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1、ErYAP晶体多波长激光运转及偏振特征研究分析稀土离子Er3+掺杂激光晶体通过能级跃迁4I11/2-4I13/2能够实现2.73m激光输出,该波段激光在生物医疗1,2、空间科学研究3、激光遥感与激光雷达4等领域均有着重要应用;还可用于泵浦非线性晶体,通过光参量振荡(OPO),实现35和815m的激光输出5。然而其过长的下能级寿命极大地限制了2.73m波段的激光输出,称为“自限制效应”。为此,通常会采用提高Er3+的掺杂浓度或者掺入具有与激光下能级相近能级的能级耦合离子的方法,降低下能级寿命,从而提高激光效率,减小激光阈值6。Er3+掺杂YAlO3(ErYAP)作为一种优良的中红外激光晶体,很好
2、的结合了YAP基质晶体优良的热力学与机械性能、较高地热导率7、较低的声子能量8等优点与Er3+掺杂晶体具有丰富荧光谱线的特点。实验发现YAP中所需要的Er3+掺杂浓度较低,如早在1987年于桂芳等9和Stalder等10就分别在10at.%ErYAP中实现了多波长激光输出;近两年,HirokiKawase等11在LD泵浦5at.%ErYAP中实现了0.95W的2.92m激光输出,激光斜率效率高达31%。另外,铝酸钇(YAP)在结构上,属于正交晶系,Pbnm空间群,晶格常数为a=5.180,b=5.330,c=7.371,为畸形的钙钛矿型结构,具有结构各向异性,是双折射率较高的负双轴晶体12,不
3、仅有利于降低热双折射所引起的影响,还使其能够直接实现线偏振的激光输出13。直接输出的线偏振光更有利于调Q激光的实现,如凌铭等14用具有偏振特性沿b轴切割的NdYAP激光晶体,在脉冲LD阵列侧面抽运的同时,作为电光调Q的起偏器件,获得了1.02mJ,70ns的1.341m调Q激光输出,该结果比加格兰-福科棱镜作为起偏器得到的结果更好;MichaelBass15通过在NdYVO4激光棒端面上沿一定角度切割,加上材料的高双折射,使得激光棒可以作为自己的腔内偏振器,并实现调Q激光输出。此前,于桂芳等9已经在氙灯泵浦a轴10at.%ErYAP晶体中实现了2711,2730和2795nm三条谱线的激光输出
4、,并研究了三条谱线的偏振性能。Stalder等10研究了不同轴向ErYAP晶体在氙灯泵浦条件下的多波长激光输出特性,并通过在腔内加布儒斯特窗的方法研究了晶体的偏振特性。但关于该晶体的偏振吸收光谱和该晶体在LD端面泵浦条件下的偏振特性未报道。本工作通过在腔外加格兰激光棱镜作为检偏器的方式进一步研究了氙灯泵浦10at.%ErYAP晶体的多波长输出特性以及输出激光的偏振特性,还测量了晶体的偏振吸收光谱,并研究了晶体在LD端面泵浦b轴ErYAP晶体的多波长输出特性,以及输出激光的偏振特性;其中,在LD端面泵浦ErYAP晶体的实验中获得了新谱线2750nm的激光输出;最后测量了晶体在8K的低温条件下的吸
5、收光谱,并据此对激光上下能级的斯塔克子能级进行了指认,从而对本实验中实现起振的8条谱线进行了辨认。1、实验部分氙灯泵浦激光实验装置如图1(a)所示,实验采用高光学质量,尺寸为4100mm3的ErYAP晶体棒,棒两端精密抛光且镀有2.79m附近波长的增透膜,并采用单一氙灯泵浦图1(a),内径为5mm,弧长80mm的氙灯和ErYAP晶体棒均置于陶瓷腔内,腔内通有恒温20的循环冷却水;输入镜(M1)为K9材质,并镀有对2.63m波段光的全反膜(R99.5%),输出镜(M2)为CaF2材质,并镀有对2.63m波段光的部分反射膜,其在2.79m附近波长处的透过率为15%。谐振腔内分别添加了JGS石英片(
