蓝光LD泵浦Pr3+：YLF窄线宽脉冲激光器研究

文心怡，李青松，戴卫成，董渊，金光勇

（长春理工大学 理学院，长春 130022）

Pr3+离子可见光固体激光器近年来受到了极大关注，这是由于稀土元素Pr3+的能级结构几乎覆盖了整个可见光光谱范围，具有丰富的可见光波段辐射。其独特的光学特性在彩色显示、数据存储、投影技术，以及光谱、工业和医疗应用领域都有着巨大的潜力[1］。窄线宽红光脉冲激光具有线宽窄、峰值功率高、信噪比高、单色性好等优点，这对非线性光学的发展具有突破性进展。然而，固体激光器多纵模运转时输出的激光线宽可达上百GHz，难以满足实际使用要求，因此必须通过线宽压缩技术来克服固体激光器输出线宽过大的固有缺陷。为了实现窄线宽激光输出，国内外学者对窄线宽激光器进行了大量的理论和实验研究，其中包括环形腔[3］、扭转模腔[4］、F-P标准具法等。其中采用F-P标准具获得窄线宽激光输出的方法，具有结构简单，波长可控的优点。

2007年付喜宏等人在Nd：YOV4激光器腔内插入F-P标准具[5］，实现了单纵模593.5nm激光输出，单纵模线宽为600MHz。

2016年倪明心等人报道了在Nd：YAG/LBO激光器腔内插入F-P标准具[6］，获得了80mW的561nm单纵模激光稳定输出，激光线宽为24.1MHz。

1 理论分析

F-P标准具是一个具有高分辨率的干涉仪，其原理是多光束干涉。F-P标准具具有两个平行平面，利用多光束干涉效应，对不同波长的光透过率不同。单个F-P标准具的透过率可以由下式表示：

其中，F为标准具的锐度，表示为，R为标准具的反射率，δ=4πnhcosθ λ为标准具中多光束干涉的相邻两束出射光线的相位差，n为标准具的折射率，h为标准具的厚度，θ为光束在标准具中的折射角，c为光速。

腔内插入标准具的倾角会引起激光波长的变化，其变化量为：

式中，Δθ'表示标准具倾角变化量。

标准具相邻透射峰的间隔为：

每个透射峰的谱线FWHM为：

图1 F-P标准具的谱线选择示意图

图1说明了腔内插入标准具对639.5nmPr3+：YLF激光器的线宽控制。使用Aurora 4000型光谱仪测量激光谱线，对Pr3+：YLF激光器激光自由运转时的输出光谱进行近似线形处理并归一化。虚线表示F-P标准具透射率出射窗口分布，实线则表示归一化后的光谱。将标准具透过率曲线与归一化的激光光谱置于同一坐标系下，从图1中可以看出，采用0.5mm的F-P标准具时，标准具透过率曲线与激光光谱部分重叠，其中心接近，都在波长639.5nm附近。在激光光谱附近只有1个透过率最大的主峰，而主峰外的纵模透过率过低，将不能达到阈值起振。因此，标准具透过率曲线与激光光谱重合部分的半高宽即为该标准具在Pr3+：YLF激光器中的可控线宽。

2 实验装置及结果讨论

2.1 实验装置

设计一台全固态639nm窄线宽脉冲激光器作为实验装置，实物图如图2（a）所示，对应的原理图如图2（b）所示。激光器采用平凹腔结构，腔长450mm。泵浦源采用经过光纤耦合的蓝光激光二极管（LD），中心波长为443.5nm，光纤芯径200μm，最高输出功率为8W。谐振腔由M1、Pr3+：YLF晶体、F-P标准具、调Q晶体、M2组成。本实验采用掺杂浓度为0.5at.%的正单轴Pr3+：YLF晶体，规格为3mm×3mm×5mm（高×宽×长）。晶体选用较软且导热性良好、不易氧化的铟箔包裹，并放置于水冷系统中，水温精确控制在15℃。输入镜M1为平面镜，镀有对400nm～450nm的高透膜（T＞96%），以及600nm～650nm高反膜（R＞99.8%）。输出镜M2是凹面镜，曲率半径为50mm，激射红光的输出镜为600nm～650nm处透过率2%的镜片。在谐振腔内插入调声光调Q晶体，可通过控制电压进行Q值调节，使激光器实现脉冲运转。实验设置重复频率10KHz。设计加工了直径为10mm、厚度为0.5mm的、没有镀膜的F-P标准具，材料为融石英，对于639.5nm波长的折射率为n=1.45，其角度精细可调。

