近红外短波区域二极管泵浦宽带可调谐掺镨全固态脉冲激光器

《Optics & Laser Technology》：Diode-pumped broadband tunable praseodymium-doped all-solid-state pulsed laser in the near-infrared short-wavelength region

　　

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  实现了一台在895纳米处运行的千瓦级峰值功率Pr:YLF Q开关脉冲激光器。
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  展示了一台宽带可调Pr:YLF脉冲激光器，调谐范围为867至924纳米，连续调谐带宽为33纳米。
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  本工作拓展了近红外光谱区域镨掺杂脉冲激光器的可用波长范围。

引言

多波长、高峰值功率、大脉冲能量和短脉冲宽度的近红外脉冲激光器由于在诸多领域的广泛应用，近年来成为突出的研究焦点。例如，在高精度光谱学中，激光诱导击穿光谱可以通过将一个或多个近红外超短脉冲激光聚焦在样本的小面积上，从而引发样本蒸发或激发形成瞬态等离子体，实现快速元素检测[1]。在工业加工中，大多数锈蚀层和氧化层对近红外激光表现出强吸收特性，这可以高效地将脉冲激光能量转化为热能或等离子体效应，从而促进表面污染物的去除或气化。因此，近红外脉冲激光可以有效用于清理材料表面[2]。在生物医学领域，近红外脉冲激光由于其对皮肤和组织的强穿透能力、穿透过程中的低衰减以及对生物组织的低损伤而受到广泛关注。例如，研究表明808纳米脉冲激光可以增加细胞内腺苷三磷酸和氧化亚氮的含量，从而促进神经修复、改善脑部血液循环并减少大脑海马体中凋亡细胞的数量[3]、[4]、[5]。980纳米脉冲激光可以作为光刺激源使用。它可以有效刺激生物耳蜗神经，这可能有助于未来光耳蜗植入物的开发[6]。基于光红外脉冲生物调制，904纳米近红外脉冲激光有望用于治疗与神经疾病相关的年龄相关性黄斑变性[7]、[8]。因此，开发用于激光加工、生物医学和光谱分析等前沿技术的高性能近红外脉冲激光源很有趣。近年来，镨掺杂全固态激光器得到了广泛的研究和发展[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]。镨掺杂晶体，特别是Pr:YLF晶体，在可见光区域表现出丰富的发射截面。此外，发射截面延伸至约900纳米的近红外短波长区域，这使得在镨掺杂晶体中实现近红外脉冲激光器成为可能。目前，对镨掺杂全固态Q开关脉冲激光器的研究主要集中在可见光区域，并且在绿光、橙光、红光和深红光区域已经实现了Q开关脉冲激光器[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]。然而，关于镨掺杂近红外Q开关脉冲激光器的报道很少。镨掺杂近红外Q开关脉冲激光器的研究进展相对缓慢可能归因于发射截面相对较弱。因此，基于镨掺杂晶体实现高性能近红外脉冲激光器仍然具有挑战性。在本工作中，我们实现了镨玻璃晶体中LD泵浦的千瓦级峰值功率895纳米脉冲激光器和宽带可调脉冲激光器。这展示了Pr:YLF晶体实现高性能近红外脉冲激光器的能力，并弥补了之前关于镨掺杂Q开关脉冲激光器的研究主要集中在可见光区域的局限性。

895纳米脉冲激光器的最大平均功率在50千赫兹重复频率下为417毫瓦。当脉冲重复频率为1千赫兹时，最窄脉冲宽度和单脉冲能量分别为132纳秒和0.15毫焦，对应的脉冲峰值功率为1193瓦。895纳米脉冲激光器的光束质量因子M2在x和y方向分别为2.37和2.11，表明x和y方向具有良好对称性。此外，成功实现了波长覆盖867至924纳米的宽带可调Pr:YLF脉冲激光器。这一进展拓展了Pr:YLF Q开关近红外脉冲激光器的可用波长范围，并使在镨掺杂晶体中实现无需频率转换即可从可见光到近红外的超宽带可调脉冲激光成为可能。可调Pr:YLF近红外脉冲激光器的成功实现可以在生物医学、激光表面清洁和高精度光谱学等领域提供光支持。

章节摘要

实验装置

可调Pr:YLF近红外脉冲激光器的原理图如图1(a)所示。泵浦源是一台商用连续波InGaN蓝激光二极管，中心波长约为444纳米，最大功率为24瓦（Lasever公司）。M1是一面在蓝区域具有高反射率的平面镜，用于改变泵浦光束的方向。两片焦距分别为35毫米和75毫米的聚焦透镜（F1和F2）组成透镜对，对泵浦光束进行整形以实现良好的模式匹配。

结果与讨论

将一片莱奥滤光片插入谐振腔，在布儒斯特角处，通过旋转莱奥滤光片的调谐角度从0°到180°实现波长调谐。可以使用琼斯矩阵理论计算莱奥滤光片对不同波长的透射率[31]、[32]。莱奥滤光片的波长选择性受厚度和旋转角（调谐角）限制。当调谐角为51°、53°和55°时，厚度为2毫米的莱奥滤光片从800

结论

总之，我们通过结合激光Q开关技术和调谐技术，报告了一台在895纳米处工作的高峰值功率脉冲激光器和一台宽带可调Pr:YLF近红外脉冲激光器。895纳米脉冲激光器的最大平均功率为417毫瓦。最窄脉冲宽度和最高峰值功率分别为132纳秒和1193瓦，对应的单脉冲能量为0.15毫焦。在x和y方向测得的光束质量因子M2分别为2.37和2.11。通过旋转调谐角

CRediT作者贡献声明

Zhuang Li: 写作—审阅与编辑，写作—初稿，可视化，验证，资源，方法学，调查，形式分析，数据整理，概念化。 Huimin Chen: 验证，软件，方法学，数据整理。 Yuyang Wu: 验证，形式分析，数据整理。 Huiying Xu: 验证，资源，项目管理。 Yucheng Chen: 监督，资源，项目管理，资金获取。 Zhiping Cai: 写作—审阅与编辑，验证，

基金资助

国家自然科学基金（项目编号：61975168）。中国留学基金管理委员会项目（项目编号：202406310108）。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报道的工作。

Zhuang Li|Huimin Chen|Yuyang Wu|Huiying Xu|Yucheng Chen|Zhiping Cai