蓝光泵浦Pr：YLF单纵模绿光激光器

王浩竹，戴卫成，金龙，董渊，金光勇

（长春理工大学 理学院，长春 130022）

单纵模激光器具有线宽窄、噪声低、信噪比高、相干性好等优点，广泛应用于流式细胞术、高分辨率拉曼光谱、全息术等［1-3］。其中，单纵模绿光波段可用于光学频率标准和多普勒测风激光雷达［4-5］。目前为止，绿光激光器常见研究方案一般为利用非线性晶体对基频光进行腔内倍频或和频来实现绿光输出，再进行选模技术实现单纵模输出。然而，此类方案经过二次谐波等非线性变换会产生“绿光噪声”等问题，倍频晶体本身的温控系统也大大增加了系统的复杂性［6-7］。掺镨的激光晶体近几年已成为最具吸引力的增益介质之一，三价镨离子（Pr3+）作为一种可以直接通过下转换实现可见光波段激光输出的稀土元素离子而备受关注，相较于氧化物基底激光材料来说，氟化物基底材料具有较低的声子能量，这一特性不仅能够产生连续的激光输出，而且也大大地缓解了激光器的热透镜效应。此外，氟化钇锂（YLF）是一种天然的双折射材料，能够产生线性极化输出，几乎没有去极化损耗。Pr：YLF晶体在可见光波段能够产生若干种不同波长的跃迁，包括深红色（约695 nm和720 nm，3P0-3F3），红色（约 640 nm，3P0-3F2），橙色（约 607 nm，3P0-3H6），绿色（约 522n m，3P1-3H5），蓝色（约 479 nm，3P0-3H4）［8-10］。在此基础上，2018年，文心怡等人［11］利用 0.5 mm 的 F-P标准具对激光器进行压缩线宽，获得中心波长为639.63 nm的Pr3+：YLF窄线宽脉冲激光器。在重复频率10KHz下实现了激光器线宽40.8 pm，单脉冲能量3.23 μJ，脉冲宽度145 ns的脉冲激光输出。2020年，金龙等人［12］利用声光调Q和法布里-珀罗标准具技术相结合，实现了能量为3.94 μJ、脉冲宽度为81.1 ns的红光单纵模脉冲激光，谱线宽度约为33 MHz。而国内关于Pr：YLF绿光激光器的研究比较少，2012年，黄舜林等人［13］研究了一种高效率连续 Pr：YLF 全固体绿光激光器。获得了波长522.4 nm，最大输出功率为90.1 mW的绿光连续激光输出。但目前为止，尚无关于Pr：YLF单纵模绿光激光器的报道。

为了消除“绿光噪声”引发的跳模、线宽较大等问题，需要得到单纵模绿光输出。目前实现固体激光器单纵模输出的方法有环形腔、法布里-珀罗标准具、双折射滤波器等［14-15］。在本研究中，基于双法布里-珀罗标准具选模技术与Pr离子特异性结合，直接获得单纵模绿光输出。综合来看，这是国内首次报道。

1 实验装置

整体实验装置如图1所示，1为蓝光LD泵浦源；2为聚焦透镜；3为输入镜；4为晶体；5为法布里-珀罗标准具1；6为法布里-珀罗标准具2；7为滤光片；8为功率计。其中谐振腔采用了平凹腔结构，泵浦源采用中心波长为443 nm的蓝光激光二极管，最大泵浦功率为4 W。聚焦透镜f=50 mm，泵浦光束聚焦到尺寸为 3×3×5 mm3的激光晶体中。输入镜为平面反射镜镀有522 nm高反膜（R>99.8%）及445 nm增透膜（T>99.5%）。采用a切Pr：YLF晶体，掺杂浓度0.5 at.%。将封装有铟箔的Pr：YLF晶体安装在由水冷却的铜散热器上，Pr：YLF晶体的温度保持在18℃。输出镜是曲率半径为50 mm的凹面镜，选用输出激光522 nm附近波段透过率分别为1.5%、2.5%进行比较，同时在470～ 490 nm、590～ 650 nm波段范围镀增透膜（T>99.5%）以达到抑制腔内其他输出谱线起振。法布里-珀罗标准具选用材料为无镀膜的熔融石英，厚度为0.3 mm和0.5 mm。滤光片镀有444高反膜（R>99.8%）及522 nm高透膜（T>99.8）。

图1 Pr：YLF单纵模绿光激光器的原理及实物图

对a切和c切Pr：YLF晶体的发射光谱分别进行测量，如图2可知Pr：YLF晶体5条较强的发射谱线，分别位于479 nm、522 nm、604 nm、607 nm、639 nm。从图中可见，a切晶体和c切晶体的发射谱存在较大差距。其中，a切晶体在479 nm、607 nm、522 nm处的受激发射截面明显大于c切晶体。所以，在实验中使用a切晶体。

