基于简易线性腔的高重复频率、高平均功率Tm:YAP克尔透镜锁模激光器

High Repetition Rate and High Average Power Tm:YAP Kerr-Lens Mode-Locked Laser Based on a Simple Linear Cavity

摘要: 采用简单的线性结构，首次实现了脉冲重复频率为GHz的克尔透镜锁模Tm:YAP激光器。实验中无需在谐振腔中加入任何附加器件，仅依靠晶体的三阶非线性效应即可实现锁模。在泵浦功率为7.27 W时，激光器已能在连续锁模状态下稳定运行。当泵浦功率增加至9.66 W时，在2068 nm处获得了2.80 W的最大平均输出功率，脉冲宽度为33.61 ps，重复频率高达3.04 GHz。这是Tm离子掺杂自锁模固体激光器的最大输出功率。该工作为在2 μm波段产生高功率、高重复频的超快脉冲激光提供了一种新的途径。

Abstract: A Kerr-lens mode-locked Tm:YAP laser operating at a gigahertz-level pulse repetition frequency was first demonstrated using a simple linear cavity configuration. Mode locking is achieved exclusively through the third-order nonlinearity of the crystal, without requiring any additional optical components in the resonant cavity. Stable continuous mode-locking operation is realized at a pump power of 7.27 W. When the pump power is increased to 9.66 W, a maximum average output power of 2.80 W is obtained at 1991.2 nm, with a pulse width of 33.61 ps and a repetition frequency as high as 3.04 GHz. This represents the highest output power achieved in self-mode-locked solid-state lasers doped with Tm ions. This work provides a new approach for generating high-power, high-repetition-rate ultrafast pulses in the 2 μm wavelength band.

1. 引言

发射波长在2 μm波段的超快激光具有脉冲宽度窄、峰值功率高等特点，被广泛应用于超快动力学研究、高精度有机材料加工、激发高次谐波等诸多领域[1]-[6]。基于Tm离子的³F₄→³H₆能级间辐射跃迁，被视为实现2 μm波段激光输出的理想机制之一。此外，泵浦过程中能级间的交叉弛豫现象可有效提升泵浦光利用率，进而可实现更高效的激光输出。迄今为止，Tm离子掺杂2 μm超快脉冲激光器已在多种基质材料中通过主动锁模与被动锁模技术实现[7]-[14]。从这些报道来看，主动锁模技术在实现高重复频率和高输出功率方面有一定优势，但因不可避免调制器件引入的额外损耗、会有输出脉冲宽度较宽、稳定性欠佳等问题。被动锁模技术具有结构简单、输出脉冲窄等优势，但由于可饱和吸收体受波长影响较大，且低饱和通量和低抗损伤阈值，使其在高功率应用中面临挑战，同时因可饱和吸收体的加入使其很难实现高重频激光输出。基于高功率、高重复频率2 μm脉冲在光通信、光谱学及精密光学采样等领域展现的显著吸引力，提升其输出功率和重复频率的研究具有重要意义，这就需要通过新型调制机制与紧凑化结构设计得以实现。

自锁模是一种被认为适合高功率、超快脉冲激光输出的特殊的锁模方式，其主要机理是利用激光增益介质本身的克尔效应引发光束自聚焦，自聚焦效应与抽运激光聚焦在增益介质内形成的三维光阑(软光阑)相结合，相当于一个快饱和吸收体，对脉冲的前后沿起压缩作用，从而实现锁模。目前，基于Yb离子和Nd离子掺杂的克尔透镜锁模(KLM)超快固体激光器已在1 μm波段得到广泛研究[15]-[21]；与之相比，2 μm附近的KLM技术因克尔效应较弱且存在强水分子吸收带而面临显著挑战[22] [23]。第一台Tm³⁺掺杂自锁模超快固体激光器在2017年才被报道出来，该激光器利用Er:Yb光纤主振荡器功率放大器对Tm³⁺:Sc₂O₃单晶进行带内泵浦，实现了重复频率为95 MHz功率为1 W的脉冲输出[24]，需要指出的是该系统重复频率较低且结构相对复杂。同年CHO等人通过抑制自脉冲现象成功实现了克尔透镜锁模的Tm:YAG固体激光器，输出功率高达1.22 W，脉冲宽度低至3 ps，重复频率高达3.376 GHz。该研究为2 μm波段低成本泵浦自锁模激光器的高功率、高重复频率超快脉冲的发展提供了新的思路[25]。

Tm:YAP晶体是一种极具潜力的中红外激光增益介质，已在连续激光器和调Q激光器中得到证实[26]-[29]。该晶体具有较大的非线性折射率(n₂ = 7.3 × 10⁻¹ cm²∙W⁻¹)，使其更容易实现自锁模操作[30]。高受激发射截面、优异的机械强度、良好的热导率以及较高的断裂应力，这些特性不仅能够有效降低断裂风险，同时也更有利于实现高效的激光输出。此外，较宽的发射谱线可使其具备良好的调谐潜力，可有效避免空气中水和二氧化碳的强烈吸收，有利于实现更稳定的激光输出。基于上面的事实，有可能实现高功率稳定的自锁模Tm:YAP激光器。

