用于水下激光測(cè)量的Nd:GdVO4456nm 深藍(lán)激光的研究

張艷波 張文彥

（長(zhǎng)春新產(chǎn)業(yè)光電技術(shù)有限公司，吉林 長(zhǎng)春130012）

對(duì)于許多應(yīng)用，例如水下激光測(cè)量，光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，通信，光譜學(xué)，大圖像投影和醫(yī)療應(yīng)用，迫切需要高功率藍(lán)光。對(duì)于此類(lèi)應(yīng)用，高功率藍(lán)光光源必須緊湊，具有高的光學(xué)效率和長(zhǎng)的可靠使用壽命。二極管泵浦固態(tài)藍(lán)光激光器是實(shí)現(xiàn)藍(lán)光光源的一種有前途的方法[1]。在水下工作的激光在藍(lán)色波長(zhǎng)下的透明窗口可能觀察到較低的減小。藍(lán)色激光的高功率可以傳輸更長(zhǎng)的距離，而456nm 的深藍(lán)色激光則有利于水下研究[2-5]。

自從Fan 和Byer 于1987年首次在室溫下引入LD 泵浦準(zhǔn)三能級(jí)946nm Nd：YAG 激光器之后，對(duì)腔內(nèi)二次諧波產(chǎn)生的473nm 藍(lán)光進(jìn)行了廣泛的研究[6]。為了獲得例如在460nm 以下的更深的藍(lán)色光譜區(qū)域，Nd:GdVO4是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的候選者。使用簡(jiǎn)單的線性諧振器，在912nm處獲得190mW 的30mW 456nm 激光。 Z 腔用于在456nm 處實(shí)現(xiàn)840mW 的輸出功率，其斜率效率高達(dá)16%。相應(yīng)的456nm藍(lán)色激光可在市場(chǎng)上買(mǎi)到，輸出功率為5.3W[7]。

在這項(xiàng)工作中，我們證明了在912nm 處工作于4F3/2→4I9/2躍遷的二極管端面泵浦Nd：GdVO4激光器的高效雙腔倍頻。將15mm 長(zhǎng)的LBO 晶體切割為室溫下的關(guān)鍵I 型相位匹配，用于基本激光器的二倍頻。在入射泵浦功率為25.6W 時(shí)，在456nm的深藍(lán)色光譜范圍內(nèi)已達(dá)到11.5W 的最大輸出功率。光電轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)45%，在6 小時(shí)內(nèi)的功率穩(wěn)定性優(yōu)于1.58%。

圖1 腔內(nèi)倍頻Nd：GdVO4 基態(tài)激光器的設(shè)置

1 實(shí)驗(yàn)裝置

腔內(nèi)倍頻深藍(lán)色激光的示意圖如圖1 所示。泵浦源是在激光晶體兩端使用的兩個(gè)激光二極管陣列。泵浦源之一是15W 808nm 光纖耦合LDA，其纖芯直徑為400 微米，用于CW 泵浦的數(shù)值孔徑為0.22。它的發(fā)射中心波長(zhǎng)在室溫下為806.4nm，可以通過(guò)改變散熱器的溫度進(jìn)行調(diào)整，以使其與激光晶體的最佳吸收相匹配。耦合光學(xué)器件由兩個(gè)相同的平凸透鏡組成，焦距為15mm，用于將泵浦光束以1：1 的比例重新成像到激光晶體中。耦合效率為95%。因?yàn)樵诒闷止獍邊^(qū)域中泵浦光強(qiáng)度足夠高，所以必須很好地調(diào)整第一個(gè)透鏡以準(zhǔn)直泵浦光束，因?yàn)樗鼘?yán)重影響焦點(diǎn)。但是，兩個(gè)透鏡之間的距離可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)自由調(diào)節(jié)。對(duì)于像差，平均泵浦光斑半徑約為220 微米。激光晶體是3×3×15mm3、0.2%Nd3+摻雜的Nd:GdVO4。它用銦箔包裹并安裝在銅散熱器中。激光晶體的左側(cè)鍍有泵浦波長(zhǎng)和1063nm（R＜2%）的抗反射膜，并鍍有912nm（R＞99.9%）的高反射膜，用作腔體的一面鏡子。使用低摻雜濃度的長(zhǎng)激光晶體來(lái)減少熱透鏡效應(yīng)和準(zhǔn)三能級(jí)發(fā)射的重吸收，確保將吸收足夠的泵浦能量。當(dāng)調(diào)節(jié)泵浦波長(zhǎng)以匹配N(xiāo)d:GdVO4的吸收峰時(shí)，大約60%的泵浦功率被吸收。激光晶體的溫度通過(guò)熱電冷卻器（TEC）保持在15 攝氏度的恒定值，這有助于產(chǎn)生較小的終端激光能級(jí)熱量分布和穩(wěn)定的輸出功率。較低的溫度對(duì)于在912nm 的Nd：GdVO4譜線上高效運(yùn)行至關(guān)重要。 激光晶體的右側(cè)在808nm，912nm，1063nm 和1341nm 處進(jìn)行了抗反射膜層，以減少912nm 諧振的損耗并抑制1063nm 和1341nm 的強(qiáng)線。平面鏡M1 的左側(cè)在808nm，1063nm 和1341nm 處鍍有AR，并且在912nm 處鍍有HR。 M1 的另一面鍍有808nm 的增透膜。M3 的凹面在912nm 和456nm 處進(jìn)行HR 膜層。平凹鏡M2 是輸出鏡，凹面在912nm 處HR 涂覆，在456nm 處AR 涂覆。M2 的平面刻有456nm 的增透膜。當(dāng)滿足Nd:GdVO4和反射鏡兩面的膜層要求時(shí)，912nm 光譜線可能會(huì)獨(dú)立振蕩。通過(guò)TEC 對(duì)LDA，整個(gè)腔體和晶體進(jìn)行冷卻，以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)溫度控制，穩(wěn)定度為±0.1℃。LBO 是2×2×20mm3的非線性晶體（θ＝90°，φ＝21.7°）。盡管KNbO3 和BIBO 具有很高的非線性度，但LBO 被選作倍頻材料，因?yàn)槠渥唠x角小，光譜和角度接受帶寬大。 LBO 晶體的兩個(gè)面都進(jìn)行了鍍膜，以在456nm 和912nm 處進(jìn)行減反射，以減少空腔中的反射損耗。它安裝在銅塊中，銅塊也固定在TEC上以進(jìn)行主動(dòng)溫度控制。

