1 引言

钛宝石(Ti∶Al₂O₃)晶体是目前应用最广泛、使用技术最成熟的宽调谐与超短脉冲激光增益介质,具有较宽的吸收谱和荧光谱(660~1178 nm)、较大的发射截面、优良的物化性质。全固态钛宝石激光器具有效率高、寿命长、光束质量高、线宽窄、易于模块化等优点,常被用于太赫兹波的激发^[1]、细胞生物与医学^[2]、原子捕获与冷却^[3]、飞秒脉冲激光产生^[4-5]等科学研究实验中。此外,利用非线性变换技术可将激光器的调谐范围进一步扩展到红外、可见光、紫外乃至深紫外波段^[6-10],在激光光谱学、光通信、信息处理、光刻技术等领域有着非常重要的应用^[11-13]。

目前,国内外一般使用连续激光二极管(LD)抽运、调Q及倍频产生的绿光作为钛宝石的抽运源,得到ns量级的钛宝石可调谐激光输出。1991年,Malcolm等^[14]使用连续LD抽运调Q腔内倍频的Nd∶YLF激光器抽运钛宝石,得到激光的波长调谐范围为746~838 nm,单脉冲能量为1.3 μJ,脉冲宽度为400 ns,这是国际上首次报道的全固态钛宝石激光器。2007年,Imahoko等^[15]采用连续LD抽运Yb∶YAG薄盘、调Q及腔内倍频获得频率为100 kHz、功率为86 W的绿光;采用相同的方法抽运钛宝石时,得到绿光的功率为16 W,脉冲宽度为40 ns,转换效率为20.2%。2013年,Wagner等^[16]使用一台全固态钛宝石激光器完成对差分吸收气体分析激光雷达(DIAL)的搭建,使用一台重复频率为250 Hz、波长为532 nm的全固态Nd∶YAG激光器抽运钛宝石晶体,在820 nm处得到功率为6.75 W的激光,其转换效率为19%。2004年,邹雷等^[17]使用连续LD抽运调Q腔内倍频的Nd∶YAG激光器抽运钛宝石,获得的激光功率为4.7 W,重复频率为9 kHz,转换效率为19.6%。2011年,Ding等^[18]使用ns量级的绿光抽运钛宝石,得到的激光功率为5.56 W,重复频率为5.5 kHz,转换效率为28.4%。2012年,Wang等^[19]在77 K的低温条件下使用调Q倍频的Nd∶YLF激光器抽运钛宝石,得到的激光功率为16 W,重复频率为5 kHz,脉冲宽度为100 ns,线宽为1 nm,转换效率为26.7%。在上述实验中,钛宝石激光器的光-光转换效率均小于30%。

本文研制出一台高功率、高转换效率的钛宝石激光器。采用重复频率为1 kHz的准连续LD阵列侧面抽运Nd∶YAG晶体,将声光调Q与LiB₃O₅(LBO)腔内倍频获得的脉冲绿光作为钛宝石抽运源。当钛宝石抽运绿光的吸收功率为19.6 W时,输出波长在740~828 nm宽调谐范围内的激光功率均大于7 W;在中心波长771 nm处获得的输出功率最大,为8.26 W,光-光转换效率高达42%,测得的脉冲宽度为14 ns,光束质量因子M²=2.4。

2 实验装置

全固态钛宝石激光器的实验光路如图1所示,激光器主要由532 nm抽运源与钛宝石激光系统两部分组成。在532 nm抽运源中,LH1与LH2是两个高功率激光侧面抽运模块,每个模块均采用三向808 nm LD抽运结构,每个模块的抽运功率均为240 W。LD采用准连续运转,重复频率为1 kHz,脉冲宽度为160 μs。LD准连续运转有利于Nd∶YAG晶体的热管理,从而获得高光束质量的抽运光,为钛宝石晶体提供优质抽运源。所使用的激光晶体为棒状Nd∶YAG晶体,尺寸为直径φ3 mm×82 mm,Nd³⁺的掺杂浓度(原子数分数,下同)为0.6%,两端均镀有1064 nm增透膜,以降低晶体两端的反射损耗。将两个声光调Q开关(I-QS027-5C4G-U5-ST1, Gooch & Housego, 英国)相互正交放置在LH1与LH2两侧来获得高峰值功率激光,以提高腔内激光的倍频效率。两个激光模块之间放有一块用于补偿热致双折射效应的90°旋光晶体QR。倍频晶体使用Ⅱ类相位匹配的LBO晶体,切割方向与Z轴的夹角θ=23.9°,与X轴的夹角φ=90°,尺寸为5 mm×5 mm×20 mm。腔镜M1与M3镀有1064 nm高反膜,M2为激光振荡腔输出耦合镜,总腔长为450 mm。M4为55.6°入射的532 nm薄膜偏振片,其对水平偏振的p光增透,对垂直偏振的s光增反,因此所获得的波长为532 nm的钛宝石抽运光为水平偏振光。偏振片前放置一个532 nm半波片,调节半波片的旋转角度,获得波长为532 nm的最大功率线偏振激光。

