藍光LD 抽運Pr3+：YLF 直接獲得橙紅光的實驗研究

金玉實，李青松，董淵，金光勇

（長春理工大學 理學院，長春 130022）

藍光LD 抽運Pr3+：YLF 直接獲得橙紅光的實驗研究

金玉實，李青松，董淵，金光勇

（長春理工大學 理學院，長春 130022）

對藍光二極管（LD）泵浦Pr：YLF晶體輸出橙紅光進行了實驗研究，分析了不同偏振方向的晶體和不同透過率的輸出鏡對橙紅光輸出功率的影響。在a切Pr3+：YLF晶體吸收功率為4.5W時最高輸出639.7nm激光功率為491mW。c切Pr3+：YLF晶體在吸收功率為3.3W時最高輸出607.3nm激光功率為177mW。

Pr3+：YLF晶體；藍光LD；a切；c切

波長在600nm～650nm的可見光是與人類日常生活關系最密切的波段，一方面人類主要依靠視覺獲得大部分信息，另一方面，科技的進步對激光存儲、激光顯示以及水下激光通信等多個領域提出了更高要求，迫切需求質量更好、效率更高、可靠性更佳的黃橙光激光光源［1-3］。目前，用非線性頻率變換的方法輸出橙光激光是相對成熟的常用手段，通?？梢詫⒔t外波段的光，如946mn、1064nm、1320mn等轉化成二次或三次諧波輸出可見光波段的激光［4］。這就必須進行至少一次或兩次的非線性頻率轉化，不可避免的出現光-光轉換效率低的現象，相比于直接泵浦的轉換方式，其劣勢顯而易見。同時，這種方法受限于半導體激光器（LD）技術的發展［5］，泵浦光源的選擇較為稀少，而且能夠選取的激光晶體也集中在少數幾種，如：Nd：YAG、Nd：YVO4、Nd：GdVO4等晶體。因此，尋找能直接產生該波段激光激射的新型工作介質并規?；膽檬直匾?。稀土元素Pr的三價離子具有豐富的能級結構，使其在可見光波段能夠產生若干種不同波長的躍遷，藍光LD泵浦源的發射譜線與鐠離子的吸收峰能夠實現較好交疊，因而摻Pr3+晶體在全固態可見光激光領域具有獨特的優勢［6］。

藍光泵浦直接作用到摻Pr3+激光器可以產生綠光、橙光和紅光，這是相對有效且簡便的方法。2011年哈爾濱工業大學Li X.D.等人用染料激光器抽運Pr3+：YLF晶體得到639.4nm激光輸出，證明了抽運Pr3+：YLF晶體可以直接輸出黃橙光范圍的激光［7］。實驗中最大輸出能量為142μJ，脈寬為15ns，峰值功率為9.5kW。2013年廈門大學王鳳娟等人報道了藍光激光二極管（LD）（中心波長約為444nm）單端縱向抽運摻鐠氟化釔鋰（Pr3+：YLF）的紅光（640nm）和綠光（522nm）激光器［8］。本文首先測試了藍光LD抽運源的輸出特性，進而展開了藍光抽運Pr3+：YLF晶體產生可見光的實驗研究。

1 實驗裝置

圖1為實驗裝置示意圖，圖2為實驗裝置實物圖。

圖1 實驗裝置示意圖

圖2 Pr3+：YLF激光器實驗裝置實物圖

實驗中所用到的光源為最大輸出功率為8W的光纖耦合藍光半導體抽運源，其中心波長為443～444nm，光纖芯徑為200μm，采用風冷方式對半導體光纖耦合模塊進行冷卻。由于激光器本身自帶冷卻控溫系統，在高功率時波長漂移現象不嚴重，經過光束整形系統后，在距聚焦透鏡4cm處80%的能量聚集在半徑約為200μm處。諧振腔腔型為平凹腔。輸入鏡為平面鏡，鍍有對400～450nm高透（T＞96%），并且對600～650nm高反（R＞99.8%）。輸出鏡是凹面鏡，曲率半徑為50mm的，激射紅光的輸出鏡分別比較了透過率在600～650nm處2%和5%的鏡片。激射橙光的輸出鏡鍍有590～630nm處透過率為2%的鏡片，該鏡片在639nm處透過率約為40%，有效抑制了紅光的增益競爭。實驗中分別比較了a切和c切的Pr3+：YLF晶體，其摻雜濃度為0.5%，尺寸為3mm×3mm×5mm。使用銦箔包裹Pr3+：YLF晶體，并放置在通水冷卻紫銅塊中，水溫控制在恒溫15℃。激光器諧振腔長度約為4.5cm。

