摘要: 实现了以a切Nd:YVO
4晶体为自拉曼介质，以KTP晶体为另一种拉曼介质的二极管泵浦声光调Q双波长同步振荡拉曼激光器的高效运转，获得了1096 nm和1176 nm激光的同步脉冲输出，分别对应KTP晶体的267 cm
−1频移和YVO
4晶体的890 cm
−1位移的一阶斯托克斯光，脉冲重复频率为10、20和30 kHz。当入射泵浦功率为9.16 W，PRF为30 kHz时，由1096和1176 nm光源组成的拉曼激光平均输出最高为1.26 W，其中含1096 nm激光1.05 W，1176 nm激光0.21 W。
Abstract:
Efficient operation of a diode-pumped acousto-optically Q-switched dual-wavelength synchronized oscillating Raman laser was achieved by utilizing an a-cut Nd:YVO4 crystal as the self-Raman medium and a KTP crystal as the other Raman medium. Synchronized pulse outputs at 1096 nm and 1176 nm, corresponding to the first-order Stokes light with a Raman shift of 267 cm−1 in the KTP crystal and a Raman shift of 890 cm−1 in the YVO4 crystal, were obtained at pulse repetition frequencies of 10 kHz, 20 kHz, and 30 kHz. At an incident pump power of 9.16 W and a pulse repetition frequency of 30 kHz, the highest average output power of the Raman laser, consisting of 1096 nm and 1176 nm sources, reached 1.26 W, with 0.83 W for the 1096 nm laser and 0.43 W for the 1176 nm laser.
1. 引言
固体拉曼激光器是一种实用且有效的激光器件，成为扩大固体激光器的光谱覆盖范围的重要手段 [1] 。以晶体作为拉曼介质的固体拉曼激光器可以生成较高的脉冲能量，稳定性好。基于受激拉曼散射(SRS)的非线性光学过程，获得双波长拉曼激光器的重要手段 [2] [3] [4] 。
Nd:YVO4晶体具有受激发射面大、吸收带宽比较宽、吸收系数高及线偏振输出等优点，特别适合于LD泵浦，从而成为固体激光器领域应用最为广泛的激光晶体之一。2012年报道了a切Nd:YVO4晶体用作自拉曼晶体和a切Nd:GdVO4晶体作为另一个拉曼介质，同时脉冲振荡在1522 nm和1524 nm对应的拉曼的882 cm−1和890 cm−1 [5] 。2013年，采用同样的方法，同时获得了1175 nm和1176 nm的双波长脉冲拉曼激光器 [6] 。用双波长连续波Nd:YVO4激光器工作在1064.3 nm和1066.7 nm，泵浦功率为7.25 W，最大输出功率为1140 mW，光–光转换效率为15.7%，双波长线的谱线宽度分别为1.1 nm和1.2 nm [7] 。该激光系统结构简单，结构紧凑，效率高。
磷酸钛钾(KTP)晶体是一种非线性光学材料，由于其具有高的二阶非线性系数、不潮解等优点，被广泛应用于和频 [8] [9] [10] 、倍频 [11] [12] [13] 和光参量振荡器 [14] [15] 。1980年G. A. Massey等人发现了KTP的拉曼效应，证明了KTP是一个可以有效刺激拉曼散射的介质，同时具有270 cm−1和692 cm−1拉曼频移，其中KTP在270 cm−1时拉曼增益最强 [16] 。2006年Valdas Pasiskevicius等人报道了在KTP中观察到了高效的皮秒级声子SRS [17] 。2013年苏富芳等人研究了1096 nm波长下LD腔内主动Q开关Nd:YAG/KTP拉曼激光器的特性。在脉冲重复频率为30 kHz的情况下，入射泵功率为11.75 W，平均功率为1.97 W [18] 。这一结果表明，KTP晶体是一种很有前景的拉曼介质。
