段延敏 周玉明 孫瑛璐 李志紅 張耀舉 王鴻雁 朱海永?

1) (溫州大學(xué)數(shù)理學(xué)院，溫州 325035)

2) (溫州大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，溫州 325035)

3) (青島海泰光電技術(shù)有限公司，青島 266100)

本工作對(duì)聲光調(diào)Q 的Nd:YVO4 晶體級(jí)聯(lián)自拉曼腔內(nèi)二階斯托克斯光倍頻實(shí)現(xiàn)窄脈寬紅光激光進(jìn)行了研究.從改善自拉曼晶體熱效應(yīng)出發(fā),綜合考慮基頻激光性能和提高拉曼變頻性能,設(shè)計(jì)了三段式鍵合YVO4/Nd:YVO4/YVO4 晶體來提升拉曼轉(zhuǎn)換效率和輸出功率.選用針對(duì)二階斯托克斯波長(zhǎng)倍頻的室溫臨界相位匹配切割的LBO 晶體作為非線性光學(xué)晶體.其匹配角度(θ=86.0°,φ=0°)非常接近非臨界相位匹配,具有較小的走離角,有利于實(shí)現(xiàn)高效的倍頻轉(zhuǎn)換效率.通過抽運(yùn)光束腰位置、聲光調(diào)Q 重復(fù)頻率等參數(shù)優(yōu)化,在14.2 W抽運(yùn)功率和60 kHz 重復(fù)頻率下,獲得最高平均輸出功率1.63 W、轉(zhuǎn)換效率11.5%的657 nm 紅光激光輸出.657 nm 紅光的脈沖寬度為11.5 ns,窄于普通摻釹激光晶體1.3 μm 波段激光倍頻實(shí)現(xiàn)的紅光激光,表明通過級(jí)聯(lián)拉曼倍頻技術(shù)可發(fā)揮拉曼過程脈寬壓縮特性實(shí)現(xiàn)較窄脈寬紅光激光輸出.

1 引言

受激拉曼散射是獲得新型波長(zhǎng)激光的一種重要變頻手段,已成為激光與非線性光學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1?3].通過拉曼變頻,可使激光波長(zhǎng)往長(zhǎng)波方向拓展,能得到普通激光難以直接發(fā)射的波長(zhǎng).釩酸鹽晶體本身?yè)碛休^大的拉曼增益,是極具代表性的一類拉曼介質(zhì)[4,5].同時(shí),稀土離子摻雜的釩酸鹽晶體也是一類優(yōu)秀的激光介質(zhì)[6].2001 年,Kaminskii 等[7]研究表明YVO4是優(yōu)良的拉曼晶體,并指出Nd:YVO4可作為產(chǎn)生新型可見和近紅外波段激光的自拉曼晶體.2004 年Chen[8]首次報(bào)道了半導(dǎo)體激光(LD)端面抽運(yùn)Nd:YVO4晶體的自拉曼激光實(shí)驗(yàn).隨后,針對(duì)釩酸鹽晶體的拉曼激光被廣泛且深入地研究.2012 年,Chen 等[9]利用LD 端面抽運(yùn)a 切YVO4/Nd:YVO4/YVO4鍵合晶體,獲得二階斯托克斯激光.在14.6 W 抽運(yùn)功率和40 kHz 重復(fù)頻率下,獲得最大輸出功率2.34 W 的1313 nm 激光,轉(zhuǎn)換效率為16%.針對(duì)Nd:YVO4晶體級(jí)聯(lián)拉曼可獲得高效的1.3 μm 二階斯托克斯激光,為進(jìn)一步倍頻獲得紅光激光提供了新途徑[10,11].高功率相干紅光作為三基色之一,在高分辨率激光打印、全彩激光顯示、醫(yī)療以及作為Cr:LiSAF 等可調(diào)諧激光器的抽運(yùn)源等方面具有廣泛的應(yīng)用.

