高效高功率LD抽運被動調Q c切Nd：GdVO4自拉曼激光器

賈宇龍，李述濤，董淵，于永吉，王超

（長春理工大學理學院，長春 130022）

高效高功率LD抽運被動調Q c切Nd：GdVO4自拉曼激光器

賈宇龍，李述濤，董淵，于永吉，王超

（長春理工大學理學院，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到拉曼光的轉換效率達到11.4%，這是目前公開報道的LD泵浦被動調Q Nd：GdVO4/Cr：YAG自拉曼激光器最高的輸出功率和轉換效率。

自拉曼激光器；被動調Q；受激拉曼散射；Nd：GdVO4晶體

晶體中的受激拉曼散射是實現固體激光非線性頻率轉換以及拓展固體激光輸出光譜的重要方式。全固態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、結構緊湊和穩定性好等優勢，是內腔式拉曼激光器的研究熱點［1］。調Q脈沖內腔式拉曼激光器由于腔內高峰值功率的基頻激光運轉而易于實現高效率的受激拉曼散射，獲得高峰值功率的拉曼激光輸出，是內腔式拉曼激光器的初始實現方式，并一直受到研究者的高度關注。其中，被動調Q與主動調Q相比，具有低成本、結構緊湊的特點［2-3］，被動調Q自拉曼激光器將被動調Q與自拉曼相結合，實現了結構簡單、體積小、低成本的晶體拉曼激光器。

GdVO4晶體屬于鋯石結構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［4］。對于沿著a（a-cut）軸和c（c-cut）軸方向切割的GdVO4對1.06μm的受激發射截面不同，a-cut的受激發射截面（25×10-19cm2）為c-cut（6.5×10-19cm2）的4倍。GdVO4晶體具有優良的物理、光學、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。相比Nd：YAG晶體有更高的斜率效率，比Nd：YVO4晶體有更好的熱導性和高輸出功率［5-6］。2001年，Kaminskii等人發現，GdVO4晶體具有高的拉曼增益系數，并預測Nd：GdVO4將是一種很有前途的自拉曼激光晶體［7］。2003年，劉杰團隊實現了Nd：GdVO4被動調Q激光器輸出，分析對比不同增益介質的泵浦閾值、轉換效率及脈沖寬度等激光特性，為在不同環境下選取合適的晶體提供一定實驗依據［8］。2004年，陳永富等人分別實現了主動調Q和被動調Q的Nd：GdVO4自拉曼激光器［9-10］，在同年，陳永富再次實現了被動調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等人實現了LD泵浦主動調Q c-cut Nd：GdVO4自拉曼激光器，在脈沖重復頻率為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用Cr：YAG作為飽和吸收體的被動調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，脈沖重復率為27.5kHz［16］。同年，劉永納等人對LD抽運Cr4+：YAG被動調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，相應的轉換效率達到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到拉曼光轉換效率達到了11.4%。綜上所述，本文實現了高功率和高效的Nd：GdVO4被動調Q自拉曼激光輸出［20］。

1 實驗裝置

圖1為LD泵浦被動調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使泵浦光束投射到Nd：GdVO4晶體。諧振腔腔型為凹平結構。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Q Nd：GdVO4自拉曼激光器實驗裝置

2 實驗結果及討論

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Q Nd：GdVO4自拉曼激光器的最大輸出功率；相應的從LD到拉曼光的轉換效率為11.4%，這是目前此類激光器的最高轉換效率，相應的斜率效率為14.3%［20］。

根據平均輸出功率和脈沖重復頻率（PRF）可以推導出單脈沖能量。圖3體現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，泵浦功率的增加導致了腔內光束分布的變化，接近于最優值。當抽運功率持續變大會導致嚴重的熱效應，從而影響了基頻光向一階斯托克斯光的轉換效率［20］。

圖2 LD泵浦被動調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橫模寬度和較小的漂白系數［19］，同時較長的腔長不利于腔內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生。而根據ABCD矩陣理論可以計算得知，文獻［18］的腔內光束半徑遠小于抽運光束在自拉曼介質中的平均半徑，根據文獻［19］可知，較小的腔內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］的抽運光束與腔內激光的耦合效率，有利于提高抽運光到基頻光的轉換效率。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。在熱效應嚴重時，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換效率會嚴重下降。本文中的腔內激光具有較大的橫模尺寸，受到熱效應的影響要比文獻［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.%），有益于降低熱效應的影響；同時具有長度上的優勢（15mm：9mm），提高了拉曼增益；結合合適的輸出鏡透過率，在實驗中獲得了高效的轉換效率和高功率的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粒子數，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?。?0］。

