二极管泵浦的Ho3+,Pr3+:LiLuF43µm激光

王胜利,滕琴,桂林,唐玉龙

(1.上海第二工业大学a.理学院;b.计算机与信息工程学院,上海201209; 2.上海交通大学激光等离子体教育部重点实验室,上海200240)

二极管泵浦的Ho3+,Pr3+:LiLuF43µm激光

王胜利1a,滕琴1a,桂林1b,唐玉龙2

(1.上海第二工业大学a.理学院;b.计算机与信息工程学院,上海201209; 2.上海交通大学激光等离子体教育部重点实验室,上海200240)

根据3µm连续激光产生机理和对基质材料要求,结合1.9µm和1.1µm激光二极管泵浦掺Ho3+材料结果,采用1.1µm激光二极管泵浦Ho3+,Pr3+:LiLuF4晶体,产生3µm激光。实验用泵源波长为1.140～1.150µm,带宽为5 nm,功率为0～10 W,光纤耦合输出;Ho3+,Pr3+:LiLuF4晶体体积为3 mm×3 mm×30mm,Ho3+离子掺杂原子百分含量为2%,Pr3+离子掺杂原子百分含量为0.6%;实验获得波长为2934 nm连续激光输出,最大功率达到50 mW,斜率效率为22.6%,最大功率时,光束的质量M2因子约为4。

二极管泵浦;Ho3+,Pr3+:LiLuF4晶体;固体激光

0 引言

Ho3+离子掺杂的激光材料,一个比较强的吸收峰在1.9µm附近[1-3]。掺Tm3+材料发出的激光,波长正好位于这个范围,所以掺Tm3+激光器可以作为掺Ho3+固体或光纤激光器的有效泵源[4-5]。自激光二极管发明以后,人们开始尝试利用1.9µm激光二极管泵浦掺Ho3+激光材料,最初的尝试是对Ho:YAG晶体进行了泵浦,在温度为-53°C时,得到约0.7 W连续输出[6]。近些年来,随着激光二极管制备技术的提高和性能的完善,在室温情况下,现在利用1.9µm激光二极管泵浦Ho:YAG晶体已经可以得到55 W以上连续输出[7];泵浦Ho:Y2O3陶瓷,也得到了2.5 W以上连续输出[8]。但随着研究的进一步深入发现,1.9µm激光二极管发射光谱谱宽大于Ho3+离子掺杂材料吸收峰宽度,所以利用1.9µm激光二极管泵浦掺Ho3+材料,吸收效率相对较低[9]。

Ho3+离子掺杂的激光材料,另一个比较强的吸收峰是在1.1µm附近,掺Yb3+材料输出的激光和1.1µm激光二极管可作其有效泵源[10]。作为掺Ho3+激光材料的泵源,1.1µm激光二极管与1.9µm激光二极管相比,有以下优点:①1.1µm激光二极管输出功率高,使用寿命长;②1.1µm激光二极管泵浦掺Ho3+激光材料既可输出2µm激光,也可输出3µm激光[11-15]。利用1.1µm二极管泵浦Ho3+离子掺杂(w(Ho3+)=0.5%)的硅光纤,得到55 mW、27%斜效率的2.1µm输出和162 mW、24%斜效率的2.86µm输出[16]。

1 Ho(Pr):LiLuF4激光晶体的能级结构与吸收光谱

研究表明,3µm激光基质材料要具有较低的声子能量和此波段较小的吸收系数[16]。根据以上要求,本实验选用氟化物作为激光晶体的基质,因为氟化物除了具有较低的声子能量外,还具有负的折射率温度系数(dn/dT),此特性可以一定程度上补偿由于热效应使晶体端面形变引起的光程差。

单掺Ho3+离子的LiLuF4晶体,5I7能级寿命比5I6能级寿命大很多,因此,在3µm波段不能连续输出,只能脉冲输出。要想实现激光连续输出,只能降低5I7能级寿命。本实验采取在Ho:LiLuF4中加入Pr3+离子,通过Ho3+离子和Pr3+离子之间的能量传递,来降低Ho3+离子5I7能级寿命,能量传递过程如图1所示。掺入Pr3+离子后,Ho3+离子的5I7能级寿命大大降低,可能低于5I6能级寿命,进而满足3µm(5I6→5I7)波段激光连续输出的要求。

图1 掺Pr3+的Ho:LuLiF4晶体的能量传递简图Fig.1 Simplified energy-level diagram for Ho3+,Pr3+-doped LuLiF4crystal

本实验采用的1.1µm激光二极管泵源,功率为0～10 W,内部包含10个二极管发射器,光纤耦合输出,工作时,温度控制在25°C左右。此泵源的中心波长和线宽随驱动电流变化,驱动电流决定输出功率,因此,输出的中心波长和线宽随输出功率变化。输出功率较低时,波长中心位于1140 nm,中心波长随功率的增加率约为1.0 nm/W,在最大功率时中心波长位于1150 nm附近,谱线宽度由最初3 nm增加到7 nm,平均约5 nm。

实验用的晶体体积为3 mm×3 mm×30mm,掺杂浓度为:Ho3+(2at.%)、Pr3+(0.6at.%)。晶体对泵浦光的吸收率用一端入射的泵浦光功率减去另一端透过的功率除以入射功率表示,测量的结果是:在泵浦光波长逐渐靠近1147nm的过程中,吸收率逐渐增加,由45%增加到70%,在泵浦功率最大时,吸收率约为68%。

