1 引言

处于大气传输窗口3~5 μm波段的激光源在激光雷达、遥感、环境保护、医疗、通信和工业控制等民用领域具有广阔的应用前景。在**领域,目标定位、红外对抗等对该波段激光源的应用也不断增长^[1-3]。目前,可实现该波段激光输出的技术主要有半导体量子级联激光器和复杂的非线性光学变换技术(包括光学参量振荡(OPO)和差频(DFG)技术)^[4-5]。这些技术由于内在缺陷,使得相应的激光器存在可靠性差、结构复杂、造价昂贵等缺点,且有些关键技术指标(如输出激光能量、波长调谐范围等)无法满足实际应用的需求。1996年美国Lawrence Livermore实验室的DeLoach等^[6]首次提出并论证了过渡金属离子掺杂Ⅱ—Ⅵ族化合物作为增益介质在中红外激光领域的优势和潜力。随后,以Cr²⁺∶ZnS、Cr²⁺∶ZnSe晶体等作为增益介质的各类激光器被相继报道。与Cr²⁺类似,Fe²⁺掺杂Ⅱ—Ⅵ族化合物晶体具有发射截面大、吸收带较宽的优点,同时基质晶体ZnSe在红外波段的透过光谱宽,具有良好的导热性能。Fe²⁺∶ZnSe吸收截面峰值0.97×10^-18 cm²位于3 μm附近,发射截面峰值1.4×10^-18 cm²位于4.3 μm附近。Adams等^[7]在低温下实现了Fe²⁺∶ZnSe脉冲激光输出,130 K温度时的最高输出能量为12 μJ,波长调谐范围为3.98~4.54 μm。Fe²⁺∶ZnSe激光器作为一种通过直接抽运来获得高效激光输出的新型中红外固体激光器受到广泛关注^[8-10]。

在相当长的一段时间内,由于缺乏合适的窄脉宽抽运源,Fe²⁺∶ZnSe激光的研究仅限于低温条件下,直到2005年,Kernal等才实现了室温条件下的脉冲Fe²⁺∶ZnSe激光输出^[11]。原因是Fe²⁺∶ZnSe晶体存在强烈的多声子猝灭效应,Fe²⁺的荧光寿命随温度升高迅速下降,低温时仅为数十μs,常温时为370 ns^[12]。在低温下运转Fe²⁺∶ZnSe激光器,冷却装置会极大地增加系统的复杂性,给应用带来了很多不便。在室温下若要形成高能量高效率的Fe²⁺∶ZnSe激光输出,则需要抽运源的脉宽足够窄。目前报道的3 μm波段的窄脉宽抽运源主要为各类调Q固体激光器,该类激光器的最大输出能量为137 mJ^[13],采用此类抽运源的Fe²⁺∶ZnSe激光器输出最大脉冲能量仅为6 mJ^[14]。因此,为了获取高能高效的Fe²⁺∶ZnSe激光输出,必须寻求更高能量的3 μm波段窄脉冲激光抽运源。放电引发的非链式脉冲HF激光脉冲能量可达数焦耳,甚至百焦耳量级,远高于晶体的损伤阈值^[15-16],脉宽为100~300 ns,波长为2.6~3.1 μm,正好处于Fe²⁺∶ZnSe晶体吸收带的中部,重复频率运转可实现高平均功率的激光输出^[17],是室温高能Fe²⁺∶ZnSe激光器的理想抽运源。2014年,Firsov等^[18]在室温条件下利用非链式HF激光抽运源实现了单脉冲能量为192 mJ的Fe²⁺∶ZnSe激光输出,斜率效率为29%。2017年,Velikanov等^[19]在室温条件下利用HF激光抽运源实现了单脉冲能量为1.67 J的Fe²⁺∶ZnSe激光输出,斜率效率为43%,在20 Hz重复频率运转时实现了平均功率为20 W的 Fe²⁺∶ZnSe激光输出。目前,国内关于Fe²⁺∶ZnSe中红外激光技术的研究还处于起步阶段。2015年,姚宝权等^[20]采用脉冲重复频率为1 kHz的ZnGeP₂光学参量振荡器抽运2 mm Fe²⁺∶ZnSe晶体,获得了平均功率为53 mW的激光输出,效率为4.8%。2015年,柯常军等^[21]采用放电引发的非链式HF激光器作为抽运源,在室温下获得了15 mJ的Fe²⁺∶ZnSe激光输出,斜率效率为15%。

本文对Fe²⁺∶ZnSe晶体的吸收特性进行了研究,利用自制放电引发的非链式脉冲HF激光抽运Fe²⁺掺杂浓度为4×10¹⁸ cm^-3、尺寸为10 mm×10 mm×5 mm的Fe²⁺∶ZnSe 晶体,在室温下获得了65 mJ的高能Fe²⁺∶ZnSe中红外激光输出。光光转换效率为31%,输出激光能量相对于晶体吸收抽运光能量的斜率效率可达37%。

