张蕴川 樊莉2) 魏晨飞 顾晓敏 任思贤

1)(扬州大学物理科学与技术学院,应用光子技术研究所,扬州 225002)

2)(南京大学,固体微结构物理国家重点实验室,南京 210093)

1 引 言

固体拉曼激光器是利用固体拉曼非线性晶体的受激拉曼散射(stimulated Raman scattering,SRS)效应,对原激光波长进行频率转换从而获得新波长激光输出的一种激光器[1−3],是获得新波长激光的一种有效手段.由于脉冲激光器中基频光具有较高峰值功率更易达到拉曼转换阈值,因此以往报道的拉曼激光器大多是脉冲激光器.直到2004年,第一个连续波固体拉曼激光器才由Grabtchikov等[4]利用高拉曼增益的Ba(NO3)2晶体实现.近年来,得益于腔镜镀膜和晶体生长技术的成熟连续波固体拉曼激光器的研究取得了很大进展[5−10],成为了固体激光器的一个研究热点.

目前报道的全固态连续拉曼激光器可分为内腔分体式和自拉曼激光器两种.与自拉曼激光器相比,内腔分体式拉曼激光器是采用两块晶体分别作为激光和拉曼介质,减轻了晶体的热效应,并且激光和拉曼晶体中的腔模尺寸可分别灵活优化,因此可获得较高的转换效率.2005年,Pask以Nd:YAG晶体作为激光晶体,以KGd(WO4)2晶体作为拉曼介质,首次实现了内腔分体式连续拉曼激光器的运转,获得了800 mW的1176 nm连续拉曼激光输出[11];2006—2009年,研究人员分别选用各种晶体组合成功实现了1.1µm连续波拉曼激光输出[12−15],最高拉曼激光转换效率达到13.2%[15].研究中发现由于内腔分体式拉曼激光器腔内元件多,腔长较长,随着抽运功率的增加,严重的热透镜效应会使激光器不能工作在谐振腔稳定区内,限制了激光输出功率的提高.为了改善热效应,研究者进行了各种努力.2010年,Lee等[16]采用880 nm激光二极管(LD)共振抽运Nd:GdVO4/BaWO4晶体组合,改善热效应,结合腔内倍频获得了2.9 W的590 nm黄光连续波输出.2012年,Jakutis-Neto等[17]采用881 nm LD共振抽运Nd:YLF/KGW晶体组合,利用共振抽运技术和Nd:YLF晶体的负热光系数减轻热透镜效应,实现了红外和黄绿波段多波长连续拉曼激光的稳定输出.2016年,Wang等[18]采用940 nm LD抽运Yb:YAG/Nd:YVO4微晶片,由于Yb:YAG晶体的量子缺陷小,热效应好,有效改善了热效应,首次实现了多波长连续波微片拉曼激光器的运转.以上研究表明,共振抽运技术通过减小抽运光和产生激光之间的量子亏损,可从根本上减轻激光晶体的热效应.但由于一般激光工作物质对共振抽运光吸收率偏低,限制了激光器整体效率的提升.近几年,有些研究者[19−21]引入波长锁定窄线宽的LD端面抽运Nd:YVO4晶体,通过LD发射波长与晶体共振抽运吸收峰的精确匹配,在改善热效应的同时有效提高了抽运吸收率,实现了高效率的拉曼激光运转.

本文采用波长锁定的878.9 nm LD作为共振抽运源,以复合Nd:YVO4晶体作为激光晶体,分别采用YVO4晶体和BaWO4晶体作为拉曼介质,对不同腔结构内腔分体式拉曼激光器的输出特性进行了实验研究.并采用ABCD传输矩阵法和等效G参数法对激光腔的稳定性及腔内振荡激光腔模参数进行计算,详细分析了晶体性能、输出镜曲率半径、腔长、抽运光斑大小对激光器输出性能的影响.最终以30 mm BaWO4晶体作为拉曼介质,在抽运功率25.1 W时,获得了3.02 W的1180 nm连续拉曼激光输出,光-光转换效率达到12%,拉曼阈值为2.54 W,斜率效率为13%.

