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高功率带内泵浦Er:YAG激光,波长为1617 nm

浏览数量:22     作者:本站编辑     发布时间: 2018-07-26      来源:本站

  摘要:报道了采用包层泵浦Er,Yb光纤激光器在1532 nm波段泵浦的1617 nm带内Er:YAG激光器的大功率室温操作。 Er:YAG激光器在M2光束中产生31 W的连续波输出»2.2用于72 W的泵浦功率。阈值泵功率为4.1W,相对于入射泵功率的斜率效率为~47%。讨论了铒掺杂水平和谐振器设计对激光器性能的影响,并考虑了进一步提高输出功率和提高激光效率的前景。

  2008年美国光学学会

  OCIS代码:(140.0140)激光和激光光学; (140.3070)红外和远红外激光器; (140.3500)激光,铒; (140.3510)激光,纤维; (140.3580)激光,固态。

 一,简介

  在眼睛安全波长范围内工作的激光源约为1.5-1.6m有许多应用,包括遥感,测距和自由空间通信。直接(带内)泵浦Er:YAG与Er,Yb光纤激光器[1-6]或二极管激光器[7-9]正迅速成为这一波长范围最有希望的途径之一在连续波(cw)和Q开关操作模式下的高平均输出功率。使用基于光纤的泵浦激光器特别有吸引力,因为这允许使用具有低铒离子浓度的Er:YAG晶体,以最小化能量转移上转换(ETU)对激光性能的不利影响[10]并避免需要低温冷却以实现高激光效率[8]。混合光纤 - 体激光方法的主要吸引力之一是体激光介质中的量子缺陷加热非常低,这极大地简化了激光几何中的功率缩放,这也提供了Q开关模式下的高脉冲能量的潜力。该方法已成功应用于在~1.6和~2.1μm波长范围内工作的Er掺杂和Ho掺杂激光器。在最近的工作中,我们展示了基于Er:YAG的混合激光器。在Q开关模式下,60 W的cw输出[1]并且具有> 15 mJ的脉冲能量 4一世13/2 ® 4一世15/2

在1645 nm处过渡[2,10]。然而,对于一些遥感和测距应用,这种工作波长有点不方便,因为由于甲烷存在一些大气吸收线,这些吸收线非常接近,需要仔细选择和控制激射波长。 Er:YAG在1617nm处的相同上歧管和下歧管之间也具有过渡(参见图1),其位于没有大气吸收线的光谱区域中。这种转变受益于更高的发射截面,但具有更加明显的三级特性,需要约14%的Er3 +离子被激发到上部歧管以达到透明度,而1645nm转变为~9%。结果,用于1617nm操作的阈值泵浦功率通常远高于1645nm操作,因此标准谐振器配置通常在1645nm处激光。 Er:YAG在1617 nm的操作是通过在腔内使用额外的波长鉴别成分(例如标准具)[5,6]来抑制1645 nm处的线或通过在1617 nm处的再吸收损耗的低温下操作来实现的。显着减少[8]。在这两种情况下,迄今为止报告的最高平均功率低于< 6 W使用波长鉴别[6]和< 6 W在78 K [8]时准fw运行0.32 W。在这里,我们报告了在高泵浦功率下1617 nm混合Er:YAG激光器运行的实验研究结果,并讨论了各种因素(包括Er3 +掺杂水平和腔体设计)如何影响激光器性能。基于这项研究的结果并使用一种简单的功率调节策略,我们展示了一种Er:YAG激光器,带内泵浦的包层泵浦Er,Yb光纤激光器在1532 nm处,在1617处具有31 W的cw输出nm为室温下72 W的入射泵功率。据我们所知,这是迄今为止在1617纳米线上运行的Er:YAG激光器的最高输出功率。

大功率带内泵浦(1)

