1 引言

946 nm Nd∶YAG激光器在许多方面具有重要应用,例如:可通过倍频获得473 nm蓝光激光,用于激光显示;作为掺镱材料的抽运源;进行水蒸气的吸收测量等^[1-2]。然而,与传统1064 nm Nd∶YAG激光器相比,在946 nm处实现激光运转相对比较难,主要原因是946 nm Nd∶YAG激光是准三能级系统,激光下能级处于基态⁴F_9/2 Stark精细能级857 cm^-1的分裂能级上,在常温下会有一定的粒子数集居,会导致激光运转过程中相对较严重的再吸收损耗。此外,其受激发射截面σ约为 4×10^-20 cm²,比1064 nm Nd∶YAG激光器低将近一个数量级^[3-4]。随着高功率半导体激光器的广泛应用,采用激光二极管(LD)纵向抽运时,光斑半径很小,有利于提高抽运光的功率密度,从而可以克服准三能级系统阈值高的缺点,使946 nm准三能级系统激光器得以实现^[5]。然而,激光运转过程中比较严重的热效应成为限制其输出的重要因素,且温度对准三能级系统激光运转的影响很大。由玻尔兹曼分布定律可知,在Nd³⁺准三能级运转的跃迁下,能级的热粒子数随温度降低而减少,因此降低温度有利于实现粒子数反转,降低激光阈值。

目前,改善晶体热效应的方法主要有两种:一是在散热端采取相应措施,如采用水冷的方式来改善晶体的热积累,或通过键合晶体的方式^[6]来改善由热效应带来的热透镜问题等;二是在产热端采取相应措施,即降低激光运转过程中的量子亏损,如采用885 nm低量子亏损直接抽运方式抽运Nd离子激光器,以有效解决激光器的热效应问题^[7-9],尤其是在高功率时其效果更加明显。对于准三能级系统,以水冷的方式来改善晶体温度的效果有限,无法达到更低的冷却温度。采用更低温度的液氮或液氦的低温冷却系统已被证明可以有效提高准三能级的输出性能和改善激光光束的质量。在以Yb离子为代表的准三能级系统中,研究人员对其低温下的输出性能进行了大量报道^[10-12],而对Nd离子准三能级低温运转方面的研究较少^[13-14]。另外,直接抽运技术在激光器热效应方面的优势已经得到普遍认可,采用量子亏损较小的直接抽运方式能从根本上降低激光运转过程中多余的热量,提高激光效率。在本文中,本课题组结合两种方法的优势,首次采用885 nm直接抽运的方式,在液氮低温冷却系统下对Nd∶YAG准三能级的激光运转进行了实验,研究了不同低温下946 nm激光的输出性能。

2 低温激光运转分析

图1给出了Nd∶YAG能级结构图。由图1可以看出,946 nm谱线是⁴F_3/2的R₁子能级向⁴I_9/2的Z₅子能级跃迁的结果。激光的下能级Z₅(857 cm^-1)处于基态的分裂能级的最高精细能级,因此激光下能级会有一定的粒子数占据。根据玻尔兹曼分布,该能级的粒子数满足:

图 1. Nd∶YAG能级结构图

Fig. 1. Nd∶YAG level structure

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N1=exp[-E5/(kT)]∑i=15exp[-Ei/(kT)]NL=f1NL,(1)

式中:E_i为⁴I_9/2能级Z₁、Z₂、Z₃、Z₄、Z₅精细能级的能量;N_L为⁴I_9/2基态总粒子数;k为玻尔兹曼常数;T为温度;f₁为Z₁能级上的粒子数占基态能级粒子总数的比例;N_L为基态⁴I_9/2能级总粒子数。同样,在激光的上能级结构中有R₁、R₂两个能级,R₁能级上的粒子数占上能级粒子数总数的比例为f₂;同理,R₁激光上能级粒子数N₂=f₂N_R,N_R为⁴F_3/2能级总粒子数,其中

f2=11+exp[-ΔE/(kT)],(2)

式中:ΔE为⁴F_3/2能级上R₁与R₂两能级的能量差。由(1)式和(2)式可知,f₁、f₂分别为上下激光能级粒子数占其所在能级总粒子数的百分比,是温度的函数。准三能级速率方程中激光上下能级粒子数的分布对其激光运转有很大影响,因此将f₁、f₂作为温度的函数引入速率方程中,根据稳态时的速率方程可求得激光阈值的表达式^[15]:

