LD端面抽運c切Nd:YVO4自拉曼倍頻589 nm黃光激光研究*

朱海永張戈 張耀舉 黃呈輝 段延敏 魏勇 尉鵬飛 于永麗

LD端面抽運c切Nd:YVO4自拉曼倍頻589 nm黃光激光研究*

朱海永1)2)張戈2)張耀舉1)黃呈輝2)段延敏2)魏勇2)尉鵬飛1)于永麗1)

1)(溫州大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院，溫州325035)
2)(中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所光電材料化學(xué)與物理重點實驗室，福州350002)
(2010年11月3日收到;2010年11月15日收到修改稿)

報道了LD端面抽運c切Nd:YVO4自拉曼倍頻黃光激光器的研究．采用10 mm長，二類臨界相位匹配角(θ= 69°，=0°)切割的KTP晶體作為倍頻晶體．考慮到c切Nd:YVO4躍遷截面較小，所以通過對諧振腔及晶體膜系的嚴(yán)格設(shè)計，減少腔內(nèi)插入損耗和衍射損耗．最終在脈沖重復(fù)率為10 kHz，抽運功率為11.2 W下，獲得了最高570 mW的倍頻黃光激光輸出，對應(yīng)抽運光到倍頻黃光的轉(zhuǎn)化效率約為5.1%，擬合得到輸出功率對應(yīng)抽運功率的斜效率為6.6%．激光中心波長在589.17 nm，譜線寬度0.2 nm，與鈉D2共振譜線符合較好．

拉曼激光，c切Nd:YVO4，589 nm，黃光激光

PACS:42．55．Ye，42．65．Ky，42．60．Gd，42．55．Xi

1.引言

黃光波長在550—600 nm之間，包含了人眼最敏感的波段，適用于激光顯示和照明等領(lǐng)域．黃光激光在醫(yī)學(xué)上可用于治療眼底黃斑水腫及美容上去除多余的毛細血管等，軍事上可用于激光雷達及空間目標(biāo)的探測，特別是589 nm激光可替代傳統(tǒng)的鈉導(dǎo)信號光源［1，2］．此外黃光波段相干光源還在信息存儲、食品藥品檢測、光譜學(xué)、化學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛需求．目前主要可通過以下三種固體激光器獲得:雙波長和頻黃光激光器［1—3］，直接倍頻紅外波長的黃光激光器［4，5］，全固態(tài)拉曼倍頻或和頻黃光激光器［6］．鑒于拉曼倍頻的高轉(zhuǎn)化效率和結(jié)構(gòu)緊湊性，成為目前獲得黃光激光的重要方法之一，而得到廣泛關(guān)注．

固體拉曼激光器一般采用激光晶體與拉曼晶體分離或具有拉曼效應(yīng)激光晶體的自拉曼兩種結(jié)構(gòu)獲得．其中采用自拉曼晶體設(shè)計的激光器不但減少了激光腔內(nèi)的光學(xué)元件，而且減少了腔內(nèi)損耗，提高了激光器的效率，使激光器的結(jié)構(gòu)簡單緊湊，性能更穩(wěn)定．2001年，Kaminskii等人發(fā)現(xiàn)YVO4晶體還是優(yōu)良的拉曼晶體，提出Nd:YVO4可以作為自拉曼晶體并可應(yīng)用于可見和近紅外區(qū)域激光的產(chǎn)生［7］．2004年，Chen首次實現(xiàn)了通光方向沿晶軸c軸切割(c切)和通光方向沿晶軸a軸切割(a切) Nd:YVO4晶體的自拉曼激光運轉(zhuǎn)，其中采用c切的Nd:YVO4晶體自拉曼獲得了125 mW的1178 nm激光［8］．c切Nd:YVO4晶體的躍遷截面較小，只有a切晶體的1/4，但它們激光發(fā)射波長不一樣，特別值得一提的是倍頻c切的Nd:YVO4晶體的一階斯托克斯光可獲得589 nm波長激光，對應(yīng)鈉原子的D2共振譜線，可用作鈉信標(biāo)光源，所以具有重要的研究價值．目前對于a切的Nd:YVO4晶體有較多的研究［9—11］，并獲得了很好的結(jié)果，但c切的Nd: YVO4晶體的自拉曼及倍頻激光研究相對較少．2006年，Wang等采用1.8 W的半導(dǎo)體激光抽運c切的Nd:YVO4晶體獲得了182 mW的1178 nm激光輸出［12］．2009年，Chen課題組將c切的Nd: YVO4晶體自拉曼輸出功率提高到了910 mW［13］．本文對緊湊型c切Nd:YVO4自拉曼倍頻黃光激光進行了研究．從晶體選擇，諧振腔及晶體膜系方面對激光系統(tǒng)進行設(shè)計．最終在11.2 W的半導(dǎo)體激光抽運下獲得了最高570 mW的倍頻黃光激光輸出，激光中心波長在589.17 nm，譜線寬度0.2 nm，與鈉D2共振譜線符合較好．

