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端面抽运Nd:YAP/YVO4被动调Q 1.2 µm拉曼激光  PDF

  • 张　立 1,2
  • 朱海永 1
  • 孙瑛璐 2
  • 段延敏 2
  • 齐子钦 1
  • 阮秀凯 1
  • 程梦瑶 2
1. 温州大学 电气与电子工程学院，浙江 温州　325035； 2. 温州大学 数理学院，浙江 温州　325035

中图分类号： TN248.1

最近更新：2020-12-29

DOI：10.11972/j.issn.1001-9014.2020.06.017

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EN 引
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摘要

报道了半导体激光端面抽运Nd：YAP晶体产生的1080 nm基频光驱动纯YVO4晶体的被动调Q拉曼激光特性。利用初始透过率85%的Cr4+：YAG/YAG复合晶体作为可饱和吸收体，以a切YVO4晶体的890 cm-1拉曼频移为研究对象，研究了一阶斯托克斯光的输出功率和脉冲特性。在抽运功率为9.87 W时，获得了平均输出功率0.76 W的1195 nm一阶斯托克斯光，转化效率为7.7%。脉冲重复频率从阈值附近约3.7 kHz持续增加至33.5 kHz。最高抽运功率下，脉冲宽度为1.5 ns，对应最大单脉冲能量为22.8 µJ，最高峰值功率为15.2 kW。

引言

受激拉曼散射（SRS）是一种产生新型激光波长的高效非线性频率变换技术。随着近些年固体激光技术的迅速发展，很多材料被发现可作为固体拉曼增益介质。其中钒酸盐晶体VO43-离子基团的A1g振动模对应较窄的拉曼谱宽和较强的拉曼增益受到广泛关注。YVO4晶体作为最具有代表性的钒酸盐晶体之一，具备较成熟的生长技术而被广泛运用于固体拉曼变频领域。2001年，Kaminskii等人首先发现了YVO4晶体是一种优秀的拉曼晶体，并对其拉曼光谱分析表明其在1μm波长激光激发时对应的最强拉曼频移为890 cm-1，拉曼增益系数大于4.5 cm/GM［

1］。钕离子掺杂的Nd：YVO4因同时具有较大的受激吸收和受激发射截面，所以也是优秀的自拉曼晶体［2-4］。2004年中国台湾国立交通大学Chen等人首次报道了由半导体激光（LD）端面抽运的被动调Q Nd：YVO4自拉曼激光输出［5］。基于c切Nd：YVO4的自拉曼获得了波长为1178.6 nm的一阶斯托克斯光输出，对应的最大平均输出功率为125 mW，从抽运光到拉曼光的转换效率为6.3%。近些年，基于Nd：YVO4晶体的自拉曼激光已有较多报道［6-9］。自拉曼结构可以使激光系统更加紧凑高效，但其调整灵活度较差，拉曼输出波长比较固定。此外，自拉曼激光系统中，增益介质叠加了激光产生和拉曼过程的热沉积，有更严重的热效应。相比较而言，将激光晶体和拉曼晶体分开的分离结构拉曼激光系统可以对腔内激光和拉曼光进行针对性优化［10-12］。还可有效避免自拉曼激光系统在高功率抽运时自拉曼晶体上严重的热效应，提高了激光系统稳定性。此外，通过激光晶体和拉曼晶体的灵活组合可丰富激光器的拉曼输出波长。目前常见的用于LD抽运的掺Nd3+激光晶体（如Nd：YAG和Nd：YVO4）对应1.0µm波段4F3/2到4I11/2能级间最强跃迁的发射波长较多的集中在1.06 µm，基于YVO4晶体的890 cm-1拉曼频移得到一阶斯托克斯光波长为1.18 µm［13-15］。而Nd：YAP晶体对应4F3/2到4I11/2能级间最强跃迁的发射波长为1080 nm［16］，通过890 cm-1拉曼频移可使一阶斯托克斯光波长拓展到1.2 µm。天津大学的Liu等人近期报道了一种LD端面抽运双激光晶体的主动调Q YVO4单腔拉曼激光系统，以Nd：YAP晶体和Nd：YAG晶体产生的波长为1079 nm和1064 nm的激光作为基频光，结合YVO4中890 cm-1拉曼频移获得了1195 nm和1176 nm的双波长激光输出［17］。1.2 µm一阶斯托克斯光还可进一步结合二阶非线性倍频获得在眼科医学、激光美容、激光显示和生物光子学等领域具有重要应用的600 nm附近波长的橙光［18-19］。

Nd：YAP晶体相比于Nd：YVO4等掺钕钒酸盐晶体具有更长的上能级荧光寿命，这一特性使其适用于产生高单脉冲能量和高峰值功率的调Q激光系统中。相对于主动调Q，被动调Q仅需在腔内插入对振荡激光具有可饱和吸收特性的材料，无需外部驱动控制，具有结构简单、低成本、易操作的优点［

