ABSTRACT

Employing double-walled carbon nanotube (DWCNT) by vertical growth method as a saturable absorber, we demonstrate a high-power and dual-wavelength passively Q-switched mode-locked (QML) operation of an all-solid-state Tm:Lu₃Al₅O₁₂ (Tm:LuAG) laser, and the wavelength is 2016 nm and 2032 nm. In this experiment, the laser is pumped by laser diode (LD), and when the pump power is greater than 6.52 W, the laser enters into a stable Q-switched mode-locked operation state by using 5% output coupler. When the pump power reaches 20 W, the Q-switched mode-locking output power is 1092 mW, the slope efficiency is 6.11%, the repetition frequency is 106.4 MHz, the corresponding single pulse energy is 10.26 nJ. Furthermore, the modulation depth is close to 100%.

Keywords:Tm:LuAG Laser, DWCNT Saturable Absorber, Q-Switched Mode-Locked, Dual-Wavelength

全固态Tm:LuAG双波长瓦级调Q锁模激光器

陈晨^1,2，令维军^1*，孙锐^1,2，许强²，张亚妮³，张明霞¹，袁振¹

¹天水师范学院激光技术研究所，甘肃 天水

²宝鸡文理学院物理与光电技术学院，陕西 宝鸡

³陕西科技大学文理学院，陕西 西安

收稿日期：2019年12月6日；录用日期：2019年12月19日；发布日期：2019年12月26日

摘 要

以垂直生长法自制的双壁碳纳米管(Double wall carbon nanotube, DWCNT)作为可饱和吸收体，在全固态Tm:Lu₃Al₅O₁₂ (Tm:LuAG)激光器中实现了高功率双波长的调Q锁模运转，输出波长分别为2016 nm和2032 nm。以激光二极管(Laser diode, LD)为抽运源，选用5%的输出镜，当泵浦功率大于6.52 W，激光运转进入稳定调Q锁模状态。增加泵浦功率到20 W时，对应调Q锁模运转下的输出功率为1092 mW，斜效率为6.11%，重复频率为106.4 MHz，调制深度接近100%。

关键词 :Tm:LuAG激光器，DWCNT可饱和吸收体，调Q锁模，双波长

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1. 引言

目前2 μm超快激光在分子光谱学、激光医疗和材料加工等领域有着广泛的应用，引起了广大学者的极大兴趣 [1]。其中2 μm双波长同步锁模的高功率激光器通过差频技术能够产生相干太赫兹辐射 [2] [3]，不仅如此，还在差分雷达、光通信以及远程空间探测等方面应用十分广泛 [4]。更为重要的是将2 μm波段激光用作泵浦源，使用光学参量技术能够得到3~5 μm波段激光，其在光电对抗和红外制导领域有着举足轻重的地位。通常采用被动锁模技术来实现超短激光脉冲，主要因为该技术有着成本低廉、结构简易和效率较高的优点。自从SESAM (Semiconductor saturable absorber mirror, SESAM)于1992年首次在全固态的Nd:YLF激光器中作为锁模启动原件开始 [5]，SESAM锁模技术就被确定为超短激光脉冲产生的革命性技术。目前该技术在2 μm超短激光脉冲中的应用也十分广泛 [6] [7]。然而，SESAMs存在制造复杂、工作带宽较窄以及成本较高等问题 [8]，导致探索新型宽带可饱和吸收体显得非常必要。

碳纳米管材料的吸收光谱范围从500 nm到2500 nm，还具有杰出的导电和传热机能 [9]，更为重要的是其制作过程简便、成本较低。碳纳米管可以分为单壁碳纳米管(Single-walled Carbon nanotubes，SWCNTs)和多壁碳纳米管(Multi-walled Carbon nanotubes，MWCNTs)。双壁碳纳米管为最简单的多壁碳纳米管，拥有超快回复时间、高损伤阈值和优异的化学稳定性 [10] [11]。山东大学首次在Tm:YAP激光器中使用DWCNT可饱和吸收体实现了41 ps的锁模运行，并且最高输出功率为375 mW [12]。去年本课题组在Tm， Ho:LLF激光器中采用DWCNT可饱和吸收体实现了低阈值调Q锁模运转，并且输出功率为234 mW [13]。

