用于水下激光测量的Nd:GdVO4456nm 深蓝激光的研究

张艳波 张文彦

（长春新产业光电技术有限公司，吉林 长春130012）

对于许多应用，例如水下激光测量，光学数据存储，通信，光谱学，大图像投影和医疗应用，迫切需要高功率蓝光。对于此类应用，高功率蓝光光源必须紧凑，具有高的光学效率和长的可靠使用寿命。二极管泵浦固态蓝光激光器是实现蓝光光源的一种有前途的方法[1]。在水下工作的激光在蓝色波长下的透明窗口可能观察到较低的减小。蓝色激光的高功率可以传输更长的距离，而456nm 的深蓝色激光则有利于水下研究[2-5]。

自从Fan 和Byer 于1987年首次在室温下引入LD 泵浦准三能级946nm Nd：YAG 激光器之后，对腔内二次谐波产生的473nm 蓝光进行了广泛的研究[6]。为了获得例如在460nm 以下的更深的蓝色光谱区域，Nd:GdVO4是实现上述目标的候选者。使用简单的线性谐振器，在912nm处获得190mW 的30mW 456nm 激光。 Z 腔用于在456nm 处实现840mW 的输出功率，其斜率效率高达16%。相应的456nm蓝色激光可在市场上买到，输出功率为5.3W[7]。

在这项工作中，我们证明了在912nm 处工作于4F3/2→4I9/2跃迁的二极管端面泵浦Nd：GdVO4激光器的高效双腔倍频。将15mm 长的LBO 晶体切割为室温下的关键I 型相位匹配，用于基本激光器的二倍频。在入射泵浦功率为25.6W 时，在456nm的深蓝色光谱范围内已达到11.5W 的最大输出功率。光电转换效率最高可达45%，在6 小时内的功率稳定性优于1.58%。

图1 腔内倍频Nd：GdVO4 基态激光器的设置

1 实验装置

腔内倍频深蓝色激光的示意图如图1 所示。泵浦源是在激光晶体两端使用的两个激光二极管阵列。泵浦源之一是15W 808nm 光纤耦合LDA，其纤芯直径为400 微米，用于CW 泵浦的数值孔径为0.22。它的发射中心波长在室温下为806.4nm，可以通过改变散热器的温度进行调整，以使其与激光晶体的最佳吸收相匹配。耦合光学器件由两个相同的平凸透镜组成，焦距为15mm，用于将泵浦光束以1：1 的比例重新成像到激光晶体中。耦合效率为95%。因为在泵浦光斑区域中泵浦光强度足够高，所以必须很好地调整第一个透镜以准直泵浦光束，因为它将严重影响焦点。但是，两个透镜之间的距离可以通过实验自由调节。对于像差，平均泵浦光斑半径约为220 微米。激光晶体是3×3×15mm3、0.2%Nd3+掺杂的Nd:GdVO4。它用铟箔包裹并安装在铜散热器中。激光晶体的左侧镀有泵浦波长和1063nm（R＜2%）的抗反射膜，并镀有912nm（R＞99.9%）的高反射膜，用作腔体的一面镜子。使用低掺杂浓度的长激光晶体来减少热透镜效应和准三能级发射的重吸收，确保将吸收足够的泵浦能量。当调节泵浦波长以匹配Nd:GdVO4的吸收峰时，大约60%的泵浦功率被吸收。激光晶体的温度通过热电冷却器（TEC）保持在15 摄氏度的恒定值，这有助于产生较小的终端激光能级热量分布和稳定的输出功率。较低的温度对于在912nm 的Nd：GdVO4谱线上高效运行至关重要。 激光晶体的右侧在808nm，912nm，1063nm 和1341nm 处进行了抗反射膜层，以减少912nm 谐振的损耗并抑制1063nm 和1341nm 的强线。平面镜M1 的左侧在808nm，1063nm 和1341nm 处镀有AR，并且在912nm 处镀有HR。 M1 的另一面镀有808nm 的增透膜。M3 的凹面在912nm 和456nm 处进行HR 膜层。平凹镜M2 是输出镜，凹面在912nm 处HR 涂覆，在456nm 处AR 涂覆。M2 的平面刻有456nm 的增透膜。当满足Nd:GdVO4和反射镜两面的膜层要求时，912nm 光谱线可能会独立振荡。通过TEC 对LDA，整个腔体和晶体进行冷却，以实现主动温度控制，稳定度为±0.1℃。LBO 是2×2×20mm3的非线性晶体（θ＝90°，φ＝21.7°）。尽管KNbO3 和BIBO 具有很高的非线性度，但LBO 被选作倍频材料，因为其走离角小，光谱和角度接受带宽大。 LBO 晶体的两个面都进行了镀膜，以在456nm 和912nm 处进行减反射，以减少空腔中的反射损耗。它安装在铜块中，铜块也固定在TEC上以进行主动温度控制。

2 结论

在25.6W 的总泵浦功率下，可获得11.5W 的深蓝色激光。高转换效率基于完美的冷却条件。由于该激光器是在水下使用的，因此与常规激光器系统相比，该激光器的晶体温度可以较低且稳定，并且该激光器可以以更高的稳定性工作。显而易见，高发射阈值和456nm 输出功率的转折点从数十毫瓦迅速上升到数百毫瓦。产生这些现象的原因是由于912nm 基波的准三能级的重吸收损耗饱和。在较低的泵浦功率下，谐振器中存在较低的循环强度，并且相应的高重吸收损耗导致较高的阈值。随着泵浦功率的增加，循环强度变得如此之高，以至于它抵消了重吸收损失，并且此时输出功率突然增加。之后，激光器将像四级系统一样工作。当入射泵浦功率为25.5W 时，通过过滤808nm 和912nm 红外光测得的输出功率高达11.5W。光电转换效率高达45%。

通过FieldMaster-GS 功率计测得的输出稳定性优于1.58%。图2 是光束质量测试结果，表明456nm 处的激光输出在TEM00 模式下工作，并且光束的远场强度分布。

图2 456nm 激光光斑模式及光束质量

6 小时内输出功率的波动优于1.58%。 激光晶体中的纵向模交叉饱和和倍频晶体中的和频混合使观察到的噪声明显。 但是，较大的热导率归因于准三能级激光系统中激光晶体温度波动对较低能级群体的影响很小，从而提高了激光效率。

结束语

总而言之，已经证明了在912nm 处工作于4F3/2→4I9/2跃迁的二极管端面泵浦Nd:GdVO4激光器的高效双腔倍频。将15mm长的LBO 晶体切割为室温下的关键I 型相位匹配，用于基本激光器的二倍频。 在入射泵浦功率为25.6W 时，在456nm 的深蓝色光谱范围内已达到11.5W 的最大输出功率。光电转换效率最高可达45%，在6 小时内的功率稳定性优于1.58%。