双波长连续锁模Tm:LuAG固体激光器

Dual Wavelength CW Mode-Locked Tm: LuAG Solid State Laser

摘要: 本实验以InGaAs半导体可饱和吸收镜(SESAM)作为锁模启动元件在Tm:Lu3Al5O12 (Tm:LuAG)激光器中实现了双波长连续锁模运转。采用1.5%，3%和5%的输出镜，当腔内未插入SESAM时，最大连续输出功率分别为680 mW、1.09 W和1.4 W。当腔内插入SESAM后，仅在1.5%输出镜下实现了稳定双波长连续锁模运转，对应的输出波长为2020.3 nm和2023.2 nm，脉冲宽度为63.2 ps，重复频率为97.9 MHz，最大平均输出功率135 mW。结果表明：Tm:LuAG晶体是2 μm波段优良的双波长晶体。

Abstract: In this experiment, an InGaAs semiconductor saturable absorber mirror (SESAM) is used as a mode-locked starting element to realize dual-wavelength continuous-wave (CW) mode-locked operation in Tm:Lu3AL5O12 (Tm:LuAG) laser. With 1.5%, 3% and 5% output mirrors, the maximum CW output power is 680 mw, 1.09 w and 1.4 W respectively. When SESAM is inserted into the cavity, a stable dual-wavelength mode-locked operation is realized only with 1.5% output mirror. The corresponding output wavelengths are 2020.3 nm and 2023.2 nm; the pulse duration is 63.2 ps; the repetition rate is 97.9 MHz; the maximum average output power is 135 mW. The results show that Tm:LuAG crystal is an excellent dual-wavelength crystal in 2 μm band.

1. 引言

中红外波段的激光在国内外的工业、国防、医学中具有重要的应用价值，其中2~3 μm激光处于大气透明窗口，在眼科手术、痕量气体监测(如氨气NH₃监测，N₂O气体监测)以及大气遥感探测等应用方向起着举足轻重的作用 [1] [2]。该波段的高功率激光是产生3~5 μm中红外波段以及8~14 μm远红外波段光学参量振荡器和光学参量放大器十分理想的泵浦源。综上所述，获得2~3 μm的中红外光源(激光)具有十分重要的应用价值和科学意义 [3] [4] [5]。尤其是该波段的双波长锁模激光器，在太赫兹激光脉冲的产生和高精光谱分辨中具有重大的应用前景。

要想获得较高的峰值功率和较窄的脉冲宽度的超短激光脉冲，就必须采用锁模技术，就是使激光器中纵模各个相邻频率间的间隔相等并且固定为公式(1)，公式(1)为激光器纵模频率间隔，其中c为光的传播速率3.0 × 10⁸ m/s，L为激光器的腔长。并且要保持相同的相位差 [6]。

$\Delta v_{\text{q}}=v_{q+1}-v_q=\frac{c}{2L}$ (1)

本文采用的是被动锁模，被动锁模即在激光谐振腔内插入一些可饱和吸收材料，来调节激光腔内色散和损耗，使其满足锁模条件时，就会产生一系列的锁模脉冲。

被动锁模材料有诸如单壁碳纳米管(SWCNTs)、双臂碳纳米管(DWCNT)、半导体可饱和吸收镜(SESAM)、过渡金属二硫化物和石墨烯等，其中较为常用的锁模元件就是SESAM，自从SESAM首次应用于Nd³⁺:YLF激光器实现锁模后，SESAM锁模技术打开了超快脉冲激光领域的大门 [7] [8] [9] [10]。SESAM锁模技术在2 μm波段的激光应用也颇为广泛，SESAM因性能稳定、操作简单、结构紧凑等优点，已被广泛应用于各个领域，其中铟镓砷衬底的SESAM被广泛应用于2微米掺铥激光晶体的锁模 [11] [12]。

(Lu₃Al₅O₁₂)晶体具有良好的导热特性和较宽的发射光谱，还具有良好的化学辐射稳定性、较强的机械硬度和优异的导热性，因此其是作为固体激光增益介质的理想选择。Tm:LuAG晶体有两个吸收峰(782 nm和788 nm)和三个发射峰(1780 nm、1884 nm、2023 nm)，从Tm:LuAG晶体的光谱图来看其发射光谱大致是连续分布的，因此Tm:LuAG晶体可以作为连续可调谐激光的晶体 [13] [14] [15] [16]。在晶体结构上Tm:LuAG晶体与YAG (Y₃Al₅O₁₂)在分子结构上较为相似，均属于立方晶系，因此二者在物理性质上也较为相近，导热率除外，因为YAG晶体的导热率会随着掺杂浓度(如掺Tm³⁺、Ho³⁺)的增加而下降，这会引起“热透镜效应”，相反Tm:LuAG晶体的导热率不会随着掺杂浓度的增加而变化 [17]，因此可以在较高的掺杂浓度下实现高功率运转。由于Tm:LuAG晶体中Tm³⁺和Lu³⁺的质量相差不大，对原子之间的共振能量传递是较为有利的，此外Tm:LuAG晶体的吸收波长为788 nm和782 nm，这个波段有效的避开了水的吸收波段，从而激光在空气中传播损耗小，受水和二氧化碳吸收影响较小，利于泵浦源泵浦，从而功率损失小，更利于产生高功率超短脉冲激光 [18]。Tm:LuAG晶体的上能级荧光寿命约为11.9 ms，这样导致激光输出阈值较低，有利于实现高能量调Q输出。且晶体的发射截面小，量子效率高，易获得连续激光锁模 [19] [20]。