YAG材料具有稳定的结构，较好的导电和光学特性 [14] [15]，在2 μm波段激光中已经被证明为出色的增益介质 [16] [17]。由于Tm³⁺和Y³⁺之间存在明显的质量差异，导致在Tm³⁺高掺杂情况下，YAG表现出明显的水解 [18]，而Tm³⁺和Lu³⁺的质量相差较小，因此LuAG作为2 μm激光增益介质的热性能更加均匀 [19]。除此之外，LuAG材料比常规的YAG材料更加的坚固，拥有更高的损伤阈值 [20]。目前，山东大学使用SESAM在Tm:LuAG激光器中得到最大输出功率为1.21 W的超短激光脉冲输出 [21]，这是目前在2 μm锁模固体激光器中得到的最大输出功率。不久之后，山东大学在此基础上得到脉冲宽度短至13.6 ps的激光输出 [22]。本课题组通过以钛蓝宝石为泵浦源，分别在DWCNT [23] 、氧化石墨烯 [24] 和MoS₂ [25] 可饱和吸收体中得到调Q锁模运转。本次实验采用激光二极管为泵浦源，其具有结构简易、电–光转换效率高、光束质量好和成本低等特点，成为当前激光技术发展的主要方向之一 [26]。

本文通过传统的X型腔，以输出为790 nm的LD为抽运源，在Tm:LuAG激光器中加入双壁碳纳米管可饱和吸收体，实现了高功率双波长的调Q锁模运行。在5%输出镜下获得最大输出功率为1092 mW的调Q锁模激光输出，输出波长分别为2016 nm和2032 nm，重复频率为106.4 MHz，单脉冲能量为10.26 nJ，调制深度接近于100%。

2. 实验装置

LD抽运的Tm:LuAG被动调Q锁模激光器的实验装置如图1所示(实验装置图通过Solidworks软件绘制而成)，采用X型折叠腔能够获得较高的腔内强度，有利于锁模脉冲的产生。LD的工作波长为790 nm，最高输出功率为30 W，纤芯的直径为105 μm。实验中采用掺杂铥离子(Tm³⁺)浓度为5%以及尺寸为3 mm × 3 mm × 5 mm 的Tm:LuAG材料为增益介质。使用过程中需要沿着它的布儒斯特角进行切割，并对两个通光面进行抛光处理。为了降低激光晶体在实验过程中的热透镜效应，需要对其进行冷却处理。首先将晶体用铟箔包裹，其次把它安装在紫铜冷却片中，最后采用恒温水循环冷却系统冷却夹在紫铜冷却片内的晶体，恒温水的温度稳定在11℃左右。

图1. 实验装置原理图

通过聚焦系统L对LD抽运源进行聚焦，L的聚焦倍率为1:0.8，透过率为95%，工作距离为49.2 mm，外径大小为37.5 mm。在激光谐振腔中M₁和M₂分别表示为曲率半径为75 mm和100 mm的平凹镜，其对790 nm波段的抽运光高透，而对1800~2100 nm波段的振荡光高反。选取平凹反射镜M₃的曲率半径为100 mm，其对1800~2100 nm波长激光反射率大于99.9%，主要作用将激光脉冲聚焦到平面高反镜(M₄)上。M₄对1800~2050 nm波段反射率大于99.9%的平面高反镜。OC为输出耦合镜(Output Coupler，OC)，通过公式(1)谐振腔最佳透过率与泵浦功率之间的关系 [27]，其中 $\sigma$ 为晶体发射截面， ${\tau }_f$ 为发射寿命， ${\lambda }_p$ 为泵浦光波长， $P_{in}$ 为泵浦功率， ${\alpha }_P$ 吸收系数，L为晶体长度， ${\delta }_0$ 为腔内损耗， $\overline{W_P}$ 为平均泵浦光斑半径， $W_O$ 为振荡光斑半径。通过Matlab模拟公式(1)得到图2，从图中可以看出在泵浦功率为20 W时，谐振腔的最佳透过率T约为0.046。因此，考虑到光学玻璃镀膜在加工中的实际情况，所以选取透过率分别为0.03和0.05的输出镜进行对比实验。

$T=\sqrt{\frac{4\sigma {\tau }_f{\lambda }_P{P}_{in}\left[1-\exp \left(1-{\alpha }_{p}L\right)\right]\times {\delta }_0}{\pi hc\left({\overline{W_P}}^2+W_O^2\right)}}-{\delta }_0$ (1)

