《Optics & Laser Technology》：A 134.9 mJ, high-energy and high-beam-quality one-stage Ho:YLF MOPA system
编辑推荐：
一阶室温Ho:YLF MOPA系统实现134.9 mJ脉冲能量（2063.3 nm，400 Hz），峰值功率3.14 MW（脉宽43.0 ns），光束质量M2=1.07（x）和1.03（y），并研究不同偏振态特性。
Jiahao Dong|Xiangyu Li|Bangzheng Liu|Zhiguo Zhang|Qianqian Hao|Min Qiu|Linjun Li
哈尔滨工程大学物理与光电工程学院，中国哈尔滨 150001
摘要
本文展示了一种室温下工作的一阶Ho:YLF主振荡器功率放大器（MOPA）系统，该系统兼具高能量和高光束质量。在2063.3纳米波长下，该系统产生了总能量为134.9毫焦耳的脉冲，脉冲重复频率（PRF）为400赫兹。放大器的增益为8.0，光光转换效率为23.4%。在最大能量输出时，脉冲宽度为43.0纳秒，对应的峰值功率为3.14兆瓦。该放大器表现出优异的光束质量，x方向和y方向的光束质量参数M2分别为1.07和1.03。此外，我们还研究了在不同偏振状态下的a切割Ho:YLF晶体的激光特性。据我们所知，这是目前报道的100赫兹以上频率下具有最高脉冲能量的一阶Ho:YLF MOPA系统。
引言
2微米波长的激光已被应用于多种领域，如遥感、医疗手术、光谱学、气体检测等[1]、[2]、[3]、[4]。此外，2微米激光也非常适合用于泵浦中波和长波红外光参量振荡器（OPO）[5]、[6]、[7]。目前，掺钬晶体是最常用的产生2微米激光的增益介质之一。其中，Ho:YAG和Ho:YLF应用最为广泛，并且表现出优异的激光性能[8]、[9]。与Ho:YAG相比，Ho:YLF晶体具有显著的优势，其上能级寿命约为14毫秒，发射截面大，热耗散性能优异[10]、[11]。这些优点使得Ho:YLF晶体在2微米高能激光系统中受到了广泛关注[12]。
2007年，Dergachev等人展示了一种Ho:YLF主振荡器功率放大器（MOPA）系统，该系统在500赫兹的脉冲重复频率下产生了55毫焦耳的脉冲能量[13]。为了实现更高的脉冲能量，他们在次年构建了一个基于Ho:YLF晶体的三阶MOPA系统[14]。经过放大后，最高脉冲能量分别达到了170毫焦耳（100赫兹）和140毫焦耳（500赫兹）。值得注意的是，该主振荡器使用了声光（AO）Q开关技术，但在极低脉冲重复频率下，其衍射效率难以达到100%。然而，高能量纳秒振荡器的脉冲重复频率通常较低（1千赫至1赫兹），这意味着电光（EO）调制方法比AO调制方法更适合这类系统。2025年，Liu等人展示了一种1千赫下的280毫焦耳三阶Ho:YLF放大器[15]。该系统展现了出色的激光特性，在保持高平均输出功率的同时实现了高脉冲能量。然而，增加放大级数会增加激光器的体积，这与当前向小型化和集成发展的趋势相悖。因此，能够用更少放大级数实现更高脉冲能量的激光放大器具有重要的研究价值。
2007年，Fonnum等人展示了一种低温冷却的Ho:YLF振荡器，其脉冲能量为160毫焦耳[16]。随后，在2013年，他们开发了一种1赫兹下的550毫焦耳Q开关低温Ho:YLF振荡器[17]。这是迄今为止报道的Ho:YLF激光器中脉冲能量最高的系统。尽管直接实现了超过500毫焦耳的脉冲能量，但该振荡器的频率仅为1赫兹，导致平均输出功率较低，且所需的低温冷却进一步限制了其实际应用。2024年，Wang等人也在室温下报道了一种高能量的一阶Ho:YLF MOPA系统[18]。他们使用了线性偏振的固态Tm:YAP激光器来精确匹配Ho:YLF晶体的偏振吸收特性，通过放置两个Ho:YLF晶体，实现了100赫兹下84.7毫焦耳的脉冲能量，整个一阶MOPA系统的总增益为4.24。
本文展示了一种在室温下工作的高能量、高光束质量的一阶Ho:YLF MOPA系统。对于振荡器，在2063.3纳米波长下，实现了16.76毫焦耳的脉冲能量，脉冲重复频率为400赫兹。据我们所知，这是100赫兹以上频率下具有最高脉冲能量的一阶Ho:YLF MOPA系统。放大器的增益为8.0，在最大能量输出时，脉冲宽度为43.0纳秒，对应的峰值功率为3.14兆瓦。光束质量参数M2在x方向和y方向分别为1.07和1.03。此外，还研究了在不同偏振状态（π偏振或σ偏振）下的a切割Ho:YLF晶体对输出激光特性的影响。
实验装置
实验装置
图1显示了一阶Ho:YLF MOPA系统的实验装置。三个自制的线性偏振Tm:YAP激光器（波长1937纳米）分别标记为Tm1、Tm2和Tm3，用于泵浦。Tm1用于驱动振荡器，而Tm2和Tm3用于放大器。系统中使用了三个a切割的Ho:YLF晶体（切割角度为0.5度，尺寸为4×4×60毫米3），晶体的两端在1900–2200纳米波长范围内进行了抗反射（AR）涂层处理。为了进行热管理，每个Ho:YLF晶体都
Ho:YLF主振荡器的连续波（CW）运行
如图2(a)所示，当谐振腔内未插入QWP和RTP时，振荡器以连续波模式运行，输出功率为15.3瓦，斜效率为36.4%。通过WaveScan Extended IR（APE）光谱仪测量，输出功率为5瓦、10瓦和15瓦时的中心波长分别为2062.9纳米、2063.5纳米和2063.6纳米。图2(a)的插图中显示了15瓦输出功率下的具体光谱信息。此外，如图2(b)所示，
结论
总结来说，我们展示了一种高光束质量的一阶Ho:YLF MOPA系统，其脉冲能量为134.9毫焦耳。在主振荡器部分，2063.3纳米波长下产生了16.76毫焦耳的脉冲能量，脉冲重复频率为400赫兹。对于一阶放大器部分，在134.9毫焦耳的脉冲能量下，记录到了43.0纳秒的脉冲宽度，对应的峰值功率为3.14兆瓦，光束质量参数M2在x方向和y方向分别为1.07和1.03。一阶MOPA系统的增益为8.0。
作者贡献声明
Jiahao Dong：撰写初稿、进行研究、数据整理。Xiangyu Li：进行形式分析。Bangzheng Liu：负责软件开发和数据整理。Zhiguo Zhang：制定研究方法、进行形式分析。Qianqian Hao：制定研究方法、争取资金。Min Qiu：进行形式分析。Linjun Li：撰写论文、进行审稿和编辑工作、争取资金。
资助
新疆维吾尔自治区重点研发计划（2022B01040, 2022B01040-2）；国家自然科学基金（62405363）。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的财务利益或个人关系。
