張?zhí)N川 樊莉2) 魏晨飛 顧曉敏 任思賢

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)

1 引 言

固體拉曼激光器是利用固體拉曼非線性晶體的受激拉曼散射(stimulated Raman scattering,SRS)效應(yīng),對(duì)原激光波長(zhǎng)進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換從而獲得新波長(zhǎng)激光輸出的一種激光器[1?3],是獲得新波長(zhǎng)激光的一種有效手段.由于脈沖激光器中基頻光具有較高峰值功率更易達(dá)到拉曼轉(zhuǎn)換閾值,因此以往報(bào)道的拉曼激光器大多是脈沖激光器.直到2004年,第一個(gè)連續(xù)波固體拉曼激光器才由Grabtchikov等[4]利用高拉曼增益的Ba(NO3)2晶體實(shí)現(xiàn).近年來,得益于腔鏡鍍膜和晶體生長(zhǎng)技術(shù)的成熟連續(xù)波固體拉曼激光器的研究取得了很大進(jìn)展[5?10],成為了固體激光器的一個(gè)研究熱點(diǎn).

目前報(bào)道的全固態(tài)連續(xù)拉曼激光器可分為內(nèi)腔分體式和自拉曼激光器兩種.與自拉曼激光器相比,內(nèi)腔分體式拉曼激光器是采用兩塊晶體分別作為激光和拉曼介質(zhì),減輕了晶體的熱效應(yīng),并且激光和拉曼晶體中的腔模尺寸可分別靈活優(yōu)化,因此可獲得較高的轉(zhuǎn)換效率.2005年,Pask以Nd:YAG晶體作為激光晶體,以KGd(WO4)2晶體作為拉曼介質(zhì),首次實(shí)現(xiàn)了內(nèi)腔分體式連續(xù)拉曼激光器的運(yùn)轉(zhuǎn),獲得了800 mW的1176 nm連續(xù)拉曼激光輸出[11];2006—2009年,研究人員分別選用各種晶體組合成功實(shí)現(xiàn)了1.1μm連續(xù)波拉曼激光輸出[12?15],最高拉曼激光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到13.2%[15].研究中發(fā)現(xiàn)由于內(nèi)腔分體式拉曼激光器腔內(nèi)元件多,腔長(zhǎng)較長(zhǎng),隨著抽運(yùn)功率的增加,嚴(yán)重的熱透鏡效應(yīng)會(huì)使激光器不能工作在諧振腔穩(wěn)定區(qū)內(nèi),限制了激光輸出功率的提高.為了改善熱效應(yīng),研究者進(jìn)行了各種努力.2010年,Lee等[16]采用880 nm激光二極管(LD)共振抽運(yùn)Nd:GdVO4/BaWO4晶體組合,改善熱效應(yīng),結(jié)合腔內(nèi)倍頻獲得了2.9 W的590 nm黃光連續(xù)波輸出.2012年,Jakutis-Neto等[17]采用881 nm LD共振抽運(yùn)Nd:YLF/KGW晶體組合,利用共振抽運(yùn)技術(shù)和Nd:YLF晶體的負(fù)熱光系數(shù)減輕熱透鏡效應(yīng),實(shí)現(xiàn)了紅外和黃綠波段多波長(zhǎng)連續(xù)拉曼激光的穩(wěn)定輸出.2016年,Wang等[18]采用940 nm LD抽運(yùn)Yb:YAG/Nd:YVO4微晶片,由于Yb:YAG晶體的量子缺陷小,熱效應(yīng)好,有效改善了熱效應(yīng),首次實(shí)現(xiàn)了多波長(zhǎng)連續(xù)波微片拉曼激光器的運(yùn)轉(zhuǎn).以上研究表明,共振抽運(yùn)技術(shù)通過減小抽運(yùn)光和產(chǎn)生激光之間的量子虧損,可從根本上減輕激光晶體的熱效應(yīng).但由于一般激光工作物質(zhì)對(duì)共振抽運(yùn)光吸收率偏低,限制了激光器整體效率的提升.近幾年,有些研究者[19?21]引入波長(zhǎng)鎖定窄線寬的LD端面抽運(yùn)Nd:YVO4晶體,通過LD發(fā)射波長(zhǎng)與晶體共振抽運(yùn)吸收峰的精確匹配,在改善熱效應(yīng)的同時(shí)有效提高了抽運(yùn)吸收率,實(shí)現(xiàn)了高效率的拉曼激光運(yùn)轉(zhuǎn).

