王滔寧 姜玲玲 程庭清 王禮 江海河

1) (中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院,健康與醫(yī)學(xué)技術(shù)研究所,合肥 230031)

2) (中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),合肥 230026)

3) (中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院,安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所,合肥 230031)

1 引言

Er:YAG 激光器可以實(shí)現(xiàn)2.94 μm 窄脈寬和高峰值的相干光輸出,具有廣泛的科學(xué)研究和應(yīng)用需求.一方面,2.94 μm 納秒脈沖Er:YAG 激光是寬調(diào)諧中紅外激光器理想的固體泵浦激光源.對(duì)于具有優(yōu)異特性的中紅外寬調(diào)諧Fe:ZnSe 或CdSe或CdTe 等激光器,室溫下需要3 μm 波段脈沖寬度小于Fe2+熒光壽命(300 ns)的窄脈沖激光器作為泵浦源,納秒Er:YAG 固體激光泵浦源相比HF氣體激光器、非線性頻率變換光源具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、廉價(jià)和可集成等優(yōu)點(diǎn)[1–3].對(duì)于科學(xué)研究廣泛采用的中紅外非線性參量激光,納秒Er:YAG 脈沖激光2.94 μm 的較長(zhǎng)泵浦波長(zhǎng)更接近非線性參量輸出波長(zhǎng),有利于減少參量轉(zhuǎn)換中的量子虧損,提高光光轉(zhuǎn)換效率,可獲得更大的輸出能量[4–6].另一方面,相比常規(guī)的數(shù)百微秒長(zhǎng)脈沖Er:YAG 激光,納秒激光脈寬遠(yuǎn)小于牙硬組織的熱馳豫時(shí)間(約24 μs)[7],可以極大地減少在牙硬組織消融過(guò)程中的熱量積累,避免對(duì)消融組織及周圍組織的熱損傷[8,9].因此,發(fā)展2.94 μm Er:YAG 納秒脈沖激光技術(shù)有助于促進(jìn)中紅外激光技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用.

調(diào)Q技術(shù)是目前獲得納秒窄脈寬、高峰值功率脈沖的一種主要手段,分為主動(dòng)調(diào)Q和被動(dòng)調(diào)Q.其中,主動(dòng)調(diào)Q包含聲光調(diào)Q和電光調(diào)Q.由于被動(dòng)調(diào)Q脈沖發(fā)生的時(shí)間不可控,而主動(dòng)電光調(diào)Q需要在腔內(nèi)插入偏振器、且熱退偏效應(yīng)導(dǎo)致的退偏損耗較大[10,11],在較高重復(fù)頻率下難以獲得較大的脈沖激光能量.由于聲光調(diào)Q具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、摻入損耗低等特點(diǎn),可避免退偏損耗和實(shí)現(xiàn)脈沖可控,聲光調(diào)Q開關(guān)和調(diào)Q已成為3 μm 和中紅外波段激光的研究重點(diǎn).Schnell 等[12]在1990 年研制了閃光燈泵浦Er:YAG 聲光調(diào)Q激光器,采用鍺晶體作為聲光調(diào)Q開關(guān),獲得了9.3 μJ,100 ns脈沖激光輸出.由于缺乏低損耗、高損傷閾值的中紅外聲光晶體,限制了該波段聲光調(diào)Q激光輸出能量.研究人員也一直努力在尋找3 μm 波段新型聲光開關(guān).2019年,Pushkin 等[13]將KG(WO4)晶體成功用于閃光燈泵浦的Er:YAG 聲光調(diào)Q激光器,在2 Hz 重復(fù)頻率下獲得了12.5 mJ,100 ns脈沖激光輸出,但是該晶體生長(zhǎng)過(guò)程復(fù)雜,價(jià)格昂貴.相對(duì)于KG(WO4)晶體,LiNbO3晶體不僅生長(zhǎng)容易、價(jià)格便宜、性能穩(wěn)定,而且擁有優(yōu)秀的聲光特性,在3 μm 波段具有較高的抗損傷閾值(>200 MW/cm2)和較高的透過(guò)率(90%)[11].前不久,本研究組[14]成功實(shí)現(xiàn)了將LiNbO3晶體用作聲光Q開關(guān)對(duì)Er:Cr:YSGG 激光器進(jìn)行聲光調(diào)Q.但是,目前還沒(méi)有見到更接近3 μm 波長(zhǎng)的聲光調(diào)Q激光研究的報(bào)道.

