Ho:YAG-Laser bei 2097 nm, gepumpt von einem 1,91-μm-Laser mit schmaler Linienbreite und einstellbarer Wellenlänge

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 999 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Diese Studie stellt einen hocheffizienten Ho:YAG-Laser vor, der auf einem abstimmbaren 1,91-μm-Laser mit schmaler Linienbreite basiert. Ein abstimmbarer Tm:YLF-Laser ist die Pumpquelle und die kontinuierliche Abstimmbarkeit der Wellenlänge reicht von 1906,04 bis 1908,83 nm, was einer Linienbreite von weniger als 0,41 nm entspricht. Der abstimmbare Tm:YLF-Laser wird durch Ändern der Betriebstemperatur des VBG erreicht. Die Ausgangsleistung des Ho:YAG-Lasers liegt zwischen 21,04 und 23,53 W und der Steilheitswirkungsgrad liegt zwischen 64,08 und 68,26 % bei einer Pumpleistung von 39,8 W. Die Ausgangsleistung und der Steilheitswirkungsgrad entsprechend der Pumpwellenlänge von 1907,36 nm betragen 23,53 W bzw. 68,26 %. Diese Studie zeigt, dass die Feinabstimmung der Pumpwellenlänge eine wirksame Möglichkeit ist, die Steigungseffizienz und die Ausgangsleistung des Ho:YAG-Lasers bei Raumtemperatur zu verbessern.

Ein 2,1-μm-Laser befindet sich im atmosphärischen Fenster und wird häufig in Anwendungen wie der Lasermedizin1, der Materialbearbeitung2, optischen Kommunikations-Lidar-Erkennungs- und Entfernungsmesssystemen3 und den optischen parametrischen Oszillatoren4,5 eingesetzt. Derzeit besteht der Hauptansatz zur Herstellung von Lasern mit Wellenlängen bei 2,1 μm darin, einen Ho-dotierten Kristall mit einem 1,9 μm-Laser zu pumpen, der mit dem Absorptionswellenlängenpeak des Ho-dotierten Kristalls übereinstimmt. Ein von einem 1,9-µm-Laser gepumpter Festkörperlaser kann bei Raumtemperatur einen 2,1-µm-Laser mit hoher Leistung, hoher Strahlqualität und schmaler Linienbreite erreichen. Bisher wurden Tm-dotierte Festkörper- und Tm-dotierte Faserlaser aufgrund der besseren Strahlqualität und höheren Leistung als Pumpquellen in einem Hochleistungs-Ho:YAG-Laser verwendet. Shen et al. berichteten über einen Ho:YAG-Laser, der mit einem Tm:YLF-Laser bei 1907,8 nm gepumpt wurde und dessen Ausgangsleistung 103 W mit einem Steigungswirkungsgrad von 67,8 % betrug6. Das Pumpen des Ho:YAG-Lasers mit einem Tm-dotierten Faserlaser ist aufgrund von Eigenschaften wie einfacherem Wärmemanagement, höherer Umwandlungseffizienz und kleinerem Volumen ein kompakterer Ansatz. Eine Ausgangsleistung von 36 W für den Ho:YAG-Laser, der mit einem Tm-dotierten Faserlaser bei 1907 nm gepumpt wird, wurde von Antipov et al.7 berichtet.