在这篇文章中，我们首次报道了一种基于紧凑型双凹腔结构的高功率、高重复频率自锁模Tm:YAP激光器。实验表明，其脉冲重复频率高达3.04 GHz。在入射泵浦功率低至7.27 W时即可产生稳定的连续自锁模脉冲激光。当泵浦功率增加至9.66 W时，激光器的最大平均输出功率达到2.8 W，对应的斜率效率和光–光转换效率分别为31.9%和28.9%。据我们所知，这是迄今为止基于Tm掺杂自锁模激光器中实现的最高平均输出功率。

2. 实验装置

GHz自锁模Tm:YAP激光器实验装置如图1所示。泵浦源是一个输出波长为792 nm的商用激光二极管，光纤直径为100 μm数值孔径为0.22，最大输出功率为12 W。泵浦光首先通过一个焦距为40 mm的准直镜(L1)进行准直，然后通过一个焦距为75 mm的汇聚透镜(L2)进行聚焦，泵浦光在晶体中的光腰半径约为94 μm。增益介质选用沿c轴切割、掺杂浓度为5at.%的Tm:YAP晶体，其尺寸为3 × 3 × 5 mm³，前后端面均镀有792 nm和1.9~2.1 μm的增透涂层(R < 0.5%)。为确保激光输出稳定，使用铟箔包裹晶体后将其装入紫铜镀铬的热沉中，借助热电制冷片将晶体温度精准控制在288 k，同时配备水循环装置对热电制冷片进行降温处理。输入镜(M1)是曲率半径为100 mm镀有792 nm高透(T > 97.5%)和1.9~2.1 μm高反膜(R > 99.5%)的凹面镜，输出耦合器(M2)采用在1.9~2.1 µm透射率为10%曲率半径为50 mm的凹面镜，用于研究自锁模Tm:YAP激光器的输出性能。实验中使用一个相干公司的功率计(PM30, Coherent)对平均输出功率以及功率稳定性进行测量；利用上升时间为28 ps的InGaAs PIN红外快速探测器(ET-5000, Electro-Optics Technology)连接一个带宽为8 GHz的示波器(MSO64 6-BW-8000，Tektronix，上升时间50 ps)对锁模脉冲波形进行检测；借助带宽为32 GHz的射频谱分析仪(N9010B, Keysight)对自锁模激光频率谱进行测量；采用波长计(771A, Bristol)测量输出激光的光谱；同时运用光束质量分析仪(WinCamD-IR-BB, Data Ray)对输出激光的光斑轮廓及尺寸进行分析。

Figure 1. Experimental setup of the self-mode-locked Tm:YAP laser

图1. 自锁模Tm:YAP激光器实验装置

3. 谐振腔设计

因需要实现稳定的自锁模激光输出，因此需考虑泵浦光与腔内激光的模式匹配问题，通过计算不同泵浦功率下的热透镜效应，并结合ABCD矩阵光学谐振腔理论，得到激光振荡光斑半径随泵浦功率的变化规律，如图2所示。图中绿色实线代表振荡光光斑半径，红色划线代表泵浦光的光斑半径，可以看出当泵浦功率超过7.5 W时，振荡光光斑半径稳定维持在126 μm左右，该腔模参数完全满足激光器自锁模运行的腔模比要求。

Figure 2. Variation of oscillation spot radius with injected pump power

图2. 振荡光斑半径大小随注入泵浦功率的变化关系

4. 结果与讨论

通过精细调节激光谐振腔和泵浦光斑在激光晶体中的位置，成功实现了Tm:YAP激光器稳定的自锁模操作，其平均输出功率随入射泵浦功率的变化关系如图3所示。激光器的阈值在0.876 W左右，在注入泵浦功率小于7.27 W时，激光器运转在不稳定的调Q锁模状态，这是由于Tm离子的基态重吸收效应造成的，图3插图(a)展示了时间跨度为20 μs的调Q锁模脉冲序列。随着注入泵浦功率的增加，基态重吸收逐渐被漂白，在注入泵浦功率大于7.27 W时调Q锁模现象消失，获得了稳定的连续自锁模激光输出；插图(b)展示了达到连续锁模后时间跨度20 μs的脉冲序列。继续增加泵浦功率，输出功率随泵浦功率线性增加，自锁模Tm:YAP激光器一直为稳定的连续锁模状态。在注入泵浦功率为9.66 W时，获得了最高的平均输出功率2.80W，斜率效率和光光转换效率分别为31.9%和28.9%。为保护谐振腔不被损坏，注入泵浦功率没有进一步增大。

