張?chǎng)?張?zhí)N川 李建 李仁杰 宋慶坤 張佳樂(lè) 樊莉2)?

1)(揚(yáng)州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,應(yīng)用光子技術(shù)研究所,揚(yáng)州 225002)

2)(南京大學(xué),固體微結(jié)構(gòu)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210093)

波長(zhǎng)鎖定激光二極管共振泵浦Nd:YVO4晶體連續(xù)波自拉曼激光器的設(shè)計(jì)與研究?

張?chǎng)?)張?zhí)N川1)李建1)李仁杰1)宋慶坤1)張佳樂(lè)1)樊莉1)2)?

1)(揚(yáng)州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,應(yīng)用光子技術(shù)研究所,揚(yáng)州 225002)

2)(南京大學(xué),固體微結(jié)構(gòu)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210093)

對(duì)波長(zhǎng)鎖定878.9 nm的激光二極管共振泵浦Nd:YVO4晶體的全固態(tài)連續(xù)波自拉曼激光器進(jìn)行了理論研究.考慮了激光晶體在共振泵浦時(shí)的熱透鏡效應(yīng),采用ABCD傳輸矩陣法和等效G參數(shù)法,計(jì)算了當(dāng)采用不同曲率半徑輸出鏡時(shí)腔內(nèi)振蕩激光的腔模參數(shù),通過(guò)比較抽運(yùn)光與振蕩激光模式匹配的情況和拉曼晶體中基頻光功率密度的大小,分析了不同腔結(jié)構(gòu)對(duì)拉曼激光輸出功率的影響,給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的理論解釋,并進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)了諧振腔結(jié)構(gòu).最終獲得了5.3 W的高功率1175 nm連續(xù)拉曼激光輸出,光光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到20%.

自拉曼激光,連續(xù)波,共振泵浦,諧振腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1 引 言

受激拉曼散射(stimulated raman scattering,SRS)是一種非常高效的光學(xué)頻率變換方法.固體拉曼激光器是利用拉曼晶體的受激拉曼散射效應(yīng),對(duì)基頻激光進(jìn)行頻率變換從而獲得新波長(zhǎng)激光輸出的一種激光器［1］.與基頻激光相比,拉曼激光因受激拉曼散射的光束凈化效應(yīng)［2］,可獲得光束質(zhì)量更好、脈寬更窄、光譜純度更高的激光輸出,極大地豐富了激光的頻譜范圍,在生物、醫(yī)學(xué)、測(cè)量、軍事、雷達(dá)、光通訊、工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用.

由于連續(xù)波拉曼激光器相對(duì)于脈沖拉曼激光更加難以實(shí)現(xiàn),第一個(gè)以連續(xù)方式運(yùn)轉(zhuǎn)的固體拉曼激光器直到2004年才由Grabtchikov等［3］利用拉曼增益很高的Ba(NO3)2晶體實(shí)現(xiàn).隨后,研究者分別選用不同晶體組合成功實(shí)現(xiàn)了1.1xμm內(nèi)腔分體［4?7］和自拉曼連續(xù)激光輸出［8?11］. 與內(nèi)腔分體式拉曼激光器相比,自拉曼激光器由于采用一塊晶體同時(shí)作為激光和拉曼介質(zhì),減小了腔內(nèi)損耗,有利于降低閾值、提高轉(zhuǎn)換效率.但由于晶體熱效應(yīng)更嚴(yán)重,限制了連續(xù)拉曼激光輸出功率、效率和穩(wěn)定性的提升.因此,改善熱效應(yīng)是提高連續(xù)波自拉曼激光器性能的關(guān)鍵問(wèn)題.現(xiàn)有研究表明:采用共振泵浦(in-band pumping)技術(shù)［12,13］、鍵合晶體［14,15］或選用低缺陷和熱性能優(yōu)良的新型晶體［16］均可有效地減輕連續(xù)拉曼激光器中的熱效應(yīng).其中,共振泵浦技術(shù)有效地降低了泵浦光和拉曼激光之間的量子虧損,可從根本上減弱激光工作物質(zhì)中的熱效應(yīng).但由于一般激光晶體對(duì)共振泵浦光吸收率偏低,最終影響了激光器總體效率的提升.2010年,Yu等［15］采用880 nm激光二極管(LD)共振泵浦新型鍵合Nd:LuVO4晶體,由于Nd:LuVO4晶體在880 nm處具有較大的吸收截面,因此既減輕了熱效應(yīng)又提高了共振泵浦光的吸收率.2014年,Ding等［17］報(bào)道了采用波長(zhǎng)鎖定窄線寬的878.6nm LD端面泵浦Nd:YVO4-YVO4晶體組合,通過(guò)LD發(fā)射波長(zhǎng)與激光晶體共振泵浦吸收峰的精確匹配,有效提高了泵浦吸收率進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了高效的1525 nm脈沖拉曼激光運(yùn)轉(zhuǎn).2016年,本研究小組將波長(zhǎng)鎖定LD引入到連續(xù)波自拉曼激光器中,采用878.9 nm波長(zhǎng)鎖定LD共振泵浦鍵合Nd:YVO4晶體,通過(guò)適當(dāng)增加晶體長(zhǎng)度,在改善熱效應(yīng)的同時(shí)提高了泵浦光吸收率,使得拉曼激光輸出功率和轉(zhuǎn)換效率都大大提高,最終在26 W的泵浦功率下,獲得了5.3 W的1175 nm連續(xù)拉曼激光輸出,光光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到20%［18］.