目前獲得紅光激光的常用技術(shù)是利用KTP,LBO 等非線性光學(xué)晶體對(duì)摻釹激光晶體的1.3 μm基頻激光進(jìn)行倍頻,這種方式已經(jīng)被許多研究者報(bào)道,而且調(diào)Q 產(chǎn)生的脈寬偏寬.2007 年,Huang 等[12]報(bào)道了基于聲光調(diào)Q 的Nd:YVO4晶體1.3 μm 基頻光倍頻的紅光激光器.在14.8 W 吸收抽運(yùn)功率和15 kHz 重復(fù)頻率下,獲得平均輸出功率1.37 W,脈沖寬度33 ns 的紅光輸出,相應(yīng)的光轉(zhuǎn)換效率為9.3%.2007 年,Qin 等[13]采用雙二極管抽運(yùn)Nd:YVO4晶體,在78.4 W 總抽運(yùn)功率下,獲得平均輸出功率10.2 W,脈沖寬度94 ns 的紅光輸出.其他激光晶體Nd:GdVO4,Nd:YAG 等晶體的1.3 μm 基頻光倍頻獲得的紅光脈沖寬度也普遍較寬,都在30 ns 以上,甚至數(shù)百ns[14?16].近年來,利用藍(lán)光抽運(yùn)摻鐠激光材料直接輸出紅光激光的技術(shù)獲得快速發(fā)展[17,18],目前可獲得高效的瓦級(jí)紅光波段激光,但脈寬也都在數(shù)百納秒量級(jí)[19,20].

拉曼過程存在著光束凈化效應(yīng)和脈寬壓縮特性[21,22],所以級(jí)聯(lián)拉曼倍頻可望獲得高光束質(zhì)量、窄脈寬紅光激光.2010 年,Lee 等[23]報(bào)道了利用通過非臨界相位匹配切割LBO 晶體對(duì)連續(xù)波Nd:GdVO4級(jí)聯(lián)自拉曼腔內(nèi)一階和二階斯托克斯光的和頻,獲得了輸出功率1027 mW,轉(zhuǎn)換效率4.9%的620 nm 激光輸出,同時(shí)指出對(duì)二階斯托克斯光倍頻需要將非臨界相位匹配LBO 晶體溫度在零下2 ℃而難以實(shí)現(xiàn).本文首次對(duì)聲光調(diào)Q 的Nd:YVO4晶體級(jí)聯(lián)自拉曼二階斯托克斯光倍頻實(shí)現(xiàn)紅光激光進(jìn)行研究.選用接近非臨界相位匹配(θ=86.0°,φ=0°)切割LBO 晶體在室溫下進(jìn)行二階斯托克斯光的倍頻.設(shè)計(jì)三段式鍵合YVO4/Nd:YVO4/YVO4晶體來改善自拉曼晶體熱效應(yīng),同時(shí)可增大拉曼增益介質(zhì)作用長(zhǎng)度,達(dá)到提升拉曼轉(zhuǎn)換效率和輸出功率.在14.2 W 抽運(yùn)功率和60 kHz 重復(fù)頻率下,獲得輸出功率1.63 W、轉(zhuǎn)換效率達(dá)11.5 %的657 nm 紅光激光輸出.脈沖寬度為11.5 ns,窄于普通摻釹激光晶體1.3 μm 波段激光倍頻實(shí)現(xiàn)的紅光激光.

2 鍵合拉曼晶體設(shè)計(jì)分析及倍頻晶體選擇

在自拉曼激光產(chǎn)生過程中,自拉曼晶體中疊加了激光產(chǎn)生過程和拉曼轉(zhuǎn)換過程的熱效應(yīng),相對(duì)普通激光晶體具有更嚴(yán)重的熱效應(yīng).隨著抽運(yùn)功率的提高,熱效應(yīng)成為限制自拉曼激光輸出功率和光束質(zhì)量提升的重要因數(shù).因此,從改善自拉曼晶體熱效應(yīng)出發(fā),綜合考慮激光性能和提高拉曼變頻性能,提出對(duì)自拉曼晶體進(jìn)行三段式鍵合設(shè)計(jì).圖1給出本實(shí)驗(yàn)所用三段式鍵合YVO4/Nd:YVO4/YVO4晶體.中間的激光增益介質(zhì)部分的長(zhǎng)度和濃度考慮有利于基頻激光性能和對(duì)抽運(yùn)光吸收來選擇,根據(jù)前期Nd:YVO4晶體基頻激光性能[24],選用沿a 軸切割,摻原子百分比為0.3%的Nd3+,尺寸為3 mm×3 mm×10 mm 的Nd:YVO4晶體;Nd:YVO4晶體兩端鍵合的未摻雜的基質(zhì)晶體不但可通過熱傳導(dǎo)幫助自拉曼晶體散熱,改善拉曼器件的熱效應(yīng),而且可與自拉曼激光晶體一起作為拉曼增益介質(zhì),增長(zhǎng)了拉曼介質(zhì)的作用長(zhǎng)度,有效提高拉曼變頻效率和輸出功率.抽運(yùn)輸入端鍵合的基質(zhì)晶體通過熱傳導(dǎo)方式幫助激光增益介質(zhì)改善抽運(yùn)光入射端嚴(yán)重的熱效應(yīng),同時(shí)考慮入射抽運(yùn)光斑和晶體孔徑大小,不宜過長(zhǎng),選用尺寸為3 mm ×3 mm×3 mm 的純YVO4晶體;另一端鍵合的較長(zhǎng)基質(zhì)晶體,以增大拉曼增益介質(zhì)長(zhǎng)度以提高拉曼變頻 效率為主,選用尺寸為 3 mm×3 mm ×17 mm 的純YVO4晶體.三段不同功能為主的晶體通過擴(kuò)散鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)合:首先將三段晶體端面經(jīng)過精密拋光處理后貼在一起形成光膠,然后再對(duì)晶體進(jìn)行熱處理,實(shí)現(xiàn)界面分子相互擴(kuò)散、融合,最終形成穩(wěn)定化學(xué)鍵,達(dá)到真正意義上的結(jié)合為一體.最近,本課題組采用該三段式鍵合設(shè)計(jì)晶體進(jìn)行自拉曼腔內(nèi)基頻光與一階斯托克斯光之間的混頻[25],相比之前采用普通Nd:YVO4晶體自拉曼[26],在更高抽運(yùn)功率下,實(shí)現(xiàn)了更高輸出功率和效率的黃綠波段激光輸出,所以三段式鍵合設(shè)計(jì)晶體也將更有利于級(jí)聯(lián)拉曼獲得高輸出功率和轉(zhuǎn)換效率.

