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    高光束質量、高功率輸出Tm:YLF激光器

    近日,哈爾濱工業大學姚寶權教授團隊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,采用腔內雙晶體串聯和雙端泵浦晶體的結構,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激光器的光束質量,實現了輸出功率為202 W、光束質量因子小于等于4的1.9 μm連續激光輸出。研究成果發表在High Power Laser Science and Engineering 2021年第4期。

    激光器結構如圖1所示,包括792 nm 150 W LDs及其光束變換系統,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.%。實驗所用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。

    當注入泵浦功率為553 W時,輸出功率達到了202 W,對應的光光轉換效率為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,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,相對以往報道的百瓦的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量。在 200 W 的功率水平下,x和y方向的光束質量因子M2分別為 2.3 和 4.0。測試結果及遠場光斑形態如圖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,以及強的水吸收帶等諸多優勢,因此它在激光醫療、激光雷達、遙感,以及3~5 μm非線性頻率轉換等領域有著非常廣闊的應用前景。在室溫下,摻雜三價稀土鈥(Ho)離子的激光晶體具有較長的上能級壽命和較大的發射截面,是一種高效的 2 μm 固體激光介質。而摻銩(Tm)材料作為Ho激光器的優質泵浦源具有以下幾個突出的光學性質,包括寬的發射帶寬,長的激光上能級壽命,以及高的量子效率。目前關于輸出功率高達200 W的Tm:YLF激光器的報道很少,而且僅有的百瓦量級的報道也是基于LD堆疊泵浦結構,這種泵浦方式會導致一個方向上的光束質量很差, M2因子往往會達到上百的水平,大大局限了其應用范圍。而本研究在既保證具備良好的光束質量的同時,又實現了Tm:YLF激光器的高功率輸出。

    目前團隊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用進行研究,測試其泵浦Ho:YAG調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量的2 μm脈沖激光,為后續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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