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LD泵浦Er3+/Yb3+:Lu2Si2O7 晶体kHz微型激光器

韩雪 吕游 彭嘉宁 郭嘉祥 惠勇凌 朱占达 雷訇 李强

韩雪, 吕游, 彭嘉宁, 郭嘉祥, 惠勇凌, 朱占达, 雷訇, 李强. LD泵浦Er3+/Yb3+:Lu2Si2O7 晶体kHz微型激光器[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(7): 20220811. doi: 10.3788/IRLA20220811
引用本文: 韩雪, 吕游, 彭嘉宁, 郭嘉祥, 惠勇凌, 朱占达, 雷訇, 李强. LD泵浦Er3+/Yb3+:Lu2Si2O7 晶体kHz微型激光器[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(7): 20220811. doi: 10.3788/IRLA20220811
Han Xue, Lv You, Peng Jianing, Guo Jiaxiang, Hui Yongling, Zhu Zhanda, Lei Hong, Li Qiang. Er3+/Yb3+: Lu2Si2O7 crystal microchip laser pumped by LD at kHz[J]. Infrared and Laser Engineering, 2023, 52(7): 20220811. doi: 10.3788/IRLA20220811
Citation: Han Xue, Lv You, Peng Jianing, Guo Jiaxiang, Hui Yongling, Zhu Zhanda, Lei Hong, Li Qiang. Er3+/Yb3+: Lu2Si2O7 crystal microchip laser pumped by LD at kHz[J]. Infrared and Laser Engineering, 2023, 52(7): 20220811. doi: 10.3788/IRLA20220811

LD泵浦Er3+/Yb3+:Lu2Si2O7 晶体kHz微型激光器

doi: 10.3788/IRLA20220811
基金项目: 国家自然科学基金项目(62075003、62275007);北京市自然科学基金项目(4202007);教委科研计划项目(KZ202110005010)
详细信息
    作者简介:

    韩雪,女,硕士生,主要从事固体激光器方面的研究

    通讯作者: 李强,男,教授,博士,主要从事固体激光技术及加工系统方面的研究。
  • 中图分类号: TN248.1

Er3+/Yb3+: Lu2Si2O7 crystal microchip laser pumped by LD at kHz

Funds: National Natural Science Foundation of China (62075003, 62275007); Beijing Natural Science Foundation Project (4202007); Education Commission Scientific Research Project (KZ202110005010)
  • 摘要: 目前1.5 μm LD泵浦的铒镱共掺玻璃/晶体被动调Q微型激光器广泛应用于激光测距、激光雷达等领域。随着激光器输出能量和重频的增加,玻璃面临突出的热效应问题,晶体的热导率是玻璃的10倍以上,有望能够实现比玻璃基质更大脉冲能量和更高重频的激光输出。文中报道了一种采用LD脉冲端面泵浦、铒镱共掺焦硅酸镥晶体为增益介质的1 537 nm被动调Q微型激光器。通过优化泵浦光斑大小、输出镜透过率与调Q晶体初始透过率相匹配,实现激光输出重频与泵浦重频一致。最终实现了输出重频为1 kHz、单脉冲能量35 μJ、脉冲宽度7 ns、峰值功率为5 kW、光束质量因子M2=1.33的激光输出。以及输出重频为10 kHz、单脉冲能量10 μJ、脉冲宽度10 ns、峰值功率为1 kW、光束质量因子M2=1.51的激光输出。结果表明,Er3+/Yb3+:Lu2Si2O7 晶体是实现高重频1.5 μm激光输出的优良介质。文中研究结果对LD脉冲端面泵浦的kHz铒镱共掺晶体被动调Q人眼安全微片激光器具有重要的参考意义。
  • 图  1  实验装置图

    Figure  1.  Experimental device

    图  2  自由振荡优化结果。(a)不同输出镜透过率下的自由振荡输出功率;(b)不同泵浦光斑下的输出功率; (c)不同输出镜透过率下的输出功率;(d)斜效率拟合图

