吳健宏，杜仕峰，高 昀，王海龍，陳玲芝，王志超，薄 勇，崔大復(fù)，彭欽軍

（1.中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所 固體激光重點實驗室，北京 100190；2.中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所 功能晶體與激光技術(shù)重點實驗室，北京 100190；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4.齊魯中科光物理與工程技術(shù)研究院，山東 濟(jì)南 250000）

1 引言

2 μm 激光具有高人眼安全性且位于水分子及CO2吸收峰附近，該波段的高功率激光器可廣泛應(yīng)用于差分吸收激光雷達(dá)、微創(chuàng)醫(yī)療手術(shù)、大氣環(huán)境檢測以及材料加工等領(lǐng)域[1-4]。此外，2 μm 激光還可以作為可靠的光學(xué)參量振蕩器（OPO）泵浦源，直接產(chǎn)生中遠(yuǎn)紅外波段激光[5-6]。除了兼顧高功率激光輸出外，許多應(yīng)用對激光系統(tǒng)輕小化和可靠性的需求不斷提高，因此，結(jié)構(gòu)緊湊、近室溫工作的高功率2 μm 激光器有助于推動其在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。

激光二極管（LD）側(cè)面泵浦棒狀增益介質(zhì)具有結(jié)構(gòu)簡單、熱分布均勻、吸收效率高等優(yōu)點[7]，因此是研制緊湊型高功率激光器的理想方案之一?；赥m3+離子摻雜晶體的3F4-3H6輻射躍遷可直接獲得2 μm 激光輸出[8]。在眾多基質(zhì)晶體材料的選擇中，Tm∶YAG 具有較高的熱導(dǎo)率和良好的機(jī)械性能，有利于實現(xiàn)激光器高功率穩(wěn)定運轉(zhuǎn)[9]。此外，Tm∶YAG 制備工藝成熟，加工成本低，有利于大規(guī)模生產(chǎn)從而滿足激光器廣泛應(yīng)用的需求。Tm∶YAG 晶體的吸收帶位于785 nm 附近，與商用LD 的發(fā)射波長相匹配。其高效的交叉弛豫過程可以迅速積累上能級粒子數(shù)，使其成為近室溫下直接產(chǎn)生2 μm 激光的理想增益介質(zhì)[10]。目前，國內(nèi)外報道的側(cè)面泵浦棒狀Tm∶YAG 激光器輸出功率已經(jīng)達(dá)到了百瓦級水平[11-14]。2002 年，Lai等[12]設(shè)計了一種復(fù)合拋物面聚光器（CPC），通過波長為785 nm 的三個LD 陣列對棒狀Tm∶YAG 晶體進(jìn)行側(cè)面泵浦，并利用單個激光模塊搭建了諧振腔長度為125 mm 的平平腔。在晶體冷卻溫度為-10 ℃時，該激光器最終實現(xiàn)了150 W 的激光輸出，中心波長為2.02 μm，光-光轉(zhuǎn)換效率達(dá)16.3%，在輸出功率為135 W 的條件下，平均光束質(zhì)量因子M2為34。為了實現(xiàn)百瓦級激光輸出，單個激光模塊的Tm∶YAG 激光器需要在低冷卻溫度下運轉(zhuǎn)，然而該溫度下晶體端面容易結(jié)霜并損傷光學(xué)膜層，從而降低了激光器的可靠性。因此，研究人員開始探索多個激光模塊串接的方法，以實現(xiàn)近室溫下的高功率激光輸出。2013 年，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所團(tuán)隊報道了一種三個側(cè)面泵浦Tm∶YAG 激光模塊串接的激光器，其諧振腔長度為615 mm。在8 ℃的冷卻溫度下，最終實現(xiàn)了267 W 的2.07 μm 連續(xù)波激光輸出，光-光轉(zhuǎn)換效率達(dá)20.7%，斜率效率為29.8%，平均光束質(zhì)量因子M2為25.4[14]。然而，多個激光模塊串接的高功率Tm∶YAG 激光器結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，需要外接多臺水冷機(jī)和驅(qū)動電源，導(dǎo)致系統(tǒng)體積龐大，實用性受限。