本文對(duì)波長(zhǎng)鎖定LD共振泵浦鍵合Nd:YVO4晶體的全固態(tài)連續(xù)波自拉曼激光器［18］進(jìn)行了詳細(xì)的理論研究.考慮共振泵浦時(shí)Nd:YVO4晶體的熱透鏡效應(yīng),采用ABCD傳輸矩陣和等效G參數(shù)法,計(jì)算了采用不同曲率半徑輸出鏡時(shí)輸入鏡處的振蕩激光腔模大小、拉曼晶體中的束腰大小和位置,分析了泵浦光與振蕩激光的腔模匹配情況以及拉曼晶體中基頻光束腰大小和位置對(duì)拉曼激光輸出功率的影響,對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出了理論解釋,并進(jìn)一步對(duì)諧振腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì).

2 諧振腔理論

當(dāng)考慮激光晶體的熱透鏡效應(yīng)時(shí),可將激光晶體看作是一個(gè)焦距隨著泵浦參數(shù)變化的熱透鏡,對(duì)于實(shí)驗(yàn)中采用的簡(jiǎn)單兩鏡腔可等效為一個(gè)含有可變焦距熱透鏡的熱透鏡腔,如圖1所示.其中R1,R2為反射鏡M1,M2的曲率半徑;將激光晶體看作是一個(gè)焦距為f的薄透鏡,它到M1,M2的距離分別為d1,d2;與M1,M2鏡相鄰的基橫模高斯光束的束腰半徑分別為ω01,ω02;束腰位置用L01,L02表示.

圖1 等效熱透鏡腔結(jié)構(gòu)圖Fig.1.Equivalent cavity of the laser with a thermally induced lens.

當(dāng)采用激光二極管端面泵浦時(shí),激光晶體的熱透鏡焦距［19］可以表示為

式中:ωP為泵浦光斑半徑,KC為激光晶體的熱導(dǎo)率,dn/dT為熱光系數(shù),α為晶體對(duì)泵浦光的吸收系數(shù),L為激光晶體摻雜部分的長(zhǎng)度;Pinηh表示吸收的泵浦功率轉(zhuǎn)化為熱量的功率,其中Pin為泵浦功率,ηh為激光器的熱負(fù)載比,即吸收泵浦光轉(zhuǎn)換為熱量的比例,可簡(jiǎn)單表示為ηh=1?ηpηl(λp/λl),其中ηp是泵浦量子效率,即吸收了泵浦光子的粒子到達(dá)激光上能級(jí)的比例,ηl表示激光上能級(jí)的粒子發(fā)生受激輻射并轉(zhuǎn)化為激光的比例,λp/λl為泵浦光與激光波長(zhǎng)之比.對(duì)出射激光波長(zhǎng)為1064 nm的Nd:YVO4激光器而言,當(dāng)采用傳統(tǒng)808 nm LD泵浦時(shí),粒子吸收泵浦光子后先躍遷到激發(fā)態(tài)再通過(guò)非輻射躍遷弛豫到激光上能級(jí),一般取ηp=0.9,ηl=0.98,則而當(dāng)采用880 nm LD共振泵浦時(shí),粒子吸收泵浦光子后直接到達(dá)激光上能級(jí),故ηp≈1,而ηl仍取0.98,則由此可見(jiàn),當(dāng)采用880 nm共振泵浦時(shí),熱負(fù)載比比傳統(tǒng)808 nm泵浦顯著降低.