Pth=πhνp(ωL2+ωP2)(L+αT+2N10σl)4στff[1-exp(-αl)],(3)

式中:ω_L和ω_P分别为激光和抽运光光斑的大小,分别取600 μm 和800 μm;L为腔内除透射损耗以外完成一次循环的总损耗,取0.5%;α_T为透射损耗,α_T=-ln(1-T_{946 nm}),其中T_{946 nm}为输出腔镜在946 nm处的透射率; N10为抽运光为零时激光下能级的粒子数密度, N10=f₁N_L;l为激光晶体的长度,取3 mm;σ为946 nm受激发射截面,取4×10^-20 cm²;τ_f为增益介质上能级荧光寿命,取230 μs;f=f₁+f₂;α为激光晶体的吸收系数,取0.8 cm^-1。由增益G=Nσ=(N₂-N₁)σ可得小信号增益为^[16]

G0=στffWp-N10σ。(4)

阈值P_th和小信号增益G₀表达式中的f、 N10都是与温度有关的量,符合玻尔兹曼分布,是关于温度T的函数。因此,本课题组研究了小信号增益和阈值功率随温度的变化规律,结果如图2所示。由图2可知,随着温度降低,小信号增益明显上升,激光阈值显著降低,降低温度对准三能级激光效率有很大提升。因此,使用液氮或液氦的冷却方式对激光晶体进行冷却,可以有效提高激光的效率。

图 2. 低温下激光阈值和增益随温度的变化

Fig. 2. Variation of laser threshold or gain with temperature at low temperature

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3 实验装置

低温946 nm Nd∶YAG激光实验装置如图3所示,由抽运源、抽运光耦合系统、激光晶体、低温系统装置和谐振腔组成。抽运源是光纤耦合输出的准连续885 nm LD抽运,输出光纤芯径为400 μm,数值孔径为0.22;抽运光经1∶2透镜耦合系统准直会聚进Nd∶YAG激光晶体内。激光晶体是一个总长为9 mm的键合Nd∶YAG棒,中间是长为3 mm、掺杂浓度为1%(原子数分数)的Nd∶YAG,两端是长为3 mm、未掺杂的YAG晶体。晶体的两端面镀有885 nm和946 nm的高透膜。晶体用铟箔包裹后安装在导热性能良好的铜热沉上,铜热沉处于低温装置的真空室中,真空室两端各有一个对抽运光和激光高透(T_{946 nm}=99.5%)的通光窗口,真空室通过气泵抽空气,防止晶体表面在低温下起雾,铜热沉通过液氮和电热丝共同调节和稳定温度。谐振腔为平行平面腔,腔长约为100 mm;两平平腔镜M₁和M₂位于真空室的外侧,相比于将腔镜以镀膜形式直接镀在晶体端面上,此方式可以很方便地调节腔镜,并且可以防止低温下有可能造成的腔失调。输入镜M₁镀有885 nm和1064 nm的增透膜和946 nm的高反膜,增透膜的透射率均大于98%,对抽运光和1064 nm光均高透,同时可以起到抑制1064 nm光起振的作用;M₂为耦合输出镜,透过率T_{946 nm}=3%。激光输出后,用镀有885 nm高透膜和946 nm高反膜的双色镜M₃分离残余的885 nm抽运光,反射946 nm激光,使用功率计测量946 nm激光的输出功率。

图 3. 低温下Nd∶YAG晶体946 nm激光输出装置图

Fig. 3. Experimental setup for cryogenic Nd∶YAG 946 nm laser system

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4 结果与讨论

泵源885 nm LD抽运参数如下:重复频率为50 Hz,脉冲宽度为200 μs。首先,本课题组测量了吸收抽运功率为750 mW时,不同晶体温度下激光的平均输出功率,如图4(a)所示。由图4(a)可知:随着温度降低,激光输出功率先逐渐升高,在220~210 K时达到最大;之后随着温度降低,输出功率开始降低,当温度小于180 K时,946 nm激光不再谐振输出。由图4(b)可知:当温度为280 K时,晶体对抽运光的吸收效率η_s=19.27%;当温度为250 K时,吸收效率为19.15%;当温度为210 K时,吸收效率为18.79%;随着温度降低,最大平均输出功率由280 K时的55 mW增大到210 K时的165 mW,增加了将近三倍;斜效率由280 K时的21%增加到210 K时的36%,增加了70%以上,而且未出现饱和现象。可见,降低温度可以显著提升准三能级激光系统的运转效果。增加抽运功率,还可进一步提高激光的输出功率。