YVO4晶體最強(qiáng)拉曼增益的頻移為890 cm–1,對(duì)應(yīng)的增益系數(shù)大于4.5 cm/GW[7],對(duì)應(yīng)Nd:YVO4晶體1064 nm 基頻光的一階斯托克斯光波長(zhǎng)為1176 nm,二階斯托克斯波長(zhǎng)為1313 nm.為了規(guī)避類似文獻(xiàn)[23]中采用非臨界相位匹配LBO 對(duì)二階斯托克斯波長(zhǎng)倍頻需要溫控在零下的問題,本實(shí)驗(yàn)中改用針對(duì)二階斯托克斯波長(zhǎng)倍頻的室溫下臨界相位匹配角(θ=86.0°,φ=0°)切割的LBO 晶體.由于該臨界相位匹配角非常接近非臨界相位匹配,其有效非線性系數(shù)0.818 pm/V,走離角也非常小,僅為3.54 mrad,所以我們同樣可采用較長(zhǎng)晶體提高轉(zhuǎn)換效率.本實(shí)驗(yàn)中選用同文獻(xiàn)[26]非臨界相位匹配LBO 晶體一樣長(zhǎng)度(尺寸3 mm ×3 mm×15 mm),匹配角度(θ=86.0°,φ=0°)

切割的LBO 晶體作為倍頻晶體,采用15 mm 長(zhǎng)晶體計(jì)算得到的最大走離偏移約為53 μm,遠(yuǎn)小于腔內(nèi)基模光斑直徑.

3 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

圖2 為L(zhǎng)D 端面抽運(yùn)三段式鍵合YVO4/Nd:YVO4/YVO4晶體級(jí)聯(lián)拉曼倍頻紅光激光實(shí)驗(yàn)裝置示意圖.抽運(yùn)源為工作波長(zhǎng)808 nm 的光纖耦合輸出的半導(dǎo)體激光,其光纖芯徑為200 μm、數(shù)值孔徑為0.22.抽運(yùn)光經(jīng)過一對(duì)焦距為50 和80 mm的耦合透鏡準(zhǔn)直再聚焦到三段式鍵合晶體中的Nd:YVO4晶體內(nèi),形成一個(gè)直徑為320 μm 的束腰光斑.緊隨鍵合晶體后,放置型號(hào)為QS041-10GGHI2 (Gooch &Housego 公司)的聲光Q 開關(guān),用于實(shí)現(xiàn)主動(dòng)調(diào)Q 脈沖激光振蕩.

圖2 Nd:YVO4 晶體級(jí)聯(lián)拉曼倍頻紅光激光實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.2.Experimental arrangement offrequency doubling of Nd:YVO4 cascade Raman laser for red light emission.