图1. Er:YAG能级图显示了1617 nm和1645 nm处的激光跃迁。

  2.Experiment

  在我们的实验中使用的混合Er:YAG激光器配置如图2所示.Er,Yb光纤泵浦激光器是在内部构造的[11],包括~2.5 m长的双包层光纤和30m直径(0.22 NA)Er,Yb掺杂的磷硅酸盐核心被400包围m直径D形纯二氧化硅内包层。用低折射率(n = 1.375)氟化聚合物外包层涂覆纤维,得到内包层泵导向器的计算NA为0.49。通过在Littrow配置中包含衍射光栅(600线/ mm)的外腔提供的波长选择性反馈,实现在1532nm的Er:YAG的吸收峰值处的操作。在外腔中使用相对长焦距的准直透镜(120 mm),以确保光栅的光谱选择性足以实现比Er:YAG吸收带宽(~4 nm)更窄的激光带宽(~0.4 nm)。 )。通过垂直切割的小平面的~3.6%菲涅耳反射提供对光纤另一端激光的反馈。泵浦光由两个偏振组合的九柱二极管泵模块在976nm处提供。来自组合泵模块的输出光束使用刀口镜在空间上分成两个大致相等功率的光束,允许从两端泵浦Er,Yb光纤。以这种方式,热负荷沿着纤维更均匀地分布,降低了热诱导的聚合物外涂层损坏的可能性。使用这种布置,在M2 <1nm的光束中,Er,Yb光纤在1532nm处产生120W的最大输出功率。 5用于~440 W的发射泵功率。在此功率水平下,光纤激光器容易损坏,因此为了确保可靠运行,激光器的功率水平低于75 W.

  Er:YAG激光器采用简单的四镜折叠谐振器。这包括在激光波长(1600-1650nm)处具有高反射率(> 99.8%)并且在泵浦波长(1532nm)处具有高透射率(> 95%)的平面泵输入耦合器,两个凹面镜(R1)在激光和泵浦波长处具有高反射率(> 99.8%)的100mm曲率半径和平面输出耦合器。我们的研究中提供了一系列输出耦合器,其激光波长为10%,20%,30%和50%。为了研究Er3 +浓度对性能的影响,使用三种Er:YAG棒,其掺杂水平为0.25at。%,0.5at。%和1.0at。%,各自的长度为58mm,29mm和15mm。选择晶体长度使得所有三种晶体在低泵浦功率下(即在没有基态漂白的情况下)具有大致相同的泵吸收效率。测得后者为~98%,表明在1532nm泵浦中Er:YAG的吸收系数为~260m -1 / at。%。 Er:YAG棒的两个端面均为1.5至1.7的抗反射涂层m波长范围涵盖泵浦和激光波长。

大功率带内泵浦(2)

图2. Er:YAG谐振器的示意图。 IC:输入耦合镜

(AR为1532nm,HR为1600-1700nm)。 OC:输出耦合镜

 (透射率(T)在1600-1700nm下为10%,20%,30%或50%)。

  Er:YAG棒是安装在水冷铝制散热器中,保持接近室温17℃,并位于由两个曲面镜(R1和R2)限定的谐振器臂的中点。谐振器臂的物理长度约为125 mm,谐振器的总物理长度约为365 mm,计算出TEM00腰围半径约为80米使曲面镜上的入射角非常小(<10°)以使像散最小化。来自Er,Yb光纤激光器的泵浦光束通过平面输入耦合器耦合到谐振器中,然后聚焦到腰部半径为~75在曲面镜R1的帮助下,在Er:YAG杆上。未涂覆的熔融石英标准具100m厚度用于提供波长鉴别(必要时)以确保1617nm线上的激光。

3。结果与讨论

  在激光振荡的阈值处,往返增益必须等于激光腔的分数损失,因此


sG ñ = -[日志 Ë 1 - Ť+ 日志 Ë 1 - 大号)](1)

  其中σg是增益截面,N是有源离子掺杂浓度,l是增益介质的长度,T是输出耦合器的传输,L是往返腔损耗(不包括输出耦合损耗) 。增益横截面取决于过渡的有效发射和吸收截面(σe和σa)以及上部流形(4I13 / 2)和下部流形(4I15 / 2)的总体密度N2和N1分别通过关系[4]:

sG = BSË - 1- bs一个(2)


其中,在没有能量转移 - 上转换的情况下,反转参数β= N2 /(N1 + N2)≈N2/ N.为了在1617nm线上强制激光,需要配置谐振器,使得1617nm操作的阈值低于从4I13 / 2到4I15 / 2的任何其他激光跃迁的阈值。通常,1645nm线由于其较弱的三级特性(即较低的有效吸收截面)而具有最低阈值,即使1617nm跃迁具有高得多的有效发射截面。但是,这确实为波长选择留下了两个选项。第一种也是最明显的方法是使用损耗鉴别(例如腔内标准具)来选择1617nm线。第二,也许是最简单的方法是利用以下事实:所述增益的横截面,ΣG增加更迅速地与反转参数,β为1617纳米线比用于1645纳米线(参见图3)。最终结果是在高反转密度下,1617nm处的增益横截面更高

大功率带内泵浦(3)

图3.作为粒子数反转参数函数的1617nm和1645nm处的计算增益横截面。

比在1645纳米。在室温(300K)下,这需要至少35%的Er3 +离子被激发到4I13 / 2歧管。实际上,这可以通过使用更高的传输输出耦合器简单地增加阈值来实现,而不需要额外的波长选择腔内部件。

