KTP倍频Nd:YVO₄/GdVO₄级联拉曼激光器研究

Research on KTP Frequency-Doubled Nd:YVO₄/GdVO₄ Cascaded Raman Laser

摘要: 以c切Nd:YVO₄为自拉曼晶体，c切Nd:GdVO₄作为拉曼晶体，KTP腔内倍频，采用声光调Q，实现基于两种拉曼晶体共有的259 cm⁻¹次级频移的脉冲二阶斯托克斯光1129 nm激光的有效振荡和腔内倍频，首次获得有效564 nm黄绿脉冲激光输出。在5.83 W的入射泵浦功率下，脉冲重复率为10 kHz时，564 nm激光最高平均输出功率226 mW，脉冲宽度为5.7 ns。

Abstract: Based on a c-cut Nd:YVO₄ as the self-Raman crystal and a c-cut Nd:GdVO₄ as the Raman crystal, second-Stokes light at 1129 nm corresponding to the secondary Raman shift of 259 cm⁻¹ generated and was intracavity frequency-doubled with a KTP crystal, and effective output of 564 nm yellow-green pulsed laser was achieved from a acousto-optic Q-switched resonator for the first time, to the best of our knowledge. At an incident pump power of 5.83 W and a pulse repetition rate of 10 kHz, the highest average output power of the 564 nm laser reached 226 mW, with a pulse width of 5.7 ns.

1. 引言

近三十年来随着晶体技术的进步，晶体中的受激拉曼散射成为固体激光器产生新波长的重要途径，受到了广泛的关注 [1] 。在固体拉曼激光器中，腔内倍频或和频拉曼激光器成为拓展可见激光光谱的研究热点 [2] - [6] ，具有低阈值，高效率和高光束质量等优点。

Nd:YVO₄晶体和Nd:GdVO₄晶体，都具有受激发射截面大、吸收带宽比较宽和吸收系数高等优点，是优良的固体激光增益介质。2001年A. A. Kaminskii等人研究发现YVO₄和GdVO₄都具有良好的拉曼增益特性，并预测Nd:YVO₄和Nd:GdVO₄是优良的自拉曼材料 [1] 。2004年台湾Y. F. Chen报道了Nd:YVO₄自拉曼激光器的研究。首次实现了从1064 nm的二极管泵浦主动Q Nd:YVO₄激光器到1176 nm的Stokes发射的高效自拉曼频率转换 [7] 。同年Y. F. Chen报道了关于Nd:GdVO₄自拉曼激光器的一系列研究 [8] 。此后，一系列对Nd:YVO₄和Nd:GdVO₄自拉曼激光器的实验研究被报道，包括直接输出一阶或者二阶斯托克斯光 [9] 以及通过腔内倍频、和频产生新波长的可见光激光 [5] [10] [11] 。2012年Hongbin Shen等人以Nd:YVO₄晶体作为自拉曼晶体，Nd:GdVO₄晶体作为拉曼介质，提出了一种利用两个拉曼晶体的拉曼频移实现波长分离的双波长操作的方法并且观测到1524 nm激光和1522 nm激光同步输出 [12] 。2013年实现了GdVO₄的882 cm⁻¹主频移和YVO₄的主频移890 cm⁻¹对应的1175 nm和1174 nm一阶斯托克斯光的同步脉冲振荡 [13] 。2021年主动调Q Nd:YVO₄/GdVO₄拉曼激光器利用两个晶体中共有的259 cm⁻¹频移产生二阶斯托克斯光1129 nm [9] 。

磷酸钛氧钾(KTP)是一种优良的非线性晶体，具有非线性系数大、不潮解以及匹配角度随温度变化小的优点，广泛应用于倍频 [13] [14] [15] 、和频 [16] [17] 及参量振荡 [18] 等频率变化过程。同LBO相比它具有大的二类有效非线性系数、匹配角度随着温度变化小、不潮解等优点。2023年，Wenting Lou等人报道了被动调Q LBO和频混合多频移同步振荡Nd:YVO₄/GdVO₄拉曼激光器，其882/890 cm⁻¹主频移对应产生1176 nm和1177 nm的一阶Stokes光，与两个晶体中共有的259 cm⁻¹次级拉曼频移对应的一阶stokes光进行和频，实现了568 nm激光的有效输出 [5] 。LBO晶体在568 nm和564 nm相互重叠且相互干扰，因此产生564 nm黄绿光选择KTP晶体作为倍频晶体。本文利用两种晶体中共有的259 cm⁻¹次级频移产生二阶斯托克斯光1129 nm激光，使用KTP晶体对1129 nm激光进行腔内倍频，产生564 nm黄绿光的有效输出。