    Figure  2.  Free oscillation optimization results.(a) Free oscillating output power at different transmittance of output mirrors; (b) Comparison of output power under different pump spots; (c) Output power at different transmittance of output mirrors; (d) Fitting plot of slope efficiency

    图  3  输出激光光谱

    Figure  3.  Output laser spectra

    图  4  1 kHz下的脉冲特性。(a)脉宽图;(b)泵浦光和激光脉冲的波形图;(c)输出激光脉冲序列图;(d)远场光斑及光束质量测量图

    Figure  4.  Pulse performance for 1 kHz. (a) Pulse width figure; (b) Pump waveform and output laser pulse train;(c) Output laser pulse train; (d) Far field facula and beam quality measurement diagram

    图  5  10 kHz下的脉冲特性。(a)脉宽图;(b)泵浦光和激光脉冲的波形图;(c)输出激光脉冲序列图;(d)远场光斑及光束质量测量图

    Figure  5.  Pulse performance for 10 kHz. (a) Pulse width figure; (b) Pump waveform and output laser pulse train; (c) Output laser pulse train; (d) Far field facula and beam quality measurement diagram

    表  1  1 kHz泵浦光斑优化

    Table  1.   Optimization of pump beam diameter for 1 kHz

    Ffocus/
    mm
    ωp/
    μm
    fp/
    kHz
    TQTOCτp/
    μs
    Ep/
    mJ
    fo/
    kHz
    Eo/
    μJ
    3240195.8%15%7003.5120
    430024
    535020
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    表  2  1 kHz Co2+:MgAl2O4的初始透过率优化

    Table  2.   Optimization of initial transmittance of Co2+:MgAl2O4 for 1 kHz

    fp/kHzTQωp/μmTOCτp/μsEp/mJfo/kHzEo/μJ
    194.5%30015%7003.5127
    95.8%24
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    表  3  1 kHz 输出耦合镜透过率优化

    Table  3.   Optimization of transmittance of output coupling mirror for 1 kHz

    fp/kHzTOCTQωp/μmτp/μsEp/mJEo/μJτo/ns
    115%94.5%3007003.5277.8
    20%357
    30%307.3
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    表  4  10 kHz泵浦光斑优化

    Table  4.   Optimization of pump beam diameter for 10 kHz

    Ffocus/
    mm
    ωp/
    μm
    fp/
    kHz
    TQTOCτp/
    μs
    Ep/
    mJ
    fo/
    kHz
    Eo/
    μJ
    32401098.6%15%700.35107
    4300105
    5350<10-
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    表  5  10 kHz Co2+:MgAl2O4的初始透过率优化

    Table  5.   Optimization of initial transmittance of Co2+:MgAl2O4 for 10 kHz

    fp/kHzTQωp/μmTOCτp/μsEp/mJfo/kHzEo/μJ
    1098.6%24015%700.35107
    99%>10-
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    表  6  10 kHz 输出耦合镜透过率优化

    Table  6.   Optimization of transmittance of output coupling mirror for 10 kHz

    fp/kHzTOCTQωp/μmτp/μsEp/mJEo/μJτo/ns
    108%240700.35810
    10%98.6%1010
    15%712
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-11-08
  • 修回日期:  2023-01-30
  • 刊出日期:  2023-07-25

LD泵浦Er3+/Yb3+:Lu2Si2O7 晶体kHz微型激光器

doi: 10.3788/IRLA20220811
    作者简介:

    韩雪,女,硕士生,主要从事固体激光器方面的研究

    通讯作者: 李强,男,教授,博士,主要从事固体激光技术及加工系统方面的研究。
基金项目:  国家自然科学基金项目(62075003、62275007);北京市自然科学基金项目(4202007);教委科研计划项目(KZ202110005010)
  • 中图分类号: TN248.1

