高峰值功率Nd:YLF/BaWO4 正交偏振双波长拉曼激光器*

樊莉 向柯赟 沈君 朱骏

(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)

正交偏振双波长激光在精密测量、太赫兹产生、差分雷达、光谱分析等领域有着重要的应用前景.Nd:YLF晶体具有两个发射截面相近的正交偏振发射峰,加上优异的储能性能和热性能,是适合产生正交偏振双波长激光的优良增益介质.本文采用低掺杂浓度的Nd:YLF 晶体作为激光增益介质产生1047 nm 和1053 nm 的正交偏振双波长基频光,通过适当增大抽运光斑降低Nd:YLF 晶体热裂的风险,利用BaWO4 晶体的腔内拉曼频移,实现了高峰值功率的1159.9 nm 和1167.1 nm 正交偏振双波长脉冲拉曼激光输出.在40 W 的总入射抽运功率和5 kHz 的脉冲重复频率下,获得平均输出功率为2.67 W 的双波长拉曼激光输出,相应的光光转换效率为6.7%.1159.9 nm 和1167.1 nm 拉曼激光输出功率分别为1.31 W 和1.36 W,最窄脉冲宽度分别为1.50 ns和1.53 ns,对应的峰值功率分别高达174.7 kW 和177.8 kW.结果表明,降低掺杂浓度和增大抽运光斑可有效解决Nd:YLF 晶体在高抽运功率下发生热裂的问题,Nd:YLF/BaWO4 是实现正交偏振双波长拉曼激光输出的一种较有前途的晶体组合.

1 引言

近年来,随着激光在通信、国防、医学、工业加工等领域的广泛应用,单一波长的激光已不能满足应用需求,人们对激光器的研究重点逐渐从单波长输出转变为实现多波长或双波长激光输出.其中正交偏振双波长激光由于在差分雷达、光谱分析、激光干涉、精密测量、差频产生太赫兹等领域有着重要应用,成为了当前激光领域的一个研究热点.2009 年开始,研究人员就开始利用各种稀土离子掺杂的各向异性激光晶体,如掺Nd 激光晶体Nd:GdVO4[1],Nd:YLF[2−5],Nd:LuVO4[6,7],Nd:YAP[8],Nd:YAG[9,10],Nd:YVO4[11,12],Nd:LLF[13],Nd:LMB[14],掺Yb 激光晶体Yb:KGW[15],Yb:CGB[16],Yb:GMB[17]以及其他激光晶体Tm,Ho:LLF[18]等,直接受激辐射产生正交偏振双波长激光输出.但由于受激光介质固有能级结构的限制,目前正交偏振双波长基频激光器的输出波长范围有限,主要集中在0.9,1.0,1.3 和2.0 µm 几个常见的波段.

受激拉曼散射(stimulated Raman scattering,SRS)是一种高效的非线性光学频率变换技术.拉曼激光器就是利用介质的SRS 效应对基频激光进行频率变换,产生新波长的拉曼激光输出.通过不同激光与拉曼频移介质的组合,可获得丰富的新波长激光,并且SRS 过程还具有光束净化效应,相比基频激光,获得的拉曼激光具有更好的光束质量、更窄的脉冲宽度和谱线宽度[19].因此,研究人员开始利用SRS 效应来产生正交偏振双波长激光,大大拓宽了正交偏振双波长激光的光谱范围.2012 年,Huang 等[20]利用Nd:YAG/Cr4+:YAG 键合晶体产生了1064 nm 被动调Q脉冲基频激光,再通过KTP 和KTA 两块晶体的腔内拉曼频移,实现了1091 nm 和1095 nm 正交偏振双波长拉曼激光的同步输出,对应的最高输出功率分别为170 mW 和150 mW.2014 年,Liu 等[21]采用耦合腔结构,利用两块Nd:YLF 晶体分别产生正交偏振的1047 nm 和1053 nm 基频激光,再通过BaWO4晶体拉曼频移获得了423 mW 的1159.4 nm 和332 mW 的1166.8 nm 正交偏振双波长拉曼激光输出.2016 年,Sun 等[22]利用Yb:GAB 晶体产生的1042.8 nm 和1047.5 nm 两束正交偏振基频光,分别经过KGW 晶体的901 cm–1和768 cm–1两个拉曼频移峰,实现了1133.1 nm 和 1156.6 nm 以及1137.8 nm 和1151.9 nm 两套正交偏振双波长拉曼激光输出.但实验中为了防止激光晶体损坏,抽运功率只加到6.6 W,获得的各波长拉曼激光输出功率都较低(<100 mW).

