聲光調Q Nd:YVO4 晶體級聯拉曼倍頻窄脈寬657 nm 激光器*

段延敏 周玉明 孫瑛璐 李志紅 張耀舉 王鴻雁 朱海永?

1) (溫州大學數理學院，溫州 325035)

2) (溫州大學電氣與電子工程學院，溫州 325035)

3) (青島海泰光電技術有限公司，青島 266100)

本工作對聲光調Q 的Nd:YVO4 晶體級聯自拉曼腔內二階斯托克斯光倍頻實現窄脈寬紅光激光進行了研究.從改善自拉曼晶體熱效應出發,綜合考慮基頻激光性能和提高拉曼變頻性能,設計了三段式鍵合YVO4/Nd:YVO4/YVO4 晶體來提升拉曼轉換效率和輸出功率.選用針對二階斯托克斯波長倍頻的室溫臨界相位匹配切割的LBO 晶體作為非線性光學晶體.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,有利于實現高效的倍頻轉換效率.通過抽運光束腰位置、聲光調Q 重復頻率等參數優化,在14.2 W抽運功率和60 kHz 重復頻率下,獲得最高平均輸出功率1.63 W、轉換效率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 波段激光倍頻實現的紅光激光,表明通過級聯拉曼倍頻技術可發揮拉曼過程脈寬壓縮特性實現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激光的一種重要變頻手段,已成為激光與非線性光學領域的研究熱點[1?3].通過拉曼變頻,可使激光波長往長波方向拓展,能得到普通激光難以直接發射的波長.釩酸鹽晶體本身擁有較大的拉曼增益,是極具代表性的一類拉曼介質[4,5].同時,稀土離子摻雜的釩酸鹽晶體也是一類優秀的激光介質[6].2001 年,Kaminskii 等[7]研究表明YVO4是優良的拉曼晶體,并指出Nd:YVO4可作為產生新型可見和近紅外波段激光的自拉曼晶體.2004 年Chen[8]首次報道了半導體激光(LD)端面抽運Nd:YVO4晶體的自拉曼激光實驗.隨后,針對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 抽運功率和40 kHz 重復頻率下,獲得最大輸出功率2.34 W 的1313 nm 激光,轉換效率為16%.針對Nd:YVO4晶體級聯拉曼可獲得高效的1.3 μm 二階斯托克斯激光,為進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、醫療以及作為Cr:LiSAF 等可調諧激光器的抽運源等方面具有廣泛的應用.

目前獲得紅光激光的常用技術是利用KTP,LBO 等非線性光學晶體對摻釹激光晶體的1.3 μm基頻激光進行倍頻,這種方式已經被許多研究者報道,而且調Q 產生的脈寬偏寬.2007 年,Huang 等[12]報道了基于聲光調Q 的Nd:YVO4晶體1.3 μm 基頻光倍頻的紅光激光器.在14.8 W 吸收抽運功率和15 kHz 重復頻率下,獲得平均輸出功率1.37 W,脈沖寬度33 ns 的紅光輸出,相應的光轉換效率為9.3%.2007 年,Qin 等[13]采用雙二極管抽運Nd:YVO4晶體,在78.4 W 總抽運功率下,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,甚至數百ns[14?16].近年來,利用藍光抽運摻鐠激光材料直接輸出紅光激光的技術獲得快速發展[17,18],目前可獲得高效的瓦級紅光波段激光,但脈寬也都在數百納秒量級[19,20].

拉曼過程存在著光束凈化效應和脈寬壓縮特性[21,22],所以級聯拉曼倍頻可望獲得高光束質量、窄脈寬紅光激光.2010 年,Lee 等[23]報道了利用通過非臨界相位匹配切割LBO 晶體對連續波Nd:GdVO4級聯自拉曼腔內一階和二階斯托克斯光的和頻,獲得了輸出功率1027 mW,轉換效率4.9%的620 nm 激光輸出,同時指出對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 ℃而難以實現.本文首次對聲光調Q 的Nd:YVO4晶體級聯自拉曼二階斯托克斯光倍頻實現紅光激光進行研究.選用接近非臨界相位匹配(θ=86.0°,φ=0°)切割LBO 晶體在室溫下進行二階斯托克斯光的倍頻.設計三段式鍵合YVO4/Nd:YVO4/YVO4晶體來改善自拉曼晶體熱效應,同時可增大拉曼增益介質作用長度,達到提升拉曼轉換效率和輸出功率.在14.2 W 抽運功率和60 kHz 重復頻率下,獲得輸出功率1.63 W、轉換效率達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 波段激光倍頻實現的紅光激光.