Die Verwendung einer Pumpquelle mit schmaler Linienbreite ist eine effektive Möglichkeit, die Effizienz des Ziellasers zu erhöhen8,9. Die zentrale Wellenlänge und Linienbreite eines Pumplasers haben aufgrund des schmalen Absorptionswellenlängenpeaks des Ho:YAG-Kristalls bei 1,9 μm einen großen Einfluss auf den Ho:YAG-Laser. Daher haben sich einige Forschungsarbeiten zum Ho:YAG-Laser auf Pumpquellen mit schmaler Linienbreite konzentriert. Derzeit verfügen Laser mit Volumen-Bragg-Gitter (VBG) über die Möglichkeit, die Wellenlänge auszuwählen und die Linienbreite zu verengen. Chen et al. berichteten über einen Tm:YLF-Laser mit einem VBG, dessen Ausgangsleistung 15,5 W bei 1908,1 nm betrug, was einer Linienbreite von 0,15 nm entspricht10. Wei et al. berichteten über einen Tm:YLF-Laser mit schmaler Linienbreite und einem VBG, dessen Ausgangsleistung 202 W bei 1908,5 nm betrug, was einer Linienbreite von 0,57 nm entspricht11. Derzeit gibt es nur wenige Berichte über abstimmbare Tm:YLF-Laser. Sheintop et al. berichteten über einen abstimmbaren Tm:YLF-Laser, der einem abstimmbaren Bereich von 1926–1961 nm entspricht12. Hier war der Absorptionsquerschnitt des Ho:YAG-Kristalls bei 1,91 μm höher als der bei 1,93 μm, was die Absorption des Pumplichts unterstützte und eine höhere Ausgangsleistung erzielte13. Daher ist ein Ho:YAG-Laser, der von einem abstimmbaren 1,91-μm-Laser gepumpt wird, eine attraktive Methode, um eine höhere Steigungseffizienz und Ausgangsleistung zu erzielen.

Diese Studie schlägt einen Ho:YAG-Laser vor, der von einem 1,91-μm-Laser mit schmaler Linienbreite gepumpt wird. Die Pumpquelle war ein Tm:YLF-Laser mit einem einstellbaren Bereich von 1906,04–1908,83 nm, was einer Linienbreite von weniger als 0,41 nm entspricht. Die Strahlqualität des Tm:YLF-Lasers bleibt über den gesamten Abstimmbereich nahezu konstant, was für das Pumpen des Ho:YAG-Lasers günstig war. Die Ausgangseigenschaften des Ho:YAG-Lasers bei verschiedenen Pumpwellenlängen werden gemessen.

Der Versuchsaufbau des mit Tm:YLF gepumpten Ho:YAG-Lasers ist in Abb. 1 dargestellt.

Experimenteller Aufbau des Ho:YAG-Lasers, gepumpt durch einen Tm:YLF-Laser.

Für den Tm:YLF-Laser wurde eine doppelendige Pumpstruktur verwendet. Als Pumpquellen dienten zwei fasergekoppelte Laserdioden (LDs) mit einer Leistung von 80 W und einer Zentralwellenlänge von 793 nm. Die Pumpstrahlen wurden mithilfe von Strahlformungsgeräten auf den Tm:YLF-Kristall mit einem Durchmesser von 0,75 mm fokussiert. Die M1s wurden mit hoher Transmission bei 793 nm und hoher Reflexion bei 1,9 μm beschichtet. M2 war ein plankonkaver Spiegel mit einer Durchlässigkeit von 20 % bei 1,9 μm und einem Krümmungsradius von 150 mm. Die Quergröße und Dicke des VBG betrugen 4 × 3 mm2 bzw. 5 mm. Die Beugungseffizienz betrug bei 1905,5 nm und Raumtemperatur mehr als 99,0 %. Die Struktur wurde auf einem Kupferkühlkörper montiert, der von Raumtemperatur bis 210 °C geregelt werden konnte. Der gesamte Hohlraum bestand aus einem plankonkaven Spiegel M2, einem dichroitischen 45°-Spiegel M1 und VBG. Die Hohlraumlänge des Tm:YLF-Lasers betrug in diesem Experiment 85 mm. Der Tm:YLF-Kristall hatte einen A-Schnitt mit einer Größe von 1,5 × 4 × 30 mm3 und einer Dotierungskonzentration von 2,0 Atom-%. Beide Enden des Tm:YLF-Kristalls waren mit Antireflexionsbeschichtungen von 793 nm bzw. 1,9 μm beschichtet. Zusätzlich wurde der Kristall mit einer Indiumfolie umwickelt und in einem Kupferhalter befestigt, der mit Wasser auf 20 °C gekühlt wurde.

