用Tm:YLF激光器进行腔内泵浦送的 2-W Ho:LaF3激光器

2 µm激光器在空间激光雷达测量、遥感、医疗技术和中红外频率转换方面的大量应用，引发了业界的广泛关注。1962年，L. F. Johnson等人首次在Ho:CaWO4晶体中观测到2.046µm的受激辐射，从而开启了掺杂Ho³⁺材料的中红外激光研究。后来，他们又在Ho:CaF₂中扩展了2.092µm的研究，进一步推动了氟化物材料作为Ho³⁺宿主材料的探索。

此后，包括LLF、YLF、PbF₂等在内的多种氟化物宿主材料，在中红外激光器中得到了广泛研究，它们以更小的声子能量、更宽的透光带、更高的透射率和更长的能级寿命而著称。在本研究中，引入了一种新的氟化物宿主材料——氟化镧（LaF₃）晶体，以揭示其在开发2µm中红外激光器方面的巨大潜力。

之所以选择LaF₃晶体作为宿主材料，主要是因为它的声子能量较低。研究表明，LaF₃晶体的声子能量仅为350cm^-1，可有效降低非辐射转变的概率，获得较高的发光量子效率。此外，La离子的正三价态避免了三价稀土离子（如Ho³⁺）掺杂过程中的电荷失衡，使LaF₃成为Ho³⁺ 中红外激光器的理想宿主材料。

迄今为止，有关掺杂稀土离子的LaF₃晶体的大量研究，涉及晶体生长、光谱、热性能、闪烁特性等方面。然而，对其激光特性的研究还很有限。本研究重点研究了Ho:LaF₃晶体，以研究其在2.1µm激光器中的激光发射潜力。

图 1：(a)Ho:LaF₃ 的吸收光谱和 (b)Ho:LaF₃ 的发射光谱

通常，Ho:LaF₃增益介质需要1.9µm处的激发光源，这与Tm³⁺的主要发射峰相对应。因此，作为敏化离子的Tm³⁺离子经常与Ho³⁺共掺，以制造增益介质。通过Tm³⁺和Ho³⁺之间的能量转移，Ho³⁺在受激辐射的基础上发射出2.1µm的激光。

遗憾的是，掺铥（Tm）掺钬（Ho）增益介质存在严重的上转换损耗，导致量子效率低，对温度变化非常敏感。因此，集中研究了单掺杂Ho激光器，其优点是减少了上转换过程和量子缺陷，从而促进了室温下高效激光器的产生。

图 2：Ho:LaF₃ 的荧光衰减曲线

随着光纤技术的飞速发展，掺铥光纤激光器经常被用于泵浦单掺钬材料。本文采用自制的 Tm:YLF激光器作为泵浦源。与Tm光纤激光器相比，自制Tm:YLF激光器具有结构简单、辐射强度高、光束尺寸大等优点。同时，Tm:YLF块状晶体与Ho:LaF₃晶体共用一个腔，即腔内泵浦方案。此外，独立的Tm:YLF和Ho:LaF₃晶体更易于调整和优化。

本研究通过研究新型增益材料Ho:LaF₃的光谱特性、输出功率、激光光谱和光斑质量，探索了其特性。Ho:LaF₃晶体具有很高的吸收系数和很宽的发射光谱。测量结果表明，5I7级的发光寿命非常长，达到25.7毫秒，这表明Ho:LaF3材料具有出色的能量存储能力。

利用Tm:YLF激光器的腔内泵送，Ho:LaF₃激光器显示出很高的输出功率。当输出镜的透射率为5%时，可获得1.59W的最大平均输出功率。此外，当透射率为2%时，可获得2.07W的激光输出功率。2.1µm附近的光束质量极佳，M2x和M2y参数值分别为1.19和1.23。这项研究表明，Ho:LaF₃是一种用于中红外激光器的优秀增益材料。

Ho:LaF₃晶体的表征

采用Bridgman制备了含有2% Ho离子的Ho:LaF3样品，这些样品是用HoF3粉末和LaF₃粉末制备的。如图1(a)所示，根据吸收光谱，在400-2200nm波长范围内的多个峰证明了一个强吸收带。值得注意的是，在1922nm和1930nm之间观察到一个明显的吸收带，在1926nm处的吸收系数最高，为0.98cm-1。观察发射光谱（如图1(b)所示），Ho:LaF₃晶体在2µm波长处显示出一个宽发射带。通过高斯拟合构建的荧光光谱的半最大全宽（FWHM）约为137nm。宽发射光谱显示了Ho:LaF₃作为可调谐激光材料的巨大潜力。

发射2µm激光的过渡通道是从高电平⁵I₇到低电平5I8。图2记录并显示了⁵I₇级的发光寿命。实验测得的是单一衰变行为，拟合值为25.7ms。发光寿命高于其他宿主材料。高寿命的主要原因是LaF₃晶体的声子能量较低，可有效减少非辐射转变。此外，如此高的荧光寿命也预示着Ho:LaF₃晶体具有输出高能量激光的能力。

