基于倍半氧化物Er∶Lu2O3的2.85 μm連續(xù)激光輸出

李曉敏

(山東協(xié)和學(xué)院基礎(chǔ)部，濟(jì)南　250109)

?

基于倍半氧化物Er∶Lu2O3的2.85 μm連續(xù)激光輸出

李曉敏

(山東協(xié)和學(xué)院基礎(chǔ)部，濟(jì)南250109)

文章研究了晶體Er∶Lu2O3的生長、光譜特性、熱傳導(dǎo)率和能級(jí)躍遷表現(xiàn)。室溫下采用971 nm的半導(dǎo)體激光器泵浦，獲得了1.4 W的2.85 μm連續(xù)激光輸出，斜效率為36%。這超越了斯托克斯系數(shù)，因?yàn)榈湍芗?jí)返回高能級(jí)粒子循環(huán)利用的的上轉(zhuǎn)換過程，產(chǎn)生了目前為止效率最高的3 μm激光輸出。在激光二極管泵浦下，獲得了5.9 W的激光輸出，斜效率為27%。

熱交換法； 熱傳導(dǎo)率； 3 μm激光器

1　引　言

2～3 μm波段的高功率固體激光器由于在環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療系統(tǒng)等方面的廣泛應(yīng)用，引起了大家的廣泛關(guān)注[1]。特別是3 μm波段高效率的水分子吸收，使其成為生物軟組織手術(shù)的有效工具[2]。為了獲得高質(zhì)量的穩(wěn)定的激光輸出，必須選擇具有最佳機(jī)械、光學(xué)和熱性能的激光基質(zhì)?？紤]到上述方面，立方稀土氧化物晶體(Y2O3, Sc2O3和Lu2O3,)與傳統(tǒng)的YAG (Y3Al5O12)晶體相比，具有較高的熱傳導(dǎo)率，較低的聲子能量成為最適合的激光基質(zhì)[3]。在這些氧化物晶體中，Lu2O3即使在高摻雜濃度下依然具有較高的熱傳導(dǎo)率，已經(jīng)被證明是對(duì)Yb, Tm來說最優(yōu)秀的基質(zhì)材料。最近報(bào)道了300 W的連續(xù)和141 W的飛秒Yb:Lu2O3激光輸出[4,5]，而且分別利用Tm:Lu2O3和 Ho:Lu2O3晶體已經(jīng)得到了斜效率高達(dá)40%和54%的2 μm的激光輸出[6,7]。

在790 nm或者974 nm的泵浦光下，良好的熱傳導(dǎo)率對(duì)于控制Er離子激光器由于量子缺陷引起的熱沉效應(yīng)是非常重要的。Er∶Lu2O3晶體在3 μm激光方面的潛能早在1998年就得到了大家的關(guān)注，Peters等[8]首次得到了基于Er∶Lu2O3的2.7 μm激光輸出。然而由于晶體質(zhì)量有限，摻雜濃度不合適等因素的影響，只獲得了毫瓦量級(jí)的、斜效率為3%的激光輸出。本文在不同的泵浦源下，研究了氧化物晶體Er∶Lu2O3的激光性能。在半導(dǎo)體激光器和激光二極管泵浦下，分別獲得了1.4 W和5.9 W的激光輸出，斜效率分別為36%和27%，此外還研究了不同摻雜濃度對(duì)熱傳導(dǎo)率和光譜特性的影響。

2　晶體光學(xué)性能研究

實(shí)驗(yàn)中所用的晶體Er∶Lu2O3是利用熱交換法生長得到的[9]。假設(shè)熱容量是恒定的，采用溫差法[10]測(cè)量了Er∶Lu2O3晶體的熱導(dǎo)率隨摻雜濃度的變化，并和傳統(tǒng)的YAG晶體進(jìn)行比較，如圖1所示。從圖中可以看出，隨著摻雜濃度的增加，摻鉺離子的氧化物晶體(15at% )Er∶Lu2O3相比未摻雜的Lu2O3晶體，其熱導(dǎo)率從12.6 Wm-1K-1降到了10.2 Wm-1K-1，僅降低了18%。因?yàn)镋r離子和Y離子之間的不同遠(yuǎn)大于Er離子和Lu離子之間的不同，所以在同樣的條件下，Er∶YAG晶體熱傳導(dǎo)率的降幅高達(dá)35%。根據(jù)對(duì)熱導(dǎo)率的測(cè)量，Lu2O3對(duì)高功率的Er離子激光器來說是最適合的激光基質(zhì)。

圖1　Er∶Lu2O3晶體的熱導(dǎo)率Fig.1　Thermal conductivity of Er∶Lu2O3

圖2　不同能級(jí)下晶體壽命隨摻雜濃度變化圖Fig.2　Fluorescence lifetime in dependence of the doping concentration

