高效高功率LD抽运被动调Q c切Nd：GdVO4自拉曼激光器

贾宇龙，李述涛，董渊，于永吉，王超

（长春理工大学理学院，长春 130022）

高效高功率LD抽运被动调Q c切Nd：GdVO4自拉曼激光器

贾宇龙，李述涛，董渊，于永吉，王超

（长春理工大学理学院，长春 130022）

采用长度为15mm的c切Nd：GdVO4作为自拉曼晶体，Cr：YAG作为饱和吸收体，曲率半径为300mm的后腔镜进行了激光二极管（LD）抽运的被动调Q自拉曼激光器实验研究，分析了抽运功率和腔镜曲率对输出功率，脉冲能量以及脉冲宽度的影响。在6.28W的输入泵浦功率下获得了716mW的1176nm激光输出，从LD到拉曼光的转换效率达到11.4%，这是目前公开报道的LD泵浦被动调Q Nd：GdVO4/Cr：YAG自拉曼激光器最高的输出功率和转换效率。

自拉曼激光器；被动调Q；受激拉曼散射；Nd：GdVO4晶体

晶体中的受激拉曼散射是实现固体激光非线性频率转换以及拓展固体激光输出光谱的重要方式。全固态自拉曼激光器由于激光晶体和拉曼晶体合二为一，具有体积小、效率高、结构紧凑和稳定性好等优势，是内腔式拉曼激光器的研究热点［1］。调Q脉冲内腔式拉曼激光器由于腔内高峰值功率的基频激光运转而易于实现高效率的受激拉曼散射，获得高峰值功率的拉曼激光输出，是内腔式拉曼激光器的初始实现方式，并一直受到研究者的高度关注。其中，被动调Q与主动调Q相比，具有低成本、结构紧凑的特点［2-3］，被动调Q自拉曼激光器将被动调Q与自拉曼相结合，实现了结构简单、体积小、低成本的晶体拉曼激光器。

GdVO4晶体属于锆石结构的四方空间群的氧化混合物，晶体的四倍对称轴即为晶体的光轴c轴，晶体的a，b轴垂直于光轴c轴。由于晶体的各向异性，GdVO4晶体的输出偏振特性和切割方式密切相关［4］。对于沿着a（a-cut）轴和c（c-cut）轴方向切割的GdVO4对1.06μm的受激发射截面不同，a-cut的受激发射截面（25×10-19cm2）为c-cut（6.5×10-19cm2）的4倍。GdVO4晶体具有优良的物理、光学、机械性能，是理想的高功率输出的微小型激光器的激光工作物质。相比Nd：YAG晶体有更高的斜率效率，比Nd：YVO4晶体有更好的热导性和高输出功率［5-6］。2001年，Kaminskii等人发现，GdVO4晶体具有高的拉曼增益系数，并预测Nd：GdVO4将是一种很有前途的自拉曼激光晶体［7］。2003年，刘杰团队实现了Nd：GdVO4被动调Q激光器输出，分析对比不同增益介质的泵浦阈值、转换效率及脉冲宽度等激光特性，为在不同环境下选取合适的晶体提供一定实验依据［8］。2004年，陈永富等人分别实现了主动调Q和被动调Q的Nd：GdVO4自拉曼激光器［9-10］，在同年，陈永富再次实现了被动调Q的Nd：YVO4自拉曼激光器，并得到125mW的1178.6nm的拉曼光输出，光光转换效率达到6.3%，这也是当时首次以c-cut Nd：YVO4作为拉曼晶体的被动调Q拉曼输出报道［11］。2007到2008年间，苏富芳等人对主动和被动c-cut Nd：GdVO4自拉曼激光器进行了理论和实验研究［12-14］。2010年，Wang Z等人实现了LD泵浦主动调Q c-cut Nd：GdVO4自拉曼激光器，在脉冲重复频率为30kHz时，得到1173nm激光的最大平均输出功率高达2.26W［15］。2012年，彭继迎等人完成了有关用Cr：YAG作为饱和吸收体的被动调Q a-cut Nd：GdVO4自拉曼激光器的报道，在最大泵浦功率10W时，得到1173nm最大平均输出功率为204mW，脉宽为1.8ns，脉冲重复率为27.5kHz［16］。同年，刘永纳等人对LD抽运Cr4+：YAG被动调Q c-cut Nd：YVO4自拉曼激光器进行了实验研究，通过采用不同初始透过率的饱和吸收体和不同反射率的输出镜进行实验，研究了初始透过率和反射率对拉曼光输出特性的影响，在泵浦功率为4.8W时，拉曼光的最高平均功率为370mW，光光转换效率为7.7%，并在实验中获得了亚纳秒级拉曼光输出，最高单脉冲能量达到54μJ，最高峰值功率为47kW［17］。2013年，王美芹等人分别使用91%和85%不同初始透过率的Cr4+：YAG，在泵浦功率为4W时得到了410mW拉曼光输出，相应的转换效率达到10.3%［18］。