2 谐振腔理论

对于两腔镜高功率固体激光器,考虑激光晶体的热透镜效应,谐振腔可等效看成一个如图1所示的热透镜腔.其中,M1,M2为谐振腔镜(R1,R2分别为其曲率半径),腔内激光晶体被看作是一个焦距f随着抽运参数变化的热透镜,它到M1,M2的距离分别为d1,d2,腔内振荡激光与M1,M2镜相邻的基横模高斯光束的束腰半径分别为ω01,ω02,束腰位置分别用到M1,M2的距离L01,L02表示.

在连续激光二极管端面抽运下,激光晶体热透镜效应的热焦距[23]可表示为

图1 热透镜腔结构示意图[22]Fig.1.Resonators with an internal thermal lens[22].

对于热透镜腔,以镜M1作为参考,腔内单程变换矩阵为

采用等效G参数法,谐振腔对应的G参数为G1=a−b/R1,G2=d−b/R2,当满足0＜G1G2＜1条件时谐振腔为稳定腔.

在拉曼激光器中,为了获得高功率、高光束质量的激光输出,需考虑两方面的因素:1)激光晶体前端面振荡激光腔模尺寸应尽量与抽运光斑相匹配;2)由于拉曼转换效率与拉曼晶体中基频光的功率密度成正比,因此应尽量让拉曼晶体中基频光束腰半径更小,且居于拉曼晶体中部.由自在现模条件可求得镜M1处基模高斯光束的光斑半径ω1(由于激光晶体一般紧贴输入镜,即等于激光晶体前端面振荡激光腔模尺寸)为

与镜M2相邻的(即拉曼晶体中)光束腰大小ω02和位置L02为

3 实验装置

分体式全固态连续拉曼激光器的实验装置如图2所示.激光晶体为复合YVO4/Nd:YVO4/YVO4晶体,该晶体大小为(4×4×14)mm3,沿a轴切割,中间Nd:YVO4部分长度为10 mm,掺杂浓度为0.3 at.%,前后键合的YVO4晶体长为2 mm.拉曼晶体分别为YVO4和BaWO4晶体,实验中采用的YVO4晶体有两块,尺寸分别为(4 mm×4 mm×30 mm)和(4 mm×4 mm×10 mm),均沿a轴切割,在1064 nm激光抽运下其稳态拉曼增益系数为4.5 cm/GW[27].实验中采用的另一种拉曼介质为高增益的BaWO4,当1064 nm激光抽运下其稳态拉曼增益系数高达8.5 cm/GW[28],该晶体大小为4 mm×4 mm×30 mm,沿b轴切割.晶体两端面都镀有1064/1176/1180 nm波长的增透膜,为了减轻晶体热效应的影响,晶体都用铟箔包裹装在采用循环水冷却的铜制热沉中,水温控制在17.5°C.

抽运源为nLight公司的878.9 nm波长锁定光纤耦合输出LD激光器,其最大输出功率30 W,光纤芯径200µm,数值孔径0.22.其内部利用布拉格光栅对输出波长进行锁定,输出光谱线宽很窄(＜0.3 nm),且输出峰值波长非常稳定,随着工作条件的变化漂移很小,从而可以保证与Nd:YVO4晶体880 nm共振抽运带吸收峰的精确匹配,提高抽运光的吸收效率.抽运光经1:2的耦合系统入射到激光晶体前端面上,抽运光斑直径为400µm.激光腔采用平凹腔的结构,输入镜为平镜,输出镜为凹镜,镀膜情况为对880 nm高透(T＞99%),对1064 nm(R=99.9%),1176 nm(R=99.8%)和1180 nm(R=99.7%)波长的光高反.

