賈宇龍，李述濤，董淵，于永吉，王超

（長春理工大學(xué)理學(xué)院，長春 130022）

高效高功率LD抽運被動調(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

（長春理工大學(xué)理學(xué)院，長春 130022）

采用長度為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的后腔鏡進行了激光二極管（LD）抽運的被動調(diào)Q自拉曼激光器實驗研究，分析了抽運功率和腔鏡曲率對輸出功率，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)換效率達到11.4%，這是目前公開報道的LD泵浦被動調(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，是內(nèi)腔式拉曼激光器的研究熱點［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轉(zhuǎn)而易于實現(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現(xiàn)方式，并一直受到研究者的高度關(guān)注。其中，被動調(diào)Q與主動調(diào)Q相比，具有低成本、結(jié)構(gòu)緊湊的特點［2-3］，被動調(diào)Q自拉曼激光器將被動調(diào)Q與自拉曼相結(jié)合，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)簡單、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］。對于沿著a（a-cut）軸和c（c-cut）軸方向切割的GdVO4對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Nd：GdVO4將是一種很有前途的自拉曼激光晶體［7］。2003年，劉杰團隊實現(xiàn)了Nd：GdVO4被動調(diào)Q激光器輸出，分析對比不同增益介質(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驗依據(jù)［8］。2004年，陳永富等人分別實現(xiàn)了主動調(diào)Q和被動調(diào)Q的Nd：GdVO4自拉曼激光器［9-10］，在同年，陳永富再次實現(xiàn)了被動調(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)換效率達到6.3%，這也是當時首次以c-cut Nd：YVO4作為拉曼晶體的被動調(diào)Q拉曼輸出報道［11］。2007到2008年間，蘇富芳等人對主動和被動c-cut Nd：GdVO4自拉曼激光器進行了理論和實驗研究［12-14］。2010年，Wang Z等人實現(xiàn)了LD泵浦主動調(diào)Q c-cut Nd：GdVO4自拉曼激光器，在脈沖重復(fù)頻率為30kHz時，得到1173nm激光的最大平均輸出功率高達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調(diào)Q a-cut Nd：GdVO4自拉曼激光器的報道，在最大泵浦功率10W時，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LD抽運Cr4+：YAG被動調(diào)Q c-cut Nd：YVO4自拉曼激光器進行了實驗研究，通過采用不同初始透過率的飽和吸收體和不同反射率的輸出鏡進行實驗，研究了初始透過率和反射率對拉曼光輸出特性的影響，在泵浦功率為4.8W時，拉曼光的最高平均功率為370mW，光光轉(zhuǎn)換效率為7.7%，并在實驗中獲得了亞納秒級拉曼光輸出，最高單脈沖能量達到54μJ，最高峰值功率為47kW［17］。2013年，王美芹等人分別使用91%和85%不同初始透過率的Cr4+：YAG，在泵浦功率為4W時得到了410mW拉曼光輸出，相應(yīng)的轉(zhuǎn)換效率達到10.3%［18］。

本文采用LD端面抽運，初始透過率T0=91%的Cr4+：YAG作為飽和吸收體，實現(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)換效率達到了11.4%。綜上所述，本文實現(xiàn)了高功率和高效的Nd：GdVO4被動調(diào)Q自拉曼激光輸出［20］。

1 實驗裝置

圖1為LD泵浦被動調(diào)Q Nd：GdVO4自拉曼激光器實驗裝置圖。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1064nm和1180nm高反（R＞99.8%和Rs＞99.5%），并且對808nm激光雙面高透（T＞96%）。輸出鏡M2為平面鏡，鍍膜對1064nm高反（R＞99.8%）對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1064nm和1176nm高透，其中Nd：GdVO4晶體入射面鍍膜對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晶體長度為1.6mm，厚度為3mm，對1.06μm激光的初始透過率為T0=91%，表面鍍膜對1064nm高透，用銦箔包裹后放置在通水冷卻紫銅塊中。激光器諧振腔長度約為6cm。用以色列OPHIR公司生產(chǎn)的F150A功率計測量平均輸出功率。使用美國泰克公司DPO3054示波器記錄波形及脈沖寬度［20］。

圖1 LD泵浦被動調(diào)Q Nd：GdVO4自拉曼激光器實驗裝置

2 實驗結(jié)果及討論

圖2為使用日本橫河公司的AQ6373光譜儀測量的拉曼光精細光譜圖，一階斯托克斯光中心波長分別1176nm。拉曼光的平均輸出功率與脈沖能量隨輸入抽運功率的變化如圖3所示。激光器的拉曼光閾值為1.789W，此時1176nm光輸出功率為72mW。當輸入抽運功率6.28W時獲得1176nm激光最大輸出功率716mW，這是被動調(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，脈沖能量隨著抽運功率的增大而增大，但當抽運功率達到4W時，脈沖能量呈下降趨勢。這些現(xiàn)象可以說明，當抽運功率小時，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。當抽運功率持續(xù)變大會導(dǎo)致嚴重的熱效應(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功率的變化

2013年王美芹團隊以相同的拉曼晶體，兩種不同初始透過率Cr4+：YAG作為飽和吸收體完成相同實驗報道［18］。與其相比，本文中的后腔鏡有更大的曲率半徑（300mm：150mm）以及相對較長的諧振腔（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］，同時較長的腔長不利于腔內(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矩陣理論可以計算得知，文獻［18］的腔內(nèi)光束半徑遠小于抽運光束在自拉曼介質(zhì)中的平均半徑，根據(jù)文獻［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，而是存在一個最佳值，而本文中的腔內(nèi)光束半徑與抽運光束半徑相近，可以獲得遠大于文獻［18］的抽運光束與腔內(nèi)激光的耦合效率，有利于提高抽運光到基頻光的轉(zhuǎn)換效率。同時，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，拉曼光也基本以單橫模運轉(zhuǎn)。在熱效應(yīng)嚴重時，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重的多，從基頻光到拉曼光的轉(zhuǎn)換效率會嚴重下降。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［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；同時具有長度上的優(yōu)勢（15mm：9mm），提高了拉曼增益；結(jié)合合適的輸出鏡透過率，在實驗中獲得了高效的轉(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）與脈寬隨輸入抽運功率的變化圖。在輸入抽運功率為6.28W時我們獲得了脈沖重復(fù)率的最大值49.7kHz。相對較大曲率半徑的后腔鏡可以在較短的時間積累反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，使激光器更快達到閾值。在激光器平均輸出功率開始下降，PRF仍然呈現(xiàn)上升趨勢。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。對于固定的曲率半徑R和初始透過率T0，脈沖寬度隨抽運功率的增大而略有減小［20］。

圖5 輸出被動調(diào)Q拉曼光和基頻光的脈沖波形

圖5為使用美國泰克公司DPO3054示波器觀察到的輸出被動調(diào)Q拉曼光和基頻光的脈沖波形圖。抽運功率為6.28W時輸出拉曼光和基頻光的單脈沖波形圖，拉曼光脈寬為7.02ns，相對應(yīng)的是同一時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LD抽運的Cr：YAG被動調(diào)Q c切的Nd：GdVO4自拉曼激光器進行了實驗研究，研究了抽運功率對輸出功率，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，獲得平均輸出功率為716mW，轉(zhuǎn)換效率達到了11.4%。據(jù)我們所知，這是目前LD泵浦被動調(diào)Q Nd：GdVO4自拉曼激光器最高的轉(zhuǎn)換效率［20］。

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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