杨 欢,余 锦,张 尚,刘 洋,张 雪

(1.中国科学院光电研究院,北京 100094；2.中国科学院大学,北京 100049)



·激光器技术·

LD泵浦被动调Q皮秒Nd∶YVO4微片激光器

杨 欢1,2,余 锦1,张 尚1,2,刘 洋1,2,张 雪1,2

(1.中国科学院光电研究院,北京 100094；2.中国科学院大学,北京 100049)

报道了一种新型调Q微片激光器。首次提出了斜泵浦方案,实验中分别采用LD端面垂直泵浦和斜泵浦两种方式,结构简单紧凑。微片采用Nd∶YVO4作为工作物质,半导体可饱和吸收镜(SESAM)为调Q元件。在两种泵浦方式下,都获得了重复频率范围在千赫兹到兆赫兹的皮秒激光脉冲输出。以光纤耦合输出的808 nm LD作为泵浦源,在垂直泵浦的情况下,在420 mW 抽运功率下,获得6.40 mW的1064 nm激光输出,脉冲宽度57.8 ps,对应单脉冲能量6 nJ,x、y方向的光束质量因子分别为1.18、1.17。在斜泵浦的情况下,在550 mW抽运功率下,获得2.25 mW的1064 nm激光输出,脉冲宽度64.3 ps,对应单脉冲能量17 nJ,x、y方向的光束质量因子分别为1.29、1.32。

微片激光器； 被动调Q； Nd∶YVO4晶体；半导体可饱和吸收镜

1 引 言

随着科学技术的不断进步,超短皮秒脉冲激光越来越广泛地应用在工业、科研、医学等领域,并发挥着越来越重要的作用。在诸如激光测距、激光雷达、材料加工、精细机械加工、泵浦探针实验,光电检测、生物组织切割等多方面的应用中[1-7],皮秒激光器都扮演着关键的角色。因此,获得更可靠更简单的皮秒脉冲激光已成为当前的发展趋势。

自从皮秒激光诞生以来,锁模技术一直是产生皮秒激光脉冲的主流技术[8-11]。但是,如果不采取特殊措施,锁模激光器系统中将会存在一些不可忽视的问题,如光路校准困难、锁模过程易受外界干扰、机械稳定性不够高、重频过高等。与锁模激光器相比,被动调Q激光器则有着结构简单、稳定性好、重频可调等优势。同时,被动调Q技术不需要额外高压电源、电控设备、电光开关等装置,因此有着较高的安全性、简易性和实用性。然而,传统的被动调Q激光器只能获得纳秒量级的脉冲激光输出。考虑到被动调Q激光器输出脉冲宽度强烈依赖于谐振腔长度,为实现脉宽为数百甚至数十皮秒的激光脉冲输出,使用腔长极短的调Q微片激光器成为最简单有效的途径之一。此外,通过非线性光谱展宽技术能够将调Q微片激光脉冲压缩到几皮秒,从而达到激光加工中“冷加工”的要求。调Q微片激光器已成为产生超短皮秒脉冲的一个理想的种子源。

本文采用光纤耦合输出的808 nm LD泵浦一块厚为200 μm的Nd∶YVO4晶体微片,利用半导体可饱和吸收镜(SESAM)进行被动调Q。采用斜泵浦和垂直泵浦两种方式,分别测量了泵浦光功率与输出激光功率的关系,并用自行搭建的GHz自相关仪对两种泵浦方式下的脉宽进行了测量。实验获得了重频为千赫兹到兆赫兹的1064 nm皮秒脉冲激光。由于激光器主体为一块厚度仅为200 μm的微片,整个装置结构简单紧凑,且能得到较稳定的激光输出。

2 实验装置及实验结果

实验中采用的Nd∶YVO4微片激光器装置如图1所示(其中，装置1为半导体激光二极管(LD),2为准直系统,3为衰减片,4为双色镜(808 nm高透,1064 nm高反),5为Nd∶YVO4微片)。

图1 Nd∶YVO4微片激光器实验装置示意图

光纤耦合LD能够输出0～1.8 W的808 nm激光。经测定,在电流为1.3 A时,LD输出光谱如图2所示。由图可知,LD输出光谱中心波长为808.78nm,半高全宽(FWHM)约为0.5 nm,位于Nd∶YVO4晶体吸收峰(如图3)内。在此电流下,泵浦功率密度为220 kW/cm2,低于SESAM损伤阈值(1 GW/cm2)。考虑到泵浦源输出光谱受泵浦电流的影响较为敏感,所以实验中将泵浦电流固定为1.3A,采用在泵浦光路中添加可调节衰减片的办法来实现泵浦强度的改变。

