蓝光泵浦高重频声光调QPr：YLF绿光激光器

姜萌，金龙，刘畅，董渊，金光勇

（长春理工大学 物理学院，长春 130022）

近年来，可见光激光器不仅广泛地适用于日常生活中，例如激光照明和微型投影仪等，同时在科学研究领域也具有重大的应用需求。绿光光谱范围内的可见光激光器由于其独特的优点，在医学、显示技术、分子成像和激光加工等方面都具有潜在的应用前景[1-4]。可见激光的实现方法主要是由几种稀土离子（Nd3+，Dy3+，Sm3+，Tb3+和 Pr3+）直接或间接产生[5]，其中对 Nd3+激光器进行非线性频率转换，是目前实现绿光激光较为常见的一种方案。例如2007年张恒利等人[6]设计了一种电光调Q Nd：YAG激光器，实验中通过LBO晶体对基频光倍频，在1 kHz的重复频率下输出脉冲能量为9.7 MJ的532 nm激光，脉冲宽度为12.2 ns。与Nd：YAG相比，2017年崔健丰等人[7]采用的Nd：YVO4晶体受激发射截面是Nd：YAG晶体的三倍，实验中通过三硼酸锂（LBO）晶体对Nd：YVO4晶体的1 064 nm基频光进行倍频，当输入电流为30 A时，实现重复频率为20 kHz，平均功率23.5 W的532 nm激光输出，对应的脉冲宽度为44.3 ns。上述的实验均需要二次非线性频率变换过程才能获得可见光波段的激光，然而倍频晶体会引入更多的插入损耗，影响最终激光输出的光-光转换效率。相比之下，Dy3+、Sm3+、Tb3+和 Pr3+无需进行非线性频率转换，具有可以直接输出可见光的优势，其中Tb3+和Pr3+激光器因其各自的能级跃迁（Pr3+：3P1-3H5，Tb3+：5D4-7F5）可以直接在绿光光谱范围内产生激光，已成为研究者们感兴趣的研究课题。Pr3+离子能级结构图如图1所示，相比于Tb3+离子，Pr3+离子的四能级结构并不是特别复杂，是目前用于直接产生可见激光的最成熟的稀土离子。

图1 Pr3+能级结构图

迄今为止，Pr3+已经在多个波段（523 nm，604 nm，607 nm，639 nm和720 nm）实现连续光输出[8-10]。在绿色光谱区域，METZ P W 等人[10]使用最高输出功率5 W的OPSL泵浦源对Pr：YLF进行抽运，在523 nm处达到2.9 W的输出功率，斜率效率为72%，光-光效率为67%，该实验虽然是历史上最有效的报道之一，但实验中采用的OPSL泵浦源价格昂贵，难以实现商业化。此外，Yang Q 等人[11]采用 SnS2作为饱和吸收体，在522 nm、639 nm、720 nm三种波长下，实现了Pr：LiYF4激光器的被动调Q。其最大平均输出功率和最短脉冲分别为522 nm（23 mW，240 ns）、639 nm（60 mW，165 ns）、720 nm（40 mW，247 ns）。然而由于它是一种被动式Q开关，产生调Q脉冲的时刻具有一定的随机性，难以准确控制，另外，染料易变质，需要经常更换，输出不稳定，与被动调Q相比，主动调Q的优点在于可以获得kHz高重复频率的巨脉冲，并且重复频率易于控制。在本文中首次提出了声光调QPr：YLF激光器直接产生522 nm的脉冲激光器。以444 nm的半导体激光器作为泵浦条件，研究了在20 kHz的重复频率下的激光输出特性，并在吸收泵浦功率为5.69 W的情况下，脉冲宽度为50.48 ns，峰值功率为105 W，脉冲能量为5.3µJ。

1 理论分析

调Q技术也称为Q开关技术，相比于普通激光器，调Q激光器可以获得峰值功率更高、脉冲宽度更窄的输出激光。为了更精准地描述Pr：YLF脉冲激光器内部的运转特性，建立速率方程如下：

其中，式（1）和式（2）分别代表反转粒子数密度的变化方程和光子数密度的变化方程，式中Rp为泵浦抽运速率；N为反转粒子数；ϕ为腔内光子数；σ为受激发射截面；c为光速；τf为能级寿命；l为晶体长度；Lc为谐振腔长度；为腔内光子寿命；R为输出镜反射率；ξ为腔内损耗。调Q晶体损耗中的，其中为衍射效率；M2为品质因数；H为声场（声光晶体宽度）；L为声场（声光晶体长度）；PS为声功率。

