高效高功率LD抽運(yùn)被動(dòng)調(diào)Q c切Nd：GdVO4自拉曼激光器

賈宇龍，李述濤，董淵，于永吉，王超

（長(zhǎng)春理工大學(xué)理學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

高效高功率LD抽運(yùn)被動(dòng)調(diào)Q c切Nd：GdVO4自拉曼激光器

賈宇龍，李述濤，董淵，于永吉，王超

（長(zhǎng)春理工大學(xué)理學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

采用長(zhǎng)度為15mm的c切Nd：GdVO4作為自拉曼晶體，Cr：YAG作為飽和吸收體，曲率半徑為300mm的后腔鏡進(jìn)行了激光二極管（LD）抽運(yùn)的被動(dòng)調(diào)Q自拉曼激光器實(shí)驗(yàn)研究，分析了抽運(yùn)功率和腔鏡曲率對(duì)輸出功率，脈沖能量以及脈沖寬度的影響。在6.28W的輸入泵浦功率下獲得了716mW的1176nm激光輸出，從LD到拉曼光的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到11.4%，這是目前公開報(bào)道的LD泵浦被動(dòng)調(diào)Q Nd：GdVO4/Cr：YAG自拉曼激光器最高的輸出功率和轉(zhuǎn)換效率。

自拉曼激光器；被動(dòng)調(diào)Q；受激拉曼散射；Nd：GdVO4晶體

晶體中的受激拉曼散射是實(shí)現(xiàn)固體激光非線性頻率轉(zhuǎn)換以及拓展固體激光輸出光譜的重要方式。全固態(tài)自拉曼激光器由于激光晶體和拉曼晶體合二為一，具有體積小、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊和穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)，是內(nèi)腔式拉曼激光器的研究熱點(diǎn)［1］。調(diào)Q脈沖內(nèi)腔式拉曼激光器由于腔內(nèi)高峰值功率的基頻激光運(yùn)轉(zhuǎn)而易于實(shí)現(xiàn)高效率的受激拉曼散射，獲得高峰值功率的拉曼激光輸出，是內(nèi)腔式拉曼激光器的初始實(shí)現(xiàn)方式，并一直受到研究者的高度關(guān)注。其中，被動(dòng)調(diào)Q與主動(dòng)調(diào)Q相比，具有低成本、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)［2-3］，被動(dòng)調(diào)Q自拉曼激光器將被動(dòng)調(diào)Q與自拉曼相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、低成本的晶體拉曼激光器。

