波長鎖定878.9 nm激光二極管抽運內腔式YVO4/BaWO4連續波拉曼激光器?

張蘊川 樊莉2) 魏晨飛 顧曉敏 任思賢

1)(揚州大學物理科學與技術學院,應用光子技術研究所,揚州 225002)

2)(南京大學,固體微結構物理國家重點實驗室,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,對原激光波長進行頻率轉換從而獲得新波長激光輸出的一種激光器[1?3],是獲得新波長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到拉曼轉換閾值,因此以往報道的拉曼激光器大多是脈沖激光器.直到2004年,第一個連續波固體拉曼激光器才由Grabtchikov等[4]利用高拉曼增益的Ba(NO3)2晶體實現.近年來,得益于腔鏡鍍膜和晶體生長技術的成熟連續波固體拉曼激光器的研究取得了很大進展[5?10],成為了固體激光器的一個研究熱點.

目前報道的全固態連續拉曼激光器可分為內腔分體式和自拉曼激光器兩種.與自拉曼激光器相比,內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,減輕了晶體的熱效應,并且激光和拉曼晶體中的腔模尺寸可分別靈活優化,因此可獲得較高的轉換效率.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,首次實現了內腔分體式連續拉曼激光器的運轉,獲得了800 mW的1176 nm連續拉曼激光輸出[11];2006—2009年,研究人員分別選用各種晶體組合成功實現了1.1μm連續波拉曼激光輸出[12?15],最高拉曼激光轉換效率達到13.2%[15].研究中發現由于內腔分體式拉曼激光器腔內元件多,腔長較長,隨著抽運功率的增加,嚴重的熱透鏡效應會使激光器不能工作在諧振腔穩定區內,限制了激光輸出功率的提高.為了改善熱效應,研究者進行了各種努力.2010年,Lee等[16]采用880 nm激光二極管(LD)共振抽運Nd:GdVO4/BaWO4晶體組合,改善熱效應,結合腔內倍頻獲得了2.9 W的590 nm黃光連續波輸出.2012年,Jakutis-Neto等[17]采用881 nm LD共振抽運Nd:YLF/KGW晶體組合,利用共振抽運技術和Nd:YLF晶體的負熱光系數減輕熱透鏡效應,實現了紅外和黃綠波段多波長連續拉曼激光的穩定輸出.2016年,Wang等[18]采用940 nm LD抽運Yb:YAG/Nd:YVO4微晶片,由于Yb:YAG晶體的量子缺陷小,熱效應好,有效改善了熱效應,首次實現了多波長連續波微片拉曼激光器的運轉.以上研究表明,共振抽運技術通過減小抽運光和產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.但由于一般激光工作物質對共振抽運光吸收率偏低,限制了激光器整體效率的提升.近幾年,有些研究者[19?21]引入波長鎖定窄線寬的LD端面抽運Nd:YVO4晶體,通過LD發射波長與晶體共振抽運吸收峰的精確匹配,在改善熱效應的同時有效提高了抽運吸收率,實現了高效率的拉曼激光運轉.

本文采用波長鎖定的878.9 nm LD作為共振抽運源,以復合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,對不同腔結構內腔分體式拉曼激光器的輸出特性進行了實驗研究.并采用ABCD傳輸矩陣法和等效G參數法對激光腔的穩定性及腔內振蕩激光腔模參數進行計算,詳細分析了晶體性能、輸出鏡曲率半徑、腔長、抽運光斑大小對激光器輸出性能的影響.最終以30 mm BaWO4晶體作為拉曼介質,在抽運功率25.1 W時,獲得了3.02 W的1180 nm連續拉曼激光輸出,光-光轉換效率達到12%,拉曼閾值為2.54 W,斜率效率為13%.

2 諧振腔理論

對于兩腔鏡高功率固體激光器,考慮激光晶體的熱透鏡效應,諧振腔可等效看成一個如圖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),腔內激光晶體被看作是一個焦距f隨著抽運參數變化的熱透鏡,它到M1,M2的距離分別為d1,d2,腔內振蕩激光與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.

在連續激光二極管端面抽運下,激光晶體熱透鏡效應的熱焦距[23]可表示為

圖1 熱透鏡腔結構示意圖[22]Fig.1.Resonators with an internal thermal lens[22].

對于熱透鏡腔,以鏡M1作為參考,腔內單程變換矩陣為

采用等效G參數法,諧振腔對應的G參數為G1=a?b/R1,G2=d?b/R2,當滿足0＜G1G2＜1條件時諧振腔為穩定腔.

