全固态可调谐脉冲钛宝石激光系统设计

陈喆，库耕，万俊超，王伟，周传清

1 上海交通大学生物医学工程学院，上海市，200240

2 上海奥通激光技术有限公司，上海市，200240

0 引言

从1982年Peter F.Moulton在麻省理工学院的Lincoln实验室首先发现掺钛蓝宝石晶体可产生调谐激光以来[1]，钛宝石激光器的应用价值引起了人们的广泛关注。钛宝石激光器是迄今为止输出光谱在近红外波段调谐范围最宽的固体激光器之一，若辅之以非线性光学的频率变换技术，制成波长可调谐的钛宝石激光器[2]，可满足生物成像、诊断和治疗等诸多领域的应用需求。

钛宝石激光器可以在多种模式下运转，其中采用倍频脉冲Nd:YAG激光器进行纵向泵浦是目前获得稳定输出的主要方法[3]。要得到更高的输出功率，就要提高泵浦光的注入功率，然而这将受到晶体损伤阈值的限制。本实验采用双向[4]、旁轴泵浦钛宝石晶体，能解决这一限制问题，提高激光器的光能转化效率。

本实验搭建了一套稳定的倍频调Q脉冲Nd:YAG激光器，它由内循环水冷系统冷却，具有良好的稳定性和高的激光脉冲能量。通过调节KTP晶体的旋转角度，可以使Nd:YAG激光器同时出射1064 nm和532 nm波长的激光，再次使用KTP倍频晶体倍频的1064 nm波长激光，泵浦钛宝石激光器的振荡级，同时用Nd:YAG激光器直接出射的532 nm波长激光泵浦钛宝石激光器的放大级，从而实现了钛宝石激光器输出激光的产生和二次放大，最终输出毫瓦级、宽调谐的脉冲激光。由于其稳定、宽调谐等特性，使其成为很多医用成像仪器的理想光源，适用于光声成像等诸多生物医学成像领域。

1 系统设计及装置

根据系统设计要求，该激光器应有良好的激光输出特性（如激光单脉冲能量、激光耦合效率、光斑质量等），又要有良好的稳定性和可重复性（特别是大功率时，镜片膜层容易损坏）。

1.1 钛宝石激光器泵浦源、振荡级、放大级的结构设计

经典泵浦源结构设计使用KTP晶体倍频1064 nm波长激光，并用其产生的532 nm激光同时泵浦钛宝石激光器的振荡级和放大级，但因为KTP晶体的倍频效率有限[5]（一般为70%～80%），并且1064 nm激光不能直接用来泵浦钛宝石晶体，所以泵浦光的总能量利用率较低。本实验泵浦源设计见图1。实验装置采用恒温控制的内循环水冷系统冷却，保证泵浦源长时间工作的稳定性。泵浦源结构设计在之前设计[6]的基础上做出改进，适当调节KTP晶体主光轴的旋转角度，改变倍频效率，使其出射的1064 nm激光在钛宝石激光器模块内再次倍频产生532 nm激光，并用其泵浦钛宝石激光器的振荡级；Nd:YAG激光器同时出射的532 nm激光用于泵浦钛宝石激光器的放大级，提高了总能量利用率。

钛宝石激光器谐振腔的设计中，采用了双向、旁轴泵浦的两镜直腔法[7-8]，如图2虚线上部所示。双向泵浦时，泵浦光的峰值功率分散在钛宝石晶体的两对称面（钛宝石晶体尺寸：6 mm×10 mm×23 mm），从而可以在不损坏钛宝石晶体的条件下，提高泵浦光的注入功率[9]。由于泵浦光（532 nm）和钛宝石晶体产生的振荡光（理论峰值波长790 nm）的布儒斯特角不同，且考虑到二者同轴时，镜片镀膜不易达到要求，所以二者光轴偏离4o～5o(偏离过大时，激光模式由低阶模向高阶模转化)。两镜直腔法的光斑直径较大，可以充分利用整个抽运区，提高耦合效率，且能减小调节光路的困难程度。

钛宝石激光器的放大级中，实验采用两级放大系统[10]，如图2虚线下部所示。Nd:YAG激光器出射的532 nm激光，泵浦钛宝石晶体（钛宝石晶体尺寸6 mm×15 mm×25 mm）的两个面，振荡级激光两次通过能级反转的钛宝石晶体放大后，得到了功率更高、光束质量更好的放大级输出光。放大级钛宝石晶体略大于振荡级钛宝石晶体，这样的设计有利于能量的提取，可以得到更高的输出能量。

1.2 系统光路图及装置说明

钛宝石激光器的泵浦源（Nd:YAG激光器）和钛宝石激光器的振荡级及放大级的结构原理图分别如图1和图2所示。图1中1、2、3、4、5、6器件构成了Nd:YAG激光器的振荡级，其激光输出脉冲能量、脉冲频率可调。5器件中，脉冲氙灯泵浦Nd:YAG晶体，并且5器件的封闭系统由循环水冷却系统冷却，保证了光腔内温度恒定和振荡级稳定输出。8器件为马达驱动的光控开关。10器件为Nd:YAG激光器的放大级，能够成倍地放大输出功率。13器件为LD指示光源，用于调试光路。