20-22］。本文研究了以Cr4+：YAG/YAG复合晶体作为可饱和吸收体，LD端面抽运Nd：YAP晶体产生的1080 nm激光作为基频光驱动纯YVO4晶体的被动调Q拉曼激光特性。基于a切YVO4晶体中890 cm-1拉曼频移获得了1195 nm波长的一阶斯托克斯光输出。在抽运功率为9.87 W时，获得了0.76 W的平均输出功率，相应的光-光转化效率为7.7%。其中脉冲宽度为1.5 ns，重复频率为33.5 kHz。

1 实验装置设计

由YVO4的拉曼光谱可知，其X（ZZ）X几何配置下的振动模对应较窄的拉曼谱宽和最强的拉曼增益，所以我们选用沿晶轴a轴切割（a切）的YVO4晶体作为拉曼增益介质，研究基于其最强拉曼频移890 cm-1的一阶斯托克斯激光输出特性。结合选择Nd：YAP晶体中4F3/2到4I11/2能级间最强跃迁发射的1080 nm激光作为基频光，以实现1.2 µm波段的一阶斯托克斯光输出。由于Nd：YAP晶体为正交晶系晶体，其光学各向异性特性决定了其产生的基频光是偏振光。为了满足YVO4晶体的X（ZZ）X拉曼几何配置，Nd：YAP对应的基频光偏振方向设置为平行于YVO4的光轴方向。为实现结构紧凑的调Q拉曼激光输出，选用可饱和吸收体调制的被动调Q技术。Cr4+：YAG晶体作为一种优秀的可饱和吸收体材料，具有基态吸收截面大、饱和光强小、损伤阈值高、物化性能稳定等优点，且在0.9∼1.2 µm波段具有较宽的吸收带，所以十分适合用作钕离子掺杂增益介质固体激光器的Q开关材料。

LD端面抽运的Nd：YAP/YVO4被动调Q拉曼激光实验装置如图1所示。实验中激光晶体选用沿晶轴b轴切割的截面直径为3.6 mm，长度为5.8 mm的圆柱型Nd：YAP晶体。被动调Q晶体（PQS）为Cr4+：YAG/YAG复合晶体，在尺寸为3 × 3 × 3 mm3，初始透过率T0=85%的Cr4+：YAG晶体右端面键合了一个尺寸为3 mm× 3 mm× 2 mm的未掺杂YAG晶体以帮助其从端面散热。拉曼增益介质为尺寸为3 mm×3 mm×30 mm的a切YVO4晶体。实验中所用的激光晶体、拉曼晶体、可饱和吸收体的两端面都镀有对基频光1080 nm和一阶斯托克斯光1195 nm的增透膜，并分别用铟箔紧密包裹并置于水冷铜块进行散热，晶体表面温度控制在20℃左右。抽运光源是中心波长为804 nm的光纤耦合半导体激光器（光纤的数值孔径为0.22，芯径为200 µm）。光纤输出的抽运光经一对焦距分别为50 mm和80 mm的色散补偿透镜组成的耦合系统后聚焦成束腰直经约为320 µm的光斑，再入射到Nd：YAP晶体中。为使抽运光更充分的入射到激光晶体中，Nd：YAP晶体两端面镀的介质膜同时对804 nm增透射。输入镜IM为平面镜，镀对抽运光高透（T>90%），对基频光高反（R>99.9%）和一阶斯托克斯光高反（R>99.9%）的介质膜。输出镜OC为曲率半径为200 mm的平凹镜，镀对基频光高反（R>99.9%）和一阶斯托克斯光部分反射（R=22%）的介质膜。由输入镜IM和输出镜OC构成基频光和一阶斯托克斯光共同的平凹腔结构振荡腔，腔内光路中的晶体元件相邻紧凑放置，总腔长为6.4 cm。根据实验中采用的腔结构，在设定热透镜焦距为200 mm的情况下，理论计算激光晶体上的基模光斑直径约为304 µm，可较好的与抽运光斑匹配。YVO4晶体不同位置的基模光斑直径在295到303 µm之间。

图1 LD端面抽运Nd:YAP/YVO4被动调Q拉曼激光实验装置示意图

Fig.1 Experimental setup of the LD end-pumped passively Q-switched Nd:YAP/YVO4 Raman laser

2 实验结果与讨论

基于以上拉曼实验装置，对LD端面抽运Nd：YAP/YVO4被动调Q拉曼激光的输出特性进行了研究。对激光系统进行优化后，用分辨率为0.05 nm的光栅单色仪（ZOLIX，型号Omni-λ500）对输出激光光谱进行扫描测量，得到图2扫描范围为1 050 nm-1 250 nm的谱线。在抽运功率为9.87 W时，仅探测到由1 079.5 nm经过890 cm-1频移得到的波长为1 194.5 nm的一阶斯托克斯光，拉曼线宽约为0.3 nm。进一步测量了一阶斯托克斯光的输出功率，在基频光阈值附近就观察到有一阶斯托克斯光输出。图3给出了一阶斯托克斯光的平均输出功率随入射抽运功率的变化关系。拉曼阈值为2.47 W，拉曼光的平均输出功率随入射抽运功率呈近似线性增加。在抽运功率达到9.87 W时，获得了0.76 W的平均输出功率，对应的斜效率和光光转换效率分别为9.8%和7.7%。

