在过去的几十年里，激光技术经历了迅速的发展，并已成为现代科技不可或缺的一部分。特别是2 μm固体激光器，由于其独特的波长范围，能够在许多领域中发挥重要作用。2 μm波段激光具备良好的大气透过性和对生物组织的高吸收率，使其在激光通信、遥感探测、医疗手术及材料加工等多个应用领域中展示出其独特的优势 [1] [2] [3] 。脉冲激光器通常采用主动调Q和被动调Q两种技术。其中被动调Q技术是通过插入可饱和吸收体的非线性吸收特性来改变谐振腔中的Q值。它具有结构简单、体积小的优点 [4] 。在被动调Q激光器中，选用合适的可饱和吸收体是实现高效激光输出的关键因素。与其他可饱和吸收体相比较，Cr²⁺:ZnS晶体具有较高的损伤阈值、较低的热光系数和较高的热导率，所以能承受高能量密度，并展现出较小的温度梯度和较弱的热透镜效应 [5] [6] 。

在实现2 μm波长激光输出的领域中，目前主要有三种技术途径被广泛探索和研究，分别为光学参量振荡器 [7] ，Tm-Ho共掺激光器 [8] 和单掺Ho³⁺激光器 [9] 。光学参量振荡器一般面临着结构复杂、光束质量较差、激光线宽宽泛及光光转换效率偏低等挑战，Tm-Ho共掺激光器中Tm³⁺和Ho³⁺之间的能量传递过程会限制高功率激光的输出，且对环境温度有较高的要求，不容易产生高功率输出。单掺Ho³⁺激光器通常使用掺Tm³⁺的固体或光纤激光器作为泵浦源，其发射波长与掺Ho³⁺晶体的吸收峰相匹配，使获得中心波长位于2 μm附近的激光成为可能。这种谐振泵浦技术在工作温度和环境要求方面具有较低的敏感性，量子损耗也显著降低。相比直接泵浦Tm³⁺和Ho³⁺共掺晶体的技术，它在减少晶体热积累、避免敏化离子吸收损耗和减小上转换损耗方面展现了明显的优势。因此，单掺Ho³⁺激光器无论在室温还是低温条件下，实现高效率、高功率、高光束质量和高稳定性的2 μm激光器相对容易 [10] [11] [12] 。2015年，崔铮等人报道了通过用Tm:YAP激光器谐振泵浦的方法，成功实现了采用Cr²⁺:ZnS作为可饱和吸收体的Ho:YLF被动调Q激光器。在27.1 W的注入泵浦功率下，当可饱和吸收体与输出镜距离为105 mm时，获得了最短的脉冲持续时间33.3 ns；而在距离为5 mm时，实现了最高的平均输出功率6.8 W [13] 。2016年，杨超等人报道了一种自制的1940 nm全光纤激光器，以此作为泵浦源谐振泵浦Ho:YLF激光器。在连续激光模式下，Ho:YLF激光器实现了最高7.79 W的连续波激光输出，相应斜率效率为55.2%。通过加入Cr²⁺:ZnS作为饱和吸收体，获得了最高6.03 W的平均输出功率和45.9%的斜率效率 [14] 。

在本文中我们以自建的Tm:YAP激光器作为泵浦源，研究了连续波和被动调Q脉冲Ho:YLF激光器的输出特性。在Ho:YLF连续波激光器中，获得中心波长为2065.26 nm、最大输出功率为3.68 W的连续激光输出，其斜率效率为75.83%。在Ho:YLF被动调Q激光器中，获得中心波长为2053 nm、最大平均输出功率为1.76 W的脉冲激光输出，其斜率效率为43.50%。

