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1、精品論文 激光二極管抽運的新型低閾值 Yb:LuAG 陶 瓷激光器 丁晶新1，周慧1，楊康文1，潘海峰1，姜本學(xué)2，潘裕柏2，李文雪1 5 （1. 華東師范大學(xué)精密光譜科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，上海 200062； 2. 中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所，上海 200050） 摘要：本文報道了利用二極管泵浦對摻雜濃度為 3 at.%的 Yb:LuAG 陶瓷進行抽運，實現(xiàn)了 輸出波長為 1031 nm 的連續(xù)激光器。實驗中采用了三鏡折疊腔結(jié)構(gòu)。當(dāng) LD 泵浦芯徑為 100 μm，晶體吸收功率為 11.3 W 時，獲得了最高功率為 2.2 W 的 TM00 模式連續(xù)激光輸出，相 10

2、 應(yīng)的激光斜效率為 27%。 關(guān)鍵詞：激光技術(shù)；Yb:LuAG 陶瓷；低閾值；二極管抽運 中圖分類號：TN248.1 Diode pumped low threshold Yb:LuAG ceramic laser 15 DING Jingxin1, ZHOU Hui1, YANG Kangwen1, PAN Haifeng1, JIANG Benxue2, PAN Yubai2, LI Wenxue1 (1. State Key Laboratory of Precision Spectroscopy, East China Norm al University, Shang

3、Hai 200062; 2. Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences, ShangHai 200050) 20 Abstract: The diode pumped ceramic laser was demonstrated in this paper with Yb:LuAG sample which was 3 at.% doped. A stable three-folded resonator was adopted in this experiment and the obtained laser

4、 wavelength was centered at 1031nm. The laser performance was checked with different high brightness fiber-coupled diode lasers. The highest output power of 2.2 W was obtained at a non-lasing absorbed pump power of 11.3 W when the diode laser with a core 25 diameter of 100 μm was applied, with the

5、corresponding slope efficiency of 27%. Keywords: laser technology; Yb:LuAG ceramic; low threshold; diode pumped 0 引言 在過去的幾十年中二極管泵浦的摻鐿固體激光器越來越受到人們的關(guān)注，這是由于摻鐿 30 的增益介質(zhì)具有獨特的無上轉(zhuǎn)換、無激發(fā)態(tài)吸收和無濃度猝滅等特性。除此之外，鐿離子 Yb3+吸收帶在 0.9～1.1 μm 范圍內(nèi)能與 InGaAs LD 泵浦源有效耦合，且吸收線寬較寬；泵浦 波長與激光輸出波長非常接近，量子效率高；可實現(xiàn)高濃度 Yb3+離子的摻雜。近年來

6、針對 高摻雜濃度的 Yb3+晶體和陶瓷增益介質(zhì)的溫度、光譜和激光特性進行了廣泛深入的研究。 摻鐿激光器是典型的三能級系統(tǒng)，為了實現(xiàn)激光的高功率狀態(tài)運行，關(guān)鍵是要具備良好 35 溫度特性的增益介質(zhì)。在過去，摻鐿的釔鋁石榴石晶體（Yb:YAG）被廣泛地用作高功率固 體激光器的增益介質(zhì)[1-3]。而 Yb:LuAG 晶體與 Yb:YAG 具有相似的光譜特性，而且它可以用 相同波段的二極管泵浦進行抽運。然而在更高的摻雜濃度下，Yb:LuAG 晶體的導(dǎo)熱性比 Yb:YAG 的更高[4]。除此以外，由于鐿離子與镥離子的原子質(zhì)量差比釔離子與镥離子的差小 得多，因此在 Yb:LuAG 晶體中鐿離子的摻雜

7、濃度相比于 Yb:YAG 可以高很多。對于一些激 基金項目：教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金 （20090076120004 & 20090076120024 ）；自然科學(xué) 基金項目 （11274115 & 51102257）；上海市科委項目（11530700900 & 11JC1412400 ） 作者簡介：丁晶新，（1957-），男，高級工程師，主要研究方向：超快激光器。 通信聯(lián)系人：李文雪，（1981-），副研究員，主要研究方向：高功率光纖激光器及超短脈沖時頻域精密控 制。E-mail: wxli@ - 4 - 40 光器上的應(yīng)用，比如高功率低風(fēng)險的激光

8、器，高摻雜濃度具有更大的優(yōu)勢，而且高摻雜率的 Yb:LuAG 晶體具備相對更高的熱導(dǎo)性使之成為相當(dāng)有前景的激光增益介質(zhì)。 最近，多晶的透明陶瓷作為固體激光器的增益介質(zhì)被大量集中地報道[5,6]。采用透明陶 瓷制作激光材料具有一些明顯的優(yōu)勢，如燒結(jié)溫度低、周期短、形狀可控，可實現(xiàn)多層制備 等；與單晶相比，激光陶瓷單色性好，熱導(dǎo)率高，可承受的更高泵浦功率。而且，大尺寸激 45 光陶瓷的造價最為低廉。本文報道了采用摻雜濃度為 3 at.%的 Yb:LuAG 激光陶瓷最為增益 介質(zhì)，并利用二極管泵浦進行抽運，實現(xiàn)了輸出波長為 1031 nm 的連續(xù)激光器。實驗中采用 了三鏡折疊腔結(jié)構(gòu)并比較研究了