Für den Ho:YAG-Laser wurde eine Single-End-Pumpenstruktur verwendet. Die Pumplaser wurden durch die Linse f3 in den Ho:YAG-Kristall mit einem Strahldurchmesser von etwa 0,95 mm fokussiert. M3 war ein dichroitischer 45°-Spiegel mit hoher Durchlässigkeit bei 1,9 μm und hoher Reflexion bei 2,1 μm. M4 wurde mit hoher Durchlässigkeit bei 1,9 μm und hoher Reflexion bei 2,1 μm beschichtet. M5 war ein plankonkaver Spiegel mit einer Durchlässigkeit von 20 % bei 2,1 μm und einem Krümmungsradius von 300 mm. Darüber hinaus bestand der gesamte Hohlraum aus einem plankonkaven Spiegel M5, einem dichroitischen 45°-Spiegel M3 und einem Planspiegel M4. Die Hohlraumlänge des Ho:YAG-Lasers betrug 115 mm. Der Ho:YAG-Kristall hatte einen Durchmesser von 4 mm, eine Länge von 50 mm und eine Dotierungskonzentration von 0,8 Atom-%. Die beiden Endflächen des Kristalls waren mit einer Antireflexionsbeschichtung (R ≤ 0,3 %) in einer Dicke von 1,9 und 2,1 μm versehen. Zuletzt wurde der Kristall in einen mit fließendem Wasser gefüllten Kupferhalter gewickelt und die Temperatur auf 20 °C eingestellt.

Die Wellenlängen des Tm:YLF-Lasers wurden im Experiment mit einem Fourier-Transformations-Infrarotspektrometer (Nicolet iS50 FTIR) gemessen, wie in Abb. 2 dargestellt. Die Wellenlänge des Tm:YLF-Lasers variierte mit der Betriebstemperatur des VBG. Die Wellenlänge stieg von 1906,04 auf 1908,83 nm und die entsprechende VBG-Betriebstemperatur stieg von 70 auf 210 °C bei einer Ausgangsleistung von 39,8 W. Der Wellenlängen-Abstimmbereich betrug 2,79 nm.

Wellenlängen bei unterschiedlicher VBG-Temperatur.

Die Ausgangsleistungen des Tm:YLF-Lasers wurden bei verschiedenen VBG-Temperaturen gemessen. Die anfängliche Betriebstemperatur des VBG wurde auf 70 °C eingestellt und das Experiment mit hoher Ausgangsleistung wurde nicht bei 110 °C durchgeführt, um Kristallschäden aufgrund der Wasserabsorptionswellenlänge im Nahinfrarotband zu vermeiden. Die Ausgangsleistungen des Tm:YLF-Lasers bei verschiedenen VBG-Temperaturen und einer Pumpleistung von 105,5 W sind in Abb. 2 dargestellt. Die minimalen und maximalen Ausgangsleistungen im gesamten Abstimmbereich betrugen 39,8 und 42,9 W und die entsprechenden Ausgangswellenlängen 1906,04 bzw. 1907,96 nm.

Die Linienbreiten des Tm:YLF-Lasers bei verschiedenen VBG-Temperaturen sind in Abb. 3 dargestellt.

Spektren des Tm:YLF-Lasers.

Die Farbkurven stellen die Tm:YLF-Laserausgangsspektren bei verschiedenen VBG-Temperaturen von 70 °C, 90 °C, 130 °C, 150 °C, 170 °C, 190 °C und 210 °C dar; wobei die zentralen Wellenlängen 1906,04, 1906,48, 1907,36, 1907,55, 1907,96, 1908,40 bzw. 1908,83 nm waren. Die entsprechenden Linienbreiten betrugen 0,39, 0,38, 0,35, 0,41, 0,34, 0,34 und 0,35 nm. Der Tm:YLF-Laser zeigte eine schmale Linienbreite und hohe Stabilität, und die Linienbreiten lagen im gesamten Abstimmbereich zwischen 0,34 und 0,41 nm.

