106 山东科学 2016 年体 [1-8] ; 另一种是不具有人眼安全性质的激光经过频率变换, 获得具有人眼安全性质的激光在全固态激光器中, 掺 Nd 的激光增益介质由于具有较高的增益发射截面高效率的激光输出而被广泛应用 1.4μm 波段的激光受激辐射截面小泵浦功率较低, 实验条件要求高,

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准倪
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1 山东科学 SHANDONGSCIENCE 第 29 卷第 3 期 2016 年 6 月出版 Vol.29No.3Jun.2016 DOI: /j.isn 基于 Nd:LGGG 连续与调 Q 脉冲人眼安全激光器研究李健, 许永娜, 张倩倩, 刘倩慧, 安珍妮 ( 山东师范大学物理与电子科学学院, 山东省光学与光子器件技术重点实验室, 山东济南 ) 摘要 :1.4μm 人眼安全激光具有对人眼安全对烟雾环境穿透能力强以及易于产生和探测等特点本文基于 Nd:LGGG 新晶体, 采用石墨烯作为可饱和吸收体, 研究了 1.4μm 人眼安全激光输出特性在注入泵浦光功率 15.6W 时, 获得 2 38W 的 1.4μm 连续激光输出, 光光转换效率为 15.4%; 在注入泵浦光功率 14.3W 时, 获得平均功率为 255mW 的 1.4μm 调 Q 激光输出, 输出脉冲宽度为 490ns, 重复频率为 80kHz, 激光单脉冲能量为 3.2μJ, 脉冲峰值功率 6 53W 关键词 :Nd:LGGG; 人眼安全 ; 调 Q 脉冲中图分类号 :TN248.1 文献标识码 :A 文章编号 : (2016) Nd:LGGG basedeye safelaserwithcontinuous andq switchedpulseof1.4μm wavelength LIJian,XU Yong na,zhang Qian qian,liu Qian hui,anzhen ni (ShandongProvincialKeyLaboratoryofOpticsandPhotonicDevice,SchoolofPhysicsandElectronics, ShandongNormalUniversity,Jinan250014,China) Abstract 1.4μm eye safelaserhassuchcharacteristicsassafetytohumaneyes,strongpenetratingpowerinsmoke scenario,andconveniencetobemadeanddetected.weaddresseditsoutputperformancewithnd:lggg crystalasa subjectandgrapheneasasaturableabsorber.wheninjectionpumppoweris15.6w,continuousoutputpoweris2.38w, opticaltoopticalconversioneficiencyof15.4%.wheninjectionpumppoweris14.3w,outputcharacteristicsareaverage outputpowerof255mw,outputpulsewidthof490ns,pulserepetitionfrequencyof80khz,singlepulseenergyof3.2μj andpulsepeakpowerof6.53w. Keywords Nd:LGGG;eye safelaser;q switchedpulse 由于激光被广泛应用于人类生产生活的各个方面, 因此其安全性一直是广大激光科研工作者的研究热点之一从可见光到中红外频段电磁波谱的大气透过率在大气窗口中有 3 个重要的波段 : 一是 1.4~ 2.0μm 波段, 不但对人眼最为安全, 而且对烟雾环境的穿透能力强, 易于产生和探测 ; 二是 3~5μm 中红外波段, 大气透过率最高 ; 三是 8 ~12μm 中红外波段目前获得对人眼安全的激光的方法主要有两种, 一种是激光介质受到外来能量泵浦, 直接产生对人眼安全的激光, 主要的激光增益介质有 Nd Er Ho Tm 激光晶收稿日期 : 基金项目 : 国家自然科学基金 ( ) 作者简介 : 李健 (1963-), 男, 教授, 研究方向为全固态激光器件与非线性光学 lijian@sdnu.edu.cn