2 Fe2+∶ZnSe激光器实验装置

图 1. Fe2+∶ZnSe激光器的实验装置图

Fig. 1. Experimental setup of Fe2+∶ZnSe laser

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Fe²⁺∶ZnSe激光器实验装置如图1所示。抽运源为自制放电引发的非链式脉冲HF激光器,激光介质总气压为8.8 kPa(SF₆与C₂H₆的体积比为10∶1),脉冲能量随充电电压的改变在10~350 mJ范围内可调。典型的激光脉冲波形如图2所示。激光脉冲波形带有陡峭的上升沿,脉冲宽度为300 ns,小于室温下Fe²⁺的上能级寿命。HF激光经限孔光阑后,由透镜聚焦到Fe²⁺∶ZnSe晶体表面中心。透镜的焦距为25 cm,晶体距透镜21 cm。由于Fe²⁺∶ZnSe激光器的抽运光和输出激光均位于中红外波段,双色镜的镀膜难度较大,因此实验采用斜入射的抽运方式,抽运光与谐振腔轴线的夹角为3°。Fe²⁺∶ZnSe激光谐振腔采用平凹腔结构,其中反射镜M1是曲率半径为50 cm的凹面铜镜,在4 μm处的反射率为99%,输出镜M2为平面锗镜。晶体工作面垂直于谐振腔光轴放置,工作面中心位于光轴上,M1与晶体表面之间的腔长为13 cm,M2与晶体表面的距离为18 cm。该腔为稳定腔,对激光的损耗较小。

图 2. 典型的HF激光脉冲波形

Fig. 2. Typical HF laser pulses oscillogram

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实验中,增益介质采用Fe²⁺掺杂浓度为4×10¹⁸ cm^-3的Fe²⁺∶ZnSe晶体。Fe²⁺∶ZnSe晶体的尺寸为10 mm×10 mm×5 mm,晶体表面未镀膜,两工作表面的平行度为20″。采用傅里叶红外光谱仪测量晶体在2.5~5.0 μm波段的透过率,结果如图3所示。Fe²⁺∶ZnSe晶体对2.6~3.1 μm光的透过率较小,实验中采用的抽运源可对该晶体实现高效抽运。

图 3. Fe2+∶ZnSe晶体的透过率曲线

Fig. 3. Transmittance of Fe2+∶ZnSe crystal

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3 实验结果与分析

实验在室温下进行。抽运能量、未被晶体吸收的抽运能量及输出激光能量分别采用Gentec公司的ED-500LIR能量计测得。计算抽运能量和未被晶体吸收的抽运能量的差值即可得到被晶体吸收的抽运能量。吸收率为晶体吸收抽运能量与入射抽运能量的比值。Fe²⁺∶ZnSe晶体的吸收率与Fe²⁺上能级寿命、晶体吸收截面和入射抽运光强度等因素有关^[22]。当抽运能量由50 mJ增大到364 mJ时, 晶体对抽运光的吸收能量由41 mJ增大到210 mJ。室温下,晶体对抽运光吸收率及晶体对抽运光的吸收能量随抽运能量的变化如图4所示。随着抽运能量增大,抽运光能量密度增大,晶体对抽运光的吸收率减小。由图4可知,晶体吸收抽运光未达到饱和。

图 4. 吸收率及Fe2+∶ZnSe晶体吸收抽运能量随抽运能量的变化

Fig. 4. Variations of absorptivity or pump energy absorbed by Fe2+∶ZnSe crystal with pump energy

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Fe²⁺∶ZnSe 激光输出能量随晶体吸收抽运能量的变化如图5所示。当吸收抽运能量为210 mJ时,Fe²⁺∶ZnSe激光器的单脉冲最大输出能量为65 mJ,光光转换效率为31%。输出激光能量相对于晶体吸收抽运能量的斜率效率为37%。

图 5. 输出激光能量随Fe2+∶ZnSe晶体吸收抽运能量的变化

Fig. 5. Variation of output energy with pump energy absorbed by Fe2+∶ZnSe crystal

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Fe²⁺∶ZnSe激光脉冲波形由VIGO公司PVM红外探测器(时间常数不大于1.5 ns)接收,由示波器(DSO-X3034A型,350 MHz)记录,如图6所示。当晶体吸收抽运能量为41 mJ时,输出激光脉宽为30 ns,输出激光脉宽随着晶体吸收抽运能量的增大而逐渐增大。激光脉冲波形存在准稳态平台,平台的宽度和高度与激光脉冲能量有关。平台的宽度和高度随抽运能量的增大而增大,且平台中尖峰的数量和调制深度与抽运能量有关。出现该现象的可能原因是弛豫振荡效应。当抽运能量增大时,反转粒子数快速达到阈值,输出激光,随后由于弛豫振荡,形成一系列尖峰,且抽运能量越大,尖峰形成得越快。Fe²⁺∶ZnSe激光的近场二维光强分布如图7所

图 6. Fe2+∶ZnSe激光脉冲波形。(a)吸收抽运光能量41 mJ;(b)吸收抽运光能量172 mJ

Fig. 6. Fe2+∶ ZnSe laser pulse oscillograms. (a) Absorbed pump energy of 41 mJ; (b) absorbed pump energy of 172 mJ

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示,呈近似高斯分布,光束横向尺寸小于纵向尺寸,这主要是由抽运光在两个方向上的发散角不同引起的。Fe²⁺∶ZnSe激光的光谱图如图8所示,谱线的峰值位于4280 nm,线宽(FWHM)为105 nm。

图 7. Fe2+∶ZnSe激光二维强度分布

Fig. 7. 2D intensity distribution pattern of Fe2+∶ZnSe laser

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图 8. Fe2+∶ZnSe激光光谱

Fig. 8. Spectrum of Fe2+∶ZnSe laser

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4 结论

采用自制的非链式脉冲HF激光器抽运Fe²⁺∶ZnSe晶体。在室温下,对Fe²⁺∶ZnSe激光器进行研究后发现:Fe²⁺∶ZnSe晶体对抽运光的吸收率随抽运能量的增大而减小,激光脉宽随抽运能量的增大而线性增大,实现了单脉冲能量为65 mJ的激光输出;光光转换效率为31%,输出激光能量相对于晶体吸收抽运能量的斜率效率可达37%。