1 引言

双波长锁模激光器在差频产生相干太赫兹光方面具有广阔的应用前景,在光通信、激光雷达、温度传感等方面也有潜在应用前景^[1-4]。相较于1 μm波段的激光器,2 μm激光的频率更接近太赫兹频率,所以波长较长的2 μm双波长激光器在产生相干太赫兹辐射方面具有更高的转换效率。2 μm双波长连续光^[5]和调Q激光^[6]均已有广泛报道。

太赫兹相干光抽运源要想获得更短的脉冲和更高的峰值功率时,选择2 μm双波长锁模激光器就是一个重要的获取途径。近年来,产生2 μm波段超短脉冲的一个热门研究方向,通过在激光腔内引入可饱和吸收材料作为锁模启动元件获得超短脉冲输出。已有多种材料如半导体可饱和吸收镜(SESAM)、石墨烯(Graphene)、过渡金属二卤化物(TMD)、碳纳米管(CNT)等均被证实可以作为锁模启动元件实现激光器的被动锁模。SESAM的使用相对较广,但其制造工艺相对复杂,造价昂贵^[7-8]。目前,虽然多种二维材料可以实现1~2 μm波段的激光器锁模运转^[9-14],但存在2 μm波段的吸收效率较低,对2 μm光的调制能力受限以及制作困难等问题,因此寻找新的可饱和吸收材料非常有必要。

近年来,具有独特性质的新型纳米材料作为激光锁模元件获得了许多喜人的成果,在这些材料中双壁碳纳米管(DWCNT)以其低成本、易制备、化学性能稳定和宽带吸收等优点,受到广泛关注。目前,已有一些基于单壁碳纳米管的2 μm超快固体激光研究^[15-17],如Liu等^[15]在Tm∶YAP激光器中实现了最高功率为762 mW的单壁碳纳米管调Q锁模输出。但DWCNT在2 μm固体激光器锁模的研究鲜有报道,其中2012年Qu等^[18]在Tm∶YAP激光器中通过DWCNT实现了调Q锁模运转,最大锁模输出功率为375 mW;2018年,本研究组在Tm,Ho∶LLF激光器中将DWCNT作为锁模启动元件,获得了最大输出功率为234 mW的低阈值调Q锁模运转^[19]。

提拉法生长的晶体Lu₃Al₅O₁₂(LuAG)是一种具有优良化学辐射稳定性、抗冲击性以及良好热传递性能的激光增益介质基质材料。对于Tm³⁺掺杂晶体,通常需要较高的掺杂浓度以确保相邻离子间有效的交叉弛豫过程,但高掺杂浓度势必导致晶体的热导率降低,由于Tm³⁺和Y³⁺离子之间存在显著的分子质量差异,因此热导率随掺杂浓度的增大而降低的现象在常见的Y₃Al₅O₁₂(YAG)晶体中尤为明显。利用Lu³⁺取代YAG晶体中的Y³⁺离子可获得一种石榴石晶体LuAG,由于Tm³⁺和Lu³⁺的离子半径和质量均相似,可在高掺杂浓度下有效抑制热导率降低,因此LuAG拥有较高的导热系数^[20],有利于Tm∶LuAG在较高功率下运转。自2009年Tm∶LuAG 在室温下实现连续光运转以来^[21],围绕该晶体相继产生了一些成果:2012年,Chen等^[22]通过声光开关实现了Tm∶LuAG晶体50 Hz的调Q运转,脉冲宽度为293 ns;2015年,Feng等^[23]使用单壁碳纳米管实现了Tm∶LuAG晶体405 ns脉冲宽度的调Q运转,之后该研究组通过SESAM实现了Tm∶LuAG晶体38 ps的连续锁模运转^[24]。综上所述,如何使用Tm∶LuAG晶体实现更稳定且高效易得的锁模激光仍有待进一步研究。

本文基于传统的X型腔,抽运源为787 nm输出波长的可调谐掺钛蓝宝石激光器,采用DWCNT作为锁模启动元件,在Tm∶LuAG晶体中实现了稳定的输出光波长分别为2017 nm和2029 nm的双波长被动调Q锁模运转,采用透过率为3%的输出耦合镜,获得了最大功率为1280 mW的锁模输出,锁模脉冲重复频率为102 MHz,单脉冲能量为12.55 nJ,调制深度>90%。

2 实验装置

图1所示为实验采用的Tm∶LuAG被动调Q锁模激光实验装置。其中抽运源为可调谐掺钛蓝宝石激光器,输出光波长调谐范围为760-800 nm,最高输出功率为7 W;激光晶体为Tm³⁺离子掺杂浓度(原子数分数)为4%的Tm∶LuAG晶体,787 nm为该晶体的一个吸收峰,本实验使用的晶体尺寸为3 mm×3 mm×5 mm,采用布儒斯特角切割晶体端面,可有效降低损耗;为了控制晶体运转时的热透镜效应,对激光晶体进行恒温冷却,将晶体用铟箔包裹并夹在专门设计的紫铜水冷夹中,水冷夹由12 ℃恒温循环水冷却,控温精度≤0.2 ℃;M1、M2分别为曲率半径为100 mm和75 mm的抽运镜(2000 nm, Layertec, 德国),其镀膜对抽运光的透过率>99%,对2000 nm范围波段的振荡光反射率>99.9%;DWCNT可饱和吸收体的损伤阈值约为1200 μJ/cm²,为保证吸收体稳定运行且高于其损伤阈值,选择曲率半径为100 mm的M3平凹反射镜,对振荡光反射率>99.9%,将DWCNT可饱和吸收体置于M3焦点附近,表面光斑的半径约为122 μm;M4为平面反射镜;OC为输出耦合镜;L为焦距f=150 mm的聚焦透镜,对抽运光透过率>95%。利用ABCD矩阵模拟计算腔内振荡光,得到晶体中振荡光斑半径为59 μm,为了保证晶体在高功率运转下不被损坏,选用焦距为150 mm的聚焦透镜,抽运光在晶体处的聚焦光斑半径约为31 μm,抽运光与振荡光在晶体中的光斑大小比值接近0.5,理论上,抽运光斑与振荡光斑匹配较好,可以获得更高的输出效率以及更低的出光阈值^[25]。