GdVO4晶體屬于鋯石結(jié)構(gòu)的四方空間群的氧化混合物，晶體的四倍對(duì)稱軸即為晶體的光軸c軸，晶體的a，b軸垂直于光軸c軸。由于晶體的各向異性，GdVO4晶體的輸出偏振特性和切割方式密切相關(guān)［4］。對(duì)于沿著a（a-cut）軸和c（c-cut）軸方向切割的GdVO4對(duì)1.06μm的受激發(fā)射截面不同，a-cut的受激發(fā)射截面（25×10-19cm2）為c-cut（6.5×10-19cm2）的4倍。GdVO4晶體具有優(yōu)良的物理、光學(xué)、機(jī)械性能，是理想的高功率輸出的微小型激光器的激光工作物質(zhì)。相比Nd：YAG晶體有更高的斜率效率，比Nd：YVO4晶體有更好的熱導(dǎo)性和高輸出功率［5-6］。2001年，Kaminskii等人發(fā)現(xiàn)，GdVO4晶體具有高的拉曼增益系數(shù)，并預(yù)測(cè)Nd：GdVO4將是一種很有前途的自拉曼激光晶體［7］。2003年，劉杰團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了Nd：GdVO4被動(dòng)調(diào)Q激光器輸出，分析對(duì)比不同增益介質(zhì)的泵浦閾值、轉(zhuǎn)換效率及脈沖寬度等激光特性，為在不同環(huán)境下選取合適的晶體提供一定實(shí)驗(yàn)依據(jù)［8］。2004年，陳永富等人分別實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)調(diào)Q和被動(dòng)調(diào)Q的Nd：GdVO4自拉曼激光器［9-10］，在同年，陳永富再次實(shí)現(xiàn)了被動(dòng)調(diào)Q的Nd：YVO4自拉曼激光器，并得到125mW的1178.6nm的拉曼光輸出，光光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到6.3%，這也是當(dāng)時(shí)首次以c-cut Nd：YVO4作為拉曼晶體的被動(dòng)調(diào)Q拉曼輸出報(bào)道［11］。2007到2008年間，蘇富芳等人對(duì)主動(dòng)和被動(dòng)c-cut Nd：GdVO4自拉曼激光器進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究［12-14］。2010年，Wang Z等人實(shí)現(xiàn)了LD泵浦主動(dòng)調(diào)Q c-cut Nd：GdVO4自拉曼激光器，在脈沖重復(fù)頻率為30kHz時(shí)，得到1173nm激光的最大平均輸出功率高達(dá)2.26W［15］。2012年，彭繼迎等人完成了有關(guān)用Cr：YAG作為飽和吸收體的被動(dòng)調(diào)Q a-cut Nd：GdVO4自拉曼激光器的報(bào)道，在最大泵浦功率10W時(shí)，得到1173nm最大平均輸出功率為204mW，脈寬為1.8ns，脈沖重復(fù)率為27.5kHz［16］。同年，劉永納等人對(duì)LD抽運(yùn)Cr4+：YAG被動(dòng)調(diào)Q c-cut Nd：YVO4自拉曼激光器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)采用不同初始透過(guò)率的飽和吸收體和不同反射率的輸出鏡進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究了初始透過(guò)率和反射率對(duì)拉曼光輸出特性的影響，在泵浦功率為4.8W時(shí)，拉曼光的最高平均功率為370mW，光光轉(zhuǎn)換效率為7.7%，并在實(shí)驗(yàn)中獲得了亞納秒級(jí)拉曼光輸出，最高單脈沖能量達(dá)到54μJ，最高峰值功率為47kW［17］。2013年，王美芹等人分別使用91%和85%不同初始透過(guò)率的Cr4+：YAG，在泵浦功率為4W時(shí)得到了410mW拉曼光輸出，相應(yīng)的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到10.3%［18］。

本文采用LD端面抽運(yùn)，初始透過(guò)率T0=91%的Cr4+：YAG作為飽和吸收體，實(shí)現(xiàn)了c-cut Nd：GdVO4自拉曼激光器。在泵浦功率為6.3W，拉曼激光輸出功率為716mW，從LD到拉曼光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了11.4%。綜上所述，本文實(shí)現(xiàn)了高功率和高效的Nd：GdVO4被動(dòng)調(diào)Q自拉曼激光輸出［20］。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為L(zhǎng)D泵浦被動(dòng)調(diào)Q Nd：GdVO4自拉曼激光器實(shí)驗(yàn)裝置圖。作為泵浦源的808nm光纖耦合輸出LD最大功率為30W，光纖數(shù)值孔徑0.22，纖芯直徑400μm。采用放大比例為1∶1的聚焦耦合透鏡系統(tǒng)使泵浦光束投射到Nd：GdVO4晶體。諧振腔腔型為凹平結(jié)構(gòu)。后腔鏡M1是凹面鏡，曲率半徑為300mm，鍍膜對(duì)1064nm和1180nm高反（R＞99.8%和Rs＞99.5%），并且對(duì)808nm激光雙面高透（T＞96%）。輸出鏡M2為平面鏡，鍍膜對(duì)1064nm高反（R＞99.8%）對(duì)1176nm激光反射率為92.7%。c-cut的Nd：GdVO4晶體摻Nd濃度為0.3-at.%，晶體尺寸為3×3×15mm3，兩側(cè)鍍膜對(duì)1064nm和1176nm高透，其中Nd：GdVO4晶體入射面鍍膜對(duì)808nm高透（T= 96%）。使用銦箔包裹Nd：GdVO4晶體，并放置在通水冷卻紫銅塊中，水溫控制在恒溫18℃。飽和吸收體Cr4+：YAG晶體長(zhǎng)度為1.6mm，厚度為3mm，對(duì)1.06μm激光的初始透過(guò)率為T0=91%，表面鍍膜對(duì)1064nm高透，用銦箔包裹后放置在通水冷卻紫銅塊中。激光器諧振腔長(zhǎng)度約為6cm。用以色列OPHIR公司生產(chǎn)的F150A功率計(jì)測(cè)量平均輸出功率。使用美國(guó)泰克公司DPO3054示波器記錄波形及脈沖寬度［20］。

