紧凑型二极管激光泵浦的2.94 µm Er:YAG激光器的高效1.5 W CW和9 mJ准CW TEM00模式操作

紧凑型二极管激光泵浦2.94的高效1.5 W CW和9 mJ准CW TEM00模式工作µm Er:YAG laser

Sheaumann开发了第一个商用产品 二极管激光泵浦 连续运行(CW)1.5 W,2.94µ米:YAG激光。这种激光器以最终泵浦的微型激光器芯片配置工作,这首先由Chen等人证明。1 后来扩展到其他3+Dinerman和Moulton掺杂的石榴石。2

持久,更高亮度和功率二极管泵浦激光源的发展使该技术在商业上变得可行。

由于激光器的能级动态,高亮度泵浦源必不可少。图1是能级图,显示了较低激光级的6.4 ms寿命(4I13/2)的寿命比上激光等级(0.14I11/2)。在正常情况下,这种差异将导致自饱和。

Er:YAG的简化能级图显示了泵浦吸收和激光跃迁。 成对的Er3 +离子之间的协同上转换可提供比单一量子效率更高的性能,并克服了4I13 / 2低激光能级中的瓶颈。此图是从Georgescu和Toma [4]复制而来的。

图1。 Er:YAG的简化能级图显示了泵浦吸收和激光跃迁。 对Er之间的合作上转换3+ 离子提供的量子效率高于统一的量子效率,并克服了瓶颈问题 4I13/2 较低的激光水平。此图是从Georgescu和Toma [4]复制而来的。 Image Credit: Sheaumann Laser,Inc.

高Er3+ 浓泵浦下的浓度,但是,相邻Er之间的协同上转换3+ 离子被认为耗尽了 4I13/2 一个离子的水平,同时通过 4I9/2 能量水平(列(a),图1)。

这种效应阻止了激光器的自我终止,同时为每个吸收的泵浦光子种群同时提供了处于激光器波长的近两个光子。这导致大于一的量子效率。1,3,4 从的上转换 4I11/2 能级(图1的(b)列)以及来自 4S3/2 能量水平(图(c)栏,图1)也被发现对2.94有显着影响µEr:YAG激光动力学。4

手电筒抽2.94µEr:YAG和Er:YSGG激光器主要用于硬组织和软组织牙科手术中。最近,在显微外科应用中将低能准CW二极管激光泵浦器件的应用也引起了人们的兴趣。5

本文探讨了1.0 W cw 2.94的性能µm Er:YAG激光(特别是Sheaumann’的MIR-Pac激光器)及其准CW特性。当用作OPO泵浦源时,此设备’目前的化身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。

2.94-的CW输出功率µm MIR-Pac激光器与二极管泵浦激光器驱动电流的关系。

图2。 2.94-的CW输出功率μm MIR-Pac激光器与二极管泵浦激光器驱动电流的关系。 Image Credit: Sheaumann Laser,Inc.

连续激光性能

在连续工作模式下工作时, MIR-Pac激光 在M中已指定最大输出功率为1.0 W(图2)2<1.2, TEM00 模式光束(图3),标准光束发散度为17 mrad。

最近的进步导致产生了高达1.5 W的输出功率。这受到热翻转的开始的限制,据信这与微激光芯片中的热透镜化有关。

当前正在进行的工作是探索使用短激光谐振器来独立控制模式尺寸和谐振器稳定性。理想地,这将有助于在更高的输出功率下进行有效的操作。

典型TEM00 输出2.94-的光束数据µm MIR-Pac激光.

图3。 典型TEM00 输出2.94-的光束数据μm MIR-Pac激光. Image Credit: Sheaumann Laser,Inc.

准连续激光性能

2.94µm Er:YAG激光器使用二极管激光器进行光泵浦。该二极管激光器可以使用不同的驱动电流波形被脉冲化或连续地操作。

通过具有上升时间的矩形电流脉冲驱动二极管激光器<10 µs将导致相应的光泵浦脉冲有效地产生超过激射阈值的粒子数反转。标称矩形激光脉冲,持续时间为<可能会产生0.1毫秒到一秒的大部分时间。由于脉冲持续时间足够长,以使激光输出达到稳态,因此这被称为准CW操作。

在这种特定的工作模式下,激光器可以在峰值功率下工作,峰值功率成比例地高于平均激光器功率工作极限一个系数,该系数是准cw激光脉冲序列的占空比的倒数。该技术的当前实施受到二极管泵浦激光器的限制’最大峰值功率约为10W。但是,下一代设备的引入将使这种增加。

Meister等。5 成功地证明了准CW二极管激光泵浦Er:YSGG激光器在2.5 ms脉冲中产生了15.7 mJ脉冲,该激光被设计用于软组织显微外科手术。这比Sheaumann好’在2.5 ms数据中为s 6 mJ,如下所示。

