本文报道了一项关于高功率Tm:YLF（掺铥氟化钇锂）板条激光器的原创实验研究。该研究由哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室的Disheng Wei（魏迪生）、Shuyi Mi（宓淑一）、Ke Yang（杨科）、Junhui Li（李俊辉）、Jinwen Tang（汤金文）、Baquan Yao（姚宝权）、Tongyu Dai（戴通宇）和Xiaoming Duan（段小明）等人完成，其中通讯作者为Baquan Yao。论文于2021年7月6日投稿，2021年8月9日修订，2021年8月19日接收，最终发表在剑桥大学出版社与中国激光出版社合作出版的国际期刊《High Power Laser Science and Engineering》上，卷号为第9卷，文献编号e48，共6页。

从学术背景来看，2 µm波段激光由于位于大气窗口、处于水的强吸收带以及人眼安全区，在医疗激光应用、遥感探测以及作为3–5 µm非线性频率转换的泵浦源等方面具有重要价值。室温下，掺杂三价稀土钬离子的激光晶体具有较长的上能级寿命和较大的发射截面，是高效的2 µm固体激光材料。而掺铥材料因其宽带发射、长上能级寿命以及基于二对一交叉弛豫过程的高量子效率潜力，成为钬激光器的优良泵浦源。其中，Tm:YLF晶体在791 nm附近有强吸收，适合激光二极管泵浦；其在1908 nm处σ偏振方向的发射截面最大，恰好与Ho:YAG的吸收光谱重合。然而Ho:YAG的吸收光谱较窄，且近红外光谱区存在大量水分子吸收线，因此必须限制Tm:YLF激光器的输出线宽。反射式体布拉格光栅（VBG）作为一种基于布拉格条件的窄带滤波元件，可以替代谐振腔镜实现窄线宽输出，但由于VBG对1.9 µm激光存在微小吸收，其温升会导致光栅周期和折射率变化，进而引起波长漂移。在高功率下，这种漂移可能使激光波长落入水吸收线附近，造成器件损伤。因此，对VBG进行有效热管理是该类高功率激光器的关键技术问题。本研究的目的是在200 W级输出功率下，通过主动冷却VBG来抑制波长漂移，同时获得较好的光束质量。

在实验装置方面，该研究采用双晶体串联、每块晶体双端泵浦的结构。四台150 W光纤耦合半导体激光器作为泵浦源，芯径400 µm，数值孔径0.2，最高功率下中心波长为792 nm。每台泵浦激光的辐射通过由焦距分别为13 mm和55 mm的两个球面透镜组成的聚焦系统耦合进入激光晶体，在晶体内形成直径约1.7 mm的泵浦光斑。两片掺杂浓度为2 at.%、尺寸为2 mm × 6 mm × 40 mm的a切Tm:YLF晶体用铟箔包裹并安装在水冷铜块中，水温290 K。谐振腔由四个45°二向色镜M1、一个VBG和一个反射镜M3组成。M1镜的一面镀792 nm增透膜，另一面镀1908–2090 nm高反膜（反射率大于97%）且对792 nm高透。M3为曲率半径200 mm的凹面镜，在1.9 µm处镀高反膜（反射率大于99.7%）。VBG作为输出耦合镜，通光孔径为3 mm × 4 mm，厚度2.4 mm，1907.3 nm处衍射效率约58.4%，光谱选择性小于0.7 nm。物理腔长为230 mm。实验中比较了三种VBG热管理方式：无主动冷却、热电制冷器（TEC）温控以及微通道冷却。

在结果与讨论部分，研究者首先在无主动冷却条件下测量了激光波长和VBG温度随输出功率的变化。当输出功率从7 W增加到160 W时，发射波长从1907.3 nm漂移到1908.8 nm，VBG温度从302 K升高至391 K，波长总漂移为1.5 nm。如果继续提高输出功率，波长可能漂移到1908.97 nm附近的水吸收线，对激光器造成损伤。理论分析基于布拉格条件λb = 2n0Λsinθb，在正入射时对温度求导得到dλb/dT = λb·ρ，其中ρ为热膨胀系数。对PTR玻璃而言，ρ = 8.5 × 10⁻⁶ K⁻¹，热色散系数dn0/dT = 5 × 10⁻⁸ K⁻¹，比热膨胀系数小两个数量级，可忽略。由此得到λb随温度的近似线性关系，计算得到的理论斜率约0.0162 nm·K⁻¹，与实验拟合值0.0147 nm·K⁻¹接近。从302 K到391 K计算出的波长漂移为1.44 nm，与实验值1.50 nm基本一致。该理论模型说明VBG的温升是导致波长漂移的主要原因。