图 1. 实验光路图

Fig. 1. Schematic of experimental setup

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在以端面抽运作为抽运方式的激光器中,抽运光与振荡光间的空间模式匹配影响着激光的输出特性,由于波长为532 nm的高功率激光输出模式为多模,因此采用转换效率高、模体积大、易获得单模激光模式的平平腔作为钛宝石激光器的腔型。

在钛宝石激光系统中,M6与M7为腔镜,相距145 mm,其中M6镀有720~860 nm高反膜和532 nm减反膜,M7镀有720~860 nm部分透射膜(透射率T=10%)。透镜f1与f2的焦距分别为500 mm与100 mm,绿光通过由透镜f1与f2组成的准直聚焦系统耦合射入谐振腔内,聚焦于钛宝石晶体中后方,焦点处光斑直径为250 μm,可使抽运光与振荡光有更好的模式匹配,同时能避免抽运光功率密度过大而损伤晶体前端面。为了减少钛宝石晶体的热量积累,将用铟箔裹好的钛宝石晶体放入具有循环冷却水的紫铜热沉中,在此情况下测得钛宝石对抽运光的吸收率为87.5%。通过使用色散棱镜来选择输出激光的中心波长与压窄激光线宽,M8与M9为分光镜,将未被钛宝石吸收的抽运光从宽调谐激光中分离。

3 实验结果及分析

首先,研究532 nm绿光的输出功率与LD抽运功率的变化关系。使用功率计(FL400A-LP1 -50, OPHIR, 以色列)对激光功率进行测量,并且使用光束质量分析仪(M²-200, Spiricon Inc, 美国)对绿光的光束质量进行测量,图2所示为532 nm绿光输出功率与LD抽运功率的关系曲线及不同LD抽运功率下532 nm绿光的光束质量。当绿光功率为3 W时,测得532 nm激光的光束质量较高(M²=2.2),随着LD功率的增加,532 nm激光输出功率增大,光束质量逐渐变差。当LD抽运功率为225 W时,获得的绿光功率最大,为37.8 W,相应的光束质量M²=11.4,经过偏振片M4后,获得功率为34 W的水平偏振绿光。

图 2. 532 nm激光输出功率随LD抽运功率的变化。 插图:不同输出功率下测量的二维光束强度分布

Fig. 2. Output power of laser at 532 nm versus LD pump power. The insets are 2D beam intensity profiles measured at different output powers

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声光调Q开关以31.25 kHz的频率运转,1 kHz LD输出脉冲包络(160 μs)内包含5个调Q脉冲,使用硅光电探测器(DET10 A, Thorlabs, 美国)和示波器(DPO4104, Tektronix, 中国)对输出绿光的脉冲波形进行测量,测量结果如图3所示,可以看到,532 nm绿光的单脉冲宽度为90 ns。

图 3. 532 nm激光脉冲串波形与单脉冲宽度

Fig. 3. Pulse train and single pulse width of 532 nm laser

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图4所示为使用光谱仪(Avantes, AvsSpec-2048FT-SPM,荷兰)测得的钛宝石激光光谱,其可调谐波长范围为733.5~871.1 nm,调谐宽度为137.6 nm。图5所示为测量得到的激光输出功率与输出波长的关系曲线。实验结果表明:当输出波长的范围为740~828 nm时,激光功率均大于7 W,并在中心波长771 nm处得到的激光功率最高,为8.26 W;当激光波长大于840 nm时,输出激光的功率明显降低,在波长871.1 nm处,输出功率降为2 W。根据钛宝石晶体的本征性质,室温环境下钛宝石晶体的增益峰值波长约在785 nm处^[20],与本实验的结果略有不同,这主要是因为本实验使用的输出镜M6镀有720~860 nm部分透射膜(T=10%),在此透射率下中心波长为771 nm的激光可获得最大的输出功率。

