Yb∶LuAG单晶光纤的连续及脉冲激光性能

马晓斐， 王 涛， 张 健， 尹延如， 张百涛， 贾志泰

(山东大学 晶体材料国家重点实验室， 山东 济南 250100)

1 引 言

单晶光纤结合了体块单晶高热导率、高激光损伤阈值、低非线性效应和玻璃光纤大长径比、散热能力强的优势，有望成为新一代全固态激光器的激光增益介质。Lu3Al5O12(LuAG)的熔点为2 333 K，密度为6.67 g/cm3，是一种具有优异的热光学性能、高激光损伤阈值和高热导率的石榴石结构晶体。与Y3Al5O12(YAG)相比，LuAG晶体的热导率受掺杂离子浓度增加的影响较小，有利于实现激光器的小型化和集成化。此外，Yb∶LuAG具有比Yb∶YAG更大的有效发射横截面积，更适合于高功率固体激光器[9]。

单晶光纤的研究还处于发展阶段，应用主要集中于高能激光[10]和高温传感[11]。目前，单晶光纤激光主要针对的是连续激光和主振荡功率放大器(MOPA)，对于单晶光纤脉冲激光器的研究相对较少。脉冲激光相较于连续激光具有更高的峰值功率，主要应用于信息通信、激光加工和生物医疗等领域。调Q和锁模技术是产生脉冲激光的主要方式，其中，基于可饱和吸收体的被动调Q技术具有使用方便、无驱动装置、结构简单的优点，易于实现脉冲激光输出[12]。MoTe2为二维过渡金属硫化物(TMDC)，具有较好的非线性光学(NLO)可饱和吸收性质，已被广泛应用于脉冲调制器。

本文对微下拉法(μ-PD)生长的Yb∶LuAG单晶光纤进行了连续(CW)激光实验，并利用MoTe2作为可饱和吸收体，实现了3.39 μJ的被动调Q脉冲激光输出。

2 实 验

2.1 样品制备

实验中的Yb∶LuAG单晶光纤采用μ-PD法生长，直径1 mm和3 mm，Yb3+离子掺杂浓度为

10%和7%。对于实验中所用单晶光纤的生长及表征之前已有报道，所制备的单晶光纤长度均大于100 mm[17]。为便于将光纤置于金属铜沉进行激光实验，截取为通光长度8 mm，端面抛光未镀膜，具体编号和参数如表1所示。

表1 实验所用单晶光纤(SCF)的参数

2.2 MoTe2样品表征

分别使用Cary 7000分光光度计和Perkin Elmer 100 FT-IR分光光度计测量MoTe2样品0.2～2.5 μm范围内的紫外-可见-近红外(UV-Vis-NIR)透射光谱和1.28～10 μm 的傅里叶变换红外FTIR透射光谱。

Z扫描测试实验装置如图1所示，包括沿光路依次设置的泵浦源、分光镜、聚焦透镜、MoTe2样品、第一能量计、第二能量计。分光镜将泵浦源的出射光束分为两束，第一光束透过聚焦透镜和MoTe2样品后照射在第一能量计上，第二光束照射在第二能量计上作为参考光束，两个能量计连接计算机进行数据采集。实验过程中，MoTe2样品在轨道上沿光轴方向直线移动，当MoTe2样品靠近焦点时光束能量密度逐渐升高，并在焦点位置达到最大，通过焦点后光束能量密度逐渐降低。入射源是闪光灯泵浦皮秒激光器(PL2251C)，选择532 nm(焦点处能量39 μJ和43 μJ)和1 064 nm波长(焦点处能量40，60，90 μJ)分别进行Z扫描测试。

图1 开孔Z扫描测试示意图

2.3 激光实验

基于MoTe2的Yb∶LuAG单晶光纤被动调Q脉冲激光器示意图如图2所示。泵浦源为940 nm光纤耦合激光二极管(LD)，芯径为200 μm，数值孔径(NA)为0.22。增益介质是仅端面抛光未镀增透膜的Yb∶LuAG单晶光纤 3# (10%,Φ=3 mm)。单晶光纤安装在水冷铜块中并保持在20 ℃。聚焦耦合系统(1∶1)用于将泵浦光会聚到晶体端面。M1是输入镜，对940 nm泵浦光增透、对1 030 nm激光高反。输出耦合镜M2在1 010～1 100 nm处的透过率为1%、5%、10%和30%。M1和M2组成谐振腔。蓝宝石衬底上沉积的MoTe2作为被动调Q可饱和吸收体，插入谐振腔内进行脉冲激光调制。在M2后面放置一个1 μm以下滤光片以阻挡剩余的泵浦光。实验中，使用带有探头(Newport，919P-050-26)的功率计(Newport，1919-R)测量平均输出功率。输出光谱和脉冲分别由光谱分析仪(YOKOGAWA,AQ6370C)和数字荧光示波器(Tektronix,DPO 7104)记录，带宽为1 GHz。

