单LD双端同向π偏振泵浦Tm_YLF激光器_杨晓宁.pdf

杨晓宁，等：单LD双端同向偏振泵浦Tm：YLF激光器收稿日期：2022-02-24基金项目：吉林省科技厅基础研究专项基金（202002046JC）作者简介：杨晓宁（1997-），女，硕士研究生，E-mail：通讯作者：陈薪羽（1986-），女，博士，副研究员，博士生导师，E-mail：单 LD 双端同向 偏振泵浦 Tm：YLF 激光器杨晓宁，周冠龙，李玥，刘景良，陈薪羽（长春理工大学物理学院，长春130022）摘要：2 m 激光作为高相干辐射光源，在激光医疗、激光雷达、光电对抗、材料加工等领域有非常重要的应用价值。通过建立考虑能量传递上转换效应的 Tm：YLF 激光器速率方程，从而分析了能量传递上转换（Energy Transfer Upconversion，ETU）效应对 Tm：YLF 激光器输出特性的影响；仿真分析双端偏振泵浦 Tm：YLF 晶体泵浦光分布情况。基于上述仿真分析结果，为获得更高的激光输出功率，采用单 LD 双端同向 偏振泵浦 Tm：YLF 激光器方法，提高增益介质的增益效果；当注入功率为 47.43 W 时，实现了稳定的最大激光输出功率为 15.23 W，中心波长为 1 907.46 nm，输出线宽为 1.62 nm，对应光-光转换效率为 32.11%，斜率效率为 37.24%。关键词：Tm：YLF 激光器；能量传递上转换效应；同向偏振中图分类号：O531文献标志码：A文章编号：1672-9870（2023）01-0012-06Tm：YLF Laser with a Laser DiodeDouble-End-Copolarized PumpYANG Xiaoning，ZHOU Guanlong，LI Yue，LIU Jingliang，CHEN Xinyu（School of Physics，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）Abstract：As a high coherent radiation source，2 m laser has very important application value in laser medical，LIDAR，photoelectric countermeasure，material processing and other fields.The rate equation of a Tm：YLF（yttrium lithiumfluoride）laser with energy transfer up-conversion（ETU）operation was established，and the influence of energy transferup-conversion on the output characteristics was analyzed.Furthermore，the pump light distribution of the Tm：YLF crystalwith double-end polarization pumping was analyzed.In order to obtain higher laser output power，the constructed Tm：YLFlaser with a laser diode double-end -co-polarized pump was achieved an injection power of 47.43 W and a maximumoutput power of 15.23 W as well as a center wavelength of 1 907.46 nm and a line-width of 1.62 nm.Furthermore，aslope efficiency of 37.24%and an optical-optical conversion efficiency of 32.11%were obtained.Key words：Tm：YLF laser；energy transfer up-conversion；copolarized2 m 激光器作为高相干辐射光源，在光电对抗1、激光医疗2、光信号处理3、数据处理4等领域表现出越来越广泛的应用前景。单掺 Tm激光器输出 1.9 m 激光可用作掺 Ho 激光器优秀泵浦源来获得 2 m 激光输出5。Tm：YLF 激光器的输出性能直接决定了 Ho：YAG 激光器的输出特性6。近年来，关于 Tm：YLF 激光器理论研究均为上变频损耗7、交叉弛豫8等因素对输出特性的影响，而且更多的报道集中在 Tm：YLF激光器的实验研究上。建立考虑能量传递上转长春理工大学学报（自然科学版）Journal of Changchun University of Science and Technology（Natural Science Edition）Vol.46No.1Feb.2023第46卷第1期2023年2月换效应的 Tm：YLF 激光器速率方程9，分析能量传递上转换效应对输出特性的影响；采用 LD 双端偏振泵浦 Tm：YLF 晶体，依据泵浦光分布理论，数值模拟研究分析双端偏振泵浦 Tm：YLF 晶体内泵浦光分布。