高峰值功率Nd:YLF/BaWO4 正交偏振雙波長拉曼激光器*

樊莉 向柯赟 沈君 朱駿

(揚州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,應(yīng)用光子技術(shù)研究所,揚州 225002)

正交偏振雙波長激光在精密測量、太赫茲產(chǎn)生、差分雷達、光譜分析等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景.Nd:YLF晶體具有兩個發(fā)射截面相近的正交偏振發(fā)射峰,加上優(yōu)異的儲能性能和熱性能,是適合產(chǎn)生正交偏振雙波長激光的優(yōu)良增益介質(zhì).本文采用低摻雜濃度的Nd:YLF 晶體作為激光增益介質(zhì)產(chǎn)生1047 nm 和1053 nm 的正交偏振雙波長基頻光,通過適當(dāng)增大抽運光斑降低Nd:YLF 晶體熱裂的風(fēng)險,利用BaWO4 晶體的腔內(nèi)拉曼頻移,實現(xiàn)了高峰值功率的1159.9 nm 和1167.1 nm 正交偏振雙波長脈沖拉曼激光輸出.在40 W 的總?cè)肷涑檫\功率和5 kHz 的脈沖重復(fù)頻率下,獲得平均輸出功率為2.67 W 的雙波長拉曼激光輸出,相應(yīng)的光光轉(zhuǎn)換效率為6.7%.1159.9 nm 和1167.1 nm 拉曼激光輸出功率分別為1.31 W 和1.36 W,最窄脈沖寬度分別為1.50 ns和1.53 ns,對應(yīng)的峰值功率分別高達174.7 kW 和177.8 kW.結(jié)果表明,降低摻雜濃度和增大抽運光斑可有效解決Nd:YLF 晶體在高抽運功率下發(fā)生熱裂的問題,Nd:YLF/BaWO4 是實現(xiàn)正交偏振雙波長拉曼激光輸出的一種較有前途的晶體組合.

1 引言

近年來,隨著激光在通信、國防、醫(yī)學(xué)、工業(yè)加工等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,單一波長的激光已不能滿足應(yīng)用需求,人們對激光器的研究重點逐漸從單波長輸出轉(zhuǎn)變?yōu)閷崿F(xiàn)多波長或雙波長激光輸出.其中正交偏振雙波長激光由于在差分雷達、光譜分析、激光干涉、精密測量、差頻產(chǎn)生太赫茲等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用,成為了當(dāng)前激光領(lǐng)域的一個研究熱點.2009 年開始,研究人員就開始利用各種稀土離子摻雜的各向異性激光晶體,如摻Nd 激光晶體Nd:GdVO4[1],Nd:YLF[2?5],Nd:LuVO4[6,7],Nd:YAP[8],Nd:YAG[9,10],Nd:YVO4[11,12],Nd:LLF[13],Nd:LMB[14],摻Y(jié)b 激光晶體Yb:KGW[15],Yb:CGB[16],Yb:GMB[17]以及其他激光晶體Tm,Ho:LLF[18]等,直接受激輻射產(chǎn)生正交偏振雙波長激光輸出.但由于受激光介質(zhì)固有能級結(jié)構(gòu)的限制,目前正交偏振雙波長基頻激光器的輸出波長范圍有限,主要集中在0.9,1.0,1.3 和2.0 μm 幾個常見的波段.

