基于Nd:LGGG连续与调Q脉冲人眼安全激光器研究

李健，许永娜，张倩倩，刘倩慧，安珍妮

(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:LGGG连续与调Q脉冲人眼安全激光器研究

李健，许永娜，张倩倩，刘倩慧，安珍妮

(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)

摘要：1.4 μm人眼安全激光具有对人眼安全、对烟雾环境穿透能力强以及易于产生和探测等特点。本文基于Nd:LGGG新晶体，采用石墨烯作为可饱和吸收体，研究了1.4 μm人眼安全激光输出特性。在注入泵浦光功率15.6 W时，获得2.38 W的1.4 μm连续激光输出，光-光转换效率为15.4%；在注入泵浦光功率14.3 W时，获得平均功率为255 mW的1.4 μm调Q激光输出，输出脉冲宽度为490 ns，重复频率为80 kHz，激光单脉冲能量为3.2 μJ，脉冲峰值功率6.53 W。

关键词：Nd:LGGG;人眼安全;调Q脉冲

由于激光被广泛应用于人类生产生活的各个方面，因此其安全性一直是广大激光科研工作者的研究热点之一。从可见光到中红外频段电磁波谱的大气透过率在大气窗口中有3个重要的波段：一是1.4～2.0 μm波段，不但对人眼最为安全，而且对烟雾环境的穿透能力强，易于产生和探测；二是3～5 μm中红外波段，大气透过率最高；三是8 ～12 μm中红外波段。目前获得对人眼安全的激光的方法主要有两种，一种是激光介质受到外来能量泵浦，直接产生对人眼安全的激光，主要的激光增益介质有Nd、Er、Ho、Tm激光晶体[1-8]；另一种是不具有人眼安全性质的激光经过频率变换，获得具有人眼安全性质的激光。在全固态激光器中，掺Nd的激光增益介质由于具有较高的增益发射截面、高效率的激光输出而被广泛应用。

1.4 μm波段的激光受激辐射截面小、泵浦功率较低，实验条件要求高，相关报道不多[9-15]。首次关于1.4 μm人眼安全激光的报道是1994年Kbecek等[9]用Nd:YAG单晶做为激光增益介质，成功得到了波长为1 443 nm的激光输出，最大功率只有69 mW。在1997年，同样是Nd:YAG单晶作为激光增益介质，得到了功率4.9 W、波长为1 444 nm连续激光输出，光-光转换率19.6%，是迄今为止所获得的最高功率[10]。掺钕镥钆镓石榴石(Nd:LGGG)是一种新型的激光增益介质，具有良好的化学稳定性、热稳定性和高温力学性能。石墨烯作为一种新型可饱和吸收体，在激光调Q技术中受到广泛关注。本文基于Nd:LGGG新晶体，采用石墨烯做可饱和吸收体，研究了1.4 μm人眼安全激光输出特性，首次实现了Nd:LGGG/石墨烯调Q脉冲激光输出。

1Nd:LGGG晶体特性

激光晶体的光谱性质主要由掺杂离子及其浓度决定。固态激光器中的激光晶体材料已从之前的几种基本的晶体发展到今天的陶瓷、微晶玻璃等不同种类，而掺杂离子包括Nd3+、Er3+、Ho3+、Tm3+等和过渡金属离子Cr3+、Ti3+等两大类，在这其中掺Nd激光晶体材料应用最为广泛。目前为止已有140余种掺Nd激光晶体介质，其中，Nd:YAG、Nd:YVO4应用最广，Nd:YVO4主要被用作低功率小型激光器。对于Nd:GGG晶体，Nd3+离子半径(99.5 pm)大于Gd3+的离子半径(93.8 pm)，将Nd3+取代Gd3+会导致晶格畸变，因此在Gd3+离子格位双掺Nd3+和的Lu3+(离子半径为84.8 pm)进行补偿，生长出新型的激光晶体Nd:LGGG，不仅降低了晶格的畸变，还有效地提高了晶格的性能，而且Lu3+、Gd3+在Nd3+周围随机无序分布[16]。图1为Nd:LGGG晶体的吸收光谱，适合采用808 nm半导体激光泵浦，图2为掺Nd的激光晶体中的能级跃迁示意图。

图1　Nd:LGGG晶体的吸收光谱图Fig.1　Absorption spectra of Nd:LGGG crystal

图2　掺Nd的激光晶体中能级跃迁示意图Fig.2　Illustration of energy level transition of Nd ion doped laser crystal