Zur Messung des Strahlradius des Tm:YLF-Lasers wurde die 10/90-Messerkantentechnologie verwendet und der Strahlqualitätsfaktor mithilfe der Gaußschen Anpassung berechnet. Die Strahlqualitätsfaktoren in horizontaler und vertikaler Richtung bei unterschiedlichen Ausgangswellenlängen betrugen etwa 3,3 bzw. 3,1, wie in Abb. 4 dargestellt.

Strahlqualitätsfaktor des Tm:YLF-Lasers.

Die Strahlqualität blieb über den gesamten Abstimmbereich nahezu konstant, was sich positiv auf das Pumpen des Ho:YAG-Lasers auswirkte. Daher wurde eine Quelle mit schmaler Linienbreite von 1,91 μm mit einer stabilen Strahlqualität, einem Abstimmbereich von 1906,04–1908,83 nm und einer Ausgangsleistung von 39,8 W erhalten.

Das gemessene Absorptionsspektrum des Ho:YAG-Kristalls im Bereich 1902–1912 nm bei Raumtemperatur (20 °C) wird durch die schwarze Linie in Abb. 5 dargestellt. Die roten Quadrate stellen die maximalen Ausgangsleistungen des Ho:YAG-Lasers dar entsprechend unterschiedlichen Pumpwellenlängen unter der Pumpleistung von 39,8 W. Die Ausgangsleistungen stimmten viel besser mit dem Ho:YAG-Absorptionsspektrum im Abstimmbereich von 1906,04–1908,83 nm überein. Die Ergebnisse zeigten, dass die Durchlässigkeit bei verschiedenen Pumpwellenlängen einen Einfluss auf die Ausgangsleistung des Ho:YAG-Lasers hatte.

Absorptionsspektrum von 0,8 Atom-% dotiertem Ho:YAG bei 20 °C und Ausgangsleistung.

Die Ausgangseigenschaften des Ho:YAG-Lasers im Vergleich zur abstimmbaren Pumpwellenlänge sind in Tabelle 1 dargestellt. Durch den Vergleich der Ausgangsleistung des Ho:YAG-Lasers bei verschiedenen Pumpwellenlängen wurde festgestellt, dass die Ausgangsleistung bei 21,04–23,53 W lag Die entsprechende Steigungseffizienz lag bei 64,08–68,26 %. Darüber hinaus lag der Umwandlungswirkungsgrad über den gesamten Abstimmbereich zwischen 52,86 und 59,12 %. Darüber hinaus hatte der Laser eine hohe Umwandlungseffizienz bei verschiedenen Pumpwellenlängen und die höhere Leistung des Ho:YAG-Lasers konnte durch Feinabstimmung der Pumpwellenlänge erzielt werden.

Die Ausgangsleistung des Ho:YAG-Lasers im Vergleich zur abstimmbaren Pumpleistung ist in Abb. 6 dargestellt. Die Pumpleistung betrug 39,8 W bei verschiedenen Wellenlängen von 1906,04, 1907,36 und 1908,83 nm; hier betrugen die maximalen Ausgangsleistungen des Ho:YAG-Lasers 22,55, 23,53 bzw. 21,04 W. Die entsprechenden Steigungswirkungsgrade η betrugen 66,70 %, 68,26 % und 64,08 %, und die entsprechenden Umwandlungswirkungsgrade betrugen 56,66 %, 59,12 % und 52,86 %. Bei unterschiedlichen Pumpwellenlängen tritt kein Absorptionssättigungsphänomen auf.

Die Ausgangsleistungen des Ho:YAG-Lasers.

Das Spektrum des Ho:YAG-Lasers wurde mit einem Fourier-Transformations-Infrarotspektrometer (Nicolet iS50 FTIR) gemessen. Die Halbwertsbreite (FWHM) betrug 0,65 nm und der Wellenlängenpeak lag bei 2097,38 nm, wie in Abb. 7 dargestellt.

Spektrum des Ho:YAG-Lasers.

