激 光

第34卷第9期

2007年9月

Vol.34,No.9

September,2007

CHINESEJOURNALOFLASERS

文章编号:025827025(2007)0921171203

激光二极管抽运的国产Yb∶YAG陶瓷激光器

许 毅,于海波,吴玉松,姜本学,李

江,潘裕柏,梁晓燕,郭景坤,徐

(1中国科学院上海光学精密机械研究所,上海201800;2中国科学院上海硅酸盐研究所,上海200050))

摘要研究了国产Yb∶YAG陶瓷的激光输出特性.激光器采用激光二极管(LD)纵向同轴抽运Yb∶YAG陶瓷样

品,样品的掺杂原子数分数为1%,一端面镀940nm和1030nm双增透膜,另一端面镀1030nm增透膜,激光器在

1031nm处获得了近红外激光输出.实验中分别测试了Yb∶YAG陶瓷在不同输出透射率(T=4%,8%,10%)条件下的激光输出特性.整个实验过程中,激光器维持基横模运转.当输出透射率为10%,吸收的抽运功率为9W时,激

光器获得最大的激光输出功率为1.63W,相应的斜率效率为23.2%.

关键词激光器;陶瓷激光器;端面抽运;Yb∶YAG陶瓷

中图分类号 TN248.1

文献标识码A

LaserDiode2PumpedDomesticYb∶YAGCeramicLaser

XUYi1,PAN

1ShanghaiInstituteof

YUHai2bo1,WUYu2song2,JIANGBen2xue1,LIJiang2,Yu2bo2,LIANGXiao2yan1,GUOJing2kun2,XUJun1

OpticsandFineMechanics,TheChineseAcademyofSciences,Shanghai201800,China

2ShanghaiInstituteofCeramics,TheChineseAcademyofSciences,Shanghai200050,China

AbstractTheoutputperformanceofadomesticYb∶YAGceramiclaserisstudied.Thelaserdiode2end2pumpedYb

∶YAGceramicisdopedwithatomicfractionof1%,withoneendfaceofhightransmissionat940nmand1030nmandtheotherofhightransmissionat1030nm.Thenearinfraredlaseroutputat1031nmisobtained.TheoutputperformanceofYb∶YAGceramiclaserunderdifferenttransmissivities(4%,8%,10%)isexperimentallytested.Themaximumoutputpowerof1.63Wisobtainedwithoutputtransmissivityof10%,absorbedpumpenergyof

9W,andslopeefficiencyof23.2%.

Keywordslasers;ceramiclaser;end2pump;Yb∶YAGceramic

Yb∶YAG晶体具有良好的光谱性能、优异的光学、

热力学和机械性能而使其成为研究最多的激光增益

介质.然而YAG单晶材料固有的生长周期长、掺杂浓度低、生产成本高等因素在一定程度上制约了

其应用范围.近年来,随着透明光学陶瓷材料制备

工艺的突破,激光陶瓷作为一种新型激光介质材料

20世纪90年代以来,随着抽运源InGaAs激光

二极管(发射波长为0.9～1.1μm)性能的提升及价格的下降,以及人们对激光器的高效率、高功率、小

型化、集成化的追求,兴起了掺Yb3+激光材料研究的热潮.相对于掺Nd3+的激光材料而言,掺杂Yb3+的激光材料有许多优点:无交叉弛豫振荡和激发态吸收,有较宽的吸收带、长的荧光寿命及高的量子效率等.在目前研究的掺Yb3+激光材料中,由于

得到了迅速的发展.Yb∶YAG激光陶瓷相比Yb∶

YAG单晶材料有容易制造、成本低、可以制造大尺

寸、高掺杂浓度、可以制造多层和多功能的陶瓷结构、且耗时少并可以大批量生产等优点.而且陶瓷的

收稿日期:2007201225;收到修改稿日期:2007205211

基金项目:上海市光科技(05DZ22005)资助项目.

作者简介:许毅(1981—),男,湖南人,硕士研究生,主要从事掺Yb3+激光介质激光特性的研究.E2mail:xuyi@siom.ac.cn

导师简介:梁晓燕(1968—),女,山西人,研究员,主要从事超快超强激光技术及半导体抽运的全固态激光技术的研究.