最终，Tm：YLF 激光器实现稳定的激光输出10-13。通过建立考虑能量传递上转换效应的 Tm：YLF 激光器速率方程；研究分析了双端偏振泵浦Tm：YLF 晶体泵浦光分布情况。为获得更高的激光输出功率输出，采用单 LD 双端同向 偏振泵浦 Tm：YLF 激光器方法，提高增益介质的增益效果；当注入功率为 47.43 W 时，实现了最大激光输出功率为 15.23 W，中心波长为 1 907.46 nm，对应斜率效率和光-光转换效率分别为 37.24%和 32.11%。1理论分析1.1考虑能量传递上转换效应 Tm：YLF 激光器速率方程及输出特性分析Tm：YLF 晶体能级结构如图 1 所示。考虑能量传递上转换效应的 Tm3+激光器速率方程：dN2dt=R0424+()433+4()1-4-kN22-N22-c()()fu+flN2-flNTm（1）式中，N2为能级 2 的粒子数密度；2为能级 2 的寿命；为激光受激发射截面，=0.310-21cm2；c为 光 速，c=3108m/s；为 腔 内 光 子 数 密 度；4=43+42；NTm=N1+N2+N3+N4；3=k3212N1N3N33+k3212N1N3；4=k4212N1N4N44+k4212N1N4；k=k2124()1-4()2-433-4+k2123()1-3。通过求解得到考虑能量传递上转换效应的Tm3+激光器的输出功率、斜率效率、阈值功率分别为：Pout=A()1-R1+RI=()1-R1+R2()LM-lnR()fu+flPin-ISV()2ntotfll+LM-lnR()fu+fl2l（2）S=()1-R1+R2()LM-lnR()fu+fl（3）Pth=ISV()2ntotfll+LM-lnR()fu+fl2l=ISA()2ntotfll+LM-lnR()fu+fl2（4）其中，V=Al；A=r2；r为抽运光斑半径；A为增益面积，即抽运光斑面积；l为晶体长度。图 1Tm：YLF 晶体能级结构考虑与忽略能量传递上转换时 Tm：YLF 激光器的输出功率曲线如图 2 所示。当 Tm 的掺杂浓 度ntot=3%1.3951019时，输 出 镜 透 射 率T1=23%，T2=15%，泵浦光斑半径r=40010-4cm。考虑能量传递上转换情况下，斜率效率比较低，阈值比较高，这是因为能量传递上转换使激光上能级粒子数减少，激光下能级粒子数密度增加，从而使粒子反转数密度减少。图 2考虑能量传递上转换和不考虑能量传递上转换的输出功率杨晓宁，等：单LD双端同向偏振泵浦Tm：YLF激光器第1期13长春理工大学学报（自然科学版）2023年考虑与忽略能量传递上转换时 Tm：YLF 激光器的斜率效率与输出镜反射率R关系曲线如图 3 所示。考虑和忽略能量传递上转换的斜率效率均随着反射率的增加呈抛物线状。反射率取任意值时，考虑能量传递上转换的斜率效率比忽略时的低，说明能量传递上转换降低了斜率效率。因此，在实验中应尽量降低能量传递上转换的影响。图 3考虑和忽略能量传递上转换的斜率效率S与反射率R的关系曲线考虑与忽略能量传递上转换时 Tm：YLF 激光器的阈值功率与输出镜反射率的关系曲线如图 4 所示。随着输出镜反射率R的增加，阈值功率呈降低的趋势，这是因为输出镜反射率越高，即透过率越低，腔内损耗也越低，阈值会降低。反射率取任意值时，考虑能量上转换的阈值功率都比忽略能量传递上转换时的高。说明能量传递上转换增加了腔内损耗。图 4考虑和忽略能量传递上转换的阈值功率与反射率的关系曲线1.2LD 双端偏振泵浦 Tm：YLF 晶体泵浦光分布分析LD 双端偏振泵浦 Tm：YLF 晶体吸收光场分布的模拟结果如图 5 所示。通过对比分析可以知道，采用 LD 同向偏振的泵浦光可以使得晶体的吸收光场分布更加均匀，晶体获得更加均匀的有效吸收，提高了激光基模的增益，还避免了晶体的两端因吸收光聚焦强度不均而引起晶体的输出特性或者炸裂，有利于提高泵浦吸收功率。由于夹角会对晶体的吸收光场分布产生影响，采用同向偏振泵浦晶体的吸收光场也具有一定的差异。为获得最优的同向偏振方向，下面模拟得到 Tm：YLF 晶体的吸收光场，LD 同向偏振双端泵浦 Tm：YLF 晶体在不同夹角时，Tm：YLF 晶体对泵浦光的吸收效率。（a）1=2=0（b）1=2=90（c）1=2=4514（d）1=0，2=90（e）1=90，2=0图 5不同夹角时 LD 双端偏振泵浦Tm：YLF 晶体的吸收光场分布图 5 为不同偏振夹角时晶体对泵浦光的吸收光场分布，其中图 5（a）、图 5（b）、图 5（c）所示为 LD 双端同向偏振泵浦 Tm：YLF 晶体的吸收光场分布，图 5（d）、图 5（e）为 LD 双端非同向偏振泵浦 Tm：YLF 晶体的吸收光场分布。图 6不同夹角下对偏振泵浦光的吸收效率根据模拟结果可知，不同掺杂浓度的晶体对泵浦光的吸收效率均随夹角的增大而下降，且均在1=2=0时获得较高的吸收效率。Tm：YLF晶体的掺杂浓度选为 3.0at.%，1=2=0时，LD 同向偏振双端泵浦 Tm：YLF 晶体对偏振泵浦光的吸收效率为 88.26%；1=2=45时，晶体对偏振泵浦光的吸收效率为 80.14%；1=2=90时，晶体对偏振泵浦光的吸收效率为 72.03%。选择1=2=0的偏振光泵浦 Tm：YLF 晶体以获得更高的激光输出功率，即选择 同向偏振泵浦光，从而提高增益介质的增益。