2实验装置

图3　实验装置示意图Fig.3　Illustration of the experimental apparatus

3实验结果

实验中，首先用Nd3+掺杂摩尔分数为1.0%的Nd:LGGG做激光增益介质研究激光连续输出的光谱特性。输出激光的光谱信息由光谱仪(YokogawaAQ 6315A，350～1 750 nm)记录。Nd:LGGG激光输出的光谱如图4所示，此时的泵浦功率是15.6 W，光谱仪的分辨率是5 nm，输出激光的中心波长在1 423.2 nm。

图5给出了Nd:LGGG激光增益介质在不同泵浦功率的情况下，连续激光输出功率的变化情况。泵浦功率为15.6 W时，最大输出功率为2.38 W, 此时对应的光-光转换效率和斜效率分别是15.4%和20%。激光阈值功率为3.6 W。

图4　Nd:LGGG激光光谱Fig.4　Laser spectra of Nd:LGGG

图5　连续激光输出功率随泵浦功率的变化Fig.5　Variation of continuous laser output power with pumped power

图6给出了石墨烯做可饱和吸收体时在不同泵浦功率下，调Q脉冲激光输出平均功率的变化情况。从图中可以看出，采用石墨烯做可饱和吸收体，在注入泵浦光功率14.3W时，获得平均功率为255 mW的1.4 μm 调Q激光输出，相对应的光-光转换效率是1.78%。

图7给出了激光的脉冲宽度和重复频率随泵浦功率的变化关系。当泵浦功率从7.3 W增加到14.3 W时，脉冲宽度从1 138 ns减小到490 ns，同时，激光的重复频率则是由4 kHz 增加到 80 kHz，算出激光最大单脉冲能量为3.2 μJ，脉冲峰值功率6.53 W。图8中给出了泵浦功率为14.3 W时的典型脉冲波形图。

图6　调Q脉冲激光输出平均功率随泵浦功率的变化Fig.6　Variation of average output power of Q-switched laser with pump power for Nd:LGGG laser

图7　Nd:LGGG激光脉宽与重复频率随重复频率的变化Fig.7Variation of Nd:LGGG laser pulse width and repetition rate with pump power

图8　脉宽为490 ns的调Q脉冲波形Fig.8　Q-switched pulse shape of 490 ns pulse width

4结论

人眼安全激光是激光领域的研究热点之一，获得人眼安全激光的方式有多种，但最能体现固体激光器的结构紧凑、体积小等特点的方式仍以半导体激光直接泵浦激光晶体获得人眼安全激光的方法最吸引人。但由于1.4 μm波段对应的能级受激辐射截面小，剩余热量导致热效应明显，从而导致激光转换效率低，难以获得大功率激光输出。因此，寻找合适的激光晶体以获得人眼安全激光一直是研究热点。本文基于Nd:LGGG新晶体，采用石墨烯做可饱和吸收体，进行了连续和调Q脉冲激光器研究，实现了1.4 μm人眼安全激光输出，为进一步寻找适合获得1.4 μm人眼安全激光的激光晶体提供实验依据。

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DOI:10.3976/j.issn.1002-4026.2016.03.018

收稿日期：2016-03-15

基金项目：国家自然科学基金(61205174)

作者简介：李健(1963-)，男，教授，研究方向为全固态激光器件与非线性光学。Email：lijian@sdnu.edu.cn

中图分类号：TN248.1

文献标识码：A

文章编号：1002-4026(2016)03-0105-05

Nd:LGGG based eye-safe laser with Continuous and Q-switched pulse of 1.4 μm wavelength

LI Jian, XU Yong-na, ZHANG Qian-qian, LIU Qian-hui, An Zhen-ni

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

Abstract∶1.4 μm eye-safe laser has such characteristics as safety to human eyes, strong penetrating power in smoke scenario, and convenience to be made and detected. We addressed its output performance with Nd: LGGG crystal as a subject and graphene as a saturable absorber. When injection pump power is 15.6 W, continuous output power is 2.38 W, optical to optical conversion efficiency of 15.4%. When injection pump power is 14.3 W, output characteristics are average output power of 255 mW, output pulse width of 490 ns, pulse repetition frequency of 80 kHz, single pulse energy of 3.2 μJ and pulse peak power of 6.53 W.

Key words∶Nd:LGGG; eye-safe laser; Q-switched pulse