图2 测量的拉曼激光输出光谱

Fig.2 The measured laser output spectra

图3 一阶斯托克斯光的平均输出功率随入射抽运功率的变化关系

Fig.3 The average output power of the first-Stokes light versus incident pump power

进一步对被动调Q一阶斯托克斯光的脉冲特性进行了研究。用5 GHz自由空间铟砷化镓探测器来接收激光输出的脉冲信号，由带宽500 MHz泰克数字示波器（型号DPO3052B）记录了1 195 nm一阶斯托克斯光的脉冲波形和序列。图4给出了一阶斯托克斯光的脉冲宽度和脉冲重复频率（PRF）随入射抽运功率的变化关系。抽运功率从拉曼阈值附近上升到9.87 W的过程中，一阶斯托克斯光的脉冲宽度在2.2∼1.5 ns范围内小幅度波动。脉冲重复频率从阈值附近约3.7 kHz开始持续增加，在最高9.87 W抽运功率时达到33.5 kHz。脉冲重复频率随着入射抽运功率的增大而逐渐增加主要是因为入射抽运功率的升高加快了激光晶体上能级粒子数的积累速率，使腔内基频光子密度达到可饱和吸收体饱和光强的速度加快，因此减小了Cr4+：YAG被“漂白”的间隔，增大了脉冲重复频率。在被动调Q激光系统中，当抽运功率较低时，可饱和吸收体需要更长的吸收时间才能达到饱和，使得在阈值附近就可获得较高的峰值功率，降低了拉曼激光阈值［

23］。在抽运功率为9.87 W时，单脉冲能量和峰值功率可通过计算得到分别为22.8 µJ和15.2 kW。

图4 一阶斯托克斯光的脉冲宽度和脉冲重复频率随入射抽运功率的变化曲线图

Fig.4 The pulse width and pulse repetition frequency(PRF) of the first-Stokes light versus incident pump power

图5给出了在抽运功率为9.87 W时测量到的一阶斯托克斯光的脉冲波形和脉冲序列。最高输出功率0.76 W时，对应测量到的脉冲重复频率为33.5 kHz，脉冲宽度为1.5 ns。脉冲波形形状较为对称。由于输出镜对一阶斯托克斯光反射率较小，增大了腔内损耗，光子寿命较短，产生巨脉冲后腔内光强衰减得快，所以脉冲下降沿较小，脉冲形状比较对称。刘永纳等对被动调Q拉曼光的这种脉冲波形形状作出了相应解释［

24］。从脉冲序列图可以看出，脉冲间隔比较均匀，脉冲幅度呈现小幅波动，对应的脉冲峰值不稳定性小于10%。考虑到拉曼脉冲宽度和脉冲重复频率等参数主要与可饱和吸收体的初始透过率T0和输出镜OC对拉曼光的反射率相关，减小T0或者减小OC对拉曼光的反射率有利于进一步压缩脉冲宽度。同时由于腔内损耗增大，达到阈值的时间增加，脉冲间隔变大，脉冲重复频率会减少。根据对脉冲宽度等输出性能参数的不同要求，可以对应选择合适的可饱和吸收体初始透过率T0和输出镜OC。

图5 在9.87 W入射抽运功率下一阶斯托克斯光的脉冲波形和序列

Fig.5 The temporal pulse profiles and pulse trains of the first-Stokes light measured under an incident pump power of 9.87 W

3 结论

对半导体激光端面抽运Nd：YAP/YVO4被动调Q拉曼激光实验进行了研究。采用Cr4+：YAG/YAG复合晶体作为可饱和吸收体，以Nd：YAP晶体产生的1080 nm激光作为基频光，实现了基于a切纯YVO4中890 cm-1拉曼频移获得1195 nm波长的一阶斯托克斯光输出。实验中对被动调Q的一阶斯托克斯光的平均输出功率、光谱和脉冲等输出特性进行了测量和分析。在抽运功率为9.87 W时，获得了0.76 W的平均输出功率，对应的光-光转化效率为7.7%。脉冲宽度在2.2∼1.5 ns范围内变化，脉冲重复频率从阈值附近约3.7 kHz持续增加到33.5 kHz。在最高平均输出功率0.76 W时，对应的脉冲宽度和重复频率分别为1.5 ns和33.5 kHz，所以对应最大单脉冲能量和峰值功率分别为22.8 µJ和15.2 kW。实验结果表明，被动调Q的Nd：YAP/YVO4组合的拉曼可实现结构紧凑、高效的1.2 µm波段激光输出。

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