對(duì)于熱透鏡腔使用等效G參數(shù)法,以鏡M1為參考,腔內(nèi)單程變換矩陣為

光學(xué)諧振腔G參數(shù)為

諧振腔的穩(wěn)定性條件為0＜G1G2＜1.以鏡M1為參考,由高斯光束復(fù)參數(shù)q1在腔內(nèi)的自在現(xiàn)模條件可求得鏡M1處基模高斯光束的光斑半徑ω1為

與鏡M2相鄰的光束腰大小ω02和位置L02分別為

將(3)和(4)式中的G1,G2參數(shù)代入(5)—(7)式,即可求出熱透鏡腔中的ω1,ω02和L02,由此可對(duì)激光腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),提高激光器的輸出性能.

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及測(cè)量結(jié)果

圖2所示為波長(zhǎng)鎖定878.9 nm LD共振泵浦鍵合Nd:YVO4晶體的全固態(tài)連續(xù)波自拉曼激光器［18］實(shí)驗(yàn)裝置示意圖,具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)［18］.泵浦源為30 W,878.9 nm波長(zhǎng)鎖定的光纖耦合輸出LD激光器,光纖芯徑200μm,泵浦光經(jīng)1:2的耦合系統(tǒng)入射到激光晶體前端面上,因此泵浦光斑半徑ωp為200μm.實(shí)驗(yàn)中當(dāng)采用20 mm的鍵合YVO4/Nd:YVO4/YVO4晶體作為自拉曼介質(zhì)時(shí),拉曼激光輸出功率最高,該晶體中間Nd:YVO4部分的晶體長(zhǎng)度為16 mm,摻雜濃度為0.3 at.%,前后鍵合的YVO4晶體長(zhǎng)各為2 mm.激光腔采用平凹腔結(jié)構(gòu),輸入鏡為平鏡,輸出鏡為凹鏡,實(shí)驗(yàn)中通過(guò)改變輸出鏡的曲率半徑對(duì)激光器性能進(jìn)行了優(yōu)化.為了縮短腔長(zhǎng)減小損耗,腔內(nèi)各元件盡量緊湊放置,腔長(zhǎng)保持在23 mm,其中輸入鏡距離晶體前端面大約2 mm,輸出鏡距離晶體后端面約1 mm.

圖2 波長(zhǎng)鎖定LD共振泵浦Nd:YVO4連續(xù)自拉曼激光器結(jié)構(gòu)圖Fig.2.Schematic of the cw Nd:YVO4self-Raman laser in-band pumped by a wavelength-locked laser diode.

圖3 (網(wǎng)刊彩色)輸出鏡不同曲率半徑下拉曼激光輸出功率隨泵浦功率的變化Fig.3.(color online)Raman output power as a function of the incident pump power for output couplers with di ff erent radii of curvature.

圖3為采用20 mm鍵合Nd:YVO4晶體時(shí),連續(xù)波自拉曼激光器在輸出鏡曲率半徑不同(R=100,200,300,500 mm)時(shí)1176 nm拉曼激光輸出功率隨泵浦功率的變化曲線.由圖3可知,相同泵浦功率下,輸出鏡曲率半徑越小, 拉曼激光輸出功率則越高.當(dāng)輸出鏡曲率半徑R=100 mm時(shí),拉曼激光輸出功率最高,在泵浦功率26 W時(shí)獲得了5.3 W的拉曼激光功率輸出,光-光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到20%,且與其他曲率半徑輸出鏡相比,激光輸出功率的穩(wěn)定性最好,60 min內(nèi)最高拉曼激光輸出功率的起伏不超過(guò)1.3%.

4 理論計(jì)算與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的理論計(jì)算與分析

針對(duì)實(shí)驗(yàn)中采用的0.3 at%的20 mm鍵合Nd:YVO4晶 體, 取KC= 0.054 W/cm·K,dn/dT=4.7 × 10?6K?1［20］,其對(duì)不同偏振方向泵浦光的吸收系數(shù)分別為απ=1.66 cm?1,ασ=0.84 cm?1［21］,由于本實(shí)驗(yàn)中泵浦光為圓偏振光,所以取兩個(gè)方向吸收系數(shù)的平均值即α=1.25 cm?1,泵浦光斑半徑ωp=200μm.將以上數(shù)據(jù)代入(1)式即可算出不同泵浦功率下Nd:YVO4晶體的熱透鏡焦距.在Matlab軟件中,根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)裝置,設(shè)置初始值d1=4 mm,d2=19 mm(d1,d2分別代表輸入鏡、輸出鏡到晶體摻雜部分左端面即熱透鏡的距離,d1+d2即腔長(zhǎng));激光摻雜晶體長(zhǎng)度L=16 mm;R1=∞,R2分別取100,200,300,500 mm.利用(5)式計(jì)算出不同輸出鏡曲率半徑時(shí)輸入鏡處的基頻光基橫模光斑半徑ω1隨泵浦功率的變化曲線,如圖4所示,由圖4可知,隨著泵浦功率的增大,輸入鏡處的基橫模光斑半徑ω1隨之減小.相同泵浦功率下,輸出鏡曲率半徑越小,基橫模光斑半徑ω1也越小.例如:當(dāng)R2=500 mm時(shí),隨著泵浦功率的增大ω1由170μm減小到110μm,而R2=100 mm時(shí),ω1則由120μm減小到100μm.而實(shí)驗(yàn)中采用的LD泵浦源尾纖是200μm的多模光纖,經(jīng)耦合器放大后泵浦光斑半徑放大到200μm,由此可知,在高泵浦功率下,基橫模振蕩光斑半徑遠(yuǎn)小于泵浦光斑,可允許高階橫模振蕩,因此可獲得更高功率的激光輸出.且與其他曲率半徑輸出鏡相比,R2=100 mm時(shí)隨著泵浦功率的增大振蕩激光基橫模光斑半徑變化范圍較小,因此激光輸出功率較穩(wěn)定.

