中波2.79 μm Er，Cr:YSGG激光器的泵浦模式研究综述
作者：无忧期刊网 来源：期刊论文 日期：2023-01-10 09:08人气：
摘 要：中波2.79 μm波段的激光在生物医学、非线性光学以及军事等领域有着广泛的实用前景和发展空间。目前用于获得中波2.79 μm波段激光的增益介质主要为Er:YSGG或Er,Cr:YSGG等激光晶体，由于基质YSGG热导率低，致使激光器在运行时产生的热效应比较严重，因此开展其泵浦技术研究有重要的实际意义。本文针对Er,Cr:YSGG晶体的泵浦技术开展了详细的分析和讨论，并结合近年来新出现的泵浦模式，对下一步的技术发展进行了分析和展望。
关键词: 2. 79μm; Er,Cr:YSGG晶体;泵浦模式;泵浦效率;
The review of pumping modes for medium-wave 2.79 μm Er,Cr:YSGG lasers
XU Jinlong LI Yongliang
CHEN Chaonan ZHU Xinyi
School of Optoelectronic Engineering, Changchun University of Science and Technology
Abstract：Lasers in the mid-wave 2.79μm band have a wide range of practical prospects and development in the fields of biomedicine, nonlinear optics, and the military. At present, the gain medium used to obtain medium-wave 2.79 μm band laser is mainly Er:YSGG or Er,Cr:YSGG laser crystals, due to the low thermal conductivity of the substrate YSGG, resulting in the laser operating with serious thermal effects, so it is of great practical importance to carry out research on its pumping technology. This paper carries out a detailed analysis and discussion of the pumping technology for Er,Cr:YSGG crystals, and analyzes and foresees the next technological development in light of the newly emerged pumping modes in recent years.
Keyword：2.79 μm; Er,Cr:YSGG crystals; pump mode; pump efficiency;
1.引言
2.79 μm波段的激光在生物医学、非线性光学以及军事领域等都具有重要的应用价值。由于此波段激光处于水分子的强吸收带[1]，能够被水分子强烈吸收，与水分子结合产生高速动能，还能被生物组织中的有机物和无机羟磷灰石强烈吸收，因此可用于切割含水量较高的身体软组织及骨的切开、切除手术[2]以及治疗三叉神经痛[3]，在生物医学领域具有非常重要的应用价值[4,5]。能输出2.79 μm波段激光的Er:YSGG、Er,Cr:YSGG激光器被称为铒激光、水激光，近年来该波段激光多用于口腔医学领域，主要体现在：杀菌、去除玷污层、去除龈下牙石及牙骨质、龋齿治疗、慢性根尖周炎治疗等[6,7,8,9]。