与被动调Q相比主动调Q的转换效率更高，2004年Y. F. Chen报道了二极管泵浦被动调Q Nd:GdVO4激光器在2.0 W的入射泵浦功率下，自拉曼激光器在1175.6 nm波长下产生稳定的750 ps脉冲，在22 kHz脉冲重复频率下脉冲能量为6.3 µJ [19] 。同年，Y. F. Chen报道了高效1521 nm Nd:GdVO4拉曼激光器，在20 kHz的重复频率下，1521 nm的平均输出功率为1.18 W，对应的光–光转换效率为8.7% [20] 。
本文中，声光调Q内腔式拉曼激光器中采用Nd:YVO4作为自拉曼晶体，KTP作为拉曼晶体，实现1096 nm和1176 nm激光的同步振荡。当入射泵浦功率为9.16 W，PRF为30 kHz时，由1096和1176 nm光源组成的拉曼激光平均最高输出功率为1.26 W，其中含1096 nm激光0.83 W，1176 nm激光0.43 W。
2. 实验装置
图1实验中选取808 nm波段的半导体激光器作为泵浦源，其数值孔径(NA)为0.22，最高功率为40 W，光纤直径为400 µm。使用聚焦透镜系统将泵浦光的焦点聚集在激光晶体上。聚焦透镜组选用两个同样焦距的镜片，使得耦合比为1:1。采取凹平腔结构，输入镜M1选择3000 mm曲率半径的凹面镜。平面一端在808 nm (R > 0.2%)处涂有高透膜(HT)，凹面一端在1065~1178 nm (R > 99.8%)处涂有高反膜(HR)，在808 nm处有高透膜(HT) (T > 90%)。在808 nm处高透(HT) 808 nm (T > 97%)。自拉曼介质采用3 × 3 × 15 mm3 0.3at.%掺杂a切的Nd:YVO4晶体。晶体两侧镀膜在1064 nm~1176 nm范围内增透(R < 0.2%@1064 nm, R < 0.5%@1096~1176 nm)，且在808 nm高透(T > 97%)。另一个拉曼介质是尺寸为4 × 4 × 30 mm3，切割方向为θ = 90˚，f = 0˚的KTP晶体，两侧镀膜在1064~1178 nm范围内增透(R < 0.2%@1064 nm, R < 0.5%@1096 nm~1176 nm)。选取驱动功率20 W，中心频率41 MHz的声光Q开关(Gooch & Housego: I-QS041-1.5C10G-4-SO12)，两端在1064 nm处有增透膜(R < 0.2%)。谐振腔长为105 mm。输出镜M2采用表1的镜面参数。
Table 1. Reflectivity of output mirrors for different spectral lines in M2 output mirror
表1. M2输出镜不同谱线的输出反射镜反射率
为了减少热效应对实验的影响，晶体全部用铟箔包裹，并将其放置在紫铜材质的晶体夹内，将晶体夹与水冷压缩机通过装置连接起来，控制水温在18˚C。平均输出功率用以色列OPHIR公司生产的F150A功率计测量。脉冲宽度和波形采用美国泰克公司MDO3054示波器记录。输出光谱采用日本横河公司的AQ6373光谱仪测量。
Figure 1. The experimental setup of the active Q-switched Nd:YVO4/KTP dual-frequency Raman laser
图1. 主动调Q Nd:YVO4/KTP双频移拉曼激光器的实验装置
3. 实验结果与讨论
图2主动调Q Nd:YVO4/KTP拉曼激光器的光谱激光输出光谱。在30 kHz重复频率时，激光输出由1064 nm、1096 nm和1176 nm的三条激光组成。1176 nm是一阶斯托克斯光，对应于Nd:YVO4中890 cm−1的拉曼频移。两个输出光谱之间的差异是由于输出镜的反射率不同，1096 nm激光和1176 nm激光之间的竞争。
Figure 2. Spectrum of actively Q-switched Nd:YVO4/KTP Raman laser
图2. 主动调Q a切Nd:YVO4/KTP拉曼激光器的光谱图
Figure 3. Relationship between output power and incident pump power of actively Q-switched a-cut Nd:YVO4/KTP dual-frequency shifted Raman laser
图3. 主动调Q a切Nd:YVO4/KTP双频移拉曼激光器的输出功率与入射泵浦功率的关系