图2 实验装置实物及原理图

2.2 实验结果及分析

Pr3+：YLF激光器谐振腔内无标准具运转时，在工作电流1.4A，泵浦功率7.6W，重复频率10KHz的情况下，可以得到单脉冲能量为4.38μJ的639.5nm激光输出，激光线宽为0.5nm。

在上述调好的实验平台上，在激光器谐振腔内垂直插入F-P标准具，通过精密调节，使得F-P标准具达到最佳位置，使标准具产生的损耗最小；最终在不动任何器件的前提下，只改变F-P标准具的倾角。实验中需要仔细微调标准具在腔内的倾角，标准具在腔内的倾斜角度过大会引起较大的离散损耗，而标准具腔内倾角较小又会使标准具与腔镜的耦合产生寄生振荡，从而影响F-P标准具线宽压缩的效果。

将F-P标准具调节至最佳位置时，采用型号F150A功率计测得重复频率10KHz下，蓝光LD泵浦Pr3+：YLF声光调Q激光器最大单脉冲能量3.23μJ，实验采用型号PCI-3TE-12的脉宽探头测得输出最大能量时的脉冲宽度为145ns，如图3所示。

图3 输出窄线宽激光的脉冲波形

图4 最高激光单脉冲能量时激光光谱图

采用日本YOKOGAWA公司AQ6373型号光谱分析仪测量了输出激光单脉冲能量最大情况下的Pr3+：YLF激光器的激光光谱。设置的扫描测量范围为638nm～640nm。由图4可看出，实验中所获得的激光谱线为单一谱线，其中心波长为639.63nm，相应的激光线宽为40.8pm，实现了窄线宽激光输出。

3 结论

对F-P标准具压缩线宽的原理进行了阐述，并结合Pr3+：YLF激光器特性对法布里-珀罗（F-P）标准具进行线宽控制的理论分析。实验采用蓝光LD泵浦，平凹腔结构，通过声光调Q方式设置重复频率10KHz，选用材料为融石英，厚度0.5mm的标准具对波长639.5nm的Pr3+：YLF激光器进行线宽压缩，最终实现中心波长为639.63nm的窄线宽脉冲激光输出。输出激光的最大单脉冲能量3.23μJ，脉冲宽度145ns，线宽40.8pm。

[1]王凤娟.蓝光泵浦Pr：YLF红光双波长激光器[D］.厦门：厦门大学，2014.

[2]Marling J.1.05～1.44 μm tunability and performance of the CW Nd3+：YAG laser[J］.IEEE J Quant Eletrom，1978，14（1）：56-62.

[3]Svelto C，Freitag I.Room-temperature Tm：YAG ring laserwith 150mW single-frequency output power at 2.02μm[J］.Electronics Letters，1999，35（2）：152-153.

[4]Ken'ichi Nakagawa，Yukitaka Shimizu，Motoichi Ohtsu.High power diode-laser-pumped twisted-mode Nd：YAG laser[J］.IEEE Photonics Tedhnology Letters，1994，6（4）：499-501.

[5]付喜宏，檀慧明，李义民，等.全固态单纵模593.5nm和频激光器[J］.光学精密工程，2007，15（10）：1469-1473.

[6]倪明心，杨敏，曲大鹏，等.561nm全固态单纵模激光器[J］.激光与红外，2016，46（6）：680-683.

[7]金玉实，李青松，董渊，等.蓝光LD抽运Pr3+：YLF直接获得橙红光的实验研究[J］.长春理工大学学报：自然科学版，2017，40（2）：24-26.

[8]李楠，王卫民，鲁燕华，等.基于F-P标准具的固体激光可调线宽控制技术[J］.强激光与粒子束，2013，25（5）：1139-1143.