摘要: 目前1.5 μm LD泵浦的铒镱共掺玻璃/晶体被动调Q微型激光器广泛应用于激光测距、激光雷达等领域。随着激光器输出能量和重频的增加,玻璃面临突出的热效应问题,晶体的热导率是玻璃的10倍以上,有望能够实现比玻璃基质更大脉冲能量和更高重频的激光输出。文中报道了一种采用LD脉冲端面泵浦、铒镱共掺焦硅酸镥晶体为增益介质的1 537 nm被动调Q微型激光器。通过优化泵浦光斑大小、输出镜透过率与调Q晶体初始透过率相匹配,实现激光输出重频与泵浦重频一致。最终实现了输出重频为1 kHz、单脉冲能量35 μJ、脉冲宽度7 ns、峰值功率为5 kW、光束质量因子M2=1.33的激光输出。以及输出重频为10 kHz、单脉冲能量10 μJ、脉冲宽度10 ns、峰值功率为1 kW、光束质量因子M2=1.51的激光输出。结果表明,Er3+/Yb3+:Lu2Si2O7 晶体是实现高重频1.5 μm激光输出的优良介质。文中研究结果对LD脉冲端面泵浦的kHz铒镱共掺晶体被动调Q人眼安全微片激光器具有重要的参考意义。

English Abstract

    • 1.5 μm波段激光位于大气传输窗口,对大气穿透能力强,处于人眼安全波段,对人眼的损伤阈值高,成为人们研究人眼安全激光器的热点波段[1]。LD直接泵浦的铒镱共掺玻璃/晶体激光器具有体积小、结构简单、成本低等优点,广泛应用于激光测距、激光雷达、光通信、医学等领域[2-5]。对于LD端面泵浦的Er3+/Yb3+共掺磷酸盐玻璃激光器,增益介质上能级寿命长,Er3+、Yb3+离子之间能量转移效率高,能够同时满足高峰值功率、转换效率高等要求,是获得1.5 μm波长输出微型激光器的有效方式[6-8]。国内外对LD端面泵浦Er3+/Yb3+共掺磷酸盐玻璃被动调Q激光器进行了不断地开发探索。2016年,俄罗斯 Vitkin 等人实现了重复频率1 Hz,单脉冲能量 0.7 mJ,脉宽 10.5 ns的脉冲激光输出[9]。2017年,蔡瑾鹭等人得到重复频率为10 Hz,单脉冲能量约为210 μJ,脉宽2.8 ns,光束质量因子M 2=1.2的1 535 nm 激光输出[10]。2018 年,北京工业大学郭娜等人采用增益预泵浦方式,实现重频1 kHz,单脉冲能量40 μJ,脉宽 5.09 ns,峰值功率7.85 kW,光束质量因子 M2=1.4,波长1 535 nm的激光输出[11]。目前Er3+/Yb3+:glass作为增益介质的LD端面泵浦微型激光器重频最高可达kHz量级。在利用激光进行测距时,激光的重频越高、单脉冲能量越大,测量速度越快、精度越高、距离越远[11]。但是Er3+/Yb3+:glass的热导率低,随着激光器输出能量和重频的增加,增益介质面临突出的热效应问题,容易到达介质膜及玻璃的损伤阈值,影响激光器的使用寿命。与玻璃基质对比,晶体材料具备良好的热性质,易于实现较高重复频率。但是目前常用于产生1.5 μm激光的晶体由于声子能量较小,Er3+离子4I11/2能级的寿命相对较短,荧光量子效率低等问题,使得此种激光器存在泵浦利用率低,阈值较高,输出单脉冲能量小,激光器整体转换效率低等缺点[12]。Lu2Si2O7(LPS)晶体的上能级荧光寿命可以与玻璃相比拟,热导率比玻璃高10倍以上,是实现大能量高重频1.5 μm脉冲激光的优良增益介质[13]。2020年,陈雨金等人用LD连续泵浦Y-切Er/Yb:LPS,在泵浦功率为6.1 W时,获得了重频为1.32 kHz,单脉冲能量为45.5 μJ,脉宽25 ns的1 537 nm波段激光输出[14]。同年该课题组连续泵浦Z-切LPS晶体,在泵浦功率3.4 W时,获得重频0.84 kHz,单脉冲能量26.9 μJ,脉宽4.3 ns的1 537 nm激光输出[15]。目前,LPS晶体的泵浦方式主要为连续泵浦,输出重频会随泵浦功率和热效应变化,重频不稳定不利于测距等实际应用;另外,连续泵浦造成的晶体内部的热积累,会降低激光输出的能量及光束质量。为了获得稳定的输出重频,并且减小热效应带来的影响,文中采用脉冲泵浦方式,Er3+/Yb3+:LPS晶体作为增益介质,通过优化泵浦光斑大小、输出镜透过率与调Q晶体相匹配,实现激光输出重频与泵浦重频一致,获得输出重频稳定在1 kHz和10 kHz的1.5 μm激光输出。

