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1、精品论文Tm:BYF 被动调 Q 脉冲激光特性研究赵永光，于浩海（山东大学晶体材料国家重点实验室）5摘要：本文报道了利用 Cr2+:ZnS 作为可饱和吸收体，用掺杂浓度 8 at.%的 z 切 Tm:BYF（Tm3+:BaY2F8）晶体作为激光增益材料实现了 1918.6 nm 被动调 Q 脉冲激光运转。最大 平均输出功率是 207 mW, 在重复频率是 543Hz 时得到的最大脉冲能量是 382 mJ，最短脉宽是 28.6 ns，对应的最大峰值功率是 13.3 kW。10关键词：被动调 Q；Tm:BYF 晶体；脉冲激光中图分类号：O734+.3Passively Q-switched Tm:
2、BYF pulse laserZHAO Yongguang, YU Haohai15(State Key Lab.of Crystal Materials, Shandong University)Abstract: Using Cr2+:ZnS as saturable absorber, z-cut Tm:BYF (8 at.%, Tm3+:BaY2F8) as laser gain material, passively Q-switched pulse laser at 1918.6 nm is demonstrated. The maximum average output powe
3、r is 207 mW, the maximum pulse energy, the shortest pulse width and thelargest peak power are 382 mJ, 28.6 ns and 13.3 kW, respectively, at the pulse repeat rate of 54320Hz.Key words: Passive Q-switching; Tm:BYF crystal; pulse laser0引言由于在强场物理、环境监测、激光雷达、光电干扰、遥感、光通讯以及光学医疗等领域25的广泛应用，2mm 波段的激光越来越受到科学研究的
4、重视。作为一种激光激活离子，Tm3+ 离子的 3F43H6 能级跃迁能够辐射出 1.82.1mm 的激光。因此铥掺杂各种晶体的生长、光谱 和激光性能得到越来越多研究者的青睐。如今作为 35mm 波段光学参量振荡器的理想泵浦 源1，短脉冲掺铥激光器更是引起人们的兴趣。运用主动调 Q 技术，脉冲泵浦掺铥晶体， 单脉冲能量能够到达 10 mJ2。但是由于主动调 Q 技术会用到声光调制器或者电光调制器，30这样就使的腔结构比较复杂，并不是光学参量振荡理想的泵浦方式。相比主动调 Q 技术， 被动调 Q 技术只用到一个简单的可饱和吸收体，使得腔的结构紧凑简单，从而更加适合作 为光学参量振荡的泵浦源。在过去
5、几年的研究中，掺 Tm 的 KY(WO4)2, KLu(WO4)2, YAG 和 YAP 激光晶体已经被广泛的研究。其中用 Tm:YAG 作为激光晶体，用 Cr2+:ZnSe 作为可饱 和吸收体可以使得到 400mJ 的脉冲能量，但是由于脉冲宽度比较大约为 300 ns，最终导致峰35值功率比较低仅为 1kW3。最近，用 PbS 量子阱结构的饱和吸收体对 Tm:KY(WO4)2 激光晶 体进行调制，得到了仅为 8ns 的脉冲，然而这种激光器输出的脉冲能量仅为 30mJ，因此得 到的峰值功率还是很低(4kW)4。最近我们用 Cr2+:ZnSe 作为可饱和吸收体，用 Tm:YLF 作为激光晶体得到
6、了脉冲能量为 1.26mJ，峰值功率为 166kW 的调 Q 脉冲激光5，这是目前 为止得到的最好结果。40 本文我们采用文献之前相同的实验构造，对 Tm:BYF 的被动调 Q 激光特性进行了研究。基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助课题（新教师基金）（20090131120033） 作者简介：赵永光，1987 年出生，男，博士研究生，主要研究方向全固态激光器 通信联系人：于浩海，1981 年 10 月出生，男，副教授，主要研究方向：晶体生长，晶体物理，量子光学. E-mail:haohaiyu- 4 -在吸收泵浦功率为 1.58W 时，得到的最大平均输出功率是 207 mW, 对应的
7、斜效率为 19.7%。在重复频率是 543Hz 时得到的最大脉冲能量是 382 mJ，最短脉宽是 28.6 ns，对应的最大峰 值功率是 13.3 kW。1实验装置45在本实验中采用的是 L 型半球面谐振腔，如图 1 所示。所用的激光二极管光纤耦合系统 的中心发射波长是 792 nm，数值孔径 NA=0.22，纤芯直径为 200mm。输入镜 M1 是一个平面 镜，镜面镀以对泵浦光高透，对振荡光 1919nm 高反的光学介质膜。M2 斜 45放置，其表面 镀以对 1918.6nm 高反的介质膜。输出镜 M3 为凹面镜，曲率半径是 R=75 mm。本实验中我们 选用的 M3 的透过率为 20%。M
8、1 和 M2 之间的距离 L1 为 40 mm；M2 与 M3 之间的距离 L2 为 3250mm。所用的激光晶体 Tm3+:BaY F 中 Tm 的掺杂浓度为 8%，晶体尺寸为 332.5 mm3。为了降2 8低激光产生过程中的热效应，在激光实验过程中晶体水冷，水温控制在 17 C。实验中所用 的 Cr:ZnS 可饱和吸收体的初始透过率为 92%，其尺寸为 4.59.32.2 mm3。图 1 Tm:BYF 被动调 Q 激光器示意图55Fig. 1 Schematic of Tm:BYF passively Q-switched laser2实验结果以及讨论用初始透过率为 92%的 Cr:Zn
