全固态窄线宽的1.9μm Tm：YLF激光器研究

李颜新，郭露露，张寿俊，白芳，金光勇

（长春理工大学 理学院，长春 130022）

2μm波段人眼安全激光处于大气窗口，在环境监测、激光医疗和光通信领域应用广泛[1]。掺Ho晶体是产生高性能2μm激光的首选物质。而掺Tm工作物质吸收峰在0.8μm处，并且适于LD泵浦，成本低，故可作为2μmHo激光器优良的泵浦光源[2-4]。但是目前Tm：YLF激光器发射线宽较宽，其作为泵浦光源时将严重制约下一级激光器的吸收转化效率。所以，在保证输出功率的基础上如何限制输出线宽是Tm：YLF激光器研究中的关键问题。

2014年，哈尔滨工业大学的姚宝铨等人将两个Tm：YLF晶体串接在一个谐振腔中，通过使用体光栅结合未镀膜的F-P标准具（0.5mm厚），将Tm：YLF激光器的输出波长限制在1908nm处，该激光器的斜率效率为37.5%[5]。2017年，光电信息控制与安全技术实验室的安朝卫和关松在室温条件下利用激光二极管双端抽运Tm：YLF板条的实验方案，采用VBG和0.3mmF-P控制了激光器的输出线宽，将波长限制在了0.14nm[6]。2017年，长春理工大学白芳对窄线宽元件双F-P标准具的参数进行了设计，利用设计的F-P标准具实现了线宽为0.1nm的Tm：YLF激光输出[7]。

本文从体光栅波长限制技术入手，对体光栅参数进行计算。通过实验对比分析采用体光栅做全反镜与仅采用全反镜情况下激光输出线宽的不同，进而优化Tm：YLF激光输出线宽，实现高功率窄线宽1.9μmTm：YLF激光输出。

1 窄线宽元器件理论分析

体光栅是以衍射对波长和角度的灵敏性为基础发展而来的新兴窄带通滤波元件。由于反射式体光栅的光栅间距最小，布拉格角度的选择性最好，所以本实验选用反射式布拉格体光栅作激光谐振腔镜来实现窄线宽的激光输出。反射式体光栅原理示意图如图1所示，θ为入射光折射角，Λ代表周期，t为光栅厚度，布拉格衍射条件：

其中，n为体光栅折射率，λ为入射光波长。

体光栅对满足布拉格条件的入射光的衍射效率最大，易将其衍射；对波长偏离衍射中心波长的入射光的衍射效率快速下降，从而阻断其衍射。体光栅的这种特性使其能够实现窄带反射。

图1 反射式布拉格体光栅原理示意图

对于反射式体光栅，其衍射效率表达式为[8]：

式中，参数Φ表征体光栅最大衍射效率，具体表示为：

式中，δn为体光栅的调制折射率参数，Fφ为倾斜因子，表达式为：

式中，ξ为6失相参数，描述布拉格入射角θ发生微小偏移量Δθ或衍射中心波长λ发生微小偏移量Δλ时的失调量，具体表示为：

式中，f为体光栅空间频率，满足fΛ=1。φ为光栅矢量与其前表面法线的夹角。

对于非倾斜反射式体光栅（φ=0），参数ξ和Φ可进一步简化为：

当 Δλ=0时，整理式（6）、（7）和式（2），得到非倾斜反射式体光栅的角度选择性为：

当Δθ=0时，得到非倾斜反射式体光栅的光谱选择性为：

由式（8）和式（9）可以看出，体光栅厚度t和调制折射率δn对衍射效率影响显著。在布拉格条件满足Δθ=Δλ=0时，失相参数ξ=0，衍射效率简化为：

非倾斜反射式体光栅的衍射线宽为：

由式（10）和式（11）可得，体光栅厚度同时影响着衍射效率和衍射线宽。图2表示了光栅厚度在折射率为3.5×10-4时对衍射效率的影响，以及在衍射效率为99%，光栅周期为645nm时对衍射光谱宽度的影响。由图可得，随着厚度的增加，体光栅的衍射效率迅速增加然后趋向于1，衍射线宽则迅速减小然后趋向于一个确定值。根据仿真结果，当光栅厚度为6mm，调制折射率为3.5×10-4时，体光栅衍射效率达到了99.6%，衍射光谱宽度仅0.681nm。

