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。

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。

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。

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．

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。

Tm脉冲激光器泵浦的中红外固体激光器

介绍了Tm：YAP脉冲激光器泵浦的中红外固体激光器。首先介绍了Tm脉冲激光器,由实验分析,对YAP固体激光器腔型结构进行优化,确定了适合泵浦ZGP OPO的YAP激光器腔型,得到较理想的2μm脉冲激光输出。中红外固体激光器由优化后的Tm：YAP激光器泵浦ZGP光学参量振荡器（OPO）组成,最终得到输出功率达瓦级以上的3~5μm激光。

Tm∶YAP激光波长调谐及脉冲运转性能的研究

报道了由LD泵浦的Tm∶YAP激光器的研究工作。Tm∶YAP激光器采用波长为793 nm的LD进行端面泵浦,腔内声光调Q运转。当激光工作重复频率为300 Hz、输入泵浦功率为37.07 W时,获得了最大单脉冲能量为17.06 mJ、脉冲宽度为26.9 ns的1936 nm激光输出,相应的峰值功率为634.2 kW,在目前已报道的该晶体峰值功率数值中较高。在最大泵浦功率下,激光器在水平和垂直方向上的光束质量分别为1.41和1.34。此外,在激光器连续运转下,采用双法布里-珀罗标准具对激光波长进行调节,光谱调谐范围1932.11~1942.07 nm。

Tm∶YAP激光晶体光谱参数的计算

采用丘克劳斯基(Czochralski)法生长了Tm∶YAP晶体,研究了该晶体在室温下的吸收光谱和荧光光谱。结果表明,Tm∶YAP晶体在689.5 nm和795 nm左右有较强的吸收峰,分别对应于3H6→3F3和3H6→3H4的能级跃迁,半峰全宽(FWHM)分别为22.5 nm和30 nm,吸收截面分别为1.89×10-20cm2和1.35×10-20cm2。荧光光谱表明Tm∶YAP晶体发射波长为1.89μm,相应的荧光寿命为13.90 ms,发射截面为1.58×10-19cm2。根据乍得-奥菲特(Judd-Ofelt)理论计算了Tm3+在Tm∶YAP晶体中的强度参数:Ω2=1.4560×10-20cm2,Ω4=2.0673×10-20cm2,Ω6=0.3181×10-20cm2。结果表明,Tm∶YAP晶体具有宽的吸收峰、长荧光寿命和较大的积分发射截面的性质,非常适合于激光二极管(LD)抽运,有利于获得低阈值高效率的2μm波段激光输出。

室温下高效率连续波激光二极管端面抽运Tm:YAP激光器

报道了一种室温下高效率运行的激光二极管(LD)端面抽运Tm:YAP连续波激光器。抽运源使用波长为795 nm的光纤耦合二极管激光器,Tm:YAP晶体c轴切割,掺杂原子数分数为3%,尺寸为3 mm×3 mm×7 mm。当输出镜透过率T为10%时,获得8.12 W的1.94μm连续波激光输出,相对应的抽运功率为26.2 W,阈值抽运功率为4.67 W,斜率效率为52.1%,光-光转换效率为31.0%。使用光栅单色仪测得激光器输出中心波长为1938.2 nm,谱线半峰全宽约为2.9 nm。

LD双端泵浦高功率声光调Q Tm:YAP激光器

以两个65 W的793 nm激光二极管(LD)作为泵浦源,采用U型谐振腔结构进行高功率声光调Q运转实验研究。采用三种b轴切割的板条状镀金Tm∶YAP晶体作为增益介质,分析比较三种增益介质和不同腔参数组合对激光输出性能的影响。当最大泵浦功率为130 W时,连续激光输出的最大功率为42.5 W,斜率效率为42.5%。经过声光(AO)调制后,当重复频率为10 kHz时,调Q激光的最大平均输出功率为33.2 W,脉冲宽度为200 ns。将重复频率提高至40 kHz时,获得最短脉冲宽度为64 ns,相应平均功率为30 W,中心波长为1944 nm的激光输出。采用MATLAB软件仿真输出脉冲激光光斑的三维能量分布,光斑能量呈典型的高斯分布,可见光束质量较好。高功率Tm∶YAP激光器可作为3~5μm中红外光学参量振荡器的泵浦源,在众多领域具有良好的应用前景和巨大的发展潜力。

大尺寸掺钕和掺铥铝酸钇晶体的生长和退火技术

通过分析铝酸钇(YAP)晶体产生孪晶、开裂、色心和弥散性散射的原因,探讨了克服这些缺陷和问题的技术途径。采用提拉法生长了b轴方向的掺钕和掺铥铝酸钇(Nd:YAP和Tm:YAP)晶体,通过温场系统、生长工艺参数和切割工艺的优化,克服了晶体开裂的问题,晶体直径达到46mm;通过真空退火工艺,既显著减轻了紫外和可见区的色心吸收,又减小了晶体的应力,有助于克服晶体在加工过程中的开裂问题。晶体生长实验和晶体的显微观察表明:YAP晶体中的弥散状散射很可能同熔体中组分的均匀性有关,通过增大晶体的直径,增强强迫对流有助于减轻晶体中的弥散状散射。高质量b轴Nd:YAP和a轴Tm:YAP晶体已分别实现二极管泵浦大于140W的1.079μm和大于10W的1.99μm激光输出。

大尺寸掺铥铝酸钇晶体生长工艺研究

通过提拉法制备了直径50 mm,长度144 mm的大尺寸、高质量的Tm:YAP激光晶体,研究了不同的温场结构对于晶体完整性以及晶体质量的影响,结果表明上空腔温度梯度较小,温度均匀性较高的温场设计能够有效的解决Tm:YAP晶体开裂、解理、弥散状散射和絮状物现象。