9、不同 LD 泵浦抽運下的激光器性能。當(dāng) LD 泵浦芯徑為 100 μm，晶體吸收功率為 11.3 W 時，獲得了最高功率為 2.2 W 的 TM00 模式連續(xù)激光輸出，相 應(yīng)的激光斜效率為 27%。 50 1 實驗裝置 在本實驗中采用的是上海硅酸鹽所潘裕柏課題組研制的 Yb:LuAG 透明陶瓷，陶瓷摻雜 濃度為 3 at.%，切割為 3 mm 長、5×5 mm2 大小。晶體雙面鍍 940-980 nm 和 1020-1120 nm 的寬帶增透膜，以減少兩個端面對激光的反射。為了有效的移除泵浦光和激光在晶體上累積 的熱量，此晶體由銦箔包裹固定于銅質(zhì)水冷夾具中，水冷溫度為 14℃。Yb:Lu

10、AG 的連續(xù)激 55 光測試采用了三鏡折疊腔結(jié)構(gòu)，實驗原理圖如圖 1 所示。為了更好的測試 Yb:LuAG 陶瓷的 激光性能，我們在實驗中采用了兩個不同的高亮度光纖耦合式半導(dǎo)體激光器作為泵浦源，并 采用成像比例為 1:1 耦合透鏡組將泵浦光聚焦到增益晶體上。泵浦入射鏡 M1 和凹面鏡 M2 （R=300 mm）均鍍有 976 nm 的增透膜和 1020-1120 nm 的高反膜，輸出鏡的透過波長為 1020-1120 nm。為了方便調(diào)整和優(yōu)化激光器結(jié)構(gòu)，所有的光學(xué)鏡片都安裝在了五維調(diào)整架上。 60 圖 1 Yb:LuAG

11、 激光腔示意圖 Fig. 1 Schematic of Yb:LuAG laser cavity 65 2 結(jié)果及討論 由于 Yb:LuAG 陶瓷的吸收帶為 850 nm~1050 nm，在其中 940 nm 和 980 nm 正適合高功 率 InGaAs 激光二極管泵浦。我們首先采用了一臺輸出波長為 940 nm，光纖芯徑為 200 μm， 數(shù)值孔徑為 0.22，最大輸出功率為 20 W 的半導(dǎo)體激光二極管作為泵浦源。聚焦到增益晶體 上的光斑直徑為 50 μm。通過測量 Yb:LuAG 陶瓷上入射泵浦光和透過泵浦光的功率大小， 70 可以得知 Yb:LuAG 激光陶瓷在無激光運

12、轉(zhuǎn)情況下的泵浦吸收效率約為 73%。如圖 2 所示， 輸出激光的中心波長為 1031nm，輸出模式為 TM00。 圖 2 激光輸出光譜，插圖為拍攝的光斑圖樣 75 Fig. 2 Spectrum of the output laser; inset, beam pattern of the output laser 為了優(yōu)化激光效率，我們比較了輸出鏡的透過率分別為 T=2%、T=2.5%、T=5.5%、 T=10%、T=20%、T=30%和 T=40%時的激光輸出。 80

13、圖 3 激光輸出的平均功率隨吸收功率的變化曲線 Fig.3 Average output power versus absorbed pump power 圖 3 為吸收泵浦功率和激光輸出功率的斜率效率曲線。如圖 3a 所示，當(dāng)采用 T=40%的 85 輸出耦合鏡時獲得了最佳的實驗結(jié)果。當(dāng)晶體吸收的泵浦功率為 13.8 W（入射泵浦功率為 19.2 W）時，激光最高的輸出功率可達 2.2 W，此時的斜效率為 19%。在其它輸出耦合效率 為 T=30%、T=20%、T=10%、T=5.5%、T=2.5%、T=2%時，斜效率依次降為 17.8%、15.7%、 11.7%、7.9

14、%、5.0%和 3.7%。由圖 3a 可知激光閾值約為 840 mW。 隨后我們使用了一臺輸出波長為 980 nm，光纖芯徑為 100 μm，數(shù)值孔徑為 0.22，最大 90 輸出功率為 40 W 的半導(dǎo)體激光二極管作為泵浦源。聚焦到增益晶體上的光斑直徑為 100 μm。輸出激光的中心波長與采用 20 W 的泵浦源時一樣為 1031 nm，輸出模式依舊為 TM00。 Yb:LuAG 激光陶瓷在無激光運轉(zhuǎn)情況下的泵浦吸收效率約為 50%。如圖 3b 所示，當(dāng)采用 T=40%的輸出耦合鏡時獲得了最佳的實驗結(jié)果。當(dāng)晶體吸收的泵浦功率為 11.3 W（入射泵 浦功率為 21.9 W）時，激光最高

15、的輸出功率可達 2.2 W，此時的斜效率為 27%。在其它輸出 95 耦合效率為 T=30%、T=20%、T=10%、T=5.5%、T=2.5%、T=2%時，斜效率依次降為 26.1%、 100 105 110 115 24%、16.1%、12.5%、7.5%和 6.8%。由圖 3b 可知此時激光閾值約為 206 mW。 3 結(jié)論 我們利用了光纖耦合的二極管泵浦對摻雜濃度為 3 at.%的 Yb:LuAG 陶瓷進行抽運，實現(xiàn)了 輸出波長為 1031 nm 的連續(xù)激光器。

16、在芯徑為 100 μm 的 LD 泵浦的條件下，當(dāng)晶體吸收功 率為 11.3 W 時，獲得了最高功率為 2.2 W 的 TM00 模式連續(xù)激光輸出，相應(yīng)的激光斜效率為 27%。本文為探索新型高功率激光器提供了一個新的方向。 [參考文獻] (References) [1] LACOVARA P, CHOI H K., WANG C A, AGGARWAL R L, and FAN T Y.Room-temperature diode-pumped Yb:YAG laser[J],Opt Lett,1991,16(14): 1089-1091.

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