利用針孔方法阻止再吸收的影響確定Er∶Lu2O3晶體的壽命。如上圖2所示，當(dāng)摻雜濃度從0.5at% 增加到15at%時(shí)，高能級(jí)壽命從1.76 ms減少到0.41 ms, 而低能級(jí)壽命從11.01 ms減少到0.87 ms。在摻雜濃度較低的晶體中，低能級(jí)的壽命較長，使得在激光器的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中本能級(jí)粒子濃度增高，導(dǎo)致了能級(jí)躍遷的結(jié)束。然而從圖2 的測(cè)量數(shù)據(jù)中，我們還可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)摻雜濃度增大時(shí)，4I13/2能級(jí)的壽命會(huì)顯著降低，可能就是由于上轉(zhuǎn)換的能級(jí)躍遷造成的；這對(duì)摻雜濃度超過7at%的氧化物晶體來說，會(huì)形成高能級(jí)和低能級(jí)壽命之間更合適的比例。從這一點(diǎn)出發(fā)，生長高摻雜濃度高純度的激光晶體對(duì)于穩(wěn)定高效的3 μm固體激光器來說是非常重要的。

圖3　晶體Er∶Lu2O3的 I/I-、吸收光譜 Fig.3　 I/I-spectra (solid line) and GSA spectra (dotted line) of Er∶Lu2O3

圖4　晶體Er∶Lu2O3的發(fā)射光譜Fig.4　Emission pectrum of Er∶Lu2O3

為了找到最適合的泵浦波長，我們測(cè)量了在能級(jí)4I11/2和4F7/2之間表征激發(fā)態(tài)吸收的吸收截面和 I/I-光譜特性(如圖3所示)?；鶓B(tài)吸收光譜(圖3中虛線所示)表明，960 nm至990 nm之間是一個(gè)主要的吸收波段，而這一波段通過二極管泵浦是很容易實(shí)現(xiàn)的。然而對(duì)于光泵浦來說不是所有波段都能實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樵谀芗?jí)4I11/2和4F7/2之間泵浦波長不如激發(fā)態(tài)吸收強(qiáng)烈。文獻(xiàn)[11]中，利用抽運(yùn)和探測(cè)法測(cè)量了不同摻雜濃度下在吸收區(qū)的I/I-光譜，發(fā)現(xiàn)它具有負(fù)振幅的激發(fā)態(tài)吸收。激發(fā)態(tài)吸收會(huì)減少4I11/2上能級(jí)的粒子數(shù)，這對(duì)激光器的運(yùn)轉(zhuǎn)來說是不利的。通過比較圖3中 I/I-光譜，可以看到在高摻雜濃度下4I11/2上能級(jí)的壽命較短，導(dǎo)致了較弱的激發(fā)態(tài)吸收，這意味著在高摻雜濃度下晶體的激光性能得到了改善。而且對(duì)于3 μm激光的能級(jí)躍遷來說，971 nm、974 nm、980 nm都可以作為比較適合的泵浦光，并且在這幾個(gè)波段的激發(fā)態(tài)吸收較弱，基態(tài)吸收截面較高。

3　實(shí)　驗(yàn)

圖5　 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.5　The experimental device

實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示，泵浦源為美國相干公司生產(chǎn)的，波長在955 nm至982 nm 之間的可調(diào)諧激光器，端面抽運(yùn)，通過光纖耦合輸出。光纖輸出孔徑為800 μm, 聚焦耦合系統(tǒng)的效率為85%，聚焦后的束腰半徑為320 μm。當(dāng)泵浦波長為971 nm時(shí)，采用了一個(gè)簡(jiǎn)單的平凹線性腔，腔長為30 mm，由平面鏡M1和凹面鏡M2組成，M2的曲率半徑為100 mm。Er∶Lu2O3晶體摻雜濃度為7at%、尺寸為3 mm× 3 mm×11 mm，未鍍膜。為了有效的降低熱效應(yīng)，把晶體用銦箔包裹置于銅塊中進(jìn)行水冷卻。

圖6　輸出功率隨輸入功率變化圖Fig.6　Output power versus absorbed OPSL pump power

圖7　輸出功率隨輸入功率變化圖Fig.7　Output power versus absorbed LD pump power

輸出激光使用美國相干公司生產(chǎn)的型號(hào)為MAX 500AD的功率計(jì)進(jìn)行測(cè)量，脈沖特性用泰克公司生產(chǎn)的型號(hào)為DPO7104的示波器監(jiān)測(cè)，帶寬1 GHZ，采樣率5G Sampls/S。輸出功率隨輸入功率的變化如圖6所示，可以看出當(dāng)采用透過率為5%的輸出鏡，輸入功率為4.5 W時(shí)，獲得了1.4 W的最大輸出功率，斜效率為36%。雖然激光特性受泵浦功率的限制，但是光光轉(zhuǎn)換效率仍然高達(dá)28%。斜效率超出了量子數(shù)虧損約34%，這表明一個(gè)上轉(zhuǎn)換的能量轉(zhuǎn)移過程重新注入了激光上能級(jí)，我們可以通過優(yōu)化摻雜濃度和泵浦結(jié)構(gòu)，大大改善激光性能。激光光譜如圖6所示，與從發(fā)射光譜所預(yù)期的結(jié)果不同的是，我們獲得了在2.85 μm附近振蕩的寬度為0.9 nm的激光光譜。在2.73 μm附近的發(fā)射截面比2.85 μm的高兩倍，因此激光手術(shù)可以設(shè)定在2.73 μm。這可能會(huì)被來自最低的斯塔克能級(jí)的再吸收阻礙，這一點(diǎn)從激發(fā)態(tài)吸收的測(cè)量結(jié)果也可以看出來。但是我們還無法測(cè)量3 μm附近的激發(fā)態(tài)吸收。