在目前常用的产生正交偏振双波长基频激光的晶体中,Nd:YLF 晶体由于具有两个发射截面相近的正交偏振发射峰1047 nm (π 偏振,发射截面为1.8×10–19cm–2)和1053 nm (σ 偏振,发射截面为1.2×10–19cm–2)[2],被认为是一种非常适合产生正交偏振双波长激光的晶体材料.另外,Nd:YLF晶体还具有较长的上能级荧光寿命(约520 µs)和较弱的热透镜效应[23,24],因此是一种适合产生高脉冲能量和良好光束质量激光的优良晶体材料.此外,在常用的拉曼晶体中,BaWO4晶体具有较高的拉曼增益、较好的散热性能且不容易损伤等优势,是一种性能优良的拉曼介质.该晶体的最强拉曼频移峰为925 cm–1,当使用波长1064 nm 的基频光抽运时,其稳态拉曼增益可达8.5 cm/GW,明显高于YVO4,GdVO4,KGd(WO4)2等其他常用拉曼晶体,因此被广泛应用于连续波拉曼激光器中以获得高效率的拉曼转换[25−27],这意味着采用Nd:YLF/BaWO4晶体组合将有望获得高功率的正交偏振双波长拉曼激光输出.然而,在文献[21]中却由于Nd:YLF 晶体存在在高抽运功率下容易发生热断裂的问题,两台抽运源的功率分别只加到5.73 W 和4.85 W,严重限制了双波长拉曼激光输出功率的提高.

本文采用Nd:YLF 晶体作为激光增益介质,BaWO4晶体作为拉曼晶体,通过采用降低掺杂浓度和增大抽运光斑[28]的技术途径来降低Nd:YLF晶体发生热断裂的风险,进一步探索在高抽运功率下Nd:YLF/BaWO4主动调Q正交偏振双波长拉曼激光器的输出性能,系统研究了输出镜曲率半径以及抽运光斑大小对激光器性能的影响.最终在40 W 总抽运功率和5 kHz 脉冲重复频率下,获得了2.67 W 正交偏振双波长拉曼激光输出,相应的光光转换效率为6.7%.其中1159.9 nm 拉曼激光最大平均输出功率为1.31 W,1167.1 nm 拉曼激光输出功率为1.36 W,双波长拉曼激光的最短脉冲宽度分别为1.50 ns 和1.53 ns,相应的最高峰值功率分别为174.7 kW 和177.8 kW.与之前的研究结果相比[21],正交偏振双波长拉曼激光的输出功率和峰值功率都显著提高.

2 实验装置与设计

图1 为Nd:YLF/BaWO4主动调Q正交偏振双波长拉曼激光器实验装置图.激光器采用双谐振腔结构并用两台抽运源进行抽运.两台抽运源均为光纤耦合输出的808 nm 半导体激光器(808 nm LD),其中抽运源A (北京凯普林,DS3-51412-0906)的最大输出功率为40 W,其光纤芯径为400 µm,数值孔径为0.22.为了增大抽运光斑防止Nd:YLF晶体发生热裂,该抽运光采用成像比为1∶2 或1∶3的耦合器准直聚焦后入射到晶体前端,因此抽运光斑直径大约为800 或1200 µm.与抽运源A 不同的是,抽运源B (Coherent,FAPSys-30 W-808 nm)的最大输出功率为30 W,光纤芯径为800 µm,该抽运光经过平凸透镜F1 和F2 构成的透镜组准直聚焦后入射到晶体中.其中透镜F1 的焦距固定为50 mm,透镜F2 的焦距则分别采用50 和75 mm,以保证该抽运光斑大小与另一路相同,光斑直径约为800 和1200 µm.