本文制備了2.94 μm Er:YAG LiNbO3聲光調(diào)Q激光器,研究了20 Hz 重復(fù)頻率下的激光輸出脈沖特性,探究了不同延遲時(shí)間和透過(guò)率對(duì)激光輸出脈沖特性的影響規(guī)律,設(shè)計(jì)凹凸諧振腔補(bǔ)償熱透鏡效應(yīng),明顯提高了激光器輸出能量,實(shí)現(xiàn)了LiNbO3聲光調(diào)QEr:YAG 激光器穩(wěn)定調(diào)Q高能量激光穩(wěn)定輸出,適合于中紅外寬調(diào)諧激光器的泵浦和激光牙組織的無(wú)熱損傷的應(yīng)用研究.

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示,Er:YAG 晶體棒長(zhǎng)度為Φ4 mm×105 mm,其中Er3+離子摻雜原子濃度為50%.晶體棒兩端鍍有2.94 μm 增透膜.諧振腔腔長(zhǎng)255 mm,HR 為反射率大于99%的全反鏡,OC為輸出耦合鏡.由于Er:YAG 晶體上能級(jí)壽命為120 μs,為了能夠滿足使粒子數(shù)盡可能反轉(zhuǎn)的同時(shí)盡可能地減小熱效應(yīng),并考慮到激光調(diào)Q振蕩特性,實(shí)驗(yàn)中閃光燈的泵浦脈寬選取在150 μs.用壓縮機(jī)制冷去離子水并通過(guò)水循環(huán)帶走泵浦光在激光晶體中產(chǎn)生的剩余熱量,水溫保持在(291±0.3) K,流量為33 L/min.本實(shí)驗(yàn)中采用新型的LiNbO3晶體作為調(diào)Q開關(guān),晶體兩端鍍有2.7—3.0 μm增透膜,聲光開關(guān)放置在激光晶體與全反鏡之間并靠近晶體端面的位置.聲光開關(guān)射頻頻率為40.68 MHz,最大電驅(qū)動(dòng)功率40 W.

圖1 LiNbO3 聲光調(diào)Q Er:YAG 激光器實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1.Schematic diagram of the Er:YAG laser system with LiNbO3-based acousto-optic Q-switch.

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及測(cè)量結(jié)果

測(cè)量晶體熱焦距可為在一定的泵浦功率范圍內(nèi)對(duì)激光器進(jìn)行熱透鏡效應(yīng)補(bǔ)償提供依據(jù),以此設(shè)計(jì)合適的熱補(bǔ)償腔型,改善激光器輸出性能,提高輸出能量.利用臨界腔法測(cè)量了20 Hz 下Er:YAG晶體熱焦距,結(jié)果如圖2 所示.

圖2 熱焦距隨泵浦功率變化趨勢(shì)Fig.2.Trend of thermal focal length with pump power.

根據(jù) ABCD 矩陣計(jì)算可知,當(dāng)采用平凸腔進(jìn)行熱焦距補(bǔ)償時(shí),凸面鏡曲率為–5 mm,不符合實(shí)際,所以設(shè)計(jì)凹凸腔對(duì)晶體熱焦距進(jìn)行補(bǔ)償.根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件,選擇輸出鏡(OC)曲率半徑為–216 mm,計(jì)算可得全反鏡(HR)曲率的取值范圍為(288.18,+∞).在使用凹凸腔補(bǔ)償熱透鏡效應(yīng)時(shí),應(yīng)使得g1g2的乘積盡可能接近0.5.在 Matlab中模擬可知,隨著全反鏡曲率增大,g1g2的乘積增長(zhǎng)速度越來(lái)越緩慢,最后近似不再增長(zhǎng),如圖3 所示.

圖3 諧振腔穩(wěn)定性 g1g2 與全反鏡曲率半徑變化關(guān)系Fig.3.Stability of the resonant cavity g1g2 versus radius of curvature variation in total reflectors.

據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件,采用曲率半徑分別為680,1000 和5000 mm 凹面鏡進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),為保護(hù)腔內(nèi)元件,輸出鏡反射率為70%,使用能量計(jì)(COHERENTJ-50-MB-IR)對(duì)輸出能量進(jìn)行測(cè)量.結(jié)果如圖4 所示.

圖4 不同曲率半徑下激光器輸出能量曲線對(duì)比Fig.4.Comparison of laser output energy curves at different radii of curvature.