圖1 LD泵浦被動(dòng)調(diào)Q Nd：GdVO4自拉曼激光器實(shí)驗(yàn)裝置

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

圖2為使用日本橫河公司的AQ6373光譜儀測(cè)量的拉曼光精細(xì)光譜圖，一階斯托克斯光中心波長(zhǎng)分別1176nm。拉曼光的平均輸出功率與脈沖能量隨輸入抽運(yùn)功率的變化如圖3所示。激光器的拉曼光閾值為1.789W，此時(shí)1176nm光輸出功率為72mW。當(dāng)輸入抽運(yùn)功率6.28W時(shí)獲得1176nm激光最大輸出功率716mW，這是被動(dòng)調(diào)Q Nd：GdVO4自拉曼激光器的最大輸出功率；相應(yīng)的從LD到拉曼光的轉(zhuǎn)換效率為11.4%，這是目前此類激光器的最高轉(zhuǎn)換效率，相應(yīng)的斜率效率為14.3%［20］。

根據(jù)平均輸出功率和脈沖重復(fù)頻率（PRF）可以推導(dǎo)出單脈沖能量。圖3體現(xiàn)了脈沖能量隨著抽運(yùn)功率的變化情況，使用較大曲率半徑的后腔鏡獲得了14.4到18.2μJ的單脈沖能量。起初，脈沖能量隨著抽運(yùn)功率的增大而增大，但當(dāng)抽運(yùn)功率達(dá)到4W時(shí)，脈沖能量呈下降趨勢(shì)。這些現(xiàn)象可以說(shuō)明，當(dāng)抽運(yùn)功率小時(shí)，熱畸變并不明顯，泵浦功率的增加導(dǎo)致了腔內(nèi)光束分布的變化，接近于最優(yōu)值。當(dāng)抽運(yùn)功率持續(xù)變大會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的熱效應(yīng)，從而影響了基頻光向一階斯托克斯光的轉(zhuǎn)換效率［20］。

圖2 LD泵浦被動(dòng)調(diào)Q Nd：GdVO4自拉曼激光器輸出拉曼光光譜圖

圖3 1176nm拉曼光的平均輸出功率與脈沖能量隨輸入抽運(yùn)功率的變化

2013年王美芹團(tuán)隊(duì)以相同的拉曼晶體，兩種不同初始透過(guò)率Cr4+：YAG作為飽和吸收體完成相同實(shí)驗(yàn)報(bào)道［18］。與其相比，本文中的后腔鏡有更大的曲率半徑（300mm：150mm）以及相對(duì)較長(zhǎng)的諧振腔（60mm：35mm），可以獲得更大的腔內(nèi)橫模寬度和較小的漂白系數(shù)［19］，同時(shí)較長(zhǎng)的腔長(zhǎng)不利于腔內(nèi)峰值功率密度的提高，這些因素都不利于一階斯托克斯光的產(chǎn)生。而根據(jù)ABCD矩陣?yán)碚摽梢杂?jì)算得知，文獻(xiàn)［18］的腔內(nèi)光束半徑遠(yuǎn)小于抽運(yùn)光束在自拉曼介質(zhì)中的平均半徑，根據(jù)文獻(xiàn)［19］可知，較小的腔內(nèi)光束半徑有利于基頻光和拉曼光起振，降低閾值，但泵浦光與腔內(nèi)光束的比例并不是越小越好，而是存在一個(gè)最佳值，而本文中的腔內(nèi)光束半徑與抽運(yùn)光束半徑相近，可以獲得遠(yuǎn)大于文獻(xiàn)［18］的抽運(yùn)光束與腔內(nèi)激光的耦合效率，有利于提高抽運(yùn)光到基頻光的轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)，由于拉曼光束凈化作用的存在，拉曼激光的光束質(zhì)量要比基頻光好的多，即使基頻光多橫模振蕩時(shí)，拉曼光也基本以單橫模運(yùn)轉(zhuǎn)。在熱效應(yīng)嚴(yán)重時(shí)，基本以基模振蕩的拉曼光受到的影響要比以多橫模振蕩的基頻光嚴(yán)重的多，從基頻光到拉曼光的轉(zhuǎn)換效率會(huì)嚴(yán)重下降。本文中的腔內(nèi)激光具有較大的橫模尺寸，受到熱效應(yīng)的影響要比文獻(xiàn)［18］中小。本文中的自拉曼晶體釹離子摻雜比例較低（0.3at.%：0.5at.%），有益于降低熱效應(yīng)的影響；同時(shí)具有長(zhǎng)度上的優(yōu)勢(shì)（15mm：9mm），提高了拉曼增益；結(jié)合合適的輸出鏡透過(guò)率，在實(shí)驗(yàn)中獲得了高效的轉(zhuǎn)換效率和高功率的1176nm激光輸出［20］。

