1 764 nm調(diào)Q鎖模自拉曼激光器研究

王冬冬，謝曉華，任席奎，李春波，杜晨林

1)深圳大學(xué)光電工程學(xué)院，深圳市激光工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳518060；2)大族激光科技產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司，廣東深圳518060

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【光電工程 / Optoelectronic Engineering】

1 764 nm調(diào)Q鎖模自拉曼激光器研究

王冬冬1，謝曉華2，任席奎1，李春波1，杜晨林1

1)深圳大學(xué)光電工程學(xué)院，深圳市激光工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳518060；2)大族激光科技產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司，廣東深圳518060

報(bào)道一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊的二階Stokes自拉曼調(diào)Q鎖模固體激光器.采用光纖耦合輸出的大功率激光二極管，單端泵浦摻Nd原子數(shù)分?jǐn)?shù)為0.3%的Nd∶YVO4晶體，在重復(fù)頻率為20 kHz，泵浦功率為22 W時(shí)，得到波長(zhǎng)為1 764 nm、平均功率為0.215 W、鎖模脈寬為12 ps及單脈沖能量為5.44 μJ的激光輸出，其峰值功率達(dá)到453 kW.

光學(xué)工程；固體激光器；Nd∶YVO4晶體；二階Stokes；自拉曼；調(diào)Q鎖模

光譜范圍在1.5～1.8 μm的激光，會(huì)被角膜和晶狀體強(qiáng)烈吸收，在輻射人眼時(shí)只有少部分能到達(dá)視網(wǎng)膜，對(duì)眼睛的損傷閾值很高，屬于“人眼安全激光”.這種激光波長(zhǎng)還處于大氣傳輸窗口，在軍事和民用上都有重要應(yīng)用，例如，激光武器、激光雷達(dá)、激光測(cè)距、激光遙感和激光掃描成像.

目前，獲得1.5～1.8 μm波段的激光輸出主要有3種途徑：稀土(Er3+和Cr4+等)摻雜材料直接輸出[1]、光學(xué)參量振蕩(optical parametric oscillators， OPO)[2]和受激拉曼散射(stimulated Raman scattering，SRS)[3-11].

第1種方法一般以Er3+作為激活介質(zhì)，玻璃為基質(zhì)，采用氙燈或激光二極管(laser diode, LD)泵浦直接獲得人眼安全激光輸出.但Er3+激光器是三能級(jí)激光系統(tǒng)，振蕩閾值較高，玻璃基質(zhì)抗損傷閾值低和熱導(dǎo)性差，難以獲得高功率的人眼安全激光輸出，且這種激光器不適合在高重復(fù)頻率下工作.第2種方法中，光參量振蕩是較常用的人眼安全激光技術(shù).自20世紀(jì)80年代起，非線性晶體的生長(zhǎng)工藝逐漸成熟，涌現(xiàn)出一批性能優(yōu)良的非線性晶體，如KTP、KTA、BBO、LBO及PPLN/LT等，促進(jìn)了OPO研究的快速發(fā)展.但是OPO技術(shù)要求相位匹配，在應(yīng)用中對(duì)非線性晶體的溫度和角度等有嚴(yán)格的控制.

受激拉曼散射是一種實(shí)用且有效產(chǎn)生新波長(zhǎng)的方法.近年來，人們廣泛采用拉曼介質(zhì)材料來產(chǎn)生人眼安全激光.這些拉曼介質(zhì)包括：Nd∶YVO4、Nd∶GdVO4、BaWO4及 SrWO4等[3-11].2012年， Chen等[8]采用Nd∶YVO4晶體，通過二階Stokes拉曼獲得2.34 W的1 313 nm激光.2013年， Du等[9]采用Nd∶YVO4晶體，通過二階Stokes拉曼獲得0.99 W的1 764 nm的激光輸出.2014年，Du等[10]采用Nd∶YVO4晶體，通過二階Stokes拉曼獲得1.33 W的1 313 nm調(diào)Q鎖模(Q-switched and mode-locked，QML)激光輸出. 本研究通過LD端面泵浦Nd∶YVO4復(fù)合晶體得到了二階Stokes自拉曼調(diào)Q鎖模激光器，并獲得了215 mW的1 764 nm調(diào)Q鎖模脈沖輸出，相應(yīng)的光光轉(zhuǎn)換效率為0.98%.二階Stokes拉曼鎖模脈沖寬度為12 ps，最大單脈沖能量為5.44 μJ，最高峰值功率為453 kW.