本文采用波長(zhǎng)鎖定的878.9 nm LD作為共振抽運(yùn)源,以復(fù)合Nd:YVO4晶體作為激光晶體,分別采用YVO4晶體和BaWO4晶體作為拉曼介質(zhì),對(duì)不同腔結(jié)構(gòu)內(nèi)腔分體式拉曼激光器的輸出特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.并采用ABCD傳輸矩陣法和等效G參數(shù)法對(duì)激光腔的穩(wěn)定性及腔內(nèi)振蕩激光腔模參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,詳細(xì)分析了晶體性能、輸出鏡曲率半徑、腔長(zhǎng)、抽運(yùn)光斑大小對(duì)激光器輸出性能的影響.最終以30 mm BaWO4晶體作為拉曼介質(zhì),在抽運(yùn)功率25.1 W時(shí),獲得了3.02 W的1180 nm連續(xù)拉曼激光輸出,光-光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到12%,拉曼閾值為2.54 W,斜率效率為13%.

2 諧振腔理論

對(duì)于兩腔鏡高功率固體激光器,考慮激光晶體的熱透鏡效應(yīng),諧振腔可等效看成一個(gè)如圖1所示的熱透鏡腔.其中,M1,M2為諧振腔鏡(R1,R2分別為其曲率半徑),腔內(nèi)激光晶體被看作是一個(gè)焦距f隨著抽運(yùn)參數(shù)變化的熱透鏡,它到M1,M2的距離分別為d1,d2,腔內(nèi)振蕩激光與M1,M2鏡相鄰的基橫模高斯光束的束腰半徑分別為ω01,ω02,束腰位置分別用到M1,M2的距離L01,L02表示.

在連續(xù)激光二極管端面抽運(yùn)下,激光晶體熱透鏡效應(yīng)的熱焦距[23]可表示為

圖1 熱透鏡腔結(jié)構(gòu)示意圖[22]Fig.1.Resonators with an internal thermal lens[22].

對(duì)于熱透鏡腔,以鏡M1作為參考,腔內(nèi)單程變換矩陣為

采用等效G參數(shù)法,諧振腔對(duì)應(yīng)的G參數(shù)為G1=a?b/R1,G2=d?b/R2,當(dāng)滿足0＜G1G2＜1條件時(shí)諧振腔為穩(wěn)定腔.

在拉曼激光器中,為了獲得高功率、高光束質(zhì)量的激光輸出,需考慮兩方面的因素:1)激光晶體前端面振蕩激光腔模尺寸應(yīng)盡量與抽運(yùn)光斑相匹配;2)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,因此應(yīng)盡量讓拉曼晶體中基頻光束腰半徑更小,且居于拉曼晶體中部.由自在現(xiàn)模條件可求得鏡M1處基模高斯光束的光斑半徑ω1(由于激光晶體一般緊貼輸入鏡,即等于激光晶體前端面振蕩激光腔模尺寸)為

與鏡M2相鄰的(即拉曼晶體中)光束腰大小ω02和位置L02為

3 實(shí)驗(yàn)裝置

分體式全固態(tài)連續(xù)拉曼激光器的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示.激光晶體為復(fù)合YVO4/Nd:YVO4/YVO4晶體,該晶體大小為(4×4×14)mm3,沿a軸切割,中間Nd:YVO4部分長(zhǎng)度為10 mm,摻雜濃度為0.3 at.%,前后鍵合的YVO4晶體長(zhǎng)為2 mm.拉曼晶體分別為YVO4和BaWO4晶體,實(shí)驗(yàn)中采用的YVO4晶體有兩塊,尺寸分別為(4 mm×4 mm×30 mm)和(4 mm×4 mm×10 mm),均沿a軸切割,在1064 nm激光抽運(yùn)下其穩(wěn)態(tài)拉曼增益系數(shù)為4.5 cm/GW[27].實(shí)驗(yàn)中采用的另一種拉曼介質(zhì)為高增益的BaWO4,當(dāng)1064 nm激光抽運(yùn)下其穩(wěn)態(tài)拉曼增益系數(shù)高達(dá)8.5 cm/GW[28],該晶體大小為4 mm×4 mm×30 mm,沿b軸切割.晶體兩端面都鍍有1064/1176/1180 nm波長(zhǎng)的增透膜,為了減輕晶體熱效應(yīng)的影響,晶體都用銦箔包裹裝在采用循環(huán)水冷卻的銅制熱沉中,水溫控制在17.5°C.