    • 实验装置如图1所示。泵浦源为中心波长为976 nm,装有快轴准直镜的二极管激光器。LD在信号发生器的调制下可在脉冲模式下连续调节脉冲宽度和周期,发光面的宽度为100 μm,经快轴准直后的发散角为8°,峰值功率为12 W。增益介质采用Z-切的Er3+/Yb3+:LPS,晶体尺寸为 3 mm×3 mm×2.85 mm。可饱和吸收体采用Co2+:MgAl2O4,泵浦光经聚焦透镜聚焦后入射到激光晶体上。后腔镜镀有976 nm增透膜和1537 nm全反膜,输出耦合镜镀有1537 nm部分反射膜,本实验采用了一组1537 nm透过率为2% ~ 30%的输出耦合镜。为了有效降低热透镜效应,将增益介质包裹在铟箔中,并放置在通有冷却水的铜块中。

      图  1  实验装置图

      Figure 1.  Experimental device

    • 晶体掺杂浓度、泵浦光束直径、可饱和吸收体的初始透过率和输出耦合镜的透过率等是影响LD端面泵浦被动调Q激光器输出的主要因素。文中将研究上述因素对激光输出的影响。

    • 对于铒镱共掺的LPS晶体,当增益介质长度一定时,Yb3+离子的掺杂浓度越高,泵浦的吸收系数就越高,此时会造成严重的再吸收。为了减小再吸收损耗,提高激光的产生效率,在增益长度为2.85 mm时,通过对比不同输出镜透过率下自由振荡的输出功率大小,得到Yb3+离子的最佳掺杂浓度。实验结果如图2(a)所示,当OC透过率从4~30%变化时,0.5 at.%Er3+/4.0 at.%Yb3+:LPS晶体的输出功率总是高于0.5 at.%Er3+/5.0 at.%Yb3+:LPS的输出功率。并且当增益介质长度增加时,自由振荡的输出功率也呈下降趋势。根据实验结果,最终选择L=2.85 mm的0.5 at.%Er3+/4.0 at.%Yb3+:LPS的晶体进行下述的调Q实验。另外还对0.5 at.%Er3+/4.0 at.%Yb3+:LPS晶体的斜效率进行测量,实验结果如图2(b)~(d)所示,通过优化泵浦光斑尺寸,输出镜透过率等参数,最终获得的斜效率为5.8%,这也为之后的调Q实验提供参考。

      图  2  自由振荡优化结果。(a)不同输出镜透过率下的自由振荡输出功率;(b)不同泵浦光斑下的输出功率; (c)不同输出镜透过率下的输出功率;(d)斜效率拟合图

      Figure 2.  Free oscillation optimization results.(a) Free oscillating output power at different transmittance of output mirrors; (b) Comparison of output power under different pump spots; (c) Output power at different transmittance of output mirrors; (d) Fitting plot of slope efficiency

    • 泵浦光斑尺寸、可饱和吸收体的初始透过率、输出耦合镜透过率等参数共同影响输出激光的重频、能量及脉宽。为了实现激光输出重频与泵浦重频一致,获得输出重频稳定在1 kHz和10 kHz的1.5 μm激光输出,采用控制变量法,使泵浦光斑大小、输出镜透过率与调Q晶体初始透过率相匹配,并通过对比输出重频及单脉冲能量的大小,来获得最佳的实验参数。