6、厚度2mm)、云母片(厚度0.1mm)、K9镜片(厚度1mm)等作为选择性吸收片,从而实现不同波长的激光输出。LD泵浦激光实验装置如图1(b)所示,实验采用高光学质量,2mm2mm5mm的ErYAP晶体小长方块,晶体未镀膜,采用中心波长为962nm的LD作为泵浦光,并通过耦合系统将泵浦光聚焦后,打入谐振腔内,将晶体置于如图1(b)所示的铜块夹具内,铜夹具内通有恒温18的循环冷却水;输入镜(M3)为K9材质,并镀有2.63m波段光的全反膜(R99.5%)和970nm附近的增透膜(T99.5%),输出镜M4同样镀有对2.63m波段光的部分反射膜,其在2.79m附近波长处的透过率为5%。输出激光用格
7、兰激光棱镜进行检偏,然后通过焦距为300mm的CaF2透镜将激光聚焦在Omni-200i单色仪的入口狭缝上,用单色仪进行波长的选择和确定,所用光栅型号为300gmm-1(闪耀波长为3000nm),其倒线色散为15.77nmmm-1,仪器的最高分辨率可达1.12nm。氙灯泵浦的激光输出能量采用能量计(OphirPE50-DIF-C)进行测量,LD泵浦的激光输出采用功率计(Ophir30A-BB-18)进行测量。在室温下利用格兰激光棱镜和PElambda950分光光度计测量了室温下该晶体在3003000nm范围内的偏振吸收光谱,步长为0.2nm。利用制冷机和PElambda950分光光度计在8K的
8、低温下测量了晶体在3002000nm范围内的低温吸收光谱,步长为0.2nm。图1激光实验装置图(a):氙灯泵浦ErYAP晶体;(b):LD泵浦ErYAP晶体(a):XenonlamppumpedErYAPcrystal;(b):962nmLDpumpedErYAPcrystal2、结果与讨论2.1ErYAP晶体偏振吸收光谱在室温下利用格兰激光棱镜和PElambda950分光光度计测量了室温下该晶体在3003000nm范围内的偏振吸收光谱,其中Pa和Pc表示格兰激光棱镜的透振方向分别平行于晶体的a轴和c轴,如图2所示。从图中可以看出,晶体对偏振方向平行于a轴的偏振光吸收更强,以4I11/2能级对
9、应的吸收峰为例,晶体对Pa偏振光的最大吸收系数为4.6063cm-1(975.2nm处),而晶体对Pc偏振光的最大吸收系数为2.9366cm-1(967.6nm处),前者约是后者的1.57倍,而且二者均高于相应波长处晶体对非偏振光的吸收系数16。以上结果表明ErYAP晶体对于线偏光的吸收更强。因此,在LD泵浦实验中,使用中心波长在975.2nm附近的偏振激光作为泵浦源,并使晶体a轴平行于泵浦光偏振方向,能够提高晶体对泵浦光的吸收效率,从而改善激光性能。图2ErYAP晶体在3003000nm范围内的偏振吸收光谱(插图:9401040nm范围内的偏振吸收光谱)2.2氙灯泵浦ErYAP晶体多波长激光
10、输出和偏振特性实验测量了氙灯泵浦ErYAP晶体的多波长激光运转特性,此前已经在频率5Hz,输出镜透过率为15%条件下实现了2710,2728,2795和2918nm四个波长的激光输出。通过图1(a)所示实验装置图进行实验(选择性吸收片),并研究了不同波长的运转特性如图3(a,b)和表1所示,从中可以发现谱线2710和2795nm为偏振方向平行YAP晶体的c轴的线偏振光,谱线2918nm为偏振方向平行YAP晶体的a轴的线偏振光,谱线2728nm是部分偏振光,椭圆的长轴平行于YAP晶体的a轴,椭圆的短轴平行于YAP晶体的c轴。其中,偏振方向平行于YAP晶体c轴的2710nm谱线和平行于YAP晶体a
11、轴和c轴的2728nm谱线的阈值相当,但前者输出能量较低,且随输入能量增加,前者输出能量逐渐下降。偏振方向平行于YAP结晶c轴的2795nm谱线和偏振方向平行于YAP结晶a轴的2918nm谱线尽管起振阈值相对较高,但谱线起振后其输出能量随输入能量的增加而迅速增长,并超过2710和2728nm谱线输出能量,其中2918nm谱线阈值最高,但其斜效率也较高,输出能量在输入能量为52.215J时已超过其他所有谱线。图3氙灯泵浦ErYAP晶体的激光输出特性(a):总激光输出能量和通过透振方向分别平行于a轴和c轴的格兰激光棱镜后的激光能量;(b):经单色仪分光后不同波长激光的输出能量表1ErYAP激光不同