由圖4 可以看出,全反鏡曲率半徑為5000 mm時(shí),激光器輸出能量最大,補(bǔ)償效果最好,從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了模擬結(jié)果.激光器在平平腔中輸出能量最大為180.6 mJ,在凹凸腔中輸出能量最大為771.3 mJ,提高了4.27 倍.凹凸腔結(jié)構(gòu)有效補(bǔ)償了Er:YAG 晶體中熱效應(yīng),實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定靜態(tài)輸出,為后面調(diào)Q實(shí)驗(yàn)提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).

4 結(jié)果與討論

4.1 調(diào)Q 延時(shí)對(duì)激光器輸出性能的影響

理論分析可知,Q開關(guān)打開最佳時(shí)間應(yīng)該位于泵浦后時(shí)候的某一時(shí)刻,此時(shí)增益介質(zhì)上能級(jí)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達(dá)到最大值.當(dāng)Q開關(guān)過(guò)早打開時(shí),由于增益介質(zhì)上能級(jí)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)沒(méi)有達(dá)到最大值就開始起振,調(diào)Q輸出能量會(huì)出現(xiàn)下降,而后繼積累的上能級(jí)粒子還可能出現(xiàn)多脈沖現(xiàn)象;當(dāng)Q開關(guān)打開過(guò)晚時(shí),由于增益介質(zhì)較短壽命的上能級(jí)粒子自發(fā)輻射損耗,將降低激光輸出脈沖能量.因此,需要找到一個(gè)最佳的調(diào)Q延遲時(shí)間,使得激光器實(shí)現(xiàn)輸出能量最大.根據(jù)氙燈泵浦脈寬,將延遲時(shí)間分別設(shè)置在110,130,150,170,190,210 μs 進(jìn)行實(shí)驗(yàn),平平腔的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示.

圖5 不同調(diào)Q 延時(shí)下輸出能量隨泵浦能量變化特性曲線Fig.5.Characteristic curves of output energy versus pump energy with different Q-delays.

從圖5 可以看出,當(dāng)調(diào)Q延遲時(shí)間在110—170 μs 之間時(shí),在低能量泵浦情況下,由于Er:YAG激光閾值較高,超過(guò)閾值之上的泵浦能量就顯得較少,此時(shí)泵浦脈寬對(duì)LiNbO3聲光調(diào)QEr:YAG 激光器輸出能量的影響差別不大.繼續(xù)增加泵浦能量,可以發(fā)現(xiàn): 輸出能量隨著泵浦能量的增加而增加,在泵浦能量為46 J時(shí),激光輸出能量達(dá)到最大;隨后,由于大的泵浦伴隨著強(qiáng)的熱效應(yīng)影響,激光輸出能量隨著泵浦能量的增加而減小.調(diào)Q延遲時(shí)間為170 μs時(shí),激光器實(shí)現(xiàn)了輸出最大的調(diào)Q能量,當(dāng)延遲時(shí)間超過(guò)190 μs 時(shí)激光器的輸出能量出現(xiàn)了明顯下降,其原因是由于Er:YAG 增益介質(zhì)上能級(jí)4I11/2壽命僅為120 μs,延遲時(shí)間太長(zhǎng)即Q開關(guān)打開過(guò)晚時(shí),增益介質(zhì)上能級(jí)壽命遠(yuǎn)小于該時(shí)間,自發(fā)輻射將損耗大量的上能級(jí)粒子,導(dǎo)致激光輸出脈沖能量的下降.170 μs 為本激光器系統(tǒng)最佳的調(diào)Q延遲時(shí)間.

4.2 輸出耦合鏡反射率對(duì)激光器輸出性能的影響

為了研究不同反射率對(duì)調(diào)Q激光輸出特性的影響,在重復(fù)頻率為20 Hz 的條件下,將輸出耦合鏡反射率設(shè)置為70%,75%,80%,85%進(jìn)行實(shí)驗(yàn),平平腔的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示.

圖6 20 Hz 時(shí)不同反射率下調(diào)Q 輸出能量隨泵浦能量變化的特性曲線Fig.6.Characteristic curves of the output energy of Qswitched laser versus pump energy at 20 Hz with different reflectivities.