      首先,在泵浦重频为1 kHz时,在 Co2+:MgAl2O4初始透过率为95.8%,输出耦合镜透过率15%下,对比不同泵浦光斑大小时输出能量的大小,来确定最佳泵浦光斑尺寸。通过改变聚焦透镜的焦距来获得不同大小泵浦光斑,通过ZEMAX模拟及实验测量得出,焦距为3、4、5 mm时的焦斑直径为240、300、350 μm。实验结果如表1所示,当泵浦光斑直径从240 μm增大到350 μm时,单脉冲能量先增加后减小,当泵浦光斑直径为300 μm时,输出能量最大,为24 μJ。其次,在最佳泵浦光斑直径为300 μm,输出耦合镜透过率为15%下,优化Co2+:MgAl2O4的初始透过率。结果见表2,当Co2+:MgAl2O4的初始透过率为94.5%时,获得最佳输出为27 μJ。最后,在最佳泵浦光斑和Co2+:MgAl2O4初始透过率下,对输出耦合镜透过率进行优化,结果见表3。通过实验发现,当输出镜透过率<15%时,由于腔内激光峰值功率过高,晶体极易产生损伤。实验只在输出镜透过率为20%和30%进行优化。如图3所示,当输出镜透过率增加时,输出能量呈下降趋势,20%时获得最大输出能量为35 μJ。

      表 1  1 kHz泵浦光斑优化

      Table 1.  Optimization of pump beam diameter for 1 kHz

      Ffocus/
      mm
      ωp/
      μm
      fp/
      kHz
      TQTOCτp/
      μs
      Ep/
      mJ
      fo/
      kHz
      Eo/
      μJ
      3240195.8%15%7003.5120
      430024
      535020

      表 2  1 kHz Co2+:MgAl2O4的初始透过率优化

      Table 2.  Optimization of initial transmittance of Co2+:MgAl2O4 for 1 kHz

      fp/kHzTQωp/μmTOCτp/μsEp/mJfo/kHzEo/μJ
      194.5%30015%7003.5127
      95.8%24

      图  3  输出激光光谱

      Figure 3.  Output laser spectra

      表 3  1 kHz 输出耦合镜透过率优化

      Table 3.  Optimization of transmittance of output coupling mirror for 1 kHz

      fp/kHzTOCTQωp/μmτp/μsEp/mJEo/μJτo/ns
      115%94.5%3007003.5277.8
      20%357
      30%307.3

      其中,Ffocus为聚焦透镜焦距,ωp为泵浦光斑直径,fp为泵浦重频,TQ为Co2+:MgAl2O4初始透过率,TOC为输出耦合镜透过率,τp为泵浦脉宽,Ep为泵浦能量,fo为输出重频,Eo为输出单脉冲能量,τo为输出脉宽。

      此外,还对激光输出脉冲性能进行了测试。图3为输出激光光谱,用分光计(YOKOGAWA aq670c)测量出在室温下输出激光的中心波长约为1537 nm。使用Tektronix DPO-4104B示波器和Thorlabs PDA10CF高速响应光电探测器测量脉冲宽度,重频为1 kHz时脉宽为7 ns (图4(a))。泵浦波形和输出激光脉冲序列如图4(b)~(c)所示。调Q脉冲激光位于泵浦下降边缘附近,表明泵浦光已被充分利用,效率最高。用焦距为100 mm的凸透镜聚焦输出光束,用刀口法测量焦点两侧的光斑半径,最后通过拟合曲线计算光束质量。光斑及光束质量拟合曲线如图4(d)所示,输出激光光斑基本呈圆形,光束质量在xy方向基本一致,拟合出光束质量因子 M2=1.33。

      图  4  1 kHz下的脉冲特性。(a)脉宽图;(b)泵浦光和激光脉冲的波形图;(c)输出激光脉冲序列图;(d)远场光斑及光束质量测量图

      Figure 4.  Pulse performance for 1 kHz. (a) Pulse width figure; (b) Pump waveform and output laser pulse train;(c) Output laser pulse train; (d) Far field facula and beam quality measurement diagram