1　實(shí)驗(yàn)裝置

自拉曼激光器實(shí)驗(yàn)裝置如圖1，泵浦源LD是光纖耦合輸出的大功率半導(dǎo)體激光器，工作波長(zhǎng)穩(wěn)定在808 nm. 耦合輸出光纖的纖芯直徑和數(shù)值孔徑分別為400 μm和0.22.泵浦光經(jīng)過1∶1的聚焦系統(tǒng)后，在激光晶體內(nèi)部聚焦成半徑約200 μm的光斑.諧振腔采用凹-平結(jié)構(gòu)，泵浦鏡M1的曲率半徑為250 mm，鍍有對(duì)808 nm的增透膜(透射率T>99%)，對(duì)1 342、1 525和1 764 nm的高反膜(反射率R>99.9%)；輸出鏡M2為平面鏡，鍍有對(duì)1 342和1 525 nm的高反膜，對(duì)1 764 nm的高透膜.激光晶體是沿a方向切割的YVO4/Nd∶YVO4/YVO4復(fù)合晶體，其中間部分是3 mm×3 mm×10 mm摻Nd原子數(shù)分?jǐn)?shù)為0.3%的Nd∶YVO4晶體，兩端為純凈的YVO4晶體，靠近泵浦源一端長(zhǎng)度為2 mm，另一端長(zhǎng)度為18 mm.復(fù)合晶體前后兩端面都鍍有對(duì)808和1 342 nm的增透膜，對(duì)1 764 nm的透過率為91%. Nd∶YVO4復(fù)合晶體對(duì)808 nm泵浦光的吸收效率為95%.為及時(shí)帶走激光晶體在大功率泵浦下產(chǎn)生的熱量，減輕激光晶體中的熱效應(yīng)，激光晶體用銦箔包裹置于紫銅塊內(nèi)，并用循環(huán)水冷卻，水溫保持在18 ℃. 聲光Q開關(guān)長(zhǎng)度為46 mm，前后兩端面都鍍有對(duì)1 342和1 525 nm的高透膜.為抑制1 064 nm激光振蕩，腔內(nèi)所有的元件都鍍有對(duì)1 064 nm高透膜.實(shí)驗(yàn)中使腔內(nèi)各個(gè)元件的間隔保持1～2 mm，諧振腔總腔長(zhǎng)為108 mm.考慮到由激光晶體材料(n1 764 nm=1.946 8)和聲光Q開關(guān)(n1 764 nm=1.524 6)折射率引入的附加光程，諧振腔的光學(xué)腔長(zhǎng)為160.7 mm，光子在腔內(nèi)往返一次的時(shí)間為1.07 ns，相應(yīng)頻率為934.5 MHz. 實(shí)驗(yàn)中利用光柵光譜儀把激光輸出的基頻光(1 342 nm)、一階Stokes拉曼光(1 525 nm)和二階Stokes拉曼光(1 764 nm)分開.激光的脈沖信號(hào)用高速InGaAs光電探測(cè)器 (New Focus，型號(hào)為1014，上升時(shí)間9 ps)探測(cè)，連接到帶寬為20 GHz的數(shù)字示波器(Tektronix MSO 72004C)上進(jìn)行觀察.

圖1　自拉曼激光器實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1　Schematic diagram of the self-Raman laser

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在調(diào)Q脈沖重復(fù)頻率(pulse repetition frequency, PRF)為20 kHz時(shí)，二階拉曼調(diào)Q鎖模激光在不同泵浦功率下的輸出功率如圖2.當(dāng)泵浦功率達(dá)到15 W，且激光晶體和聲光Q開關(guān)都有一定偏轉(zhuǎn)角度時(shí)，激光器才可以實(shí)現(xiàn)調(diào)Q鎖模運(yùn)轉(zhuǎn).但由于元件的偏轉(zhuǎn)增加了腔內(nèi)損耗，因此導(dǎo)致拉曼轉(zhuǎn)換效率較低.調(diào)Q鎖模激光的輸出功率在泵浦功率為22 W時(shí)已趨飽和，最大平均輸出功率僅為215 mW，轉(zhuǎn)換效率只有0.98%.當(dāng)泵浦功率繼續(xù)加大時(shí)，并沒有發(fā)現(xiàn)輸出功率有明顯的增加.