9、S 作为可饱和吸收体，采用发射波长为 792 nm 的激光二极 管作为泵浦源对 Tm:BYF 晶体进行泵浦。当输出耦合透过率是 20%时，被动调 Q 的平均输出60功率随着吸收泵浦功率的变化曲线如图 2 所示。从图中可以看出，被动调 Q 的激光阈值是0.58W。当吸收泵浦功率是 1.58W 时，得到的最大平均输出功率是 207 mW。对应的激光斜效 率为 19.7%。当我们用初始透过率较低的 Cr:ZnS 作为饱和吸收体时，很难看到有激光产生， 即使偶尔会产生激光，经过一会就会消失掉，并且我们发现饱和吸收体上有损坏的迹象。针 对上述现象，我们的解释是：低初始透过率的饱和吸收体可以获得更高的脉冲
10、能量，更短的65脉冲宽度，从而导致产生的峰值功率很高，高的峰值功率很容易把饱和吸收体打坏，饱和吸 收体被打坏激光不在输出，所以激光会过一会消失掉。图 2 平均输出功率随吸收泵浦功率的变化Fig. 2 Average output power versus the absorbed pump power70图 3 是被动调 Q 的重复频率、脉冲宽度、脉冲能量和峰值功率随吸收泵浦功率的变化曲线图，从图中可以看出随着吸收泵浦功率的增加，调 Q 激光的重复平率逐渐增加。当吸收泵 浦功率增加到 1.58W 时，脉冲激光的重复平率增加到 543Hz。相对重复平率而言，脉冲宽度 和脉冲能量随吸收泵浦功率的变
11、化不是很大，其中脉冲宽度从 38 ns 减小到 28.6ns，而脉75冲能量则从 315mJ 增加到 381mJ。正是由于脉冲能量和脉冲宽度的变化不大，得到的峰值 功率随着吸收泵浦功率的变化趋势也比较平坦。在我们实验中得到的最大峰值功率为13.3kW。我们用示波器观察了调 Q 激光的脉冲序列和单个脉冲的轮廓图。正如图 4 所示，它 记录了脉冲宽度为 28.6ns 时的单脉冲轮廓图以及此时的脉冲序列。80图 3 重复频率、脉冲宽度、脉冲能量和峰值功率随吸收泵浦功率的变化Fig. 3 Pulse repeat rate, pulse width, pulse energy and pulse pe
12、ak power versus the absorbed pump power1,00,81,00,80,6Intensity (a.u.)0,40,2Time=1.84 ms0,60,0-25-20-15-10 -5 0 5 10 15 20 250,4Intensity (a.u.)0,20,0Time (ms)28.6 ns853结论-200-150-100 -50050 100 150 200Width (ns)图 4 单个脉冲的轮廓图，插图：调 Q 脉冲的序列图Fig. 4 The profile of the single pulse, inset: the pulse train
13、 of the Q-switched laser我们利用光线耦合的激光二极管对掺杂浓度为 8 at.%的 Tm:BYF 晶体进行抽运，用 Cr2+:ZnS 作为可饱和吸收体实现了输出波长为 1918.6 nm 的被动调 Q 脉冲激光输出。当吸收 泵浦功率为 1.58W 时，得到的最大平均输出功率是 207mW，此时的脉冲能量、脉冲宽度和峰值功率分别为 382 mJ、 28.6 ns 和 13.3 kW。90参考文献 (References)951001 BOURDET G L, ESCROART G L. Theoretical modeling and design of a Tm,Ho:Y
14、LiF4 microchip laser J. Appl Opt, 1999, 38: 3275-3281.2 M. Eichhorn, Quasi-three-level solid-state lasers in the near and mid infrared based on trivalent rare earth ionsJ. Appl. Phys. B, 2008 93(2-3): 269-316.3 M. MOND. HEUMANN, G. HUBER, S. KUCK, et al. in Proceedings of Conference on Lasers andEle
15、c-tro-optics Europe 2003 (IEEE, 2003), paper CA7-5-WED (CD ROM).4 M. S. GAPONENKO, A. A. ONUSHCHENKO, V. E. KISEL, et al. Compact passively Q-switched diode-pumped Tm:KY(WO4)2 laser with 8 ns/30mJ pulses J. Laser Phys. Lett, 2012, 9(4): 291-294.5 H. Yu, V.PETROV, U. GRIEBNER, D. PARISI, et al. Compact passively Q-switched diode- pumped Tm: LiLuF4 laser with 1.26 mJ output energy J, Opt. Lett, 2012, 37(13): 2544-2546.
TmF 被动调 Q 脉冲激光特性研究