      与之前采用Er3+/Yb3+:glass的实验结果比较[11],Er3+/Yb3+:LPS输出激光的单脉冲能量和光光效率相对低,但是基于晶体优异的散热性能,热效应对光束质量退化影响较小,Er3+/Yb3+:LPS输出激光的光束质量优于Er3+/Yb3+:glass。

      在利用激光进行测距时,激光的重频越高、单脉冲能量越大,测量速度越快、精度越高、距离越远。因此,对输出重频为10 kHz的被动调Q激光输出进行了研究。优化过程与重频为1 kHz相同,实验结果如表4~表6所示,最终在泵浦光斑直径240 μm,Co2+:MgAl2O4的初始透过率98.6%,输出耦合镜10%,实现单脉冲能量10 μJ、脉宽10 ns、光束质量因子M2=1.51的1 537 nm激光输出,脉冲特性如图5所示。

      表 4  10 kHz泵浦光斑优化

      Table 4.  Optimization of pump beam diameter for 10 kHz

      Ffocus/
      mm
      ωp/
      μm
      fp/
      kHz
      TQTOCτp/
      μs
      Ep/
      mJ
      fo/
      kHz
      Eo/
      μJ
      32401098.6%15%700.35107
      4300105
      5350<10-

      表 5  10 kHz Co2+:MgAl2O4的初始透过率优化

      Table 5.  Optimization of initial transmittance of Co2+:MgAl2O4 for 10 kHz

      fp/kHzTQωp/μmTOCτp/μsEp/mJfo/kHzEo/μJ
      1098.6%24015%700.35107
      99%>10-

      表 6  10 kHz 输出耦合镜透过率优化

      Table 6.  Optimization of transmittance of output coupling mirror for 10 kHz

      fp/kHzTOCTQωp/μmτp/μsEp/mJEo/μJτo/ns
      108%240700.35810
      10%98.6%1010
      15%712

      图  5  10 kHz下的脉冲特性。(a)脉宽图;(b)泵浦光和激光脉冲的波形图;(c)输出激光脉冲序列图;(d)远场光斑及光束质量测量图

      Figure 5.  Pulse performance for 10 kHz. (a) Pulse width figure; (b) Pump waveform and output laser pulse train; (c) Output laser pulse train; (d) Far field facula and beam quality measurement diagram

      实验结果表明,采用Er3+/Yb3+:LPS晶体作为增益介质,由于晶体的热导率高,不仅可实现重频1 kHz被动调Q输出,还可实现重频10 kHz被动调Q输出,且重频越高时,晶体热导率高的优势越突出。接下来,将Er3+/Yb3+:LPS和Co2+:MgAl2O4晶体进行光学热键合,以提高其输出性能,并且实现重频更高的激光输出。

    • 文中首先通过自由振荡实验,优化了增益介质的长度及Yb3+离子的掺杂浓度,最终选择长度为2.85 mm,Er3+离子掺杂浓度为0.5 at.%、Yb3+离子掺杂浓度为4.0 at.%的Z切LPS晶体进行调Q实验。在调Q实验中,采用脉冲泵浦方式,通过优化泵浦光斑及输出镜透过率的大小,使其与调Q晶体初始透过率相匹配,实现激光输出重频与泵浦重频一致。最终实现了输出重频为1 kHz、单脉冲能量35μJ、脉冲宽度7 ns、峰值功率为5 kW、光束质量因子M2=1.33以及输出重频为10 kHz、单脉冲能量10 μJ、脉冲宽度10 ns、峰值功率为1 kW、光束质量因子M2=1.51的1 537 nm激光输出。实验结果表明,Er3+/Yb3+:Lu2Si2O7 晶体是实现1 kHz和10 kHz高重频1.5 μm激光输出的优良介质,并且重频越高,晶体热导率高的优势越突出。文中研究结果对LD脉冲端面泵浦的kHz铒镱共掺晶体被动调Q微片激光器具有重要的参考意义。

参考文献 (15)

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