2μm單縱模全固態(tài)脈沖激光技術(shù)研究進(jìn)展綜述

導(dǎo)讀

2 μm激光位于人眼安全的波段范圍內(nèi)，它具有出色的大氣透過率和水分子吸收特性，能夠覆蓋CO2等溫室氣體的吸收峰，因此在大氣環(huán)境監(jiān)測、光通信、激光雷達(dá)、材料加工、醫(yī)療手術(shù)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。例如，在高精度手術(shù)中2 μm激光是理想的選擇，這是由于水分子對2 μm波長的吸收率極高，且對皮膚組織具有微小而精確的穿透深度，因此在實現(xiàn)組織的消融或去除時的損傷區(qū)域非常小，能有效抑制手術(shù)過程中的出血，如圖1所示。此外，單縱模運轉(zhuǎn)的全固態(tài)2 μm脈沖激光器以其高穩(wěn)定性、窄線寬和優(yōu)良的光束質(zhì)量等優(yōu)勢，成為了多普勒測風(fēng)、相干差分吸收等激光雷達(dá)應(yīng)用的優(yōu)質(zhì)光源，對工業(yè)、國防和科研等領(lǐng)域具有重要的意義。

本文總結(jié)了常用的2 μm固體激光增益介質(zhì)，分析了空間結(jié)構(gòu)振蕩器單縱模選擇的原理和特點，綜述了2 μm單縱模全固態(tài)脈沖激光的研究進(jìn)展，并對不同結(jié)構(gòu)激光器的輸出特性進(jìn)行了比較，最后對2 μm單縱模全固態(tài)脈沖激光的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。期望通過本綜述為開展中紅外激光的研究和應(yīng)用人員提供參考。

圖1. 不同波長下的水吸收和組織穿透深度

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研究背景

近年來，中紅外激光技術(shù)開始展現(xiàn)出獨特的應(yīng)用前景，2 μm單縱模激光器作為相干差分吸收激光雷達(dá)、多普勒測風(fēng)雷達(dá)等激光雷達(dá)應(yīng)用的優(yōu)質(zhì)光源，在大氣溫室氣體探測、工業(yè)以及國防等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。而2 μm的固體激光器具有能量高、穩(wěn)定性好、工作壽命長、輸出光束質(zhì)量好、波長覆蓋范圍廣的優(yōu)點，尤其適用于高能量脈沖激光領(lǐng)域。通過使用光參量振蕩等非線性頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)或者直接泵浦摻雜Tm3+或Ho3+的增益介質(zhì)，均可以獲得2 μm固體激光輸出。然而，光參量技術(shù)中存在較為嚴(yán)重的光譜線寬展寬效應(yīng)，從而難以實現(xiàn)激光單縱模輸出。所以，通常采用直接泵浦的方式獲得2 μm單縱模激光，這就需要對摻Tm3+或摻Ho3+激光器采取特殊的選模方法，如對諧振腔進(jìn)行特殊設(shè)計或插入特定選模元件。

本文結(jié)合2 μm單縱模全固態(tài)脈沖激光器在各領(lǐng)域的應(yīng)用，歸納了常見2 μm固體激光增益介質(zhì)光譜特性，綜述了2 μm全固態(tài)脈沖環(huán)形腔激光技術(shù)、扭轉(zhuǎn)模腔激光技術(shù)、VBG激光技術(shù)、種子注入激光技術(shù)的研究進(jìn)展，總結(jié)分析了各種技術(shù)的輸出特性，并對2 μm單縱模全固態(tài)脈沖激光器的未來發(fā)展作了展望。

主要內(nèi)容

2 μm固體激光增益介質(zhì)

