李長(zhǎng)明，李述濤，黃 凱，孫新智

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

0 引 言

基于三階非線性光學(xué)過(guò)程的晶體材料的受激拉曼散射（SRS），是現(xiàn)有擴(kuò)展激光光譜范圍的有效方法之一[1]。拉曼激光器已經(jīng)被證明是實(shí)用、經(jīng)濟(jì)和高效的設(shè)備，其波長(zhǎng)靈活，可獲得可見(jiàn)光和紅外線的許多譜線[2-3]。1963年，第一臺(tái)拉曼激光器被報(bào)道[4]。

摻釹釔鋁石榴石（Nd:YAG）和釩酸釔（Nd:YVO4）是固體激光增益介質(zhì)應(yīng)用最廣泛的材料。Nd:YVO4晶體具有較強(qiáng)的吸收寬帶，有效的受激發(fā)射截面是Nd:YAG的5倍。這些特性意味著，Nd:YVO4激光器通常具有比Nd:YAG激光器更高的效率和更寬的工作溫度。在拉曼激光器領(lǐng)域，自拉曼過(guò)程的可用性，使得研究二極管泵浦被動(dòng)調(diào)Q（PQS）和主動(dòng)調(diào)Q（AQS）Nd:YVO4拉曼激光器具有極強(qiáng)的吸引力。然而，Nd:YAG晶體具有其他優(yōu)點(diǎn)，如熱性能更好、熒光壽命更長(zhǎng)等。尤其是壽命長(zhǎng)，可以提高AQS激光器的輸出脈沖能量，且能夠提高AQS拉曼激光器在斯托克斯波長(zhǎng)處的輸出脈沖能量。在AQS Nd:YAG固體激光器中，這意味著可能會(huì)增加受激拉曼散射的轉(zhuǎn)換效率。

隨著晶體拉曼頻移的發(fā)展，內(nèi)腔式拉曼激光器被認(rèn)為是一種高效率、實(shí)用的擴(kuò)大激光光譜的方法。Ba(NO3)2、LiIO3、KGd(WO4)2、PbWO4和 BaWO4是 眾 所周知的SRS材料。另外，YVO4和GdVO4被認(rèn)為對(duì)于拉曼激光器是有效的χ(3)材料。

在拉曼激光器中，泵浦方式分為端面泵浦和側(cè)面泵浦兩種。端泵系統(tǒng)雖然具有轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點(diǎn)，但受限于輸入泵浦功率和泵浦方式導(dǎo)致的熱畸變和熱損耗，激光器輸出功率不大。本文采用側(cè)面泵浦方式，研究LD側(cè)面泵浦主動(dòng)調(diào)Q Nd:YAG/YVO4內(nèi)腔式拉曼激光器的性能。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。M1鏡和M2鏡構(gòu)成了1 064 nm的基頻光和1 176 nm的拉曼光的諧振腔。其中，凹面鏡M1為諧振腔的后腔鏡，鍍膜對(duì)1 064 nm和1 176 nm高反（R＞99.8%），曲率半徑為300 mm；平面鏡M2為輸出鏡，鍍膜對(duì)1 064 nm高反（R＞99.8%），對(duì)1 176 nm部分透過(guò)（T=7%）；側(cè)泵Nd:YAG激光模塊（GTPC-50D），兩端鍍1 064 nm和1 176 nm抗反射膜（R＜0.2%）；拉曼晶體為未摻雜的YVO4，尺寸為4 mm×4 mm×40 mm，沿a軸方向切割。YVO4晶體用銦箔包裹放到通水冷的銅塊中，水溫保持在18 ℃。33 mm長(zhǎng)的聲光Q開(kāi)關(guān)兩端鍍1 064 nm和1 176 nm抗反射膜（R＜0.2%），調(diào)制頻率在1～100 kHz連續(xù)可調(diào)。整個(gè)腔長(zhǎng)約18 cm。采用以色列OPHIR公司生產(chǎn)的F150A功率計(jì)測(cè)量功率，用美國(guó)泰克公司DPO3054示波器記錄波形和脈沖寬度，用日本橫河公司的AQ6373光譜儀測(cè)量光譜。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