随着激光技术不断发展，对于2.79 μm波段激光器的泵浦技术要求也随之提高，目前常见的泵浦方式有闪光灯泵浦和激光二极管（LD）泵浦，闪光灯泵浦技术发展成熟、制作工艺简单、成本低、使用范围广，但其谱线复杂、转换效率低；与灯泵相比，激光二极管（LD）泵浦转换效率高、性能可靠、寿命长、输出光束质量好、激光系统结构紧凑，但其制作成本高。因此，从而本文对Er,Cr:YSGG晶体特性的研究，总结了不同泵浦类型的研究现状，并分析了其存在的问题以及发展趋势。
2.Er,Cr:YSGG激光器的泵浦模式分析
2.1.Er,Cr:YSGG晶体的特性
在Er,Cr:YSGG晶体中，Er3+取代Y3+，Ga3+或Sc3+离子则被Cr3+取代[10]。钇钪镓石榴石（分子式为Y3Sc2Ga3O12，简称YSGG）是一种优良的激光工作基质[11]，通常以提拉法生长，属于石榴石结构晶体，具有化学性能稳定、硬度高、光学各项同性等优点[12]。Er,Cr:YSGG晶体的主要特性参数如表1所示。
表1 Er,Cr:YSGG晶体特性
2.2.氙灯泵浦
Cr,Er:YSGG激光器可以使用闪光灯作为泵浦源，晶体中Cr3+作为敏化剂从闪光灯中吸收额外能量[13,14]。但闪光灯发射带较宽，其中只有部分光谱处于增益介质的吸收带中，大幅度降低了激光系统的转换效率，并且激发增加了进入激光增益介质中的无用热，增加了热效应。
表2 氙灯泵浦固体激光器的泵浦方式
2.2.1.单灯泵浦模式
2015年，LUO J Q等人[16]采用氙灯作为泵浦源，当重复频率为60Hz时，获得最大平均功率2.9W、电-光转换效率0.4%、斜率效率0.8%。2019年，方中庆[18]等人使用氙灯泵浦Cr,Er:YSGG晶体，在重复频率5Hz、泵浦能量为82.14J的条件下，获得单脉冲能量为126mJ，电光转换效率为1.53%，斜率效率为1.82%的激光输出。2022年，Zhang H等人[19]采用氙灯侧面泵浦Er,Cr:YSGG晶体，以LGS作为调Q晶体进行电光调Q，再10Hz的重复频率下，获得的脉冲宽度为27.4ns，单脉冲最大输出能量为136mJ，动-静态能量转换效率为75.6%。
2.2.2.双灯对称泵浦模式
2008年，Park Y H等人[21]采用两个脉冲持续时间约为300μs的氙灯闪光灯泵浦直径为5mm、长度为80mm、Er3+掺杂浓度为30at.%、Cr3+掺杂浓度为1.5at.%的Er,Cr:YSGG晶体进入陶瓷泵浦腔中，从而获得巨大的短脉冲。
2.2.3多灯泵浦模式
2021年，沈昊等人[22]针对高功率固体激光器中由于多回路氙灯泵浦能量不一致导致激光光束间能量的差异问题，通过对20路两支串联的氙灯负载仿真，对泵浦电源中调波元件参数、排布方式及氙灯充气气压等参数对泵浦能量一致性的影响，通过计算表明，电感参数的偏差控制在±3%、泵浦能量的不一致性位1.1%、氙灯充气气压误差控制在±3%、泵浦能量不一致性为0.6%。
2.3.LD泵浦模式
2.3.1.端面泵浦模式
激光二极管可作为泵浦源激励Er,Cr:YSGG晶体提供必要的能量，使得工作物质离子反转并产生受激放大，最终实现2.79 μm的激光输出。目前，激光二极管的几何结构可分为端面泵浦和侧面两种形式。LD端面泵浦模式相比于侧面泵浦模式效率更高、模式匹配度更好、能够获得更高的光-光转化效率以及良好的光束质量，更具有研究价值。
表3 端面泵浦的泵浦类型
(1) 小功率端面泵浦
2014年，Jiakang Chen等人[23]采用968nm LD端面泵浦2.79 μm GYSGG/Er,Pr:GYSGG复合激光晶体，获得最大输出功率为825mW、斜率效率为19.2%，最大激光能量为3.65mJ、斜率效率为22.7%。2016年，王燕等人[17]采用965nmLD端面泵浦Er:GGG、Er,Pr:GGG和Er:GGG/GGG键合晶体，获得了高效的2.7~2.8μm多波长连续或脉冲激光输出，并在Er:GGG晶体上首次实现单纵膜微片激光输出。
