物电学院2微米板条激光器研究取得系列进展

时间:2017-02-24浏览:370设置

2μm板条激光器研究取得系列进展

  

2 μm波段激光处在大气窗口、水的强吸收带和人眼安全区,在透明塑性材料加工、大气环境监测(CO2, N2O等气体在2 μm波段有吸收峰)、临床医学治疗(如高精确组织切除、牙科手术等)、激光雷达、自由空间光通信等领域具有重要的应用,而且还可以作为ZnGeP2等中红外光参量振荡器及Cr2+激光器的泵浦源。利用半导体激光器(LD)泵浦Tm3+掺杂增益介质产生2 μm波段激光一条最直接的技术路径,具有结构简单、稳定性好、效率高等优点。Tm3+800 nm左右有较强的吸收,可以与目前成熟的商品化AlGaAs LD的发射波长相匹配,从而实现直接LD抽运全固态2 μm波段激光运转。

热效应是限制固体激光器输出高功率、高光束质量的最主要因素,而2 μm掺铥激光介质在~800 nm LD泵浦下的热效应尤为严重。板条结构的晶体比棒状晶体有更大的散热面,可以有效的降低晶体的热效应导致的热透镜效应和热致双折射效应。如果采用板条的两个大面通过热传导冷却,热梯度和热应力主要发生在厚度方向,板条内部可以近似为一维温度梯度。基于泵浦光场、激光场和热场之间相互耦合的物理过程,江苏师范大学物理与电子工程学院沈德元、黄海涛课题组建立了3D热模型及改进的速率方程组,对激光和热的耦合场进行了细致分析[Opt. Commun., 332, 332-338 (2014)];采用高效能微通道水冷热沉,对板条介质的热应力进行有效补偿,通过对谐振腔及板条参数优化选择,设计并实现了LD端面泵浦掺铥板条激光器的高效运转,在传统的稳腔运转时取得了以下结果:先后在单块Tm:YAG陶瓷和晶体板条中获得了52 W100 W的连续激光输出,输出光斑呈现典型的长条状分布,板条厚度方向的光束质量因子M21左右,而长度方向M2 >100 [Appl. Phys. B, 118, 533-538(2015)Appl. Opt., 55, 2498-2502(2016)],以上结果为目前Tm板条晶体和陶瓷激光器在2 μm波段的最高输出功率。在调Q运转方面,实现了20.7 mJ 声光调Q TmYAG板条激光器运转,相应的脉冲重复频率和脉冲光宽度为1 kHz84 ns [Opt. Commun., 372, 241-244(2016)];利用电光调Q开关,进一步获得了指标为58 ns1 kHz7.5 mJ2 μm激光输出[Opt. Mater., 60, 350-354 (2016)]

为获得高功率激光输出,就要增大激光介质的孔径,而增大激光介质的孔径,光束质量会大程度地退化,同时实现高功率、高光束质量激光输出是全固态激光器面临的一个难题。部分端面泵浦板条激光器(Innoslab laser)为该难题提供了一种有效的解决方案。Innoslab laser是端面泵浦板条介质和混合谐振腔相结合产生的一种新型全固态激光技术。部分端面泵浦是指将泵浦光整形为截面为细条状长方形且光强分布均匀的光斑,并入射至板条介质端面,泵浦光只泵浦了介质的一部分,使得板条中央的增益层呈薄片状。混合腔指在板条厚度方向上采用稳腔结构,从而实现泵浦光与激光模体积较好地匹配,有利于提高输出激光功率和改善光束质量;而在板条的宽度方向上采用具有很好选模作用的离轴共焦非稳腔,可以在该方向上得到近似平行光的激光输出。课题组首次报道了基于Innoslab结构的2 μm波段激光器,在单块Tm:YAG板条中实现了稳腔方向M2因子1.44、非稳腔方向M2因子1.23的近衍射极限激光输出,最大输出功率36.4 W,斜效率23.4% [Laser Phys. Lett., 14, 045805 (2017)]。结果表明端面泵浦板条混合腔结构是实现高功率、高光束质量2 μm波段激光输出的有潜力的方案。

此外,课题组还在2 μm板条激光器新现象探索、新型氧化物陶瓷激光性能表征及基于新型饱和吸收体的短脉冲激光产生等方面开展了研究工作。采用体布拉格光栅(VBG)Tm:YAG陶瓷激光器中实现了宽范围、窄带宽的调谐激光运转[Chin. Opt. Lett., 13, 061404 (2015)];研究了热透镜效应驱动的2 μm激光双稳态运转特性及物理机制[Opt. Express, 23, 7619-7629 (2015)];实现了Tm, Ho:YAG陶瓷多波长激光运转,研究了Tm:YAG陶瓷激光器腔内泵浦Ho:LuAG陶瓷激光器特性[IEEE Photonics Journal,8, 1504007(2016); Chin. Opt. Lett., 12, 121405, (2014)]Tm:Y2O3陶瓷中获得了7.25 W连续激光及最小脉冲宽度为115 ns的调Q激光输出,中心波长在2050 nm左右[Opt. Mater. Express 7, 296-303 (2017)];采用金纳米棒作为饱和吸收体,首次在2 μm Tm:YAG激光器中实现了纳秒量级调Q脉冲运转,最大单脉冲能量为4.94 μJ,相应的脉冲宽度和重复频率分别为896 ns 77 kHz[Optics Letters, 41, 2700-2703 (2016)]

以上研究工作得到了江苏省先进激光技术与新兴产业协同创新中心、江苏省先进激光材料与器件重点实验室、江苏高校优势学科建设项目、国家自然科学基金等的资助和支持。

2μm Innoslab 激光器


同栏目信息

热点信息

[an error occurred while processing this directive]

地址:江苏省徐州市铜山新区上海路101号7号楼
邮政编码:221116 电话:0516-83500485
E-mail: phy@jsnu.edu.cn