Er∶YAP晶體多波長激光運轉(zhuǎn)及偏振特性研究

權(quán) 聰，孫敦陸，羅建喬，張會麗,3，方忠慶，趙緒堯，胡倫珍，韓志遠(yuǎn)，程毛杰，殷紹唐

1. 中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所光子器件與材料安徽省重點實驗室, 安徽 合肥 230031 2. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院科學(xué)島分院, 安徽 合肥 230031 3. 華北光電技術(shù)研究所固體激光技術(shù)重點實驗室, 北京 100015

引 言

稀土離子Er3+摻雜激光晶體通過能級躍遷4I11/2-4I13/2能夠?qū)崿F(xiàn)2.7～3 μm激光輸出，該波段激光在生物醫(yī)療[1-2]、 空間科學(xué)研究[3]、 激光遙感與激光雷達(dá)[4]等領(lǐng)域均有著重要應(yīng)用；還可用于泵浦非線性晶體，通過光參量振蕩(OPO)，實現(xiàn)3～5和8～15 μm的激光輸出[5]。然而其過長的下能級壽命極大地限制了2.7～3 μm波段的激光輸出, 稱為“自限制效應(yīng)”。為此, 通常會采用提高Er3+的摻雜濃度或者摻入具有與激光下能級相近能級的能級耦合離子的方法，降低下能級壽命, 從而提高激光效率，減小激光閾值[6]。

Er3+摻雜YAlO3(Er∶YAP)作為一種優(yōu)良的中紅外激光晶體，很好的結(jié)合了YAP基質(zhì)晶體優(yōu)良的熱力學(xué)與機械性能、 較高地?zé)釋?dǎo)率[7]、 較低的聲子能量[8]等優(yōu)點與Er3+摻雜晶體具有豐富熒光譜線的特點。實驗發(fā)現(xiàn)YAP中所需要的Er3+摻雜濃度較低，如早在1987年于桂芳等[9]和Stalder等[10]就分別在10 at.% Er∶YAP中實現(xiàn)了多波長激光輸出；近兩年，Hiroki Kawase等[11]在LD泵浦5 at.% Er∶YAP中實現(xiàn)了0.95 W的2.92 μm激光輸出，激光斜率效率高達(dá)31%。

另外，鋁酸釔(YAP)在結(jié)構(gòu)上，屬于正交晶系，Pbnm空間群，晶格常數(shù)為a=5.180 ?，b=5.330 ?，c=7.371 ?，為畸形的鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)各向異性，是雙折射率較高的負(fù)雙軸晶體[12]，不僅有利于降低熱雙折射所引起的影響，還使其能夠直接實現(xiàn)線偏振的激光輸出[13]。直接輸出的線偏振光更有利于調(diào)Q激光的實現(xiàn)，如凌銘等[14]用具有偏振特性沿b軸切割的Nd∶YAP激光晶體，在脈沖LD陣列側(cè)面抽運的同時，作為電光調(diào)Q的起偏器件，獲得了1.02 mJ，70 ns的1.341 μm調(diào)Q激光輸出，該結(jié)果比加格蘭-福科棱鏡作為起偏器得到的結(jié)果更好；Michael Bass[15]通過在Nd∶YVO4激光棒端面上沿一定角度切割，加上材料的高雙折射，使得激光棒可以作為自己的腔內(nèi)偏振器, 并實現(xiàn)調(diào)Q激光輸出。

此前，于桂芳等[9]已經(jīng)在氙燈泵浦a軸10 at.% Er∶YAP晶體中實現(xiàn)了2 711，2 730和2 795 nm三條譜線的激光輸出，并研究了三條譜線的偏振性能。Stalder等[10]研究了不同軸向Er∶YAP晶體在氙燈泵浦條件下的多波長激光輸出特性，并通過在腔內(nèi)加布儒斯特窗的方法研究了晶體的偏振特性。但關(guān)于該晶體的偏振吸收光譜和該晶體在LD端面泵浦條件下的偏振特性未報道。本工作通過在腔外加格蘭激光棱鏡作為檢偏器的方式進(jìn)一步研究了氙燈泵浦10 at.% Er∶YAP晶體的多波長輸出特性以及輸出激光的偏振特性，還測量了晶體的偏振吸收光譜，并研究了晶體在LD端面泵浦b軸Er∶YAP晶體的多波長輸出特性，以及輸出激光的偏振特性；其中，在LD端面泵浦Er∶YAP晶體的實驗中獲得了新譜線2 750 nm的激光輸出；最后測量了晶體在8 K的低溫條件下的吸收光譜，并據(jù)此對激光上下能級的斯塔克子能級進(jìn)行了指認(rèn)，從而對本實驗中實現(xiàn)起振的8條譜線進(jìn)行了辨認(rèn)。