(2) LD端面泵浦结构
2011年，Kai Zhong等人[24]采用808nmFLD端泵Nd:GYSGG晶体，采用声光调Q，泵浦功率为11.4W时，获得最大单脉冲能量227μJ、峰值功率为4.6kW。2013年，WU Z H等人[26]采用970nmLD端面泵浦Er:YSGG晶体，当泵浦功率为3.4W时，获得最大输出功率为440mW，光-光转换效率为13%，斜率效率为13.2%。2013年，B J Shen等人[28]采用970nmLD端面泵浦Er:YSGG/YSGG复合晶体，获得了504mW的最大连续波输出功率，斜率效率为11.2%。
2.3.2侧面泵浦模式
侧面泵浦由于工作物质侧面面积较大，能够储存更多能量，更有利于高功率激光输出[29]，但相比于端面泵浦模式而言LD的泵浦功率密度较低，耦合光学系统也相对简单。在侧面泵浦方式下，工作物质可以是圆棒，也可以是板条。
表4 侧面泵浦方式下工作物质的分类
2019年，陈国等人[30]采用968nmLD侧面泵浦Er:YSGG激光器，采用TeO2作为声光Q开关，在500Hz的重复频率下实现了功率为10W的动态输出、单脉冲能量达到2mJ，动静输出比达到了70%。2020年，Lunzhen Hu等人[31]采用970nm LD侧面泵浦Er:YSGG晶体棒，当重频频率为500Hz和2.794μm时，获得11.81W的功率输出，斜率效率为10.49%。同年，崔庆哲等人[32]采用965.5nmLD侧面泵浦Er:YSGG棒状晶体，TeO2作为声光Q开关，当重复频率为100Hz时，获得脉宽76ns、脉冲能量1mJ的调Q激光输出。同年，中国科技大学赵绪尧[33]采用964nmLD侧面泵浦18at%Er，0.2at%Pr:GYSGG晶体棒，当重复频率为125Hz和脉宽为200μs时，获得最大输出功率为8.86W、对应的斜率效率为14.8%。
2013年，E．A．Arbabzadah等人[34]采用LD侧面泵浦Er:YSGG板条激光晶体，并使用LiNbO3作为电光Q开关，获得能量为0.5mJ，持续时间为77ns的激光脉冲。2015年Beijian Shen等人[35]采用970nmLD侧面泵浦Er3+掺杂浓度为38at.%Er:YSGG板条晶体，获得输出功率为1.84W、斜率效率为11.2%、光-光转换效率为7.5%。2021年，Lunzhen Hu等人[36]采用LD对不同Er3+掺杂浓度、不同尺寸的Er:YSGG晶体进行端面泵浦，实验结果表明，30at.%尺寸为2mm×2mm×8mm的Er:YSGG晶体具有最佳激光输出，获得最大输出功率分别为1.37W和1.20W，对应的斜率效率分别为23.62%和22.91%。
2.4.新型多波长泵浦模式
当激光器使用氙灯泵浦模式或单一波长半导体激光器泵浦模式时，易造成激光系统转换效率低、热效应严重、增益介质对激光吸收不佳等问题。可尝试采用多波长泵浦模式，通过控制半导体激光器的输出功率及功率比例，获得高质量的脉冲激光输出。2020年，长春理工大学李永亮等人[37]，提出了三波长双端综合泵浦Cr,Er:YSGG声光调Q激光器以及增强吸收率的方法，有效的解决了现有的激光器转换效率低的问题。同年，黄涛等人[38]采用波长为802nm、804nm、806nm、808nm 的LD泵浦模块侧面泵浦方棒状Nd:YAG无温控固体激光器并采用电光调Q，激光器温度控制在-40~+60℃温度范围内，获得输出能量大于等于40mJ。2021年，杨博达等人[39]提出多波长（中心波长分别为802.58nm、802.08nm、804nm、806.82nm）LDAs侧面泵浦Nd:YAG晶体，并采用电光调Q，在泵浦源脉宽250μs、重复频率为20Hz、1Hz、泵浦电流150A、输出镜透过率在70%的条件下，获得最大单脉冲能量为191mJ、198mJ，脉宽为13.4ns、12.8ns的1064nm激光输出，总的电光转换效率为6.6%。