本文利用KTP对c切Nd:YVO₄/GdVO₄共有的次级频移259 cm⁻¹产生二阶斯托克斯光1129 nm进行腔内倍频，获得564 nm脉冲激光的有效输出。在5.83 W的入射泵浦功率下，脉冲重复率为10 kHz时，564 nm激光最高平均输出功率226 mW，脉冲宽度为5.7 ns。

2. 实验装置

图1显示了KTP倍频Nd:YVO₄/GdVO₄级联拉曼激光器的实验装置。使用808 nm的40 W半导体激光器作为泵浦光源，该激光器的核心直径为400 µm，数值孔径(NA)为0.22。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，使得成像放大率为1:1耦合率为97%。激光腔为凹平腔结构。图中各器件分别为泵浦源LD，输入镜M1，自拉曼介质与拉曼介质c切Nd:YVO₄/GdVO₄ (实验中晶体的参数如表1所示)，平面镜M2，非线性倍频晶体KTP，输出镜M3 (实验中镜片的参数如表2所示)。

Figure 1. KTP frequency-doubled Nd:YVO₄/GdVO₄ cascaded Raman laser device diagram

图1. KTP倍频Nd:YVO₄/GdVO₄级联拉曼激光器装置图

Table 1. The parameters of the crystals used in the experiment

表1. 实验中所用晶体的参数

Table 2. The parameters of the lenses used in the experiment

表2. 实验中所用镜片的参数

所有晶体均包覆铟箔，置于水冷铜块内，水温18˚C。激光的平均输出功率用F150A功率计(OPHIR公司)测定，主动调Q拉曼激光器的输出光谱通过光谱分析仪(Yokogawa AQ 6373, 350~1200 nm)测定。

3. 实验结果与讨论

利用横河AQ6373 (350~1200 nm)光谱分析仪对基于KTP倍频Nd:YVO₄/GdVO₄ 259 cm⁻¹频移级联拉曼激光器进行测量。得到如图2所示的输出光谱，主要的输出波长有564 nm、1066 nm、1097 nm、1129 nm、1177 nm和1178 nm，其中输出波长为1066 nm的激光是c切Nd:YVO₄产生的基频光，1177 nm激光是一阶斯托克斯光对应于Nd:GdVO₄晶体882 cm⁻¹主频移；1178 nm激光是一阶斯托克斯光对应于Nd:YVO₄晶体890 cm⁻¹主频移。1097 nm的激光是由两个晶体共有的259 cm⁻¹频移所产生的一阶斯托克斯光，1129 nm激光是259 cm⁻¹频移的二阶斯托克斯光。1129 nm激光经过KTP晶体倍频产生564 nm黄绿光。在Nd:YVO₄自拉曼晶体和Nd:GdVO₄拉曼晶体中，259 cm⁻¹次级频移的拉曼增益系数约为其主频移(GdVO₄ 882 cm⁻¹, YVO₄ 890 cm⁻¹)的一半，因此该1097 nm激光的总增益与1177 nm和1178 nm激光非常接近。由于凹平腔结构与热透镜导致Nd:GdVO₄中的光束半径明显小于Nd:YVO₄晶体中的光束半径，Nd:GdVO₄中的激光功率密度明显大于Nd:YVO₄中的激光功率密度，其对拉曼激光增益的影响超过了两种拉曼晶体长度差异的影响，因此GdVO₄主频移882 cm⁻¹对应的1177 nm斯托克斯光的增益大于YVO₄主频移890 cm⁻¹对应的1178 nm斯托克斯光，所以1178 nm激光的强度低于1177 nm激光。此外，由于1097 nm处的透过率明显低于1177 nm和1178 nm处，1097 nm光的振荡阈值远低于其他两者，因此基频激光向1097 nm激光的转换占据主要地位，1097 nm激光的腔内功率密度远高于1177 nm和1178 nm激光。随着泵浦功率的增加，当1097 nm激光足够强时，会产生1129 nm的二阶斯托克斯光。得益于适当的输出镜透过率，此时1129 nm输出功率比1177 nm和1178 nm激光高。KTP晶体通过二阶斯托克斯1129 nm激光倍频产生564 nm黄绿光。

