蓝光LD 抽运Pr3+：YLF 直接获得橙红光的实验研究

金玉实，李青松，董渊，金光勇

（长春理工大学 理学院，长春 130022）

蓝光LD 抽运Pr3+：YLF 直接获得橙红光的实验研究

金玉实，李青松，董渊，金光勇

（长春理工大学 理学院，长春 130022）

对蓝光二极管（LD）泵浦Pr：YLF晶体输出橙红光进行了实验研究，分析了不同偏振方向的晶体和不同透过率的输出镜对橙红光输出功率的影响。在a切Pr3+：YLF晶体吸收功率为4.5W时最高输出639.7nm激光功率为491mW。c切Pr3+：YLF晶体在吸收功率为3.3W时最高输出607.3nm激光功率为177mW。

Pr3+：YLF晶体；蓝光LD；a切；c切

波长在600nm～650nm的可见光是与人类日常生活关系最密切的波段，一方面人类主要依靠视觉获得大部分信息，另一方面，科技的进步对激光存储、激光显示以及水下激光通信等多个领域提出了更高要求，迫切需求质量更好、效率更高、可靠性更佳的黄橙光激光光源［1-3］。目前，用非线性频率变换的方法输出橙光激光是相对成熟的常用手段，通常可以将近红外波段的光，如946mn、1064nm、1320mn等转化成二次或三次谐波输出可见光波段的激光［4］。这就必须进行至少一次或两次的非线性频率转化，不可避免的出现光-光转换效率低的现象，相比于直接泵浦的转换方式，其劣势显而易见。同时，这种方法受限于半导体激光器（LD）技术的发展［5］，泵浦光源的选择较为稀少，而且能够选取的激光晶体也集中在少数几种，如：Nd：YAG、Nd：YVO4、Nd：GdVO4等晶体。因此，寻找能直接产生该波段激光激射的新型工作介质并规模化的应用十分必要。稀土元素Pr的三价离子具有丰富的能级结构，使其在可见光波段能够产生若干种不同波长的跃迁，蓝光LD泵浦源的发射谱线与镨离子的吸收峰能够实现较好交叠，因而掺Pr3+晶体在全固态可见光激光领域具有独特的优势［6］。

蓝光泵浦直接作用到掺Pr3+激光器可以产生绿光、橙光和红光，这是相对有效且简便的方法。2011年哈尔滨工业大学Li X.D.等人用染料激光器抽运Pr3+：YLF晶体得到639.4nm激光输出，证明了抽运Pr3+：YLF晶体可以直接输出黄橙光范围的激光［7］。实验中最大输出能量为142μJ，脉宽为15ns，峰值功率为9.5kW。2013年厦门大学王凤娟等人报道了蓝光激光二极管（LD）（中心波长约为444nm）单端纵向抽运掺镨氟化钇锂（Pr3+：YLF）的红光（640nm）和绿光（522nm）激光器［8］。本文首先测试了蓝光LD抽运源的输出特性，进而展开了蓝光抽运Pr3+：YLF晶体产生可见光的实验研究。

1 实验装置

图1为实验装置示意图，图2为实验装置实物图。

图1 实验装置示意图

图2 Pr3+：YLF激光器实验装置实物图

实验中所用到的光源为最大输出功率为8W的光纤耦合蓝光半导体抽运源，其中心波长为443～444nm，光纤芯径为200μm，采用风冷方式对半导体光纤耦合模块进行冷却。由于激光器本身自带冷却控温系统，在高功率时波长漂移现象不严重，经过光束整形系统后，在距聚焦透镜4cm处80%的能量聚集在半径约为200μm处。谐振腔腔型为平凹腔。输入镜为平面镜，镀有对400～450nm高透（T＞96%），并且对600～650nm高反（R＞99.8%）。输出镜是凹面镜，曲率半径为50mm的，激射红光的输出镜分别比较了透过率在600～650nm处2%和5%的镜片。激射橙光的输出镜镀有590～630nm处透过率为2%的镜片，该镜片在639nm处透过率约为40%，有效抑制了红光的增益竞争。实验中分别比较了a切和c切的Pr3+：YLF晶体，其掺杂浓度为0.5%，尺寸为3mm×3mm×5mm。使用铟箔包裹Pr3+：YLF晶体，并放置在通水冷却紫铜块中，水温控制在恒温15℃。激光器谐振腔长度约为4.5cm。

