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)(溫州大學物理與電子信息工程學院，溫州325035)
2)(中國科學院福建物質結構研究所光電材料化學與物理重點實驗室，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格設計，減少腔內插入損耗和衍射損耗．最終在脈沖重復率為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，對應抽運光到倍頻黃光的轉化效率約為5.1%，擬合得到輸出功率對應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域．黃光激光在醫學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的探測，特別是589 nm激光可替代傳統的鈉導信號光源［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、化學等領域有著廣泛需求．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］，全固態拉曼倍頻或和頻黃光激光器［6］．鑒于拉曼倍頻的高轉化效率和結構緊湊性，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激光晶體的自拉曼兩種結構獲得．其中采用自拉曼晶體設計的激光器不但減少了激光腔內的光學元件，而且減少了腔內損耗，提高了激光器的效率，使激光器的結構簡單緊湊，性能更穩定．2001年，Kaminskii等人發現YVO4晶體還是優良的拉曼晶體，提出Nd:YVO4可以作為自拉曼晶體并可應用于可見和近紅外區域激光的產生［7］．2004年，Chen首次實現了通光方向沿晶軸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，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，對應鈉原子的D2共振譜線，可用作鈉信標光源，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進行設計．最終在11.2 W的半導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的設計

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來實現連續激光輸出．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，但其對應的激光發射波長為1066 nm，與a切的不同．考慮到YVO4對應的一個較強的拉曼平移量為890 cm－1，如圖1所示［14］，對應c切Nd: YVO4發射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，直線腔結構，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的半導體激光器，光纖芯徑200μm、數值孔徑0.22．光纖輸出光束經一對放大比例為1:2的平凸透鏡組成的耦合系統準直聚焦成束腰直徑400μm的光斑入射到自拉曼激光晶體內．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．晶體的側面用銦箔包于紫銅塊內，并用半導體制冷控溫系統控溫在20℃．為了減少腔內插入損耗，并使結構緊湊，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生的附加熱效應．聲光調Q開關(Gooch＆Housego公司生產)長度為20 mm，兩通光面同時對1066 nm和1178 nm增透，驅動中心頻率為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，對應的有效非線性光學系數為3.5 pm/V．晶體的尺寸為4 mm×4 mm×10 mm，其側面用銦箔包裹放置于紫銅塊內，通過半導體制冷控溫系統將晶體溫度控制在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．實驗設計中，各光學元件緊湊排列，總腔長約為75 mm．

3.倍頻黃光實驗結果及分析

我們在不同調Q重復頻率下對系統進行了優化，圖3給出了倍頻黃光脈沖重復頻率分別設置在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效應，其轉換效率隨著基頻光強度增加而增加，隨脈沖重復頻率的減小，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的重復頻率下，拉曼倍頻黃光閾值最低只有1.3 W，并且實現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重復頻率下，黃光輸出功率約為430 mW;當脈沖重復頻率降為10 k Hz，最高輸出功率達570 mW，對應抽運光到倍頻黃光的轉化效率約為5.1%，擬合得到輸出功率對應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重的熱效應限制出現較大波動，并開始下降．

圖3 在脈沖重復頻率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重的熱效應．由于受激拉曼散射過程是非彈性散射，量子虧損導致的熱量被儲存在拉曼介質中，所以拉曼介質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為產生的一階斯托克斯光功率．

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

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

根據激光諧振腔g因子穩定性判據

對于腔內包含薄透鏡的諧振腔等效的諧振腔的相關參量為

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抽運光束要位置，抽運光輸入端面約為3 mm處，忽略Q開關的石英晶體和KTP晶體的熱透鏡效應，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，第一穩定區為f＞52.7 mm，當晶體熱透鏡焦距縮短到52.7 mm時，諧振腔開始失穩，所以本激光系統在抽運功率11.2 W左右時的晶體熱透鏡焦距約為52.7 mm．

文獻［17］分析了產生基頻激光、產生一階斯托克斯光及吸收反向產生的倍頻黃光對自拉曼晶體的熱效應的影響．本系統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重的熱效應限制．為了實現更高的輸出功率，可對a切的晶體進行復合結構設計，鑒于我們先前對a切復合Nd: YVO4晶體的研究結果表明復合結構可改善熱效應［8，9］;另外也可采用880 nm直接抽運方式減少激光產生過程的量子虧損，從而降低熱效應．所以如果采用880 nm直接抽運復合的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］，是潛在的鈉信導光源．此方法獲得的589 nm光源具有結構簡單緊湊，激光性能穩定的優點．

實驗中在c切Nd:YVO4自拉曼晶體內也發現有藍光，但沒有方向性．對藍光的譜線進行測量，發現其中心波長剛好在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+的上轉換．但在我們實驗中發現純YVO4，SrWO4里面產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，所以系統設計中嚴格控制諧振腔及晶體膜系的參數，使得結構盡量緊湊，減少腔內插入損耗和衍射損耗．最終在脈沖重復率10 kHz，11.2 W的半導體激光抽運下獲得了最高570 mW的倍頻黃光激光輸出，對應抽運光到倍頻黃光的轉化效率約為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，Fujian Institute of Research on the Structure of Matter，Chinese Academy of Sciences，Fuzhou 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

*國家自然科學基金(批準號:10904143)和中國科學院光電材料化學與物理重點實驗室開發課題(批準號: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