本文采用LD端面抽运，初始透过率T0=91%的Cr4+：YAG作为饱和吸收体，实现了c-cut Nd：GdVO4自拉曼激光器。在泵浦功率为6.3W，拉曼激光输出功率为716mW，从LD到拉曼光转换效率达到了11.4%。综上所述，本文实现了高功率和高效的Nd：GdVO4被动调Q自拉曼激光输出［20］。

1 实验装置

图1为LD泵浦被动调Q Nd：GdVO4自拉曼激光器实验装置图。作为泵浦源的808nm光纤耦合输出LD最大功率为30W，光纤数值孔径0.22，纤芯直径400μm。采用放大比例为1∶1的聚焦耦合透镜系统使泵浦光束投射到Nd：GdVO4晶体。谐振腔腔型为凹平结构。后腔镜M1是凹面镜，曲率半径为300mm，镀膜对1064nm和1180nm高反（R＞99.8%和Rs＞99.5%），并且对808nm激光双面高透（T＞96%）。输出镜M2为平面镜，镀膜对1064nm高反（R＞99.8%）对1176nm激光反射率为92.7%。c-cut的Nd：GdVO4晶体掺Nd浓度为0.3-at.%，晶体尺寸为3×3×15mm3，两侧镀膜对1064nm和1176nm高透，其中Nd：GdVO4晶体入射面镀膜对808nm高透（T= 96%）。使用铟箔包裹Nd：GdVO4晶体，并放置在通水冷却紫铜块中，水温控制在恒温18℃。饱和吸收体Cr4+：YAG晶体长度为1.6mm，厚度为3mm，对1.06μm激光的初始透过率为T0=91%，表面镀膜对1064nm高透，用铟箔包裹后放置在通水冷却紫铜块中。激光器谐振腔长度约为6cm。用以色列OPHIR公司生产的F150A功率计测量平均输出功率。使用美国泰克公司DPO3054示波器记录波形及脉冲宽度［20］。

图1 LD泵浦被动调Q Nd：GdVO4自拉曼激光器实验装置

2 实验结果及讨论

图2为使用日本横河公司的AQ6373光谱仪测量的拉曼光精细光谱图，一阶斯托克斯光中心波长分别1176nm。拉曼光的平均输出功率与脉冲能量随输入抽运功率的变化如图3所示。激光器的拉曼光阈值为1.789W，此时1176nm光输出功率为72mW。当输入抽运功率6.28W时获得1176nm激光最大输出功率716mW，这是被动调Q Nd：GdVO4自拉曼激光器的最大输出功率；相应的从LD到拉曼光的转换效率为11.4%，这是目前此类激光器的最高转换效率，相应的斜率效率为14.3%［20］。

根据平均输出功率和脉冲重复频率（PRF）可以推导出单脉冲能量。图3体现了脉冲能量随着抽运功率的变化情况，使用较大曲率半径的后腔镜获得了14.4到18.2μJ的单脉冲能量。起初，脉冲能量随着抽运功率的增大而增大，但当抽运功率达到4W时，脉冲能量呈下降趋势。这些现象可以说明，当抽运功率小时，热畸变并不明显，泵浦功率的增加导致了腔内光束分布的变化，接近于最优值。当抽运功率持续变大会导致严重的热效应，从而影响了基频光向一阶斯托克斯光的转换效率［20］。