通过龙格库塔法对上述速率方程进行求解，所用参数如表1所示。获得如下腔内光子数与反转粒子数密度随时间变化规律的仿真结果，如图2所示。

表1 数值模拟的参数

图2 腔内反转粒子数和光子数密度变化规律

从图2中可以看出，此时腔内反转粒子数密度以及光子数密度的形成周期为20 kHz，其中图2（a）表示反转粒子数密度随时间的变化规律，随着泵浦能量注入，使得谐振腔内大量积累反转粒子数，由于Pr：YLF激光的能级寿命为35.7µs，因此对于Pr：YLF激光器的调Q关门时间的操作存在极限，即调Q关门时间大于能级寿命时积累的反转粒子数与等于能级寿命时的上能级反转的积累量是相同的。因此在理论模拟中给定的调Q关门时间近似等于能级寿命时间。从仿真图中可以看到在35.7µs时刻由于完全打开Q开关，导致此时的谐振腔损耗突然下降，阈值随之下降，形成激光脉冲，如图2（a）、图2（b）所示，可以观测到上能级积累以及产生峰值光子的这一现象。根据这一仿真结果，对后续Pr：YLF调Q脉冲激光器实验提供了理论基础。

2 实验装置

高重频声光调QPr：YLF522 nm激光器的实验装置如图3所示，由于Pr3+在蓝光光谱范围内有较强的吸收峰，因此实验中采用444 nm半导体激光器作为泵浦源，其最大输出功率为12 W，泵浦光通过一个50 mm聚焦透镜聚焦到晶体中，谐振腔采用平-凹腔结构，输入镜在522 nm处镀有高达99.8%的反射率，在泵浦波长处有99.5%的透光率。输出镜是曲率半径为100 mm的凹透镜，在522 nm处分别镀有透过率为1.5%、2.5%和4%的涂层。此外，在470～490 nm 和 590～650 nm的透射率均大于99.5%，以抑制这种高增益发射。所使用的激光增益介质是一个无涂层的a轴切割Pr：YLF晶体，尺寸为3 mm ×3 mm ×5 mm。该Pr：YLF晶体的掺杂浓度为0.5a.t%。该晶体的泵浦吸收率约为58%。另外，为了防止晶体热断裂将其包裹在银箔中，安装在一个设定温度为18℃的水冷铜块中。将声光Q开关放置在光路中来获得高峰值功率激光，信号由声光调制器产生，如图4所示。示波器选用泰克DPO3054。声光调制器产生由高电压和低电压信号组成的双台阶信号，其电压和持续时间是可控的，滤光片是用来阻挡泵浦光的。最终，输入镜和输出镜之间的腔长优化至108 mm。

图3 Pr：YLF声光调Q激光器装置示意图

图4 信号发生装置波形图

3 实验结果与讨论

首先实验中分别研究了输出镜曲率半径R=100 mm，透过率T=1.5%、2.5%、4%的522 nm绿光的连续运转特性。实验测量了522 nm连续光的输出功率与晶体吸收功率的关系，如图5所示。

图5 连续运转下输出功率特性曲线

从图中可以看出，522 nm基频光的功率随着晶体吸收功率的增加而增加，当吸收功率为7.44 W时，透过率T=4%时，522 nm输出最高功率1.273 W，此时腔长为97 mm。然后将声光调Q晶体至于腔内，测量了重复频率为20 kHz时的输出功率，同时测量了在不同吸收功率下脉冲能量和脉冲宽度的变化，其变化关系如图6、图7所示。

图6 20 kHz重复频率下的平均功率随吸收功率的变化关系

图7 20 kHz重复频率下脉冲宽度与脉冲能量随吸收功率的变化关系

从图6中可以看出，在腔内插入声光调Q晶体后，激光振荡阈值从2.116 W升至3.132 W，相比于无声光调Q，其输出功率与光学效率均有所下降，在吸收功率为5.69 W时，调Q脉冲最大平均功率为106 mW。造成这种现象的主要原因是声光调Q晶体具有一个初始损耗，该损耗会间接地增加激光器的谐振腔损耗，继而造成阈值升高，激光器光学效率降低，导致激光器功率下降。从图7可以看到随着吸收功率的升高，脉冲宽度越来越窄，脉冲能量随之增大，吸收功率5.69 W处，输出脉冲能量为5.3µJ，对应的脉冲宽度为50.48 ns。此时谐振腔长度为108 mm。

图8（a）和图8（b）分别为重复频率为20 kHz时的脉冲序列和最窄脉冲宽度示意图，从图8（a）中可以看出，实验中获得的脉冲序列与模拟中的腔内反转粒子数及光子数形成周期完全相同，即在调Q频率设置为20 kHz时，脉冲周期为50 µs。

图8 重复频率为20 kHz时的脉冲序列图和最窄脉冲宽度

4 结论

文中首先在理论方面建立了Pr：YLF声光调Q四能级速率方程，并对其进行了数值求解，为实验开展提供理论依据。实验中首先采用不同透过率的输出镜研究了Pr：YLF连续激光输出特性，实验结果表明当输出镜透过率T=4%时，输出激光特性最好，输出功率最高。在连续激光实验获得最佳激光参数后，进一步实现了声光调Q绿光输出，当晶体吸收功率为5.69 W、重复频率为20 kHz时，获得522 nm绿光输出功率106 mW，输出脉冲能量为5.3µJ，对应的脉冲宽度和峰值功率分别为50.48 ns和105 W，并与前述理论模拟结果进行了对比，验证了理论的正确性。该实验为实现绿光脉冲激光输出提供了技术基础，并且对于进一步实现261 nm紫外脉冲激光器有重要指导意义。