抽運(yùn)源為nLight公司的878.9 nm波長(zhǎng)鎖定光纖耦合輸出LD激光器,其最大輸出功率30 W,光纖芯徑200μm,數(shù)值孔徑0.22.其內(nèi)部利用布拉格光柵對(duì)輸出波長(zhǎng)進(jìn)行鎖定,輸出光譜線寬很窄(＜0.3 nm),且輸出峰值波長(zhǎng)非常穩(wěn)定,隨著工作條件的變化漂移很小,從而可以保證與Nd:YVO4晶體880 nm共振抽運(yùn)帶吸收峰的精確匹配,提高抽運(yùn)光的吸收效率.抽運(yùn)光經(jīng)1:2的耦合系統(tǒng)入射到激光晶體前端面上,抽運(yùn)光斑直徑為400μm.激光腔采用平凹腔的結(jié)構(gòu),輸入鏡為平鏡,輸出鏡為凹鏡,鍍膜情況為對(duì)880 nm高透(T＞99%),對(duì)1064 nm(R=99.9%),1176 nm(R=99.8%)和1180 nm(R=99.7%)波長(zhǎng)的光高反.

圖2 內(nèi)腔分體式連續(xù)波拉曼激光器結(jié)構(gòu)圖Fig.2.Arrangement of the diode-end-pumped continuous-wave intracavity Raman laser.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由于拉曼激光器中拉曼轉(zhuǎn)換效率與拉曼晶體長(zhǎng)度成正比,因此實(shí)驗(yàn)中首先采用30 mm較長(zhǎng)的YVO4和BaWO4晶體作為拉曼介質(zhì),腔長(zhǎng)達(dá)到51 mm.圖3為采用不同晶體、不同曲率半徑(R=100,200,500 mm)輸出鏡時(shí)連續(xù)拉曼激光輸出功率隨著抽運(yùn)功率的變化曲線.當(dāng)以YVO4晶體為拉曼介質(zhì),輸出鏡曲率半徑R=100 mm時(shí)拉曼激光輸出功率最高,如圖中紅線所示,在25.1 W抽運(yùn)功率下,僅獲得了0.25 W拉曼激光輸出功率,光-光轉(zhuǎn)換效率僅達(dá)到0.99%,實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不理想.當(dāng)采用BaWO4晶體作為拉曼介質(zhì)時(shí),仍然是采用曲率半徑R=100 mm輸出鏡時(shí)獲得的拉曼激光輸出功率最高,如圖3中黑線所示,并且諧振腔的穩(wěn)定區(qū)更寬,隨著抽運(yùn)功率的增加,拉曼激光輸出功率一直保持上升的趨勢(shì),直到抽運(yùn)功率大于25.1 W時(shí)才開始下降,出現(xiàn)了輸出功率飽和現(xiàn)象.最終在抽運(yùn)功率25.1 W時(shí),獲得了3.02 W的拉曼激光輸出功率,明顯高于YVO4晶體為拉曼介質(zhì)時(shí),光光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到12%,拉曼閾值為2.54 W,斜率效率為13%.由此可見,盡管實(shí)驗(yàn)中采用了878.9 nm LD共振抽運(yùn)復(fù)合Nd:YVO4晶體改善熱效應(yīng),但由于內(nèi)腔分體式拉曼激光器腔長(zhǎng)較長(zhǎng),嚴(yán)重的熱透鏡效應(yīng)仍會(huì)使激光器不能工作在諧振腔穩(wěn)定區(qū)內(nèi).對(duì)比以YVO4和BaWO4晶體為拉曼介質(zhì)時(shí)連續(xù)拉曼激光輸出特性,可以看出,由于BaWO4晶體具有高拉曼增益系數(shù),1064 nm基頻光被有效轉(zhuǎn)換成拉曼激光輸出,獲得了較高的拉曼激光輸出功率,且在一定程度上減輕了激光器的熱效應(yīng),輸出功率較穩(wěn)定,腔的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)較寬.