2 實驗結果及討論

從圖3（a）中可以看出，a切Pr3+：YLF晶體的吸收效率在58%左右。隨著抽運電流的增加，輸出功率隨之增加，并且呈近線性增長趨勢，實驗中給定最大電流加到最高1.4A，此時得到輸出功率7.6W。同時，也測得了不同電流下的輸出光譜，LD抽運源的輸出波長隨著注入電流的增加而增加，其波動范圍不大，在443nm～444nm，可以很好地匹配a切晶體的最強吸收峰（443.5nm）。從圖3（b）中可以看出，c切Pr3+：YLF晶體在低功率時的吸收效率在60%左右。隨著抽運電流的增加，晶體的吸收效率呈平緩趨勢，這是由于隨著電流增加，其中心波長漂移到444nm處，而c切晶體最強吸收峰在441.5nm附近，因而無法很好地匹配。實驗中給定最大電流時最高吸收功率為3.3W。

圖3 Pr3+：YLF晶體吸收功率曲線

（1）Pr3+：YLF激光器輸出紅光（639.7nm）的實驗。如圖4可知，對于Pr3+：YLF晶體，輸出鏡T= 2%時激光輸出功率遠高于T=5%，且閾值也較低。a切晶體在吸收功率為4.5W時最高輸出功率為492mW。c切晶體在吸收功率為3.3W時最高輸出功率為419mW。其輸出激光的光譜如圖5所示。

圖4 Pr3+：YLF晶體紅光輸出功率曲線

圖5 輸出639nm激光光譜圖

圖6 Pr3+：YLF晶體橙光輸出功率曲線

圖7 輸出607nm激光光譜圖

（2）Pr3+：YLF激光器輸出橙光（607.3nm）的實驗。輸入鏡和晶體參數不變，輸出鏡采用在590～630nm處透過率為2%的鏡片，比較不同偏振方向的晶體對橙光輸出功率的影響，如圖6所示。如圖可知橙光輸出功率遠低于紅光，這是由于紅光受激發射截面遠大于橙光，所以紅光閾值也低于橙光，輸出功率遠高于橙光。a切晶體在吸收功率為4.5W時最高輸出功率為79mW。c切晶體在吸收功率為3.3W時最高輸出功率為177mW。其輸出激光的光譜如圖7所示。

圖8 實驗中觀測到的可見光

可以看出a切Pr3+：YLF晶體輸出橙光的功率遠低于c切晶體，這是由于a切Pr3+：YLF晶體有5條較強的發射譜線，分別位于479.4nm、522.7nm、604.7nm、607.5nm、639.9nm，而c切Pr3+：YLF晶體有4條較強的發射譜線，分別位于479.4nm、481.3nm、607.5nm、639.8nm，a切晶體激射橙光時受到604nm波長增益競爭的影響，而c切晶體沒有604nm左右的發射譜線，故不會受到影響。在實驗過程中，觀測到了亮眼的紅光和橙黃光，如圖8。

3 結論

本文進行了藍光二極管（LD）泵浦Pr3+：YLF晶體輸出橙紅光的實驗研究，并分析了不同偏振方向的晶體和不同透過率的輸出鏡對橙紅光輸出功率的影響。在a切Pr3+：YLF晶體吸收功率為4.5W時最高輸出639.7nm激光功率為491mW、607.3nm激光功率為79mW。在c切Pr：YLF晶體在吸收功率為3.3W時最高輸出639.7nm激光功率為412mW、607.3nm激光功率為177mW。

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［6]黃舜林，劉哲，曾承航，等.藍光激光二極管抽運Pr：YLF綠光激光器［J］.中國激光，2012，40（12）：23-26.

［7]羅明.Pr3+：YLF晶體激光特性的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2010.

［8]王鳳娟.藍光泵浦Pr：YLF紅光雙波長激光器［D］.廈門：廈門大學，2014.

Experiment Study on Blue Laser Diode-pumped Pr3+：YLF Orange Red Laser

JIN Yushi，LI Qingsong，DONG Yuan，JIN Guangyong
（School of Science，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

The blue laser diode-pumped Pr3+：YLF laser is investigated experimentally，by which the orange red laser is directly obtained.In this paper，the influence of output power of orange red laser with different polarization direction of the crystal and dif?ferent transmittance of output mirrors is analyzed.A maximum output power of 491mW at 639.7nm laser is obtained at an ab?sorbed pump power of 4.5W with thea-cut Pr3+：YLF crystal.And a maximum output power of 177mW at 607.3nm laser is ob?tained at an absorbed pump power of 3.3W with thec-cut Pr3+：YLF crystal.

Pr3+：YLF crystal；blue laser diode；a-cut；c-cut

TN24，O043

A

1672-9870（2017）02-0024-03

2016-11-21

國家自然科學基金項目（61505012）

金玉實（1992-），女，碩士研究生，E-mail：849705676@qq.com

金光勇（1971-），男，博士，研究員，博士生導師，E-mail：jgycust@163.com