图3显示了在10 kHz，20 kHz和30 kHz的脉冲重复频率(PRF)下拉曼激光平均输出功率的变化。当PRF为10 kHz、20 kHz和30 kHz时，拉曼激光的入射泵浦功率阈值分别为1.39 W、2.13 W和2.87 W。由于KTP的267 cm−1频移对应的1096 nm激光的输出透过率(4.6%)远小于YVO4的890 cm−1频移对应的1176 nm激光的输出透过率(29.5%)，1096 nm激光的阈值明显小于1176 nm激光，因此随着泵浦功率增长，1096 nm激光先于1176 nm激光出现。由于热透镜效应，泵浦功率的增加会导致KTP晶体中的光束半径变小而有利于受激拉曼散射的发生，因而三种脉冲重复率下的拉曼激光入射泵浦功率阈值不是随着PRF线性增长。当PRF为10 kHz、20 kHz和30 kHz时，拉曼光的平均输出功率在一段泵浦功率范围内是上升的，随着泵浦功率的进一步增加，谐振腔内Nd:YVO4晶体中的热效应导致的热损耗的影响使得输出功率增长缓慢甚至下降。当入射泵浦在10 kHz下，泵浦功率为8.05 W时，最大平均输出功率为1.017 W。当入射泵浦功率为8.79 W时(20 kHz)，最大平均输出功率为1.170 W。当入射泵浦功率为9.16 W时(30 kHz)，获得1.26 W的最大平均输出功率，经测量计算其中1096 nm为0.83 W，1176 nm为0.43 W。
Figure 4. Relationship between average output power at 1176 nm and 1096 nm and incident pump power at a repetition frequency of 10 kHz
图4. 重复频率为10 kHz时，1176 nm和1096 nm的平均输出功率与入射泵浦功率的关系
如图4所示，重复频率为10 kHz时1176 nm和1096 nm的平均输出功率与入射泵浦功率的关系。1096 nm的平均输出功率一直随泵浦功率增长，呈现上升 → 变缓 → 上升的趋势，1176 nm光的平均输出功率呈现先上升再下降的趋势，这是因为1096 nm激光由于其输出镜透过率比1176 nm激光小得多，在泵浦功率较小时，先于1176 nm激光达到阈值，而当泵浦功率超过1176 nm的阈值后，由于1176 nm光的竞争，其增长变缓，而后随着泵浦功率增长导致的热透镜作用的增强，KTP晶体中的激光束横截面积变小，1096 nm激光的增益相对1176 nm激光变强，从而1176 nm激光随着泵浦功率的增加而难以和1096 nm激光竞争。1176 nm光在入射泵浦功率为6.2 W时达到最大值0.38 W。由于谱线竞争的关系，1176 nm光平均功率上升的时候1096 nm光的平均功率上升较缓慢。
Figure 5. The typical pulse shapes of the reflected and transmitted output lasers at a repetition frequency of 30 kHz
图5. 重复频率为30 kHz时反射和透射输出激光的典型脉冲形状
如图5重复频率为30 kHz时，采用一分光镜片F (具体透射参数T1064 = 45%，T1096 = 15%，T1129 = 70%，T1176 = 95%)对激光器出射激光分光，得到的反射和透射输出激光的典型脉冲波形图，没有观察到明显的第二脉冲。根据分光镜的镀膜参数，其对基频光1064 nm高反，对透射光1096 nm和1176 nm具有一定透过率，可知透射光只有斯托克斯光，没有基频光。可以看出，反射光脉冲波形与透射光脉冲波形具有明显不同，反射光的上升沿初始有一个明显的缓坡，此时基本为基频光输出，而后上升沿明显变陡，输出由基频光转换为拉曼光，这反应了输出镜的镀膜对基频光和拉曼光的透过率的极大差别以及受激拉曼散射造成的两种光转换的快速。透射光脉冲的上升沿比反射光的更陡峭，这是由于透射光中几乎没有1064 nm的光。1096 nm激光脉宽是16.5 ns，而1096 nm和1176 nm合成激光的脉宽是7.7 ns，所以1176 nm激光的脉宽要小于7.7 ns。
4. 结论
本文使用a切Nd:YVO4晶体作为自拉曼晶体，可以实现890 cm−1的频移，从而产生1176 nm的拉曼光，KTP作为拉曼晶体利用其267 cm−1的频移产生1096 nm的拉曼光，从而实现双波长同步脉冲得有效输出。研究了主动调Q Nd:YVO4/KTP双频移拉曼激光器的Stokes光束脉冲波形图和光谱图。在脉冲重复频率为在10 kHz，20 kHz和30 kHz时拉曼激光平均输出功率的变化。当入射泵浦功率为9.16 W时，在PRF为30 kHz时，由1176 nm和1096 nm激光组成的拉曼激光平均输出功率最高为1.26 W，其中含1096 nm激光1.05 W，1176 nm激光0.21 W。利用KTP中存在有效的三阶非线性的特点，使得两个拉曼晶体的拉曼频移实现双波同时振荡，将这一想法扩展到其它晶体和KTP晶体搭配也可以实现双波长拉曼激光器功率的有效输出。
基金项目
吉林省科技发展计划(20240101306JC)。
NOTES
*通讯作者。