图2 内腔分体式连续波拉曼激光器结构图Fig.2.Arrangement of the diode-end-pumped continuous-wave intracavity Raman laser.

4 实验结果与分析

4.1 实验结果

由于拉曼激光器中拉曼转换效率与拉曼晶体长度成正比,因此实验中首先采用30 mm较长的YVO4和BaWO4晶体作为拉曼介质,腔长达到51 mm.图3为采用不同晶体、不同曲率半径(R=100,200,500 mm)输出镜时连续拉曼激光输出功率随着抽运功率的变化曲线.当以YVO4晶体为拉曼介质,输出镜曲率半径R=100 mm时拉曼激光输出功率最高,如图中红线所示,在25.1 W抽运功率下,仅获得了0.25 W拉曼激光输出功率,光-光转换效率仅达到0.99%,实验结果并不理想.当采用BaWO4晶体作为拉曼介质时,仍然是采用曲率半径R=100 mm输出镜时获得的拉曼激光输出功率最高,如图3中黑线所示,并且谐振腔的稳定区更宽,随着抽运功率的增加,拉曼激光输出功率一直保持上升的趋势,直到抽运功率大于25.1 W时才开始下降,出现了输出功率饱和现象.最终在抽运功率25.1 W时,获得了3.02 W的拉曼激光输出功率,明显高于YVO4晶体为拉曼介质时,光光转换效率达到12%,拉曼阈值为2.54 W,斜率效率为13%.由此可见,尽管实验中采用了878.9 nm LD共振抽运复合Nd:YVO4晶体改善热效应,但由于内腔分体式拉曼激光器腔长较长,严重的热透镜效应仍会使激光器不能工作在谐振腔稳定区内.对比以YVO4和BaWO4晶体为拉曼介质时连续拉曼激光输出特性,可以看出,由于BaWO4晶体具有高拉曼增益系数,1064 nm基频光被有效转换成拉曼激光输出,获得了较高的拉曼激光输出功率,且在一定程度上减轻了激光器的热效应,输出功率较稳定,腔的动态稳定区较宽.

图3 不同曲率半径输出镜时拉曼激光输出功率Fig.3.Output powers of Raman laser for output couplers with different radii of curvature.

实验过程中,采用YokoGAWA的AQ6370C光谱分析仪对激光器的输出光谱进行测量,观测到除了1064 nm基频光的谱线外,拉曼介质为YVO4晶体时只有波长为1176 nm的拉曼激光输出,与晶体拉曼谱最强频移波数890 cm−1符合;拉曼介质为BaWO4晶体时只有波长1180 nm的拉曼激光输出,与BaWO4晶体拉曼谱中最强的频移波数925 cm−1符合.

4.2 理论分析与优化

为了分析输出镜曲率半径对拉曼激光输出性能的影响,根据具体实验装置,取参数d1=4 mm,d2=L−d1(L为腔长).利用(3)式计算出不同输出镜曲率半径时,输入镜处振荡基频光的基横模光斑半径ω1随抽运功率的变化曲线,如图4所示.由图4可知,当输出镜曲率半径R为100和200 mm时,ω1在125—200µm范围内变化,与抽运光斑模式匹配较好.而在相同抽运功率下,输出镜曲率半径越小,基横模光斑半径ω1也越小.同时由(4)式可计算出不同输出镜曲率半径下拉曼晶体中基频光基横模束腰半径ω02随抽运功率的变化,结果与ω1随抽运功率的变化曲线类似(未示出).由此可见,抽运功率相同时,输出镜的曲率半径越小,拉曼介质中的基频光束腰半径越小,基频光功率密度也越大,可获得更高功率的拉曼激光输出,这与前面实验中采用R=100 mm的输出镜时拉曼激光输出功率最高的结果一致.

图4 输出镜不同曲率半径下输入镜处基模光斑半径ω1随抽运功率的变化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.

