一种紧凑型二极管泵浦Er:YAG激光器的准连续波TEM00模式高效工作

高效的1.5 W连续波和9 mJ准连续波TEM00模式工作的紧凑二极管激光泵浦的2.94 μ m Er:YAG激光器

Sheaumann开发了第一个可商购二极管激光泵送连续工作1.5 W, 2.94 μ m Er:YAG激光器。这种激光器在端泵浦微激光芯片结构中工作，这是由Chen等人首次演示的。¹后来扩展到其他的Er³⁺- 迪尔曼和Moulton的装饰。²

长持久，较高亮度和功率二极管泵激光源的开发导致该技术变得可行。

由于激光的能级动力学，高亮度抽运源是必不可少的。图1是能级图，显示了低激光能级(^4.我_13/2)明显长于上激光电平的0.1 ms寿命(^4.我_11/2）。这种差异会在普通情况下产生自我饱和度。

图1。ER的简化能级图：YAG显示泵吸收和激光过渡。与er的对之间的合作上升³⁺离子提供了比单一量子效率更高的效率，克服了瓶颈^4.我_13/2较低的激光水平。该图已从Georgescu和Toma再现[4]。图片信用：Sheaumann Laser，Inc。

在高呃³⁺而在强泵浦作用下，相邻的Er之间的协同上转换³⁺看到离子耗尽^4.我_13/2同时提供一个离子的水平，同时通过泵送到上激光水平的泵送路径^4.我_9／2能级(列(a)，图1)。

该效果停止激光自终止，同时为每个吸收的泵光子群同时在激光波长处提供几乎两个光子。这导致大于Unity量子效率。^1、3、4从中转换^4.我_11/2能量水平（柱（b），图1）以及来自的交叉放松^4.S._3/2能级(柱(c)，图1)对2.94 μ m Er:YAG激光动力学也有显著影响。^4.

Flashlamp泵浦2.94μmER：YAG和ER：YSGG激光器主要用于硬组织牙科手术。近期还有兴趣在微外科应用中的较低能量准二极管二极管激光泵浦装置的应用。^5.

本文探讨了1.0 W连续波2.94 μ m Er:YAG激光器(特别是Sheaumann的MIR-Pac激光器)的性能及其准连续波特性。当作为OPO泵浦源使用时，该设备目前的形式在软组织显微外科应用以及光谱学等其他应用领域具有巨大的潜力。

图2。CW输出功率为2.94微米MIR-PAC激光与二极管泵激光驱动电流。图片信用：Sheaumann Laser，Inc。

连续波激光器性能

在CW操作模式下工作时，MiR-PAC激光已指定在最大1.0 W输出功率(图2)的M²< 1.2, TEM₀₀模式梁（图3）具有17 mrad的标准光束分流。

最近的进展已经导致产生超过1.5 W的输出功率。这受到热翻转的开始限制，热翻转被认为与微激光芯片中的热透镜有关。

目前的工作正在进行中，探索使用短激光谐振腔独立控制模式大小和谐振腔稳定性。在理想情况下，这将有助于在更高的输出功率下进行有效的操作。

图3。典型的TEM₀₀为2.94 μm MIR-Pac激光器输出光束数据。图片信用：Sheaumann Laser，Inc。

Quasi-CW激光性能

2.94 μ m Er:YAG激光器采用半导体激光器光泵浦。这一二极管激光器可以脉冲或连续运行使用不同的驱动电流波形。

通过一个上升时间小于10µs的矩形电流脉冲驱动二极管激光器，将导致相应的光泵浦脉冲有效地产生超过激光阈值的布居数反转。可以产生名义上的矩形激光脉冲，其持续时间从<0.1 ms到很大一部分秒。这被称为准连续波操作，因为脉冲持续时间足够长，使激光输出达到稳定状态。

在这种特定的工作模式下，激光器可以在峰值功率下工作，该峰值功率比平均激光功率的工作极限高一个与准连续波激光脉冲序列占空比成反比的因素。目前该技术的实现受到二极管泵浦激光器的最大峰值功率约为10 W的限制。然而，下一代设备的引入将会看到这种增长。

迈斯特et al。^5.成功地演示了准连续波二极管激光泵浦的Er:YSGG激光器在2.5 ms脉冲中产生15.7 mJ，该激光器已被设计用于软组织显微外科应用。这与Sheaumann的6兆焦耳在2.5毫秒的数据相比是有利的，如下所示。

