刘倩慧，安珍妮，张倩倩，李健

(山东师范大学物理与电子科学学院，山东省光学与光子器件技术重点实验室，山东 济南250014)

基于Nd:YAG/V:YAG键合晶体的1 338 nm微片激光器研究

刘倩慧，安珍妮，张倩倩，李健*

(山东师范大学物理与电子科学学院，山东省光学与光子器件技术重点实验室，山东 济南250014)

基于Nd:YAG/V:YAG键合晶体，在连续和准连续LD端面泵浦条件下，研究了输出波长1 338 nm的被动调Q微片激光器的输出特性。在连续泵浦条件下，最大的输出功率为0.73 W，此时得到稳定的调Q脉冲输出，脉冲宽度为139 ns。在准连续泵浦下，获得了被动锁模调Q激光输出，输出的最大功率为1.01 W，对应的脉冲宽度为80 ns，其中的锁模系列单脉冲宽度约为70 ps。实验结果表明，Nd:YAG/V:YAG键合晶体有利于获得高功率紧凑的1 338 nm脉冲激光输出，同时准连续泵浦能有效地降低激光晶体的热效应从而获得更高功率的激光输出。

Nd:YAG/V:YAG；键合晶体；微片激光器

随着激光技术的不断发展进步，微片激光器越来越多地应用于科研、工业、医学等领域[1-3]。微片激光器具有结构简单、体积小、重量轻、光学系统集成化、可以实现高效率运转等优点[1-6]，容易获得短脉冲高峰值激光输出, 且由于采用端面抽运的方式, 激光的输出光束质量好、稳定性好、效率高[4-8]。在精细加工、超快物理过程测量、激光测距、光电检测等方面都扮演着关键的角色，成为近年来激光研究领域的热点[1-8]。

1.3 μm激光处于大气透过窗口,光纤低损耗接近零色散区域,因而受到研究者的重视[1-3,6-11]。钇铝石榴石晶体(Nd:YAG)具有良好的光学、热学和机械性能，且成本较低，易于获得较大尺寸的晶体，成为目前使用最广泛的晶体之一。基于Nd:YAG晶体，不同的研究小组分别研究了1.3 μm激光的输出特性，如双波长激光器、大功率侧面泵浦激光器、倍频激光器及被动调Q激光器等。另外，基于Nd:YAG/V:YAG键合晶体的1.3 μm微片激光器也有相应的报道[6-8]。

本文基于Nd:YAG/V:YAG键合晶体，研究了在不同泵浦条件下被动锁模调Q激光的输出特性。

1 实验装置

泵浦源是光纤耦合输出的LD激光器，输出功率最大为80 W，中心波长为808 nm，其数值孔径NA=0.22，芯径为400 μm。实验中选取Nd:YAG/V:YAG键合的晶体做为激光晶体,其端面为3 mm×3 mm, Nd:YAG的长度为2 mm,掺杂质量分数为1.2 %,作为激光增益介质；V:YAG的长度为0.159 mm，在1 338 nm处的透过率为95%，实验中做为被动调Q晶体。晶体前端面均镀对808 nm激光的增透膜和1 300～1 600 nm激光的高反膜(R>99.9 %)，直接做为激光输入镜。晶体后端面均镀对808 nm激光的增透膜和1300～1600 nm激光的半反膜(R=97%)，直接做为激光输出镜。所有晶体都由恒温20 °C的循环水冷却，输出功率由功率计测量。脉冲波形由快速P-I-N管接收，并在Tektronix数字示波器上显示。光谱仪记录光谱信息,最高分辨率为0.05 nm。详见图1。

图1 微片激光器的实验光路图Fig.1 Experimental setup of the microchip laser

2 实验结果分析

2.1 连续泵浦1 338 nm激光研究

实验中，首先研究了连续光泵浦下激光器的输出特性，图2中给出了泵浦功率和输出功率的关系曲线。该微片激光的阈值功率为1 W，当泵浦功率为9.8 W时得到的最大输出功率为0.73 W，对应的光光转换效率为7.46 %，斜效率为8.3 %。

光光转换效率与泵浦功率的关系如图3所示。最大的光-光转换效率为9.17%，此时的泵浦功率为4.6 W。当泵浦功率大于4.6 W时，光-光转换效率下降，此时激光输出功率接近于饱和状态，激光功率饱和的主要原因是受晶体内热效应的影响。

另外，在泵浦功率为9.8 W时，我们研究了激光器输出光谱特性。图4给出了激光输出波长信息，很明显激光输出波长为1 338 nm。实验中并没有观察到其他波长跃迁的出现。

图2 不同泵浦条件下输出功率与泵浦功率的关系Fig.2 The relationships between the output power and the pump powers under different pump mode

图3 不同泵浦条件下光-光转换效率和泵浦功率的关系Fig.3 The relationships between the optical-to-optical conversion efficiency and the pump powers under different pump modes