圖4 (網(wǎng)刊彩色)輸出鏡不同曲率半徑下輸入鏡處基橫模光斑半徑ω1隨泵浦功率的變化Fig.4.(color online)The mode beam radius at the input mirror as a function of the incident pump power for output couplers with di ff erent radii of curvature.

由于拉曼轉(zhuǎn)換效率與拉曼晶體中基頻光的功率密度成正比,因此要獲得更高功率的拉曼激光輸出,應(yīng)盡量使拉曼晶體中基頻光的束腰半徑更小,且居于拉曼晶體中部.我們將相同參數(shù)代入(6)和(7)式計(jì)算出各輸出鏡曲率半徑下靠近輸出鏡的拉曼晶體中基頻振蕩激光基橫模束腰半徑ω02及位置L02隨泵浦功率變化的曲線,如圖5和圖6所示.由圖5可知,隨著泵浦功率增大,輸出鏡各曲率半徑下靠近輸出鏡的束腰半徑ω02逐漸減小;相同泵浦功率下,輸出鏡曲率半徑越小,束腰半徑ω02也越小,則基頻光功率密度越大,因此可獲得更高的拉曼轉(zhuǎn)換效率,拉曼激光輸出功率更高.但在高泵浦功率下,不同曲率半徑時(shí)的束腰半徑ω02比較接近,基頻光功率密度相差不大,因此對(duì)激光器輸出功率影響不大.而從圖6中可以看出,在高泵浦功率下,輸出鏡曲率半徑越小,束腰位置L02越大,越接近拉曼晶體中心(根據(jù)諧振腔具體結(jié)構(gòu)可知拉曼晶體中心距輸出鏡為11.5 mm),因此基頻光功率密度更大,拉曼轉(zhuǎn)換效率更高.由以上分析可知,當(dāng)采用輸出鏡曲率半徑R2=100 mm時(shí),拉曼晶體中基頻光的束腰半徑更小,束腰更居于晶體中心,因此拉曼激光輸出功率最高.

圖5 (網(wǎng)刊彩色)輸出鏡不同曲率半徑下拉曼晶體中基頻光束腰半徑ω02隨泵浦功率的變化Fig.5.(color online)The waist spot size of fundamental laser in the Raman crystal as a function of the incident pump power for output couplers with di ff erent radii of curvature.

圖6 (網(wǎng)刊彩色)輸出鏡不同曲率半徑下拉曼晶體中基頻光束腰位置L02隨泵浦功率的變化Fig.6.(color online)The waist position of fundamental laser in the Raman crystal as a function of the incident pump power for output couplers with di ff erent radii of curvature.

4.2 諧振腔的優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于880 nm共振泵浦光的吸收率較低,實(shí)驗(yàn)中仍觀察到未被吸收的殘余泵浦光輸出,而拉曼激光轉(zhuǎn)換效率又與拉曼晶體長(zhǎng)度成正比,因此進(jìn)一步增加自拉曼晶體長(zhǎng)度,不僅有利于提高泵浦光的吸收率,還可以提高拉曼激光轉(zhuǎn)換效率,有望獲得更高功率的連續(xù)拉曼激光輸出.但考慮到連續(xù)波自拉曼激光器的熱效應(yīng)較嚴(yán)重,需要控制腔長(zhǎng)使諧振腔工作在穩(wěn)定區(qū)內(nèi),因此需對(duì)晶體長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).通過(guò)計(jì)算靠近輸出鏡的基頻光束腰半徑ω02隨晶體長(zhǎng)度l增加而變化的關(guān)系,我們發(fā)現(xiàn):隨著晶體長(zhǎng)度的增加,拉曼晶體中的基頻光束腰半徑將進(jìn)一步減小,但當(dāng)晶體長(zhǎng)度增加到32 mm時(shí),諧振腔將不滿足穩(wěn)定腔條件,因此建議將自拉曼鍵合晶體長(zhǎng)度增長(zhǎng)到30 mm,進(jìn)一步優(yōu)化激光器性能,可獲得更高功率的連續(xù)拉曼激光輸出.

