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高光束質(zhì)量、高功率輸出Tm:YLF激光器

近日,哈爾濱工業(yè)大學(xué)姚寶權(quán)教授團(tuán)隊(duì)采用反射式體布拉格光柵(RBG)作為Tm:YLF板條激光器的輸出鏡,并采用主動制冷的方式對VBG進(jìn)行散熱來遏制激光器的波長漂移,在保證激光器具有良好的模式匹配的同時(shí),采用腔內(nèi)雙晶體串聯(lián)和雙端泵浦晶體的結(jié)構(gòu),提高了Tm:YLF激光器的輸出功率,改善了百瓦功率水平下Tm:YLF激光器的光束質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)了輸出功率為202 W、光束質(zhì)量因子小于等于4的1.9 μm連續(xù)激光輸出。研究成果發(fā)表在High Power Laser Science and Engineering 2021年第4期。

激光器結(jié)構(gòu)如圖1所示,包括792 nm 150 W LDs及其光束變換系統(tǒng),45° 792 nm折返鏡M2(HR@792 nm)、反射式體布拉格光柵(VBG)、凹面反射鏡M3 ( HR@1.9 μm、曲率半徑R=200 mm)、Tm:YLF晶體、二色鏡M1(AR @ 792 nm &HRs @1.9 μm)。其中所用光纖耦合LDs的芯徑為400 μm,數(shù)值孔徑為0.2,在最大輸出功率下的中心波長為792 nm附近。

另外,泵浦光所使用的光束變換系統(tǒng)由焦距為13 mm和55 mm的球面透鏡組成。所用Tm:YLF晶體沿a軸方向切割,其尺寸大小為2 mm×6 mm×40 mm,摻雜濃度為2at.%。實(shí)驗(yàn)所用VBG的通光孔徑為3 mm×4 mm,厚度為2.4 mm,在1907.3 nm處的衍射效率約為58.4%,光譜選擇性小于0.7 nm。

當(dāng)注入泵浦功率為553 W時(shí),輸出功率達(dá)到了202 W,對應(yīng)的光光轉(zhuǎn)換效率為36.5%,斜率效率為39.7%。激光中心波長為 1908.5 nm,線寬(半高全寬)為 0.57 nm,如圖2所示。同時(shí),隨著激光功率從 30 W 增加到 202 W,對VBG采用微通道散熱后的激光波長漂移約為 1.0 nm,波長被限制在 1908 nm 附近的兩條水吸水線,有效避免了因波長漂移至水吸收線而引起的激光器損壞。與此同時(shí),相對以往報(bào)道的百瓦的LD堆疊泵浦的Tm激光器來說,該激光器具有相對較好的光束質(zhì)量。在 200 W 的功率水平下,x和y方向的光束質(zhì)量因子M2分別為 2.3 和 4.0。測試結(jié)果及遠(yuǎn)場光斑形態(tài)如圖3所示。

 

近年來,由于2 μm波段的激光具有位于大氣傳輸窗口、人眼安全區(qū),以及強(qiáng)的水吸收帶等諸多優(yōu)勢,因此它在激光醫(yī)療、激光雷達(dá)、遙感,以及3~5 μm非線性頻率轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域有著非常廣闊的應(yīng)用前景。在室溫下,摻雜三價(jià)稀土鈥(Ho)離子的激光晶體具有較長的上能級壽命和較大的發(fā)射截面,是一種高效的 2 μm 固體激光介質(zhì)。而摻銩(Tm)材料作為Ho激光器的優(yōu)質(zhì)泵浦源具有以下幾個(gè)突出的光學(xué)性質(zhì),包括寬的發(fā)射帶寬,長的激光上能級壽命,以及高的量子效率。目前關(guān)于輸出功率高達(dá)200 W的Tm:YLF激光器的報(bào)道很少,而且僅有的百瓦量級的報(bào)道也是基于LD堆疊泵浦結(jié)構(gòu),這種泵浦方式會導(dǎo)致一個(gè)方向上的光束質(zhì)量很差, M2因子往往會達(dá)到上百的水平,大大局限了其應(yīng)用范圍。而本研究在既保證具備良好的光束質(zhì)量的同時(shí),又實(shí)現(xiàn)了Tm:YLF激光器的高功率輸出。

目前團(tuán)隊(duì)正在使用該激光器對泵浦Ho:YAG振蕩器及其放大器等方面的應(yīng)用進(jìn)行研究,測試其泵浦Ho:YAG調(diào)Q激光器的整體性能和效果,以求獲得兼具高輸出功率和良好光束質(zhì)量的2 μm脈沖激光,為后續(xù)展開的高功率中長波紅外激光的研究工作做好鋪墊。

 


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