随后，研究者对比了不同散热方式下的激光输出特性。采用微通道冷却、TEC和无主动冷却三种条件下，斜率效率分别为39.7%、38.2%和39.9%，对应的激光阈值分别为54.7 W、51.5 W和57.6 W。无主动冷却时总入射泵浦功率不超过465 W，而主动冷却条件下可达到553 W。在波长方面，微通道冷却效果最为显著：输出功率从30 W增加到202 W时，波长从1907.50 nm漂移到1908.51 nm，总漂移仅1.01 nm。TEC也能抑制波长漂移，但效果不如微通道冷却，从30 W时的1907.54 nm漂移到201 W时的1908.64 nm，漂移量为1.1 nm，此时VBG最高温度为389 K。在光束质量方面，采用10/90刀口法测量不同位置的光斑半径，通过拟合光斑变化曲线得到光束质量因子M²。在160 W无主动冷却时，x方向M²为2.5，y方向M²为4.0；在202 W微通道冷却时，x方向M²为2.3，y方向M²为4.0。结果表明202 W时的光束质量与160 W时相当，说明主动冷却有效缓解了VBG热畸变导致的光束质量退化。二维光束轮廓由Ophir公司的Pyrocam IV光束分析仪在距离输出耦合镜约1500 mm处获得，光斑近似椭圆形。与文献[17,18]中报道的由多个二极管激光bar组成、在晶体内形成0.53 mm × 12 mm或0.45 mm × 12 mm泵浦线的泵浦单元相比，本研究采用150 W光纤耦合半导体激光器和双端泵浦板条结构，泵浦光斑半径约0.85 mm，与振荡光斑尺寸相近，实现了较好的模式匹配，从而显著改善了光束质量。

此外，研究者还分析了高泵浦功率下Tm:YLF晶体中的热透镜效应。由于负的dn/dt和侧面冷却的共同作用，晶体表现为发散透镜。在202 W最高输出功率下，通过反向计算从测量的M²因子推导出等效热焦距约为–238 mm。根据ABCD矩阵理论，该谐振腔满足稳定性判据|(A+D)/2| < 1。在靠近M3的晶体中，TEM00模式振荡光斑半径约为0.92–1.0 mm；靠近VBG的晶体中半径约为0.65–0.7 mm。每个泵浦光以约0.85 mm的半径进入晶体，基本满足高效率运转的模式匹配要求。在后续实验中使用微通道冷却，当总入射泵浦功率为553 W时，获得了202 W的最大连续波输出功率，中心波长为1908.5 nm，由Bristol公司的721A波长计记录，半高全宽线宽为0.57 nm。在室温下自由运行40 min内，功率波动小于最大功率的1%，激光器未受损。

该研究成功实现了以反射式VBG作为输出耦合镜的202 W双端泵浦Tm:YLF板条激光器。通过采用微通道冷却和TEC等主动散热手段，有效抑制了VBG温度升高引起的波长漂移，其中微通道冷却效果尤为突出。在553 W入射泵浦功率下，获得了202 W的1908.5 nm连续波输出，线宽0.57 nm，斜率效率39.7%，光光转换效率36.5%。从30 W到202 W的波长漂移仅为1.0 nm，优于无主动冷却的情况。202 W时水平方向和垂直方向的光束质量因子M²分别为2.3和4.0。该研究的亮点在于：首次报道了以VBG作为输出耦合镜的Tm:YLF板条激光器在200 W级输出功率下的运转；通过对比三种VBG散热方式，定量分析了温度与波长的关系并建立了近似线性理论模型；采用光纤耦合泵浦和双端泵浦结构实现了相对较好的光束质量，与文献中M²高达520的Innoslab激光器相比，本工作的光束质量有了显著提升。该研究为高功率窄线宽2 µm激光器的发展提供了重要的热管理策略和实验参考，对Ho:YAG等钬激光器的泵浦源具有直接的应用价值。