LD侧面泵浦主动调Q Nd:YAG/YVO4内腔式拉曼激光器

李长明，李述涛，黄 凯，孙新智

（长春理工大学 理学院，吉林 长春 130022）

0 引 言

基于三阶非线性光学过程的晶体材料的受激拉曼散射（SRS），是现有扩展激光光谱范围的有效方法之一[1]。拉曼激光器已经被证明是实用、经济和高效的设备，其波长灵活，可获得可见光和红外线的许多谱线[2-3]。1963年，第一台拉曼激光器被报道[4]。

掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）和钒酸钇（Nd:YVO4）是固体激光增益介质应用最广泛的材料。Nd:YVO4晶体具有较强的吸收宽带，有效的受激发射截面是Nd:YAG的5倍。这些特性意味着，Nd:YVO4激光器通常具有比Nd:YAG激光器更高的效率和更宽的工作温度。在拉曼激光器领域，自拉曼过程的可用性，使得研究二极管泵浦被动调Q（PQS）和主动调Q（AQS）Nd:YVO4拉曼激光器具有极强的吸引力。然而，Nd:YAG晶体具有其他优点，如热性能更好、荧光寿命更长等。尤其是寿命长，可以提高AQS激光器的输出脉冲能量，且能够提高AQS拉曼激光器在斯托克斯波长处的输出脉冲能量。在AQS Nd:YAG固体激光器中，这意味着可能会增加受激拉曼散射的转换效率。

随着晶体拉曼频移的发展，内腔式拉曼激光器被认为是一种高效率、实用的扩大激光光谱的方法。Ba(NO3)2、LiIO3、KGd(WO4)2、PbWO4和 BaWO4是 众 所周知的SRS材料。另外，YVO4和GdVO4被认为对于拉曼激光器是有效的χ(3)材料。

在拉曼激光器中，泵浦方式分为端面泵浦和侧面泵浦两种。端泵系统虽然具有转换效率高的优点，但受限于输入泵浦功率和泵浦方式导致的热畸变和热损耗，激光器输出功率不大。本文采用侧面泵浦方式，研究LD侧面泵浦主动调Q Nd:YAG/YVO4内腔式拉曼激光器的性能。

1 实验装置

实验装置如图1所示。M1镜和M2镜构成了1 064 nm的基频光和1 176 nm的拉曼光的谐振腔。其中，凹面镜M1为谐振腔的后腔镜，镀膜对1 064 nm和1 176 nm高反（R＞99.8%），曲率半径为300 mm；平面镜M2为输出镜，镀膜对1 064 nm高反（R＞99.8%），对1 176 nm部分透过（T=7%）；侧泵Nd:YAG激光模块（GTPC-50D），两端镀1 064 nm和1 176 nm抗反射膜（R＜0.2%）；拉曼晶体为未掺杂的YVO4，尺寸为4 mm×4 mm×40 mm，沿a轴方向切割。YVO4晶体用铟箔包裹放到通水冷的铜块中，水温保持在18 ℃。33 mm长的声光Q开关两端镀1 064 nm和1 176 nm抗反射膜（R＜0.2%），调制频率在1～100 kHz连续可调。整个腔长约18 cm。采用以色列OPHIR公司生产的F150A功率计测量功率，用美国泰克公司DPO3054示波器记录波形和脉冲宽度，用日本横河公司的AQ6373光谱仪测量光谱。

2 实验结果和讨论

当泵浦功率增加到44 W时，开始有基频光输出。继续增加泵浦功率，开始有拉曼光输出。图2为使用日本横河公司的AQ6373光谱仪测量的基频光和拉曼光的光谱图。可见，基频光中心波长为1 064 nm，一阶斯托克斯光中心波长为1 176 nm。一阶斯托克斯光相对于基频光的拉曼频移为890 cm-1，符合VO4-3离子团的振动模，与文献[5]报道一致。当脉冲重复率为10 kHz、15 kHz和20 kHz时，拉曼光的平均输出功率随抽运功率的变化如图3所示。在脉冲重复率分别为10 kHz、15 kHz和20 kHz时，它的拉曼光输出阈值分别为50 W、62 W和68 W。实验过程中，为了避免晶体涂层的破坏（高脉冲能量和峰值功率可能会损坏晶体的涂层），在脉冲重复率为10 kHz、15 kHz和20 kHz时，泵浦功率分别控制在104.9 W、117.7 W和124.1 W内。在LD泵浦功率为117.7 W、脉冲重复率为15 kHz时，获得6.88 W的最大功率输出，对应的从LD泵浦功率到1 176 nm拉曼光的光-光转换效率为5.84%。整个实验过程中，随着LD泵浦功率的增大，一直没有二阶或者更高阶的斯托克斯光输出。

图3 不同脉冲重复率下，1 176 nm拉曼光的平均输出功率随注入功率的变化

图4给出了脉冲重复率分别为10 kHz、15 kHz和20 kHz时，输出拉曼光的脉冲宽度随入射LD泵浦功率的变化关系。由图4可以看出：在一定的脉冲重复率下，拉曼光的脉冲宽度随LD泵浦功率的增加而减小；在固定的LD泵浦功率下，脉冲重复率越高，脉宽越宽。实验中得到的最窄脉冲宽度为27.7 ns，是在泵浦功率为94 W、脉冲重复率为10 kHz时获得的。图5记录了该泵浦功率和脉冲重复率下的基频光和拉曼光的脉冲波形。

图4 10 kHz、15 kHz和20 kHz脉冲重复率下，脉宽随注入功率的变化关系

图5 1 064 nm基频光和1 176 nm拉曼光的脉冲波形

3 结 论

研究LD侧面泵浦主动调Q Nd:YAG/YVO4内腔式拉曼激光器的特性，获得以下结论：在117.7 W泵浦功率和15 kHz脉冲重复率下，获得了6.98 W的最大功率输出；从二极管激光到1 176 nm激光，对应的光-光转换效率为5.93%。

参考文献：

[1] Basiev T T，Powell R C.Special Issue on Solid State Raman Lasers-Introduction[J].Opt. Mater.，1999，（11）：301-306.

[2] Geskus D，Jakutis-Neto J，Pask H，et al.Quasi-Continuous Wave Raman Lasers at 990 and 976 nm Based on a Three-level Nd:YLF Laser[J].Opt. Lett.，2014，39（10）：2982.

[3] Jakutis-Neto J，Lin J，Wetter N，et al.Continuous-wave Watt-level Nd:YLF/KGW Raman Laser Operating at Near-IR,Yellow and Limegreen Wavelengths[J].Opt. Express，2013，20（9）：9841.

[4] Eckhardt G，Bortfeld D P，Geller M.Stimulated Emission of Stokes and Anti-Stokes Raman Lines from Diamond，Calcite，and α-Sulfur Single Crystals[J].Appl. Phys. Lett.，1963，33（8）：137-138.

[5] Kmainskii A A，Ueda K I，Eichler H J，et al.Tetragonal Vanadates YVO4and GdVO4——New Effieient χ(3)-materials for Raman Lasers[J].Opt.Commun.，2001，194（1-3）：201-206.