圖5 輸出被動調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，相對應的是同一時刻基頻光的單脈沖波形。

3 結論

使用曲率半徑R=300mm后腔鏡對LD抽運的Cr：YAG被動調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換效率，輸入泵浦功率為6.28W時，獲得平均輸出功率為716mW，轉換效率達到了11.4%。據我們所知，這是目前LD泵浦被動調Q Nd：GdVO4自拉曼激光器最高的轉換效率［20］。

［1］丁雙紅.全固態拉曼激光器理論與實驗研究［D］.濟南：山東大學，2006.

［2］王成，方志丹，李曉英，等.激光二極管泵浦的全固體激光器［J］.長春理工大學學報：自然科學版，2001，24（1）：55-58.

［3］金元筆，金光勇，王雷，等.Nd：YVO4/Cr4+：YAG被動調Q激光器輸出特性的提高［J］.長春理工大學學報：自然科學版，2015，38（3）：41-45.

［4］梁紅艷，于浩海，張懷金，等.GdVO4晶體的生長及其性能研究［J］.人工晶體學報，2007，36（01）：47-51.

［5］戴厚梅，田來科，徐兵.新型激光晶Nd：GdVO4［J］.光子學報，2007（S1）：95-98.

［6］李永亮，姚建波，曾佑洪，等.和頻黃光激光器研制［J］.長春理工大學學報：自然科學版，2010，33（2）：51-53.

［7］Kaminskii A A，Kenichi.U，Eichler H J，et al.Tetragonal vanadates YVO4and GdVO4new efficient X（3）-materials for Raman lasers［J］.Optics Communications，2001，194（1）：201-206.

［8］劉杰，楊濟民，何京良.LD抽運Nd：YVO4、Nd：GdVO4和Nd：YAG激光特性比較［J］.激光雜志，2003，24（05）：28-30.

［9］Chen Y F.Compact efficient self-frequency Raman conversionindiode-pumpedpassivelyQ-switched Nd：GdVO4laser［J］.Applied Physics B，2004，78（6）：685-687.

［10］Chen Y F.Efficient 1521nm Nd：GdVO4Raman laser［J］.Optics Letters，2004，29（22）：2632-2634.

［11］Chen Y F.Efficient subnanosecond diode-pumped passivelyQ-switchedNd：YVO4self-stimulated Ramanlaser.［J］.OpticsLetters，2004，29（7）：1251-1253.

［12］Su Fu，Zhang X，Wang Q，et al.Theoretical and experimentalstudyonadiode-pumpedactively Q-switched Nd：GdVO4，self-stimulated Raman laser at1173nm［J］.Optics Communications，2007，277（2）：379-384.

［13］蘇富芳，張行愚，王青圃，等.被動調Q自拉曼Nd∶GdVO4激光器［J］.光學學報，2007，27（10）：1831-1835.

［14］Su F，Zhang X，Wang Q，et al.Analysis of a diode-pumpedpassivelyQ-switchedNd：GdVO4，self-stimulating Raman laser［J］.Optical Materials，2008，30（12）：1895-1899.

［15］Wang Z，Du C，Ruan S，et al.Laser diode pumped actively Q-switched Nd：GdVO4self-Raman laser operating at 1173nm［J］.Optics&Laser Technology，2010，42（5）：716-719.

［16］PengJY，ZhengY，ShiYX，etal.Passively Q-switcheda-cutNd：GdVO4self-Ramanlaser with Cr：YAG［J］.Optics&Laser Technology，2012，44（44）：2175-2177.

［17］劉永納，江飛虹，王淑梅，等.LD抽運Cr4+：YAG被動調Q c-cut Nd：YVO4自拉曼激光器［J］.中國激光，2012（07）：14-19.

［18］Wang M Q，Ding S H，Yu W Y，et al.High-efficientdiode-pumpedpassivelyQ-switchedc-cut Nd：GdVO4self-Ramanlaser［J］.LaserPhysics Letters，2013，10（4）：916-923.

［19］Ding S，Zhang X，Wang Q，et al.Numerical modelling of passively Q-switched intracavity Raman lasers［J］.Journal of Physics D Applied Physics，2007，40（9）：2736-2747.

［20］賈宇龍.內腔式拉曼激光器的光束凈化研究［D］.長春：長春理工大學，2017.

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

長春理工大學青年科學基金（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