3.关于泵浦效率的影响因素分析
目前，高功率，高效率一直是激光器的发展方向之一，因此提高泵浦效率、分析影响因素，改善光束质量具有重大研究意义。2009年，周芳等人[40]通过实验对比以及理论分析，总结了提高脉冲泵浦转换效率的方式，在占空比相同条件下，不管是输入平均功率相同还是输入的峰值功率相同，脉冲宽度长的转换效率高。2014年，张恒利等人[41]采用将上能级直接泵浦与部分端面泵浦混合腔板条结构相结合，有效的降低了激光增益介质的热载和热效应，实现了更高功率的高光束质量激光输出。2015年，杨泽峰等人[42]应用环形截面氙灯，其内嵌有空气玻璃管，具有中空的新结构，拥有较高的电阻，较低的放电电流与进灯能量，使得泵浦效率进一步提高。2018年，万玮华等人[43]应用LD直接端面泵浦技术，获得了高光-光转换效率的静态激光输出。同年，李耀等人[44]模拟分析了单向面阵泵浦结构各参量对面阵泵浦晶体吸收光场均匀性以及泵浦功率的影响：随着bar条个数的增加泵浦效率呈先增加后减小的趋势；随着bar数间距的增大泵浦效率则先增大后减小；随着bar面倾斜度的增加泵浦效率小范围降低。2021年，王小发等人[45]构建一种LD侧面单向泵浦激光模块的理论模型，通过综合光线追迹和有限元仿真方法，得到光场分布的均匀性呈逐渐下降趋势，通过优化LD切向位移量和径向角度偏离量，仿真获得高达93%的泵浦效率。
4.总结
中波2.79 μm波段激光，由于该波段激光的特殊性，因此此类激光器在某些领域具有重要的应用价值，因此得到国内外研究人员的广泛关注。但鉴于目前现有的脉冲激光器存在的转换效率低、光束质量差、工作物质对泵浦光吸收效果等技术问题，因此，选择最佳的泵浦方式尤为重要。目前，对于泵浦模式的研究主要集中于灯泵以及激光二极管（LD）两种。其中，灯泵分为单灯泵浦、双灯泵浦以及多灯泵浦，其优点表现在：制作工艺简单、使用方便、制备成本低、适用范围广、在连续或者脉冲工作状态下皆可工作；激光二极管（LD）分为LD侧面泵浦与LD端面泵浦两种泵浦方式。LD侧面泵浦工作物质可以为棒状、板条状，泵浦面积更大，能够存储更多的能量，因而更有利于高功率激光输出；LD端面泵浦包括：小功率端面泵浦、光纤耦合的二极管端面泵浦结构，具有效率高、模式匹配好、光光转换效率高、光束质量良好等特点。
目前，对于中波2.79 μm波段的脉冲激光的输出，固体激光器中常见的激光晶体为Er:YSGG或Er,Cr:YSGG晶体，由于基质YSGG热导率低，致使掺Er3+的YSGG晶体的激光器在运行过程中产生的热效应比较严重。例如氙灯作为Er,Cr:YSGG激光器的泵浦源时，由于氙灯发射带较宽，使得只有部分光谱处于激光增益介质的吸收带，从而导致激光系统的转换效率降低，并产生大量的无用热，加剧了热效应；当970nm半导体激光器作为Er:YSGG激光器的泵浦源时，尽管该泵浦过程中几乎没有多余的能量损耗，产生的热量也少，但是增益介质对于单一波长的激光的吸收有限，导致转换效率和输出功率难以进一步提高。鉴于目前现有激光器存在的技术问题，我们可以考虑进行双波长泵浦模式或多波长泵浦模式，来改善掺Er3+的YSGG晶体激光器的热效应，进一步提高输出功率、转换效率和光束质量，并对影响泵浦效率的因素进行分析，从而获得高质量的脉冲激光输出。
相信随着中波2.79μm波段Er,Cr:YSGG激光器自身性能的优化，泵浦技术的不断改进，该波段激光必将在众多领域具有更广泛的应用前景。
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