激光实验设计与结果

为了获得足够的激励，腔内泵浦Ho激光器需要高功率Tm激光器，而高功率Tm激光器首先需要由LD进行泵浦。为了与Tm激光器的吸收波段相匹配，采用了中心波长为796nm的光纤耦合LD作为泵浦源，其直径为200µm，数值孔径为0.22。使用1:1光耦合系统，将LD 光源汇聚到Tm:YLF晶体。

Tm:YLF晶体的横截面为3×3mm²，长度可达10mm，可产生1.9μm的高功率激光。Tm离子的掺杂浓度为3%。大块的Ho:LaF₃晶体被精确切割成3mm×3mm，长度为6mm。Tm:YLF 和Ho:LaF₃晶体都使用水冷系统进行了有效冷却。实验装置如图3所示。

图 3：腔内泵送 Ho:LaF₃ 激光器的实验装置

谐振器由输入镜（M1）和输出镜（M2）组成。M1是半径为100mm的凹面镜，表面镀有覆盖1.9-2.1μm波长的高反射膜。而M2是平面镜，在1.9-2.1µm波长范围内的透射率分别为 2%和5%。为了确保获得更精确的实验结果，还设计了额外的反射镜，即M3和M4。M3可将未被吸收的796nm激光从LD中分离出来，而M4则用于去除1.9µm的Tm:YLF激光器。

图 4：Tm:YLF 激光器的平均输出功率

首先，只利用激光腔中的Tm:YLF增益材料产生高功率连续波（CW）激光。图4显示了当LD 的入射泵浦功率从1.22W增加到16.38W时平均输出功率的函数关系。当输出透射率为2% 时，Tm:YLF激光器的输出功率从0.18W变为4.84W，斜率效率为31.1%。当输出透射率设定为5%时，Tm:YLF激光器的输出功率从0.08W增至4.73W，斜率效率为31.4%。由于Tm:YLF晶体具有极强的增益能力，2%和5%的透射率对激光输出功率和效率的影响很小。

图 5：输出透射率为 2%(a) 和 5%(b) 时，平均输出功率与入射 LD 泵功率的函数关系

图5(a)显示了在M2的透射率为2%的情况下，入射LD泵浦功率与Ho:LaF₃激光器平均输出功率之间的关系。Ho:LaF₃激光器的阈值入射LD泵浦功率为3.2W。当注入LD泵浦功率为 16.38W时，激光器的最大平均输出功率为2.07W，斜率效率为16.2%。图5(b)显示了透射率为5%的输出镜的结果。在斜率效率为13%的情况下，Ho:LaF₃激光器实现了1.59W的最大平均输出功率。对不同输出透射率的比较显示，Tm:YLF激光器具有类似的输出特性（见图4）。然而，Ho:LaF₃激光器在5%的透射率下显示出较低的平均输出功率和效率。这可能是由于输出镜的高透射率造成了大量损耗。

图 6：输出透射率为 2%(a) 和 5%(b) 的 Ho:LaF₃ 激光器光谱

如图6所示，光谱测量是在激光器达到最大功率输出时记录的。显然，Ho:LaF₃激光器在两种输出透射条件下都表现出双波长特性。多波长输出是由于Ho:LaF₃晶体能级的明显分裂产生了多个子能级，从而很容易满足多波长振荡的要求。当输出透射率为2%时，在2089nm和2093nm处观察到峰值。当输出透射率为5%时，记录到2077nm和2080nm波长。值得注意的是，双波长值比透射率为2%时更短。比较两种输出镜，当透射率为2%时，腔体内的功率密度明显较高，导致对5I8级Ho³⁺低亚级的强烈重吸收。这造成了短波的大量损失，导致激光波长变长。

图 7：输出功率为 2.07W 时的 M² 因子

激光光束的质量是直接影响潜在应用的重要因素。在本研究中，当Ho:LaF3激光器获得2.07W 的最大平均输出功率时，通过CCD测量对光束质量进行了评估。图7显示了光斑大小（用平方值表示）在x和y方向上随距离的变化情况。通过数据拟合，M²_x和M²_y的值分别为1.19 和1.23，与TEM00相当，表明光斑质量良好。图7中的插图表示近场光斑直径，经测量，水平方向为1.17mm，垂直方向为1.19mm。

研究结论

本研究展示了由腔内Tm:YLF激光器泵浦的高功率Ho:LaF₃激光器。采用Bridgman方法生长的Ho:LaF₃晶体在高层表现出较长的发光寿命（25.7ms）。当输出透射率为5%时，Ho:LaF₃激光器的平均输出功率为1.59W，斜率效率为13%。而当输出透射率为2%时，平均输出功率为2.07W，斜率效率为16.2%，近场光斑水平方向为1.17mm，垂直方向为1.19mm。

光斑质量M²_x为1.19，M²_y为1.23。这些结果表明，Ho:LaF₃晶体在2µm波长下是一种极好的增益材料，有望进一步研究其更多的激光特性。

作者：Chun Li、Syed Zaheer Ud Din等

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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