受激拉曼散射(stimulated Raman scattering,SRS)是一種高效的非線性光學(xué)頻率變換技術(shù).拉曼激光器就是利用介質(zhì)的SRS 效應(yīng)對基頻激光進行頻率變換,產(chǎn)生新波長的拉曼激光輸出.通過不同激光與拉曼頻移介質(zhì)的組合,可獲得豐富的新波長激光,并且SRS 過程還具有光束凈化效應(yīng),相比基頻激光,獲得的拉曼激光具有更好的光束質(zhì)量、更窄的脈沖寬度和譜線寬度[19].因此,研究人員開始利用SRS 效應(yīng)來產(chǎn)生正交偏振雙波長激光,大大拓寬了正交偏振雙波長激光的光譜范圍.2012 年,Huang 等[20]利用Nd:YAG/Cr4+:YAG 鍵合晶體產(chǎn)生了1064 nm 被動調(diào)Q脈沖基頻激光,再通過KTP 和KTA 兩塊晶體的腔內(nèi)拉曼頻移,實現(xiàn)了1091 nm 和1095 nm 正交偏振雙波長拉曼激光的同步輸出,對應(yīng)的最高輸出功率分別為170 mW 和150 mW.2014 年,Liu 等[21]采用耦合腔結(jié)構(gòu),利用兩塊Nd:YLF 晶體分別產(chǎn)生正交偏振的1047 nm 和1053 nm 基頻激光,再通過BaWO4晶體拉曼頻移獲得了423 mW 的1159.4 nm 和332 mW 的1166.8 nm 正交偏振雙波長拉曼激光輸出.2016 年,Sun 等[22]利用Yb:GAB 晶體產(chǎn)生的1042.8 nm 和1047.5 nm 兩束正交偏振基頻光,分別經(jīng)過KGW 晶體的901 cm–1和768 cm–1兩個拉曼頻移峰,實現(xiàn)了1133.1 nm 和 1156.6 nm 以及1137.8 nm 和1151.9 nm 兩套正交偏振雙波長拉曼激光輸出.但實驗中為了防止激光晶體損壞,抽運功率只加到6.6 W,獲得的各波長拉曼激光輸出功率都較低(<100 mW).

在目前常用的產(chǎn)生正交偏振雙波長基頻激光的晶體中,Nd:YLF 晶體由于具有兩個發(fā)射截面相近的正交偏振發(fā)射峰1047 nm (π 偏振,發(fā)射截面為1.8×10–19cm–2)和1053 nm (σ 偏振,發(fā)射截面為1.2×10–19cm–2)[2],被認(rèn)為是一種非常適合產(chǎn)生正交偏振雙波長激光的晶體材料.另外,Nd:YLF晶體還具有較長的上能級熒光壽命(約520 μs)和較弱的熱透鏡效應(yīng)[23,24],因此是一種適合產(chǎn)生高脈沖能量和良好光束質(zhì)量激光的優(yōu)良晶體材料.此外,在常用的拉曼晶體中,BaWO4晶體具有較高的拉曼增益、較好的散熱性能且不容易損傷等優(yōu)勢,是一種性能優(yōu)良的拉曼介質(zhì).該晶體的最強拉曼頻移峰為925 cm–1,當(dāng)使用波長1064 nm 的基頻光抽運時,其穩(wěn)態(tài)拉曼增益可達8.5 cm/GW,明顯高于YVO4,GdVO4,KGd(WO4)2等其他常用拉曼晶體,因此被廣泛應(yīng)用于連續(xù)波拉曼激光器中以獲得高效率的拉曼轉(zhuǎn)換[25?27],這意味著采用Nd:YLF/BaWO4晶體組合將有望獲得高功率的正交偏振雙波長拉曼激光輸出.然而,在文獻[21]中卻由于Nd:YLF 晶體存在在高抽運功率下容易發(fā)生熱斷裂的問題,兩臺抽運源的功率分別只加到5.73 W 和4.85 W,嚴(yán)重限制了雙波長拉曼激光輸出功率的提高.

本文采用Nd:YLF 晶體作為激光增益介質(zhì),BaWO4晶體作為拉曼晶體,通過采用降低摻雜濃度和增大抽運光斑[28]的技術(shù)途徑來降低Nd:YLF晶體發(fā)生熱斷裂的風(fēng)險,進一步探索在高抽運功率下Nd:YLF/BaWO4主動調(diào)Q正交偏振雙波長拉曼激光器的輸出性能,系統(tǒng)研究了輸出鏡曲率半徑以及抽運光斑大小對激光器性能的影響.最終在40 W 總抽運功率和5 kHz 脈沖重復(fù)頻率下,獲得了2.67 W 正交偏振雙波長拉曼激光輸出,相應(yīng)的光光轉(zhuǎn)換效率為6.7%.其中1159.9 nm 拉曼激光最大平均輸出功率為1.31 W,1167.1 nm 拉曼激光輸出功率為1.36 W,雙波長拉曼激光的最短脈沖寬度分別為1.50 ns 和1.53 ns,相應(yīng)的最高峰值功率分別為174.7 kW 和177.8 kW.與之前的研究結(jié)果相比[21],正交偏振雙波長拉曼激光的輸出功率和峰值功率都顯著提高.

