用于水下激光測量的Nd:GdVO4456nm 深藍激光的研究

張艷波 張文彥

（長春新產業(yè)光電技術有限公司，吉林 長春130012）

對于許多應用，例如水下激光測量，光學數據存儲，通信，光譜學，大圖像投影和醫(yī)療應用，迫切需要高功率藍光。對于此類應用，高功率藍光光源必須緊湊，具有高的光學效率和長的可靠使用壽命。二極管泵浦固態(tài)藍光激光器是實現藍光光源的一種有前途的方法[1]。在水下工作的激光在藍色波長下的透明窗口可能觀察到較低的減小。藍色激光的高功率可以傳輸更長的距離，而456nm 的深藍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 泵浦準三能級946nm Nd：YAG 激光器之后，對腔內二次諧波產生的473nm 藍光進行了廣泛的研究[6]。為了獲得例如在460nm 以下的更深的藍色光譜區(qū)域，Nd:GdVO4是實現上述目標的候選者。使用簡單的線性諧振器，在912nm處獲得190mW 的30mW 456nm 激光。 Z 腔用于在456nm 處實現840mW 的輸出功率，其斜率效率高達16%。相應的456nm藍色激光可在市場上買到，輸出功率為5.3W[7]。

在這項工作中，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 長的LBO 晶體切割為室溫下的關鍵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，在456nm的深藍色光譜范圍內已達到11.5W 的最大輸出功率。光電轉換效率最高可達45%，在6 小時內的功率穩(wěn)定性優(yōu)于1.58%。

圖1 腔內倍頻Nd：GdVO4 基態(tài)激光器的設置

1 實驗裝置

腔內倍頻深藍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 泵浦的數值孔徑為0.22。它的發(fā)射中心波長在室溫下為806.4nm，可以通過改變散熱器的溫度進行調整，以使其與激光晶體的最佳吸收相匹配。耦合光學器件由兩個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%。因為在泵浦光斑區(qū)域中泵浦光強度足夠高，所以必須很好地調整第一個透鏡以準直泵浦光束，因為它將嚴重影響焦點。但是，兩個透鏡之間的距離可以通過實驗自由調節(jié)。對于像差，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。激光晶體的左側鍍有泵浦波長和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激光晶體來減少熱透鏡效應和準三能級發(fā)射的重吸收，確保將吸收足夠的泵浦能量。當調節(jié)泵浦波長以匹配Nd:GdVO4的吸收峰時，大約60%的泵浦功率被吸收。激光晶體的溫度通過熱電冷卻器（TEC）保持在15 攝氏度的恒定值，這有助于產生較小的終端激光能級熱量分布和穩(wěn)定的輸出功率。較低的溫度對于在912nm 的Nd：GdVO4譜線上高效運行至關重要。 激光晶體的右側在808nm，912nm，1063nm 和1341nm 處進行了抗反射膜層，以減少912nm 諧振的損耗并抑制1063nm 和1341nm 的強線。平面鏡M1 的左側在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。當滿足Nd:GdVO4和反射鏡兩面的膜層要求時，912nm 光譜線可能會獨立振蕩。通過TEC 對LDA，整個腔體和晶體進行冷卻，以實現主動溫度控制，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，因為其走離角小，光譜和角度接受帶寬大。 LBO 晶體的兩個面都進行了鍍膜，以在456nm 和912nm 處進行減反射，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上以進行主動溫度控制。

2 結論

在25.6W 的總泵浦功率下，可獲得11.5W 的深藍色激光。高轉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，高發(fā)射閾值和456nm 輸出功率的轉折點從數十毫瓦迅速上升到數百毫瓦。產生這些現象的原因是由于912nm 基波的準三能級的重吸收損耗飽和。在較低的泵浦功率下，諧振器中存在較低的循環(huán)強度，并且相應的高重吸收損耗導致較高的閾值。隨著泵浦功率的增加，循環(huán)強度變得如此之高，以至于它抵消了重吸收損失，并且此時輸出功率突然增加。之后，激光器將像四級系統一樣工作。當入射泵浦功率為25.5W 時，通過過濾808nm 和912nm 紅外光測得的輸出功率高達11.5W。光電轉換效率高達45%。

通過FieldMaster-GS 功率計測得的輸出穩(wěn)定性優(yōu)于1.58%。圖2 是光束質量測試結果，表明456nm 處的激光輸出在TEM00 模式下工作，并且光束的遠場強度分布。

圖2 456nm 激光光斑模式及光束質量

6 小時內輸出功率的波動優(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，較大的熱導率歸因于準三能級激光系統中激光晶體溫度波動對較低能級群體的影響很小，從而提高了激光效率。

結束語

總而言之，已經證明了在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長的LBO 晶體切割為室溫下的關鍵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，在456nm 的深藍色光譜范圍內已達到11.5W 的最大輸出功率。光電轉換效率最高可達45%，在6 小時內的功率穩(wěn)定性優(yōu)于1.58%。