1 實驗部分

氙燈泵浦激光實驗裝置如圖1(a)所示，實驗采用高光學(xué)質(zhì)量，尺寸為Ф4×100 mm3的Er∶YAP晶體棒，棒兩端精密拋光且鍍有2.79 μm附近波長的增透膜，并采用單一氙燈泵浦[圖1(a)]，內(nèi)徑為5 mm，弧長80 mm的氙燈和Er∶YAP晶體棒均置于陶瓷腔內(nèi)，腔內(nèi)通有恒溫20 ℃的循環(huán)冷卻水；輸入鏡(M1)為K9材質(zhì)，并鍍有對2.6～3 μm波段光的全反膜(R≥99.5%)，輸出鏡(M2)為CaF2材質(zhì)，并鍍有對2.6～3 μm波段光的部分反射膜，其在2.79 μm附近波長處的透過率為15%。諧振腔內(nèi)分別添加了JGS石英片(厚度2 mm)、 云母片(厚度0.1 mm)、 K9鏡片(厚度1 mm)等作為選擇性吸收片，從而實現(xiàn)不同波長的激光輸出。LD泵浦激光實驗裝置如圖1(b)所示，實驗采用高光學(xué)質(zhì)量，2 mm×2 mm×5 mm的Er∶YAP晶體小長方塊，晶體未鍍膜，采用中心波長為962 nm的LD作為泵浦光，并通過耦合系統(tǒng)將泵浦光聚焦后，打入諧振腔內(nèi)，將晶體置于如圖1(b)所示的銅塊夾具內(nèi)，銅夾具內(nèi)通有恒溫18 ℃的循環(huán)冷卻水；輸入鏡(M3)為K9材質(zhì)，并鍍有2.6～3 μm波段光的全反膜(R≥99.5%)和970 nm附近的增透膜(T≥99.5%)，輸出鏡M4同樣鍍有對2.6～3 μm波段光的部分反射膜，其在2.79 μm附近波長處的透過率為5%。輸出激光用格蘭激光棱鏡進(jìn)行檢偏，然后通過焦距為300 mm的CaF2透鏡將激光聚焦在Omni-λ200i單色儀的入口狹縫上，用單色儀進(jìn)行波長的選擇和確定，所用光柵型號為300 g·mm-1(閃耀波長為3 000 nm)，其倒線色散為15.77 nm·mm-1, 儀器的最高分辨率可達(dá)1.12 nm。氙燈泵浦的激光輸出能量采用能量計(Ophir PE50-DIF-C)進(jìn)行測量，LD泵浦的激光輸出采用功率計(Ophir 30A-BB-18)進(jìn)行測量。在室溫下利用格蘭激光棱鏡和PE lambda 950分光光度計測量了室溫下該晶體在300～3 000 nm范圍內(nèi)的偏振吸收光譜，步長為0.2 nm。利用制冷機和PE lambda 950分光光度計在8 K的低溫下測量了晶體在300～2 000 nm范圍內(nèi)的低溫吸收光譜，步長為0.2 nm。

圖1 激光實驗裝置圖(a)：氙燈泵浦Er∶YAP晶體；(b)：LD泵浦Er∶YAP晶體Fig.1 Laser experimental setups(a)：Xenon lamp pumped Er∶YAP crystal;(b)：962 nm LD pumped Er∶YAP crystal