限制Tm∶YAG 激光器在室溫下實現(xiàn)高功率輸出的主要因素在于Tm3+的準(zhǔn)三能級結(jié)構(gòu)，其下能級粒子數(shù)分布會隨溫度升高而增加，導(dǎo)致重吸收損耗也顯著增加[15]，所以需要借助強(qiáng)泵浦方式獲得更多的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。除此之外，設(shè)計結(jié)構(gòu)緊湊的激光器還必須應(yīng)對高強(qiáng)度泵浦引起的晶體熱效應(yīng)，以及可能導(dǎo)致晶體碎裂的問題，這對熱管理措施提出了更高的要求。因此，在棒狀Tm∶YAG激光器研究中，實現(xiàn)近室溫下的高功率激光輸出并保持系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊仍然面臨著挑戰(zhàn)。

本文報道了一種近室溫運轉(zhuǎn)、結(jié)構(gòu)簡單緊湊的百瓦級棒狀Tm∶YAG 激光器。通過光線追跡法模擬了泵浦光在晶體內(nèi)的分布，并據(jù)此優(yōu)化了三向側(cè)面泵浦的激光模塊結(jié)構(gòu)，提高了晶體內(nèi)泵浦光的功率密度。模塊選用了低摻雜濃度雙端鍵合的Tm∶YAG 晶體棒以降低重吸收損耗并減緩熱透鏡效應(yīng)。激光器的諧振腔采用平平對稱短腔結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)腔內(nèi)往返損耗和衍射損耗低，其幾何腔長僅88 mm。在冷卻溫度為12 ℃條件下，實現(xiàn)了最大功率119 W 的2.02 μm 激光輸出，光-光轉(zhuǎn)化效率和斜率效率分為別19.6%和32.7%。在最大輸出功率條件下，功率波動小于1%，測得的平均光束質(zhì)量因子M2＜21.5。

2 實驗裝置與理論分析

圖1 為三向側(cè)面泵浦Tm∶YAG 激光模塊橫截面示意圖。該激光模塊尺寸為78 mm×103 mm×100 mm，由陶瓷漫反射器、Tm∶YAG 晶體棒、石英玻璃管、LD 陣列組成。Tm∶YAG 晶體棒的直徑為3 mm，總長度為74 mm，端面均鍍對2.02 μm 增透膜。其中晶體棒兩端通過擴(kuò)散鍵合技術(shù)鍵合了19 mm 未摻雜的YAG，摻雜區(qū)域為36 mm。該設(shè)計可以有效降低晶體棒內(nèi)部的熱梯度差，從而減緩由折射率梯度變化引起的熱透鏡效應(yīng)[16]。Tm3+的摻雜濃度為3%，對于Tm3+的準(zhǔn)三能級系統(tǒng)，較低摻雜有利于減少上轉(zhuǎn)換發(fā)光和重吸收損耗，從而降低激光器的閾值。與此同時，低吸收系數(shù)在緊湊的側(cè)面泵浦結(jié)構(gòu)中有助于實現(xiàn)均勻的泵浦光吸收，進(jìn)而改善晶體棒的熱效應(yīng)。晶體棒放置在玻璃管的中心并通過冷卻水進(jìn)行冷卻。三個LD陣列通過銅熱沉連接控溫，并且間隔120°對稱放置在一個特質(zhì)陶瓷反射器外側(cè)。該激光模塊利用一個水冷機(jī)同時對LD 陣列和Tm∶YAG 晶體進(jìn)行冷卻。實驗中的LD 陣列和晶體的冷卻水流量通過實驗優(yōu)化后分別設(shè)定為4.5 L/min 和8 L/min，冷卻溫度為（12±0.2）℃，確保水流迅速帶走熱量。在該溫度下，LD 陣列的中心波長在最大驅(qū)動電流時為780.5 nm，發(fā)射譜線的半峰全寬（FWHM）約為1.7 nm，匹配了Tm∶YAG 較寬的吸收帶[17]。陶瓷反射器內(nèi)表面對泵浦光的反射率＞97%，泵浦光通過反射器上37 mm 長、3 mm 寬的狹縫入射，經(jīng)過玻璃棒和冷卻水折射的補(bǔ)償照射到晶體棒表面。未被吸收的泵浦光經(jīng)過陶瓷反射器多次反射可被晶體充分吸收。

圖1 三向側(cè)面泵浦Tm∶YAG 激光模塊橫截面示意圖Fig.1 Cross-sectional diagram of three fold side-pumped Tm∶YAG laser module