2004年K. Scholeberg等人利用LD泵浦Tm:LuAG激光器实现了激光用于空间激光雷达系统主振荡器单模运转 [21]，2019年我们组在Tm:LuAG晶体利用自制的双壁碳纳米管(DWCNT)实现了双波长调Q锁模瓦级激光器，输出波长为2016 nm和2032 nm，当泵浦功率调至20 W时，激光器最大调Q锁模运转平均功率为1.092 W，其斜效率为6.11%，调制深度近似为100%，重复频率为106.4 MHz。同年哈尔滨工业大学陈毅等人以790 nm LD作为泵浦源在Tm:LuAG中实现了声光锁模输出平均功率为335 mW，波长为2023.2 nm，在81.60 MHz的重复频率下，脉冲宽度为240 ps。2020年我们利用790 nm LD作为泵浦源在Tm:LuAG晶体中实现了调Q锁模运转，其最大平均输出功率为200 mW，重复频率为108.7 MHz，调制深度接近100% [22]，为实现全固态商业化的Tm:LuAG激光器奠定了基础 [23]。

纵观国内外研究报道，Tm:LuAG激光器相关研究比较少。本文中实验采用实验室自搭建的掺钛蓝宝石激光器作为抽运源，用传统经典5镜X型腔，在用提拉法生长的Tm:LuAG晶体所搭建的X型折叠腔中插入SESAM实现了双波长连续锁模，获得了最大平均输出功率为135 mW，脉冲宽度为63.2 ps，重复频率为97.9 MHz，输出光波长分别为2020.3 nm和2023.2 nm的双波长连续锁模激光输出。

2. 实验装置

自搭建掺钛蓝宝石激光器抽运的Tm:LuAG被动锁模激光器的实验装置如图1所示，本实验采用经典传统X型5镜折叠腔结构，这样做的目的是能够获得较高的腔内功率密度，尽可能的降低腔内损耗，更易于实现锁模。图中掺钛蓝宝石激光器最大激光输出功率为7 W，调谐范围为720~850 nm，调节腔内双折射滤光片使抽运源激光调谐至787.2 nm，即调谐至本次实验所用Tm:LuAG晶体的一个强吸收峰，将抽运源的输出光通过聚焦镜L (f = 150 mm，对抽运光的透过率T > 95%)和泵浦镜M1 (曲率半径为100 mm)，聚焦到3 × 3 × 5 mm³，4% Tm³⁺ a切布儒斯特角通光面抛光的晶体中心，输出半径为14 μm的抽运光斑，抽运光斑继续穿过Tm:LuAG晶体到M2平凹镜(曲率半径为75 mm)，其中M1和M2镜对780~800 nm的光透过率 > 97%，对1850~2150 nm的光反射率R > 99%，M1和M2均为德国Layertec生产，M3为平凹反射镜(R = 100 mm)，对1850~2150 nm的光反射率R > 99%，曲率半径为100 mm目的是为了保证激光稳定运行且大于SESAM的饱和通量，在进行连续光实验时，M4所在的位置即为图1中SESAM的位置，将SESAM插入腔内即把M4替换为SESAM，放在平凹反射镜的焦点附近，M4为平面反射镜。根据ABCD矩阵理论，模拟计算腔内振荡光，计算出Tm:LuAG晶体中光束腰半径约为28 μm，实验中采用的SESAM参数为SAM-2000-2-10ps-4.0-25.0s-e，抽运光在晶体光斑大小为28 μm，抽运系数接近0.5，即抽运光束腰半径(光斑大小)与振荡光束腰半径的比值等于0.5。

为了减少晶体在运转时由于温度高而产生的热透镜效应，本实验采用恒温水冷循环系统对实验使用的晶体进行控温。再将晶体包裹在铟箔中并将其嵌入紫铜水冷夹中，紫铜水冷夹通过环形水管与水冷设备连接，水冷设备温度恒温控制在12℃，温控精度 ≤ 0.2℃，通过微调SESAM的距离，SESAM的腔束腰变化范围会很宽 [24]。

