè)量雙波長(zhǎng)鎖?？梢?033.6 nm和1047.6 nm之間獨(dú)立實(shí)現(xiàn),這也是摻鐿固體激光器第一次實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)鎖模。2011年,哈爾濱工程大學(xué)延新杰使用808 nm LD作為泵浦源泵浦Nd∶YVO4晶體,采用Z型腔,實(shí)現(xiàn)了914 nm 基頻光的有效振蕩。再利用Yb∶YAG晶體的915 nm的吸收譜線,使用914 nm的光泵浦Yb3+摻雜濃度8%的Yb∶YAG晶體實(shí)現(xiàn)了1030 nm的光起振[37]。2013年,Fengjiang Zhuang等人提出連續(xù)波(CW)腔內(nèi)倍頻Yb∶YAG激光器產(chǎn)生12.4 W的1030 nm和5.4W的515 nm激光同時(shí)輸出[38]。該激光系統(tǒng)被設(shè)計(jì)用于光熱共同路徑干涉測(cè)量,以測(cè)量電介質(zhì)和涂層中的可見(jiàn)光或紅外光的線性吸收的空間分辨輪廓以及兩者的組合的非線性吸收。2015年,Yingnan Peng等人設(shè)計(jì)了雙波長(zhǎng)克爾透鏡鎖模Yb∶YAG薄盤激光器,實(shí)現(xiàn)了中心波長(zhǎng)為1031 nm和1049 nm的穩(wěn)定雙波長(zhǎng)同步鎖模操作[39]?？偲骄敵龉β蕿?2.9 W,脈沖持續(xù)時(shí)間為220 fs。這是首次采用克爾透鏡模式鎖定實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)鎖模。2016年,ZiYe Gao等人采用圖5裝置實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種基于Yb∶YAG陶瓷的二極管泵浦克爾透鏡鎖模飛秒激光器[40],獲得了具有97 fs持續(xù)時(shí)間,2.8 nJ脈沖能量的穩(wěn)定激光脈沖,這是首次采用克爾透鏡鎖模操作的二極管泵浦Yb∶YAG陶瓷激光器脈沖持續(xù)時(shí)間低于100 fs。2017年,莊鳳江等人采用緊湊的平凹腔結(jié)構(gòu),940 nm光纖耦合LD端面泵浦方式,Yb∶YAG作為激光晶體,在輸出耦合鏡為10%、15%和20%條件下分別實(shí)現(xiàn)了單波長(zhǎng)和雙波長(zhǎng)激光輸出[41]。

圖5 克爾透鏡鎖模的二極管泵浦Yb∶YAG陶瓷飛秒激光器 LD-光纖耦合激光二極管;M1和M2-ROC=75mm的凹面鏡;HR-平面高反射鏡;P1和P2-一對(duì)SF6棱鏡;OC-輸出耦合器。

4 總結(jié)與展望

在目前的激光二極管技術(shù)下,Yb∶YAG晶體因其優(yōu)良的熱力學(xué)和光譜學(xué)性質(zhì),其全固化和超快激光性能,已逐步成為固體激光器件的主要激活離子。許多著名研究機(jī)構(gòu)都相繼開(kāi)展了對(duì)Yb∶YAG的研究,將其視作發(fā)展1 μm波段高功率、大能量固體激光器的一個(gè)重要途徑。關(guān)于可用激光二極管直接泵浦的摻Y(jié)b3+激光晶體以及全固態(tài)飛秒激光器的研究已經(jīng)成為開(kāi)發(fā)新一代高效率,低成本,結(jié)構(gòu)緊湊激光器的熱點(diǎn)。

Yb∶YAG激光器的一個(gè)主要發(fā)展方向是激光二極管泵浦的全固化高功率激光器。雖然 LD抽運(yùn)Yb∶YAG晶體連續(xù)激光輸出已經(jīng)達(dá)到數(shù)千瓦水平,但達(dá)到該目標(biāo)需要解決高功率抽運(yùn)下晶體的熱效應(yīng)、光束質(zhì)量控制、諧振腔優(yōu)化設(shè)計(jì)、新物理效應(yīng)(如放大自發(fā)輻射、飽和色心)對(duì)激光性能的影響等一系列技術(shù)問(wèn)題。Yb∶YAG激光器的另一個(gè)發(fā)展方向是實(shí)現(xiàn)超快飛秒激光輸出,但由于Yb∶YAG晶體發(fā)射帶寬相對(duì)較窄,使得它與其他摻鐿激光晶體相比,難以成為實(shí)現(xiàn)超短脈沖激光的最佳選擇。

長(zhǎng)期以來(lái),科學(xué)家們一直堅(jiān)持不懈的追求高效率、高功率、高質(zhì)量連續(xù)/脈沖全固態(tài)激光器。光纖激光器和薄片激光器是固體激光器熱管理技術(shù)史上的重大革新,未來(lái)通過(guò)對(duì)晶體材料和實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)的改進(jìn),有望實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量的高功率輸出。此外,雙波長(zhǎng)激光器也為進(jìn)一步的研究提供了新思路。隨著高純度和高質(zhì)量Yb∶YAG晶體的生長(zhǎng)工藝不斷改進(jìn),Yb∶YAG激光器的發(fā)展水平將也得到進(jìn)一步的提高。

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