二極管泵浦的Ho3+,Pr3+:LiLuF43μm激光

王勝利,滕琴,桂林,唐玉龍

(1.上海第二工業(yè)大學a.理學院;b.計算機與信息工程學院,上海201209; 2.上海交通大學激光等離子體教育部重點實驗室,上海200240)

二極管泵浦的Ho3+,Pr3+:LiLuF43μm激光

王勝利1a,滕琴1a,桂林1b,唐玉龍2

(1.上海第二工業(yè)大學a.理學院;b.計算機與信息工程學院,上海201209; 2.上海交通大學激光等離子體教育部重點實驗室,上海200240)

根據(jù)3μm連續(xù)激光產(chǎn)生機理和對基質(zhì)材料要求,結(jié)合1.9μm和1.1μm激光二極管泵浦摻Ho3+材料結(jié)果,采用1.1μm激光二極管泵浦Ho3+,Pr3+:LiLuF4晶體,產(chǎn)生3μm激光。實驗用泵源波長為1.140～1.150μm,帶寬為5 nm,功率為0～10 W,光纖耦合輸出;Ho3+,Pr3+:LiLuF4晶體體積為3 mm×3 mm×30mm,Ho3+離子摻雜原子百分含量為2%,Pr3+離子摻雜原子百分含量為0.6%;實驗獲得波長為2934 nm連續(xù)激光輸出,最大功率達到50 mW,斜率效率為22.6%,最大功率時,光束的質(zhì)量M2因子約為4。

二極管泵浦;Ho3+,Pr3+:LiLuF4晶體;固體激光

0 引言

Ho3+離子摻雜的激光材料,一個比較強的吸收峰在1.9μm附近[1-3]。摻Tm3+材料發(fā)出的激光,波長正好位于這個范圍,所以摻Tm3+激光器可以作為摻Ho3+固體或光纖激光器的有效泵源[4-5]。自激光二極管發(fā)明以后,人們開始嘗試利用1.9μm激光二極管泵浦摻Ho3+激光材料,最初的嘗試是對Ho:YAG晶體進行了泵浦,在溫度為-53°C時,得到約0.7 W連續(xù)輸出[6]。近些年來,隨著激光二極管制備技術(shù)的提高和性能的完善,在室溫情況下,現(xiàn)在利用1.9μm激光二極管泵浦Ho:YAG晶體已經(jīng)可以得到55 W以上連續(xù)輸出[7];泵浦Ho:Y2O3陶瓷,也得到了2.5 W以上連續(xù)輸出[8]。但隨著研究的進一步深入發(fā)現(xiàn),1.9μm激光二極管發(fā)射光譜譜寬大于Ho3+離子摻雜材料吸收峰寬度,所以利用1.9μm激光二極管泵浦摻Ho3+材料,吸收效率相對較低[9]。

Ho3+離子摻雜的激光材料,另一個比較強的吸收峰是在1.1μm附近,摻Y(jié)b3+材料輸出的激光和1.1μm激光二極管可作其有效泵源[10]。作為摻Ho3+激光材料的泵源,1.1μm激光二極管與1.9μm激光二極管相比,有以下優(yōu)點:①1.1μm激光二極管輸出功率高,使用壽命長;②1.1μm激光二極管泵浦摻Ho3+激光材料既可輸出2μm激光,也可輸出3μm激光[11-15]。利用1.1μm二極管泵浦Ho3+離子摻雜(w(Ho3+)=0.5%)的硅光纖,得到55 mW、27%斜效率的2.1μm輸出和162 mW、24%斜效率的2.86μm輸出[16]。

1 Ho(Pr):LiLuF4激光晶體的能級結(jié)構(gòu)與吸收光譜

研究表明,3μm激光基質(zhì)材料要具有較低的聲子能量和此波段較小的吸收系數(shù)[16]。根據(jù)以上要求,本實驗選用氟化物作為激光晶體的基質(zhì),因為氟化物除了具有較低的聲子能量外,還具有負的折射率溫度系數(shù)(dn/dT),此特性可以一定程度上補償由于熱效應(yīng)使晶體端面形變引起的光程差。