Der Strahlradius wurde bei einer Ausgangsleistung von 23,53 W mittels 90/10-Messerkantentechnologie gemessen. Der Strahlqualitätsfaktor M2 wurde mit der Gaußschen Anpassung berechnet, wie in Abb. 8 dargestellt. Die Strahlqualitätsfaktoren in horizontaler und vertikaler Richtung betrugen 2,4 bzw. 2,8. Der Einschub in Abb. 8 zeigt das transversale Strahlprofil, das von einer pyroelektrischen Kamera (Pyrocam III, Spiricon) aufgenommen wurde.

Messung des Strahlqualitätsfaktors eines Ho:YAG-Lasers.

Diese Studie demonstrierte einen Ho:YAG-Laser, der von einem 1,91-μm-Laser mit schmaler Linienbreite gepumpt wurde. Der Pumplaser war ein Tm:YLF-Laser mit einer Ausgangsleistung von 39,8 W und einem einstellbaren Bereich von 1906,04–1908,83 nm, was einer Linienbreite von weniger als 0,41 nm entspricht. Die Strahlqualität des Tm:YLF-Lasers blieb über den gesamten Abstimmbereich nahezu konstant. Die Ausgangsleistung des Ho:YAG-Lasers lag bei 21,04–23,53 W und die entsprechende Steigungseffizienz bei 64,08–68,26 %. Darüber hinaus lag der Umwandlungswirkungsgrad über den gesamten Abstimmbereich zwischen 52,86 und 59,12 %. Der Ho:YAG-Laser arbeitete stabil bei 2097,38 nm mit einer Linienbreite von 0,65 nm bei verschiedenen Pumpwellenlängen. Diese Studie zeigt, dass die Pumpwellenlänge einen Einfluss auf die Ausgangsleistung des Ho:YAG-Lasers im Bereich von 1906,04–1908,83 nm hat. Bei der Pumpwellenlänge von 1097,36 nm erreichen die Ausgangsleistung und die Steigungseffizienz des Ho:YAG-Lasers das Maximum von 68,26 % bzw. 23,53 W.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Die Arbeit wurde vom Scientific Instrument Developing Project der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (YJKYYQ20210045), dem State Key Laboratory of Pulsed Power Laser Technology (SKL2021KF04) und der National Natural Science Foundation of China (61875198, 61775212) unterstützt.

Zhiyong Li

Aktuelle Adresse: Laser Engineering Center, Aerospace Information Research Institute, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Peking, 100094, China

Laser Engineering Center, Aerospace Information Research Institute, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Peking, 100094, China

Juntao Tian, Lili Zhao, Hai Wang & Rongqing Tan

Fakultät für Elektrotechnik, Elektrotechnik und Kommunikationstechnik, Universität der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, Peking, 100049, China

Juntao Tian, Lili Zhao, Zhiyong Li, Hai Wang und Rongqing Tan

State Key Laboratory of Pulsed Power Laser Technology, College of Electronic Countermeasures, National University of Defense Technology, Hefei, 230037, China

Jintian Bian & Qing Ye

Anhui Laboratory of Advanced Laser Technology, College of Electronic Countermeasures, National University of Defense Technology, Hefei, 230037, China

Jintian Bian & Qing Ye

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JTT führte das Experiment durch, führte die Datenanalysen durch und schrieb das Manuskript; LLZ und ZYL waren an der Konzeption der Studie beteiligt; JTB und QY führten die Datenanalysen durch und erstellten Zahlen; HW baute das abstimmbare Lasersystem und führte die Spektroskopiemessung durch; RQT half mit konstruktiven Gesprächen bei der Durchführung der Analyse. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Juntao Tian oder Zhiyong Li.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Tian, J., Zhao, L., Li, Z. et al. Ho:YAG-Laser bei 2097 nm, gepumpt von einem 1,91-μm-Laser mit schmaler Linienbreite und einstellbarer Wellenlänge. Sci Rep 13, 999 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-27970-0

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Eingegangen: 01. Oktober 2022

Angenommen: 10. Januar 2023

Veröffentlicht: 18. Januar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-27970-0

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