蓝绿光激光二极管直接抽运钛宝石激光器，使飞秒激光器成本降低

1. 钛宝石激光器的特性

掺钛蓝宝石（Ti3+: Al2O3）晶体由于具有非常宽的发射带宽（660-1180 nm），可直接从振荡器中产生小于5 fs的周期量级激光脉冲，已被广泛应用于多个研究领域，包括飞秒光学频率梳、高次谐波和阿秒产生、多光子成像、精密激光微纳加工等。

图1为钛宝石晶体的吸收谱和发射谱，其吸收带位于蓝绿光波段，因此可使用氩离子激光器、倍频全固态激光器（DPSSL）、倍频Yb光纤激光器、光泵半导体激光器（OPSL）等进行抽运。

图1 钛宝石激光晶体及其吸收谱和发射谱

早期钛宝石激光的抽运源主要是氩离子激光器，随着半导体激光抽运技术的发展，自20世纪末以来，DPSSL便成了主流的抽运源，如倍频Nd:YVO4激光器（波长532 nm）。

它拥有非常出色的光束质量和功率稳定性，但缺点是系统复杂，价格昂贵，仅抽运源就占据了整个钛宝石激光器一半以上的成本，造成钛宝石激光器的价格居高不下，在一定程度上也影响了其应用的推广。

2. 蓝-绿激光二极管的研究进展及其特性

随着高亮度、高功率蓝-绿光激光二极管（LD）的问世，LD直接抽运钛宝石激光器成为可能。LD具有结构紧凑、稳定性高、价格低廉的优势，以LD作为抽运源，不仅可以大大降低钛宝石激光器的成本，还可以改善系统的稳定性，有利于系统的集成化。

表1为日本日亚公司的蓝-绿激光二极管的产品列表。目前，日本的日亚公司和德国的夫琅禾费激光公司均可以提供5 W的多模450-465 nm波段的蓝光LD。虽然483-493 nm和510-520 nm 波段的LD更为接近490 nm的钛宝石吸收峰，但美中不足的是前者较为昂贵而后者功率偏低。

表1 单个蓝-绿激光二极管的输出功率

为了进一步提高蓝-绿光LD的输出功率，已经有不少公司和科研单位研发出了高功率光纤耦合的蓝-绿光LD，例如：夫琅禾费激光公司（200 W@450 nm）、相干公司（25 W@450 nm）、中科院半导体所（80 W@450 nm，21 W @517 nm）等。通过光纤耦合的方式确实大大地提升了LD的输出功率，却是以牺牲光束质量和亮度为代价, 如图2所示。

图2 激光二极管和其输出光斑（Appl. Opt. 57(9) 2018）

3. 激光二极管直接抽运的钛宝石激光器研究进展

2009年Roth 等人首次使用单个452 nm、1 W的蓝光LD直接抽运钛宝石获得了19 mW的连续光输出，验证了LD直接抽运钛宝石的可行性（Opt. Lett. 34 (21) 2009）。随后更多的研究小组投入研究，取得了系列进展：

01

2017年KMLabs公司使用单个4 W、465 nm蓝光LD直接抽运4.75 mm长的钛宝石晶体，获得了145 mW、13 fs的超短脉冲激光输出（Opt. Express 28(11) 2017）。

02

同年瑞士联邦理工学院博士生K. Gürel使用两个520 nm绿光LD，均将其超流至输出1.5 W, 在SESAM的辅助下获得了450 mW、58 fs的锁模输出（Opt. Express 23(23) 2015）。并在该锁模激光器上实现了载波包络相位的锁定，成为了首台LD直接抽运的钛宝石飞秒光学频率梳（Opt. Lett. 42 (6) 2017）。

03

生活不可能像你想象得那么好，但也不会像你想象得那么糟。Rohrbacher 等人也在同一年以两个3.5 W、450 nm的蓝光LD作为抽运源实现了稳定的SESAM被动锁模，输出功率高达460 mW，脉冲宽度为82 fs，并利用该激光器成功实现了生物组织的多光子成像（Opt. Express 25(9) 2017）。超乎自己的想象。

04

为了将LD抽运的钛宝石激光器输出功率进一步拓展，KMLabs公司使用两个50 W、450 nm光纤耦合的LD模块去抽运一个钛宝石再生放大器，获得了11 W的连续激光输出（Opt. Express 25(4) 2017）。

05

2018年，英国斯特拉斯克莱德大学Coyle等人采用两个450 nm的蓝光LD直接抽运钛宝石实现了382 mW的克尔透镜锁模输出，并且具有120 nm（755-875 nm）的波长调谐能力（Opt. Express 26(6) 2018）。