2 實驗裝置與設(shè)計

圖1 為Nd:YLF/BaWO4主動調(diào)Q正交偏振雙波長拉曼激光器實驗裝置圖.激光器采用雙諧振腔結(jié)構(gòu)并用兩臺抽運源進行抽運.兩臺抽運源均為光纖耦合輸出的808 nm 半導(dǎo)體激光器(808 nm LD),其中抽運源A (北京凱普林,DS3-51412-0906)的最大輸出功率為40 W,其光纖芯徑為400 μm,數(shù)值孔徑為0.22.為了增大抽運光斑防止Nd:YLF晶體發(fā)生熱裂,該抽運光采用成像比為1∶2 或1∶3的耦合器準(zhǔn)直聚焦后入射到晶體前端,因此抽運光斑直徑大約為800 或1200 μm.與抽運源A 不同的是,抽運源B (Coherent,FAPSys-30 W-808 nm)的最大輸出功率為30 W,光纖芯徑為800 μm,該抽運光經(jīng)過平凸透鏡F1 和F2 構(gòu)成的透鏡組準(zhǔn)直聚焦后入射到晶體中.其中透鏡F1 的焦距固定為50 mm,透鏡F2 的焦距則分別采用50 和75 mm,以保證該抽運光斑大小與另一路相同,光斑直徑約為800 和1200 μm.

圖1 主動調(diào)Q 正交偏振雙波長拉曼激光器裝置圖Fig.1.Schematic of actively Q-switched orthogonally polarized dual-wavelength Raman laser.

激光器采用M1-P-M4 和M2-P-M4 的雙諧振腔結(jié)構(gòu),兩個諧振腔通過一塊偏振片P 連接在一起.當(dāng)偏振片以布儒斯特角插入諧振腔時,對p 偏振光高透(T>90%),對s 偏振光高反(R>99.9%).因此當(dāng)兩塊激光晶體的c軸垂直于實驗臺放置時,p 偏振的1053 nm 和s 偏振的1047 nm 基頻激光將分別在M1-P-M4 和M2-P-M4 兩個諧振腔中振蕩.輸入鏡M1 和M2 是曲率半徑為200 mm 的平凹鏡,鍍有抽運光808 nm 的高透膜(T>95%)以及1047—1053 nm 波段基頻激光的高反膜(R>99.9%).輸出鏡M4 為不同曲率半徑(R=300,500,800 mm)的平凹鏡,鍍有1047—1053 nm 基頻激光的高反膜(R>99.9%)以及1159—1167 nm拉曼激光的部分透過膜(T=10%).為減少拉曼激光腔內(nèi)振蕩的損耗,基頻諧振腔內(nèi)插入平鏡M3,其朝著Nd:YLF 晶體的端面鍍有1047—1053 nm的增透膜(R<0.2%),另一個面上鍍有1159—1167 nm 高反膜(R>99.9%)以及1047—1053 nm高透膜(T≈95%),因此拉曼激光將僅在M3 和M4 之間振蕩.實驗中基頻激光腔長約為180 mm,拉曼腔長為35 mm.