2.晶體性能分析及實驗系統(tǒng)的設(shè)計

Nd:YVO4屬于四方晶系I41/amd空間群，存在較大的自然雙折射．其四次軸平行于晶軸c軸方向，所以a切Nd:YVO4晶體，其出射光為平行于c軸的偏振激光，躍遷截面較大(σ∥=25×10－19cm2)［8］，所以較多的采用a切的Nd:YVO4來實現(xiàn)連續(xù)激光輸出．而對于c切Nd:YVO4晶體，由于垂直于晶軸c軸是光學(xué)各向同性的，所以輸出為無偏光，躍遷截面σ⊥=6.5×10－19cm2約為a切的晶體的1/4，但其對應(yīng)的激光發(fā)射波長為1066 nm，與a切的不同．考慮到Y(jié)VO4對應(yīng)的一個較強的拉曼平移量為890 cm－1，如圖1所示［14］，對應(yīng)c切Nd: YVO4發(fā)射1066 nm激光平移后的一階斯托克斯波長剛好為1178 nm．其拉曼線寬2.6 cm－1，1μm波段的拉曼增益大于4.5 cm/GW，而且具有較大的拉曼散射截面．所以我們選擇了c切Nd:YVO4來實現(xiàn)589 nm的拉曼倍頻黃光激光．

圖1 YVO4的拉曼頻移特性圖

本拉曼倍頻激光器采用LD端面抽運，直線腔結(jié)構(gòu)，實驗裝置如圖2所示．抽運源為通過光纖束耦合輸出，中心波長808 nm的半導(dǎo)體激光器，光纖芯徑200μm、數(shù)值孔徑0.22．光纖輸出光束經(jīng)一對放大比例為1:2的平凸透鏡組成的耦合系統(tǒng)準(zhǔn)直聚焦成束腰直徑400μm的光斑入射到自拉曼激光晶體內(nèi)．自拉曼激光晶體為尺寸為3 mm×3 mm×20 mm，摻Nd3+濃度0.3 at．%的c切Nd:YVO4晶體．晶體的側(cè)面用銦箔包于紫銅塊內(nèi)，并用半導(dǎo)體制冷控溫系統(tǒng)控溫在20℃．為了減少腔內(nèi)插入損耗，并使結(jié)構(gòu)緊湊，自拉曼激光晶體的抽運輸入端鍍制對抽運光808 nm增透(T＞95%)、同時對基頻光1066 nm和一階斯托克斯光1178 nm高反的膜系(R＞99.95%)，作為諧振腔的高反腔鏡;另一端面鍍1066 nm和1178 nm的增透膜，同時對倍頻黃光589 nm高反膜(R＞95%)，起到反射反方向黃光使激光輸出最大化，同時消除了激光晶體對黃光吸收產(chǎn)生的附加熱效應(yīng)．聲光調(diào)Q開關(guān)(Gooch＆Housego公司生產(chǎn))長度為20 mm，兩通光面同時對1066 nm和1178 nm增透，驅(qū)動中心頻率為40 MHz，射頻功率10 W．

圖2 LD端面抽運c切Nd:YVO4自拉曼倍頻激光器示意圖

為實現(xiàn)倍頻輸出，我們選擇按二類臨界相位匹配角(θ=69°，=0°)切割的KTP晶體，對應(yīng)的有效非線性光學(xué)系數(shù)為3.5 pm/V．晶體的尺寸為4 mm×4 mm×10 mm，其側(cè)面用銦箔包裹放置于紫銅塊內(nèi)，通過半導(dǎo)體制冷控溫系統(tǒng)將晶體溫度控制在25℃左右．KTP晶體兩端面鍍同時對1066 nm，1178 nm和589 nm的增透膜系，其中對1066 nm和1178 nm增透的要求較為嚴(yán)格(R＜0.2%)．激光輸出鏡對1066 nm和1178 nm高反(R＞99.95%)，對589 nm高透(T=95%)的膜系，選擇的曲率半徑為100 mm的平凹輸出鏡片．實驗設(shè)計中，各光學(xué)元件緊湊排列，總腔長約為75 mm．