Meister等人还对其他准连续波二极管激光泵浦3微米铒激光器进行了全面的综述，这些激光器能够产生30 mJ的能量，但这些激光器不能在较低的脉冲能量下进行优化，以实现高效运行。此外，这些激光器由于使用二极管激光棒的堆叠阵列而不具有成本效益。

图4显示了标准的准CWER：通过以1000Hz重复速率的0.5ms二极管激光脉冲泵送而产生的YAG激光脉冲。

图4。准连续波激光输出(下道)和驱动电流波形(上道)0.5 ms持续时间，10a电流脉冲在1000 Hz重复频率。图片信用：Sheaumann Laser，Inc。

在激光开始时发射一系列增益开关脉冲。这些然后过渡到建立阻尼松弛振荡(图5)的条件，随后是无振荡准连续波激光操作，在泵浦脉冲熄灭后立即终止。

图5。准连续波激光输出(下道)和驱动电流波形(上道)显示了脉冲开始时的张弛振荡，如图4所示。图片信用：Sheaumann Laser，Inc。

一个6μs，可以从泵脉冲的开始到激光阈值来测量分布时间延迟。这种积累时间延迟将较短，峰值泵功率较短，而对于产生毫秒的脉冲脉冲，它几乎微不足道。然而，在产生子毫秒脉冲时，100μs转换到稳定的准cw更为显着。

弛豫振荡阻尼时间（τ_0.）理想的四级激光^6.由以下公式给出：

在这里，上激光能级(τ)的特征寿命通过阈值处的粒子反转密度与增益介质抽运区域的活性离子位点总数的比值来修正，N_TH.N_T.，可见光泵浦速率超过激光阈值的次数，W._P.W._P.那TH.．

泵浦更加难以缩短放松振荡阻尼时间。这种基本原则仍然适用于2.94-μmer：YAG激光，尽管其能量水平动态远比理想的四电平激光器更复杂。

泵送ER：YAG激光器在主泵脉冲可以缩短放松阻尼时间之前，即在其激光阈值下方，几乎完全消除了积累时间延迟（图6）。

图6。准CW激光输出（下迹线）和驱动电流波形（上部迹线），用于1.0 ms持续时间，8.2电流脉冲以1000Hz重复率叠加在1.8个连续偏置电流上。图片信用：Sheaumann Laser，Inc。

激光器准连续波工作的最理想的脉冲驱动电流包括设置为连续激光阈值的80%到90%的连续偏置电流(通常为2 a)，以及更大的脉冲驱动电流。

峰值驱动电流甚至可以高达10的二极管泵激光器的最大允许驱动电流。然而，这具有额外的约束，因为占空比校正平均2.94-μm激光输出功率不得超过设备指定的最大工作功率。

在光泵浦脉冲之后，大多数准连续波激光器将随着强度的单调衰减而关闭。当Sheaumann的研究人员在泵浦脉冲的末端完全关闭二极管泵浦激光器时，他们观察到了这种行为。然而，当二极管泵浦激光器在泵浦脉冲之间连续工作时(工作在刚好低于Er:YAG激光阈值)，在Er:YAG激光脉冲的末端观察到一系列衰减的弛豫振荡(图7)。

图7。准连续波激光输出(下道)和驱动电流波形(上道)显示激光脉冲结束时的弛豫振荡衰减，如图6所示。图片信用：Sheaumann Laser，Inc。

这些振荡被认为是激光动态响应的一个独特特征，是由上转换路径提供相位延迟反馈的上激光能级的持续和缓慢衰减的光泵浦造成的。

最终，ER：YAG激光的脉冲峰值功率能力受到与连续操作相同的热断裂机制的限制。对于当前产品，这在1 W中指定，但最近的设备改进现在允许操作高达1.5 W（图1）。

因此，对于占空比为10% - 1 ms脉冲、重复频率为100 Hz的准连续工作，相应的推荐峰值功率限制为>10 W。但在实际应用中，泵浦二极管激光器纳入标准2.94 μ mMIR-Pac Er:YAG激光产品最大驱动电流限制在10a，这通常对应的峰值功率高达2.5 W。

图8和图9所示的数据显示准连续波工作时产生高达2.5 W的峰值功率，在最大驱动电流限制下工作，以脉冲重复频率产生毫秒级脉冲。在这里，在1.8 W的峰值功率下，5 ms脉冲产生的最大脉冲能量为9 mJ。平均功率极限仅在占空比为50%左右和脉冲峰值功率高达2 W时达到。对应的脉冲能量为1khz时的1mj。