利用德國JENOPTIK公司生產(chǎn)的型號(hào)JOLD-100-CPXF-4P的二極管激光器作為泵浦源，通過光纖耦合輸出，光纖輸出孔徑為600 μm，在971 nm附近的輸出功率為40 W(實(shí)驗(yàn)裝置如圖5)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，當(dāng)輸出鏡的透過率為3%時(shí)，獲得了5.9 W的最大輸出功率，斜效率為27%。因?yàn)楸闷衷吹墓馐|(zhì)量稍差一些，導(dǎo)致了斜效率有所降低。

4　結(jié)　論

本文研究了Er∶Lu2O3晶體的生長，熱性能，光譜特性以及2.85 μm的激光特性，并分別在半導(dǎo)體激光器和二極管泵浦下，獲得了斜效率最高為37%和最大輸出功率為5.7 W的激光輸出。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高摻雜的Er∶Lu2O3晶體在高功率高效率的3 μm激光器方面有巨大的潛能。

[1]Pierce M C.Laser-tissue interaction with a continuous wave 3 μm fibre laser: Preliminary studies with soft tissue[J].LasersSurg.Med，2000,(26):491-495.

[2]Tsang Y H,Taher A E E.Efficient 2.96 μm dysprosium-doped fluoride fibre laser pumped with a Nd:YAG laser operating at 1.3 μm[J].Opt.Express,2006,(14):678-685.

[3]Labbe C,Doualan J L.The 2.8 μm laser properties of Er3+doped CaF2crystals[J].Opt.Commun,2002,(209):193-199.

[4]Colemana D J.Q-switched operation of a 2.7 μm cladding-pumped Er3+/Pr3+codoped ZBLAN fibre laser[J].Opt.Commun,2004,(236): 379-385.

[5]李忠秀，徐鐵峰，沈祥,等. Tm3+摻雜Ge-Ga-Se-Cs玻璃中紅外發(fā)光和增益特性研究[J]. 硅酸鹽通報(bào)，2013,32(3)：461-465.

[6]Waarts R.Two-dimensional Er:YSGG microlaser array pumped with a monolithic two-dimensional laser diode array[J].Opt.Lett,1994,(19): 1738-1740.

[7]Peters V,Fornasiero L.Growth of high-melting sesquioxides by the heat exchanger method[J].J.CrystalGrowth,2002,(19):237-239, 879-883.

[8]柯利峰，黎建明，蘇小平，等.熱交換法生長藍(lán)寶石晶體的位錯(cuò)研究[J].人工晶體學(xué)報(bào)，2009，38(3)：625-628.

[9]Vodopyanov K L.Generation of Q-switched Er:YAG laser pulses using evanescent wave absorption in ethanol[J].Appl.Phys.Lett,1998,(72): 2211-2213

[10]Griebner U.Passively mode-locked Yb:Lu2O3laser[J].Opt.Express,2004,(12):3125-3130.

[11]Yamamoto J K.Self-frequency doubling in Nd, Sc2O3:LiNbO3at room temperature[J].Opt.Lett,1994,(19):1311-1313.

Continuous Wave Output Based on Sesquioxide Er∶Lu2O3at 2.85 μm

LIXiao-min

(Department of Basic, Shandong Xiehe University,Shandong 250109,China)

We report on crystal growth, spectroscopy, thermal conductivity and4I11/2→4I13/2-laser performance of Er∶Lu2O3. Pumping with an optically pumped semiconductor laser at 971 nm, 1.4 W of continuous-wave output power with a slope efficiency of ～36% at 2.85 μm was obtained at room temperature. This exceeds the Stokes efficiency due to an upconversion process recycling population of the lower laser level back into the upper laser level, yielding the highest efficiency of any Er sesquioxide laser around 3 μm until now. Under diode pumping, 5.9 W of output power with 27% of slope efficiency was achieved

heat exchanger method;heat capacity;3 μm laser

山東省高等學(xué)?？萍加?jì)劃項(xiàng)目資助(J15LJ51)

李曉敏(1981-)，女，講師.主要從事全固態(tài)激光器和非線性光學(xué)方面的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)05-1592-04