12、谱线的偏振输出特性利用如图1(a)所示实验装置,通过插入JGS石英片、云母片、K9镜片等选择性吸收片进行实验,成功实现了2710,2728,2795,2821,2837,2862和2918nm等共7条谱线的激光输出。三种选择性吸收片在25003100nm范围内的透过率如图4所示,JGS石英片在26502850nm范围内有较强的吸收,使得该波段范围内的谱线损耗较大,从而被抑制,最终在该条件下,仅实现了2918nm一条谱线的激光输出;同理,在插入云母片条件下,27202800nm范围内的谱线被抑制,得到了2710,2821,2837和2862nm等4条谱线的激光输出;在插入K9镜片条件下,2730
13、3000nm的谱线均被抑制,仅得到了2710nm一条谱线的激光输出。T=15%,5Hz条件下不添加和添加不同选择性吸收片后的激光光谱已通过FLSP920荧光光谱仪进行测量,如图5所示。其中,谱线2862nm在通过光谱仪测量时未被检测到,是在进行激光实验时通过单色仪确认的波长。利用图1(a)所示的实验装置进行了多次实验,分别表征了不同谱线的偏振性能,结果如表2所示。除谱线2710和2795nm外,谱线2821,2837和2862nm同样是偏振方向平行于c轴的线偏振光,谱线2918nm是偏振方向平行于a轴的线偏振光,值得注意的是谱线2728nm的偏振状态并不是固定的,通过调整输出镜多次实验发现,2
14、728nm有时表现为偏振方向平行于c轴的线偏振光,有时又表现为偏振椭圆长轴平行于YAP晶体的a轴的部分偏振光。图4JGS石英片(2mm)、云母片(0.1mm)和K9镜片(1mm)在25003100nm波段的透过率图5不同选择性吸收片条件下氙灯泵浦ErYAP晶体的激光光谱表2不同谱线的偏振度2.3LD泵浦ErYAP晶体多波长激光输出和偏振特性实验测量了962nmLD泵浦ErYAP晶体的多波长激光运转特性如图6所示,在T=5%输出镜,300Hz频率,0.8ms脉宽条件下进行实验,得到2710,2728,2750和2795nm四条谱线的激光输出,其中谱线2750nm是第一次在ErYAP晶体中实现激光
15、输出。该结果与此前我们测量的LD泵浦ErYAP晶体激光光谱有所差异,分析认为主要因此前并未考虑到泵浦功率对激光波长的影响,仅在较低泵浦功率下进行了测量,因而只测量到阈值较低的2710和2728nm激光谱线17。另外,在本实验的最高泵浦功率处,仍未发现2918nm谱线的激光输出,可能是因为仍未达到该谱线输出的阈值。利用图1(b)所示装置测量了LD泵浦ErYAP晶体多波长激光的偏振特性,实验发现虽然分光前总激光输出功率较稳定,但通过单色仪分光后不同波长的输出功率波动较大(可能是因为该激光单脉冲能量较小,给分光造成了一定难度),因此实验中仅对总的激光输出进行了偏振特性的测量,结果如图7所示,该激光输
16、出为平行于晶体c轴的偏振光,可以判定该四条谱线均为偏振方向平行于晶体c轴的线偏振光。图6LD泵浦ErYAP晶体的激光光谱图7LD泵浦ErYAP晶体的偏振输出特性2.4ErYAP晶体的低温吸收光谱及激光上下能级的指认利用制冷机和PElambda950分光光度计测量了ErYAP晶体在8K低温下3202000nm范围内的吸收光谱,并分别对激光上下能级的吸收谱进行了分峰拟合,结果如图8(a,b)所示,9501000和14401520nm吸收带应分别对应了从基态能级(4I15/2)到激光上能级(4I11/2)和激光下能级(4I13/2)的各斯塔克子能级间的跃迁。由于是在8K的低温下进行测量,可认为基态粒子皆填充在E