單摻Ho3+離子的LiLuF4晶體,5I7能級壽命比5I6能級壽命大很多,因此,在3μm波段不能連續(xù)輸出,只能脈沖輸出。要想實現(xiàn)激光連續(xù)輸出,只能降低5I7能級壽命。本實驗采取在Ho:LiLuF4中加入Pr3+離子,通過Ho3+離子和Pr3+離子之間的能量傳遞,來降低Ho3+離子5I7能級壽命,能量傳遞過程如圖1所示。摻入Pr3+離子后,Ho3+離子的5I7能級壽命大大降低,可能低于5I6能級壽命,進而滿足3μm(5I6→5I7)波段激光連續(xù)輸出的要求。

圖1 摻Pr3+的Ho:LuLiF4晶體的能量傳遞簡圖Fig.1 Simplified energy-level diagram for Ho3+,Pr3+-doped LuLiF4crystal

本實驗采用的1.1μm激光二極管泵源,功率為0～10 W,內(nèi)部包含10個二極管發(fā)射器,光纖耦合輸出,工作時,溫度控制在25°C左右。此泵源的中心波長和線寬隨驅(qū)動電流變化,驅(qū)動電流決定輸出功率,因此,輸出的中心波長和線寬隨輸出功率變化。輸出功率較低時,波長中心位于1140 nm,中心波長隨功率的增加率約為1.0 nm/W,在最大功率時中心波長位于1150 nm附近,譜線寬度由最初3 nm增加到7 nm,平均約5 nm。

實驗用的晶體體積為3 mm×3 mm×30mm,摻雜濃度為:Ho3+(2at.%)、Pr3+(0.6at.%)。晶體對泵浦光的吸收率用一端入射的泵浦光功率減去另一端透過的功率除以入射功率表示,測量的結(jié)果是:在泵浦光波長逐漸靠近1147nm的過程中,吸收率逐漸增加,由45%增加到70%,在泵浦功率最大時,吸收率約為68%。

2 實驗裝置

實驗裝置如圖2所示,LD即1.1μm激光二極管泵源,最大功率為10 W,光纖耦合輸出,最小芯徑約為400μm,數(shù)值孔徑約為0.2。Ho3+,Pr3+:LiLuF4晶體用銦包裹著鑲嵌在銅熱沉上,實驗時溫度控制在15°C。諧振腔采取平凹腔結(jié)構(gòu),平平鏡M1鍍有1150 nm增透膜和2900 nm高反膜,平凹鏡M2鍍2900 nm反射膜,反射率為95%,曲率半徑為250 mm。M3是一個二向色鏡,1.1μm高反,3μm高透,其主要作用是在輸出激光中濾除泵浦光。

泵浦光經(jīng)凸透鏡F1和F2準直聚焦,由3 mm×3mm端面射入晶體,在晶體中心位置形成一個約600μm的圓斑,經(jīng)計算此諧振腔的基模在3μm附近的直徑約為600μm,與泵浦光匹配很好。

圖2 Ho(Pr):LuLiF 4晶體激光的實驗裝置圖Fig.2 Experimental set up for the directly diode-pumped Ho(Pr):LuLiF4crystal laser

3 實驗結(jié)果與討論

在實驗過程中,泵源功率由0 W按一定梯度增加,測得此次實驗所用晶體激光閾值大約為1 W,在泵源功率達到10 W時,得到最大輸出功率約為50 mW,相對應(yīng)的斜率效率為22.6%。激光的輸出光譜如圖3所示,輸出的光譜中心位于2934 nm處,譜線的寬度為5 nm。在50 mW時,對輸出激光的質(zhì)量因數(shù)進行了測量,測得M2值近似等于4。

由泵浦的量子缺陷計算可知:1150 nm泵浦光對2934 nm激光的量子效率為39%,1.1μm激光二極管電-光轉(zhuǎn)化率約為50%,因此,整個系統(tǒng)的電-光轉(zhuǎn)化率約為20%。