图1 主动调Q 正交偏振双波长拉曼激光器装置图Fig.1.Schematic of actively Q-switched orthogonally polarized dual-wavelength Raman laser.

激光器采用M1-P-M4 和M2-P-M4 的双谐振腔结构,两个谐振腔通过一块偏振片P 连接在一起.当偏振片以布儒斯特角插入谐振腔时,对p 偏振光高透(T>90%),对s 偏振光高反(R>99.9%).因此当两块激光晶体的c轴垂直于实验台放置时,p 偏振的1053 nm 和s 偏振的1047 nm 基频激光将分别在M1-P-M4 和M2-P-M4 两个谐振腔中振荡.输入镜M1 和M2 是曲率半径为200 mm 的平凹镜,镀有抽运光808 nm 的高透膜(T>95%)以及1047—1053 nm 波段基频激光的高反膜(R>99.9%).输出镜M4 为不同曲率半径(R=300,500,800 mm)的平凹镜,镀有1047—1053 nm 基频激光的高反膜(R>99.9%)以及1159—1167 nm拉曼激光的部分透过膜(T=10%).为减少拉曼激光腔内振荡的损耗,基频谐振腔内插入平镜M3,其朝着Nd:YLF 晶体的端面镀有1047—1053 nm的增透膜(R<0.2%),另一个面上镀有1159—1167 nm 高反膜(R>99.9%)以及1047—1053 nm高透膜(T≈95%),因此拉曼激光将仅在M3 和M4 之间振荡.实验中基频激光腔长约为180 mm,拉曼腔长为35 mm.

为了降低Nd:YLF 晶体发生热断裂的风险,实验中选用低掺杂浓度(原子百分比为0.55%)的a切Nd:YLF 晶体作为激光晶体,为了提高晶体对抽运光的吸收率,选择长度较长的晶体,两块晶体的长度分别为15 和20 mm,横截面积均为4 mm×4 mm.由于Nd:YLF 晶体中1047 nm 激光的受激发射截面略大于1053 nm 激光,为了平衡双波长基频激光的输出功率,实验中将长度为20 mm 的Nd:YLF 晶体用于产生1053 nm 激光,长度略长于15 mm 的Nd:YLF 晶体用于产生1047 nm 激光.两块晶体的入射端面均镀有808 nm 抽运光和1047—1053 nm 激光的高透膜(T>99.3%),而另一面除了镀有1047—1053 nm 激光的高透膜(T>99%)之外,还镀有抽运光808 nm 的高反膜(R>95%),以将未吸收的抽运光再次反射回晶体内,进一步提高晶体对抽运光的吸收率.实验中在激光晶体与中间镜M3 之间插入工作波长为1064 nm 的声光(acousto-optic,AO)Q开关(Gooch&Housego,I-QS027-4 C4 G-U5-ST1)来实现调Q输出的正交偏振双波长激光.拉曼晶体采用4 mm×4 mm×30 mm 的b切BaWO4晶体.由于当基频光偏振方向平行于BaWO4晶体c轴时获得的拉曼增益较高,因此实验中将BaWO4晶体的c轴放置在水平方向上,与发射截面较小的1053 nm 激光偏振方向相同,以使该激光获得较高的拉曼增益,提高频移后相应拉曼激光的输出功率,从而进一步平衡双波长拉曼激光的输出功率.以上激光和拉曼晶体均用铟箔包裹后置于水温设置为18 ℃的水冷紫铜架中.激光器输出的正交偏振双波长拉曼激光由一个偏振分束器(PBS)分成两路光,分别使用LP-3C 和PM100D两台功率计测量其输出功率,并使用Yokogawa 公司的AQ-6370C 型光谱仪测量输出光谱.