為了降低Nd:YLF 晶體發(fā)生熱斷裂的風(fēng)險,實驗中選用低摻雜濃度(原子百分比為0.55%)的a切Nd:YLF 晶體作為激光晶體,為了提高晶體對抽運光的吸收率,選擇長度較長的晶體,兩塊晶體的長度分別為15 和20 mm,橫截面積均為4 mm×4 mm.由于Nd:YLF 晶體中1047 nm 激光的受激發(fā)射截面略大于1053 nm 激光,為了平衡雙波長基頻激光的輸出功率,實驗中將長度為20 mm 的Nd:YLF 晶體用于產(chǎn)生1053 nm 激光,長度略長于15 mm 的Nd:YLF 晶體用于產(chǎn)生1047 nm 激光.兩塊晶體的入射端面均鍍有808 nm 抽運光和1047—1053 nm 激光的高透膜(T>99.3%),而另一面除了鍍有1047—1053 nm 激光的高透膜(T>99%)之外,還鍍有抽運光808 nm 的高反膜(R>95%),以將未吸收的抽運光再次反射回晶體內(nèi),進一步提高晶體對抽運光的吸收率.實驗中在激光晶體與中間鏡M3 之間插入工作波長為1064 nm 的聲光(acousto-optic,AO)Q開關(guān)(Gooch&Housego,I-QS027-4 C4 G-U5-ST1)來實現(xiàn)調(diào)Q輸出的正交偏振雙波長激光.拉曼晶體采用4 mm×4 mm×30 mm 的b切BaWO4晶體.由于當(dāng)基頻光偏振方向平行于BaWO4晶體c軸時獲得的拉曼增益較高,因此實驗中將BaWO4晶體的c軸放置在水平方向上,與發(fā)射截面較小的1053 nm 激光偏振方向相同,以使該激光獲得較高的拉曼增益,提高頻移后相應(yīng)拉曼激光的輸出功率,從而進一步平衡雙波長拉曼激光的輸出功率.以上激光和拉曼晶體均用銦箔包裹后置于水溫設(shè)置為18 ℃的水冷紫銅架中.激光器輸出的正交偏振雙波長拉曼激光由一個偏振分束器(PBS)分成兩路光,分別使用LP-3C 和PM100D兩臺功率計測量其輸出功率,并使用Yokogawa 公司的AQ-6370C 型光譜儀測量輸出光譜.

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 輸出鏡曲率半徑的影響

為了最大程度降低Nd:YLF 晶體發(fā)生熱裂的風(fēng)險,實驗中首先采用大光斑抽運晶體,分別采用成像比1∶3 的耦合器和焦距為50/75 mm 的透鏡組將兩路抽運光斑放大到1200 μm.此時為了提高拉曼激光輸出功率和轉(zhuǎn)換效率,諧振腔的設(shè)計需要考慮實現(xiàn)以下3 個方面:1)激光晶體內(nèi)要獲得與大抽運光斑相匹配的較大的基頻激光振蕩光斑,在提高抽運光能量利用率的同時,又具有大的模體積,從而獲得較高的腔內(nèi)基頻光功率;2)由于拉曼轉(zhuǎn)換效率與基頻光功率密度成正比,因此應(yīng)盡量使拉曼晶體內(nèi)振蕩的基頻激光光斑小一些,從而提高基頻光功率密度,獲得更高的拉曼轉(zhuǎn)換效率;3)由于拉曼晶體內(nèi)的拉曼激光振蕩光斑半徑越小獲得的拉曼轉(zhuǎn)換效率越高[29],因此應(yīng)使拉曼晶體內(nèi)拉曼激光振蕩光斑也盡量小一些.由于實驗條件限制,諧振腔中輸入鏡及中間鏡的曲率半徑已經(jīng)確定,因此只能通過輸出鏡曲率半徑的選擇來對諧振腔結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,因此實驗中分別采用曲率半徑R為300,500 和800 mm 的輸出鏡搭建了激光器并測量其輸出性能.根據(jù)前期研究結(jié)果[4,21],Nd:YLF激光器中重復(fù)頻率越小,基頻光的峰值功率越高,有利于獲得更高的拉曼轉(zhuǎn)換效率.但重復(fù)頻率太小的話容易出現(xiàn)次脈沖,反而會降低主脈沖的峰值功率及拉曼轉(zhuǎn)換效率.實驗中觀察到聲光Q開關(guān)的重復(fù)頻率(pulse repetition frequency,PRF)設(shè)置為5 kHz 時激光輸出功率最高,因此后續(xù)實驗中激光器的重復(fù)頻率固定為5 kHz.圖2 為重復(fù)頻率為5 kHz 時,采用不同曲率半徑輸出鏡時測得的1160和1167 nm 正交偏振雙波長拉曼激光平均輸出功率隨抽運功率的變化(為了防止晶體損傷,抽運功率最高加到10 W).從圖2 可以看出,采用曲率半徑R=500 mm 的輸出鏡時雙波長拉曼激光輸出功率最高.