图 1. Tm∶LuAG双波长被动调Q锁模激光装置

Fig. 1. Schematic of dual-wavelength, passively Q-switched, mode-locked Tm∶LuAG laser

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3 实验结果分析与讨论

采用图1所示的光路设计获得的晶体吸收效率如图2(a)所示。由实验结果可知,激光器处于连续光运转状态和非运转状态时,晶体对抽运光的吸收效率(η)分别为89.82%和62.95%,激光晶体对抽运光的吸收效率存在明显差异;而当激光器进入调Q锁模运转状态时,晶体对抽运光的吸收效率下降至83.69%,说明晶体的运转状态影响晶体对抽运光的吸收效率,谐振腔启动振荡时晶体的吸收效率增大。

从图2(b)可以看出,激光器处于连续光运转状态,输出耦合镜的透过率为1.5%时,获得了最低60 mW的出光阈值,最大输出功率达到1.56 W,斜效率(s)为24.65%。从图2(c)可以看出,在平面镜M4前插入DWCNT可饱和吸收体后,激光器出光阈值升高到148 mW,当吸收抽运功率达到1.85 W时,实现了稳定的调Q锁模,此时输出功率为0.2 W,DWCNT可饱和吸收体表面光斑的半径约为122 μm,可饱和吸收体的表面功率密度约为292.13 μJ/cm²,继续提高抽运功率,当抽运功率达到7 W时,获得的最大输出功率为0.825 W,斜效率为15.27%。当输出耦合镜的透过率为3%时,连续光出光阈值为120 mW,最大输出功率为2.25 W,斜效率为34.02%,插入DWCNT可饱和吸收体后出光阈值升高到174 mW,当吸收抽运功率达到2.29 W时,实现了稳定的调Q锁模运转,此时输出功率为0.43 W,可饱和吸收体的表面功率密度约为298.96 μJ/cm²,输出的最高功率为1.28 W,斜效率为22.39%。当输出耦合镜的透过率为5%时,由于输出耦合镜引入较大腔内损耗,未获得稳定的调Q锁模运转。该实验结果表明,当输出耦合镜的透过率为3%时拥有更高的输出功率和斜效率,而当输出耦合镜的透过率为1.5%时拥有更低的腔内损耗和锁模启动阈值,因此在调Q锁模运转时可以根据需要选择合适的输出耦合镜。当输出耦合镜的透过率为1.5%时,逐步提高抽运功率,调Q锁模输出波长没有明显改变,在两个输出波长中,2029 nm的光强度相对较高,在逐步提高抽运功率的过程中,两个波长的相对强度比基本保持在0.976左右。

图 2. 实验数据图。(a)晶体吸收效率; (b)连续光输出功率与吸收抽运功率的关系; (c)锁模输出功率与吸收抽运功率的关系

Fig. 2. Experimental data diagrams. (a) Absorptivity of crystal; (b) relationship between absorbed pump power and output power of continuous wave; (c) relationship between absorbed pump power and mode-locked output power

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图3所示为使用2 μm光谱分析仪(AvaSpecNIR256-2.5TEC, Avantes, 荷兰)采集获得的锁模脉冲信号的输出光谱,调Q锁模脉冲输出波长为2017 nm和2029 nm。扫描时间分别为1 ms、10 μs和20 ns的调Q锁模脉冲序列如图4所示,探测器为2 μm快速光电二极管(ET-5000, Electro-Optics Technology, Inc., 德国),测得的调Q包络宽度约为22 μs,调Q包络内的锁模脉冲频率为102 MHz,与1.5 m腔长的锁模脉冲理论重复频率一致,且调制深度接近100%。由于锁模信号较宽,自相关仪(Pulse check 50, APE Angewandte Physik & Elektronik GmbH, 德国)无法测出完整的脉冲信号。利用示波器(DS4024, RIGOL, 中国)测量锁模脉冲信号,参考文献[ 26]中公式1可以计算出锁模脉冲的真实脉冲宽度约为1.13 ns。

图 3. 锁模脉冲信号的输出光谱

Fig. 3. Output spectra of Q-switched mode-locked laser

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图 4. 不同扫描时间下的锁模脉冲序列。(a) 1 ms;(b) 10 μs;(c) 20 ns

Fig. 4. Mode-locked pulse trains recorded at different scan time.(a) 1 ms; (b) 10 μs; (c) 20 ns

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4 结论

使用DWCNT可饱和吸收体作为锁模启动元件,实现了输出波长分别为2017 nm和2029 nm的Tm∶LuAG激光晶体双波长调Q锁模运转,最大单脉冲能量为12.55 nJ。当最大吸收抽运功率达到6.7 W时,对应的激光被动调Q锁模最大输出功率为1.28 W,斜效率为22.39%,锁模脉冲的重复频率为102 MHz。实验结果表明,Tm∶LuAG晶体可以实现高功率双波长被动调Q锁模运转,DWCNT在2 μm波段的高功率被动调Q锁模固体激光器方向具有潜在的应用价值。