图4 激光器的输出光谱图Fig.4 The output spectrum of the laser

图5 连续泵浦条件下激光的脉冲宽度和重复频率与泵浦功率的关系 Fig.5 The pulse width and pulse repetition rate versus the pump power under cw pump

图6 连续泵浦条件下激光器的输出脉冲序列和单脉冲宽度Fig.6 The output pulse train and the single pulse width under cw pump

实验中，我们还研究了不同泵浦功率下激光输出脉冲的宽度和重复频率的变化情况，如图5所示。随着泵浦功率的增加，激光的脉冲宽度有明显减小的趋势；相反，脉冲的重复频率有增加的趋势。但泵浦功率从1 W增加到9.8 W时，激光的脉冲宽度从451 ns减小到139 ns，而激光的重复频率从86 kHz增加到215 kHz。在泵浦功率为9.8 W时，激光的输出单脉冲能量为3.39 μJ。

图6a和6b分别给出了实验中泵浦功率为9.8 W时典型的脉冲序列图和单脉冲图，图中脉冲的重复频率为215 kHz，单脉冲宽度为139 ns。

2.2 准连续泵浦1 338 nm激光研究

实验中将泵浦源调整为脉冲重复频率1 kHz，单脉冲宽度0.2 ms模式(即泵浦光为1∶5模式)，此时激光输出0.2 ms然后停0.8 ms，给激光器足够的时间散热，能有效地提高泵浦光的吸收效率，降低晶体内热效应的影响，从而得到更高的激光输出功率。实验中首先研究了激光输出功率和泵浦功率的关系，两者之间的关系曲线同样在图2中表示。如图2所示，激光的输出功率最大为1.01 W，与连续泵浦相比，此时的输出功率有明显地提高，且激光饱和时的阈值也明显地提高，实验结果也同样表明了脉冲泵浦能有效地降低激光晶体内热效应的影响而得到更高的输出功率。在图3中给出了脉冲泵浦下光光转换效率的变化趋势，实验中光光转换效率达到饱和的功率明显变大。当泵浦功率大于9.6 W时，实验中观察到了锁模调Q现象，图7a给出了此时的脉冲序列，可以看到实验中得到了稳定的脉冲序列，图7b给出了锁模调Q单脉冲的波形图。整个脉冲的宽度大约为80 ns，而序列中单脉冲的宽度大约为70 ps。

图7 准连续泵浦条件下脉冲序列和锁模调Q脉冲Fig.7 A typical pulse train and the mode-locked Q-switched pulse under quasi-cw pump

3 结论

本文基于Nd:YAG/V:YAG键合晶体，研究了连续和准连续LD端面泵浦条件下，输出波长1 338 nm的被动调Q微片激光器的输出特性。在连续泵浦条件下，得到稳定的调Q脉冲输出，最大的输出功率为0.73 W，脉冲宽度为139 ns。在准连续泵浦下，被动锁模调Q激光输出的最大功率为1.01 W，对应的脉冲宽度为80 ns，其中的锁模系列单脉冲宽度约为70 ps。实验结果表明，Nd:YAG/V:YAG键合晶体有利于获得高功率紧凑的1 338 nm脉冲激光输出，同时，准连续泵浦能有效地降低激光晶体的热效应从而获得更高功率的激光输出。实验结果充分证明了键合晶体和脉冲泵浦技术在获得大功率脉冲激光方面的优点。

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Research on Nd:YAG/V:YAG bonded crystal based microchip laser operating at 1 338 nm

LIU Qian-hui, AN Zhen-ni, ZHANG Qian-qian, LI Jian*

(Shandong Provincial Key Laboratory of Optics and Photonic Device，School of Physics and Electronics， Shandong Normal University, Jinan 250014, China)

∶In this paper, based on Nd:YAG/V:YAG bonded crystal, the output characteristics of an passively Q-switched microchip laser operating at 1 338 nm was demonstrated under cw and quasi-cw LD end-pumping. In the cw pumping region, stable Q-switched pulse was obtained with the maximum output power of 0.73 W and a pulse width of 139 ns. Under the quasi-cw pumping region, the phenomenon of passive mode-lock Q-switched was achieved, the maximum output power was 1.01 W and the pulse width was about 80 ns. Among them there was mode-locked pulse train in the Q-switched pulse with single pulse width of 70 ps. The experiment results show that Nd:YAG/V:YAG bonded crystal have the advantages in obtaining 1 338 nm compact pulse laser with high output power and quasi-cw pumping mode can greatly decrease the thermal effects and ensure high laser output power.

∶Nd:YAG/V:YAG；bonded crystal；microchip laser

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.02.018

2016-09-09

国家自然科学基金(61205174)

刘倩慧(1991—)，女，硕士研究生，研究方向为全固态激光器。

*通信作者，李健(1963—)，男，教授，研究方向为全固态激光器件与非线性光学。E-mail：lijian@sdnu.edu.cn

TN248.1

A

1002-4026(2017)02-0121-05