C-cut Tm:YAP晶体连续光特性实验研究

掺铥铝酸钇晶体(Tm:YAlO_(3),Tm:YAP)具有机械性能与热力学性能优良、发射截面大等优点,可用商用半导体激光器(laser diodes,LD)作为泵浦源,是2μm光源的理想增益介质。由于Tm:YAP晶体具有各向异性,不同切向轴向摆放下的激光输出特性有所不同。本文使用793 nm的LD作为泵浦源,研究了c向切割(c-cut)Tm:YAP晶体在激光偏振方向平行于a轴(E//a)和激光偏振方向平行于b轴(E//b)下的连续光运转输出特性以及波长调谐输出特性。研究表明:在28 W的泵浦功率下,当E//a时,Tm:YAP激光器连续光输出功率为8.66 W,斜率效率为32.1%;当E//b时,Tm:YAP激光器连续光输出功率为8.41 W,斜率效率为31.1%;在腔内以布儒斯特角插入双折射滤光片对输出激光波长进行调谐,在15 W的泵浦功率下,当E//a时,输出激光波长调谐范围为1 888.8~2 084.4 nm,调谐宽度为195.6 nm;当E//b时,输出激光波长调谐范围为1 889.6~2 043.1 nm,调谐宽度为153.5 nm。实验结果表明,c-cut Tm:YAP晶体沿a轴和b轴放置时都可以实现高功率高效率的连续光输出及宽范围的波长调谐,且E//a时和E//b时的波长调谐曲线形状近似互补,有潜力实现高功率窄脉宽的激光输出。

基于双F-P标准具的宽调谐窄线宽Tm:YAP脉冲激光器

设计了一种宽调谐、窄线宽、高重频的Tm:YAP脉冲激光器。采用三个切轴方向的Tm:YAP晶体作为增益介质,通过0.5 mmYAG材质F-P标准具和0.025 mm熔石英材质F-P标准具,激光器分别实现了49 nm、44 nm、51 nm波长连续调谐,具体分别为1 951~2 000 nm、1 932~1 976 nm、1 943~1 994 nm。同时测得激光线宽均在0.4 nm左右。声光调Q 10 kHz脉冲重复频率下,分别实现了最大平均功率5.08 W、6.29 W、4.83 W的脉冲激光输出。对比发现,b轴Tm:YAP激光器的平均功率最大,测得最大平均功率下的脉宽为65.7 ns,光束质量因子M2在x方向上为1.84,y方向上为1.93。结果表明b轴Tm:YAP晶体具有宽调谐、窄线宽、高功率、大能量激光的潜力。

端面泵浦Tm:YAP自调Q激光器输出特性研究

搭建Tm:YAP自调Q脉冲激光器,实验中选用掺杂浓度为5 %,尺寸是3 mm × 3 mm × 15 mm的Tm:YAP晶体作为增益介质,晶体沿c轴切割。在泵浦光斑半径为200 μm,腔长为20 mm情况下,选用的曲率半径为100 mm、300 mm和500 mm的输出镜进行实验。当泵浦功率为13.3 W,输出镜曲率半径为100 mm时,输出脉宽为0.49 μs,最大单脉冲能量为158 μJ,中心波长为2044 nm。

大尺寸Tm∶YAP复合激光晶体的生长与性能研究

采用感应加热提拉法,通过改进热场、更换原料、二次熔接生长,直接生长出了直径大于40 mm的Tm∶YAP/YAP复合晶体毛坯。复合晶坯等径部分YAP段长21 mm,Tm∶YAP段长44 mm,晶坯外观完整,具有良好的光学均匀性和均匀的应力分布。绿光激光和He-Ne激光照射下,晶坯复合界面无散射、无气泡。复合界面两侧干涉条纹基本连续,透过波前差异小。从复合晶坯上加工出了直径5 mm、总长30 mm、端头不掺杂YAP晶体长4 mm的单端Tm∶YAP复合晶体元件,其光学质量优异。在1940 nm固体激光器上采用激光二极管单端泵浦进行了激光性能测试,在泵浦注入功率为117.7 W条件下实现了42.8 W激光输出,输出功率、转换效率和光斑质量均优于非复合激光晶体。

2μm波段激光晶体Tm:YAP的生长缺陷

采用提拉法沿a、b、c轴方向生长了Tm:YAP晶体,研究了该晶体的几种常见缺陷。通过化学腐蚀,利用光学显微镜观察了Tm:YAP晶体主要晶面的位错腐蚀坑形貌,发现在沿b轴生长晶体的(010)面上存在位错蚀坑密度不同的区域,对其成因进行了分析。借助偏光显微镜研究了晶体中的孪晶及消光现象,分析了成因并提出了消除措施。用He-Ne激光对晶体内的散射颗粒分布进行了研究,在扫描电镜(SEM)下观察到形状不规则的散射颗粒夹杂。上述研究结果对获得优质Tm:YAP晶体具有重要意义。