為了在近室溫的條件下實現(xiàn)高功率激光輸出，通過縮短LD 陣列與晶體棒之間的距離可以提高耦合吸收效率，進(jìn)而提高泵浦光功率密度；但是，泵浦光分布的均勻性將會相應(yīng)地變差[18]，從而影響晶體棒內(nèi)的熱梯度分布。因此，在保證均勻性的前提下，利用Zemax 軟件基于光線追跡法對泵浦光在晶體棒內(nèi)的分布進(jìn)行模擬，以優(yōu)化激光模塊器件尺寸獲得較高的耦合吸收效率。最終設(shè)計的陶瓷反射器內(nèi)徑為12 mm，玻璃管內(nèi)徑為5 mm，厚度為2.5 mm，此時LD 陣列發(fā)光面到晶體棒軸線的距離為7 mm。通過軟件模擬，泵浦光在晶體棒內(nèi)的理論分布如圖2 所示。從圖2 可以看出，泵浦光在晶體棒內(nèi)分布較為均勻，晶體棒中心吸收強(qiáng)度略高于周圍區(qū)域吸收強(qiáng)度。經(jīng)計算可得該激光模塊的耦合吸收效率約為80%，即單位體積內(nèi)的泵浦光平均功率密度約為1.9 W/mm3，幾乎是之前報道的兩倍[11,14]。如此高的泵浦光功率密度有利于在近室溫條件下提高輸出功率和光-光轉(zhuǎn)換效率。同時，高均勻泵浦也有助于降低晶體棒內(nèi)的熱梯度，減少折射率梯度變化對光束的傳輸和聚焦特性的影響，從而改善光束質(zhì)量。

圖2 模擬的Tm∶YAG 晶體棒中心截面的泵浦光分布Fig.2 Simulated distribution of pump light in Tm∶YAG crystal rod at central section

Tm∶YAG 激光實驗裝置如圖3 所示。激光諧振腔由單個激光模塊和兩個平面鏡M1 和M2 構(gòu)成，幾何腔長為88 mm，激光系統(tǒng)的占地面積僅為88 mm×103 mm（不包括水冷機(jī)）。平面高反鏡M1表面鍍有對2.02 μm 的高反膜（R＞99.5%），輸出耦合鏡M2 對 2.02 μm 激光部分透射。為了最大化實現(xiàn)高功率輸出，通過Findlay-Clay 方法[19]計算了M2的最佳耦合透過率，其值約為8%。由于實驗室缺少該透過率的耦合輸出鏡，因此，我們選取了透過率為6%和9.6%的耦合輸出鏡進(jìn)行后續(xù)實驗。同時，為了防止晶體端面和光學(xué)器件表面結(jié)霜，實驗室的溫度保持在22 ℃，控制相對濕度＜30%。

圖3 Tm∶YAG 激光系統(tǒng)實驗裝置圖Fig.3 Schematic of experimental setup for Tm∶YAG laser system

3 結(jié)果與討論

3.1 激光輸出特性

首先，對激光器的輸出性能進(jìn)行測試。使用功率計（Gentenc-EO,MAESTRO）測量了透過率為6%和9.6%的耦合輸出鏡時，不同泵浦功率下Tm∶YAG 激光器的連續(xù)波輸出功率，具體結(jié)果如圖4所示。當(dāng)輸出耦合率為6%時，該激光器的功率閾值大約為200 W，隨著泵浦功率的增加，輸出功率線性增長。當(dāng)總的泵浦功率達(dá)到最大609 W時，該激光器的最高輸出功率可達(dá)119 W，光-光轉(zhuǎn)換效率為19.6%，斜效率為32.7%。在輸出耦合率為9.6%的情況下，激光器的閾值提高至約255 W。這是由于激光器的閾值功率密度與耦合輸出損耗呈正相關(guān)關(guān)系[15]。當(dāng)泵浦功率達(dá)到最大時，最高輸出功率可達(dá)110 W，光-光轉(zhuǎn)換效率為18%，斜效率為35%。根據(jù)綜合實驗結(jié)果，選用6%的輸出耦合鏡進(jìn)行后續(xù)實驗。值得注意的是，在實驗過程中未觀察到激光輸出有飽和現(xiàn)象，這表明可以通過進(jìn)一步增加泵浦功率來提高激光器的輸出功率。

圖4 不同透過率耦合輸出鏡時Tm∶YAG 激光器輸出功率隨泵浦功率的變化關(guān)系Fig.4 Output power of Tm∶YAG laser versus pump power for different output couplers