使用具有0.5at。%掺杂水平的Er:YAG棒进行初步实验,并使用腔内标准具选择1617nm操作。对于三种不同的输出耦合器传输(10%,20%和30%),激光输出功率作为入射泵功率的函数的结果如图4(a)所示。而且,为了比较,还示出了1645nm操作的输出功率与泵浦功率(即,没有存在于腔中的标准具)。可以看出,激光功率随着输出耦合器在1617nm处的透射率而增加。然而,1617nm处的输出功率略低于1645nm处的输出功率。此外,与1645 nm的情况相比,泵浦功率增加超过~60 W时,输出功率在1617 nm处有非常明显的翻转。图4(b)显示了1617 nm的性能,输出耦合器传输率为50%。在这种情况下,不需要标准具。阈值泵浦功率为~5.2 W,相对于入射泵功率的斜率效率为~42%,泵浦功率为~45 W.在较高的泵浦功率下,输出功率非常急剧地翻转,达到最大输出功率这比使用20%和30%输出耦合器传输的相同谐振器低得多。我们将1617nm处的功率翻转归因于更高的三级特性(即增加的再吸收损失),这是由于在高泵浦功率下由于热负荷增加导致的温度升高。能量转移上转换进一步加剧了这种情况,其在高激发密度下操作时进一步增加热负荷。从具有50%输出耦合器传输的激光器的更大功率翻转中可以看出这一点。

大功率带内泵浦(4)

图4.掺杂浓度为0.5 at。%的Er:YAG激光器的输出功率与入射泵功率的关系

(a)使用输出耦合器,传输率为10%,20%和30%。 (实心符号表示用标准具进行1617nm操作,空心符号表示1645nm操作)。

(b)输出功率为1617 nm,输出耦合器传输率为20%,30%(带标准具)和50%(无标准具)。

  我们使用50%透射输出耦合器,使用0.25 at。%和1.0 at。%掺杂水平的Er:YAG棒重复实验。图5(a)显示了我们研究中使用的三种掺杂水平的输出功率与泵浦功率的关系。由于较低的掺杂浓度和降低的上转换损耗,0.25wt。%掺杂棒的热负荷密度和因此温度升高至少比0.5at。%掺杂棒低2倍。因此,我们观察到输出功率没有翻转到75 W的最大可用泵浦功率。相比之下,1.0 at。%掺杂棒具有更高的热负荷密度,因此温度上升,正如预期的那样,激光表现得差得多,最大输出功率仅为3 W.这些结果支持了我们的断言,即功率翻转是由于热负荷引起的三电平行为增加,并且由于能量转移 - 上转换而加剧。因此,将低Er3 +掺杂水平与有效热管理结合使用对于连续波和Q开关操作模式中1617 nm转换的功率缩放至关重要。

大功率带内泵浦(5)

图5. Er:YAG激光器输出功率为1617 nm,相对于泵浦功率

 (a)使用具有50%透射率的输出耦合器的不同Er3 +掺杂水平

(b)使用0.25at。的优化腔设计。 % 水晶。

  图5(b)显示了使用0.25 at。%Er:YAG棒的优化谐振器设计的1617 nm输出功率与泵浦功率的关系。在这种情况下,两个100毫米曲率半径的镜子被150毫米曲率半径的镜子所取代,并调整了谐振器长度,以便给出更大的计算TEM00束腰半径~100m因此与泵浦区域的空间重叠更好。阈值泵功率为~4.1W,相对于入射泵功率的斜率效率为~47%。输出功率没有翻转到最大可用泵浦功率,激光器在M2波束中在1617 nm处产生31 W的最大输出功率»2.2用于72 W的泵浦功率。

4.Summary

在连续波或Q开关操作模式下,在1617nm处以高功率水平操作混合带内泵浦Er:YAG激光器比在更熟悉的1645nm线路上操作更具挑战性。我们的研究结果表明,由于量子缺陷加热和能量转移 - 上转换导致的热负荷,以及相关的温度升高和较低水平的再吸收损失是主要原因。我们得出结论,使用低Er3 +掺杂水平和有效的热管理对于此过渡的功率缩放至关重要。使用这种简单的功率缩放策略,我们在Er:YAG激光器上进行了演示,由1532 nm的高功率Er,Yb光纤激光器泵浦,在1617 nm处具有31 W的连续波输出功率,用于72 W的入射泵浦功率并且相应的斜率效率为47%。进一步缩放输出功率和扩展到Q开关操作模式可以从甚至更低的铒掺杂水平的使用中受益。

  致谢

  这项工作由英国国防部建立的电磁遥感(EMRS)防御技术中心资助。

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