图2 基于MoTe2的Yb∶LuAG单晶光纤(SCF)被动调Q脉冲激光器示意图

未插入可饱和吸收体即为连续激光实验装置。实验中对表1中1#～3# 不同掺杂浓度不同直径的单晶光纤分别进行了连续激光实验。

数据处理：实验中需测试透过晶体前后的激光功率Pp和Pt，借助如下公式计算得到吸收的泵浦功率。由于单晶光纤两端仅抛光未镀增透膜，所以需要考虑两次菲涅尔反射：

Pp(1-R)2e-αl=Pt,

(1)

菲涅尔反射率：

(2)

吸收率：

η=1-e-αl,

(3)

吸收功率：

(4)

其中n为晶体折射率。

3 结果与讨论

3.1 CW激光实验

对于μ-PD法生长的直径Ф=1 mm、7%掺杂的1# Yb∶LuAG SCF,在940 nm泵浦，水冷温度18 ℃，输出耦合镜透过率T=10%和30%时，分别获得了0.781 W和0.580 W的激光输出。图3所示为输出功率和光-光转化效率分别与吸收泵浦功率的关系，激光输出结果汇总于表2。

图3 Yb∶LuAG SCF 1# (7%,Φ=1 mm) 在940 nm泵浦下输出功率(a)、光-光转化效率(b)与吸收泵浦功率的关系(插图为相应晶体的照片)。

表2 Yb∶LuAG SCF 1#的激光输出

对于2#直径Ф=3 mm、10%掺杂的Yb∶LuAG单晶光纤，如图4内插图所示，直径波动～10.5%，起伏较大，采用940 nm泵浦进行连续激光实验。水冷温度设置为16 ℃，输出耦合镜透过率T=10%时，获得了斜效率14.01%、最大输出功率1.406 W(对应的光-光转化效率为8.562%)的激光输出。

图4 Yb∶LuAG SCF 2# (10%,Φ=3 mm,直径波动～10.5%)在940 nm泵浦下输出功率、光-光转化效率与吸收泵浦功率的关系(插图为相应晶体的照片)。

如图5(a)所示，对于3#单晶光纤 (10%,Φ=3 mm，直径波动～1%)在940 nm泵浦下进行连续激光实验。其在输出镜透过率5%、10%和30%时，均获得了>4 W的激光输出。其中，T=10%和30%的激光输出结果在此前已报道[17]。如图5(b)所示，当输出镜透过率为1%和5%时，对应的输出激光中心波长为～1 078 nm；当输出镜透过率为10%和30%时，对应的输出激光中心波长～1 048 nm。在最高输出功率为4.702 W时，光斑两个方向的光束质量因子M2分别为1.101和1.009，如图5(c)所示；光斑形状如图5(d)，CCD图表明输出光斑具有较好的高斯分布。该晶体的激光实验数据汇总于表3。

表3 Yb∶LuAG SCF 3#的连续激光输出结果

图5 Yb∶LuAG SCF 3# (10%,Φ=3 mm,直径波动～1%) 在940 nm泵浦下输出功率与吸收泵浦功率的关系(插图为相应晶体的照片)(a)、输出光谱(b)、最高输出功率下的光束质量因子(c)、最高输出功率下的光斑(d)。

此外，为探究水冷温度对实验的影响，采用3# Yb∶LuAG单晶光纤在940 nm泵浦，输出镜透过率10%时，改变水冷温度，测量其输出激光功率及光-光转化效率。由图6可见，在水冷温度由20 ℃降至16 ℃时，输出功率随水冷温度降低而增加，但变化较小，与以往的报道相符[18]。

图6 Yb∶LuAG SCF 3# (10%,Φ=3 mm,直径波动～1%) 在940 nm泵浦不同水冷温度下输出功率(a)、光-光转化效率(b)与吸收泵浦功率的关系。

μ-PD法生长的1#～3# Yb∶LuAG单晶光纤均已实现激光输出。对比同直径的2#和3#单晶光纤的连续实验结果，可知2#单晶光纤由于直径波动较大(～10.5%)，激光输出功率严重受限。3# (10%,Φ=3 mm,直径波动～1%)单晶光纤的激光输出功率>4W，且在水冷16～20 ℃范围内，激光输出功率随水冷温度降低而增大。此外，采用940 nm泵浦时，主要有～1 049 nm和～1 078 nm两种中心波长的激光输出。如图7所示，对于Yb3+三能级体系，1 049 nm的输出对应于2F5/2最低能级至2F7/2最高能级的跃迁。对于输出波长1 078 nm的研究相对较少，2004年，GRIEBNER等借助Yb∶Lu2O3实现了中心波长1 080 nm的锁模激光输出[19]；2014年，BROWN等表征了Yb3+∶Lu2O3晶体的发射光谱，存在～1 078 nm的发射峰[6]。实验测得的～1 078 nm的发射波长应该是Yb3+掺杂材料的一个基本特性，然而对于Yb∶LuAG单晶光纤1 078 nm的激光输出原理尚未有报道，还有待深入研究。