图2. 谐振腔最佳透过率随泵浦功率变化图

实验中DWCNT可饱和吸收体放置于M₃焦点附近。利用ABCD矩阵模拟激光腔内振荡光斑，可以计算出晶体中最小光腰半径为55.5 μm以及DNCNT可饱和吸收体表面光斑约为193.7 μm，启动锁模时，可饱和吸收体上表面功率密度约为41.22 μJ/cm²。

3. 实验结果分析与讨论

按照上述光路图进行设计。当激光腔内未插入DWCNT可饱和吸收体，进行连续光运转。相应的输出功率与泵浦功率曲线如图3所示。在3%和5%输出镜下的出光阈值分别为0.715 W和0.938 W，相对应的斜效率分别是10.15%和10.83%，最高输出功率为1860 mW和2078 mW。

图3. 连续光输出功率随泵浦功率变化图

为了启动锁模，将透射式的DWCNT-SA嵌入腔中，输出曲线如图4所示。首先选用3%的输出镜，与连续光相比，出光阈值增加到1.31 W。当泵浦光功率高于5.05 W时，激光进入稳定调Q锁模状态：泵浦光功率增加到20 W时，最高输出功率为1028 mw，斜效率为5.77%。在5%输出耦合镜下的出光阈值为1.98 W，当泵浦功率高于6.52 W时，激光进入稳定调Q锁模运转，最高功率为1092 mW，斜效率为6.11%。通过实验数据可知，发现在5%输出镜下的输出功率和斜效率较高，而3%输出镜拥有更低的锁模启动阈值，所以可以根据不同的需求来选取合适的输出镜。本实验中主要使用3%输出镜来进行研究。

图4. 锁模输出功率随泵浦功率变化图

本实验的调Q锁模脉冲光谱通过(AvaSpec-NIR256-2.5 TEC)分析仪来获得，如图5所示，中心波长在2016 nm和2032 nm。

图6为锁模脉冲序列图。本实验通过快速光电二极管(ET-500)连接的数字示波器(RIGOL，DS4034)来测量脉冲序列。图中调Q锁模脉冲序列的扫描时间分别为100 µs和10 ns，调Q锁模脉冲的调制深度接近于100%，重复频率为106.4 MHz，与1.3 m的腔长锁模脉冲理论相对应。

图5. 锁模光谱图

图6. 锁模脉冲序列

4. 结论

综上所述，本文采用垂直生长法生长的DWCNT为可饱和吸收体。利用该吸收体，在Tm:LuAG全固态激光器中实现了高功率双波长的调Q锁模运转。在5%的输出镜下，连续光最高输出功率为2078 mW，斜效率为10.83%。将DWCNT可饱和吸收体放入腔内，激光进入稳定的调Q锁模状态的阈值功率为6.52 W。当泵功率达到20 W时，在中心波长为2016 nm和2032 nm处得到1092 mW最大输出功率，斜效率为6.11%，重复频率和平均单脉冲能量分别为106.4 MHz和10.26 nJ。实验表明DWCNT可以作为2 μm固体激光器的被动调Q锁模器件。LD泵浦有着成本低廉的优点，在工业生产中的运用非常广泛。后期我们将提高泵浦功率，改善可饱和吸收体的质量，优化谐振腔的参数，争取在获得调Q锁模的条件下实现高功率的连续锁模运转。

基金项目

国家自然科学基金(批准号：11774257，61564008，11647008，11504416)、陕西省国际科技合作与交流项目(2018KW-016)、宝鸡市重大科技专项计划项目(2015CXNL-1-3)、天水市科技支撑计划自然科学基金项目(2018-FZJHK-3392)、天水师范学院研究生创新引导项目(TYCX1901)。

文章引用

洪兴骏,郭生练,郭家力,侯雨坤,王 乐,陈 晨,令维军,孙 锐,许 强,张亚妮,张明霞,袁 振. 全固态Tm:LuAG双波长瓦级调Q锁模激光器
Watt-Level Dual-Wavelength Q-Switched Mode-Locked All-Solid-State Tm:LuAG Laser[J]. 光电子, 2019, 09(04): 214-220. https://doi.org/10.12677/OE.2019.94030

参考文献