在拉曼激光器中,為了獲得高功率、高光束質量的激光輸出,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盡量與抽運光斑相匹配;2)由于拉曼轉換效率與拉曼晶體中基頻光的功率密度成正比,因此應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 實驗裝置

分體式全固態連續拉曼激光器的實驗裝置如圖2所示.激光晶體為復合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部分長度為10 mm,摻雜濃度為0.3 at.%,前后鍵合的YVO4晶體長為2 mm.拉曼晶體分別為YVO4和BaWO4晶體,實驗中采用的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激光抽運下其穩態拉曼增益系數為4.5 cm/GW[27].實驗中采用的另一種拉曼介質為高增益的BaWO4,當1064 nm激光抽運下其穩態拉曼增益系數高達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波長的增透膜,為了減輕晶體熱效應的影響,晶體都用銦箔包裹裝在采用循環水冷卻的銅制熱沉中,水溫控制在17.5°C.

抽運源為nLight公司的878.9 nm波長鎖定光纖耦合輸出LD激光器,其最大輸出功率30 W,光纖芯徑200μm,數值孔徑0.22.其內部利用布拉格光柵對輸出波長進行鎖定,輸出光譜線寬很窄(＜0.3 nm),且輸出峰值波長非常穩定,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共振抽運帶吸收峰的精確匹配,提高抽運光的吸收效率.抽運光經1:2的耦合系統入射到激光晶體前端面上,抽運光斑直徑為400μm.激光腔采用平凹腔的結構,輸入鏡為平鏡,輸出鏡為凹鏡,鍍膜情況為對880 nm高透(T＞99%),對1064 nm(R=99.9%),1176 nm(R=99.8%)和1180 nm(R=99.7%)波長的光高反.

圖2 內腔分體式連續波拉曼激光器結構圖Fig.2.Arrangement of the diode-end-pumped continuous-wave intracavity Raman laser.

4 實驗結果與分析

4.1 實驗結果

由于拉曼激光器中拉曼轉換效率與拉曼晶體長度成正比,因此實驗中首先采用30 mm較長的YVO4和BaWO4晶體作為拉曼介質,腔長達到51 mm.圖3為采用不同晶體、不同曲率半徑(R=100,200,500 mm)輸出鏡時連續拉曼激光輸出功率隨著抽運功率的變化曲線.當以YVO4晶體為拉曼介質,輸出鏡曲率半徑R=100 mm時拉曼激光輸出功率最高,如圖中紅線所示,在25.1 W抽運功率下,僅獲得了0.25 W拉曼激光輸出功率,光-光轉換效率僅達到0.99%,實驗結果并不理想.當采用BaWO4晶體作為拉曼介質時,仍然是采用曲率半徑R=100 mm輸出鏡時獲得的拉曼激光輸出功率最高,如圖3中黑線所示,并且諧振腔的穩定區更寬,隨著抽運功率的增加,拉曼激光輸出功率一直保持上升的趨勢,直到抽運功率大于25.1 W時才開始下降,出現了輸出功率飽和現象.最終在抽運功率25.1 W時,獲得了3.02 W的拉曼激光輸出功率,明顯高于YVO4晶體為拉曼介質時,光光轉換效率達到12%,拉曼閾值為2.54 W,斜率效率為13%.由此可見,盡管實驗中采用了878.9 nm LD共振抽運復合Nd:YVO4晶體改善熱效應,但由于內腔分體式拉曼激光器腔長較長,嚴重的熱透鏡效應仍會使激光器不能工作在諧振腔穩定區內.對比以YVO4和BaWO4晶體為拉曼介質時連續拉曼激光輸出特性,可以看出,由于BaWO4晶體具有高拉曼增益系數,1064 nm基頻光被有效轉換成拉曼激光輸出,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,輸出功率較穩定,腔的動態穩定區較寬.

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

實驗過程中,采用YokoGAWA的AQ6370C光譜分析儀對激光器的輸出光譜進行測量,觀測到除了1064 nm基頻光的譜線外,拉曼介質為YVO4晶體時只有波長為1176 nm的拉曼激光輸出,與晶體拉曼譜最強頻移波數890 cm?1符合;拉曼介質為BaWO4晶體時只有波長1180 nm的拉曼激光輸出,與BaWO4晶體拉曼譜中最強的頻移波數925 cm?1符合.