图 4. (a)吸收功率为750 mW时,不同晶体温度下946 nm激光的输出功率;(b)不同晶体温度下,946 nm激光输出功率随吸收抽运功率的变化

Fig. 4. (a) Output power of 946 nm laser at different crystal temperatures when absorbed pumping power is 750 mW; (b) variations of output power of 946 nm laser with absorbed pumping power at different crystal temperatures

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图5(a)给出了抽运光和激光的脉冲列,图5(b)、(c)分别是280 K和210 K下抽运光和激光的单脉冲波形。可以看出:在280 K下,激光弛豫振荡起振时间约为140 μs,在210 K下,起振时间约为80 μs;随着温度逐渐降低,激光脉冲的起振时间明显提前,晶体内小信号增益变强,更容易实现激光振荡积累,与前期理论计算相吻合,说明低温下更容易实现激光运转。

图 5. (a)抽运光和激光的脉冲列;(b) 280 K下抽运光和激光的单脉冲波形;(c) 210 K下抽运光和激光的单脉冲波形

Fig. 5. (a) Pulse trains of LD pumping and laser; (b) single pulse profile of LD pumping and laser at 280 K;(c) single pulse profile of LD pumping and laser at 210 K

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实验中使用激光光束分析仪(Spiricon,M2-200s)测量了210 K下平均输出功率为165 mW时的946 nm激光光束的质量,结果如图6所示。通过测量可知,在x方向上的光束质量 Mx2=1.5,在y方向上的光束质量 My2=1.6。激光光斑形状和激光光强三维分布如图6中的插图所示。可见,946 nm激光在低温下具有非常高的光束质量。

由图7可以看出:当温度高于190 K时,只有946 nm波长的激光输出,如图7(a)所示;当温度在180~190 K之间时,激光中存在946 nm和

图 6. 低温下946 nm激光光束质量

Fig. 6. 946 nm laser beam quality at low temperature

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图 7. 不同晶体温度下的激光光谱。 (a)高于190 K;(b) 190~180 K;(c)低于180 K

Fig. 7. Spectra of laser at different crystal temperatures. (a) Higher than 190 K; (b) in the range of 190-180 K; (c) below 180 K

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1061 nm双波长输出,如图7(b)所示;当温度低于180 K时,946 nm激光消失,只有1061 nm激光输出。

与280 K相比,在180 K下晶体对抽运光的吸收效率仅有略微减小,且激光中存在1061 nm激光,原因如下:根据图1 所示的Nd∶YAG能级结构图,1060 nm波段激光为四能级激光系统,发射截面大,且1061 nm激光的上能级处在⁴F_3/2能级精细分裂能级的R₁能级上,所以当温度降低时,激光上能级R₁上会有更多的粒子数集居,使得1061 nm激光跃迁增益变强。由于对1060 nm波段激光的抑制不够,只有输入镜M₁镀有1060 nm波段的增透膜,输出耦合镜未对1060 nm波段进行抑制,从而造成当温度下降到210 K时,腔内1061 nm激光起振,并与946 nm激光形成竞争,使946 nm激光的功率逐渐下降,当温度低于180 K时946 nm激光消失。

5 结论

本课题组首次在不同晶体温度下研究了采用885 nm LD直接抽运Nd∶YAG准三能级激光的输出特性。结果显示,在210 K的低温和820 mW的吸收功率下,Nd∶YAG晶体946 nm激光输出可达165 mW,斜效率为36%,相比于常温下其斜效率提高了71%。通过增加LD抽运功率可以获得更高的激光输出功率。观察并分析了低温下1061 nm增益增强的现象,当温度低于190 K时,1061 nm激光增益显著提高,与946 nm激光形成竞争,导致946 nm激光输出降低,这些结果为今后进一步研究低温晶体条件下直接抽运的高效率946 nm激光的性能提供了参考。