第39卷第6期2020年12月
Vol. 39 No. 6December 2020
红外与毫米波学报
J. Infrared Millim. Waves
文章编号：1001-9014(2020)06-0786-05
DOI ：10. 11972/j. issn. 1001-9014. 2020. 06.017
端面抽运Nd:YAP/YVO 4被动调Q 1・2卩m 拉曼激光 张立匕朱海永”，孙瑛璐2，段延敏2，齐子钦］，阮秀凯］，程梦瑶2
(1.温州大学电气与电子工程学院，浙江温州325035；
2.温州大学数理学院，浙江温州325035)
摘要：报道了半导体激光端面抽运Nd ： YAP 晶体产生的1080 nm 基频光驱动纯YVO 4晶体的被动调 Q 拉曼激光特 性。利用初始透过率85%的Cr 4+: YAG/YAG 复合晶体作为可饱和吸收体，以a 切YVO 4晶体的890 cm -1拉曼频移为 研究对象，研究了 一阶斯托克斯光的输出功率和脉冲特性。在抽运功率为9. 87 W 时，获得了平均输出功率0. 76 W 的1195 nm 一阶斯托克斯光，转化效率为7.7%。脉冲重复频率从阈值附近约3. 7 kHz 持续增加至33.5 kHz 。最高 抽运功率下，脉冲宽度为1.5 ns ，对应最大单脉冲能量为22. 8 ^J ，最高峰值功率为15. 2 kW o 关 键 词：被动调Q ；拉曼激光；YVO a 晶体；Cr 4+：YAG/YAG 复合晶体中图分类号:TN248.1 文献标识码：A Diode -end -pumped passively Q -switched Nd ： YAP/YVO4 Raman
laser at 1.2 |xm
ZHANG Li 1，2 , ZHU Hai -Yong 1* , SUN Ying -Lu 2 , DUAN Yan -Min 2 , QI Zi -Qin 1 , RUAN Xiu -Kai 1 ,
CHENG Meng -Yao 2
收稿日期：2019- 12- 30 ，修回日期：2020- 04- 17 Received date ： 2019- 12- 30 , Revised date ： 2020-04- 17基金项目：国家自然科学基金(61505147)，浙江省自然科学基金(LY19F050012)，温州市公益性科技计划项目(G2*******)
Foundation items : Supported by National Natural Science Foundation of China (61505147) , Zhejiang Provincial Natural Science Foundation of China (LY19F050012) , the Public welfare projects of Wenzhou city (G2*******).
作者简介(Biography )：张立(1994-)，男，湖北安陆人，硕士研究生，主要研究新型固体激光器.E -mail ： zl735564281@163. com * 通讯作者(Corresponding author) : E -mail: hyzhu. opt@gmail. com
(1. College of Electrical and Electronic Engineering , Wenzhou University , Wenzhou 325035 , China ;
2. College of Mathematics and Physics Wenzhou University Wenzhou 325035 China )
Abstract : The output characteristics of passively Q-switched YVO 4 Raman laser derived by a diode end-
pumped Nd ： YAP laser at 1080 nm was investigated. A Cr 41 : YAG/YAG composite crystal with an ini tial transmittance of 85% was used as saturable absorber. The first-Stokes wave output power and pulse characteristics based on a-cut YVO 4 crystal with the Raman shift of
890 cm -1 were studied. Under an in cident pump power of 9. 87 W , the average output power of 0. 76W and conversion efficiency of 7. 7% were obtained for the first-Stokes wave. The pulse repetition frequency rose from 3. 7 to 33. 5 kHz as the incident pump power increased from threshold to 9. 87 W. The pulse width was about 1. 5 ns at the maximum incident pump power. Therefore , the corresponding maximum single pulse energy and peak power were 22. 8 gJ and 15. 2 kW , respectively.