由于抽运光在增益介质中分布不均匀，光斑在增益介质中横向纵向径向的功率密度均有微变化，因此为了得到激光器的最佳效率，就需要考虑抽运光与振荡光空的模式匹配 [25]。考虑抽运条件下最佳透过率公式(2)，式中δ₀为实验中腔内固有损耗，N为Tm:LuAG晶体的折射率，结合腔内色散损耗以及平凹镜镀膜工艺等因素，本实验选择输出镜为1.5%、3%和5%的输出镜。

$T_{out}=\sqrt{N{\delta }_0}-{\delta }_0$ (2)

Figure 1. Experimental setup schematic

图1. 实验装置原理图

3. 实验结果分析与讨论

实验环境温度控制在20℃左右，湿度控制在30%以下，先进行连续光运转实验，即先在激光谐振腔内不插入SESAM，实现了Tm:LuAG激光器的连续波运转。在无激光运转条件下，Tm:LuAG晶体对泵浦光的吸收率约为89.8%，选用了3种不同的透过率输出镜进行实验，在5%的输出镜下最大输出功率为1.4 W，对应斜效率为47.25%，采用1.5%和3%的输出镜，最大输出功率分别为680 mW和1.09 W，对应斜效率分别为22.45%和36.25%。连续光运转下，输出功率和泵浦功率关系，如图2所示。

Figure 2. The average output power of continuous wave versus the pump power

图2. 连续光输出功率随泵浦功率变化图

为实现锁模实验，实验中选用了1.5%的输出镜，因为其可以降低腔内损耗，提高腔内功率密度，从而启动锁模运转。在谐振腔中插入SESAM，并仔细调整SESAM与反射镜的位置。如图2所示，连续光出光阈值(晶体吸收泵浦功率)为54 mW。如图3所示，连续锁模的阈值为1157 mW，即当晶体吸收功率为1157 mW时激光器进入稳定的连续锁模状态；连续锁模的阈值比连续光的阈值高，这是由于腔内插入SESAM导致腔内损耗增大 [26] [27]。因此，连续锁模的阈值要高于连续光出光阈值。

Figure 3. The average output power of mode locking versus the pump power

图3. 锁模输出功率随泵浦功率变化图

在最大泵浦功率为3.14 W时，激光器最大连续锁模平均输出功率为135 mW，斜效率为6.5%，当泵浦功率进一步增大时，由于高功率泵浦光在晶体内引入了高强热负荷，导致连续锁模变得不稳定。由实验数据可知，选用3%和5%输出镜下的输出功率和斜效率更高，但腔内损耗大难以启动锁模运转，而1.5%输出镜下的启动阈值更低易于获得锁模运转，因此，在锁模实验中我们选择了1.5%的输出镜。本实验的连续锁模是自启动的，在实现连续锁模激光输出后在实验环境下保持锁模稳定。为了测得本实验的锁模参数以及稳定性，采用快速光电二极管(ET-500)连接美国力科示波器(LeCroy WaveRunner8254M)测量脉冲序列，如图4所示，图中连续锁模脉冲序列的扫描时间为200 μs/div，锁模脉冲序列的重复频率为97.954 MHz，根据激光锁模重复频率理论公式1，可知其与1.5 m腔长重复频率相对应。

Figure 4. Mode-locked pulse trains

图4. 锁模脉冲序列

在锁模运转状态下，我们采用自相关仪对锁模脉冲宽度进行测量，结如图5所示，锁模脉宽为63.2 ps。试验中发现，当腔内功率密度增加到一定程度调节端镜至某个固定位置时，激光锁模进入双波长运转状态，利用德国布鲁克光谱仪(INVENIO-R)测量锁模双波长光谱如图6所示，光谱具有两个输出峰分别为2020.3 nm和2023.2 nm。

Figure 5. Pulse width diagram of mode locking

图5. 锁模脉冲宽度

Figure 6. RF spectrum of CWML Tm:LuAG laser

图6. 连续锁模Tm:LuAG激光器光谱图

4. 结论

综上所述，本文采用自搭建的掺钛蓝宝石激光器作为抽运源，利用铟镓砷SESAM作为锁模启动元件在Tm:LuAG全固态激光器中实现了连续锁模运转。当选用5%的输出镜时，连续光最高输出功率为1.4 W，斜效率为44.5%。腔内插入SESAM时，实现连续锁模的泵浦阈值功率为1.3 W。当最大泵浦功率为3.14 W时，最大连续锁模输出功率为135 mW，对应的斜效率为6.5%，对应脉宽为63.2 ps。结果表明Tm:LuAG晶体有望成为2 μm波段高功率双波长固体激光晶体的优秀候选晶体，下一步我们将提高抽运功率，改善腔内损耗，优化谐振腔参数，进一步提升实验效果，得到较窄的脉宽和更高的功率。

基金项目

国家自然科学基金(批准号：11774257，61564008，11647008，11504416)、甘肃省高等学校产业支撑计划项目(批准号：2020C-23)、天水市科技支撑计划自然科学基金项目(2018-FZJHK-3392)、天水师范学院研究生创新引导项目(TYCX1901)。

NOTES

^*通讯作者。