图2 LD泵浦被动调Q Nd：GdVO4自拉曼激光器输出拉曼光光谱图

图3 1176nm拉曼光的平均输出功率与脉冲能量随输入抽运功率的变化

2013年王美芹团队以相同的拉曼晶体，两种不同初始透过率Cr4+：YAG作为饱和吸收体完成相同实验报道［18］。与其相比，本文中的后腔镜有更大的曲率半径（300mm：150mm）以及相对较长的谐振腔（60mm：35mm），可以获得更大的腔内横模宽度和较小的漂白系数［19］，同时较长的腔长不利于腔内峰值功率密度的提高，这些因素都不利于一阶斯托克斯光的产生。而根据ABCD矩阵理论可以计算得知，文献［18］的腔内光束半径远小于抽运光束在自拉曼介质中的平均半径，根据文献［19］可知，较小的腔内光束半径有利于基频光和拉曼光起振，降低阈值，但泵浦光与腔内光束的比例并不是越小越好，而是存在一个最佳值，而本文中的腔内光束半径与抽运光束半径相近，可以获得远大于文献［18］的抽运光束与腔内激光的耦合效率，有利于提高抽运光到基频光的转换效率。同时，由于拉曼光束净化作用的存在，拉曼激光的光束质量要比基频光好的多，即使基频光多横模振荡时，拉曼光也基本以单横模运转。在热效应严重时，基本以基模振荡的拉曼光受到的影响要比以多横模振荡的基频光严重的多，从基频光到拉曼光的转换效率会严重下降。本文中的腔内激光具有较大的横模尺寸，受到热效应的影响要比文献［18］中小。本文中的自拉曼晶体钕离子掺杂比例较低（0.3at.%：0.5at.%），有益于降低热效应的影响；同时具有长度上的优势（15mm：9mm），提高了拉曼增益；结合合适的输出镜透过率，在实验中获得了高效的转换效率和高功率的1176nm激光输出［20］。

图4 1176nm拉曼光的脉冲重复率与脉宽随输入抽运功率的变化

图4为拉曼光的脉冲重复率（PRF）与脉宽随输入抽运功率的变化图。在输入抽运功率为6.28W时我们获得了脉冲重复率的最大值49.7kHz。相对较大曲率半径的后腔镜可以在较短的时间积累反转粒子数，使激光器更快达到阈值。在激光器平均输出功率开始下降，PRF仍然呈现上升趋势。这意味着由于拉曼光束净化的原因，一阶斯托克斯光相比基频光更容易受到热效应的影响。对于固定的曲率半径R和初始透过率T0，脉冲宽度随抽运功率的增大而略有减小［20］。

图5 输出被动调Q拉曼光和基频光的脉冲波形

图5为使用美国泰克公司DPO3054示波器观察到的输出被动调Q拉曼光和基频光的脉冲波形图。抽运功率为6.28W时输出拉曼光和基频光的单脉冲波形图，拉曼光脉宽为7.02ns，相对应的是同一时刻基频光的单脉冲波形。

3 结论

使用曲率半径R=300mm后腔镜对LD抽运的Cr：YAG被动调Q c切的Nd：GdVO4自拉曼激光器进行了实验研究，研究了抽运功率对输出功率，脉冲能量以及脉冲宽度的影响。本文得到了良好的输出功率和转换效率，输入泵浦功率为6.28W时，获得平均输出功率为716mW，转换效率达到了11.4%。据我们所知，这是目前LD泵浦被动调Q Nd：GdVO4自拉曼激光器最高的转换效率［20］。

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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

长春理工大学青年科学基金（XQNJJ-2013-02）

贾宇龙（1990-），男，硕士研究生，E-mail：2558817@qq.com

李述涛（1976-），男，博士，助理研究员，E-mail：shutaolee@gmail.com