2 106 山东科学 2016 年体 [1-8] ; 另一种是不具有人眼安全性质的激光经过频率变换, 获得具有人眼安全性质的激光在全固态激光器中, 掺 Nd 的激光增益介质由于具有较高的增益发射截面高效率的激光输出而被广泛应用 1.4μm 波段的激光受激辐射截面小泵浦功率较低, 实验条件要求高, 相关报道不多 [9-15] 首次关于 [9] 1.4μm 人眼安全激光的报道是 1994 年 Kbecek 等用 Nd:YAG 单晶做为激光增益介质, 成功得到了波长为 1443nm 的激光输出, 最大功率只有 69mW 在 1997 年, 同样是 Nd:YAG 单晶作为激光增益介质, 得到了功率 4.9W 波长为 1444nm 连续激光输出, 光光转换率 19.6%, 是迄今为止所获得的最高功率 [10] 掺钕镥钆镓石榴石 (Nd:LGGG) 是一种新型的激光增益介质, 具有良好的化学稳定性热稳定性和高温力学性能石墨烯作为一种新型可饱和吸收体, 在激光调 Q 技术中受到广泛关注本文基于 Nd:LGGG 新晶体, 采用石墨烯做可饱和吸收体, 研究了 1.4μm 人眼安全激光输出特性, 首次实现了 Nd:LGGG/ 石墨烯调 Q 脉冲激光输出 1 Nd:LGGG 晶体特性激光晶体的光谱性质主要由掺杂离子及其浓度决定固态激光器中的激光晶体材料已从之前的几种基本的晶体发展到今天的陶瓷微晶玻璃等不同种类, 而掺杂离子包括 Nd 3+ Er 3+ Ho 3+ Tm 3+ 等和过渡金属离子 Cr 3+ Ti 3+ 等两大类, 在这其中掺 Nd 激光晶体材料应用最为广泛目前为止已有 140 余种掺 Nd 激光晶体介质, 其中,Nd:YAG Nd:YVO 4 应用最广,Nd:YVO 4 主要被用作低功率小型激光器对于 Nd:GGG 晶体,Nd 3+ 离子半径 (99.5pm) 大于 Gd 3+ 的离子半径 (93.8pm), 将 Nd 3+ 取代 Gd 3+ 会导致晶格畸变, 因此在 Gd 3+ 离子格位双掺 Nd 3+ 和的 Lu 3+ ( 离子半径为 84.8pm) 进行补偿, 生长出新型的激光晶体 Nd:LGGG, 不仅降低了晶格的畸变, 还有效地提高了晶格的性能, 而且 Lu 3+ Gd 3+ 在 Nd 3+ 周围随机无序分布 [16] 图 1 为 Nd:LGGG 晶体的吸收光谱, 适合采用 808nm 半导体激光泵浦, 图 2 为掺 Nd 的激光晶体中的能级跃迁示意图图 1 Nd:LGGG 晶体的吸收光谱图 Fig.1 AbsorptionspectraofNd:LGGGcrystal 图 2 掺 Nd 的激光晶体中能级跃迁示意图 Fig.2 IlustrationofenergyleveltransitionofNd iondopedlasercrystal 2 实验装置端面泵浦的 Nd:LGGG 激光器实验装置如图 3 所示, 泵浦源是 FAP System TM 型光纤激光器 ( 美国相干公司 ), 输出功率最大为 30W 中心波长为 808nm 数值孔径为 0.22, 芯径为 400μm 泵浦光经由耦合头( 耦合透镜 ) 汇聚到激光介质连续激光谐振腔是由输入镜 M1 和输出镜 M2 组成, 整个谐振腔的长度为 20μm 其中,M2 为平面镜, 镀 808nm 的高反膜 (R>99.7%) 和 1423nm 的部分透射膜 (T=1%) M1 是曲率半径为 1000mm 的曲面镜, 镀 808nm 的增透膜 (T>98%) 和 1400~1450nm 的高反膜 (R>99.8%), 另外, 为了抑制 nm 激光的振荡, 所有镜片均镀 nm 的高透膜 (T>90%) Nd:

第 3 期李健, 等 : 基于 Nd:LGGG 连续与调 Q 脉冲人眼安全激光器研究 107 LGGG 激光增益介质掺杂摩尔分数为 1.0%, 晶体两端面均镀 808nm 和 1400~1450nm 增透膜被动调 Q 激光采用石墨烯可饱和吸收体, 在 1423.