图2 1.3A驱动电流下泵浦源输出光谱图

图3 Nd∶YVO4吸收谱线图[12]

实验所采用Nd∶YVO4微片厚度为200 μm,掺杂浓度为3.0 at.%,晶体前端为抽运端面镀808 nm高透膜,1064 nm高反膜,另一端粘合一块半导体可饱和吸收镜(SESAM),其调制深度为10%。整个微片可看成是一个长为200 μm的平平腔。

垂直泵浦的情况下(图1(a)所示),将光纤出射的泵浦光准直经过衰减片和双色镜(镀808 nm高透膜,1064 nm高反膜),通过透镜聚焦到微片上,适当调节聚焦透镜与微片的距离,以获得最大输出。为实现反射泵浦辐射与出射脉冲激光辐射的有效空间分离,项目组首次提出斜泵浦方案,如图1(b)所示,准直光通过衰减片不经过双色镜,直接聚焦到微片上。由于微片是倾斜摆放,可以直接将泵浦光与输出激光分离。图4为两种泵浦方式下的输出激光光谱,表明两种泵浦方式下实验均得到了较好的1064 nm激光输出。

(b)斜泵浦Nd∶YVO4微片激光器光谱图

图5(a)为垂直泵浦的情况下,Nd∶YVO4微片激光器在室温下激光输出功率与输入泵浦功率的关系。泵浦阈值功率约为160 mW,当泵浦功率为420 mW 时,1064 nm激光的输出功率达到6.40 mW。当抽运功率高于160 mW时,由于激光输出功率远离阈值功率,激光功率与抽运功率呈现较好的线性关系,光-光转化效率达1.52%。而在斜泵浦的情况下,Nd∶YVO4微片激光器在室温下激光输出功率与输入泵浦功率的关系如图5(b)所示。当泵浦功率小于450 mW时,激光功率变化不大,当泵浦功率大于450 mW时,激光功率突然陡峭增长,这是由于泵浦功率低于450 mW时,并未达到调Q阈值,谐振腔内仅能产生连续激光。而当泵浦功率大于调Q阈值功率时,输入输出功率近似为线性关系。当泵浦功率为550 mW时,输出激光功率为2.52 mW,光- 光转化效率达0.46%。

图5 Nd∶YVO4YVO4微片激光器输入输出特性

对比图5(a)(b)可知,斜泵浦虽然可以有效地分离泵浦光与激光,但是光-光转化效率低于垂直泵浦的情况,且泵浦阈值功率高于垂直泵浦。这显然是由于在两种泵浦方式下,泵浦光斑尺寸的差别所造成的。与垂直泵浦相比,实验中由于斜泵浦时所用聚焦透镜焦距较大,导致其泵浦光斑比较大,且投影到增益介质表面的泵浦光斑呈椭圆形,进一步增大了其面积,使其泵浦功率密度相对较小,同时泵浦光泵浦方向与激光振荡方向不一致,导致其光-光转化效率较低。

实验中,自行搭建自相关仪,以KTP为倍频晶体,通过测量倍频光绿光的变化,得到两种泵浦方式下,激光的脉冲形状如图6所示。图6(a)表明,垂直泵浦的情况下,输出激光为57.8 ps的高斯光斑。图6(b)表明,斜泵浦的情况下,输出激光为64.3 ps。

图6 Nd∶YVO4微片激光器输出自相关曲线

用刀口扫描法分别测量两种泵浦方式下输出激光的光束质量如图7。实验表明,两种泵浦方式下均得到了良好的TEM00基横模激光输出。垂直泵浦方式下获得的激光x、y方向的光束质量因子分别为1.18、1.17,表明垂直泵浦下得到的激光光斑基本为圆形,而斜泵浦方式下获得的激光x、y方向的光束质量因子分别为1.29、1.32,均比垂直泵浦情况下获得的光束质量差,这也是由斜入射的非圆对称泵浦光斑而引起的。