2 鍵合拉曼晶體設計分析及倍頻晶體選擇

在自拉曼激光產生過程中,自拉曼晶體中疊加了激光產生過程和拉曼轉換過程的熱效應,相對普通激光晶體具有更嚴重的熱效應.隨著抽運功率的提高,熱效應成為限制自拉曼激光輸出功率和光束質量提升的重要因數.因此,從改善自拉曼晶體熱效應出發,綜合考慮激光性能和提高拉曼變頻性能,提出對自拉曼晶體進行三段式鍵合設計.圖1給出本實驗所用三段式鍵合YVO4/Nd:YVO4/YVO4晶體.中間的激光增益介質部分的長度和濃度考慮有利于基頻激光性能和對抽運光吸收來選擇,根據前期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晶體不但可通過熱傳導幫助自拉曼晶體散熱,改善拉曼器件的熱效應,而且可與自拉曼激光晶體一起作為拉曼增益介質,增長了拉曼介質的作用長度,有效提高拉曼變頻效率和輸出功率.抽運輸入端鍵合的基質晶體通過熱傳導方式幫助激光增益介質改善抽運光入射端嚴重的熱效應,同時考慮入射抽運光斑和晶體孔徑大小,不宜過長,選用尺寸為3 mm ×3 mm×3 mm 的純YVO4晶體;另一端鍵合的較長基質晶體,以增大拉曼增益介質長度以提高拉曼變頻 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散鍵合技術實現復合:首先將三段晶體端面經過精密拋光處理后貼在一起形成光膠,然后再對晶體進行熱處理,實現界面分子相互擴散、融合,最終形成穩定化學鍵,達到真正意義上的結合為一體.最近,本課題組采用該三段式鍵合設計晶體進行自拉曼腔內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],在更高抽運功率下,實現了更高輸出功率和效率的黃綠波段激光輸出,所以三段式鍵合設計晶體也將更有利于級聯拉曼獲得高輸出功率和轉換效率.

YVO4晶體最強拉曼增益的頻移為890 cm–1,對應的增益系數大于4.5 cm/GW[7],對應Nd:YVO4晶體1064 nm 基頻光的一階斯托克斯光波長為1176 nm,二階斯托克斯波長為1313 nm.為了規避類似文獻[23]中采用非臨界相位匹配LBO 對二階斯托克斯波長倍頻需要溫控在零下的問題,本實驗中改用針對二階斯托克斯波長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晶體提高轉換效率.本實驗中選用同文獻[26]非臨界相位匹配LBO 晶體一樣長度(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 長晶體計算得到的最大走離偏移約為53 μm,遠小于腔內基模光斑直徑.

3 實驗裝置設計

圖2 為LD 端面抽運三段式鍵合YVO4/Nd:YVO4/YVO4晶體級聯拉曼倍頻紅光激光實驗裝置示意圖.抽運源為工作波長808 nm 的光纖耦合輸出的半導體激光,其光纖芯徑為200 μm、數值孔徑為0.22.抽運光經過一對焦距為50 和80 mm的耦合透鏡準直再聚焦到三段式鍵合晶體中的Nd:YVO4晶體內,形成一個直徑為320 μm 的束腰光斑.緊隨鍵合晶體后,放置型號為QS041-10GGHI2 (Gooch &Housego 公司)的聲光Q 開關,用于實現主動調Q 脈沖激光振蕩.

圖2 Nd:YVO4 晶體級聯拉曼倍頻紅光激光實驗裝置示意圖Fig.2.Experimental arrangement offrequency doubling of Nd:YVO4 cascade Raman laser for red light emission.

實驗裝置中,YVO4/Nd:YVO4/YVO4鍵合晶體兩端鍍制的膜系對1064,1176 和1313 nm 增透,而且抽運輸入端同時對抽運光808 nm 增透,另一端面同時對倍頻紅光657 nm 高反(R >95%),起到反射反方向倍頻產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 晶體同鍵合晶體側面均采用銦箔包裹并置于紫銅塊內,用半導體制冷控溫系統(TEC)控制溫度在25 ℃左右.由一個抽運光輸入腔鏡IM 和倍頻輸出腔鏡OC 組成平凹腔結構,作為基頻、一階和二階斯托克斯光共用的諧振腔.對應模擬計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%),同時對抽運光808 nm 高透(T >95%)的膜系.輸出鏡OC 鍍對1064,1176 和 1313 nm高反,同時對倍頻光657 nm 高透的膜系.

