半导体泵浦主动调Q Nd:YVO₄/YVO₄/KGW双频移拉曼激光器

Diode-Pumped Actively Q-Switched Nd:YVO₄/YVO₄/KGW Dual-Shift Raman Laser

摘要: 实现了以c切Nd:YVO₄晶体作为激光增益介质，b切KGW和a切YVO₄为拉曼晶体的半导体泵浦主动调Q双频移同步振荡的拉曼激光器的高效运转，得到YVO₄晶体在890 cm⁻¹处1178 nm和KGW晶体在901 cm⁻¹处1180 nm的一阶斯托克斯光的双波长同步脉冲输出，当入射泵浦功率为8.37 w，脉冲重复率为15 kHz时，由1178和1180 nm光组成的拉曼激光平均输出最高为1.45 w。

Abstract: The efficient operation of a semiconductor-pumped actively Q-switched dual-frequency-shifted synchronous oscillation Raman laser was successfully demonstrated, employing a c-cut Nd:YVO4 crystal as the laser gain medium in conjunction with b-cut KGW and a-cut YVO4 crystals serving as Raman crystals. The synchronous dual wavelength pulse output of 1178 and 1180 nm first-order Stokes light corresponding to 890 cm⁻¹ Raman shift in YVO₄ and 901 cm⁻¹ Raman shift in KGW is obtained. When the incident pump power is 8.37 w and the PRF is 15 kHz, the average output Raman laser composed of 1178 and 1180 nm lines is 1.45 w.

1. 引言

固体拉曼激光器是利用晶体中的受激拉曼散射(SRS: Stimulated Raman Scattering)实现对固体激光转换输出的一种激光器[1]。以晶体作为拉曼介质的固体拉曼激光器可以生成较高的脉冲能量，稳定性好。基于不同晶体的受激拉曼散射(SRS)的非线性光学过程成为获得多波长输出激光器的重要手段[2]-[4]。

Nd:YVO₄晶有非常多的优点：1) 激光转换效率高，2) 波长调谐范围宽，3) 激光输出功率高，4) 光束质量高，5) 激光器结构简单等，特别适合用于LD泵浦，是应用最为广泛的激光晶体之一。2011年，S.Z. Fan等人报道了以c-cut Nd:YVO₄晶体为泵浦源，实验选用880 nm共振泵浦进行光纤耦合，实现了主动调Q方式下1097 nm激光输出，研究和比较了凹平面和平面振荡腔中的拉曼激光性能。在泵浦功率为12.4 W，重频为50 kHz时，腔内1097 nm激光的最高平均输出功率为1.45 W，此时光–光转化率达到11.7 % [5]。2017年，Junhong Guo等人报道了一种级联c切Nd:YVO₄自拉曼激光器，能够产生单次259 cm⁻¹的拉曼频移[6]。他们采用了级联c切Nd:YVO₄自拉曼操作，并选择了适合的图层设计，以抑制主拉曼频移为890 cm⁻¹的斯托克斯振荡，从而实现了单一拉曼频移为259 cm⁻¹的级联振荡。在入射泵浦功率为13.3 W的情况下，得到了输出波长为1129 nm的0.81 W激光输出。2021年，尤建村等人报道了一项关于912 nm/1064 nm同步双波长激光特性的研究[7]，该研究采用了Nd:GdVO₄晶体和Nd:YVO₄晶体作为激光增益介质，在最大泵浦功率为15 W的情况下，得到了最大输出功率为0.65 W的912 nm准三能级激光，其斜效率约为7%。

YVO₄晶体由于具有折射率大，透过波段宽，物理性质优良稳定性好等优点特性，从而成为固体激光器领域应用最为普遍的拉曼晶体之一。2018年，李长明等人报道了一种LD侧面泵浦主动调Q Nd:YAG/YVO₄内腔式拉曼激光器[8]。该激光器利用半导体侧面泵浦，Nd:YAG激光介质，采用长度为40 mm的a切YVO₄晶体作为拉曼增益介质，并通过声光调Q技术实现了高效的1176 nm拉曼激光输出。将入射泵浦功率调至117.7 W，脉冲重复率调至15 kHz的情况下，获得6.98 W的1176 nm激光输出。2019年Yang Liu等人从理论和实验上研究了一种基于同轴泵浦双晶体(Nd:YAG和b切Nd:YAP)结构的主动调Q双波长腔内拉曼激光器[9]。在1176 nm和1195 nm的稳定双波长斯托克斯输出，随后从a切YVO₄晶体的拉曼转换得到，在重复频率为10 kHz，泵浦功率为15.8 W时，可以获得1.8 W的拉曼激光输出。