3.倍頻黃光實驗結(jié)果及分析

我們在不同調(diào)Q重復(fù)頻率下對系統(tǒng)進行了優(yōu)化，圖3給出了倍頻黃光脈沖重復(fù)頻率分別設(shè)置在10，20，30 k Hz下的激光輸出情況．從輸出功率曲線可以看出，受激拉曼散射作為一種非線性光學(xué)效應(yīng)，其轉(zhuǎn)換效率隨著基頻光強度增加而增加，隨脈沖重復(fù)頻率的減小，激光峰值功率升高，更利于降低拉曼閾值，提高拉曼變頻效率．在10 kHz的重復(fù)頻率下，拉曼倍頻黃光閾值最低只有1.3 W，并且實現(xiàn)了最高的黃光輸出功率．在11.2 W的輸入抽運光功率下，在30 kHz重復(fù)頻率下，黃光輸出功率約為430 mW;當(dāng)脈沖重復(fù)頻率降為10 k Hz，最高輸出功率達570 mW，對應(yīng)抽運光到倍頻黃光的轉(zhuǎn)化效率約為5.1%，擬合得到輸出功率對應(yīng)抽運功率的斜效率為6.6%．通過功率計(型號LPE-1 A)來記錄功率波動情況，在最高輸出功率570 mW下，功率波動小于3%．隨著抽運功率的進一步升高，輸出功率受自拉曼激光嚴(yán)重的熱效應(yīng)限制出現(xiàn)較大波動，并開始下降．

圖3 在脈沖重復(fù)頻率10，20，30 kHz下，倍頻黃光激光輸出功率曲線

自拉曼激光相對普通的固體激光有更嚴(yán)重的熱效應(yīng)．由于受激拉曼散射過程是非彈性散射，量子虧損導(dǎo)致的熱量被儲存在拉曼介質(zhì)中，所以拉曼介質(zhì)中儲存的熱功率由下式給出:

λS1為一階斯托克斯光波長，λL基頻光波長，PS1為產(chǎn)生的一階斯托克斯光功率．

假設(shè)拉曼光以基模高斯光束傳播，通過類似側(cè)面抽運晶體棒的熱焦距公式推導(dǎo)［15］，可獲得拉曼過程導(dǎo)致的附加熱透鏡焦距公式

式中kc為晶體熱導(dǎo)率，d n/d t是折射率溫度系數(shù)．由于拉曼晶體中的熱量是伴隨著拉曼光產(chǎn)生而導(dǎo)致的量子虧損引起的，所以一階斯托克斯光輸出功率越高，其量子虧損導(dǎo)致的熱效應(yīng)越嚴(yán)重．

根據(jù)激光諧振腔g因子穩(wěn)定性判據(jù)

對于腔內(nèi)包含薄透鏡的諧振腔等效的諧振腔的相關(guān)參量為

式中，L0=L1+L2－(L1·L2/f)，f為薄透鏡的焦距，R1，R2分別為兩腔鏡的曲率半徑，L1，L2分別為薄透鏡到對應(yīng)兩腔鏡的距離按圖2所示的腔型，取等效薄透鏡位置在晶體內(nèi)抽運光束要位置，抽運光輸入端面約為3 mm處，忽略Q開關(guān)的石英晶體和KTP晶體的熱透鏡效應(yīng)，并取Nd:YVO4，石英晶體和KTP的折射率［16］分別為1.96，1.46，1.86．可計算得隨著熱焦距縮短，第一穩(wěn)定區(qū)為f＞52.7 mm，當(dāng)晶體熱透鏡焦距縮短到52.7 mm時，諧振腔開始失穩(wěn)，所以本激光系統(tǒng)在抽運功率11.2 W左右時的晶體熱透鏡焦距約為52.7 mm．

文獻［17］分析了產(chǎn)生基頻激光、產(chǎn)生一階斯托克斯光及吸收反向產(chǎn)生的倍頻黃光對自拉曼晶體的熱效應(yīng)的影響．本系統(tǒng)通過在自拉曼晶體的輸出端鍍制了對倍頻光的高反膜系，可防止晶體對反向產(chǎn)生的倍頻光的吸收，同時增加了黃光從輸出鏡輸出功率．但激光輸出功率還是受到了嚴(yán)重的熱效應(yīng)限制．為了實現(xiàn)更高的輸出功率，可對a切的晶體進行復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計，鑒于我們先前對a切復(fù)合Nd: YVO4晶體的研究結(jié)果表明復(fù)合結(jié)構(gòu)可改善熱效應(yīng)［8，9］;另外也可采用880 nm直接抽運方式減少激光產(chǎn)生過程的量子虧損，從而降低熱效應(yīng)．所以如果采用880 nm直接抽運復(fù)合的c切Nd:YVO4晶體，可望獲得更高的589 nm黃光輸出．