實(shí)驗(yàn)裝置中,YVO4/Nd:YVO4/YVO4鍵合晶體兩端鍍制的膜系對(duì)1064,1176 和1313 nm 增透,而且抽運(yùn)輸入端同時(shí)對(duì)抽運(yùn)光808 nm 增透,另一端面同時(shí)對(duì)倍頻紅光657 nm 高反(R >95%),起到反射反方向倍頻產(chǎn)生的紅光使激光輸出最大化的作用.LBO 晶體兩端面均鍍有對(duì)基頻光、一階、二階斯托克斯光以及紅光增透的膜系.LBO 晶體同鍵合晶體側(cè)面均采用銦箔包裹并置于紫銅塊內(nèi),用半導(dǎo)體制冷控溫系統(tǒng)(TEC)控制溫度在25 ℃左右.由一個(gè)抽運(yùn)光輸入腔鏡IM 和倍頻輸出腔鏡OC 組成平凹腔結(jié)構(gòu),作為基頻、一階和二階斯托克斯光共用的諧振腔.對(duì)應(yīng)模擬計(jì)算得到三段式鍵合晶體上不同位置諧振腔基模光斑直徑約為340—360 μm,LBO 晶體上的光斑直徑約為320 μm.輸入腔鏡IM 鍍對(duì)基頻光1064 nm、一階斯托克斯光1176 nm 和二階斯托克斯光1313 nm高反(R >99.8%),同時(shí)對(duì)抽運(yùn)光808 nm 高透(T >95%)的膜系.輸出鏡OC 鍍對(duì)1064,1176 和 1313 nm高反,同時(shí)對(duì)倍頻光657 nm 高透的膜系.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

基于以上實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì),在10.5 W 輸入抽運(yùn)功率下,將重復(fù)頻率設(shè)在30 kHz,60 kHz 和90 kHz 下優(yōu)化二階斯托克斯光倍頻的紅光激光輸出功率,分別獲得最高0.96 W,1.27 W 和1.05 W的紅光.其中重復(fù)頻率60 kHz 時(shí)的紅光輸出功率最高,對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換效率為12.1%.針對(duì)紅光激光的平均輸出功率,在10.5 W 抽運(yùn)功率下優(yōu)化系統(tǒng)后降低抽運(yùn)功率,再?gòu)拈撝甸_始記錄輸出功率,得到的平均輸出功率隨抽運(yùn)功率的變換關(guān)系如圖3 所示.發(fā)現(xiàn)紅光從閾值4.27 W 開始,在5.5 W 抽運(yùn)功率下獲得0.54 W 的輸出功率后,輸出功率開始下降并出現(xiàn)較大的跳動(dòng),在7.9 W 抽運(yùn)功率下,輸出功率開始重新快速增大,直到獲得最高的輸出功率.進(jìn)一步對(duì)不加LBO 晶體的情況下,用對(duì)1064和1176 nm 高反,對(duì)1313 nm 透過率為47%的輸出鏡片對(duì)二階斯托克斯光的輸出特性進(jìn)行研究.在60 kHz 重復(fù)功率下,發(fā)現(xiàn)二階斯托克斯光在更高15.5 W 入射抽運(yùn)功率下,獲得最高輸出功率2.18 W 的1313 nm 激光輸出,對(duì)應(yīng)的光光轉(zhuǎn)換效率14.1%.由輸出功率曲線可知,輸出功率隨著抽運(yùn)功率的升高,也存在先增大后減小再快速增大的特點(diǎn);而且在10.5 W 抽運(yùn)功率附近,輸出功率出現(xiàn)模式變換引起的平坦區(qū)后再增大.

圖3 在10.5 W 入射抽運(yùn)功率下優(yōu)化后測(cè)量的二階斯托克斯光及其倍頻紅光輸出功率與入射抽運(yùn)功率關(guān)系Fig.3.Output power of 2 nd-Stokesand red lightversus incident pump power forthe laser system optimized at incident pump power of 10.5 W.