4 實驗結果與討論

基于以上實驗裝置設計,在10.5 W 輸入抽運功率下,將重復頻率設在30 kHz,60 kHz 和90 kHz 下優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.其中重復頻率60 kHz 時的紅光輸出功率最高,對應的轉換效率為12.1%.針對紅光激光的平均輸出功率,在10.5 W 抽運功率下優化系統后降低抽運功率,再從閾值開始記錄輸出功率,得到的平均輸出功率隨抽運功率的變換關系如圖3 所示.發現紅光從閾值4.27 W 開始,在5.5 W 抽運功率下獲得0.54 W 的輸出功率后,輸出功率開始下降并出現較大的跳動,在7.9 W 抽運功率下,輸出功率開始重新快速增大,直到獲得最高的輸出功率.進一步對不加LBO 晶體的情況下,用對1064和1176 nm 高反,對1313 nm 透過率為47%的輸出鏡片對二階斯托克斯光的輸出特性進行研究.在60 kHz 重復功率下,發現二階斯托克斯光在更高15.5 W 入射抽運功率下,獲得最高輸出功率2.18 W 的1313 nm 激光輸出,對應的光光轉換效率14.1%.由輸出功率曲線可知,輸出功率隨著抽運功率的升高,也存在先增大后減小再快速增大的特點;而且在10.5 W 抽運功率附近,輸出功率出現模式變換引起的平坦區后再增大.

圖3 在10.5 W 入射抽運功率下優化后測量的二階斯托克斯光及其倍頻紅光輸出功率與入射抽運功率關系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,通過調節抽運光束腰在Nd:YVO4晶體里的位置,發現增大束腰位置與抽運光輸入端面的距離,可在更高的14.2 W 抽運功率下獲得更高1.63 W 的輸出功率,光轉換效率11.5%.利用功率計觀察了輸出激光穩定性,在0.5 h 內功率波動在波動范圍在1.55—1.63 W 之間,穩定性約為5%.并使用光纖光譜儀 (AvaSpec,3648-2-USB2)測量對最高輸出功率下的激光輸出的光譜進行測量.圖4 給出了優化抽運光束腰位置后的輸出功率曲線及最高輸出功率下測量的激光譜線.由譜線圖可知,輸出激光主要為中心波長656.7 nm 的倍頻紅光,線寬約0.3 nm.伴隨紅光輸出還測到微弱的587.9 和620.4 nm 波長,分別為一階斯托克斯光的倍頻波長和一階與二階斯托克斯光的和頻波長.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應的抽運功率也對應升高.分析其原因主要隨著束腰位置深入激光增益介質,端面抽運光斑增大,增益介質上的抽運光功率密度下降,導致閾值升高,同時等效熱透鏡焦距的主平面將往激光輸出方向靠近,增益介質的熱透鏡效應也變弱,所以可以在更高的抽運功率下實現最高的輸出功率.結合前期實驗表明輸出功率隨著抽運功率先增后減再增的功率變化趨勢主要體現在三段式鍵合晶體中[25,27],具體原因有待進一步研究.

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

進一步對級聯拉曼倍頻紅光脈沖特性進行測量.采用InGaAs 自由空間光電探測器(5 GHz,Thorlabs)接收紅光激光,并由型號 DPO3052B 泰克數字示波器呈現脈沖特性.紅光脈沖寬度隨著抽運功率的增加,引起基頻脈寬變窄而變窄.圖5 給出了14.2 W 入射抽運功率下,最高輸出功率1.63 W時測量得到的脈沖波形和序列.紅光激光脈沖重復頻率60 kHz,所以對應的單脈沖能力為27.2 μJ;測量得到的脈沖寬度為11.5 ns,計算得到峰值功率2.4 kW.相對普通摻釹激光晶體1.3 μm 波段倍頻的數十納秒的脈寬,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 結論

本文研究了LD 端面抽運YVO4/Nd:YVO4/YVO4晶體的聲光調 Q 級聯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出發,綜合考慮激光性能和提高拉曼變頻性能,對自拉曼晶體進行三段式鍵合設計,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晶體對二階斯托克斯光進行倍頻,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.通過抽運光束腰位置、重復頻率等參數優化,在14.2 W 抽運功率和60 kHz 重復頻率下,獲得輸出功率1.63 W、轉換效率達11.5%的657 nm 紅光激光輸出.由于級聯拉曼過程的脈寬壓縮特性,657 nm 紅光的脈沖寬度為11.5 ns,相對已報道的1.3 μm 波段基頻光倍頻的紅光激光器,本文設計的級聯自拉曼二階斯托克斯光倍頻產生的紅光激光脈沖寬度更窄,光束質量更好.