當(dāng)泵浦功率增加到44 W時(shí)，開(kāi)始有基頻光輸出。繼續(xù)增加泵浦功率，開(kāi)始有拉曼光輸出。圖2為使用日本橫河公司的AQ6373光譜儀測(cè)量的基頻光和拉曼光的光譜圖?？梢?jiàn)，基頻光中心波長(zhǎng)為1 064 nm，一階斯托克斯光中心波長(zhǎng)為1 176 nm。一階斯托克斯光相對(duì)于基頻光的拉曼頻移為890 cm-1，符合VO4-3離子團(tuán)的振動(dòng)模，與文獻(xiàn)[5]報(bào)道一致。當(dāng)脈沖重復(fù)率為10 kHz、15 kHz和20 kHz時(shí)，拉曼光的平均輸出功率隨抽運(yùn)功率的變化如圖3所示。在脈沖重復(fù)率分別為10 kHz、15 kHz和20 kHz時(shí)，它的拉曼光輸出閾值分別為50 W、62 W和68 W。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為了避免晶體涂層的破壞（高脈沖能量和峰值功率可能會(huì)損壞晶體的涂層），在脈沖重復(fù)率為10 kHz、15 kHz和20 kHz時(shí)，泵浦功率分別控制在104.9 W、117.7 W和124.1 W內(nèi)。在LD泵浦功率為117.7 W、脈沖重復(fù)率為15 kHz時(shí)，獲得6.88 W的最大功率輸出，對(duì)應(yīng)的從LD泵浦功率到1 176 nm拉曼光的光-光轉(zhuǎn)換效率為5.84%。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，隨著LD泵浦功率的增大，一直沒(méi)有二階或者更高階的斯托克斯光輸出。

圖3 不同脈沖重復(fù)率下，1 176 nm拉曼光的平均輸出功率隨注入功率的變化

圖4給出了脈沖重復(fù)率分別為10 kHz、15 kHz和20 kHz時(shí)，輸出拉曼光的脈沖寬度隨入射LD泵浦功率的變化關(guān)系。由圖4可以看出：在一定的脈沖重復(fù)率下，拉曼光的脈沖寬度隨LD泵浦功率的增加而減??；在固定的LD泵浦功率下，脈沖重復(fù)率越高，脈寬越寬。實(shí)驗(yàn)中得到的最窄脈沖寬度為27.7 ns，是在泵浦功率為94 W、脈沖重復(fù)率為10 kHz時(shí)獲得的。圖5記錄了該泵浦功率和脈沖重復(fù)率下的基頻光和拉曼光的脈沖波形。

圖4 10 kHz、15 kHz和20 kHz脈沖重復(fù)率下，脈寬隨注入功率的變化關(guān)系

圖5 1 064 nm基頻光和1 176 nm拉曼光的脈沖波形

3 結(jié) 論

研究LD側(cè)面泵浦主動(dòng)調(diào)Q Nd:YAG/YVO4內(nèi)腔式拉曼激光器的特性，獲得以下結(jié)論：在117.7 W泵浦功率和15 kHz脈沖重復(fù)率下，獲得了6.98 W的最大功率輸出；從二極管激光到1 176 nm激光，對(duì)應(yīng)的光-光轉(zhuǎn)換效率為5.93%。

參考文獻(xiàn)：

[1] Basiev T T，Powell R C.Special Issue on Solid State Raman Lasers-Introduction[J].Opt. Mater.，1999，（11）：301-306.

[2] Geskus D，Jakutis-Neto J，Pask H，et al.Quasi-Continuous Wave Raman Lasers at 990 and 976 nm Based on a Three-level Nd:YLF Laser[J].Opt. Lett.，2014，39（10）：2982.

[3] Jakutis-Neto J，Lin J，Wetter N，et al.Continuous-wave Watt-level Nd:YLF/KGW Raman Laser Operating at Near-IR,Yellow and Limegreen Wavelengths[J].Opt. Express，2013，20（9）：9841.

[4] Eckhardt G，Bortfeld D P，Geller M.Stimulated Emission of Stokes and Anti-Stokes Raman Lines from Diamond，Calcite，and α-Sulfur Single Crystals[J].Appl. Phys. Lett.，1963，33（8）：137-138.

[5] Kmainskii A A，Ueda K I，Eichler H J，et al.Tetragonal Vanadates YVO4and GdVO4——New Effieient χ(3)-materials for Raman Lasers[J].Opt.Commun.，2001，194（1-3）：201-206.