2 結(jié)果與討論

2.1 Er∶YAP晶體偏振吸收光譜

在室溫下利用格蘭激光棱鏡和PE lambda 950分光光度計測量了室溫下該晶體在300～3 000 nm范圍內(nèi)的偏振吸收光譜, 其中P‖a和P‖c表示格蘭激光棱鏡的透振方向分別平行于晶體的a軸和c軸, 如圖2所示。從圖中可以看出, 晶體對偏振方向平行于a軸的偏振光吸收更強, 以4I11/2能級對應(yīng)的吸收峰為例, 晶體對P‖a偏振光的最大吸收系數(shù)為4.606 3 cm-1(975.2 nm處), 而晶體對P‖c偏振光的最大吸收系數(shù)為2.936 6 cm-1(967.6 nm處), 前者約是后者的1.57倍，而且二者均高于相應(yīng)波長處晶體對非偏振光的吸收系數(shù)[16]。以上結(jié)果表明Er∶YAP晶體對于線偏光的吸收更強。因此, 在LD泵浦實驗中, 使用中心波長在975.2 nm附近的偏振激光作為泵浦源, 并使晶體a軸平行于泵浦光偏振方向, 能夠提高晶體對泵浦光的吸收效率, 從而改善激光性能。

圖2 Er∶YAP晶體在300～3 000 nm范圍內(nèi)的偏振吸收光譜(插圖: 940～1 040 nm范圍內(nèi)的偏振吸收光譜)Fig.2 Polarization absorption spectrum of Er∶YAP crystal (Illustration: polarized absorption spectra at 940～1 040 nm)

2.2 氙燈泵浦Er∶YAP晶體多波長激光輸出和偏振特性

實驗測量了氙燈泵浦Er∶YAP晶體的多波長激光運轉(zhuǎn)特性，此前已經(jīng)在頻率5 Hz，輸出鏡透過率為15%條件下實現(xiàn)了2 710，2 728，2 795和2 918 nm四個波長的激光輸出。通過圖1(a)所示實驗裝置圖進(jìn)行實驗(選擇性吸收片)，并研究了不同波長的運轉(zhuǎn)特性如圖3(a,b)和表1所示，從中可以發(fā)現(xiàn)譜線2 710和2 795 nm為偏振方向平行YAP晶體的c軸的線偏振光，譜線2 918 nm為偏振方向平行YAP晶體的a軸的線偏振光，譜線2 728 nm是部分偏振光，橢圓的長軸平行于YAP晶體的a軸，橢圓的短軸平行于YAP晶體的c軸。其中，偏振方向平行于YAP晶體c軸的2 710 nm譜線和平行于YAP晶體a軸和c軸的2 728 nm譜線的閾值相當(dāng)，但前者輸出能量較低，且隨輸入能量增加，前者輸出能量逐漸下降。偏振方向平行于YAP結(jié)晶c軸的2 795 nm譜線和偏振方向平行于YAP結(jié)晶a軸的2 918 nm譜線盡管起振閾值相對較高，但譜線起振后其輸出能量隨輸入能量的增加而迅速增長，并超過2 710和2 728 nm譜線輸出能量，其中2 918 nm譜線閾值最高，但其斜效率也較高，輸出能量在輸入能量為52.215 J時已超過其他所有譜線。

圖3 氙燈泵浦Er∶YAP晶體的激光輸出特性(a)：總激光輸出能量和通過透振方向分別平行于a軸和c軸的格蘭激光棱鏡后的激光能量; (b)：經(jīng)單色儀分光后不同波長激光的輸出能量Fig.3 Laser output characteristics of xenon lamp pumped Er∶YAP crystal(a): Total laser output energy and the laser energy pass through the Glan-laser polarizer with polarization orientation of P‖a and P‖c; (b): Laser output energy of different wavelength after monochromator

表1 Er∶YAP激光不同譜線的偏振輸出特性Table 1 Polarization output characteristics of different spectral lines of Er∶ YAP laser