圖4 1176nm拉曼光的脈沖重復(fù)率與脈寬隨輸入抽運(yùn)功率的變化

圖4為拉曼光的脈沖重復(fù)率（PRF）與脈寬隨輸入抽運(yùn)功率的變化圖。在輸入抽運(yùn)功率為6.28W時(shí)我們獲得了脈沖重復(fù)率的最大值49.7kHz。相對(duì)較大曲率半徑的后腔鏡可以在較短的時(shí)間積累反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，使激光器更快達(dá)到閾值。在激光器平均輸出功率開始下降，PRF仍然呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。這意味著由于拉曼光束凈化的原因，一階斯托克斯光相比基頻光更容易受到熱效應(yīng)的影響。對(duì)于固定的曲率半徑R和初始透過(guò)率T0，脈沖寬度隨抽運(yùn)功率的增大而略有減?。?0］。

圖5 輸出被動(dòng)調(diào)Q拉曼光和基頻光的脈沖波形

圖5為使用美國(guó)泰克公司DPO3054示波器觀察到的輸出被動(dòng)調(diào)Q拉曼光和基頻光的脈沖波形圖。抽運(yùn)功率為6.28W時(shí)輸出拉曼光和基頻光的單脈沖波形圖，拉曼光脈寬為7.02ns，相對(duì)應(yīng)的是同一時(shí)刻基頻光的單脈沖波形。

3 結(jié)論

使用曲率半徑R=300mm后腔鏡對(duì)LD抽運(yùn)的Cr：YAG被動(dòng)調(diào)Q c切的Nd：GdVO4自拉曼激光器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，研究了抽運(yùn)功率對(duì)輸出功率，脈沖能量以及脈沖寬度的影響。本文得到了良好的輸出功率和轉(zhuǎn)換效率，輸入泵浦功率為6.28W時(shí)，獲得平均輸出功率為716mW，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了11.4%。據(jù)我們所知，這是目前LD泵浦被動(dòng)調(diào)Q Nd：GdVO4自拉曼激光器最高的轉(zhuǎn)換效率［20］。

［1］丁雙紅.全固態(tài)拉曼激光器理論與實(shí)驗(yàn)研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2006.

［2］王成，方志丹，李曉英，等.激光二極管泵浦的全固體激光器［J］.長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2001，24（1）：55-58.

［3］金元筆，金光勇，王雷，等.Nd：YVO4/Cr4+：YAG被動(dòng)調(diào)Q激光器輸出特性的提高［J］.長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015，38（3）：41-45.

［4］梁紅艷，于浩海，張懷金，等.GdVO4晶體的生長(zhǎng)及其性能研究［J］.人工晶體學(xué)報(bào)，2007，36（01）：47-51.

［5］戴厚梅，田來(lái)科，徐兵.新型激光晶Nd：GdVO4［J］.光子學(xué)報(bào)，2007（S1）：95-98.

［6］李永亮，姚建波，曾佑洪，等.和頻黃光激光器研制［J］.長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，33（2）：51-53.

［7］Kaminskii A A，Kenichi.U，Eichler H J，et al.Tetragonal vanadates YVO4and GdVO4new efficient X（3）-materials for Raman lasers［J］.Optics Communications，2001，194（1）：201-206.