图2 衍射效率及线宽与光栅厚度的关系

实验选用厚度为6mm，调制折射率为3.5×10-4，折射率为1.48，周期为645nm的反射式体光栅。体光栅端面上镀有对于振荡光及泵浦光的高透膜，减小其对振荡光和泵浦光的损耗。

2 1.9μmTm：YLF激光器实验装置

1.9μmTm：YLF激光器的实验装置如图3所示。抽运源用波长为792nm的NL-P4-70-0792型半导体激光器，泵浦光斑在晶体内2mm处大小为430μm。Tm：YLF晶体掺杂浓度为3.5%，尺寸为3×3×12mm2，a轴切割，晶体两端镀膜使其对泵浦光和激光高透。体光栅参数如理论分析部分所述。谐振腔采用平凹折叠腔，腔长为100mm，输出镜透过率为10%，曲率半径为200mm。

图3 LD端面泵浦Tm：YLF激光器实验装置图

图4 Tm：YLF激光器实验原理图

1.9μmTm：YLF激光器的实验原理图如图4所示。实验采用单LD双端泵浦的方式，保证Tm：YLF晶体两端注入泵浦光的中心波长一致，同时可以增强晶体对泵浦光的吸收。为了使晶体两端温度分布均匀，实验过程采用TEC高效散热，同时保证晶体两端注入功率相同。

3 1.9μm Tm：YLF激光器实验结果及讨论

3.1 基于普通全反镜的1.9μm Tm：YLF激光器的输出特性

选用普通全反镜代替图4中的体光栅进行测量，激光器的输出特性如图5所示，光谱图如图6所示。晶体吸收51.82W的泵浦功率时，得到18.78W的激光输出，激光中心波长为1907.90nm。激光器的斜率效率为40.7%，光光转换效率为36.24%，线宽为2.1nm。

图5 基于全反镜时激光器输出特性

图6 基于全反镜时激光器输出光谱图

3.2 VBG作全反镜的1.9μm Tm：YLF激光器的输出特性

VBG作全反镜时激光器输出特性如图7所示，光谱图如图8所示。晶体吸收52W的泵浦功率时，得到功率为18.08W，中心波长为1908.94nm的激光输出。激光器的光光转换效率为24.77%，斜率效率为45.28%，线宽为0.22nm。对比图7和图8的结果，以体光栅为腔镜时，线宽可缩小到全反镜时的10%，线宽得到有效压制。同时最大输出功率降低约0.7W，输出功率降低可能由体光栅自身损耗引起。

图7 VBG作全反镜激光器输出特性

图8 VBG作全反镜激光器输出光谱

3.3 基于VBG和F-P标准具的1.9μm Tm：YLF激光器的输出特性

为了使线宽进一步压窄，在体光栅做反射镜的同时，在谐振腔内插入了双F-P标准具。标准具为YAG材质，厚度分别为0.1mm和1mm，对1908nm激光的反射率为0.04，折射率为1.82。激光器输出特性和输出光谱图分别如图9和图10所示。晶体吸收49.58W的泵浦功率时，得到17.78W的激光输出，激光中心波长为1908.55nm。激光器的光光转换效率为35.86%，斜率效率为42.89%，线宽仅为0.1nm。获得了高功率窄线宽的1.9μm的激光输出。

图9 基于VBG和F-P标准具激光器输出特性

图10 基于VBG和F-P标准具激光器输出光谱图

4 结论

本文以反射式布拉格体光栅原理为基础，分析了体光栅衍射效率和衍射线宽受体光栅厚度和调制折射率影响。实验所用反射式体光栅厚度为6mm，调制折射率为3.5×10-4。此参数的体光栅的衍射效率高达99.6%，衍射光谱宽度仅0.681nm。采用单LD双端泵浦方式进行实验，对比分析了在全反镜和体光栅条件下激光输出线宽的不同。最后基于体光栅结合腔内插入双F-P标准具搭建激光器。激光器在泵浦功率为49.58W时，输出功率为17.78W，斜率效率为42.89%，光光转换效率为35.86%。激光中心波长1908.55nm，线宽仅为0.1nm。这些性能的改善使得Tm：YLF激光器作为2μm掺HO3+激光器的泵浦源更为有效。