工作在2μm光譜范圍內(nèi)的激光器，由于對(duì)眼睛安全、較高的水吸收系數(shù)和在大氣中的低衰減，可用于激光加工、激光手術(shù)、遙感等領(lǐng)域，因此，這類激光器引起了科學(xué)和工業(yè)界的極大興趣。不久前，中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所（以下簡稱“研究所”）副所長付玉喜研究員領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)，公布了一項(xiàng)關(guān)于新型摻鈥激光器的最新研究成果。該激光器的發(fā)射波長接近2µm，未來可為醫(yī)療和材料加工應(yīng)用領(lǐng)域，提供一種新型緊湊的經(jīng)濟(jì)型光源。

研究論文發(fā)表在《光學(xué)快報(bào)》雜志上。研究人員使用了波長為1940nm的摻碲光纖激光器，來泵送薄盤摻鈥氟化釔鋰（Ho:YLF）晶體。論文報(bào)告說，在波長約為2060nm處，連續(xù)波、近衍射限制的輸出達(dá)到了26.5W的最大值。這也是業(yè)界首次實(shí)現(xiàn)室溫下Ho:YLF復(fù)合碟片激光器。

背景介紹

自1962年Johnson等人的開創(chuàng)性工作以來，鈥（Ho3+）離子已成為2μm波長范圍內(nèi)激光器的首選增益介質(zhì)。雖然低溫冷卻能有效提高性能，但成本高、操作復(fù)雜、維護(hù)難度大。相比之下，能夠在室溫下穩(wěn)定運(yùn)行的2μm激光器則具有顯著優(yōu)勢(shì)。

它們特別適用于便攜式和緊湊型激光系統(tǒng)，可滿足對(duì)高效、低維護(hù)和高性價(jià)比解決方案日益增長的需求。此類系統(tǒng)對(duì)于工業(yè)材料加工、激光手術(shù)以及在空間受限環(huán)境中的操作（包括機(jī)載系統(tǒng)和其他移動(dòng)平臺(tái)）等應(yīng)用，至關(guān)重要。

圖1：Ho:YLF復(fù)合薄盤晶體示意圖。(a) Ho:YLF復(fù)合薄盤的三維示意圖。(b)焊接到碳化硅散熱器上的Ho:YLF復(fù)合薄盤照片。(c) Ho:YL復(fù)合薄盤沿泵浦光傳播方向的橫截面圖

與傳統(tǒng)棒狀或板狀激光器相比，薄盤幾何形狀在室溫操作優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步減輕了熱效應(yīng)。薄盤激光器現(xiàn)已被公認(rèn)為重要的多功能工具，尤其是在利用Yb3+離子的1μm波長范圍內(nèi)取得了重大進(jìn)展。然而，在2μm波長范圍內(nèi)取得的進(jìn)展仍處于早期階段。

氟化釔鋰（YLF）是一種理想的主晶體，具有多聲子弛豫低、激發(fā)態(tài)壽命長、熱光學(xué)性能良好（尤其是天然雙折射和負(fù)熱折射率）等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)與帶內(nèi)泵浦（泵浦波長與激光介質(zhì)的吸收帶密切匹配）相結(jié)合時(shí)，Ho:YLF可減少量子缺陷加熱，提高整體效率。這些優(yōu)點(diǎn)及其固有特性，使Ho:YLF用于苛刻條件下實(shí)現(xiàn)高光束質(zhì)量和高效運(yùn)行的薄盤激光器。

然而，其相對(duì)較低的硬度給晶體加工帶來了挑戰(zhàn)，尤其是在厚度為數(shù)百微米的薄盤制造方面。此外，薄盤晶體中的放大自發(fā)輻射效應(yīng)（ASE）也阻礙了孔徑擴(kuò)展和增益存儲(chǔ)性能。為了解決這些局限性，這項(xiàng)研究引入了一種復(fù)合薄盤設(shè)計(jì)，即在摻雜Ho:YLF盤上擴(kuò)散粘合一層未摻雜的YLF蓋層。

這種配置提高了機(jī)械強(qiáng)度，減輕了ASE的不利影響。研究團(tuán)隊(duì)提出的方法不僅簡化了薄盤的制造，還為克服室溫運(yùn)行下的功率限制提供了一條可行途徑。

復(fù)合薄盤設(shè)計(jì)

與傳統(tǒng)實(shí)心棒激光器相比，薄盤激光器的直徑與厚度比更大，可在整個(gè)盤厚度上形成一維溫度梯度，從而實(shí)現(xiàn)低熱透鏡效果?？紤]到Y(jié)LF是硬度相對(duì)較低的單軸晶體，薄盤晶體被加工成方形截面。圖1展示了復(fù)合薄盤的幾何形狀。熱加載增益片由摻雜2%的Ho:YLF層組成，作為活性增益介質(zhì)，并擴(kuò)散粘合到未摻雜YLF的指數(shù)匹配蓋層。未摻雜蓋層的作用是增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度和抑制晶體中的ASE。