激光增益介質(zhì)的理化性質(zhì)由基質(zhì)材料決定，光譜特性則主要由摻雜的激活離子決定。Tm3+和Ho3+激活離子的發(fā)射波長均在2 μm附近，屬于準(zhǔn)三能級系統(tǒng)。目前，2 μm固體激光器常用的增益介質(zhì)主要有Tm:YAG、Tm:YAP、Tm:YLF、Ho:YAG、Ho:YLF等，具體參數(shù)見表1。其中，Tm3+摻雜晶體的吸收波長與GaAlAs半導(dǎo)體激光器的工作波長相匹配，且發(fā)射波長在1.8~2.1 μm間可實現(xiàn)連續(xù)調(diào)諧，但其發(fā)射截面較小、上能級壽命較短。與之相比，Ho3+摻雜晶體發(fā)射截面較大、熒光壽命較長，易實現(xiàn)高脈沖能量2.1 μm激光輸出，但是缺少成熟的商用半導(dǎo)體激光器，常用摻Tm3+激光器泵浦。

表1. 常見2 μm固體激光增益介質(zhì)光譜特性

固體激光單縱模選擇方法

目前針對固體激光器的單縱模選擇技術(shù)主要包括環(huán)形腔法、扭轉(zhuǎn)模腔法、體布拉格光柵法（VBG）和種子注入法等，部分結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。由于腔內(nèi)駐波場引起的空間燒孔效應(yīng)，光強(qiáng)在空間中分布不均勻，激光器會輸出多縱模激光。為了消除空間燒孔效應(yīng)，通常在諧振腔內(nèi)加入隔離器等單向選通元件，諧振腔一般采用環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，可以保證振蕩器穩(wěn)定的單向運轉(zhuǎn)，即形成行波諧振腔，從而實現(xiàn)激光單縱模輸出。扭轉(zhuǎn)模腔法同樣是消除空間燒孔效應(yīng)的常用方法，其主要是利用兩個快軸相互垂直的波片與偏振片相結(jié)合，進(jìn)而使增益介質(zhì)中的光場不再處于駐波模式，達(dá)到單縱模運轉(zhuǎn)的目的。VBG是一種常用的光譜濾波元件,有著良好的角度選擇性和波長選擇性，任何不符合布拉格條件的角度或波長變化都將導(dǎo)致其衍射效率的顯著下降、腔內(nèi)損耗增加，從而使特定波長在腔內(nèi)振蕩、實現(xiàn)縱模的選擇。種子注入技術(shù)是將穩(wěn)定的單縱模種子激光注入到從屬激光器中進(jìn)行選模和放大的技術(shù)，其基本原理為將單縱模種子激光注入諧振腔中，并通過壓電陶瓷換能器等器件控制諧振腔長度變化。由于注入的種子光比腔內(nèi)自由振蕩光更具優(yōu)勢，因此從腔中與種子光頻率最接近的模式會優(yōu)先起振。當(dāng)檢測到諧振腔內(nèi)種子光和振蕩光諧振匹配時，Q開關(guān)工作，從而輸出窄線寬、高能量的單縱模脈沖激光。

圖2. 環(huán)形腔與扭轉(zhuǎn)模腔單縱模固體激光器結(jié)構(gòu)示意圖

2 μm單縱模全固態(tài)脈沖激光器研究進(jìn)展

近年來，基于單向環(huán)形腔的2 μm單縱模全固態(tài)脈沖激光器研究主要集中在美國蘭利研究中心、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位，其特點是腔形設(shè)計靈活，可以在較寬的波長范圍內(nèi)獲得較高的輸出功率，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜且光路元件較多，較多的反射鏡也會造成一定的激光能量損耗。扭轉(zhuǎn)模腔全固態(tài)激光器以其簡單的結(jié)構(gòu)、較低的閾值電壓，較高的單縱模率及較好的頻率穩(wěn)定性，已經(jīng)成為一種良好的單縱模選擇方案。但是該方案對腔內(nèi)偏振態(tài)的變化十分敏感，因此，受到增益介質(zhì)熱致雙折射等因素的影響，激光器的單縱模率和高功率輸出受到了一定的限制。環(huán)形腔與扭轉(zhuǎn)模腔2 μm單縱模固體脈沖激光器結(jié)構(gòu)如圖3所示。反射式和透射式VBG都可以用于模式選擇，使用具有高衍射效率的體布拉格光柵可以實現(xiàn)在特定波長處的高反射/透射率，將輸出波長鎖定并壓縮線寬。此外，可以通過光柵周期的橫向啁啾實現(xiàn)可調(diào)諧波長輸出。目前，西北大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)以及法國薩克雷大學(xué)等單位都報道過基于體布拉格光柵的2 μm單縱模全固態(tài)脈沖激光器，然而，體布拉格光柵法的缺點也很明顯，比如光柵孔徑難以做大、損傷閾值較低，價格較高等。