图7 Yb3+的能级简图

单晶光纤结合了体块晶体和玻璃光纤的优势，理论上具有优异的激光性能。然而，由于单晶光纤激光测试设备的限制，只能将单晶光纤切割为长度8 mm，增益长度较小，且单晶光纤端面未镀相应的增透膜，所以输出功率和斜效率较低。

3.2 MoTe2性能

二维过渡金属硫化物(TMDC)具有优异的光学和电学性能。MoTe2作为常用的TMDC，被广泛用作非线性光学可饱和吸收体材料。图8(a)、(b)分别为实验中所用的MoTe2在0.2～2.5 μm范围内的紫外-可见-近红外透过光谱和1.28～10 μm范围内的FTIR透射谱。结果表明，制备的MoTe2样品在0.2～7 μm范围内无吸收峰，在1～7 μm内透过率>50%，展现出较好的线性光学性质。

图8 (a)MoTe2 SA在0.2～2.5 μm范围的紫外-可见-近红外光谱;(b)MoTe2 SA在1.28～10 μm范围的FTIR透射谱。

开孔Z扫描测试实验结果如图9所示，拟合曲线是根据非线性光学理论对实验数据的拟合。MoTe2沿光轴方向由远距离接近焦点位置时归一化透过率逐渐增大，MoTe2在532 nm和1 064 nm展现出优异的可饱和吸收现象，表明制备的可饱和吸收体MoTe2具有优秀的非线性光学性质。

图9 (a)MoTe2 SA在532 nm处的Z扫描数据和理论拟合；(b)MoTe2 SA在1 064 nm处的Z扫描数据和理论拟合。

3.3 基于MoTe2被动调Q的单晶光纤激光器

在3# Yb∶LuAG单晶光纤(10%,Φ=3 mm)获得了4.703 W连续激光输出的基础上，以MoTe2作为可饱和吸收体，获得了最高平均功率为0.522 W的被动调Q脉冲激光输出，实验结果如图10所示。图10(a)为输出平均功率与吸收的泵浦功率关系图，插图为输出功率最高时的激光2D光斑。图10(b)为输出光谱图，输出镜透过率分别为10%和30%时，输出激光的中心波长分别为1 048.94 nm和1 047.08 nm。图11为T=10%时，基于MoTe2调Q的Yb∶LuAG SCF激光器在频率为77.02 kHz和236.5 kHz时的脉冲形状和脉冲序列。图12(a)、(b)分别显示了T=10%时，脉冲持续时间、脉冲重复频率、脉冲能量和峰值功率随吸收泵浦功率的变化。输出镜透过率T=10%，当吸收泵浦功率为10.67 W时，输出平均功率为0.261 W，此时对应最大单脉冲能量3.39 μJ。表4中总结了基于MoTe2可饱和吸收体的Yb3+掺杂被动调Q激光输出结果，本实验结果的峰值功率较小，但是具有相对较大的单脉冲能量。

图10 (a)不同输出耦合镜下，基于MoTe2被动调Q Yb∶LuAG单晶光纤激光器的平均输出功率与吸收的泵浦功率关系和输出功率最高时的激光2D光斑(插图)；(b)基于MoTe2被动调Q Yb∶LuAG单晶光纤激光器的输出光谱。

图11 基于MoTe2调Q的Yb∶LuAG SCF激光器产生的时间脉冲形状和脉冲序列。 (a)频率为77.02 kHz；(b)频率为236.5 kHz。

图12 基于MoTe2调Q的Yb∶LuAG SCF激光器性能与吸收泵浦功率的关系。 (a)脉冲持续时间和脉冲重复频率；(b)脉冲能量和峰值功率。

表4 基于MoTe2 SA的Yb3+掺杂被动调Q激光比较

4 结 论

本文采用μ-PD制备的Yb∶LuAG单晶光纤(SCF)作为增益介质，获得了输出功率大于4 W、斜效率21.66%、光束质量因子M2接近于1的连续激光输出。采用940 nm泵浦时，实现了～1 049 nm和～1 078 nm两种中心波长的激光输出。并且在水冷16～20 ℃范围内，激光输出功率随水冷温度降低而增大。

此外，在蓝宝石基底上制备了MoTe2并进行了线性和非线性光学性能表征。结果表明，MoTe2样品在0.2～7 μm范围内无吸收峰，在1～7 μm内透过率>50%，展现出较好的线性光学性质；在532 nm和1 064 nm激光照射下，通过焦点位置附近时产生了饱和吸收现象，表明制备的可饱和吸收体MoTe2具有优秀的非线性光学性质。基于该材料，进行了Yb∶LuAG单晶光纤的被动调Q激光实验，最终获得最大单脉冲能量3.39 μJ的激光输出。本工作为Yb∶LuAG单晶光纤在全固态高功率连续和脉冲激光器的应用提供了参考。

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