E2mail:liangxy@siom.ac.cn

10000cm-1,在晶体场作用下,产生Stark分裂,基

态和激发态分别分裂为4个和3个子能级,形成准三能级的激光运行机制,图2为Yb∶YAG的能级示意图.由于Yb3+离子在1030nm处的吸收光谱和发射光谱存在部分重叠,这将导致激发态发出的 光子被基态离子吸收 ,产生自吸收效应 . 自吸收 效应的存在将会消耗激发光 ,使激光振荡阈值发生

变化 , 因此实验中需要高亮度的抽运源和高强度抽 运使自吸收效应得以饱和 ,从而达到激光振荡阈值 , 获得激光输出 .

物理参数如热导 率 , 光学 性 质如 吸收 光 谱 、发 射 光

谱 、荧光寿命等都与单晶相 似. 因此 高质 量 的 Yb ∶ YA G 陶瓷在未来将是 Yb∶YA G 单晶材料强有力的 替代品.

我国的透明陶瓷研究已有相当长的历史 ,并取

得 了 很 好 的 成 果 , 如 α2Al2 O3 , M gAl2 O4 ( 尖 晶 ) , PL Z T ,M g F2 , Zn S 等 . 但激光陶瓷研究起步较晚 ,并

与国外有较大的差距 . 近年来 ,激光透明陶瓷已经成

为国内陶瓷研究领域的一大热点 . 最近 ,中国科学院 上海 硅 酸 盐 研 究 所 相 继 制 备 了 较 高 质 量 的 N d ∶

YA G 和 Yb ∶YA G 多晶透明陶瓷并获得了激 光 输

出 . 在本文中 , 为了降低腔内损耗 , 采用了较 短 的谐振腔 ,并使用不同的输出透射率 ,更系统 、更有

效地研究由中国科学院上海硅 酸盐 研究 所制 备 的

Yb∶YA G 陶瓷的激光输出特性.

Yb∶YA G 陶瓷的制备和性质

陶瓷材料的制备是一个非常重要的过程 . 在制

备过程中中国科学院上海硅酸盐研究所采用高纯商

业 Y2 O3 ,Al2 O3 , Yb2 O3 超微粉作为原料 ,利用自己 开发的可以低温合成不同团聚结构 、不同掺杂浓度

的纳米 Yb∶YA G 粉体的溶胶2凝胶燃烧合成法技术

制备粉体 , 再 通 过 球 磨 混 合 、煅 烧 干 燥 , 在 1650 ～

1780 ℃真空条 件 下 保 温 10 h 以 上 , 烧 结 成 致 密 的

Yb∶YA G 透明陶瓷 . 图 1 为室温下 Yb ∶YA G 多晶 陶瓷样品的透射光谱 , 在激光工 作波 段 1031 nm 处

的全透射 率 达 77 % , 且 透 射 光 谱 基 底 基 本 保 持 水 平 ,基底透射率大于 80 % ,没有出现明显的瑞利散

射和米氏散射. 作为 能级 结 构最 简单 的 激活 离子 , Yb3 + 离子的电子构型为 4 f 13 ,仅有两个电子态 : 基

态 2 F7 / 2 和 激 发 态 2 F5 / 2 , 两 者 的 能 量 间 隔 约 为

图2 Yb∶YA G 能级示意图

Fig. 2 Enegy level diagram of Yb∶YA G

实验装置

实验采用端面抽运结构 ,激光器结构如图 3 所

示 . Yb∶YA G 多晶陶瓷块的尺寸为4 mm ×4 mm ×

3 mm , Yb3 + 离子的掺杂原子数分数为 1 % , 陶瓷块 双面抛光 ,一面镀1030 n m和940 nm的双增透膜 ,另

一面镀1030 nm的增透膜 . 陶瓷块通过铟 箔 包裹 后

固定在铜质的水冷热沉上 ,与铜质热沉保持较好的 热接触 ,冷却水温控制在15 ℃. 抽运源采用光纤耦 合输出的激光二极管 (L D) ,光纤芯径为200 μm ,输

出中心波长在937 nm ,采用 1∶1的透镜组聚焦在 Yb

∶YA G 多晶陶瓷表面 . 谐振腔为平凹腔 ,其中 M1 为 平面镜 ,镀940 nm增透和 1030 n m增透双色膜 , M2

为耦合输出镜 ,是曲率半径 R = 100 mm的球面镜 .