Figure 2. KTP frequency-doubled Nd:YVO₄/GdVO₄ cascaded Raman laser spectrum

图2. KTP倍频Nd:YVO₄/GdVO₄级联拉曼激光器光谱图

如图3所示重复频率在5 kHz、10 kHz、15 kHz时564 nm光输出功率随入射泵浦功率的变化。5 kHz、10 kHz和15 kHz脉冲重复频率下的564 nm激光的入射泵浦功率阈值分别为1.02 W、1.39 W和2.13 W。在三种脉冲重复频率下的564 nm激光输出功率都是呈现上升趋势达到一定值开始下降，这是由于晶体中热效应和KTP晶体走离角的影响：随着功率升高到一定程度，热透镜效应增大，GdVO₄中的光束半径变小，1177 nm激光在三种一阶斯托克斯光的竞争中会取得优势而压制1178 nm和1097 nm激光，同时由于KTP晶体中走离角的影响，越来越小的光束半径会导致倍频效率不再提升甚至下降。5 kHz、10 kHz和15 kHz下的564 nm激光最大平均输出功率分别为214 mW、226 mW和165 mW。脉冲重复率的升高对提高泵浦光到基频1066 nm激光的效率，因为脉冲间隔时间的降低会降低消耗在自发辐射中的反转粒子数所占的比例。同时，808 nm泵浦功率到1066 nm激光到1097 nm激光到1129 nm激光再到564 nm激光的转化效率与单脉冲峰值功率密切相关，脉冲重复率高，单脉冲峰值功率就低。脉冲重复率为5 kHz时，脉冲间隔时间远大于Nd:YVO₄的上能级寿命，因此自发辐射消耗的反转粒子数较多，而10 kHz时自发辐射消耗的反转粒子数显著变少，虽然由于单个脉冲积累的反转粒子数较少导致10 kHz的1066 nm激光 → 1097 nm激光 → 1129 nm激光 → 564 nm激光整个转换过程的转换效率相对于5 kHz时低，但其808 nm → 1066 nm高得多的转换效率使得10 kHz时的564 nm激光输出随着泵浦功率提高超过了5 kHz时。而脉冲重复率为15 kHz时，与10 kHz时相比，其808 nm → 1066 nm的转换效率提高不显著，而其1066 nm激光 → 1097 nm激光 → 1129 nm激光 → 564 nm激光继续明显降低，因而15 kHz下的564 nm激光输出功率难以超越5 kHz和10 kHz时。在三种脉冲重复率下，由于热效应导致的腔内光束半径轴向分布引起的三种频移对应的斯托克斯光的竞争变化及走离角和热损耗的影响，输入泵浦功率接近6 W时，输出功率不再增加。

Figure 3. The graph showing the average output variation of the 564 nm frequency-doubled light with increasing incident pump power at repetition frequencies of 5 kHz, 10 kHz and 15 kHz

图3. 重复频率在5 kHz、10 kHz、15 kHz时随入射泵浦增加564 nm倍频光的平均输出变化图

输出脉冲的时间分布如图4所示，在PRF为5 kHz时，入射泵浦功率为5.83 W的波形图。用数字荧光示波器(TektronixMDO3054)实现激光脉冲波形的采集。采用一分光镜片(具体透射参数T₅₆₄ = 97%，T₁₀₆₆ = 0.1%，T₁₀₉₇ = 0.2%，T₁₁₂₉ = 0.4%，T₁₁₇₇ = 0.4%，T₁₁₇₈ = 0.4%)对激光器出射激光分光，得到的反射和透射激光的典型脉冲波形图。反射光是由两个脉冲波峰组成的，第一个峰属于一阶斯托克斯光1097 nm激光、1177 nm激光和1178 nm激光，第二峰属于二阶斯托克斯光1129 nm激光。透射光基本只含有564 nm激光的脉冲波峰，脉冲宽度为5.7 ns。

Figure 4. The waveform graph at an incident pump power of 5.83 W with a pulse repetition frequency (PRF) of 5 kHz

图4. PRF为5 kHz时入射泵浦功率为5.83 W时的波形图

4. 结论

以c切Nd:YVO₄为自拉曼晶体，c切Nd:GdVO₄作为拉曼晶体，KTP腔内倍频，采用声光调Q，基于两种拉曼晶体共有的259 cm⁻¹次级频移产生二阶斯托克斯光1129 nm激光的有效振荡，利用KTP晶体对1129 nm激光在腔内进行倍频，首次获得有效564 nm黄绿脉冲激光输出。在5.83 W的入射泵浦功率下，脉冲重复率为10 kHz时，564 nm激光最高平均输出功率226 mW，脉冲宽度为5.7 ns。

基金项目

吉林省科技发展计划(20240101306JC)。

NOTES

^*通讯作者。