紧凑型二极管激光泵浦ER的高效准CW TEM00模式运行：YAG激光

高效1.5 W CW和9 MJ Quasi-CW TEM00模式操作紧凑型二极管激光泵2.94μmER：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。

由于激光的能量水平动态，高亮度泵浦源至关重要。图1是能级图，表明较低激光水平的6.4 ms寿命（^4.一世_13/2)明显长于上激光电平的0.1 ms寿命(^4.一世_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⁺离子提供大于单位量子效率并克服瓶颈^4.一世_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。

高尔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^4.一世_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^4.一世_9/2能量水平（柱（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^4.一世_11/2能量水平（柱（b），图1）以及来自的交叉放松^4.S._3/2还发现能量水平（柱（C），图1）对2.94μmER：YAG激光动力学产生显着影响。^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1.0W CW2.94μmER：YAG激光器（特别是Sheaumann的MiR-PAC激光）的性能，以及其准CW特性。当使用作为OPO泵浦源时，该器件的当前化成具有很大的应用，适用于软组织微外科应用以及其他应用领域，如光谱。

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。

CW激光性能

在CW操作模式下工作时，MiR-PAC激光已在M中以最大为1.0W的输出功率（图2）指定的操作²< 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。

目前正在进行工作，探索使用短的激光谐振器以独立控制模式尺寸和谐振器稳定性。理想情况下，这将促进更高输出功率的高效操作。

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。

通过上升时间<10μs的矩形电流脉冲驱动二极管激光器将导致相应的光学泵脉冲有效地产生超过激光阈值的群体反演。可以产生具有<0.1ms至大部分的持续时间的标称矩形激光脉冲。这被称为准CW操作，由于脉冲持续时间足够长，用于激光输出以获得稳态。

在这种特定的操作模式中，激光可以在峰值功率下操作，按比例地高于平均激光功率操作限制，这是准CW激光脉冲训练的占空比逆的因素。该技术的电流实现受二极管泵激光器的最大峰值功率约为10W的限制。然而，下一代设备的引入将看到这种增加。

Meister等。^5.成功地证明了从准CW二极管激光泵浦ER的2.5 ms脉冲中产生的15.7 MJ：YSGG激光器，该激光器被设计用于软组织显微外科应用。这与Sheaumann的6 MJ相比，在2.5毫秒的数据中比较，如下所示。

Meister等。还提供了对能够产生30MJ能量的其他准CW二极管激光泵浦的3微米ER激光器的彻底审查，但是这些不能优化了在较低脉冲能量下的有效操作的优化。此外，由于它们利用二极管激光器块的堆叠阵列，这些激光器并不具有成本效益。

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CW激光输出（下迹线）和驱动电流波形（上部迹线），用于0.5 ms持续时间，10个电流脉冲以1000Hz重复率。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。

从泵浦脉冲开始到激光阈值，可以测量到一个6 μ s的建立时间延迟。当峰值泵浦功率较高时，这种累积时间延迟将变得更短，而对于毫秒持续时间脉冲的产生，它几乎是微不足道的。然而，当产生亚毫秒脉冲时，100µs向稳定准连续波的转变更为显著。

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：

这里，上部激光电平（τ）的特征寿命通过阈值与增益介质的泵浦区域中的有源离子位点的总数的阈值的阈值与阈值的比率进行修改。N_TH.N_T.，并且光学泵送速率看到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。

用于激光的准CW操作的最理想的脉冲驱动电流由连续偏置电流设定为连续激光阈值（通常为2a）的80％至90％，以及较大的脉冲驱动电流。

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cW激光输出（下迹线）和驱动电流波形（上迹线），显示在图6中所示的激光脉冲末端的弛豫振荡衰减。图像信用：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中所示的数据示出了在准CW操作中的产生高达2.5W的峰值功率，在最大驱动电流限制下操作以产生脉冲重复率的毫秒脉冲。这里，在1.8W峰值功率下产生5 ms脉冲的最大脉冲能量。平均功率限制仅以50％的占空比实现，脉冲峰值高达2 W.相应的脉冲能量为1 kHz。

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。

当在低占空比下工作并在激光脉冲之间的延长间隔时，瞬态热镜头导致不需要的空间模式调制。操作ER：YAG激光器接近其阈值，但不激光，激光脉冲之间可以帮助避免通过引入在激光条件下经历的热透镜的大部分大部分来避免该问题。

这个问题如图10所示，脉冲上升沿经过一系列张弛振荡事件，这些事件表明了多个空间模式的演化。图11显示了这个问题的消除。

图10。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。10驱动电流脉冲。图片信用：Sheaumann Laser，Inc。

图11。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。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。

该数据从一个ER：YAG激光器中取出，在气密密封的窗口包装中（图12）。Sheaumann还在最近测试了具有0.22纳Zblan（Irphotonics）纤维的激光封装的纤维耦合版本。这些纤维在芯直径范围为150μm至450μm。

图12。直接光束输出。图片信用：Sheaumann Laser，Inc。

1.1W的纤维耦合输出功率为1.3W的电力入射，在每个芯尺寸的1.5米长纤维的输入面上。在输出光纤面菲涅耳丢失后，估计电力耦合效率为> 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在气密密封窗口包装中的输出梁。这具有光纤耦合输出光束传递选项，提供1.1W的150μm至450μm芯直径以及0.22纳Zblan（Irphotonics）光纤。这种新的激光器已成功地在Quasi-CW模式下运行，以100Hz重复速率在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。亚博网站下载

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

1. Chen，D.，Fincher，C.L.，Todd，S.R.，Vernon，F.L.和领域，R.A.，“二极管泵浦的1-W连续波ER：YAG 3-μm激光”选择。Lett。，24,385（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亚博网站下载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。

这些信息已采购，从Sheaumann Laser，Inc。提供的材料进行审核和调整亚博网站下载

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