圖2 不同曲率半徑輸出鏡下(a) 1160 nm 和(b) 1167 nm 拉曼激光的平均輸出功率隨抽運功率的變化Fig.2.Average output power at (a) 1160 nm and (b) 1167 nm versus the incident pump power for output couplers with different radii of curvature.

圖3 所示為不同曲率半徑輸出鏡情況下,采用ABCD傳輸矩陣計算的在10 W 抽運功率下腔內(nèi)不同位置處1047,1053 nm 基頻激光和1160,1167 nm 拉曼激光基橫模光斑的半徑.從圖3 可以看出,輸出鏡曲率半徑越大,激光晶體內(nèi)(腔前側(cè)靠輸入鏡處)振蕩的基頻光斑越大,模體積較大的同時與大抽運光斑(半徑為600 μm)的模式匹配也較好.并且輸出鏡曲率半徑越大,拉曼晶體內(nèi)(后側(cè)靠輸出鏡處)基頻光斑越小,基頻光功率密度越高,可以獲得更高的拉曼轉(zhuǎn)換效率.因此選用曲率半徑較大的500 和800 mm 輸出鏡時,獲得的激光輸出功率將更高.此外,觀察圖3 中拉曼晶體內(nèi)振蕩的拉曼激光光斑可以發(fā)現(xiàn),輸出鏡曲率半徑越大,拉曼激光振蕩光斑越大.因此當(dāng)選用曲率半徑800 mm 的輸出鏡時,拉曼激光振蕩光斑最大,與基頻光斑相差較大,將降低拉曼轉(zhuǎn)換效率.基于以上分析可知,當(dāng)選用曲率半徑500 mm 的輸出鏡時,激光晶體內(nèi)獲得的基頻激光模體積較大,且與抽運光斑匹配良好,拉曼晶體內(nèi)基頻和拉曼激光光斑都較小,因此獲得的拉曼激光輸出功率最高.后續(xù)實驗中將輸出鏡曲率半徑固定為500 mm.

圖3 不同曲率半徑輸出鏡下,腔內(nèi)不同位置處基頻和拉曼激光光斑半徑Fig.3.Cavity mode radius of fundamental and Raman laser at different positions inside the cavity for output couplers with different radii of curvature.

3.2 抽運光斑大小的影響

以上實驗中為了防止Nd:YLF 晶體發(fā)生損傷,直接將抽運光斑放大到1200 μm.但在激光器中如果抽運光斑太大,它與振蕩激光腔模匹配效率會下降,抽運能量將不能有效耦合到振蕩激光模體積中,將導(dǎo)致激光器的轉(zhuǎn)換效率下降.而如果抽運光斑過小,激光晶體則容易損傷,并且小抽運光斑的發(fā)散角較大也會導(dǎo)致與激光腔模的耦合效率降低,因此實驗中抽運光斑的大小需要綜合考慮以上因素,選取一個合適的值.基于3.1 節(jié)的研究,當(dāng)抽運光斑直徑為1200 μm、輸出鏡曲率半徑為500 mm、重復(fù)頻率設(shè)置為5 kHz 時,首先繼續(xù)增加抽運功率到20 W,探索該正交偏振雙波長拉曼激光器在高抽運功率下的性能.接著又改為采用1∶2 放大的耦合器和焦距為50/50 mm 的透鏡組來放大抽運光斑,將兩路抽運光斑直徑從1200 μm 縮小到800 μm,研究對比不同抽運光斑大小時激光器的輸出性能.圖4 為當(dāng)抽運光斑直徑分別為1200 和800 μm 時測得的雙波長拉曼激光平均輸出功率和脈沖寬度隨抽運功率的變化.從圖4(a)可以看出,當(dāng)采用較小的800 μm 抽運光斑時,由于抽運光能量更集中,拉曼激光振蕩閾值更低,1160 nm 和1167 nm 拉曼激光的振蕩閾值分別為1.7 W 和2.5 W.此外,采用800 μm 抽運光斑時獲得的雙波長拉曼激光平均輸出功率明顯高于1200 μm 抽運光斑時.其中當(dāng)抽運功率為13 W 時,獲得的光光轉(zhuǎn)換效率最高,相應(yīng)的1160 nm 和1167 nm 拉曼激光平均輸出功率分別為0.98 W 和1.06 W,光光轉(zhuǎn)換效率分別為7.5%和8.2%.此后繼續(xù)增加抽運功率,平均輸出功率依然會增加但光光轉(zhuǎn)換效率卻有所下降.最終當(dāng)總抽運功率為40 W (兩臺抽運源功率各為20 W)時,獲得了最高平均輸出功率為2.67 W 的正交偏振雙波長拉曼激光輸出,相應(yīng)的光光轉(zhuǎn)換效率為6.7%.其中1160 nm 和1167 nm 拉曼激光的平均輸出功率分別為1.31 W 和1.36 W,相應(yīng)的光光轉(zhuǎn)換效率分別為6.6%和6.8%.在最高拉曼激光輸出功率時,測量了激光器輸出功率的長期穩(wěn)定度.測量結(jié)果表明,60 min 內(nèi)1160 nm 和1167 nm雙波長拉曼激光的最高輸出功率起伏分別為6.3%和8.7%.最后,值得注意的是,隨著抽運功率的增加,雙波長拉曼激光的輸出功率基本保持增長趨勢,在高抽運功率下沒有出現(xiàn)飽和現(xiàn)象,晶體也沒有出現(xiàn)熱斷裂的現(xiàn)象.與文獻[21]中抽運功率高于7 W 時觀察到Nd:YLF 晶體熱裂相比(抽運光斑直徑為600 μm,Nd:YLF 晶體的摻雜濃度為原子百分比1%),說明降低晶體摻雜濃度和適當(dāng)放大抽運光斑可以有效解決Nd:YLF 晶體熱裂的問題.