實驗的斜率效率為22.6%,低于已經(jīng)報道的1.1μm二極管泵浦摻Ho3+離子材料[16],原因可能有以下3個方面:①經(jīng)檢測此次Ho3+,Pr3+:LiLuF4激光晶體內(nèi)部散射損耗偏大,可能是晶體內(nèi)存在瑕疵;②激光晶體兩個進光端面未鍍2900 nm增透膜,反射損失比較大;③此泵浦方式產(chǎn)生的激光量子效率比較低,在運行過程中不可避免產(chǎn)生大量的熱,因而降低了斜率效率。如果激光晶體的光學質(zhì)量進一步提高,實驗裝置進一步優(yōu)化,輸出功率和斜率效率還會進一步提高。

圖3 1.15μm激光二極管(LD)泵浦的Ho3+,Pr3+:LiLuF 4晶體激光的輸出光譜Fig.3 Emission spectrum of Ho3+,Pr3+:LiLuF4crystal pumped at 1.15 um from laser diodes

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上海第二工業(yè)大學學生在全國大學生網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新應(yīng)用大賽中獲特等獎

中國互聯(lián)網(wǎng)協(xié)會第九屆全國大學生網(wǎng)絡(luò)商務(wù)創(chuàng)新應(yīng)用大賽總決賽于2016年11月26日至29日在北京師范大學拉開帷幕,來自全國高校的291支本科、50支專科隊伍參與了此次角逐。

上海第二工業(yè)大學共有5支隊伍晉級總決賽,賽事組織工作由經(jīng)濟與管理學院負責,電子商務(wù)專業(yè)潘海蘭老師帶隊,參賽學生主要來自電子商務(wù)、財務(wù)管理、軟件工程、工業(yè)工程、材料科學與工程、自動化等專業(yè),管工結(jié)合組隊,凸顯優(yōu)勢。本次參賽獲得了歷年最佳成績:1個特等獎、2個一等獎、1個二等獎和1個三等獎。周園等5位同學作品“大學信息整合APP”獲特等獎:孫俐俐等5位同學作品“衣+”與馮丹丹等4位同學作品“如何通過企業(yè)合作推廣校園白條”獲一等獎;施晶晶等4位同學作品“校園推廣—京東大學生特權(quán)”獲二等獎;張若熙等5位同學作品“便民停車”獲三等獎。上海第二工業(yè)大學獲得優(yōu)秀組織院校獎。

3μm-Laser from Ho3+,Pr3+:LuLiF4Crystal Diode-Pumped

WANG Shengli1a,TENG Qin1a,GUI lin1b,TANG Yulong2
(1a.School of Science;1b.School of Computer and Information Engineering,Shanghai Polytechnic University, Shanghai 201209,P.R.China;2.Key Laboratory for Laser Plasmas(Ministry of Education)and Department of Physics,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,P.R.China)

According to the mechanism and the laser host materials of 3μm continuous laser,and the lasers based on Ho3+-doped materials pumped at 1.9μm and 1.1μm from laser diode(LD),a Ho3+,Pr3+-doped laser which was presented directly diode-pumped at 1.1μm LD was presented.The 10 W fiber coupled LD used for pumping had central wavelengths of 1.140—1.150μm and a typical FWHM bandwidth of 5 nm.The Ho(Pr):LuLiF4crystal slab in this letter had a dimension of 3 mm×3 mm×30 mm and a doping Ho3+concentration of 2 at%,Pr3+concentration of 0.6 at%.The maximum output power was up to 50 mW of continuous wave at the lasing wavelength of 2934 nm.The laser had a slope efficiency of 22.6%with respect to absorbed power and a beam propagation factor of M2～4 at the maximum output power.

diode-pumped;Ho3+,Pr3+:LiLuF4crystal;solid-state laser

TN244

A

1001-4543(2016)04-0326-04

2016-06-22

王勝利(1971–),男,黑龍江海倫市人,講師,博士,主要研究方向為中紅外固體激光器。

電子郵箱slwang@sspu.edu.cn。

上海第二工業(yè)大學?；?No.EGD15XQD15),上海高校青年教師資助計劃項目(No.A30DB1524011)資助