圖3 不同曲率半徑輸出鏡時(shí)拉曼激光輸出功率Fig.3.Output powers of Raman laser for output couplers with different radii of curvature.

實(shí)驗(yàn)過程中,采用YokoGAWA的AQ6370C光譜分析儀對(duì)激光器的輸出光譜進(jìn)行測(cè)量,觀測(cè)到除了1064 nm基頻光的譜線外,拉曼介質(zhì)為YVO4晶體時(shí)只有波長(zhǎng)為1176 nm的拉曼激光輸出,與晶體拉曼譜最強(qiáng)頻移波數(shù)890 cm?1符合;拉曼介質(zhì)為BaWO4晶體時(shí)只有波長(zhǎng)1180 nm的拉曼激光輸出,與BaWO4晶體拉曼譜中最強(qiáng)的頻移波數(shù)925 cm?1符合.

4.2 理論分析與優(yōu)化

為了分析輸出鏡曲率半徑對(duì)拉曼激光輸出性能的影響,根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)裝置,取參數(shù)d1=4 mm,d2=L?d1(L為腔長(zhǎng)).利用(3)式計(jì)算出不同輸出鏡曲率半徑時(shí),輸入鏡處振蕩基頻光的基橫模光斑半徑ω1隨抽運(yùn)功率的變化曲線,如圖4所示.由圖4可知,當(dāng)輸出鏡曲率半徑R為100和200 mm時(shí),ω1在125—200μm范圍內(nèi)變化,與抽運(yùn)光斑模式匹配較好.而在相同抽運(yùn)功率下,輸出鏡曲率半徑越小,基橫模光斑半徑ω1也越小.同時(shí)由(4)式可計(jì)算出不同輸出鏡曲率半徑下拉曼晶體中基頻光基橫模束腰半徑ω02隨抽運(yùn)功率的變化,結(jié)果與ω1隨抽運(yùn)功率的變化曲線類似(未示出).由此可見,抽運(yùn)功率相同時(shí),輸出鏡的曲率半徑越小,拉曼介質(zhì)中的基頻光束腰半徑越小,基頻光功率密度也越大,可獲得更高功率的拉曼激光輸出,這與前面實(shí)驗(yàn)中采用R=100 mm的輸出鏡時(shí)拉曼激光輸出功率最高的結(jié)果一致.

圖4 輸出鏡不同曲率半徑下輸入鏡處基模光斑半徑ω1隨抽運(yùn)功率的變化Fig.4.The mode beam radius at the input mirror as a function of the incident pump power for output couplers with different radii of curvature.

從圖4中還可以看出,當(dāng)腔長(zhǎng)為51 mm時(shí),隨著抽運(yùn)功率的增加,光斑半徑ω1先減小再增大,在高抽運(yùn)功率下曲線陡峭,ω1快速增大.這是由于隨著抽運(yùn)功率的增加,晶體的熱透鏡效應(yīng)越來越嚴(yán)重,導(dǎo)致諧振腔變成非穩(wěn)腔,此時(shí)拉曼激光輸出功率將出現(xiàn)飽和甚至下降.仔細(xì)觀察可發(fā)現(xiàn),輸出鏡曲率半徑R=100 mm時(shí),諧振腔變成非穩(wěn)腔對(duì)應(yīng)的抽運(yùn)功率較高,也就是腔的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定范圍較大,在高抽運(yùn)功率下拉曼激光輸出功率仍保持增長(zhǎng)趨勢(shì),因此獲得的拉曼激光輸出功率最高.