图 4. 钛宝石激光光谱

Fig. 4. Spectra of Ti∶sapphire laser

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图 5. 钛宝石激光输出功率随波长的变化

Fig. 5. Output power of Ti∶sapphire laser versus wavelength

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图6所示为测量得到的激光波长为771 nm时钛宝石激光器的输出功率随波长为532 nm的抽运激光吸收功率的变化关系,以及波长为771 nm时不同输出功率下激光的二维光束强度分布。由图6可知,钛宝石激光器的功率阈值为2.6 W,当波长为532 nm的激光吸收功率为4.7 W时,获得波长为771 nm、功率为1.39 W的钛宝石激光,其光束质量M²=1.1;当钛宝石激光的输出功率由1.39 W增加到3.57 W时,激光的光束质量M²变化量较小,光斑质量良好;当钛宝石绿光的吸收功率大于10 W时,钛宝石激光的光束质量M²变化幅度较大,光斑质量逐渐变差,并且当抽运光的吸收功率为19.6 W时,钛宝石激光的最高输出功率为8.26 W,光-光转换效率达42%,斜率效率为49%,测得此时激光的光束质量M²=2.4,线宽约为2 nm。显然,此时钛宝石激光的光束质量较532 nm抽运光的光束质量有了较大的改善,这是增益空间窄化的结果。

图 6. 771 nm波长钛宝石激光的输出功率与532 nm波长抽运光吸收功率的关系。 插图:不同钛宝石激光输出功率下测量得到的二维光束强度分布

Fig. 6. Output power of Ti:sapphire laser at wavelength of 771 nm versus absorbed power at pump light wavelength of 532 nm. The insets are 2D beam intensity profiles measured at different output powers of Ti∶sapphire laser

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由于晶体热效应严重,当钛宝石抽运绿光的吸收功率超过19.6 W时,输出功率有所下降。在最大钛宝石激光输出功率下,测量了30 min内的激光输出功率,结果图7所示,激光的脉冲宽度为14 ns,激光功率的稳定性优于±4.4%。实验结果显示所测钛宝石激光的脉冲宽度远小于532 nm波长抽运光的脉冲宽度,一方面是由于钛宝石的增益开关现象,随着抽运能量的增大,反转粒子数所能达到的极大值增大,输出脉冲宽度变窄;另一方面是由于反转粒子数密度增大,腔内光子数密度增加的速率变大,强烈受激辐射的产生时刻提前,因此钛宝石脉冲宽度的主要影响因素是抽运光的单脉冲能量,抽运光的单脉冲能量越大,则输出激光的脉冲宽度越小^[21]。

图 7. 771 nm波长钛宝石激光输出功率的稳定性。 插图:771 nm处激光单脉冲宽度

Fig. 7. Measurement of power stability of Ti∶sapphire laser at 771 nm. The inset is single pulse width at 771 nm

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4 结论

采用重复频率为1 kHz、脉冲宽度为160 μs、波长为808 nm的准连续高功率LD侧面抽运模块来抽运Nd∶YAG晶体,通过声光调Q和腔内LBO倍频的方法得到重复频率为5 kHz、波长为532 nm的抽运源,最大功率为37.8 W。抽运光以脉冲串形式输出,每个脉冲串包含5个由声光调Q触发形成的脉冲,单脉冲宽度为90 ns,研究了532 nm绿光抽运钛宝石激光器的输出特性。钛宝石激光输出波长范围为733.5~871.1 nm,最大调谐范围达137.6 nm,在771 nm波长处获得的输出功率最大,为8.26 W,光-光转换效率高达42%,脉冲宽度为14 ns,光束质量为M²=2.4,线宽约为2 nm,30 min内功率稳定性优于±4.4%。实验表明,采用准连续侧面抽运激光模块调Q腔内倍频的方式得到脉冲串型输出的532 nm波长抽运光,并将其用于钛宝石晶体的抽运,可获得高功率、高转换效率的宽调谐激光。该装置具有结构紧凑、能量利用率高、宽调谐激光功率高、激光脉冲宽度窄等优点,可为通过非线性变换技术获得其他波段的高功率、高效率宽调谐激光提供优质基频激光源。