利用如圖1(a)所示實驗裝置，通過插入JGS石英片、 云母片、 K9鏡片等選擇性吸收片進(jìn)行實驗, 成功實現(xiàn)了2 710，2 728，2 795，2 821，2 837，2 862和2 918 nm等共7條譜線的激光輸出。三種選擇性吸收片在2 500～3 100 nm范圍內(nèi)的透過率如圖4所示，JGS石英片在2 650～2 850 nm范圍內(nèi)有較強的吸收，使得該波段范圍內(nèi)的譜線損耗較大，從而被抑制，最終在該條件下，僅實現(xiàn)了2 918 nm一條譜線的激光輸出；同理，在插入云母片條件下，2 720～2 800 nm 范圍內(nèi)的譜線被抑制，得到了2 710，2 821，2 837和2 862 nm等4條譜線的激光輸出；在插入K9鏡片條件下，2 730～3 000 nm 的譜線均被抑制，僅得到了2 710 nm一條譜線的激光輸出。T=15%，5 Hz條件下不添加和添加不同選擇性吸收片后的激光光譜已通過FLSP 920熒光光譜儀進(jìn)行測量，如圖5所示。其中，譜線2 862 nm在通過光譜儀測量時未被檢測到，是在進(jìn)行激光實驗時通過單色儀確認(rèn)的波長。

圖4 JGS石英片(2 mm)、 云母片(0.1 mm)和K9鏡片(1 mm)在2 500～3 100 nm波段的透過率Fig.4 Transmittance of JGS piezoid, mica sheet and K9 optic in the waveband of 2 500～3 100 nm

圖5 不同選擇性吸收片條件下氙燈泵浦Er∶YAP晶體的激光光譜Fig.5 Laser spectrum of Er∶YAP crystal pumped by xenon lamp under different selective absorption conditions

利用圖1(a)所示的實驗裝置進(jìn)行了多次實驗，分別表征了不同譜線的偏振性能，結(jié)果如表2所示。除譜線2 710和2 795 nm外，譜線2 821, 2 837和2 862 nm同樣是偏振方向平行于c軸的線偏振光，譜線2 918 nm是偏振方向平行于a軸的線偏振光，值得注意的是譜線2 728 nm 的偏振狀態(tài)并不是固定的，通過調(diào)整輸出鏡多次實驗發(fā)現(xiàn)，2 728 nm 有時表現(xiàn)為偏振方向平行于c軸的線偏振光，有時又表現(xiàn)為偏振橢圓長軸平行于YAP晶體的a軸的部分偏振光。

表2 不同譜線的偏振度Table 2 Polarization degree of different laser lines

2.3 LD泵浦Er∶YAP晶體多波長激光輸出和偏振特性

實驗測量了962 nm LD泵浦Er∶YAP晶體的多波長激光運轉(zhuǎn)特性如圖6所示，在T=5%輸出鏡，300 Hz頻率，0.8 ms脈寬條件下進(jìn)行實驗，得到2 710, 2 728, 2 750和2 795 nm四條譜線的激光輸出，其中譜線2 750 nm是第一次在Er∶YAP晶體中實現(xiàn)激光輸出。該結(jié)果與此前我們測量的LD泵浦Er∶YAP晶體激光光譜有所差異，分析認(rèn)為主要因此前并未考慮到泵浦功率對激光波長的影響，僅在較低泵浦功率下進(jìn)行了測量，因而只測量到閾值較低的2 710和2 728 nm激光譜線[17]。另外，在本實驗的最高泵浦功率處，仍未發(fā)現(xiàn)2 918 nm譜線的激光輸出，可能是因為仍未達(dá)到該譜線輸出的閾值。利用圖1(b)所示裝置測量了LD泵浦Er∶YAP晶體多波長激光的偏振特性，實驗發(fā)現(xiàn)雖然分光前總激光輸出功率較穩(wěn)定，但通過單色儀分光后不同波長的輸出功率波動較大(可能是因為該激光單脈沖能量較小，給分光造成了一定難度)，因此實驗中僅對總的激光輸出進(jìn)行了偏振特性的測量，結(jié)果如圖7所示, 該激光輸出為平行于晶體c軸的偏振光，可以判定該四條譜線均為偏振方向平行于晶體c軸的線偏振光。

圖6 LD泵浦Er∶YAP晶體的激光光譜Fig.6 Laser spectrum of LD pumped Er∶YAP crystal

圖7 LD泵浦Er∶YAP晶體的偏振輸出特性Fig.7 Polarization output characteristic of LD pumped Er∶YAP crystal