5 結(jié) 論

本文利用ABCD傳輸矩陣法和等效G參數(shù)法對(duì)LD共振泵浦的全固態(tài)連續(xù)自拉曼Nd:YVO4激光器進(jìn)行了理論研究.計(jì)算了輸出鏡曲率半徑R2=100,200,300,500 mm時(shí)基頻光輸入鏡處的基橫模光斑半徑ω1,靠近輸出鏡的拉曼晶體中束腰半徑ω02及位置L02這三個(gè)參數(shù).理論計(jì)算結(jié)果表明:1)在高泵浦功率下,不同輸出鏡曲率半徑下輸入鏡處的基頻振蕩光斑半徑ω1都遠(yuǎn)小于泵浦光斑,可允許高階模振蕩,而當(dāng)采用曲率半徑R2=100 mm的輸出鏡時(shí),振蕩光斑ω1隨泵浦功率的增大而變化的范圍較小,因此激光輸出功率較穩(wěn)定,且此時(shí)拉曼晶體中的基頻光束腰半徑ω02最小,束腰位置L02更靠近拉曼晶體中心,因此基頻光功率密度更大,拉曼轉(zhuǎn)換效率更高,因此,當(dāng)采用曲率半徑R2=100 mm的輸出鏡時(shí)拉曼激光輸出功率最高;2)進(jìn)一步增加晶體長(zhǎng)度將提高泵浦光吸收率和拉曼激光轉(zhuǎn)換效率,但晶體長(zhǎng)度增加到32 mm時(shí),腔長(zhǎng)較長(zhǎng),諧振腔將變?yōu)榉欠€(wěn)腔,因此建議晶體長(zhǎng)度最多增長(zhǎng)到30 mm將有望獲得更高功率的連續(xù)拉曼激光輸出.

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Research and design of continuous-wave Nd:YVO4self-Raman laser in-band pumped by a wavelength-locked laser diode?

Zhang Xin1)Zhang Yun-Chuan1)Li Jian1)Li Ren-Jie1)Song Qing-Kun1)Zhang Jia-Le1)Fan Li1)2)?
1)(College of Physics Science and Technology,Institute of Applied Photonic Technology,Yangzhou University,Yangzhou 225002,China)
2)(National Laboratory of Solid State Microstructures,Nanjing University,Nanjing 210093,China)

In this paper,a continuous-wave all-solid-state Nd:YVO4self-Raman laser in-band pumped by a wavelength-locked laser diode at 878.9 nm is theoretically investigated in detail.Considering the thermal lens e ff ect in the laser crystal,cavity mode parameters are calculated for several output couplers with di ff erent radii of curvature,by employing the standardABCDmatrix approach and equivalentGparameter method.The in fl uence of cavity structure on the output characteristic of the Raman laser is investigated by analyzing mode matching between the pump and the fundamental beams,as well as the fundamental intensities in the Raman crystal.This provides theoretical explanations for the experimental results,and based on the analysis above,laser cavity is optimized.Finally,a highest Raman output of 5.3 W is obtained at 1175 nm,corresponding to a diode-to-Stokes optical conversion efficiency of 20%.

self-Raman laser,continuous-wave,in-band pumping,design of laser cavity

14 April 2017;revised manuscript

10 July 2017)

(2017年4月14日收到;2017年7月10日收到修改稿)

10.7498/aps.66.194203

?江蘇省自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):BK20130453)和南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題(批準(zhǔn)號(hào):M29027)資助的課題.

?通信作者.E-mail:fanli@yzu.edu.cn

?2017中國(guó)物理學(xué)會(huì)Chinese Physical Society

PACS:42.55.Ye,42.60.Pk,42.55.Xi,42.60.By

10.7498/aps.66.194203

*Project supported by the Natural Science Foundation of Jiangsu Province,China(Grant No.BK20130453)and the State Key Laboratory for Solid State Microstructures,Nanjing University,China(Grant No.M29027).

?Corresponding author.E-mail:fanli@yzu.edu.cn