3.2 激光輸出光譜

圖5 給出了使用光譜儀（OceanOptics,NIRQuest256,探測范圍850～2 500 nm,分辨率＜10 nm）測得的Tm∶YAG 激光輸出光譜。從圖中可以看出Tm∶YAG 激光的中心波長為2.02 μm，譜線寬度約為13 nm。

圖5 Tm∶YAG 激光輸出光譜Fig.5 Output spectrum of Tm∶YAG laser

3.3 激光輸出穩(wěn)定性

為了評估該激光器的穩(wěn)定性和可靠性，在最大輸出功率下，記錄了激光器連續(xù)運行2 h的功率波動數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖6所示。測量結(jié)果表明，Tm∶YAG 激光器的最大平均輸出功率為118.8 W，功率波動小于1%。從圖中可觀察到，輸出功率呈現(xiàn)出微小的周期性起伏，這一現(xiàn)象可能源自水冷機(jī)控溫精度的波動以及工作電流的不穩(wěn)定[20]。在近室溫條件下，晶體端面及其他光學(xué)器件沒有出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，同時晶體沒有出現(xiàn)損傷，這表明該激光器具備長時間穩(wěn)定工作的能力，能夠滿足相關(guān)領(lǐng)域?qū)β史€(wěn)定和裝置可靠性的要求，具有廣泛的應(yīng)用價值和前景。

圖6 2 h 內(nèi)Tm∶YAG 激光器輸出功率穩(wěn)定性測量Fig.6 Measured output power stability of Tm∶YAG laser over 2 h

3.4 激光光束特性

在最大輸出功率條件下，對Tm∶YAG激光器輸出的光束質(zhì)量因子M2進(jìn)行了測量。激光輸出光束經(jīng)過兩個楔形鏡反射后通過一個焦距為150 mm的平凸透鏡聚焦。利用紅外相機(jī)（Spiricon Pyrocam IIIHR）測量沿光軸不同距離處的光斑4-sigma直徑，結(jié)果如圖7所示。使用BeamSquared?光束質(zhì)量分析軟件對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到了激光輸出光束在x和y方向上的光束質(zhì)量因子和分別為21.01和21.68。插圖為紅外相機(jī)在焦點附近采集的遠(yuǎn)場光斑二維強(qiáng)度分布，表明Tm∶YAG激光器為多橫模模式運轉(zhuǎn)。

圖7 在最大輸出功率下測得的Tm∶YAG 激光器在x 和y軸方向的光束質(zhì)量。插圖：光束的二維強(qiáng)度分布。Fig.7 Measurement of the beam quality factor for the Tm∶YAG laser at the maximum output power.Inset：farfield two-dimensional beam intensity distribution.

4 結(jié)論

本文通過理論模擬對LD 側(cè)面泵浦的Tm∶YAG 激光模塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提高了晶體棒內(nèi)泵浦光功率密度，結(jié)合高效的熱管理和諧振腔優(yōu)化，實現(xiàn)了近室溫下高功率和高效率的2.02 μm 激光輸出。激光模塊中LD 陣列和晶體的溫度控制在近室溫12 ℃。經(jīng)實驗優(yōu)化后選用透過率為6%的輸出鏡，在泵浦功率為609 W 時，Tm∶YAG 激光的最大輸出功率為119 W，中心波長為2.02 μm，對應(yīng)的光-光轉(zhuǎn)換效率為19.6%，斜率效率達(dá)32.7%。實驗測得的光束質(zhì)量因子和分別為21.01 和21.68。在最大輸出功率下，該激光器在2 h 內(nèi)的功率波動小于1%，且沒有觀察到晶體端面或光學(xué)器件結(jié)霜以及晶體損傷等現(xiàn)象。除此之外，該激光器模塊和諧振腔的設(shè)計簡單緊湊，相對于光纖耦合LD端泵的Tm∶YAG 激光器而言，LD 側(cè)泵Tm∶YAG激光器光學(xué)元件數(shù)量少，幾何腔長短，且易于調(diào)整和維護(hù)。同時模塊僅采用一個水冷機(jī)進(jìn)行冷卻，大幅減少了整個激光系統(tǒng)的體積。這種結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高的百瓦級2 μm 棒狀Tm∶YAG激光在醫(yī)療和科研等各領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景和使用價值。

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