2.4 Er∶YAP晶體的低溫吸收光譜及激光上下能級的指認(rèn)

利用制冷機和PE lambda 950分光光度計測量了Er∶YAP晶體在8 K低溫下320～2 000 nm范圍內(nèi)的吸收光譜，并分別對激光上下能級的吸收譜進(jìn)行了分峰擬合，結(jié)果如圖8(a,b)所示，950～1 000和1 440～1 520 nm吸收帶應(yīng)分別對應(yīng)了從基態(tài)能級(4I15/2)到激光上能級(4I11/2)和激光下能級(4I13/2)的各斯塔克子能級間的躍遷。由于是在8 K的低溫下進(jìn)行測量，可認(rèn)為基態(tài)粒子皆填充在E=0的第一斯塔克子能級上，因此可通過吸收波長直接確定激光上下能級的各斯塔克子能級的位置。根據(jù)低溫吸收光譜，利用Gauss函數(shù)對譜線進(jìn)行分峰擬合，根據(jù)擬合結(jié)果分別對4I11/2和4I13/2能級的6個和7個斯塔克子能級進(jìn)行了指認(rèn)，對激光上下能級各斯塔克子能級間的躍遷波長進(jìn)行了計算，并根據(jù)計算結(jié)果對本實驗中的8條起振譜線進(jìn)行了辨認(rèn)，結(jié)果如圖9所示。

圖8 Er∶YAP晶體在8 K低溫條件的吸收光譜及分峰擬合結(jié)果(a)：4I11/2能級；(b)：4I13/2能級Fig.8 Absorption spectrum of Er∶YAP crystal at 8 K(a)：4I11/2 energy level; (b)：4I13/2 energy level

圖9 激光譜線躍遷示意圖Fig.9 Diagram of laser spectral line transitions

對比10 at.% Er∶YAP晶體的熒光光譜[16], 發(fā)現(xiàn)實驗所有起振譜線均能在熒光光譜中找到對應(yīng)的熒光峰(熒光光譜中2 918 nm熒光峰處于泵浦光的三級衍射峰位置附近，有很強的干擾信號，無法準(zhǔn)確測量)。本實驗通過調(diào)節(jié)諧振腔實現(xiàn)了對熒光譜線的選擇，從而獲得了相應(yīng)譜線的激光輸出，證明調(diào)節(jié)諧振腔確實能夠?qū)ζ鹫褡V線進(jìn)行選擇，而Er∶YAP晶體豐富的熒光譜線也說明了其具有實現(xiàn)更多譜線激光輸出的潛力。

本實驗中共實現(xiàn)了8條譜線的激光輸出，波長覆蓋了2 710～2 918 nm范圍，由于該波段激光位于水的強吸收帶，且水對激光的吸收強度隨激光波長的增加而增大，導(dǎo)致激光對人體組織的穿透深度隨波長的增加而減小，即較短波長的激光具有更深的穿透深度，因此Er∶YAP激光器可以作為可調(diào)諧穿透深度的手術(shù)刀使用[10]。

3 結(jié) 論

Er∶YAP晶體的偏振吸收光譜表明該晶體對不同方向的偏振光的吸收強度有很大差異，選擇合適波長和偏振方向的泵浦光有利于提高泵浦效率，從而改善激光性能；氙燈泵浦Er∶YAP晶體的激光實驗表明，該晶體能夠?qū)崿F(xiàn)不同波長的激光輸出，且不同譜線的閾值有所不同，除譜線2 728 nm有時表現(xiàn)為偏振方向平行于c軸的線偏振光，有時又表現(xiàn)為偏振橢圓長軸平行于YAP晶體的a軸的部分偏振光，譜線2 918 nm表現(xiàn)為偏振方向平行于a軸的線偏振光外，其他譜線均表現(xiàn)為偏振方向平行于c軸線偏振光；LD泵浦Er∶YAP晶體的激光實驗表明, 四條譜線均為偏振方向平行于晶體a軸的線偏振光；根據(jù)Er∶YAP晶體的低溫吸收譜對激光上下能級的各子能級進(jìn)行了指認(rèn)，并據(jù)此對激光躍遷譜線進(jìn)行了辨認(rèn)。另外，本論文對Er∶YAP晶體偏振特性和多波長輸出特性的研究結(jié)果為Er∶YAP晶體激光調(diào)Q的實現(xiàn)以及電光調(diào)Q晶體的選擇提供了指導(dǎo)。