06

赫瑞瓦特大学研究小组使用双色抽运结构（465 nm+520 nm）获得了中心波长在800 nm处66 fs的超短脉冲输出，并通过控制载波包络相位频移实现了价格低廉的光学频率梳（Opt. Lett. 27(09) 2019）。

07

2020年，中科院半导体所林学春课题组苗张旺博士使用21 W的光纤耦合的绿光LD模块直接抽运钛宝石获得了1.36 W的连续光输出（IEEE Photonics Technology Letter 32(5) 2020）。

从LD直接抽运钛宝石获得的相关结果来看，在某些参数指标上已经可以和传统DPSSL抽运的钛宝石激光器相比拟，同时还大大降低了整个激光系统的成本。

近年来，西安电子科技大学超快激光技术与应用研究中心与中科院物理所L07组合作，开展了蓝光LD直接抽运钛宝石激光的系列研究工作，相继实现了高功率皮秒锁模和软孔克尔透镜锁模运转。

最近，他们采用双啁啾镜和熔石英棱镜对的组合对振荡器内色散进行精密控制，得到了8.1 fs的超短脉冲输出，如图3所示。这是目前国际上首次由LD直接抽运钛宝石获得亚10 fs激光脉冲输出。

图3 LD直接抽运的亚10 fs钛宝石振荡器

4. 激光二极管直接抽运的钛宝石激光器目前存在的若干问题

单个LD光束的整形、聚焦以及腔内的模式匹配

由于LD发光结构的原因，它的光束质量很差（M2因子大于10甚至更大），所以利用单个LD直接抽运钛宝石激光器实现软孔的克尔透镜锁模运转，需要对LD进行精密的光束整形；其次，良好的模式匹配是获得高效率输出的前提，而到目前为止，模式匹配率也仅仅只有50%左右。

蓝光LD抽运高掺杂钛宝石存在显著的功率损耗

在实验中发现，当使用445-465 nm波段的LD抽运较高掺杂浓度的晶体时，如图4所示，会产生一种显著的pump-introduced loss现象，损耗约占总输出功率的7%-15%，该现象归结于晶体内Ti3+-Ti4+离子对的电荷迁移过程。

图4蓝光抽运引入的损耗现象（Opt. Lett. 34 (21) 2009）

激光效率的提升以及输出功率的拓展

目前使用绿光和蓝光LD抽运时，连续光的光-光转化效率最大分别为22%和11%，锁模输出的光-光转化效率分别为15%和6.6%。激光效率的提升需要对抽运光实现更好的光束整形，改善抽运光和腔内激光模式的模式匹配率以及更加科学的腔型设计。目前单个蓝光LD的输出功率已经有了较大的提升，因此增加LD的抽运个数可以有效地提高振荡器的输出功率。而使用大功率光纤耦合的LD模块直接抽运钛宝石也是一种功率扩展的方案，不过它会引入更多的问题。

钛宝石晶体长度与掺杂浓度的选择

绿光LD抽运钛宝石时，晶体的掺杂浓度和长度对输出激光的影响较小；而使用蓝光LD抽运的时候晶体长度与掺杂浓度的选取成为至关重要的因素。

高功率光纤耦合的LD直接抽运钛宝石

上面提到了通过使用高功率光纤耦合的蓝、绿光LD模块直接抽运钛宝石激光器实现输出功率的提升，而且也取得了一些不错的成果。不过他们都存在一个共性的问题，这种高功率光纤耦合的蓝、绿光LD亮度都比较低，光束质量较差，导致整个系统激光阈值偏高以及效率偏低，而且会产生非常严重的热效应。在使用蓝光LD抽运时甚至会产生严重的荧光寿命下降、荧光强度减弱（图5）以及更为复杂的无辐射跃迁等问题。有一个有趣的现象，分别使用高功率光纤耦合的450 nm蓝光LD模块和532 nm DPSSL抽运钛宝石晶体，当晶体温度降低至188 K（-85℃），前者所产生的荧光强度会更强。

图5. 高功率光纤耦合的蓝光LD抽运钛宝石时荧光强度减弱的现象（左：室温；右：93 K）（Opt. Express 25(4) 2017）

小 结

经过十余年的发展，LD直接抽运的钛宝石激光器在输出功率、脉冲宽度等参数上已经有了不错的表现，而且其结构紧凑简单，性能稳定，成本大幅降低，在多光子显微、光学频率梳等领域拥有巨大的优势。而对于LD直接抽运的钛宝石激光器要兼顾短脉冲和高功率输出，还有许多科学和工程问题需要解决。进一步挑战飞秒钛宝石激光器的输出极限以及扩大其应用范围，是LD直接抽运钛宝石激光器的研究意义和研究动力。

☆ END ☆