3 实验结果与分析

3.1 输出镜曲率半径的影响

为了最大程度降低Nd:YLF 晶体发生热裂的风险,实验中首先采用大光斑抽运晶体,分别采用成像比1∶3 的耦合器和焦距为50/75 mm 的透镜组将两路抽运光斑放大到1200 µm.此时为了提高拉曼激光输出功率和转换效率,谐振腔的设计需要考虑实现以下3 个方面:1)激光晶体内要获得与大抽运光斑相匹配的较大的基频激光振荡光斑,在提高抽运光能量利用率的同时,又具有大的模体积,从而获得较高的腔内基频光功率;2)由于拉曼转换效率与基频光功率密度成正比,因此应尽量使拉曼晶体内振荡的基频激光光斑小一些,从而提高基频光功率密度,获得更高的拉曼转换效率;3)由于拉曼晶体内的拉曼激光振荡光斑半径越小获得的拉曼转换效率越高[29],因此应使拉曼晶体内拉曼激光振荡光斑也尽量小一些.由于实验条件限制,谐振腔中输入镜及中间镜的曲率半径已经确定,因此只能通过输出镜曲率半径的选择来对谐振腔结构进行优化,因此实验中分别采用曲率半径R为300,500 和800 mm 的输出镜搭建了激光器并测量其输出性能.根据前期研究结果[4,21],Nd:YLF激光器中重复频率越小,基频光的峰值功率越高,有利于获得更高的拉曼转换效率.但重复频率太小的话容易出现次脉冲,反而会降低主脉冲的峰值功率及拉曼转换效率.实验中观察到声光Q开关的重复频率(pulse repetition frequency,PRF)设置为5 kHz 时激光输出功率最高,因此后续实验中激光器的重复频率固定为5 kHz.图2 为重复频率为5 kHz 时,采用不同曲率半径输出镜时测得的1160和1167 nm 正交偏振双波长拉曼激光平均输出功率随抽运功率的变化(为了防止晶体损伤,抽运功率最高加到10 W).从图2 可以看出,采用曲率半径R=500 mm 的输出镜时双波长拉曼激光输出功率最高.

图2 不同曲率半径输出镜下(a) 1160 nm 和(b) 1167 nm 拉曼激光的平均输出功率随抽运功率的变化Fig.2.Average output power at (a) 1160 nm and (b) 1167 nm versus the incident pump power for output couplers with different radii of curvature.

图3 所示为不同曲率半径输出镜情况下,采用ABCD传输矩阵计算的在10 W 抽运功率下腔内不同位置处1047,1053 nm 基频激光和1160,1167 nm 拉曼激光基横模光斑的半径.从图3 可以看出,输出镜曲率半径越大,激光晶体内(腔前侧靠输入镜处)振荡的基频光斑越大,模体积较大的同时与大抽运光斑(半径为600 µm)的模式匹配也较好.并且输出镜曲率半径越大,拉曼晶体内(后侧靠输出镜处)基频光斑越小,基频光功率密度越高,可以获得更高的拉曼转换效率.因此选用曲率半径较大的500 和800 mm 输出镜时,获得的激光输出功率将更高.此外,观察图3 中拉曼晶体内振荡的拉曼激光光斑可以发现,输出镜曲率半径越大,拉曼激光振荡光斑越大.因此当选用曲率半径800 mm 的输出镜时,拉曼激光振荡光斑最大,与基频光斑相差较大,将降低拉曼转换效率.基于以上分析可知,当选用曲率半径500 mm 的输出镜时,激光晶体内获得的基频激光模体积较大,且与抽运光斑匹配良好,拉曼晶体内基频和拉曼激光光斑都较小,因此获得的拉曼激光输出功率最高.后续实验中将输出镜曲率半径固定为500 mm.

图3 不同曲率半径输出镜下,腔内不同位置处基频和拉曼激光光斑半径Fig.3.Cavity mode radius of fundamental and Raman laser at different positions inside the cavity for output couplers with different radii of curvature.