图8。以100Hz的固定脉冲重复率的准CW激光性能为8.2的驱动电流脉冲叠加在1.8个连续偏置电流上。图片信用：Sheaumann Laser，Inc。

图9。在脉冲持续时间为0.5ms的脉冲持续时间的准cW激光性能对于8.2叠加在1.8的驱动电流脉冲中。图片信用：Sheaumann Laser，Inc。

在低占空比和激光脉冲间隔较长的情况下，瞬态热透镜效应会导致不必要的空间模式调制。在激光脉冲之间操作Er:YAG激光接近其阈值，但不进行激光，通过引入激光条件下经历的大量热透镜，可以帮助避免这个问题。

此问题如图10所示，其中脉冲的上升沿通过一系列放松振荡事件，指示多个空间模式演化。图11显示了消除此问题。

图10。准CW激光输出（下迹线）和驱动电流波形（上迹线）0.5 ms持续时间。10驱动电流脉冲。图片信用：Sheaumann Laser，Inc。

图11。准CW激光输出（下迹线）和驱动电流波形（上迹线）0.5 ms持续时间。8.2驱动电流脉冲叠加在1.8个连续偏置电流上。图片信用：Sheaumann Laser，Inc。

该数据来自于一个密封的开窗包装中的Er:YAG激光器(图12)。Sheaumann最近还测试了这种激光包的光纤耦合版本，其中包含0.22 NA ZBLAN (IRphotonics)光纤。纤维芯直径为150 ~ 450 μ m。

图12。直接光束输出。图片信用：Sheaumann Laser，Inc。

在每个纤芯尺寸的1.5 m长光纤的输入面上入射功率为1.3 W，获得了1.1 W的光纤耦合输出功率。考虑输出光纤面菲涅耳损耗后，功率耦合效率估计为>90%(图13)。

图13。光纤耦合版本。图片信用：Sheaumann Laser，Inc。

Sheaumann还开发了一种有效的二极管激光泵浦1.5W，CW2.94μmER：YAG激光器具有TEM₀₀输出光束在一个密封的窗口包装。该产品采用光纤耦合输出光束传输选项，提供1.1 W从150µm到450µm的芯径以及0.22 NA ZBLAN (IRphotonics)光纤。这种新型激光器已经成功地在准连续波模式下工作，以100 Hz重复频率在5 ms脉冲中产生高达10 mJ的脉冲能量。

1 MJ脉冲也可以从单次拍摄到1 kHz的重复速率生成。这些毫秒持续时间激光脉冲具有高光束质量，是需要在小体积内进行控制的热沉积的应用。由于操作波长，这通常涉及具有一些含水量的材料。欧洲杯足球竞彩

Sheaumann目前正致力于通过使用更长的传统激光谐振器来代替微激光芯片，将连续波激光输出功率提高到几瓦。通过使用更高的峰值功率泵浦激光二极管和当前的Er:YAG微激光芯片，也正在进行在准连续波工作状态下缩放脉冲能量和峰值功率的工作。这项工作的目标是能够在1毫秒内产生>5 mJ。

参考文献

1. Chen, D.， Fincher, c.l.， Todd, S.R, Vernon, F.L. and Fields, R.A.，“二极管泵浦1-W连续铒:yag3 - μ m激光器”，光子学报。， 24385(1999)。
2. 迪纳曼，B.J.和Moulton，P.F.，“3微米CW激光操作在erbium-掺杂的YSGG，GGG和YAG中，”选择。Lett。，19,1143（1994）。
3. Stoneman，R.C.和estrowitz，L。“有效谐振泵浦2.8μm³⁺:GSGG激光器，“Opt. Lett。， 17,816(1992)。
4. Georgescu，S。和Toma，O.，“ER：YAG三微米激光：性能和限制，”IEEE。Sel。最佳。量子。电子。，11,682（2005）。
5. Meister，J.，Franzen，R.，Apel，C.和Gutknecht，N。，“用于小型二极管泵浦固态激光器的”多反射泵浦概念“。选择。，43,5864（2004）。
6. Zayhowski，J.J.，Welford，D。和哈里森，J.，[Photonics手册;微型固态激光器]，CRC印刷机，（2007）。

致谢

由John Gary Sou欧洲杯足球竞彩sa和Josh Foster来自Sheaumann Laser，Inc。和Josh Foster的材料制成，以及来自努力激光技术的大卫沃德。

这些信息来源于Sheaumann Laser, Inc.提供的材料。欧洲杯足球竞彩

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