图1 钛宝石激光器的泵浦源结构图Fig.1 Structure of pumping source of Ti:sapphire laser

图2 钛宝石激光器的振荡级和放大级结构图Fig.2 Structure of Ti:sapphire laser's resonant cavity and amplification stage

图2为钛宝石激光器的谐振腔部分，分别由上部虚线框内的振荡级和下部虚线框内的放大级组成。1器件为1064 nm高透、532 nm高反镜，它把泵浦光分开，1064 nm泵浦光再次倍频后用于泵浦钛宝石激光器的振荡级，532 nm激光用于泵浦钛宝石激光器的放大级。

在振荡级部分（上部虚线框内），1064 nm入射光经过KTP晶体后，倍频为可泵浦钛宝石激光器的532 nm激光。然后经过6器件扩束和8器件均分，分别泵浦钛宝石晶体的两侧。产生的激光在由11、12、14器件组成的谐振腔内形成振荡[11]。其中11器件放在360o可调旋转台上，调节11器件角度，即可调节输出波长[12]。泵浦钛宝石晶体时，由于钛宝石晶体对水平偏振光（π光）吸收高于竖直偏振光（o光）[6]，因此泵浦光的偏振特性对光转化效率影响很大。所以，我们在该系统钛宝石振荡级内加入了二分之一波片，通过旋转二分之一波片，提高了光转化效率。

放大级的泵浦光同样由20器件分为两部分，分别泵浦钛宝石晶体的两侧，实现了钛宝石能级反转。振荡级的出射激光经过钛宝石晶体两次放大后输出。

由于1064 nm激光不可见，而且532 nm激光功率较大，不便于调整光路，所以实验采用光斑直径较小(1 mm)的He-Ne激光器（中心波长632.8 nm）作为指示光源，分别调整泵浦光在钛宝石晶体上的位置和角度，以达到较好的泵浦效果。

2 实验结果及讨论

在钛宝石激光器输出频率1 Hz，振荡级泵浦能量120 mW时，采用光谱仪（AvaSpec-2048）探测钛宝石激光器的输出激光光谱，结果见图3所示。

图3 钛宝石激光器调谐曲线Fig.3 Tuning curve of Ti:sapphire laser

图3通过连续、等角度旋转振荡级后反射镜（图2中11部件），同时等角度采样钛宝石激光器激光输出的波长和能量，平滑拟合数据后获得。如图3所示,该激光器调谐波段为710 nm～950 nm，在此调谐波段范围内，钛宝石激光器的输出功率大于5 mW，充分证明了该钛宝石激光器的宽调谐特性。当振荡级后反射镜旋转至某一角度时，钛宝石激光器激光输出功率最大（66 mW），此时钛宝石激光器激光输出谱线半高宽约为2 nm，中心波长约为740 nm。此结果与钛宝石晶体辐射理论的中心波长有所出入（理论峰值功率处中心波长为790 nm），因为钛宝石激光器输出波长不仅由钛宝石晶体性质决定，还受谐振腔机械结构、镀膜等原因的影响。在今后的实验中，通过调节透镜、反射镜角度、改变输出镜透过率等方法，可调节该钛宝石激光器中心波长至理论中心波长，进一步提高钛宝石激光器激光输出功率。

在泵浦光频率1 Hz，采用功率计(Ophir,NovaII)探测钛宝石激光器的输出功率。测得在钛宝石激光器振荡级泵浦能量为120 mJ(532 nm)、放大级泵浦能量为198 mJ(532 nm)时，放大级输出功率66 mJ(740 nm)，光能转化效率为20.75%。在实验中，放大级输出功率、光能转化效率随泵浦光能量增加而上升，但高能量时，色散棱镜和振荡级后反射镜容易损坏，所以使用更高损伤阈值的色散棱镜和后反射镜，可使该激光器达到更高输出功率和更高的能量转化效率。

用相纸记录近场输出光斑图像(38 mJ时)如图4所示。由图4可知，该激光器近场输出光斑接近圆形，远场(3 m)光斑形状无大差异，光束质量较好。

图4 钛宝石激光器输出光斑Fig.4 The output picture of Ti:sapphire laser

因为泵浦源（Nd:YAG激光器）产生1064 nm激光和532 nm激光，1064 nm激光二次倍频后，同时与532 nm激光分别泵浦钛宝石激光器的振荡级和放大级，所以泵浦源内KTP的光转化效率对放大级激光输出功率影响较大，通过调节KTP的旋转角度，可以调节泵浦光中1064 nm和532 nm激光的能量比例。实验发现，调节二者光能量比例至1:1时，钛宝石激光器输出功率最高。

3 结论

本文介绍了钛宝石激光器的实验装置，在泵浦源结构上首次采用调Q脉冲Nd:YAG激光器出射的1064 nm激光的二次倍频光和532 nm激光同时泵浦钛宝石的振荡级和放大级，提高了总能量利用率；在谐振腔的设计上同时采用了双向、旁轴泵浦，降低了钛宝石晶体、透镜的镀膜要求，使镜片膜层不易损坏；采用两级放大系统，提高了全固态可调谐脉冲钛宝石激光器的单脉冲输出功率；通过调节后反射镜的旋转角度，实现了钛宝石激光器的宽调谐输出。该钛宝石激光器，因为其总能量利用率高、稳定、宽调谐和高功率等特点，在生物医学成像等领域有广泛的应用价值。

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