Key words : passively Q-switched , Raman laser , YVO 4 crystal , Cr 41: YAG/YAG composite crystal
PACS ：42. 55. Xi , 42. 55. Ye , 42. 60. Gd
引言
受激拉曼散射(SRS )是一种产生新型激光波长 的高效非线性频率变换技术。随着近些年固体激
光技术的迅速发展，很多材料被发现可作为固体拉
曼增益介质。其中钒酸盐晶体VO 43-离子基团的A ” 振动模对应较窄的拉曼谱宽和较强的拉曼增益受
到广泛关注。YVO 4
晶体作为最具有代表性的钒酸
盐晶体之一，具备较成熟的生长技术而被广泛运用
于固体拉曼变频领域。2001年,Kaminskii 等人首先
6期张立等：端面抽运Nd：YAP/YVO4被动调Q1.2“m拉曼激光787
发现了YVO4晶体是一种优秀的拉曼晶体，并对其拉曼光谱分析表明其在1“m波长激光激发时对应的最强拉曼频移为890cm-1，拉曼增益系数大于4.5 cm/GM⑴。钕离子掺杂的Nd：YVO4因同时具有较大的受激吸收和受激发射截面所以也是优秀的自拉曼晶体［2-4］o2004年国立交通大学Chen等人首次报道了由半导体激光（LD）端面抽运的被动调QNd：YVO4自拉曼激光输出［5］o基于c切Nd：YVO4的自拉曼获得了波长为1178.6nm的一阶斯托克斯光输出，对应的最大平均输出功率为125 mW，从抽运光到拉曼光的转换效率为6.3%o近些年，基于Nd：YVO4晶体的自拉曼激光已有较多报道"①。自拉曼结构可以使激光系统更加紧凑高效，但其调整灵活度较差，拉曼输出波长比较固定。此外，自拉曼激光系统中，增益介质叠加了激光产生和拉曼过程的热沉积，有更严重的热效应。相比较而言，将激光晶体和拉曼晶体分开的分离结构拉曼激光系统可以对腔内激光和拉曼光进行针对性优化［10-12］。还可有效避免自拉曼激光系统在高功率抽运时自拉曼晶体上严重的热效应，提高了激光系统稳定性。此外，通过激光晶体和拉曼晶体的灵活组合可丰富激光器的拉曼输出波长。目前常见的用
于LD抽运的掺Nd3+激光晶体（如Nd：YAG和Nd: YVO4）对应1.0“m波段4F3/2到4I n/2能级间最强跃迁的发射波长较多的集中在1.06“m，基于YVO4晶体的890cm-1拉曼频移得到一阶斯托克斯光波长为1.18“mW而Nd：YAP晶体对应4F3/2到g能级间最强跃迁的发射波长为1080nm：16：，通过890cm-1拉曼频移可使一阶斯托克斯光波长拓展到1.2“m。天津大学的Liu等人近期报道了一种LD端面抽运双激光晶体的主动调Q YVO4单腔拉曼激光系统，以Nd：YAP晶体和Nd：YAG晶体产生的波长为1079 nm和1064nm的激光作为基频光，结合YVO。中890 cm-1拉曼频移获得了1195nm和1176nm的双波长激光输出［17］。1.2“m—阶斯托克斯光还可进一步结合二阶非线性倍频获得在眼科医学、激光美容、激光显示和生物光子学等领域具有重要应用的600 nm附近波长的橙光［18-19］。
Nd:YAP晶体相比于Nd：YVO4等掺钕钒酸盐晶体具有更长的上能级荧光寿命，这一特性使其适用于产生高单脉冲能量和高峰值功率的调Q激光系统中。相对于主动调Q，被动调Q仅需在腔内插入对振荡激光具有可饱和吸收特性的材料，无需外部驱动控制，具有结构简单、低成本、易操作的优点［20-22］。本文研究了以Cr4+:YAG/YAG复合晶体作为可饱和吸收体,LD端面抽运Nd:YAP晶体产生的1080nm 激光作为基频光驱动纯YVO4晶体的被动调Q拉曼激光特性。基于a切YVO4晶体中890cm-1拉曼频移获得了1195nm波长的一阶斯托克斯光输出。在抽运功率为9.87W时，获得了0.76W的平均输出功率，相应的光-光转化效率为7•7%o其中脉冲宽度为1.5ns，重复频率为33.5kHz。
1实验装置设计
光和影的传说