图1 室温下 Yb∶YA G 多晶陶瓷的透射光谱

Fig. 1 Tra nsmi ssio n sp ect ra of polycr ystal Yb∶YA G

cera mic at roo m temperat ure

图 3 激光器结构示意图

Fig. 3 Co nfiguratio n of la ser system

9 期

许 毅 等 : 激光二极管抽运的国产 Yb∶YA G 陶瓷激光器

功率. 此外 ,增加 Yb3 + 离子的掺杂浓度 ,选择最佳的

样品长度 ,并进一步改善激光陶瓷的制备工艺以提 高激光陶瓷的透明性和均匀性 ,都将优化 Yb∶YA G 陶瓷的激光输出性能 .

设计的腔长约为4 cm ,多晶陶瓷块表面的振荡模半

径约为 120 μm , 振荡模半径略大于抽运模半径 , 整 个实验过程中激光器维持基横模运转.

实验结果及讨论

实验中 ,最初以曲率半径 R = 200 mm 的凹镜

作为激光器的耦合输出镜 ,为了保证 Yb∶YA G 陶瓷

样品中振荡模与抽运模的匹配 ,此时激光器谐振腔 的长度为18 . 5 cm . 当输出透射率为 10 % ,吸收的抽 运功 率 为 9 W 时 , 获 得 最 大 的 激 光 输 出 功 率 为

1 . 28 W ,相应的斜率效率为 17 . 3 %. 为了降低腔内 损耗 ,提高激光器的输出效率 ,进一步优化腔型的设

计 ,以曲率半径 R = 100 mm 的 凹镜 作为 耦合 输 出 镜 ,在保证陶瓷样品中振荡模与抽运模匹配的条件 下 ,此时谐振腔的长 度仅 为 4 cm . 测 试了 在不 同 输 出透射率 (T = 4 % ,8 % ,10 %) 条件下 , Yb∶YA G 陶 瓷激光器的激光输出功率. 随着输出透射率的增大 ,

激光阈值 从 1 . 85 W 上升 至 2 . 06 W , 当 输 出 透 射 率 为 10 %时 ,获得最大的激光输出功率为1 . 63 W ,光2 光转换效率为12 . 7 % ,相应的斜率效率为23 . 2 %. 图

4 为不同透射率条件下短谐振腔的激光输入 、输出 曲线. 随着抽运功率的增加 , Yb ∶YA G 陶瓷激光器

的输出呈线性增加且在最大抽运功率处没有出现明 显的饱和 ,因此若能进一步增加抽运功率 ,有望获得 更大的激光输出功率 .

继国产 Yb∶YA G 陶瓷获得激光输出后 ,进一步

深入地研究了国产 Yb∶YA G 透明陶瓷的激光输出 性能. 通过减小腔长 , 降 低 腔内 损耗 , 在 1031 nm 附 近获得了 1 . 63 W的激光输出 , 斜率效率为 23 . 2 %. 实验结果表明国产 Yb∶YA G 陶瓷的制备工艺已经 获得了较大突破 ,揭示了高质量的 Yb∶YA G 陶瓷在

未来作为高功率高效率激光增益介质的应用前景 .

参 考 文 献

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图 4 激光输入 、输出关系曲线

Fig. 4 Curve of la ser i np ut and o utp ut po wer

实验结果表明在激光陶瓷中振荡模与抽运模匹

配的条件下 ,短谐振腔的激光输出效率要优于长谐 振腔. 若能进一步优化谐振腔的设计 ,并选择最佳的

耦合输出 透 射 率 , 相 信 可 以 获 得 更 大 的 激 光 输 出

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