为了实现谐振泵浦Ho:YLF激光器，首先搭建了1940 nm Tm:YAP高功率激光器作为Ho:YLF激光器的泵浦源，其实验装置如 图1 所示。选取光纤耦合的LD用作实验中的泵浦源，芯径Dc为400 μm，数值孔径NA为0.22，最大输出功率为50 W，激光器的中心波长为792 nm。整体采用了“Z”型双凹腔结构，其中M₁为曲率半径是518 mm，对振荡光全反的曲面镜，M₂和M₃为两片45˚二色镜，都对泵浦光高透(T > 99.5%)，对振荡光高反(R > 99.5%)，M₄为曲率半径是200 mm，且对振荡光的透过率为20%的输出镜。首先通过40 mm的准直透镜(F₁)和100 mm的会聚透镜(F₂)，将半径为200 μm的泵浦光斑扩束到半径为500 μm，再通过45˚二色镜将泵浦光注入到Tm:YAP晶体内部。本实验中，Tm:YAP晶体为a轴切割，掺杂浓度为3 at.%，尺寸规格为3 3 20 mm³的块状晶体，为了解决Tm:YAP晶体强热透镜效应导致的谐振腔稳定性不好的问题，本实验特定采用了双凹腔的结构。

Ho:YLF激光器的实验装置图如 图2 所示，其中使用的Ho:YLF晶体尺寸为4 4 40 mm³，掺杂浓度0.5 at.%，晶体两端面均镀有对1.94 μm以及2 μm的增透膜(T > 99.5%)。该实验选用了L型谐振腔，使用这个腔型的原因为在做被动调Q实验时，防止泵浦光对2 μm激光的脉冲调制产生影响，通过f = 150 mm的会聚透镜M₈对Tm:TAP固体激光器产生的激光进行聚焦，当会聚透镜M₈距离Tm:TAP固体激光器的输出镜270 mm时，聚焦到Ho:YLF晶体内的光斑大小为~ 220 μm，并使泵浦光斑的束腰位置距离Ho:YLF晶体前端面10 mm。M₅为平镜，它对1.9 μm泵浦光高透，对2 μm振荡光高反，使得泵浦光只有一次通过Ho:YLF晶体(单程泵浦)，45˚二色镜M₆对1.94 μm泵浦光高透、对2 μm振荡光高反，平凹镜M₇为激光器输出镜，曲率半径为300 mm，对振荡光的透过率为20%。谐振腔腔长为160 mm，在M₆和M₇中插入可饱和吸收体Cr²⁺:ZnS晶体，其中Cr²⁺:ZnS晶体的尺寸为4 10 2.5mm³，对2 μm激光的小信号透过率为83%。另外d表示可饱和吸收体距离M₇的距离。

首先，以Tm:YAP晶体作为激光增益介质，采用Z型腔结构，在注入泵浦功率为80 W时，实现了最大输出功率为19.16 W，中心波长在1940 nm的激光输出，其斜率效率和光光转换效率分别达到了31.77%和23.86%，在最大输出功率下，功率稳定性为0.32%，且在2 W至19 W的输出功率范围内，光束质量因子从1.12增加至2.47。以Tm:YAP激光器对L型腔结构的Ho:YLF激光器进行谐振泵浦，在吸收泵浦功率为6.02 W时，实现了最大输出功率为3.68 W，中心波长为2065.26 nm的激光输出，其斜率效率和光光转换效率分别达到了75.83%和61.10%，在最大输出功率下，功率稳定性为0.5%，输出激光水平方向和竖直方向光束质量因子分别为 $M_x^2$= 1.10， $M_y^2$= 1.12。最后，将插入可饱和吸收体放置在距离输出镜60 mm时，在吸收泵浦功率为5.26 W时，获得最大平均输出功率1.76 W，中心波长为2053 nm的脉冲激光输出，相应的斜率效率和光光转换效率分别为43.50%和33.52%。此时脉冲宽度为46.55 ns，脉冲重频为2.56 kHz，单脉冲能量为686.7 μJ，峰值功率为14.75 kW，功率稳定性为0.34%，输出激光水平方向和竖直方向光束质量分别为 $M_x^2$= 1.26， $M_y^2$= 1.30，由此可知，当可饱和吸收体上的振荡光班越小时，脉冲激光的输出特性越好。

^*通讯作者。