圖2　調(diào)Q重復(fù)頻率為20 kHz時(shí)，二階Stokes自拉曼調(diào)Q鎖模激光的平均輸出功率與泵浦功率的關(guān)系Fig.2　Average output power of the second-Stokes QML self-Raman laser versus the incident pump power at the PRF of 20 kHz

圖3為調(diào)Q重復(fù)頻率為20 kHz和泵浦功率為22 W時(shí)，二階Stokes拉曼激光的鎖模脈沖序列圖.可見，調(diào)Q包絡(luò)的脈沖寬度約為2 ns,調(diào)Q包絡(luò)里有4個(gè)鎖模脈沖，脈沖相鄰間隔為1.078 ns，對(duì)應(yīng)重復(fù)頻率為927.6 MHz，與光子在腔內(nèi)往返一周的時(shí)間1.07 ns一致，證明調(diào)Q包絡(luò)內(nèi)是鎖模脈沖序列.實(shí)驗(yàn)中聲光Q開關(guān)的射頻重復(fù)頻率為70 MHz，其與鎖模脈沖的頻率相差太遠(yuǎn)，所以調(diào)Q鎖?，F(xiàn)象并不是由聲光Q開關(guān)的調(diào)制得到的.

圖4為基頻光和一階Stokes拉曼激光的脈沖序列圖.為了同時(shí)探測(cè)到這兩個(gè)脈沖信號(hào)，實(shí)驗(yàn)采用另外一個(gè)PIN光電探測(cè)器(EOT，ET-3500)來探測(cè)基頻光.基頻光是直接通過PIN探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)顯示在示波器上的，而一階拉曼激光則是先耦合到一根單模光纖再通過InGaAs光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)顯示在示波器上.由于單模光纖會(huì)引入延時(shí)，因此使得示波器上顯示基頻光信號(hào)和一階拉曼激光信號(hào)間隔比較大.當(dāng)然，由于受激拉曼散射一個(gè)級(jí)聯(lián)過程，一階拉曼激光信號(hào)在一定程度上落后于基頻光信號(hào).根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，一階拉曼激光脈沖包絡(luò)的上升沿和基頻光脈沖包絡(luò)的下降沿是重合的.由圖4可見，一階拉曼激光的Q包絡(luò)寬度(約6.0 ns)明顯小于基頻光的Q包絡(luò)寬度(約8.5 ns).因此，受激拉曼散射非線性頻率變換過程有使拉曼光脈寬縮短的效果.

結(jié)合圖3和圖4，不難發(fā)現(xiàn)基頻光、一階拉曼激光和二階拉曼激光都實(shí)現(xiàn)了鎖模運(yùn)轉(zhuǎn).基頻光的鎖模調(diào)制深度約為90%，而一階拉曼激光和二階拉曼激光的鎖模調(diào)制深度都達(dá)到了100%.這說明受激拉曼轉(zhuǎn)換在拉曼光的鎖模過程中發(fā)揮了積極的促進(jìn)作用，增加了拉曼光的鎖模效果.

圖3　泵浦功率為22 W時(shí)，二階Stokes自拉曼調(diào)Q鎖模激光器的脈沖包絡(luò)Fig.3　The typical pulse trains of QML second-Stokes self-Raman laser at the incident pump power of 22 W

圖4　泵浦功率為22 W時(shí)，基頻光和一階Stokes自拉曼調(diào)Q鎖模激光的脈沖包絡(luò)Fig.4　The temporal pulse profile of the fundamental emission and the first-Stokes self-Raman emission at the incident pump power of 22 W

圖5為1 764 nm調(diào)Q鎖模激光器在最大平均輸出功率為215 mW時(shí)的脈沖寬度圖. 數(shù)字示波器上顯示二階拉曼鎖模脈沖寬度為36 ps，但考慮到示波器和探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間，二階拉曼鎖模真實(shí)的脈沖寬度是小于36 ps的.文獻(xiàn)[12]給出了估算鎖模脈沖寬度的公式：

(1)

其中，tmeasure為實(shí)驗(yàn)測(cè)得鎖模脈沖的上升時(shí)間；treal為鎖模脈沖真實(shí)的上升時(shí)間；tprobe為光電探測(cè)器的上升時(shí)間；toscilloscope為示波器的上升時(shí)間，可由toscilloscope×BW= 0.35～ 0.40給出，BW為示波器的帶寬.實(shí)驗(yàn)中所使用數(shù)字示波器的帶寬是20 GHz，相對(duì)應(yīng)的上升時(shí)間約為18.8 ps.仔細(xì)觀察圖5可以得到鎖模脈沖的上升時(shí)間為23 ps，實(shí)驗(yàn)中使用的高速InGaAs光電探測(cè)器的上升時(shí)間為9 ps.根據(jù)相關(guān)參數(shù)和數(shù)值，利用式(1)可以估算得到鎖模脈沖真實(shí)的上升時(shí)間為9.7 ps.根據(jù)上升時(shí)間的定義并考慮到鎖模脈沖的對(duì)稱性，可以估算脈沖寬度為其上升時(shí)間的1.25倍[12].于是，可以進(jìn)一步算出鎖模脈沖的真實(shí)寬度約為12 ps.圖3的調(diào)Q包絡(luò)里有4個(gè)鎖模脈沖，而且強(qiáng)度最強(qiáng)的那個(gè)脈沖約占Q包絡(luò)總能量的50.6%.由此可得最大單脈沖能量和最高峰值功率分別為5.44 μJ和453 kW.