图7 Nd∶YVO4微片激光器输出激光光斑

图8为两种泵浦方式下的激光脉冲序列图。由图可看出两种泵浦方式下均获得了调Q脉冲序列。图9为激光重复频率随泵浦功率的变化关系,由图9(a)可看出垂直泵浦时,重复频率随泵浦功率基本呈线性变化,这也是该微片激光器最大的优势。实验中,当泵浦功率达到420 mW时,可获得平均功率为6.40 mW,重频1.06 MHz的调Q脉冲激光,对应单脉冲能量为6 nJ。

图8 Nd∶YVO4微片激光器输出激光脉冲序列波形图

图9 Nd∶YVO4微片激光器输出激光重复频率

由图9(b)可看出斜泵浦时,重复频率随泵浦功率基本呈线性变化。当泵浦功率达到550 mW时,可获得功率为获得2.52 mW,重频146.3 kHz的1064 nm激光,对应单脉冲能量为17 nJ。对比两图可以看出,斜泵浦时得到的激光重复频率普遍低于垂直泵浦得到的重复频率。这是由于斜泵浦的泵浦光斑比垂直泵浦的大,且泵浦光呈椭圆形,泵浦功率密度相对较小有效降低了重复频率,从而大大提高了单脉冲能量。这也是调Q激光器的特点之一。

3 结 论

报道了一种新型LD泵浦被动调Q皮秒脉冲Nd∶YVO4微片激光器。首次提出斜泵浦的方案。采用垂直泵浦和斜泵浦两种泵浦方式。实验分别测量了两种泵浦方式下该激光器的各项性能参数。在两种泵浦方式下,均获得了重频范围在千赫兹到兆赫兹的皮秒脉冲激光输出。在垂直泵浦的情况下,在420 mW抽运功率下,获得6.4 mW的1064 nm激光输出,脉冲宽度57.8 ps,对应单脉冲能量6 nJ,x、y方向的光束质量因子分别为1.18、1.17。在斜泵浦的情况下,在0.55 W抽运功率下,获得2.25 mW的1064 nm激光输出,脉冲宽度64.3ps,对应单脉冲能量17nJ,x、y方向的光束质量因子分别为1.29、1.32。两种泵浦方式各有优缺点,垂直泵浦激光阈值低,光-光转化效率高,光束质量好,但对应单脉冲能量不高。而斜泵浦能有效分离泵浦光与激光,由于其泵浦光斑呈椭圆形,同等条件下能增大光斑面积,从而有效降低脉冲的重复频率,使得单脉冲能量较高,另一方面,也正是由于泵浦光斑比较大,且泵浦光泵浦方向与激光震荡方向不一致,泵浦光为非圆对称光斑导致其泵浦阈值功率较高,光-光转化效率不高,光束质量也比垂直泵浦的情况差。

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Experiment of LD pumped Nd∶YVO4picosecond passively Q-switched microchip laser

YANG Huan1,2,YU Jin1,ZHANG Shang1,2,LIU Yang1,2,ZHANG Xue1,2

(1.Academy of Opto-Electronics,Chinese Academy of Science,Beijing 100094,China；2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

A passively Q-switched picosecond microchip laser is reported,which adopted a simple and compact end-pumped structure.With a thin Nd∶YVO4crystal as the gain material and a semiconductor saturable absorber mirror (SESAM) as the passive Q-switch,the microchip laser is able to operate in both normal- incidence and oblique-incidence schemes and obtains picosecond pulsed laser outputs with the repetition rate ranging from several hundred kilohertz (kHz) to megahertz (MHz).The laser performance is measured with a fiber-coupled 808 nm laser diode as the pump source.At a normal-incidence,pump power of 420 mW,the average output power of the 1064 nm laser is 6.40 mW,and the pulse width is 57.8 ps,corresponding to a single pulse energy of 6 nJ,and the beam-quality parameters in thexandydirections are 1.18 and 1.17,respectively.At an oblique-incidence,pump power of 550 mW,the average output power of the 1064 nm laser is 2.25 mW,and the pulse width is 64.3 ps,corresponding to a single pulse energy of 17 nJ,and the beam-quality parameters in thexandydirections are 1.29 and 1.32,respectively.

microchip laser;passively Q-switch;Nd∶YVO4crystal;SESAM

1001-5078(2015)11-1325-06

杨 欢(1989-)，女，硕士研究生，主要从事激光技术方面研究。E-mail：rainy8975@163.com

2015-03-10;

2015-04-08

TN245

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.11.008