Meister等。还对能够产生30 mJ能量的其他准CW二极管激光泵浦的3微米Er激光器进行了全面的回顾,但它们并未针对在较低脉冲能量下的有效运行进行优化。此外,这些激光器由于利用了二极管激光棒的堆叠阵列而没有成本效益。

图4显示了一个标准的准连续Er:YAG激光脉冲,该脉冲是通过以0.5 Hz的二极管激光脉冲以1000 Hz的重复频率泵浦产生的。

准连续激光输出(下迹线)和驱动电流波形(上迹线)持续0.5毫秒, 10重复频率为1000 Hz的电流脉冲。

图4。 准连续激光输出(下迹线)和驱动电流波形(上迹线)持续0.5毫秒, 10重复频率为1000 Hz的电流脉冲。 Image Credit: Sheaumann Laser,Inc.

在激射开始时发射一系列增益切换脉冲。然后,它们转变为已建立的阻尼弛豫振荡(图5)状态,随后是无振荡的准CW激光操作,该操作在泵浦脉冲熄灭后立即终止。

准连续激光输出(下迹线)和驱动电流波形(上迹线)显示弛豫 

图5。 准连续激光输出(下迹线)和驱动电流波形(上迹线)显示弛豫  Image Credit: Sheaumann Laser,Inc.

A 6µs,累积时间延迟可以从泵浦脉冲的开始到激射阈值进行测量。峰值泵浦功率越高,建立时间的延迟就越短,而对于毫秒级持续时间脉冲的产生,则几乎没有意义。 100µ但是,当生成亚毫秒级脉冲时,向稳定准CW的过渡更为重要。

弛豫振荡阻尼时间(τ0理想的四能级激光6 由以下公式给出:

此处,较高激光水平的特征寿命(τ)通过阈值处的种群反转密度与增益介质泵浦区域中活性离子位点总数的比值进行修改, N Nt,以及看到光抽运速率超过激光阈值的次数, Wp Wp,.

加大力度显然会缩短松弛振动的阻尼时间。这个基本原则仍然适用于2.94-µm Er:YAG激光器,尽管其能级动力学比理想的四能级激光器复杂得多。

在主泵浦脉冲之前将Er:YAG激光器泵浦到其激射阈值以下可以缩短弛豫阻尼时间,几乎完全消除了建立时间的延迟(图6)。

准连续激光输出(下迹线)和驱动电流波形(上迹线)持续1.0毫秒, 8.2以1000 Hz重复频率叠加在1.8 A连续偏置电流上的电流脉冲。

图6。 准连续激光输出(下迹线)和驱动电流波形(上迹线)持续1.0毫秒, 8.2以1000 Hz重复频率叠加在1.8 A连续偏置电流上的电流脉冲。 Image Credit: Sheaumann Laser,Inc.

激光的最理想脉冲驱动电流 ’准cw操作由设置为连续激射阈值(通常为2 A)的80%至90%的连续偏置电流以及较大的脉冲驱动电流组成。

峰值驱动电流甚至可能高达二极管泵浦激光器的最大允许驱动电流10A。但是,这样做还有一个限制,那就是占空比校正后的平均值为2.94-µm激光输出功率不得超过设备’指定的最大工作功率。

在发出光泵浦脉冲之后,大多数准连续激光器将以强度单调衰减的方式关闭。肖曼’的研究人员在泵浦脉冲结束时完全关闭二极管泵浦激光器时观察到了这种现象。但是,当二极管泵浦激光器在泵浦脉冲之间连续工作(工作在Er:YAG激光阈值以下)时,在Er:YAG激光脉冲结束时会观察到一系列衰减弛豫振荡(图7)。

准连续激光输出(下迹线)和驱动电流波形(上迹线)显示弛豫 激光脉冲结束时的振荡衰减如图6所示。

图7。 准连续激光输出(下迹线)和驱动电流波形(上迹线)显示弛豫 激光脉冲结束时的振荡衰减如图6所示。 Image Credit: Sheaumann Laser,Inc.

这些振荡被认为是激光器动态响应的独特特征,这是由于通过提供向上相位延迟反馈的上转换路径对上激光水平的持续缓慢衰减的光抽运而发生的。

最终,Er:YAG激光’脉冲峰值功率能力受到与连续运行相同的热断裂机制的限制。对于当前产品,此功率指定为1 W,但最近的设备改进现在允许高达1.5 W的工作功率(图1)。

因此,对于占空比为10%-1 ms脉冲(重复频率为100 Hz)的准连续操作,相应的建议峰值功率极限为:>10W。但是,实际上,标准2.94中包含了泵浦二极管激光器µm MIR-Pac Er:YAG激光产品 最大驱动电流限制为10 A,这通常对应于高达2.5 W的峰值功率。

图8和9中显示的数据显示了在准cw操作中产生了高达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。在此,在峰值功率为1.8 W的5 ms脉冲中产生了9 mJ的最大脉冲能量。仅在占空比约为50%时才能达到平均功率极限,并且脉冲峰值功率高达2W。相应的脉冲能量在1 kHz时为1 mJ。

在8.2 A驱动电流脉冲的100 Hz固定脉冲重复频率下的准连续激光性能 叠加在1.8 A的连续偏置电流上。

图8。 在8.2 A驱动电流脉冲的100 Hz固定脉冲重复频率下的准连续激光性能 叠加在1.8 A的连续偏置电流上。 Image Credit: Sheaumann Laser,Inc.