2实验装置单 LD 同向偏振双端泵浦 Tm：YLF 激光器实验原理如图 7 所示。激光器谐振腔设计成“L”型平凹折叠腔，腔长L=100 mm。泵浦源 LD 发出的激光经过耦合透镜f1（792 nm增透膜，f=35 mm）准直，偏振分光器M1（792 nm 分光偏振膜），泵浦光被分成、两束相互垂直的偏振光；偏振光直接由聚焦透镜f2（792 nm 增透膜，f=75 mm）聚焦到晶体前端面三分之一处；另外支路的偏振光经泵浦光全反镜M2（792 nm 高反膜）反射至半波片M7后转变为偏振光，经泵浦光全反镜M3、M4（792 nm 高反膜）反射后，由聚焦透镜f3（792 nm 增透膜，f=75 mm）耦合到晶体后端面三分之一处。M5（1 910 nm 高反膜及 792 nm 高透膜）为 45激光全反镜；M6为输出耦合镜，曲率半径R=150 mm，透过率T=15%。泵浦源选用美国nLight 公司生产的激光二极管（LD），中心波长为792 nm，尾 纤 芯 径 400 m，数 值 孔 径NA=0.22。Tm：YLF 晶 体 尺 寸 为 3314 mm3，掺 杂 浓 度 为3.0at.%，a 轴切割，晶体两端面平行抛光，且均镀有 792 nm 及 1 910 nm 高透膜。对实验装置中的晶体，选用导热性良好的铟箔包住，用铜热沉封装，热沉下安装水冷机，使晶体在实验中保持在18。图 7单 LD 同向偏振双端泵浦Tm：YLF 激光器实验原理图杨晓宁，等：单LD双端同向偏振泵浦Tm：YLF激光器第1期15长春理工大学学报（自然科学版）2023年3实验结果加入半波片前后单 LD 双端偏振泵浦 Tm：YLF 激光器输出特性如图 8 所示。注入功率为47.43 W 时，不加入半波片，获得的最高输出功率为 14.27 W，相应的光-光转化效率和斜率效率分别为 30.09%和 36.12%；插入半波片后，利用同向 偏振泵浦光泵浦 Tm：YLF 晶体，从而增加了晶体的吸收效率，通过优化泵浦结构，有效提高了激光晶体增益，实现了稳定的最大激光输出功率为 15.23 W，对应的光-光转换效率和斜率效率分别为 32.11%和 37.24%；相比不加入半波片时，输出功率提高0.96 W，斜效率提升1.12%。实验采用 YOKOGAWA 公司生产的 AQ6375 光谱分析仪测量了Tm：YLF激光器的激光光谱。单LD同向偏振双端泵浦 Tm：YLF 激光器输出光谱图如图 9 所示，激光输出中心波长为 1 907.46 nm，输出线宽为 1.62 nm。图 8单 LD 同向偏振双端泵浦 Tm：YLF激光器输出特性图 9单 LD 同向偏振双端泵浦Tm：YLF 激光器输出光谱图4结论通过建立考虑能量传递上转换效应的 Tm：YLF 激光器速率方程，分析能量传递上转换效应对 Tm：YLF 激光器输出特性的影响；研究分析双端偏振泵浦 Tm：YLF 晶体泵浦光分布情况。为获得更高的激光输出功率输出，搭建了单 LD 同向 偏振双端泵浦“L”形平凹谐振腔 Tm：YLF 激光器。最终，实现了稳定的最大激光输出功率为 15.23 W，中心波长为 1 907.46 nm，输出线宽为 1.62 nm，对应光-光转换效率为 32.11%，斜率效率为 37.24%。参考文献1董航，刘景良，李玥，等.单 LD 双端泵浦 Tm：YLF激光器研究 J.长春理工大学学报（自然科学版），2017，40（3）：1-4.2DAI Y，LI Y，ZOU X，et al.Compact passively Q-switched Tm：YLF laser with a polycrystalline Cr：ZnSsaturable absorber J.Optics&Laser Technology，2014（57）：202-205.3李颜新，郭露露，张寿俊，等.全固态窄线宽的 1.9m Tm：YLF 激光器研究J.长春理工大学学报（自然科学版），2018，41（5）：37-40.4 金光勇，吴婧，吴春婷，等.脉冲激光二极管双端抽运 Tm：YAG 棒 瞬 态 热 效 应 分 析J.中 国 激 光，2013（10）：6-11.5BURYY O A，SUGAK D Y，UBIZSKII S B，et al.Thecomparative analysis and optimization of the free-running Tm 3+：YAP and Tm 3+：YAG microlasersJ.Applied Physics B，2007，88（3）：433-442.6SCHELLHORN M，HIRTH A，KIELECK C.Ho：YAGlaser intracavity pumped by a diode-pumped Tm：YLFlaser J.Optics letters，2003，28（20）：1933-1935.7DUAN X M，SHEN Y J，YAO B Q，et al.A 106W Q-switched Ho：YAG laser with single crystalJ.Optik，2018（169）：224-227.8DING Y，HAN L，YAO 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