圖4 抽運光斑直徑為1200 和800 μm 時,1160 nm 和1167 nm 拉曼激光的(a)平均輸出功率和(b)脈沖寬度隨抽運功率的變化Fig.4.(a) Average output powers and (b) pulse widths of 1160 nm and 1167 nm Raman lasers versus the incident pump power with pump spot diameter of 1200 and 800 μm.

從圖4(b)可以看出,雙波長拉曼激光的脈沖寬度隨著抽運功率的增加而減小.在高抽運功率下采用800 μm 抽運光斑時獲得的雙波長拉曼激光脈沖寬度明顯小于1200 μm 大抽運光斑時.圖5為拉曼激光平均輸出功率最大以及重復(fù)頻率為5 kHz 時,使用示波器(KEYSIGHT InfiniiVision DSOX6004A,2.5 GHz 帶寬)和兩個高速探測器(THORLABS,DET08CL/M)探測的雙波長拉曼激光的脈沖序列以及脈沖波形圖.從圖5(b)可以看出,獲得的1160 nm 和1167 nm 拉曼激光最小脈寬分別為1.50 ns 和1.53 ns,計算可得1160 nm和1167 nm 激光的單脈沖能量分別為262 μJ 和272 μJ,相應(yīng)的峰值功率分別為174.7 kW 和177.8 kW.

圖5 重復(fù)頻率為5 kHz 以及40 W 抽運功率下,雙波長拉曼激光的(a)脈沖列圖和(b)脈沖波形圖Fig.5.(a) Actively Q-switched laser pulse train and (b) single pulse profiles of the dual-wavelength Raman laser pulses at the full pump power of 40 W and PRF of 5 kHz.

綜上所述,采用800 μm 抽運光斑時獲得的雙波長拉曼激光的輸出功率和光光轉(zhuǎn)換效率明顯高于1200 μm 大抽運光斑時,而脈沖寬度則更小,相應(yīng)計算出的最高單脈沖能量和峰值功率則更高,因此采用800 μm 抽運光斑時激光器的性能明顯優(yōu)于采用1200 μm 抽運光斑時.和文獻[21]中正交偏振雙波長拉曼激光輸出功率相比,本文將正交偏振雙波長拉曼激光輸出功率提高了大約3—4 倍,峰值功率提高了約30 倍,相關(guān)參數(shù)對比可見表1.由于在最高抽運功率下拉曼激光輸出功率并沒有出現(xiàn)飽和現(xiàn)象,并且實驗中采用的諧振腔輸入鏡、中間鏡及偏振片的鍍膜參數(shù)并沒有進一步優(yōu)化,因此進一步優(yōu)化諧振腔和增加抽運功率將有望獲得更高功率的正交偏振雙波長拉曼激光輸出.