叠加了8.2 A驱动电流脉冲的0.5 ms脉冲持续时间下的准CW激光器性能 在1.8 A连续偏置电流上。

图9。 叠加了8.2 A驱动电流脉冲的0.5 ms脉冲持续时间下的准CW激光器性能 在1.8 A连续偏置电流上。 Image Credit: Sheaumann Laser,Inc.

当以低占空比工作且激光脉冲之间的间隔较长时,瞬态热透镜会导致不必要的空间模式调制。在激光脉冲之间操作Er:YAG激光接近其阈值而不是发射激光,可以通过引入大部分在发射激光条件下经历的热透镜来帮助避免此问题。

此问题在图10中进行了说明,其中脉冲’的上升沿经过一系列弛豫振荡事件,这些事件表明了多个空间模式的演变。图11显示了该问题的消除。

准连续激光输出(下部迹线)和驱动电流波形(上部迹线)持续0.5毫秒。 10 A驱动电流脉冲。

图10。 准连续激光输出(下部迹线)和驱动电流波形(上部迹线)持续0.5毫秒。 10 A驱动电流脉冲。 Image Credit: Sheaumann Laser,Inc.

准连续激光输出(下部迹线)和驱动电流波形(上部迹线)持续0.5毫秒。 8.2驱动电流脉冲叠加在1.8 A连续偏置电流上。

图11。 准连续激光输出(下部迹线)和驱动电流波形(上部迹线)持续0.5毫秒。 8.2驱动电流脉冲叠加在1.8 A连续偏置电流上。 Image Credit: Sheaumann Laser,Inc.

该数据是从Er:YAG激光器中密封的开窗包装中获取的(图12)。 Sheaumann最近还使用0.22 NA ZBLAN(IRphotonics)光纤测试了该激光封装的光纤耦合版本。这些纤维的芯直径为150µm to 450 µm.

直接光束输出

图12。 Direct Beam Output. Image Credit: Sheaumann Laser,Inc.

对于每芯尺寸为1.5 m长的光纤的输入面上入射的1.3 W功率,可获得1.1 W的光纤耦合输出功率。在考虑了输出光纤端面菲涅耳损耗之后,估计功率耦合效率为>90% (Figure 13).

光纤耦合版

图13。 光纤耦合版本。 Image Credit: Sheaumann Laser,Inc.

Sheaumann还开发了有效的二极管激光泵浦的1.5 W,cw 2.94µ具有TEM的Mer:YAG激光器00 输出光束处于密封的窗口式包装中。它具有光纤耦合输出光束传输选项,可从150W提供1.1Wµm to 450 µm芯直径以及0.22 NA ZBLAN(IRphotonics)光纤。这种新型激光器已经成功地以准连续模式工作,以100 Hz重复频率在5 ms脉冲中产生高达10 mJ的脉冲能量。

还可以从单脉冲到1 kHz的重复速率生成1 mJ脉冲。这些毫秒级的激光脉冲具有很高的光束质量,非常适合需要在少量材料中进行受控热沉积的应用。由于工作波长的原因,通常涉及含水量较高的材料。

Sheaumann当前正在通过使用更长的传统激光谐振器代替微激光芯片,将连续激光器的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,还正在努力在准cw工作模式下缩放脉冲能量和峰值功率。这项工作的目标是能够产生>5 mJ in 1 ms.

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1W连续波Er:YAG 3-µm laser,”选择。 Lett。,24,385(1999)。
  2. B.J. Dinerman和P.F. Moulton,“3-µ掺Y YSGG,GGG和YAG中的m cw激光操作,”选择。 Lett。,19,1143(1994)。
  3. 斯通曼(R.C.)和L. Estrowitz“高效共振泵浦2.8-µm Er3+:GSGG激光”选择。 Lett。,17,816(1992)。
  4. S. Georgescu和O. Toma,“Er:YAG三微米激光:性能和局限性,”IEEE。 Sel。最佳。数量Electron。,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,”应用见第43卷第5864页(2004年)。
  6. Zayhowski,J.J.,Welford,D。和Harrison,J。,[光子学手册;微型固态激光器],CRC出版社,(2007年)。

致谢

Produced from materials originally authored by John Gary Sousa and Josh Foster from Sheaumann Laser,Inc., and David Welford from Endeavour Laser Technologies.

This information has been sourced, reviewed and adapted from materials provided by Sheaumann Laser,Inc.

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