Figure 3. Average output power of the self-mode-locked Tm:YAP laser as a function of incident pump power. The insets show typical mode-locked pulse trains in the Q-switched mode-locking and continuous mode-locking regimes, respectively

图3. 自锁模Tm:YAP激光器平均输出功率随入射泵浦功率的关系，插图分别展示了调Q锁模和连续锁模状态中的典型锁模脉冲序列

在最高平均输出功率下，测量了输出光谱，如图4所示，光谱结果表明，中心波长为1991.2 nm，对应的线宽为0.30 nm。使用带宽为8 GHz的示波器测量记录了时间跨度为4 ns和1 μs的脉冲序列，如图5所示。相邻两个脉冲的间隔约为329 ps，这对应于谐振腔的往返时间。从波形可以看出，输出的锁模激光脉冲序列平整且没有直流信号，说明所得到的锁模脉冲较为稳定。由于示波器带宽原因，我们未能测得真实的脉冲宽度，同时因实验室使用的自相关仪灵敏度和损伤阈值较低，实验中也未能获得自相关信号。根据傅里叶变换关系，在高斯拟合下锁模激光器时间带宽积最小值为0.44，因此可以估算出锁模脉冲宽度的最小值为20.07 ps，根据以前的研究，实际锁模脉冲的上升时间可以定义为[31]。

$t_r=\sqrt{t_m^2-t_p^2-t_0^2},$

式中，t_r为实际锁模脉冲的上升时间，t_m为数字示波器测量到的脉冲的上升时间，t_p为高速InGaAs光电探测器的上升时间，t₀为数字示波器的上升时间，上升时间分别为63.30 ps，28 ps和50 ps。可以计算出真实的脉冲宽度约为33.61 ps，对应的时间带宽积为0.74，表明脉冲是频率啁啾的。

Figure 4. Spectrum of the self-mode-locked Tm:YAP laser at the maximum average output power

图4. 自锁模Tm:YAP激光器在最高平均输出功率下的光谱

Figure 5. Pulse temporal sequences of the self-mode-locked Tm:YAP laser at time scales of 4 ns and 1 μs

图5. 4 ns和1 μs下自锁模Tm:YAP激光器的脉冲时间序列

为进一步证明锁模脉冲的稳定性，在最高平均输出功率下，对自锁模Tm:YAP激光器的射频谱进行测量。图6(a)展示了频率跨度为14 GHz时的锁模激光射频谱信号，我们成功地观测到Tm:YAP自锁模激光器在3.04 GHz、6.08 GHz、9.12 GHz、和12.16 GHz的所有基频、二频、三频和四频，由于光电探头的带宽为12.5 GHz，因此未测量更大频率跨度的射频信号。同时测量了在频率跨度为80 MHz时的射频谱，如图6(b)所示，基频为3.04 GHz，与98.58 mm的光腔长度相匹配，输出锁模激光的射频谱信号信噪比大于50 dB，说明该自锁模激光器的稳定性较好。

在最大平均输出功率为2.80 W时，使用光束质量分析仪测量了自锁模Tm:YAP激光器的二维远场光束分布，如图7(a)所示。可以看出，输出激光为基横模(TEM00)，计算出沿着x方向和y方向上的M²因子分别为1.31和1.36。最后对自锁模Tm:YAP激光器半小时内的功率稳定性进行了测量，如图7(b)所示，在测量时间范围内，均方根误差(RMS)为0.39%，说明激光器输出较为稳定。

Figure 6. (a) Radio frequency spectrum of the continuous self-mode-locked Tm:YAP laser over a frequency range of 14 GHz. (b) Radio frequency spectrum of the continuous self-mode-locked Tm:YAP laser over a frequency range of 80 MHz

图6. (a) 在14 GHz的频率范围内，连续自锁模Tm:YAP激光器的射频谱。(b) 在80 MHz频率范围内的连续自锁模Tm:YAP激光器的射频谱。

Figure 7. (a) M² measurement of the self-mode-locked Tm:YAP laser at an average output power of 2.80 W (inset: showing the two-dimensional far-field beam profile). (b) Power stability measurement of the self-mode-locked Tm:YAP laser

图7. (a) 在2.80W的平均输出功率下的自锁模 Tm:YAP激光器的M²测量(插图：示出二维远场光束轮廓)。(b) 自锁模Tm:YAP激光器的功率稳定测量。

5. 总结

综上所述，我们成功实现了高重复频率、高输出功率、低阈值的克尔透镜锁模Tm:YAP激光器，在入射泵浦功率为9.66 W时，获得了最大的输出功率2.80 W，斜率效率和光光转换效率分别为31.9%和28.9%，在x和y方向M²因子分别为1.31和1.36，实验结果表明，Tm:YAP晶体在高功率、高重复频率超快激光器领域具有显著的应用潜力。

NOTES

^*通讯作者。