圖3. 環(huán)形腔與扭轉(zhuǎn)模腔2 μm單縱模固體脈沖激光器結(jié)構(gòu)示意圖

常見的種子注入技術(shù)有掃描-觸發(fā)技術(shù)（ramp-fire）、掃描-保持-觸發(fā)技術(shù)（ramp-hold-fire）等，部分結(jié)構(gòu)如圖4所示?；诜N子注入法的2 μm單縱模全固態(tài)脈沖激光器的報道是最多的，由此可以看出種子注入法的巨大優(yōu)勢。但種子注入的結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，因此應(yīng)當(dāng)根據(jù)實際使用情況選擇合適的種子源和種子注入技術(shù)。

圖4. 幾種種子注入結(jié)構(gòu)的2μm單縱模固體脈沖激光器示意圖

結(jié)論與展望

近年來，激光泵浦、單縱模選擇以及高能量激光脈沖等技術(shù)都取得了顯著的進(jìn)步，使得2 μm單縱模全固態(tài)脈沖激光器正快速發(fā)展向高穩(wěn)定性、高效率、窄線寬和大能量的方向。目前，已經(jīng)可以通過環(huán)形腔法實現(xiàn)焦耳量級的單脈沖能量，通過體布拉格光柵法實現(xiàn)百kHz的重復(fù)頻率，以及通過種子注入法實現(xiàn)亞MHz量級的線寬。然而，在當(dāng)前2 μm單縱模全固態(tài)脈沖激光技術(shù)發(fā)展的過程中，仍存在一些問題亟待解決，如激光器裝置龐大復(fù)雜，脈沖激光器的輸出脈沖寬度較寬，以及較大的熱效應(yīng)等，這些問題制約了其進(jìn)一步應(yīng)用。針對此，國內(nèi)外科研人員陸續(xù)開展了一些相關(guān)技術(shù)的研究，例如利用具有緊湊結(jié)構(gòu)的碟片激光器，可以在更大的散熱面積、更小的實驗裝置上實現(xiàn)高能量激光輸出；或者采用受激布里淵散射技術(shù)，在保持激光高能量單縱模的前提下獲得更窄的脈寬；抑或是采用有效的熱管理方法來減弱熱效應(yīng)，如使用液冷薄片激光器結(jié)構(gòu)、將液態(tài)金屬作為熱接觸材料、探索具有高熱穩(wěn)定性的新基質(zhì)材料、均勻化泵浦光強(qiáng)；以及，當(dāng)單一選模技術(shù)無法有效實現(xiàn)單縱模輸出時，可以采用多種縱模選擇技術(shù)結(jié)合的方式進(jìn)行縱模選取。

相信在不久的未來，在日益增長的應(yīng)用需求推動下，隨著縱模選擇、脈寬壓縮、熱管理等技術(shù)的不斷發(fā)展以及對新型增益介質(zhì)和激光器結(jié)構(gòu)的不斷探索，2 μm單縱模全固態(tài)脈沖激光技術(shù)將在更廣闊的領(lǐng)域中實現(xiàn)更高的應(yīng)用價值。

審核編輯：劉清