［8］劉杰，楊濟(jì)民，何京良.LD抽運(yùn)Nd：YVO4、Nd：GdVO4和Nd：YAG激光特性比較［J］.激光雜志，2003，24（05）：28-30.

［9］Chen Y F.Compact efficient self-frequency Raman conversionindiode-pumpedpassivelyQ-switched Nd：GdVO4laser［J］.Applied Physics B，2004，78（6）：685-687.

［10］Chen Y F.Efficient 1521nm Nd：GdVO4Raman laser［J］.Optics Letters，2004，29（22）：2632-2634.

［11］Chen Y F.Efficient subnanosecond diode-pumped passivelyQ-switchedNd：YVO4self-stimulated Ramanlaser.［J］.OpticsLetters，2004，29（7）：1251-1253.

［12］Su Fu，Zhang X，Wang Q，et al.Theoretical and experimentalstudyonadiode-pumpedactively Q-switched Nd：GdVO4，self-stimulated Raman laser at1173nm［J］.Optics Communications，2007，277（2）：379-384.

［13］蘇富芳，張行愚，王青圃，等.被動(dòng)調(diào)Q自拉曼Nd∶GdVO4激光器［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2007，27（10）：1831-1835.

［14］Su F，Zhang X，Wang Q，et al.Analysis of a diode-pumpedpassivelyQ-switchedNd：GdVO4，self-stimulating Raman laser［J］.Optical Materials，2008，30（12）：1895-1899.

［15］Wang Z，Du C，Ruan S，et al.Laser diode pumped actively Q-switched Nd：GdVO4self-Raman laser operating at 1173nm［J］.Optics&Laser Technology，2010，42（5）：716-719.

［16］PengJY，ZhengY，ShiYX，etal.Passively Q-switcheda-cutNd：GdVO4self-Ramanlaser with Cr：YAG［J］.Optics&Laser Technology，2012，44（44）：2175-2177.

［17］劉永納，江飛虹，王淑梅，等.LD抽運(yùn)Cr4+：YAG被動(dòng)調(diào)Q c-cut Nd：YVO4自拉曼激光器［J］.中國(guó)激光，2012（07）：14-19.

［18］Wang M Q，Ding S H，Yu W Y，et al.High-efficientdiode-pumpedpassivelyQ-switchedc-cut Nd：GdVO4self-Ramanlaser［J］.LaserPhysics Letters，2013，10（4）：916-923.

［19］Ding S，Zhang X，Wang Q，et al.Numerical modelling of passively Q-switched intracavity Raman lasers［J］.Journal of Physics D Applied Physics，2007，40（9）：2736-2747.

［20］賈宇龍.內(nèi)腔式拉曼激光器的光束凈化研究［D］.長(zhǎng)春：長(zhǎng)春理工大學(xué)，2017.

Investigation on Highly-efficient Diode-pumped Cr：YAG Q-switched c-cut Nd：GdVO4Self-Raman Laser

JIA Yulong，LI Shutao，DONG Yuan，YU Yongji，WANG Chao
（School of Science，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

A diode-pumped passively Q-switched self-Raman laser with concave-plane cavity is investigated experimentally，in which a 15mm long c-cut Nd：GdVO4is used as the self-Raman crystal and a Cr4+：YAG crystal with 91%initial transmittance is used as the saturable absorber.The curvature radius of the rear mirror is 300mm and the overall length of the cavity is 60mm.The maximum average output power of 716mW at 1176nm is obtained at an incident pump power of 6.28W，the corresponding conversion efficiency is 11.4%which is the highest conversion efficiency of the passively Q-switched self-Raman laser.

self-Raman laser；passively Q-switched；stimulated Raman scattering；Nd：GdVO4crystal

TN24，O043

A

1672-9870（2017）01-0019-04

2016-10-15

長(zhǎng)春理工大學(xué)青年科學(xué)基金（XQNJJ-2013-02）

賈宇龍（1990-），男，碩士研究生，E-mail：2558817@qq.com

李述濤（1976-），男，博士，助理研究員，E-mail：shutaolee@gmail.com