3 第 3 期李健, 等 : 基于 Nd:LGGG 连续与调 Q 脉冲人眼安全激光器研究 107 LGGG 激光增益介质掺杂摩尔分数为 1.0%, 晶体两端面均镀 808nm 和 1400~1450nm 增透膜被动调 Q 激光采用石墨烯可饱和吸收体, 在 nm 的透过率是 90% 可饱和吸收体放置在激光增益介质和输出镜之间, 激光增益介质与可饱和吸收体距离 d=21mm 实验中, 激光晶体由通水的金属块包裹, 水温恒定在 15 输出功率由功率计(MolectronPM 10) 测量, 并在 MolectronEPM 2000 显示脉冲波形由快速 P I N 管接收, 并在 Tektronix 数字示波器 (TDS3052B,500MHz) 上显示光谱仪 (YokogawaAQ6315A,350~ 1750nm) 记录光谱信息利用公式 E = P aver 和 P F peak = E 计算单脉冲能量 E 和脉冲峰值功率 P Δt peak 图 3 实验装置示意图 Fig.3 Ilustrationoftheexperimentalapparatus 3 实验结果实验中, 首先用 Nd 3+ 掺杂摩尔分数为 1.0% 的 Nd:LGGG 做激光增益介质研究激光连续输出的光谱特性输出激光的光谱信息由光谱仪 (YokogawaAQ6315A,350~1750nm) 记录 Nd:LGGG 激光输出的光谱如图 4 所示, 此时的泵浦功率是 15.6W, 光谱仪的分辨率是 5nm, 输出激光的中心波长在 nm 图 5 给出了 Nd:LGGG 激光增益介质在不同泵浦功率的情况下, 连续激光输出功率的变化情况泵浦功率为 15.6W 时, 最大输出功率为 2.38W, 此时对应的光光转换效率和斜效率分别是 15.4% 和 20% 激光阈值功率为 3.6W 图 4 Nd:LGGG 激光光谱 Fig.4 LaserspectraofNd:LGGG 图 5 连续激光输出功率随泵浦功率的变化 Fig.5 Variationofcontinuouslaseroutputpowerwith pumpedpower 图 6 给出了石墨烯做可饱和吸收体时在不同泵浦功率下, 调 Q 脉冲激光输出平均功率的变化情况从图中可以看出, 采用石墨烯做可饱和吸收体, 在注入泵浦光功率 14.3W 时, 获得平均功率为 255mW 的 1.4μm 调 Q 激光输出, 相对应的光光转换效率是 1.78% 图 7 给出了激光的脉冲宽度和重复频率随泵浦功率的变化关系当泵浦功率从 7.3W 增加到 14.3W

108 山东科学 2016 年时, 脉冲宽度从 1138ns 减小到 490ns, 同时, 激光的重复频率则是由 4kHz 增加到 80kHz, 算出激光最大单脉冲能量为 3.2μJ, 脉冲峰值功率 6.53W 图 8 中给出了泵浦功率为 14.3W 时的典型脉冲波形图图 6 调 Q 脉冲激光输出平均功率随泵浦功率的变化 Fig.

4 108 山东科学 2016 年时, 脉冲宽度从 1138ns 减小到 490ns, 同时, 激光的重复频率则是由 4kHz 增加到 80kHz, 算出激光最大单脉冲能量为 3.2μJ, 脉冲峰值功率 6.53W 图 8 中给出了泵浦功率为 14.3W 时的典型脉冲波形图图 6 调 Q 脉冲激光输出平均功率随泵浦功率的变化 Fig.6 VariationofaverageoutputpowerofQ switchedlaserwith pumppowerfornd:lggglaser 图 7 Nd:LGGG 激光脉宽与重复频率随重复频率的变化 Fig.7 Variation ofnd:lggg laserpulse width and repetitionratewithpumppower 图 8 脉宽为 490ns 的调 Q 脉冲波形 Fig.8 Q switchedpulseshapeof490nspulsewidth 4 结论人眼安全激光是激光领域的研究热点之一, 获得人眼安全激光的方式有多种, 但最能体现固体激光器的结构紧凑体积小等特点的方式仍以半导体激光直接泵浦激光晶体获得人眼安全激光的方法最吸引人但由于 1.4μm 波段对应的能级受激辐射截面小, 剩余热量导致热效应明显, 从而导致激光转换效率低, 难以获得大功率激光输出因此, 寻找合适的激光晶体以获得人眼安全激光一直是研究热点本文基于 Nd:LGGG 新晶体, 采用石墨烯做可饱和吸收体, 进行了连续和调 Q 脉冲激光器研究, 实现了 1.4μm 人眼安全激光输出, 为进一步寻找适合获得 1.4μm 人眼安全激光的激光晶体提供实验依据参考文献 : [1]LIUJ,WUSD,YANGQH,etal.Stablenanosecondpulsegenerationfromagraphene basedpasivelyq switchedyb doped fiberlaser[j].optexpres,2011,36(20): [2]WANGQ,TENGH,ZOUYW,etal.GrapheneonSiCasaQ switcherfora2μmlaser[j].optexpres,2012,37(2): [3]GAOQ,WANGR,ZHULN,etal.Resonantlypumped1.645umhighrepetitionrateEr:YAGlaserQ switchedbyagraphene asasaturableabsorber[j].optlet,2012,37(4): [4]XUJL,LIXL,HEJL,etal.EficientgrapheneQswitchingandmodelockingof1.34μmneodymiumlasers[J].OptLet,