由YVO4的拉曼光谱可知，其X（ZZ）X几何配置下的振动模对应较窄的拉曼谱宽和最强的拉曼增益，所以我们选用沿晶轴a轴切割（a切）的YVO4晶体作为拉曼增益介质研究基于其最强拉曼频移890cm-1的一阶斯托克斯激光输出特性。结合选择Nd:YAP晶体中4F3/2到4I n/2能级间最强跃迁发射的1080nm激光作为基频光，以实现1.2“m波段的一阶斯托克斯光输出。由于Nd：YAP晶体为正交晶系晶体，其光学各向异性特性决定了其产生的基频光是偏振光。为了满足YVO4晶体的X（ZZ）X拉曼几何配置,Nd：YAP对应的基频光偏振方向设置为平行于YVO4的光轴方向。为实现结构紧凑的调Q拉曼激光输出选用可饱和吸收体调制的被动调Q技术。Cr4+:YAG晶体作为一种优秀的可饱和吸收体材料，具有基态吸收截面大、饱和光强小、损伤阈值高、物化性能稳定等优点，且在0.9〜1.2“m波段具有较宽的吸收带，所以十分适合用作钕离子掺杂增益介质固体激光器的Q开关材料。
LD端面抽运的Nd:YAP/YVO4被动调Q拉曼激光实验装置如图1所示。实验中激光晶体选用沿晶轴b轴切割的截面直径为3.6mm长度为5.8mm 的圆柱型Nd：YAP晶体。被动调Q晶体（PQS）为
图1LD端面抽运Nd：YAP/YVO4被动调Q拉曼激光实验装置示意图
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Fig.1Experimental setup of the LD end-pumped passively Q-switched Nd：YAP/YVO4Raman
laser
788红外与毫米波学报39卷
Cr4+:YAG/YAG复合晶体，在尺寸为3x3x3mm3，初始透过率T°=85%的Cr4+:YAG晶体右端面键合了一个尺寸为3mmx3mmx2mm的未掺杂YAG晶体以帮助其从端面散热。拉曼增益介质为尺寸为3mmx3mmx30mm的a切YVO4晶体。实验中所用的激光晶体、拉曼晶体、可饱和吸收体的两端面都镀有对基频光1080nm和一阶斯托克斯光1195 nm的增透膜，并分别用铟箔紧密包裹并置于水冷铜块进行
散热，晶体表面温度控制在20兀左右。抽运光源是中心波长为804nm的光纤耦合半导体激光器（光纤的数值孔径为0.22，芯径为200^m）o光纤输出的抽运光经一对焦距分别为50mm和80mm的散补偿透镜组成的耦合系统后聚焦成束腰直经约为320^m的光斑，再入射到Nd：YAP晶体中。为使抽运光更充分的入射到激光晶体中Nd：YAP晶体两端面镀的介质膜同时对804nm增透射。输入镜IM为平面镜，镀对抽运光高透（T>90%），对基频光高反（R>99.9%）和一阶斯托克斯光高反（R〉99.9%）的介质膜。输出镜OC为曲率半径为200 mm的平凹镜，镀对基频光高反（R>99.9%）和一阶斯托克斯光部分反射（R=22%）的介质膜。由输入镜IM和输出镜OC构成基频光和一阶斯托克斯光共同的平凹腔结构振荡腔，腔内光路中的晶体元件相邻紧凑放置，总腔长为6.4cmo根据实验中采用的腔结构，在设定热透镜焦距为200mm的情况下，理论计算激光晶体上的基模光斑直径约为304^m，可较好的与抽运光斑匹配。YVO4晶体不同位置的基模光斑直径在295到303|±m之间。
2实验结果与讨论
基于以上拉曼实验装置，对LD端面抽运Nd：YAP/YVO4被动调Q拉曼激光的输出特性进行了研究。对激光系统进行优化后，用分辨率为0.05nm 的光栅单仪（ZOLIX，型号Omni-入500）对输出激光光谱进行扫描测量，得到图2扫描范围为1050 nm-1250nm的谱线。在抽运功率为9.87W时，仅探测到由1079.5nm经过890cm-1频移得到的波长为1194.5nm的一阶斯托克斯光，拉曼线宽约为0.3nmo进一步测量了一阶斯托克斯光的输出功率，在基频光阈值附近就观察到有一阶斯托克斯光输出。图3给出了一
阶斯托克斯光的平均输出功率随入射抽运功率的变化关系。拉曼阈值为2.47 W，拉曼光的平均输出功率随入射抽运功率呈近似线性增加。在抽运功率达到9.87W时，获得了0.76W的平均输出功率，对应的斜效率和光光转换效率分别为9.8%和7.7%o
Fig.2The measured laser output spectra
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Incident pump power/W
图3一阶斯托克斯光的平均输出功率随入射抽运功率的变化关系
