藍綠光雷射二極體直接抽運鈦寶石雷射器，使飛秒雷射器成本降低

1. 鈦寶石雷射器的特性

摻鈦藍寶石（Ti3+: Al2O3）晶體由於具有非常寬的發射帶寬（660-1180 nm），可直接從振蕩器中產生小於5 fs的周期量級雷射脈衝，已被廣泛應用於多個研究領域，包括飛秒光學頻率梳、高次諧波和阿秒產生、多光子成像、精密雷射微納加工等。

圖1為鈦寶石晶體的吸收譜和發射譜，其吸收帶位於藍綠光波段，因此可使用氬離子雷射器、倍頻全固態雷射器（DPSSL）、倍頻Yb光纖雷射器、光泵半導體雷射器（OPSL）等進行抽運。

圖1 鈦寶石雷射晶體及其吸收譜和發射譜

早期鈦寶石雷射的抽運源主要是氬離子雷射器，隨著半導體雷射抽運技術的發展，自20世紀末以來，DPSSL便成了主流的抽運源，如倍頻Nd:YVO4雷射器（波長532 nm）。

它擁有非常出色的光束質量和功率穩定性，但缺點是系統複雜，價格昂貴，僅抽運源就佔據了整個鈦寶石雷射器一半以上的成本，造成鈦寶石雷射器的價格居高不下，在一定程度上也影響了其應用的推廣。

2. 藍-綠雷射二極體的研究進展及其特性

隨著高亮度、高功率藍-綠光雷射二極體（LD）的問世，LD直接抽運鈦寶石雷射器成為可能。LD具有結構緊湊、穩定性高、價格低廉的優勢，以LD作為抽運源，不僅可以大大降低鈦寶石雷射器的成本，還可以改善系統的穩定性，有利於系統的集成化。

表1為日本日亞公司的藍-綠雷射二極體的產品列表。目前，日本的日亞公司和德國的夫琅禾費雷射公司均可以提供5 W的多模450-465 nm波段的藍光LD。雖然483-493 nm和510-520 nm 波段的LD更為接近490 nm的鈦寶石吸收峰，但美中不足的是前者較為昂貴而後者功率偏低。

表1 單個藍-綠雷射二極體的輸出功率

為了進一步提高藍-綠光LD的輸出功率，已經有不少公司和科研單位研發出了高功率光纖耦合的藍-綠光LD，例如：夫琅禾費雷射公司（200 W@450 nm）、相干公司（25 W@450 nm）、中科院半導體所（80 W@450 nm，21 W @517 nm）等。通過光纖耦合的方式確實大大地提升了LD的輸出功率，卻是以犧牲光束質量和亮度為代價, 如圖2所示。

圖2 雷射二極體和其輸出光斑（Appl. Opt. 57(9) 2018）

3. 雷射二極體直接抽運的鈦寶石雷射器研究進展

2009年Roth 等人首次使用單個452 nm、1 W的藍光LD直接抽運鈦寶石獲得了19 mW的連續光輸出，驗證了LD直接抽運鈦寶石的可行性（Opt. Lett. 34 (21) 2009）。隨後更多的研究小組投入研究，取得了系列進展：

01

2017年KMLabs公司使用單個4 W、465 nm藍光LD直接抽運4.75 mm長的鈦寶石晶體，獲得了145 mW、13 fs的超短脈衝雷射輸出（Opt. Express 28(11) 2017）。

02

同年瑞士聯邦理工學院博士生K. Gürel使用兩個520 nm綠光LD，均將其超流至輸出1.5 W, 在SESAM的輔助下獲得了450 mW、58 fs的鎖模輸出（Opt. Express 23(23) 2015）。並在該鎖模雷射器上實現了載波包絡相位的鎖定，成為了首臺LD直接抽運的鈦寶石飛秒光學頻率梳（Opt. Lett. 42 (6) 2017）。

03

生活不可能像你想像得那麼好，但也不會像你想像得那麼糟。Rohrbacher 等人也在同一年以兩個3.5 W、450 nm的藍光LD作為抽運源實現了穩定的SESAM被動鎖模，輸出功率高達460 mW，脈衝寬度為82 fs，並利用該雷射器成功實現了生物組織的多光子成像（Opt. Express 25(9) 2017）。超乎自己的想像。

04

為了將LD抽運的鈦寶石雷射器輸出功率進一步拓展，KMLabs公司使用兩個50 W、450 nm光纖耦合的LD模塊去抽運一個鈦寶石再生放大器，獲得了11 W的連續雷射輸出（Opt. Express 25(4) 2017）。

05

2018年，英國斯特拉斯克萊德大學Coyle等人採用兩個450 nm的藍光LD直接抽運鈦寶石實現了382 mW的克爾透鏡鎖模輸出，並且具有120 nm（755-875 nm）的波長調諧能力（Opt. Express 26(6) 2018）。

06

赫瑞瓦特大學研究小組使用雙色抽運結構（465 nm+520 nm）獲得了中心波長在800 nm處66 fs的超短脈衝輸出，並通過控制載波包絡相位頻移實現了價格低廉的光學頻率梳（Opt. Lett. 27(09) 2019）。

07

2020年，中科院半導體所林學春課題組苗張旺博士使用21 W的光纖耦合的綠光LD模塊直接抽運鈦寶石獲得了1.36 W的連續光輸出（IEEE Photonics Technology Letter 32(5) 2020）。