隨后,通過調(diào)節(jié)抽運(yùn)光束腰在Nd:YVO4晶體里的位置,發(fā)現(xiàn)增大束腰位置與抽運(yùn)光輸入端面的距離,可在更高的14.2 W 抽運(yùn)功率下獲得更高1.63 W 的輸出功率,光轉(zhuǎn)換效率11.5%.利用功率計(jì)觀察了輸出激光穩(wěn)定性,在0.5 h 內(nèi)功率波動(dòng)在波動(dòng)范圍在1.55—1.63 W 之間,穩(wěn)定性約為5%.并使用光纖光譜儀 (AvaSpec,3648-2-USB2)測(cè)量對(duì)最高輸出功率下的激光輸出的光譜進(jìn)行測(cè)量.圖4 給出了優(yōu)化抽運(yùn)光束腰位置后的輸出功率曲線及最高輸出功率下測(cè)量的激光譜線.由譜線圖可知,輸出激光主要為中心波長(zhǎng)656.7 nm 的倍頻紅光,線寬約0.3 nm.伴隨紅光輸出還測(cè)到微弱的587.9 和620.4 nm 波長(zhǎng),分別為一階斯托克斯光的倍頻波長(zhǎng)和一階與二階斯托克斯光的和頻波長(zhǎng).由輸出功率曲線可知閾值功率也明顯升高,功率先增后減再增對(duì)應(yīng)的抽運(yùn)功率也對(duì)應(yīng)升高.分析其原因主要隨著束腰位置深入激光增益介質(zhì),端面抽運(yùn)光斑增大,增益介質(zhì)上的抽運(yùn)光功率密度下降,導(dǎo)致閾值升高,同時(shí)等效熱透鏡焦距的主平面將往激光輸出方向靠近,增益介質(zhì)的熱透鏡效應(yīng)也變?nèi)?所以可以在更高的抽運(yùn)功率下實(shí)現(xiàn)最高的輸出功率.結(jié)合前期實(shí)驗(yàn)表明輸出功率隨著抽運(yùn)功率先增后減再增的功率變化趨勢(shì)主要體現(xiàn)在三段式鍵合晶體中[25,27],具體原因有待進(jìn)一步研究.

圖4 優(yōu)化抽運(yùn)光束腰位置后的紅光輸出功率曲線及最高輸出功率下測(cè)量的激光譜線Fig.4.Red light output power after optimizing of the pump beam focus position and laser spectra measured at the maximum output power.

進(jìn)一步對(duì)級(jí)聯(lián)拉曼倍頻紅光脈沖特性進(jìn)行測(cè)量.采用InGaAs 自由空間光電探測(cè)器(5 GHz,Thorlabs)接收紅光激光,并由型號(hào) DPO3052B 泰克數(shù)字示波器呈現(xiàn)脈沖特性.紅光脈沖寬度隨著抽運(yùn)功率的增加,引起基頻脈寬變窄而變窄.圖5 給出了14.2 W 入射抽運(yùn)功率下,最高輸出功率1.63 W時(shí)測(cè)量得到的脈沖波形和序列.紅光激光脈沖重復(fù)頻率60 kHz,所以對(duì)應(yīng)的單脈沖能力為27.2 μJ;測(cè)量得到的脈沖寬度為11.5 ns,計(jì)算得到峰值功率2.4 kW.相對(duì)普通摻釹激光晶體1.3 μm 波段倍頻的數(shù)十納秒的脈寬,拉曼過程的脈寬壓縮特性使得倍頻紅光脈沖具有更窄的脈寬.

圖5 倍頻657 nm 紅光的脈沖波形和脈沖序列Fig.5.Temporal pulse profile and pulse train of 657 nm red light.

5 結(jié)論

本文研究了LD 端面抽運(yùn)YVO4/Nd:YVO4/YVO4晶體的聲光調(diào) Q 級(jí)聯(lián)自拉曼二階斯托克斯光倍頻紅光激光輸出特性.從改善自拉曼晶體熱效應(yīng)出發(fā),綜合考慮激光性能和提高拉曼變頻性能,對(duì)自拉曼晶體進(jìn)行三段式鍵合設(shè)計(jì),獲得高效的二階斯托克斯1313 nm 激光輸出.選用接近非臨界相位匹配(θ=86.0°,φ=0°)的LBO 晶體作為二階非線性光學(xué)晶體對(duì)二階斯托克斯光進(jìn)行倍頻,克服普通非臨界相位匹配需要零下溫控的問題,獲得了高效的窄脈寬657 nm 紅光輸出.通過抽運(yùn)光束腰位置、重復(fù)頻率等參數(shù)優(yōu)化,在14.2 W 抽運(yùn)功率和60 kHz 重復(fù)頻率下,獲得輸出功率1.63 W、轉(zhuǎn)換效率達(dá)11.5%的657 nm 紅光激光輸出.由于級(jí)聯(lián)拉曼過程的脈寬壓縮特性,657 nm 紅光的脈沖寬度為11.5 ns,相對(duì)已報(bào)道的1.3 μm 波段基頻光倍頻的紅光激光器,本文設(shè)計(jì)的級(jí)聯(lián)自拉曼二階斯托克斯光倍頻產(chǎn)生的紅光激光脈沖寬度更窄,光束質(zhì)量更好.