Fig.3The average output power of the first-Stokes light versus incident pump power
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图4一阶斯托克斯光的脉冲宽度和脉冲重复频率随入射抽运功率的变化曲线图
ndmFig.4The pulse width and pulse repetition frequency(PRF) of the first-Stokes light versus incident pump power
进一步对被动调Q—阶斯托克斯光的脉冲特性进行了研究。用5GHz自由空间铟砷化稼探测器来接收激光输出的脉冲信号，由带宽500MHz泰克数字示波器（型号DPO3052B）记录了1195nm一阶斯托克斯光的脉冲波形和序列。图4给出了一阶斯托克斯光的脉冲宽度和脉冲重复频率（PRF）随入射抽
6期张立等：端面抽运Nd：YAP/YVO4被动调Q1.2“m拉曼激光789
运功率的变化关系。抽运功率从拉曼阈值附近上升到9.87W的过程中，一阶斯托克斯光的脉冲宽度在2.2〜1.5ns范围内小幅度波动。脉冲重复频率从阈值附近约3.7kHz开始持续增加，在最高9.87 W抽运功率时达到33.5kHzo脉冲重复频率随着入射抽运功率的增大而逐渐增加主要是因为入射抽运功率的升高加快了激光晶体上能级粒子数的积累速率，使腔内基频光子密度达到可饱和吸收体饱和光强的速度加快，因此减小了Cr4+:YAG被“漂白”的间隔，增大了脉冲重复频率。在被动调Q激光系统中当抽运功率较低时可饱和吸收体需要更长的吸收时间才能达到饱和，使得在阈值附近就可获得较高的峰值功率，降低了拉曼激光阈值[23]o在抽运功率为9.87W时，单脉冲能量和峰值功率可通过计算得到分别为22.8“J和15.2kWo
图5在9.87W入射抽运功率下一阶斯托克斯光的脉冲波形和序列
Fig.5The temporal pulse profiles and pulse trains of the first-Stokes light measured under an incident pump power of 9.87W
图5给出了在抽运功率为9.87W时测量到的一阶斯托克斯光的脉冲波形和脉冲序列。最高输出功率0.76W时，对应测量到的脉冲重复频率为33.5kHz，脉冲宽度为1.5nso脉冲波形形状较为对称。由于输出镜对一阶斯托克斯光反射率较小，增大了腔内损耗光子寿命较短产生巨脉冲后腔内光强衰减得快所
以脉冲下降沿较小脉冲形状比较对称。刘永纳等对被动调Q拉曼光的这种脉冲波形形状作出了相应解释[24]o从脉冲序列图可以看出，脉冲间隔比较均匀，脉冲幅度呈现小幅波动，对应的脉冲峰值不稳定性小于10%o考虑到拉曼脉冲宽度和脉冲重复频率等参数主要与可饱和吸收体的初始透过率T°和输出镜OC对拉曼光的反射率相关，减小T或者减小OC对拉曼光的反射率有利于进一步压缩脉冲宽度。同时由于腔内损耗增大，达到阈值的时间增加，脉冲间隔变大，脉冲重复频率会减少。根据对脉冲宽度等输出性能参数的不同要求可以对应选择合适的可饱和吸收体初始透过率T和输出镜0Co
3结论
对半导体激光端面抽运Nd：YAP/YVO4被动调Q拉曼激光实验进行了研究。采用Cr4+:YAG/YAG 复合晶体作为可饱和吸收体，以Nd：YAP晶体产生的1080nm激光作为基频光，实现了基于a切纯YVO4中890cm-1拉曼频移获得1195nm波长的一阶斯托克斯光输出。实验中对被动调Q的一阶斯托克斯光的平均输出功率、光谱和脉冲等输出特性进行了测量和分析。在抽运功率为9.87W时，获得了0.76W的平均输出功率，对应的光-光转化效率为7.7%。脉冲宽度在2.2〜1.5ns范围内变化，脉冲重复频率从阈值附近约3.7kHz持续增加到33.5 kHzo在最高平均输出功率0.76W时，对应的脉冲宽度和重复频率分别为1.5ns和33.5kHz，所以对应最大单脉冲能量和峰值功率分别为22.8“J和15.2kWo实验结果表明，被动调Q的Nd：YAP/ YVO4组合的拉曼可实现结构紧凑、高效的1.2“m 波段激光输出。
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