3.2 抽运光斑大小的影响

以上实验中为了防止Nd:YLF 晶体发生损伤,直接将抽运光斑放大到1200 µm.但在激光器中如果抽运光斑太大,它与振荡激光腔模匹配效率会下降,抽运能量将不能有效耦合到振荡激光模体积中,将导致激光器的转换效率下降.而如果抽运光斑过小,激光晶体则容易损伤,并且小抽运光斑的发散角较大也会导致与激光腔模的耦合效率降低,因此实验中抽运光斑的大小需要综合考虑以上因素,选取一个合适的值.基于3.1 节的研究,当抽运光斑直径为1200 µm、输出镜曲率半径为500 mm、重复频率设置为5 kHz 时,首先继续增加抽运功率到20 W,探索该正交偏振双波长拉曼激光器在高抽运功率下的性能.接着又改为采用1∶2 放大的耦合器和焦距为50/50 mm 的透镜组来放大抽运光斑,将两路抽运光斑直径从1200 µm 缩小到800 µm,研究对比不同抽运光斑大小时激光器的输出性能.图4 为当抽运光斑直径分别为1200 和800 µm 时测得的双波长拉曼激光平均输出功率和脉冲宽度随抽运功率的变化.从图4(a)可以看出,当采用较小的800 µm 抽运光斑时,由于抽运光能量更集中,拉曼激光振荡阈值更低,1160 nm 和1167 nm 拉曼激光的振荡阈值分别为1.7 W 和2.5 W.此外,采用800 µm 抽运光斑时获得的双波长拉曼激光平均输出功率明显高于1200 µm 抽运光斑时.其中当抽运功率为13 W 时,获得的光光转换效率最高,相应的1160 nm 和1167 nm 拉曼激光平均输出功率分别为0.98 W 和1.06 W,光光转换效率分别为7.5%和8.2%.此后继续增加抽运功率,平均输出功率依然会增加但光光转换效率却有所下降.最终当总抽运功率为40 W (两台抽运源功率各为20 W)时,获得了最高平均输出功率为2.67 W 的正交偏振双波长拉曼激光输出,相应的光光转换效率为6.7%.其中1160 nm 和1167 nm 拉曼激光的平均输出功率分别为1.31 W 和1.36 W,相应的光光转换效率分别为6.6%和6.8%.在最高拉曼激光输出功率时,测量了激光器输出功率的长期稳定度.测量结果表明,60 min 内1160 nm 和1167 nm双波长拉曼激光的最高输出功率起伏分别为6.3%和8.7%.最后,值得注意的是,随着抽运功率的增加,双波长拉曼激光的输出功率基本保持增长趋势,在高抽运功率下没有出现饱和现象,晶体也没有出现热断裂的现象.与文献[21]中抽运功率高于7 W 时观察到Nd:YLF 晶体热裂相比(抽运光斑直径为600 µm,Nd:YLF 晶体的掺杂浓度为原子百分比1%),说明降低晶体掺杂浓度和适当放大抽运光斑可以有效解决Nd:YLF 晶体热裂的问题.

图4 抽运光斑直径为1200 和800 µm 时,1160 nm 和1167 nm 拉曼激光的(a)平均输出功率和(b)脉冲宽度随抽运功率的变化Fig.4.(a) Average output powers and (b) pulse widths of 1160 nm and 1167 nm Raman lasers versus the incident pump power with pump spot diameter of 1200 and 800 µm.

从图4(b)可以看出,双波长拉曼激光的脉冲宽度随着抽运功率的增加而减小.在高抽运功率下采用800 µm 抽运光斑时获得的双波长拉曼激光脉冲宽度明显小于1200 µm 大抽运光斑时.图5为拉曼激光平均输出功率最大以及重复频率为5 kHz 时,使用示波器(KEYSIGHT InfiniiVision DSOX6004A,2.5 GHz 带宽)和两个高速探测器(THORLABS,DET08CL/M)探测的双波长拉曼激光的脉冲序列以及脉冲波形图.从图5(b)可以看出,获得的1160 nm 和1167 nm 拉曼激光最小脉宽分别为1.50 ns 和1.53 ns,计算可得1160 nm和1167 nm 激光的单脉冲能量分别为262 µJ 和272 µJ,相应的峰值功率分别为174.7 kW 和177.8 kW.

图5 重复频率为5 kHz 以及40 W 抽运功率下,双波长拉曼激光的(a)脉冲列图和(b)脉冲波形图Fig.5.(a) Actively Q-switched laser pulse train and (b) single pulse profiles of the dual-wavelength Raman laser pulses at the full pump power of 40 W and PRF of 5 kHz.

