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染料激光器
高效率的小型脉冲有机激光器
材料来源:激光世界           录入时间:2010-10-11 11:26:56

John Wallace

 法国巴黎大学激光物理实验室的科学家们开发出一款名为垂直外腔表面发射有机激光器(VECSOL)的有机光泵浦固体激光器。该激光器能够发出高质量光束,转换效率高达43%,并且可调谐。[1]通过进一步开发,并借助于塑料光纤,VECSOL将有望广泛应用于传感或通信领域。

VECSOL的增益介质是一层有机聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜,其中掺杂了1%重量的若丹明640。利用离心沉积法将几微米厚的PMMA薄膜覆盖到一块平面镜上。该平面镜对于波长为600~660nm之间的光的反射率大于99.5%,与之相距4mm处有一块凹面(曲率半径为200mm)输出耦合镜,它对于波长在600~880nm之间的光的反射率为98%。凹面输出耦合镜与平面镜组成了完整的激光谐振腔。

激光器的泵浦波长为532nm,谐振腔内的两块腔镜对于532nm波长的光来说是透明的。然而,厚度为17µm的PMMA薄膜对于泵浦光的单程吸收率可达80%。泵浦VECSOL的光束由倍频Nd:YAG激光束发出。该激光束可以是持续时间为7ns的“长脉冲”,也可以是0.5ns的“短脉冲”,两者都具有10Hz的重复频率和140μm的泵浦光束直径(如图)。

可调谐性

对于长脉冲泵浦,这种VECSOL的输出激光阈值为1.8μJ,最大输出能量为6μJ(峰值功率为870W),光光转换效率为43%(量子效率为63%)。输出光束是与泵浦光束偏振方向相同的线偏振光,并且是衍射受限的(光束质量M2值为1.0)。光束的中心波长约为655nm,但是在640~670nm之间包含多个波长峰,峰-峰间隔为7.5μm,是由PMMA薄膜的厚度所形成的法布里-珀罗标准具的自由光谱范围。由于采用了离心沉积工艺,平面镜的PMMA薄膜的厚度可变,从而可以通过横向平移平面镜在20nm波长范围内对激光器进行调谐。

图:利用532nm激光泵浦具有平凹谐振腔的VECSOL,后者以43%的转换效率输出波长约为650nm的激光。

研究人员还测试了厚度为10μm、5.6μm和2.35μm的PMMA薄膜。他们发现针对不同的薄膜厚度,波长峰之间的间隔也不同,这与预期相一致。最薄的薄膜对应的峰-峰间隔非常大,以至于此时激光器只能形成一个峰(由于最薄的薄膜层的厚度均匀,因此单个峰是不可调谐的)。

短脉冲泵浦的输出激光阈值为0.95μJ,最大输出能量为0.7μJ(峰值功率为2kW),转换效率为6.3%。

研究人员注意到,对于长脉冲泵浦,VECSOL的腔长可以增加到60mm,而对于短脉冲泵浦,也可以增加到10mm,这让他们可以插入腔内光学元件进行实验。

“这种激光器对于那些需要成本低廉、结构紧凑并且易于操作的可见光波段可调谐光源的应用来说很有吸引力。”研究员Sebastien Chénais说,“这种VECSOL与分布反馈式有机激光器或有机微腔激光器之间的关键不同在于,它具有完美的衍射极限光束质量,并且可以达到非常高的转换效率。聚合物光纤在650nm波长处具有最大透射率,而这恰好是VECSOL输出光的波长范围,因此很容易将光束耦合到聚合物光纤中。这一点同样适用于短距离数据通信。另一个潜在的应用领域是有机分子光谱学,包括生物系统或者化学传感。因此,在那些需要中等能量的脉冲激光的应用领域,它可能会取代昂贵笨重的光参量振荡器或液体染料激光器。”

Chénais相信,如果再对VECSOL做一些改进(例如,增加控制良好的波长调谐能力),它将在工业领域引起关注。他指出,目前整套系统的成本几乎就是泵浦激光器的成本;如果采用像激光二极管这类更加廉价的泵浦源,该激光器将更具成本效益。

易于重新涂层

“我们最终的目标是用有机半导体作为增益介质实现电泵浦,但是目前这个设想仍然是一个巨大的挑战,并且在短期内还无法实现。”Chénais说,“与使用大体积染料掺杂块状聚合物的固体染料激光器相比(或者与其他需要为激活介质制模的更为复杂的结构相比),这种激光器大大降低了由于有机染料自身固有的低光稳定性所带来的局限性,因为清洗腔镜并涂覆一层全新的活性涂层仅仅需要几分钟的时间。”

参考文献:

  1. H. Rabbani-Haghhighi et al., Opt. Lett. 35, 12, p. 1968 (2010).

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