2 結(jié)論

在25.6W 的總泵浦功率下，可獲得11.5W 的深藍(lán)色激光。高轉(zhuǎn)換效率基于完美的冷卻條件。由于該激光器是在水下使用的，因此與常規(guī)激光器系統(tǒng)相比，該激光器的晶體溫度可以較低且穩(wěn)定，并且該激光器可以以更高的穩(wěn)定性工作。顯而易見(jiàn)，高發(fā)射閾值和456nm 輸出功率的轉(zhuǎn)折點(diǎn)從數(shù)十毫瓦迅速上升到數(shù)百毫瓦。產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因是由于912nm 基波的準(zhǔn)三能級(jí)的重吸收損耗飽和。在較低的泵浦功率下，諧振器中存在較低的循環(huán)強(qiáng)度，并且相應(yīng)的高重吸收損耗導(dǎo)致較高的閾值。隨著泵浦功率的增加，循環(huán)強(qiáng)度變得如此之高，以至于它抵消了重吸收損失，并且此時(shí)輸出功率突然增加。之后，激光器將像四級(jí)系統(tǒng)一樣工作。當(dāng)入射泵浦功率為25.5W 時(shí)，通過(guò)過(guò)濾808nm 和912nm 紅外光測(cè)得的輸出功率高達(dá)11.5W。光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)45%。

通過(guò)FieldMaster-GS 功率計(jì)測(cè)得的輸出穩(wěn)定性優(yōu)于1.58%。圖2 是光束質(zhì)量測(cè)試結(jié)果，表明456nm 處的激光輸出在TEM00 模式下工作，并且光束的遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度分布。

圖2 456nm 激光光斑模式及光束質(zhì)量

6 小時(shí)內(nèi)輸出功率的波動(dòng)優(yōu)于1.58%。 激光晶體中的縱向模交叉飽和和倍頻晶體中的和頻混合使觀察到的噪聲明顯。 但是，較大的熱導(dǎo)率歸因于準(zhǔn)三能級(jí)激光系統(tǒng)中激光晶體溫度波動(dòng)對(duì)較低能級(jí)群體的影響很小，從而提高了激光效率。

結(jié)束語(yǔ)

總而言之，已經(jīng)證明了在912nm 處工作于4F3/2→4I9/2躍遷的二極管端面泵浦Nd:GdVO4激光器的高效雙腔倍頻。將15mm長(zhǎng)的LBO 晶體切割為室溫下的關(guān)鍵I 型相位匹配，用于基本激光器的二倍頻。 在入射泵浦功率為25.6W 時(shí)，在456nm 的深藍(lán)色光譜范圍內(nèi)已達(dá)到11.5W 的最大輸出功率。光電轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)45%，在6 小時(shí)內(nèi)的功率穩(wěn)定性優(yōu)于1.58%。