圖5　泵浦功率為22 W時(shí)，二階Stokes自拉曼調(diào)Q鎖模激光器的脈沖圖Fig.5　The typical pulse profile of the second-Stokes QML at the incident pump power of 22 W

圖6為采用YOKOGAWA公司的AQ-6375光譜分析儀，在泵浦功率為22 W,調(diào)Q重復(fù)頻率為20 kHz時(shí)，測(cè)量到調(diào)Q鎖模二階Stokes自拉曼激光器的輸出光譜.圖中顯示了3條譜線，從左往右分別是1 342.46、1 524.78和1 764.27 nm，分別對(duì)應(yīng)基頻光、一階拉曼激光和二階拉曼激光,其譜寬分別為0.153 3、0.172 8和0.264 1 nm.可以看到，二階拉曼激光的光譜最強(qiáng)，基頻光和一階拉曼激光的光譜都很弱，這說明了一階拉曼激光的能量都向二階拉曼激光轉(zhuǎn)移了.計(jì)算得到基頻光、一階拉曼激光和二階拉曼激光之間相鄰的頻移量均為890 cm-1，對(duì)應(yīng)于VO43-離子團(tuán)完全對(duì)稱模的頻率.

圖6　在泵浦功率為22 W和調(diào)Q重復(fù)頻率為20 kHz時(shí)，激光輸出的光譜圖Fig.6　Optical spectrum of the laser at the incident pump power of 22 W and the PRF of 20 kHz

結(jié)　語

本研究介紹一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊的調(diào)Q鎖模二階斯托克斯自拉曼激光器，實(shí)驗(yàn)獲得了215 mW的1 764 nm的鎖模輸出，而且得到的最小鎖模脈沖寬度、最大單脈沖能量和最高峰值功率分別為12 ps、5.44 μJ和453 kW.一階Stokes和二階Stokes拉曼激光的鎖模調(diào)制深度都達(dá)到100%，而基頻光的鎖模調(diào)制深度約為90%，說明受激拉曼轉(zhuǎn)換對(duì)拉曼光的鎖模發(fā)揮了積極的促進(jìn)作用，增強(qiáng)了拉曼光的鎖模效果.

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【中文責(zé)編：方圓；英文責(zé)編：木南】

2016-04-18；Accepted：2016-07-06

Q-switched and mode-locked self-Raman laser at 1 764 nm

Wang Dongdong1, Xie Xiaohua2, Ren Xikui1, Li Chunbo1, and Du Chenlin1?

1)College of Optoelectronic Engineering, Shenzhen Key Laboratory of Laser Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060，Guangdong Province, P.R.China 2)Han’s Laser Technology Industry Group Co.Ltd., Shenzhen 518060, Guangdong Province, P.R.China

A simple，compact second-Stokes self-Raman Q-switched and mode-locked (QML) solid laser system is demonstrated. The Nd-doped Nd∶YVO4crystal is pumped by a fiber-coupled laser-diode. The output laser with wavelength of 1 764 nm, average power of 0.215 W，peak power of 453 kW，single pulse energy of 5.44 μJ and pulse width of 12 ps is achieved at the pulse repetition frequency (PRF) of 20 kHz under the 22 W incident pump power by using an acousto-optic Q-switch.

optical engineering; solid-state laser; Nd∶YVO4crystal; second-Stokes; self-Raman; Q-switched and mode-locked

Wang Dongdong, Xie Xiaohua, Ren Xikui, et al．Q-switched and mode-locked self-Raman laser at 1 764 nm[J]. Journal of Shenzhen University Science and Engineering, 2016, 33(5): 501-505.(in Chinese)

TN 248.1；O 437.3

Adoi：10.3724/SP.J.1249.2016.05501

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61308055)；深圳市科技計(jì)劃基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(JCYJ20160331114355870)

王冬冬(1991—)，女，深圳大學(xué)碩士研究生．研究方向：固體自拉曼激光器. E-mail：wangdongdong@email.szu.edu.cn

Foundation：National Natural Science Foundation of China (61308055); Shenzhen Science and Technology Project (JCYJ20160331114355870)

? Corresponding author：Professor Du Chenlin．E-mail：cldu@szu.edu.cn

引文：王冬冬，謝曉華，任席奎，等．1 764 nm調(diào)Q鎖模自拉曼激光器研究[J]. 深圳大學(xué)學(xué)報(bào)理工版，2016，33(5)：501-505.