5 第 3 期李健, 等 : 基于 Nd:LGGG 连续与调 Q 脉冲人眼安全激光器研究 ,37(13): [5]WANGZT,CHENY,ZHAOCJ,etal.Switchabledual wavelengthsynchronouslyq switchederbium dopedfiberlaserbasedon graphenesaturableabsorber[j].ieeephotonicjournal,2012,4(3): [6]ZHAOYG,LIXL,XUM M,etal.Dual wavelengthsynchronouslyq switchedsolid statelaserwithmufti layeredgrapheneas saturableabsorber[j].optexpres,2013,21(9): [7]SIMSD A,GAMON JA.Estimationofvegetationwatercontentandphotosynthetictisueareafrom spectralreflectance:a comparisonofindicesbasedonliquidwaterandchlorophylabsorptionfeatures[j].remotesensing.environment,2003,84 (4): [8]TER GABRIELYANN,MERKLELD,KUPPER,etal.EficientresonantlypumpedtapecastcompositeceramicEr:YAGlaser at1645nm[j].optlet,2010,35(7): [9]KUBECEKV,COUDERCV,BARTHELEMYA,etal,LaserdiodepumpedNd:YAGlaseroperatingataneye safewavelengthof 1.443μm[J].ElectroLet,1994,30(25). [10]KRETSCHMANNH M,HEINEF,HUBER G.Al solid statecontinuous wavedoublyresonantal intracavitysum frequency mixer[j].opt.let,1997,22(11): [11]LEEHC,KIM YP.OutputcharacteristicsofaflashlamppumpedNd:YAGlaserat1444nm[J].Opt&LaserTech,2008,40 (4): [12]S ULCJ,NOVAKJ,JELINKOVAH,etal.1444nmQ switchedpulsegeneratorbasedonnd:yag/v:yagmicrochiplaser [J].LaserPhys,2010,20(6): [13]S ULCAJ,ARATORAP,JELINKOVA H,etal.1.44μmgiantpulsegeneration[J].ProcSPIE,2007,6451:64511H. [14]HODGSONN,NIGHANW L,GOLDINGDJ,etal.Eficient100W Nd:YAGlaseroperatingatawavelengthof1.444μm[J]. OptLet,1994,19(17): [15]LEEH,CHUNGKY,JUNGJY.Acasereportofmultipleeccrinehydrocystomassuccesfulytreatedwithsubdermal1444nm micropulsedneodymium dopedytriumaluminumgarnetlaser[j].dermatolsurg,2012,38(4): [16]GAO Q,ZHU LN,WANG R,etal.6.1W singlefrequencylaseroutputat1645nm from aresonantlypumpeder:yag nonplanarringoscilator[j].optlet,2012,37(11):

1-16页

1-16页 17 报告 18 报告焊接质量 19 I 20 报告 01 02 03 04 21 22 能量高度集中科学 ELI Beamline 可以用于做很多事情, 包括产生反物质, 以及在几分之一秒内将分子重新排列 23 照明 24 科学如今, 在 Hilase 项目已经实现了功率 250 千瓦的泵浦光源最终的目标功率是 1000 千瓦 25 26 人物 M 27 ö 28 人物为什么能源利用效率如此重要?