综上所述,采用800 µm 抽运光斑时获得的双波长拉曼激光的输出功率和光光转换效率明显高于1200 µm 大抽运光斑时,而脉冲宽度则更小,相应计算出的最高单脉冲能量和峰值功率则更高,因此采用800 µm 抽运光斑时激光器的性能明显优于采用1200 µm 抽运光斑时.和文献[21]中正交偏振双波长拉曼激光输出功率相比,本文将正交偏振双波长拉曼激光输出功率提高了大约3—4 倍,峰值功率提高了约30 倍,相关参数对比可见表1.由于在最高抽运功率下拉曼激光输出功率并没有出现饱和现象,并且实验中采用的谐振腔输入镜、中间镜及偏振片的镀膜参数并没有进一步优化,因此进一步优化谐振腔和增加抽运功率将有望获得更高功率的正交偏振双波长拉曼激光输出.

表1 Nd:YLF/BaWO4 正交偏振双波长拉曼激光输出性能对比Table 1. Comparison of performances of orthogonally polarized Nd:YLF/BaWO4 Raman lasers.

图6 为40 W 总抽运功率、拉曼激光输出功率最大时测得的双波长拉曼激光的输出光谱.从图6可见,输出光谱只有双波长拉曼激光,其中心波长分别为1159.9 nm 和1167.1 nm,相应的谱线半高宽分别为0.15 nm 和0.12 nm.光谱中没有探测到双波长基频激光光谱,这主要是由于输出镜对基频光的反射率非常高(R>99.9%),基频光被有效抑制在腔内转换成了拉曼激光输出.当采用T=10%的1047—1053 nm 基频激光的输出平镜替代拉曼输出腔镜搭建基频激光器时,测得双波长基频激光的中心波长分别为1047.4 nm 和1053.4 nm,相应的谱线半高宽分别为0.17 nm 和0.18 nm.经过计算可知,1159.9 nm 和1167.1 nm 拉曼激光与1047 nm 和1053 nm 基频光的频率差为925 cm–1,与BaWO4晶体的最强拉曼频移峰相符合.实验中使用格兰泰勒棱镜测量输出激光的偏振态后发现:双波长拉曼激光与相应基频激光的偏振方向相同,相互正交.在最高平均输出功率下,使用刀口法测量了双波长拉曼激光光束质量因子,1159.9 nm 激光的光束质量比较好,x方向M2为1.07,y方向M2为1.1;1167.1 nm 激光x方向的光束质量略差,M2为1.91,y方向M2为1.16.可以看出,1167 nm激光x和y方向上的光束质量差异较为明显,这主要是由Nd:YLF 晶体1053 nm 基频激光沿x和y方向的热透镜效应强弱不同导致的[30].图6 中的插图分别是两个拉曼激光的二维光束强度分布图.

图6 在40 W 抽运功率下的双波长拉曼激光输出光谱图,插图为激光二维光束强度分布图和放大的斯托克斯光谱Fig.6.Optical spectrum of the dual-wavelength Raman laser at the full pump power of 40 W (the insets are the two-dimensional beam intensity profiles and zoomed Stokes spectrum).

4 结论

本文报道了高峰值功率的Nd:YLF/BaWO4主动调Q正交偏振双波长拉曼激光器.采用降低Nd:YLF 晶体掺杂浓度和放大抽运光斑的技术途径,大大降低了Nd:YLF 晶体在高抽运功率下发生热裂的风险,详细研究了高抽运功率下输出镜曲率半径、抽运光斑大小对正交偏振双波长拉曼激光器性能的影响,大大提高了Nd:YLF/BaWO4正交偏振双波长拉曼激光器的输出功率.在40 W 的总入射抽运功率和5 kHz 的脉冲重复频率下,获得了平均输出功率为2.67 W 的正交偏振双波长拉曼激光输出,其中1159.9 nm 和1167.1 nm 拉曼激光输出功率分别为1.31 W 和1.36 W,最短脉冲宽度分别为1.50 ns 和1.53 ns,相应的峰值功率高达174.7 kW 和177.8 kW.结果表明,降低Nd:YLF晶体掺杂浓度和适当放大抽运光斑可有效解决Nd:YLF 晶体在高抽运功率下发生热断裂的问题,Nd:YLF/BaWO4是一种很有前途的产生正交偏振双波长拉曼激光的晶体组合.