Tm:YAP晶体生长及光谱特性研究

采用提拉法生长了掺杂浓度分别为4、8与10at％的Tm:YAP晶体．测定了Tm3+在YAP基质中的分凝系数为0．88．采用同步辐射的方法研究了Tm:YAP晶体的生长条纹和结构应力缺陷．晶体的吸收峰位于694和795nm;荧光谱峰值在2．0μm附近,因此Tm:YAP晶体有望成为一种新型的适合LD泵浦的中红外激光材料．

109.5W输出1.94μm波长Tm:YAP固体激光器

报道了一种高功率Tm:YAP激光器实验装置,采用b轴切割的YAP/Tm:YAP/YAP复合晶体作为激光增益介质,使用中心波长为795 nm的LD模块进行双端泵浦,当增益介质冷却温度为20℃,LD总泵浦功率为301.4 W时,获得了最高109.5 W的1.94μm波长线偏振激光输出,光-光转换效率约为36.3%,斜率效率约为45.8%,在此输出功率条件下测得光束质量M^2因子为3.8。

Tm∶YAP激光晶体的生长

采用提拉法生长了b轴Tm：YAP晶体，晶体尺寸为φ（20～25）mm×（60～70）mm．针对部分晶体中存在的开裂、散射颗粒等宏观缺陷，分析讨论了其成因并提出了改进措施．对晶体吸收光谱和荧光光谱的测定结果表明，晶体的吸收峰位于694和795nm，荧光谱峰值在2．01μm附近．

室温下光纤耦合二极管泵浦Tm:YAP激光器

为实现室温下小型化、高效率的1.9μm激光输出,采用793.5 nm激光二极管泵浦Tm:YAP晶体,晶体采用热电制冷及风冷的方式控制在18℃,采用1∶1的聚焦耦系统,获得功率为2.2 W、中心波长为1928 nm的激光输出,光光转换效率为31%,斜率效率达41%。对影响激光输出的耦合输出率、腔型、腔长、晶体工作温度等因素进行了实验分析,实验结果表明:输出功率的变化与温度基本成线性关系,当增加激光谐振腔长时,由于高阶模式损耗加大以及晶体热透镜效应的加重导致腔内损耗加大,输出功率和斜率效率都有所下降。

RE∶YAP(RE=Nd,Tm)晶体缺陷与光谱分析

采用提拉法生长Nd∶YAP和Tm∶YAP晶体,利用吸收和荧光光谱表征样品。结果表明:经真空退火,提高了晶体质量。Nd∶YAP晶体在808 nm附近有较强的吸收,与商用激光二极管的发射波长匹配较好,获得了1064 nm荧光输出;Tm∶YAP晶体在790 nm附近有一定的吸收,在1.87μm处的荧光峰对应于3F4→3H6能级之间的跃迁,有利于激光的高能量调Q输出。

2μm波段Tm:YAP晶体半导体可饱和吸收镜连续波锁模激光器

使用半导体可饱和吸收镜,实现了光纤耦合半导体激光抽运Tm:YAP晶体的全固态连续波锁模激光运转。根据ABCD矩阵理论设计激光器参数,通过控制谐振腔的像散和模式分布,获得了稳定的皮秒锁模激光输出。当最大抽运功率为7.96 W时,获得锁模激光的最大平均输出功率为0.73 W,相应的斜效率为15.6%。此时锁模脉冲宽度约为1.7 ps,对应的重复频率为88.7 MHz,中心谱线为1 982.4 nm。结果表明:Tm:YAP晶体是一种具有较好的热学、机械性能的2μm波段超快激光晶体。

激光二极管端面泵浦Tm∶YAP 2μm激光器

报道了激光二极管端面泵浦Tm∶YAP晶体,在2μm处获得连续的激光输出,在实验中选择五种不同光斑能量分布的泵浦源,最高实现20.9 W的2μm激光输出,光-光转换效率为26.1%,斜率效率为39%。通过对五种具有不同光斑能量分布泵浦源的比较,得出了光斑能量分布与光-光转换效率、最大功率输出的关系,以便在今后的实验中快速选择理想的泵浦源。