2 实验装置

实验装置如图2所示,LD即1.1µm激光二极管泵源,最大功率为10 W,光纤耦合输出,最小芯径约为400µm,数值孔径约为0.2。Ho3+,Pr3+:LiLuF4晶体用铟包裹着镶嵌在铜热沉上,实验时温度控制在15°C。谐振腔采取平凹腔结构,平平镜M1镀有1150 nm增透膜和2900 nm高反膜,平凹镜M2镀2900 nm反射膜,反射率为95%,曲率半径为250 mm。M3是一个二向色镜,1.1µm高反,3µm高透,其主要作用是在输出激光中滤除泵浦光。

泵浦光经凸透镜F1和F2准直聚焦,由3 mm×3mm端面射入晶体,在晶体中心位置形成一个约600µm的圆斑,经计算此谐振腔的基模在3µm附近的直径约为600µm,与泵浦光匹配很好。

图2 Ho(Pr):LuLiF 4晶体激光的实验装置图Fig.2 Experimental set up for the directly diode-pumped Ho(Pr):LuLiF4crystal laser

3 实验结果与讨论

在实验过程中,泵源功率由0 W按一定梯度增加,测得此次实验所用晶体激光阈值大约为1 W,在泵源功率达到10 W时,得到最大输出功率约为50 mW,相对应的斜率效率为22.6%。激光的输出光谱如图3所示,输出的光谱中心位于2934 nm处,谱线的宽度为5 nm。在50 mW时,对输出激光的质量因数进行了测量,测得M2值近似等于4。

由泵浦的量子缺陷计算可知:1150 nm泵浦光对2934 nm激光的量子效率为39%,1.1µm激光二极管电-光转化率约为50%,因此,整个系统的电-光转化率约为20%。

实验的斜率效率为22.6%,低于已经报道的1.1µm二极管泵浦掺Ho3+离子材料[16],原因可能有以下3个方面:①经检测此次Ho3+,Pr3+:LiLuF4激光晶体内部散射损耗偏大,可能是晶体内存在瑕疵;②激光晶体两个进光端面未镀2900 nm增透膜,反射损失比较大;③此泵浦方式产生的激光量子效率比较低,在运行过程中不可避免产生大量的热,因而降低了斜率效率。如果激光晶体的光学质量进一步提高,实验装置进一步优化,输出功率和斜率效率还会进一步提高。

图3 1.15µm激光二极管(LD)泵浦的Ho3+,Pr3+:LiLuF 4晶体激光的输出光谱Fig.3 Emission spectrum of Ho3+,Pr3+:LiLuF4crystal pumped at 1.15 um from laser diodes

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上海第二工业大学学生在全国大学生网络创新应用大赛中获特等奖

中国互联网协会第九届全国大学生网络商务创新应用大赛总决赛于2016年11月26日至29日在北京师范大学拉开帷幕,来自全国高校的291支本科、50支专科队伍参与了此次角逐。

上海第二工业大学共有5支队伍晋级总决赛,赛事组织工作由经济与管理学院负责,电子商务专业潘海兰老师带队,参赛学生主要来自电子商务、财务管理、软件工程、工业工程、材料科学与工程、自动化等专业,管工结合组队,凸显优势。本次参赛获得了历年最佳成绩:1个特等奖、2个一等奖、1个二等奖和1个三等奖。周园等5位同学作品“大学信息整合APP”获特等奖:孙俐俐等5位同学作品“衣+”与冯丹丹等4位同学作品“如何通过企业合作推广校园白条”获一等奖;施晶晶等4位同学作品“校园推广—京东大学生特权”获二等奖;张若熙等5位同学作品“便民停车”获三等奖。上海第二工业大学获得优秀组织院校奖。

3µm-Laser from Ho3+,Pr3+:LuLiF4Crystal Diode-Pumped

WANG Shengli1a,TENG Qin1a,GUI lin1b,TANG Yulong2
(1a.School of Science;1b.School of Computer and Information Engineering,Shanghai Polytechnic University, Shanghai 201209,P.R.China;2.Key Laboratory for Laser Plasmas(Ministry of Education)and Department of Physics,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,P.R.China)

According to the mechanism and the laser host materials of 3µm continuous laser,and the lasers based on Ho3+-doped materials pumped at 1.9µm and 1.1µm from laser diode(LD),a Ho3+,Pr3+-doped laser which was presented directly diode-pumped at 1.1µm LD was presented.The 10 W fiber coupled LD used for pumping had central wavelengths of 1.140—1.150µm and a typical FWHM bandwidth of 5 nm.The Ho(Pr):LuLiF4crystal slab in this letter had a dimension of 3 mm×3 mm×30 mm and a doping Ho3+concentration of 2 at%,Pr3+concentration of 0.6 at%.The maximum output power was up to 50 mW of continuous wave at the lasing wavelength of 2934 nm.The laser had a slope efficiency of 22.6%with respect to absorbed power and a beam propagation factor of M2～4 at the maximum output power.

diode-pumped;Ho3+,Pr3+:LiLuF4crystal;solid-state laser

TN244

A

1001-4543(2016)04-0326-04

2016-06-22

王胜利(1971–),男,黑龙江海伦市人,讲师,博士,主要研究方向为中红外固体激光器。

电子邮箱slwang@sspu.edu.cn。

上海第二工业大学校基金(No.EGD15XQD15),上海高校青年教师资助计划项目(No.A30DB1524011)资助