圖4 最高輸出功率下測量得到的單脈沖波形

通過用PIN光電二極管和500 MHz泰克數(shù)字示波器(型號TDS3052B)記錄589 nm的脈沖．圖4中給出了在最高輸出功率下測量得到的單脈沖波形，脈沖寬度約為26 ns．采用型號為AvaSpec-3648的光纖光譜儀(分辨率為0.07 nm)對輸出的黃光波長進行檢測，結(jié)果如圖5所示，在波長500 nm到650 nm之間只測量到589 nm波長的黃光，中心波長為589.17 nm，線寬約為0.2 nm．所以c切Nd: YVO4自拉曼倍頻的中心波長跟鈉D2共振譜線589.159 nm符合得較好［18］，是潛在的鈉信導(dǎo)光源．此方法獲得的589 nm光源具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊，激光性能穩(wěn)定的優(yōu)點．

實驗中在c切Nd:YVO4自拉曼晶體內(nèi)也發(fā)現(xiàn)有藍光，但沒有方向性．對藍光的譜線進行測量，發(fā)現(xiàn)其中心波長剛好在473 nm附近，譜線如文獻［9］中所示．此前我們已經(jīng)在a切Nd:YVO4，Nd: GdVO4，SrWO4的拉曼實驗中觀察到．如文獻［19］中，由于是在Nd:YVO4的自拉曼實驗中，則猜測為Nd3+的上轉(zhuǎn)換．但在我們實驗中發(fā)現(xiàn)純YVO4，SrWO4里面產(chǎn)生的藍光強度不亞于Nd:YVO4．其具體物理機理尚不清楚，有待深入研究．

圖5 倍頻黃光譜線

4.結(jié)論

本文研究了采用c切Nd:YVO4晶體作為自拉曼晶體的倍頻黃光激光器．采用尺寸為4 mm×4 mm×10 mm，二類臨界相位匹配角(θ=69°，= 0°)切割的KTP晶體作為倍頻晶體．由于c切Nd: YVO4躍遷截面較小，所以系統(tǒng)設(shè)計中嚴(yán)格控制諧振腔及晶體膜系的參數(shù)，使得結(jié)構(gòu)盡量緊湊，減少腔內(nèi)插入損耗和衍射損耗．最終在脈沖重復(fù)率10 kHz，11.2 W的半導(dǎo)體激光抽運下獲得了最高570 mW的倍頻黃光激光輸出，對應(yīng)抽運光到倍頻黃光的轉(zhuǎn)化效率約為5.1%，斜效率為6.6%．激光中心波長在589.17 nm，譜線寬度0.2 nm，與鈉D2共振譜線符合較好，所以是潛在的鈉信導(dǎo)光源．

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PACS:42．55．Ye，42．65．Ky，42．60．Gd，42．55．Xi

LD end-pumped c-cut Nd:YVO4laser at 589 nm generated by sef-Raman conversion and frequency doubling*

Zhu Hai-Yong1)2)Zhang Ge2)Zhang Yao-Ju1)Huang Cheng-Hui2)Duan Yan-Min2)Wei Yong2)Wei Peng-Fei1)Yu Yong-Li1)
1)(College of Physics and Electronic Information Engineering，Wenzhou University，Wenzhou 325035，China)
2)(Key Laboratory of Optoelectronic Materials Chemistry and Physics，F(xiàn)ujian Institute of Research on the Structure of Matter，Chinese Academy of Sciences，F(xiàn)uzhou 350002，China)
(Received 3 November 2010;revised manuscript received 15 November 2010)

In this paper we report a LD end-pumped c-cut Nd:YVO4yellow laser generated by sef-Raman conversion and frequency doubling．A 10-mm-length KTP with critical phase matching(θ=69°，=0°)cut is adopted as a secondharmonic generation．For the lower stimulated-emission cross section of c-cut Nd:YVO4crystal，the resonator cavity and the coating of crystals are carefully designed to reduce the insert loss and diffraction loss．Finally，at a repetition rate of10 k Hz and an incident pump power of 11.2 W，the average power of yellow light up to 570 mW is achieved，corresponding to an overall diode－yellow conversion efficiency of 5.1%and a slope efficiency of 6.6%．The central wavelength is at 589.17 nm with a width of 0.2 nm，which is well fitted to the sodium D2 resonance radiation．

Raman laser，c-cut Nd:YVO4，589 nm，yellow laser

*國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號:10904143)和中國科學(xué)院光電材料化學(xué)與物理重點實驗室開發(fā)課題(批準(zhǔn)號:2008 DP173016)資助的課題．

E-mail:hyzhu．opt@gmail．com

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No．10904143)，and Fund of Key Laboratory of Optoelectronic Materials Chemistry and Physics，Chinese Academy of Sciences(Grant No．2008 DP173016)．

E-mail:hyzhu．opt@gmail．com