從LD直接抽運鈦寶石獲得的相關結果來看，在某些參數指標上已經可以和傳統DPSSL抽運的鈦寶石雷射器相比擬，同時還大大降低了整個雷射系統的成本。

近年來，西安電子科技大學超快雷射技術與應用研究中心與中科院物理所L07組合作，開展了藍光LD直接抽運鈦寶石雷射的系列研究工作，相繼實現了高功率皮秒鎖模和軟孔克爾透鏡鎖模運轉。

最近，他們採用雙啁啾鏡和熔石英稜鏡對的組合對振蕩器內色散進行精密控制，得到了8.1 fs的超短脈衝輸出，如圖3所示。這是目前國際上首次由LD直接抽運鈦寶石獲得亞10 fs雷射脈衝輸出。

圖3 LD直接抽運的亞10 fs鈦寶石振蕩器

4. 雷射二極體直接抽運的鈦寶石雷射器目前存在的若干問題

單個LD光束的整形、聚焦以及腔內的模式匹配

由於LD發光結構的原因，它的光束質量很差（M2因子大於10甚至更大），所以利用單個LD直接抽運鈦寶石雷射器實現軟孔的克爾透鏡鎖模運轉，需要對LD進行精密的光束整形；其次，良好的模式匹配是獲得高效率輸出的前提，而到目前為止，模式匹配率也僅僅只有50%左右。

藍光LD抽運高摻雜鈦寶石存在顯著的功率損耗

在實驗中發現，當使用445-465 nm波段的LD抽運較高摻雜濃度的晶體時，如圖4所示，會產生一種顯著的pump-introduced loss現象，損耗約佔總輸出功率的7%-15%，該現象歸結於晶體內Ti3+-Ti4+離子對的電荷遷移過程。

圖4藍光抽運引入的損耗現象（Opt. Lett. 34 (21) 2009）

雷射效率的提升以及輸出功率的拓展

目前使用綠光和藍光LD抽運時，連續光的光-光轉化效率最大分別為22%和11%，鎖模輸出的光-光轉化效率分別為15%和6.6%。雷射效率的提升需要對抽運光實現更好的光束整形，改善抽運光和腔內雷射模式的模式匹配率以及更加科學的腔型設計。目前單個藍光LD的輸出功率已經有了較大的提升，因此增加LD的抽運個數可以有效地提高振蕩器的輸出功率。而使用大功率光纖耦合的LD模塊直接抽運鈦寶石也是一種功率擴展的方案，不過它會引入更多的問題。

鈦寶石晶體長度與摻雜濃度的選擇

綠光LD抽運鈦寶石時，晶體的摻雜濃度和長度對輸出雷射的影響較小；而使用藍光LD抽運的時候晶體長度與摻雜濃度的選取成為至關重要的因素。

高功率光纖耦合的LD直接抽運鈦寶石

上面提到了通過使用高功率光纖耦合的藍、綠光LD模塊直接抽運鈦寶石雷射器實現輸出功率的提升，而且也取得了一些不錯的成果。不過他們都存在一個共性的問題，這種高功率光纖耦合的藍、綠光LD亮度都比較低，光束質量較差，導致整個系統雷射閾值偏高以及效率偏低，而且會產生非常嚴重的熱效應。在使用藍光LD抽運時甚至會產生嚴重的螢光壽命下降、螢光強度減弱（圖5）以及更為複雜的無輻射躍遷等問題。有一個有趣的現象，分別使用高功率光纖耦合的450 nm藍光LD模塊和532 nm DPSSL抽運鈦寶石晶體，當晶體溫度降低至188 K（-85℃），前者所產生的螢光強度會更強。

圖5. 高功率光纖耦合的藍光LD抽運鈦寶石時螢光強度減弱的現象（左：室溫；右：93 K）（Opt. Express 25(4) 2017）

小 結

經過十餘年的發展，LD直接抽運的鈦寶石雷射器在輸出功率、脈衝寬度等參數上已經有了不錯的表現，而且其結構緊湊簡單，性能穩定，成本大幅降低，在多光子顯微、光學頻率梳等領域擁有巨大的優勢。而對於LD直接抽運的鈦寶石雷射器要兼顧短脈衝和高功率輸出，還有許多科學和工程問題需要解決。進一步挑戰飛秒鈦寶石雷射器的輸出極限以及擴大其應用範圍，是LD直接抽運鈦寶石雷射器的研究意義和研究動力。

作者：朱江峰

2008年博士畢業於中國科學院物理研究所，2008-2011年在日本北海道大學從事博士後研究工作。2011年起在西安電子科技大學物理與光電工程學院工作，現為光學工程學科博士生導師、教授、雷射技術系主任。主要研究方向為超快超強雷射技術與應用。主持國家自然科學基金、科技部國家重大科學儀器設備開發專項、科技部國家重點研發計劃子任務等科研項目十多項。發表學術論文100餘篇，國內外學術會議邀請報告15次，授權發明專利10件。2015年被評為西安電子科技大學師德標兵。中國雷射雜誌社首屆青年編委，《Chinese Optics Letters》編委，《光學學報》雷射光學欄目編輯，陝西省光學學會常務理事，西安市雷射紅外學會理事。

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