由于實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的熱透鏡效應(yīng)限制了拉曼激光輸出功率的提高,而根據(jù)(1)式可知,晶體熱透鏡焦距與抽運(yùn)光斑半徑ωP的平方成正比,增大抽運(yùn)光斑將有助于減輕熱效應(yīng).由諧振腔穩(wěn)定性條件計(jì)算可知:當(dāng)抽運(yùn)功率增大到最高抽運(yùn)功率26 W時(shí),在現(xiàn)有抽運(yùn)光斑200μm下,當(dāng)腔長(zhǎng)超過37.5 mm,激光腔已經(jīng)變?yōu)榉欠€(wěn)腔,所以實(shí)驗(yàn)中腔長(zhǎng)51 mm時(shí)出現(xiàn)了拉曼激光輸出功率不穩(wěn)定和高功率下的飽和現(xiàn)象.而如果將抽運(yùn)光斑增大到300μm,激光腔長(zhǎng)增加到70 mm時(shí)也能保持穩(wěn)定腔,則可以充分發(fā)揮分體式拉曼激光器的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì),選用更長(zhǎng)的拉曼晶體,獲得更高功率和轉(zhuǎn)換效率的拉曼激光輸出.

最后,為了驗(yàn)證以上理論分析的正確性及進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果,在現(xiàn)有抽運(yùn)光斑200μm情況下,選取了一塊實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有長(zhǎng)度為10 mm的Nd:YVO4晶體作為拉曼介質(zhì),將腔長(zhǎng)縮減到30.5 mm,仍采用曲率半徑R=100 mm的輸出鏡,結(jié)果如圖5中黑線所示,當(dāng)抽運(yùn)功率為26.3 W時(shí),最高拉曼激光輸出功率為2.61 W,拉曼閾值為2.28 W,光-光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到9.9%,斜率效率為10.9%,且輸出功率較穩(wěn)定,起伏較小.為了對(duì)比,圖5中也給出了采用30 mm BaWO4晶體、腔長(zhǎng)為51 mm,R=100 mm輸出鏡時(shí)的拉曼激光輸出功率.從圖中可以看出,盡管YVO4晶體的拉曼增益低于BaWO4,且長(zhǎng)度也短于BaWO4,但其獲得的拉曼輸出功率只是略低于BaWO4拉曼激光器,且在高抽運(yùn)功率下仍然保持增長(zhǎng)的趨勢(shì),沒有出現(xiàn)增益飽和現(xiàn)象.這些均說明保持穩(wěn)定腔對(duì)于提高拉曼激光輸出功率的重要性.

圖5 不同拉曼介質(zhì)、不同腔長(zhǎng)時(shí)拉曼光輸出功率Fig.5.Output powers of Raman laser for different Raman media and cavity lengths.

5 結(jié) 論

本文引入波長(zhǎng)鎖定LD端面共振抽運(yùn)復(fù)合Nd:YVO4晶體,分別以YVO4和BaWO4晶體作為拉曼介質(zhì),理論和實(shí)驗(yàn)研究了輸出鏡曲率半徑、諧振腔穩(wěn)定性及晶體性能對(duì)連續(xù)波拉曼激光輸出性能的影響.結(jié)果表明:1)由于內(nèi)腔分體式拉曼激光器腔長(zhǎng)較長(zhǎng),諧振腔穩(wěn)定性對(duì)拉曼激光器性能有很大影響,選擇高增益的拉曼晶體,不僅可獲得高拉曼轉(zhuǎn)換效率,還能一定程度上減輕熱效應(yīng),獲得高功率的拉曼激光輸出;2)平凹腔中輸出鏡的曲率半徑越小,拉曼晶體中基頻光的功率密度越大,且腔的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)更寬,獲得的拉曼激光輸出功率更高.最終當(dāng)以高增益的30 mm BaWO4晶體為拉曼介質(zhì)時(shí),抽運(yùn)功率25.1 W下,獲得了3.02 W的最高拉曼激光輸出功率,光-光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到12%,但繼續(xù)增大抽運(yùn)功率拉曼激光輸出功率開始下降,出現(xiàn)了飽和現(xiàn)象.理論計(jì)算結(jié)果表明:可通過增大抽運(yùn)光斑,進(jìn)一步減輕熱效應(yīng),獲得較大的穩(wěn)定腔范圍.在穩(wěn)定腔范圍內(nèi),充分發(fā)揮分體式結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn),增大拉曼晶體長(zhǎng)度,有望獲得更高功率的連續(xù)波拉曼激光輸出.

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