图2 a-cut和c-cut Pr：YLF晶体受激发射光谱

2 理论研究

对于宽谱增益的固体激光器而言，要实现特定频率的单纵模激光输出，除了需要腔镜的膜系配合谱线的增益竞争，通常还需要在激光谐振腔内引进与频率相关的损参数，加入双法布里-珀罗标准具所引入的腔内损耗由其透射率所决定，以单纵模绿光波段激光转化效率达到最高值为目标，建立含有两个法布里-珀罗标准具对中心波长透过率乘积的关系式，并对其进行数值分析，优化其关键参数以使得中心模式增益最大同时其它模式被抑制，实现激光线宽的调制，进而获得单纵模绿光激光输出。单个标准具的透射率函数由下式给出：

其中，R为标准具的反射率；n为标准具的折射率；d为标准具的厚度；θ为光束在法布里-珀罗标准具的折射角；λ为入射光波长。可以通过改变法布里-珀罗标准具的厚度和入射激光的角度来调节激光腔内的透过率，进而控制腔内不同模式间的损耗。给出了双法布里-珀罗标准具的透射函数：

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：

标准具相邻透射峰的间隔为：

每个透射峰的谱线FWHM为：

模拟了法布里-珀罗标准具在不同厚度时透射率随波长的变化曲线，如图3所示。由图3可以看出厚度较薄的法布里-珀罗标准具透过率变化所对应的波长周期较大，固其可充当粗选模，即限制起振纵模个数的作用，标准具厚度较厚的法布里-珀罗标准具波长周期较小，在纵模数量较少时，可以对剩下的纵模精选模。二者叠加作用，只有1个透过率最大的主峰，波长为522.7 nm，而主峰外的纵模透过率过低，损耗较大，将不能达到阈值起振。

图3 法布里-珀罗标准具透射率随波长的变化曲线

3 实验结果及讨论

研究了自由运转的连续Pr：YLF绿光激光器的输出功率。激光器输出特性如图4所示，其中横坐标对应晶体吸收功率，纵坐标对应绿光激光器的输出功率。实验采用三个输出镜在522 nm处，透射率T分别为1.5%、2.5%。T=1.5%时，阈值为1.15 W，最大输出功率为99 mW。T=2.5%时，阈值为1.93 mW，获得了绿光激光的最大输出功率为68 mW。基于此，选用透过率T=1.5%的输出镜来开展实验研究。

图4 Pr：YLF绿光激光器的输出特性

在实验过程中，为了获得单纵模绿光激光器，首先在腔内插入一个0.3 mm的法布里-珀罗标准具。阈值为1.4 W，最大输出功率为65 mW。待谐振腔稳定工作后，再插入厚度为0.5 mm的法布里-珀罗标准具，通过调节法布里-珀罗标准具角度，得到单纵模激光器。其输出特性如图5所示，可以看出，当吸收功率为2.883 W时，阈值为2.3 W，最大输出功率为9 mW。而实验中单纵模Pr：YLF激光器的较低的效率和较高的阈值可能归因于两个法布里-珀罗标准具造成的损耗。

图5 Pr：YLF单纵模激光器的输出功率与吸收功率的关系

选用高分辨率可见波长光谱分析仪AQ6373检测，分辨率为0.1 nm，设置的扫描测量范围为517～ 527 nm，测得自由运转的Pr：YLF连续激光器线宽为0.42 nm，如图6（a）所示。加入0.3 mm的单法布里-珀罗标准具线宽为0.18 nm，如图6（b）所示。可见加入法布里-珀罗标准具后，线宽明显变窄，如图6所示，可以看出，实验中所获得的激光谱线为单一谱线，其中心波长为522.7 nm。

图6 Pr：YLF绿光激光器激光谱图

再向腔内插入0.5 mm法布里-珀罗标准具，调节法布里-珀罗标准具角度，得到单纵模激光输出。为了研究Pr：YLF窄线宽激光器的纵向模式，使用自由光谱范围为1.5 GHz的扫描型法布里-珀罗标准具干涉仪（SA200-3B，Thorlabs）测量激光光谱特性，扫描法布里-珀罗标准具干涉仪的典型输出信号如图7所示，为了测量Pr：YLF单纵模激光器的线宽，根据以往的研究表明［16］，该波形为基于线宽近似解的洛伦兹谱。利用实验测得数据，通过软件程序来处理。如图8所示，可计算单纵模线宽约为18 MHz。

图7 Pr：YLF单纵模激光器激光输出信号（双法布里-珀罗标准具）

图8 Pr：YLF单纵模激光器激光线宽测量

4 结论

文中介绍了一种蓝光半导体泵浦Pr：YLF单纵模绿光激光器。基于双法布里-珀罗标准具选模技术，获得Pr：YLF单纵模绿光激光器，在吸收功率为2.883 W，获得最大输出功率为9 mW，其线宽为18 MHz。此技术为直接获得单纵模绿光激光器开辟了一条新的道路。将通过使用具有更好光束质量的泵浦源和优化激光晶体的光学质量，进一步提高激光的输出功率，达到更高的水平。