百瓦级串联Ho:YAG单晶光纤激光器：实现最高功率与最高斜效率双突破

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百瓦级串联Ho:YAG单晶光纤激光器：实现最高功率与最高斜效率双突破

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https://www.opticsjournal.net/J/NewOptics/news/PT241206000221PvRxU.html

近日，山东大学和江苏师范大学联合研发出一种百瓦级串联Ho:YAG单晶光纤激光器，在2.1μm波段实现了101.3W的最大输出功率，斜率效率高达70.5%，光光效率为67.6%。这是目前采用单晶光纤激光器在2μm中红外波段获得的最高功率和最高斜效率。

研究背景

2μm波段高功率固体激光器在遥感、激光雷达、激光医疗、透明塑料焊接、泵浦中红外光参量振荡器（optical parametric oscillators, OPO）进行中红外频率转换等领域拥有广泛应用，受到了国内外研究人员的关注。

铥离子掺杂、钬离子掺杂的增益介质是直接产生2μm高功率激光的主要途径。与铥离子（Tm）相比，钬离子（Ho）掺杂晶体的发射截面较大，更适合实现2μm高功率激光输出，例如，掺杂钬离子的钇铝石榴石（Y3Al5O12，YAG）晶体的增益截面是掺杂铥离子Tm:YAG的7倍。YAG因其具有高导热性、高机械强度、易于制备和优异的化学性质等优点，是高功率激光器操作的首选基质材料。

然而，进一步提高Ho:YAG激光器的功率仍然具有挑战性，需要结合不同的策略来实现高功率激光输出，例如：钬离子高浓度掺杂、低温冷却系统、单增益介质或双增益介质结合双端泵浦方案、翼泵浦系统，以及带有端盖或特殊结构(即平板或薄盘几何结构)的增益介质等。2μm激光源的功率扩展更倾向于具有简单的热管理、高亮度和紧凑结构的铥或钬石英光纤激光器，但是光纤激光器中的非线性效应、光学损伤、光子暗化和横模不稳定性（transverse mode instability, TMI）等限制了其功率的进一步提升。将光纤结构与YAG的晶体特性相结合，为实现高平均/峰值功率提供了一种有效的方法。单晶光纤（single-crystal fiber, SCF）是一种直径小于等于1mm，而长度在数厘米以上的晶体材料，具有光纤的大表面积-体积比以及晶体自身的高热导率、高光学损伤阈值、低布里渊增益系数等优点，是一种理想的高功率激光增益介质。

高效、高功率串联Ho:YAG单晶光纤激光器

近日，山东大学和江苏师范大学联合报道了一种高效、高功率串联Ho:YAG单晶光纤激光器。除了单晶光纤的大表面积-体积比带来的均匀热分布外，双单晶光纤的串联布局提供的长增益区有效的提升了激光器效率和功率拓展能力。最终在2.1μm处获得了百瓦级功率输出，对应的斜率效率为70.5%，光光效率为67.6%。这也是目前在2μm中红外波段采用单晶光纤激光器所获得的最高功率和最高斜效率。

成果发表在《High Power Laser Science and Engineering》2024年第4期的文章（Jianlei Wang, Zihao Tong, Changsheng Zheng, Tianyi Du, Yongguang Zhao, Chun Wang, "High-efficiency tandem Ho:YAG single-crystal fiber laser delivering more than 100 W output power," High Power Laser Sci. Eng. 12, 04000e41 (2024)）。

如图1、图2所示，实验采用高亮度铥光纤激光器作为泵浦源，对串联Ho:YAG单晶光纤激光器进行带内泵浦。采用平腔对串联单晶光纤的连续激光输出性能展开研究，最终获得了101.3W的最大输出功率，对应斜效率＞70%，输出波长为2.1μm。高输出功率和斜效率归因于串联SCF中提供的长增益区域、高亮度泵浦源以及泵浦光和激光束之间良好的模式匹配。为了减轻热负荷，所有SCF均安装在专门设计的水冷模块内，两端采用胶封，直接水冷至8℃，如图1（d）所示。

图1 串联Ho:YAG SCF激光器。（a）串联Ho:YAG SCF激光器结构图；（b）单晶光纤端面；（c）Ho:YAG单晶光纤；（d）直接水冷模块

图2 串联Ho:YAG SCF激光器输出特性。（a）连续激光输出功率和（b）具有不同输出透过率（30％、50％、70％和90％）的串联Ho:YAG SCF激光器的相应光谱

图3 不同泵浦功率水平下的光束质量（M2），插图为相应的近场光束轮廓

当入射泵浦功率低于100W时，在x和y方向测得的M2因子在1.1左右。然而，在泵浦功率为~130W时，沿x和y方向的M2因子分别增长至2.11和2.48。光束质量的恶化归因于高泵浦功率下模块两侧约1mm的SCF凸起导致的热累积。可通过单晶光纤双端键合YAG端帽或优化直接水冷模块等方案，缓解高泵浦功率下单晶光纤两端的热效应，从而实现光束质量的优化及功率的进一步提升。