2 实验结果及讨论

从图3（a）中可以看出，a切Pr3+：YLF晶体的吸收效率在58%左右。随着抽运电流的增加，输出功率随之增加，并且呈近线性增长趋势，实验中给定最大电流加到最高1.4A，此时得到输出功率7.6W。同时，也测得了不同电流下的输出光谱，LD抽运源的输出波长随着注入电流的增加而增加，其波动范围不大，在443nm～444nm，可以很好地匹配a切晶体的最强吸收峰（443.5nm）。从图3（b）中可以看出，c切Pr3+：YLF晶体在低功率时的吸收效率在60%左右。随着抽运电流的增加，晶体的吸收效率呈平缓趋势，这是由于随着电流增加，其中心波长漂移到444nm处，而c切晶体最强吸收峰在441.5nm附近，因而无法很好地匹配。实验中给定最大电流时最高吸收功率为3.3W。

图3 Pr3+：YLF晶体吸收功率曲线

（1）Pr3+：YLF激光器输出红光（639.7nm）的实验。如图4可知，对于Pr3+：YLF晶体，输出镜T= 2%时激光输出功率远高于T=5%，且阈值也较低。a切晶体在吸收功率为4.5W时最高输出功率为492mW。c切晶体在吸收功率为3.3W时最高输出功率为419mW。其输出激光的光谱如图5所示。

图4 Pr3+：YLF晶体红光输出功率曲线

图5 输出639nm激光光谱图

图6 Pr3+：YLF晶体橙光输出功率曲线

图7 输出607nm激光光谱图

（2）Pr3+：YLF激光器输出橙光（607.3nm）的实验。输入镜和晶体参数不变，输出镜采用在590～630nm处透过率为2%的镜片，比较不同偏振方向的晶体对橙光输出功率的影响，如图6所示。如图可知橙光输出功率远低于红光，这是由于红光受激发射截面远大于橙光，所以红光阈值也低于橙光，输出功率远高于橙光。a切晶体在吸收功率为4.5W时最高输出功率为79mW。c切晶体在吸收功率为3.3W时最高输出功率为177mW。其输出激光的光谱如图7所示。

图8 实验中观测到的可见光

可以看出a切Pr3+：YLF晶体输出橙光的功率远低于c切晶体，这是由于a切Pr3+：YLF晶体有5条较强的发射谱线，分别位于479.4nm、522.7nm、604.7nm、607.5nm、639.9nm，而c切Pr3+：YLF晶体有4条较强的发射谱线，分别位于479.4nm、481.3nm、607.5nm、639.8nm，a切晶体激射橙光时受到604nm波长增益竞争的影响，而c切晶体没有604nm左右的发射谱线，故不会受到影响。在实验过程中，观测到了亮眼的红光和橙黄光，如图8。

3 结论

本文进行了蓝光二极管（LD）泵浦Pr3+：YLF晶体输出橙红光的实验研究，并分析了不同偏振方向的晶体和不同透过率的输出镜对橙红光输出功率的影响。在a切Pr3+：YLF晶体吸收功率为4.5W时最高输出639.7nm激光功率为491mW、607.3nm激光功率为79mW。在c切Pr：YLF晶体在吸收功率为3.3W时最高输出639.7nm激光功率为412mW、607.3nm激光功率为177mW。

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［6]黄舜林，刘哲，曾承航，等.蓝光激光二极管抽运Pr：YLF绿光激光器［J］.中国激光，2012，40（12）：23-26.

［7]罗明.Pr3+：YLF晶体激光特性的研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

［8]王凤娟.蓝光泵浦Pr：YLF红光双波长激光器［D］.厦门：厦门大学，2014.

Experiment Study on Blue Laser Diode-pumped Pr3+：YLF Orange Red Laser

JIN Yushi，LI Qingsong，DONG Yuan，JIN Guangyong
（School of Science，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

The blue laser diode-pumped Pr3+：YLF laser is investigated experimentally，by which the orange red laser is directly obtained.In this paper，the influence of output power of orange red laser with different polarization direction of the crystal and dif⁃ferent transmittance of output mirrors is analyzed.A maximum output power of 491mW at 639.7nm laser is obtained at an ab⁃sorbed pump power of 4.5W with thea-cut Pr3+：YLF crystal.And a maximum output power of 177mW at 607.3nm laser is ob⁃tained at an absorbed pump power of 3.3W with thec-cut Pr3+：YLF crystal.

Pr3+：YLF crystal；blue laser diode；a-cut；c-cut

TN24，O043

A

1672-9870（2017）02-0024-03

2016-11-21

国家自然科学基金项目（61505012）

金玉实（1992-），女，硕士研究生，E-mail：849705676@qq.com

金光勇（1971-），男，博士，研究员，博士生导师，E-mail：jgycust@163.com