由于晶體的折射率高于空氣的折射率，因此存在全內(nèi)反射的臨界角。當(dāng)入射角超過臨界值時(shí)，抗反射涂層表面將完全反射，從而導(dǎo)致光子在晶體內(nèi)振蕩，增強(qiáng)ASE效應(yīng)。在本項(xiàng)研究中，為了提高機(jī)械強(qiáng)度和減輕ASE效應(yīng)，研究團(tuán)隊(duì)考慮到全內(nèi)反射的臨界角，并對(duì)復(fù)合薄盤設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。

實(shí)驗(yàn)方法

圖2是基于多通道泵浦結(jié)構(gòu)和復(fù)合薄盤激光頭，自制的Ho:YLF薄盤激光系統(tǒng)示意圖。復(fù)合薄盤結(jié)構(gòu)由尺寸為8mm×8mm×0.5mm、摻雜濃度為2% Ho3+的切割Ho:YLF激光晶體組成。薄盤的后表面鍍有寬帶高反射（HR）層，有效波長從1900nm-2100nm，覆蓋了泵浦波長和發(fā)射波段。

圖2：Ho:YLF薄盤激光器示意圖。(a)基于12通道泵浦模塊的薄盤激光器三維示意圖。(b)實(shí)驗(yàn)裝置圖，顯示帶有水冷散熱器的復(fù)合薄盤激光頭

選擇碳化硅（SiC）作為散熱器的原因是其導(dǎo)熱性能高，成本低廉，尺寸較大。然后使用厚度小于100微米的金屬銦層將涂層表面焊接到水冷碳化硅上，從而有效降低激光介質(zhì)與散熱器之間的熱阻。多路泵浦系統(tǒng)包括一個(gè)拋物面反射鏡和兩個(gè)45°棱鏡對(duì)。激光器使用來自150W摻銩光纖激光器的非偏振光，泵浦波長為1940nm。泵浦光束的直徑通過一個(gè)非聚焦變焦望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行調(diào)節(jié)。

泵浦輻射的吸收是通過一個(gè)泵浦模塊實(shí)現(xiàn)的。該模塊將泵浦光束穿過晶體12次，其中6次反射發(fā)生在薄盤的后表面。使用熱像儀監(jiān)測(cè)薄盤的表面溫度，同時(shí)將晶體的水冷溫度保持在 12℃，將泵浦激光器的水冷溫度保持在17℃，以確保最佳的吸收效果。

在通過Ho:YLF晶體12次后，當(dāng)泵浦光斑尺寸為1mm、1.4mm和1.8mm時(shí)，測(cè)量到的吸收效率分別為49.7%、56.4%和58.9%。為了進(jìn)一步提高吸收效率和整個(gè)系統(tǒng)的性能，未來將對(duì)多通道泵系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，以支持更多通道。為了研究激光發(fā)射的特性，研究人員使用了單通道增益配置的平面凹面諧振器，凹面輸出耦合器的曲率半徑為500mm，最佳輸出耦合度為3%。

泵浦光斑尺寸為1mm、1.4mm和1.8mm時(shí)，激光模式與泵浦模式的重疊率分別約為82%、60%和47%。

連續(xù)波激光結(jié)果

圖3（a）中顯示了不同泵浦直徑（1mm、1.4mm和1.8mm）的功率和效率與吸收泵浦功率的函數(shù)關(guān)系。當(dāng)泵浦直徑為1.8mm時(shí)，輸出功率達(dá)到最大值26.5 W，對(duì)應(yīng)的光學(xué)效率約為38.1%，斜率效率為42%。在實(shí)驗(yàn)中，激光輸出為π偏振，在所有條件下都與晶體的c軸平行。

圖3：使用3%透射率OC測(cè)量的Ho:YLF薄盤激光器輸出功率。(a)不同泵浦直徑下輸出功率曲線和光-光效率隨吸收功率的變化。(b)不同泵浦直徑下輸出功率與薄盤溫度的函數(shù)關(guān)系。插圖顯示了Ho:YLF薄盤的熱圖像

圖4：室溫下測(cè)量的(a)摻銩光纖激光器泵浦光譜和(b)連續(xù)波發(fā)射光譜。虛線表示Ho:YLF晶體的吸收截面和發(fā)射截面。每個(gè)光譜代表5次測(cè)量的平均值