表1 Nd:YLF/BaWO4 正交偏振雙波長拉曼激光輸出性能對比Table 1. Comparison of performances of orthogonally polarized Nd:YLF/BaWO4 Raman lasers.

圖6 為40 W 總抽運功率、拉曼激光輸出功率最大時測得的雙波長拉曼激光的輸出光譜.從圖6可見,輸出光譜只有雙波長拉曼激光,其中心波長分別為1159.9 nm 和1167.1 nm,相應(yīng)的譜線半高寬分別為0.15 nm 和0.12 nm.光譜中沒有探測到雙波長基頻激光光譜,這主要是由于輸出鏡對基頻光的反射率非常高(R>99.9%),基頻光被有效抑制在腔內(nèi)轉(zhuǎn)換成了拉曼激光輸出.當(dāng)采用T=10%的1047—1053 nm 基頻激光的輸出平鏡替代拉曼輸出腔鏡搭建基頻激光器時,測得雙波長基頻激光的中心波長分別為1047.4 nm 和1053.4 nm,相應(yīng)的譜線半高寬分別為0.17 nm 和0.18 nm.經(jīng)過計算可知,1159.9 nm 和1167.1 nm 拉曼激光與1047 nm 和1053 nm 基頻光的頻率差為925 cm–1,與BaWO4晶體的最強拉曼頻移峰相符合.實驗中使用格蘭泰勒棱鏡測量輸出激光的偏振態(tài)后發(fā)現(xiàn):雙波長拉曼激光與相應(yīng)基頻激光的偏振方向相同,相互正交.在最高平均輸出功率下,使用刀口法測量了雙波長拉曼激光光束質(zhì)量因子,1159.9 nm 激光的光束質(zhì)量比較好,x方向M2為1.07,y方向M2為1.1;1167.1 nm 激光x方向的光束質(zhì)量略差,M2為1.91,y方向M2為1.16.可以看出,1167 nm激光x和y方向上的光束質(zhì)量差異較為明顯,這主要是由Nd:YLF 晶體1053 nm 基頻激光沿x和y方向的熱透鏡效應(yīng)強弱不同導(dǎo)致的[30].圖6 中的插圖分別是兩個拉曼激光的二維光束強度分布圖.

圖6 在40 W 抽運功率下的雙波長拉曼激光輸出光譜圖,插圖為激光二維光束強度分布圖和放大的斯托克斯光譜Fig.6.Optical spectrum of the dual-wavelength Raman laser at the full pump power of 40 W (the insets are the two-dimensional beam intensity profiles and zoomed Stokes spectrum).

4 結(jié)論

本文報道了高峰值功率的Nd:YLF/BaWO4主動調(diào)Q正交偏振雙波長拉曼激光器.采用降低Nd:YLF 晶體摻雜濃度和放大抽運光斑的技術(shù)途徑,大大降低了Nd:YLF 晶體在高抽運功率下發(fā)生熱裂的風(fēng)險,詳細研究了高抽運功率下輸出鏡曲率半徑、抽運光斑大小對正交偏振雙波長拉曼激光器性能的影響,大大提高了Nd:YLF/BaWO4正交偏振雙波長拉曼激光器的輸出功率.在40 W 的總?cè)肷涑檫\功率和5 kHz 的脈沖重復(fù)頻率下,獲得了平均輸出功率為2.67 W 的正交偏振雙波長拉曼激光輸出,其中1159.9 nm 和1167.1 nm 拉曼激光輸出功率分別為1.31 W 和1.36 W,最短脈沖寬度分別為1.50 ns 和1.53 ns,相應(yīng)的峰值功率高達174.7 kW 和177.8 kW.結(jié)果表明,降低Nd:YLF晶體摻雜濃度和適當(dāng)放大抽運光斑可有效解決Nd:YLF 晶體在高抽運功率下發(fā)生熱斷裂的問題,Nd:YLF/BaWO4是一種很有前途的產(chǎn)生正交偏振雙波長拉曼激光的晶體組合.