4.2 理論分析與優化

為了分析輸出鏡曲率半徑對拉曼激光輸出性能的影響,根據具體實驗裝置,取參數d1=4 mm,d2=L?d1(L為腔長).利用(3)式計算出不同輸出鏡曲率半徑時,輸入鏡處振蕩基頻光的基橫模光斑半徑ω1隨抽運功率的變化曲線,如圖4所示.由圖4可知,當輸出鏡曲率半徑R為100和200 mm時,ω1在125—200μm范圍內變化,與抽運光斑模式匹配較好.而在相同抽運功率下,輸出鏡曲率半徑越小,基橫模光斑半徑ω1也越小.同時由(4)式可計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隨抽運功率的變化,結果與ω1隨抽運功率的變化曲線類似(未示出).由此可見,抽運功率相同時,輸出鏡的曲率半徑越小,拉曼介質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,這與前面實驗中采用R=100 mm的輸出鏡時拉曼激光輸出功率最高的結果一致.

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,當腔長為51 mm時,隨著抽運功率的增加,光斑半徑ω1先減小再增大,在高抽運功率下曲線陡峭,ω1快速增大.這是由于隨著抽運功率的增加,晶體的熱透鏡效應越來越嚴重,導致諧振腔變成非穩腔,此時拉曼激光輸出功率將出現飽和甚至下降.仔細觀察可發現,輸出鏡曲率半徑R=100 mm時,諧振腔變成非穩腔對應的抽運功率較高,也就是腔的動態穩定范圍較大,在高抽運功率下拉曼激光輸出功率仍保持增長趨勢,因此獲得的拉曼激光輸出功率最高.

由于實驗中發現嚴重的熱透鏡效應限制了拉曼激光輸出功率的提高,而根據(1)式可知,晶體熱透鏡焦距與抽運光斑半徑ωP的平方成正比,增大抽運光斑將有助于減輕熱效應.由諧振腔穩定性條件計算可知:當抽運功率增大到最高抽運功率26 W時,在現有抽運光斑200μm下,當腔長超過37.5 mm,激光腔已經變為非穩腔,所以實驗中腔長51 mm時出現了拉曼激光輸出功率不穩定和高功率下的飽和現象.而如果將抽運光斑增大到300μm,激光腔長增加到70 mm時也能保持穩定腔,則可以充分發揮分體式拉曼激光器的結構優勢,選用更長的拉曼晶體,獲得更高功率和轉換效率的拉曼激光輸出.

最后,為了驗證以上理論分析的正確性及進一步優化實驗結果,在現有抽運光斑200μm情況下,選取了一塊實驗室現有長度為10 mm的Nd:YVO4晶體作為拉曼介質,將腔長縮減到30.5 mm,仍采用曲率半徑R=100 mm的輸出鏡,結果如圖5中黑線所示,當抽運功率為26.3 W時,最高拉曼激光輸出功率為2.61 W,拉曼閾值為2.28 W,光-光轉換效率達到9.9%,斜率效率為10.9%,且輸出功率較穩定,起伏較小.為了對比,圖5中也給出了采用30 mm BaWO4晶體、腔長為51 mm,R=100 mm輸出鏡時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,且在高抽運功率下仍然保持增長的趨勢,沒有出現增益飽和現象.這些均說明保持穩定腔對于提高拉曼激光輸出功率的重要性.

圖5 不同拉曼介質、不同腔長時拉曼光輸出功率Fig.5.Output powers of Raman laser for different Raman media and cavity lengths.

5 結 論

本文引入波長鎖定LD端面共振抽運復合Nd:YVO4晶體,分別以YVO4和BaWO4晶體作為拉曼介質,理論和實驗研究了輸出鏡曲率半徑、諧振腔穩定性及晶體性能對連續波拉曼激光輸出性能的影響.結果表明:1)由于內腔分體式拉曼激光器腔長較長,諧振腔穩定性對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換效率,還能一定程度上減輕熱效應,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,且腔的動態穩定區更寬,獲得的拉曼激光輸出功率更高.最終當以高增益的30 mm BaWO4晶體為拉曼介質時,抽運功率25.1 W下,獲得了3.02 W的最高拉曼激光輸出功率,光-光轉換效率達到12%,但繼續增大抽運功率拉曼激光輸出功率開始下降,出現了飽和現象.理論計算結果表明:可通過增大抽運光斑,進一步減輕熱效應,獲得較大的穩定腔范圍.在穩定腔范圍內,充分發揮分體式結構優點,增大拉曼晶體長度,有望獲得更高功率的連續波拉曼激光輸出.

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