圖3（b）顯示了不同泵浦直徑下輸出功率隨溫度的變化。使用熱像儀直接獲取了Ho:YLF薄盤的熱圖像，插圖顯示了在泵浦直徑為1.4mm時(shí)峰值溫度為50.7℃、輸出功率為20W的典型結(jié)果。在吸收的泵功率密度為4.5kW/cm2時(shí)，測(cè)得的最高溫度為62.6℃。比較不同泵浦尺寸的輸出特性發(fā)現(xiàn)，在相同輸出功率下，泵浦直徑越大，晶體溫度越低。

這表明，增加泵浦光斑尺寸和泵浦功率可以進(jìn)一步擴(kuò)大輸出功率。本實(shí)驗(yàn)中使用的復(fù)合薄盤的蓋層設(shè)計(jì)可有效衰減泵浦直徑達(dá)4mm的ASE。在這些條件下，保持足夠的泵功率密度，理論上可支持輸出功率超過100W的室溫操作。

如圖4所示，使用分辨率為0.01nm的光學(xué)光譜分析儀測(cè)量了泵浦和發(fā)射光譜。每個(gè)光譜代表5次測(cè)量的平均值。泵浦源光譜的中心波長為1939.96nm，半最大值全寬（FWHM）為0.9 nm。圖4（b）描述了2%摻雜Ho:YLF復(fù)合薄盤的激光發(fā)射光譜。在連續(xù)波工作模式下觀察到了多波長發(fā)射，這歸因于晶體正反面之間的反射所產(chǎn)生的等離子體效應(yīng)。

圖5：輸出光束質(zhì)量。(a)26W輸出光束質(zhì)量的M2測(cè)量。(b)不同距離（L=-200毫米、0毫米、100毫米和300毫米）下的光束輪廓

光束質(zhì)量因子M2，是通過將光束傳播方程與測(cè)量的激光光束半徑進(jìn)行擬合而確定的。結(jié)果表明，在水平和垂直方向上，M2分別為1.12和1.09，如圖5（a）所示。使用功率計(jì)對(duì)輸出功率為26W時(shí)的功率穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)估。如插圖所示，該系統(tǒng)表現(xiàn)出出色的長期穩(wěn)定性，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.35%，并且在長時(shí)間內(nèi)性能始終如一。

圖5（b）顯示了使用中紅外激光光束輪廓儀記錄的不同位置的光束輪廓。在整個(gè)運(yùn)行過程中，Ho:YLF振蕩器保持了TEM00的光束輪廓。在光束中觀察到輕微的散光，這可能是由于 Ho:YLF晶體的各向異性導(dǎo)致的散光熱透鏡造成的。

結(jié)論與展望

通過研究，研究人員展示了第一臺(tái)在室溫下工作的Ho:YLF復(fù)合薄盤激光器，其最大輸出功率達(dá)到26.5W，斜率效率為4%。在整個(gè)連續(xù)波運(yùn)行過程中，保持了接近衍射極限的光束質(zhì)量和穩(wěn)定的長期性能。為了增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度并抑制ASE效應(yīng)，研究人員在考慮全內(nèi)反射臨界角的基礎(chǔ)上對(duì)復(fù)合薄盤的尺寸進(jìn)行了精心優(yōu)化。

此外，研究人員還對(duì)2 %摻雜的Ho:YLF晶體的發(fā)射截面和熒光壽命，進(jìn)行了詳細(xì)研究。熒光衰減曲線表現(xiàn)出雙指數(shù)行為，這主要?dú)w因于輻射捕獲效應(yīng)。需要進(jìn)一步努力擴(kuò)大輸出功率，可以通過優(yōu)化晶體的摻雜濃度和厚度、增加泵通過次數(shù)、加強(qiáng)散熱策略，以及進(jìn)一步提高泵功率來實(shí)現(xiàn)。未來，研究團(tuán)隊(duì)還需要對(duì)Ho:YLF復(fù)合薄盤放大器的性能進(jìn)行研究。

研究結(jié)果凸顯了Ho:YLF薄盤在開發(fā)室溫下運(yùn)行的高質(zhì)量、高效率和緊湊型2μm激光源方面的巨大潛力，可應(yīng)用于精密材料加工、激光手術(shù)和遙感等領(lǐng)域。此外，Ho:YLF晶體的大帶寬為在2μm波長下產(chǎn)生高平均功率和高脈沖能量的太瓦級(jí)飛秒脈沖，提供了前景廣闊的途徑。

這種能力，還有助于高功率單周期遠(yuǎn)紅外飛秒激光脈沖生成，以及軟X射線系統(tǒng)中的高通量阿秒脈沖產(chǎn)生等應(yīng)用。

來源：榮格-《國際工業(yè)激光商情》

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