从图4中还可以看出,当腔长为51 mm时,随着抽运功率的增加,光斑半径ω1先减小再增大,在高抽运功率下曲线陡峭,ω1快速增大.这是由于随着抽运功率的增加,晶体的热透镜效应越来越严重,导致谐振腔变成非稳腔,此时拉曼激光输出功率将出现饱和甚至下降.仔细观察可发现,输出镜曲率半径R=100 mm时,谐振腔变成非稳腔对应的抽运功率较高,也就是腔的动态稳定范围较大,在高抽运功率下拉曼激光输出功率仍保持增长趋势,因此获得的拉曼激光输出功率最高.

由于实验中发现严重的热透镜效应限制了拉曼激光输出功率的提高,而根据(1)式可知,晶体热透镜焦距与抽运光斑半径ωP的平方成正比,增大抽运光斑将有助于减轻热效应.由谐振腔稳定性条件计算可知:当抽运功率增大到最高抽运功率26 W时,在现有抽运光斑200µm下,当腔长超过37.5 mm,激光腔已经变为非稳腔,所以实验中腔长51 mm时出现了拉曼激光输出功率不稳定和高功率下的饱和现象.而如果将抽运光斑增大到300µm,激光腔长增加到70 mm时也能保持稳定腔,则可以充分发挥分体式拉曼激光器的结构优势,选用更长的拉曼晶体,获得更高功率和转换效率的拉曼激光输出.

最后,为了验证以上理论分析的正确性及进一步优化实验结果,在现有抽运光斑200µm情况下,选取了一块实验室现有长度为10 mm的Nd:YVO4晶体作为拉曼介质,将腔长缩减到30.5 mm,仍采用曲率半径R=100 mm的输出镜,结果如图5中黑线所示,当抽运功率为26.3 W时,最高拉曼激光输出功率为2.61 W,拉曼阈值为2.28 W,光-光转换效率达到9.9%,斜率效率为10.9%,且输出功率较稳定,起伏较小.为了对比,图5中也给出了采用30 mm BaWO4晶体、腔长为51 mm,R=100 mm输出镜时的拉曼激光输出功率.从图中可以看出,尽管YVO4晶体的拉曼增益低于BaWO4,且长度也短于BaWO4,但其获得的拉曼输出功率只是略低于BaWO4拉曼激光器,且在高抽运功率下仍然保持增长的趋势,没有出现增益饱和现象.这些均说明保持稳定腔对于提高拉曼激光输出功率的重要性.

图5 不同拉曼介质、不同腔长时拉曼光输出功率Fig.5.Output powers of Raman laser for different Raman media and cavity lengths.

5 结 论

本文引入波长锁定LD端面共振抽运复合Nd:YVO4晶体,分别以YVO4和BaWO4晶体作为拉曼介质,理论和实验研究了输出镜曲率半径、谐振腔稳定性及晶体性能对连续波拉曼激光输出性能的影响.结果表明:1)由于内腔分体式拉曼激光器腔长较长,谐振腔稳定性对拉曼激光器性能有很大影响,选择高增益的拉曼晶体,不仅可获得高拉曼转换效率,还能一定程度上减轻热效应,获得高功率的拉曼激光输出;2)平凹腔中输出镜的曲率半径越小,拉曼晶体中基频光的功率密度越大,且腔的动态稳定区更宽,获得的拉曼激光输出功率更高.最终当以高增益的30 mm BaWO4晶体为拉曼介质时,抽运功率25.1 W下,获得了3.02 W的最高拉曼激光输出功率,光-光转换效率达到12%,但继续增大抽运功率拉曼激光输出功率开始下降,出现了饱和现象.理论计算结果表明:可通过增大抽运光斑,进一步减轻热效应,获得较大的稳定腔范围.在稳定腔范围内,充分发挥分体式结构优点,增大拉曼晶体长度,有望获得更高功率的连续波拉曼激光输出.

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