由圖6 可以看出,當(dāng)輸出耦合鏡的反射率分別為70%,75%,80%,85%時(shí),LiNbO3聲光調(diào)QEr:YAG 激光器的最大輸出能量分別為16.56,21.69,28.24,30.53 mJ.在上述實(shí)驗(yàn)中,反射率為85%的耦合鏡輸出的激光調(diào)Q能量最大,達(dá)到了30.53 mJ,對(duì)應(yīng)的峰值功率為244.63 kW.由于反射率為90%時(shí)的耦合鏡會(huì)進(jìn)一步提升腔內(nèi)激光功率密度,腔內(nèi)是腔外的19倍,這可能對(duì)諧振腔鏡和晶體的膜層造成損傷.所以,未進(jìn)行反射率為90%的輸出耦合鏡相關(guān)的調(diào)Q實(shí)驗(yàn).

4.3 熱效應(yīng)對(duì)激光器輸出特性的影響

為研究熱效應(yīng)對(duì)激光器輸出特性的影響,設(shè)計(jì)了凹凸腔與平平腔的對(duì)比實(shí)驗(yàn).為了防止腔內(nèi)能量密度過(guò)高而導(dǎo)致腔內(nèi)光學(xué)元件發(fā)生損傷,在20 Hz重復(fù)頻率下,采用反射率為70%的輸出耦合鏡進(jìn)行實(shí)驗(yàn).由圖7 可知,在泵浦能量小于46 J 區(qū)間,平平腔輸出激光能量隨著泵浦能量的增加而增加;在泵浦能量大于46 J 區(qū)間,由于熱效應(yīng)嚴(yán)重未得到補(bǔ)償,激光能量隨著泵浦能量的增加而下降.而在凹凸腔中,其輸出激光能量隨著泵浦能量的增加一直在增加.結(jié)合圖8 可知,平平腔和凹凸腔中最大脈沖能量分別為16.56 mJ 和34.68 mJ,對(duì)應(yīng)的脈沖寬度分別為154.7 ns 和119.9 ns.相比平平腔,凹凸腔的激光器輸出能量提高了2.09倍,且脈沖寬度壓縮1.29 倍.因此,合適的凹凸腔結(jié)構(gòu)可以在一定泵浦功率范圍內(nèi)有效改善激光器的輸出特性.

圖7 不同腔型下脈沖能量隨泵浦能量的變化曲線Fig.7.Curves of pulse energy with pump energy under different cavity types.

在凹凸腔的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),當(dāng)泵浦能量超過(guò)49.5 J以后,進(jìn)一步增加泵浦能量,其脈寬突然變大,這表明發(fā)生了漏光現(xiàn)象,其原因是調(diào)Q開關(guān)超聲驅(qū)動(dòng)功率不足,以至于Q開關(guān)無(wú)法關(guān)死,激光脈沖中含有少部分靜態(tài)激光,激光器調(diào)Q性能下降低.

另外,為研究LiNbO3聲光調(diào)QEr:YAG 激光器的穩(wěn)定性,在重復(fù)頻率20 Hz下,測(cè)試了30 min的激光輸出脈沖能量.結(jié)果如圖9 所示,激光器的不穩(wěn)定性(SD)小于4.09%.說(shuō)明該激光器具有較高的穩(wěn)定性,能夠在長(zhǎng)時(shí)間下穩(wěn)定工作.

圖9 30 min 內(nèi)激光器輸出能量的穩(wěn)定性Fig.9.Stability of the laser output energy within 30 min.

5 結(jié)論

本文使用LiNbO3晶體作為聲光Q開關(guān)研制了閃光燈泵浦聲光調(diào)QEr:YAG 激光器,首次實(shí)驗(yàn)證實(shí)了LiNbO3可用于2.94 μm 激光調(diào)Q,并研究了輸出脈沖特性,在20 Hz 重復(fù)頻率下,獲得了激光最大輸出能量34.68 mJ 的聲光調(diào)Q脈沖,為目前該波長(zhǎng)聲光調(diào)Q激光器最高輸出能量;2.94 μm調(diào)Q激光器可實(shí)現(xiàn)200—300 ns 脈沖激光輸出,與中紅外寬調(diào)諧Fe:ZnSe 激光上能級(jí)壽命相匹配;稍寬的納秒鉺激光有助于提升激光組織消融效率.研制的LiNbO3聲光調(diào)QEr:YAG 激光器可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行,在30 min 內(nèi)能量標(biāo)準(zhǔn)偏差SD 小于4.09%.本文LiNbO3開關(guān)為3 μm 波段聲光調(diào)Q技術(shù)研究提供了新的途徑,有助于拓展調(diào)諧中紅外激光和臨床醫(yī)療研究.