高功率双端抽运Tm:YAP板条激光器

介绍了在室温条件下双端抽运高功率Tm:YAP板条激光器。采用双凹腔结构通过优化泵浦光斑尺寸,在腔内插入双FP标准具控制激光波长,当抽运功率为164.4 W时,获得了54.7 W的连续输出功率,其斜率效率为44.2%,输出波长为1 938.8 nm,随着功率的增加输出波长只有0.3 nm的漂移,且实现了0.18 nm窄线宽的激光输出,同时测量了10 W、25 W和35 W时的光束质量,分别为3.5、4.1和4.2。

Tm:YAP板条激光器的数值分析

建立了在双端泵浦Tm:YAP板条晶体条件下激光能级跃迁的准三能级速率方程模型。通过对准三能级速率方程进行求解,数值仿真了晶体温度分布、上转换效应、泵浦光斑尺寸以及输出镜透过率等参数对Tm:YAP板条激光器输出功率的影响,为高功率Tm:YAP板条激光器的设计提供必要的数值分析基础。

端面抽运的Tm:YAP薄片板条激光器的研究

2μm激光器由于其在遥感、雷达和医疗等领域具有重要的应用前景而受到越来越广泛的重视。Tm3+具有长的荧光寿命,且其吸收带与商用的激光二极管相匹配。YAP具有与YAG近似的机械和热性能,其双折射特性使得Tm:YAP激光器可以直接得到线偏振的激光输出,并且可以降低热退偏效应。795nm连续抽运光经透镜组耦合进薄片板条1mm×5mm晶体端面,采用平凹腔结构,分析比较了1%,4%和5%掺杂浓度的Tm:YAP的激光特性。

室温工作的全固态Tm:YAP激光器

研究了室温工作的Tm:YAP 2μm激光器,采用795 nm激光二极管泵浦Tm:YAP激光晶体,晶体采用热电制冷及风冷的致冷方式,实现1.99μm激光输出,最大输出功率为13.5 W,光转换效率28.2%,斜效率高达36%.并对影响激光输出的腔型、晶体工作温度等进行实验分析.

LD双端抽运板条Tm:YAP激光器研究

中红外2μm波段的激光,处于人眼安全和大气弱吸收带,在激光医疗美容、激光测风雷达、材料加工、气体环境检测等领域都有重要的应用价值。1.9μm激光作为2μm激光的重要泵浦源,获得高功率的1.9μm激光是很关键的。板条状激光晶体易于散热,输出功率高于块状晶体,建立板条状Tm:YAP晶体的热分布模型,模拟了晶体内部的光场分布;采用双端抽运的方式,选用输出镜透过率为T=10%、曲率半径为R=200时,获得最大输出功率为21.25W,斜率效率为25.7%,光光转换效率为25.6%,中心波长为1988nm的激光输出。

Tm:YAP激光晶体的生长及激光性能的研究

采用提拉法生长了高质量的4%(原子分数)Tm∶YAP晶体。X射线粉末衍射分析确定生长的晶体为Tm∶YAP晶体。吸收光谱分析表明Tm∶YAP晶体在688和794nm有较强的吸收峰。采用793nm激光二极管泵浦Tm∶YAP晶体,实现了2.01μm激光输出,最大输出功率5.1W,光转换效率为37%,斜率效率高达43.5%,连续可调范围从1894～2066nm,在2010nm得到最大的输出功率值为1.84W。

高光束质量连续波Tm,Ho:YAP激光器的研究

研究了一种二极管激光器泵浦的高光束质量的Tm,Ho:YAP激光器。选用中心输出波长为793.6 nm的二极管激光器作为泵浦源;c轴切割的Tm,Ho∶YAP晶体作为激光晶体,激光晶体中Tm3+掺杂浓度为5 at.%、Ho3+掺杂浓度为0.5 at.%,且采用液氮对激光增益介质进行制冷。在实验中,改变激光器的谐振腔参数及泵浦参数,Tm,Ho:YAP激光器获得了13.1 W的输出功率,相应的斜率效率和光光转换效率分别为40.9%和38.4%,输出波长为2 044 nm;选用刀口法对Tm,Ho:YAP激光器的光束质量进行了测量,获得激光光束质量的M2≈1.1。

Passively mode-locked 2-μm Tm:YAP laser with a double-wall carbon nanotube absorber

We report on a diode-pumped passively continuous wave （cw） mode-locked Tm：YAP laser with a double-wall carbon nanotube （DWCNT） absorber operating at a wavelength of 2023 nm for the first time, to the best our knowledge. The DWCNT absorber is fabricated on a hydrophilic quartz substrate by using the vertical evaporation technique. The output power is as high as 375 mW. A stable pulse train with a repetition rate of 72.26 MHz is generated with a highest single pulse energy of 5.2 μJ.