在众多的拉曼晶体中，KGW作为拉曼晶体具有很多优良性能，同样有众多的实验研究报道。其突出优点是具有非常高的损伤阈值，导热性好[10]。2023年，盛泉等人报道了一种高效率的连续波Nd:YVO₄/KGW内腔式拉曼激光器的研究成果[11]。当基频光的偏振方向与KGW晶体的Nm轴平行时，获得了较高的901 cm⁻¹拉曼频移增益。入射泵浦功率调至36.6 W的情况下，获得了输出功率为6.63 W的连续斯托克斯光输出。2024年，Wang Y等人报道了含有声光调Q开关的1342 nm Nd:YVO₄/KGW内腔式拉曼激光器。泵浦功率为64.5 W时，1496 nm和1527 nm的一阶斯托克斯光的平均输出功率分别可达8.1 W和9.5 W，脉冲重复率为25 kHz，光–光转换效率分别为12.6%和14.7%。脉宽为4.6和6.3 ns，峰值功率分别约为70和60 kW [12]。

本文中，声光调Q内腔式拉曼激光器中采用Nd:YVO₄作激光晶体，YVO₄和KGW作为拉曼增益介质，实现1178 nm和1180 nm拉曼光的双频移同步振荡输出。当入射泵浦功率为8.37 W，脉冲重复率为15 kHz时，由1178和1180 nm组成的拉曼光平均最高输出功率为1.45 W。

2. 实验装置

如图1所示，图1为主动调Q Nd:YVO₄/YVO₄/KGW双频移拉曼激光器的实验装置图。采用40 W光纤耦合808 nm半导体激光器作为泵浦源，芯径为400 μm，数值孔径(NA)为0.22。利用1:1的成像倍率和97%的耦合效率聚焦透镜系统，将泵浦光重新成像到激光晶体上。输入镜M1曲率半径3000 mm，输出镜M2为平面镜，在1066 nm (R > 99.8%)处镀膜高反，在1066 nm (R = 99.8%)、1178 nm (R = 99.5%)处镀膜部分透过。采用3 × 3 × 5 mm³ 0.3at%掺杂c切Nd:YVO₄晶体作为激光增益介质，采用3 × 3 × 30mm³ a切YVO₄晶体作为拉曼增益介质，激光另一种拉曼增益介质为4 × 4 × 30mm³ KGW晶体。在1066 nm (R < 0.2%)和1097~1180 nm (R < 0.5%)处对三种晶体的两侧进行了抗反射(AR)涂层。针对Nd:YVO₄晶体的入射端面实施了808 nm波段抗反射镀膜工艺，进行了热处理(R < 3%)。晶体组件采用铟箔包覆工艺进行气密性封装，并集成于水冷式无氧铜热沉模块，通过闭环热交换系统维持工作介质温度于18.0℃。在双拉曼晶体架构中插入声光调Q模块，该器件工作于41 MHz中心频率，匹配20 W射频驱动功率，其光学界面均渡1066 nm增透膜系，经分光光度计验证单面剩余反射率R < 0.002 (0.2%)。谐振腔总几何长度优化为130 mm。测量系统构建方面，平均输出功率的计量采用以色列OPHIR公司F150A型功率计，时域特性测量使用美国泰克公司MDO3054型混合域示波器，光谱分析采用日本横河公司AQ6373B型高分辨率光谱仪，工作波长范围(350~1200 nm)。

Figure 1. Experimental setup diagram of an active Q-switched Nd:YVO₄/YVO₄/KGW dual-frequency shift Raman laser

图1. 主动调Q Nd:YVO₄/YVO₄/KGW双频移拉曼激光器的实验装置图

3. 实验结果与讨论

图2给出了主动调Q Nd:YVO₄/YVO₄/KGW内腔式双频移拉曼激光器的输出基频光的光谱图，图中可以看出一个明显的光谱峰，得到1066.8 nm的基频光输出正对应c切了Nd:YVO₄基频光的中心波长。

图3为主动调Q Nd:YVO₄/YVO₄/KGW内腔式双频移拉曼激光器的精细光谱，图中可以看出它由两个明显的光谱峰组成，分别为1178.6和1180.1 nm，其中1178.6 nm拉曼光和1180.1 nm拉曼光强度相近，1178.6 nm光是一阶托克斯光，对应于YVO₄中890 cm⁻¹的拉曼频移，1180.1 nm拉曼光对应于KGW中的901 cm⁻¹的拉曼频移，两个输出光谱之间的差异是由于两个波长的斯托克斯光的拉曼增益系数不同，输出镜的透射率不同，随着泵浦功率的增加1180 nm拉曼光比1178 nm拉曼光先达到阈值。

本实验通过图4揭示了脉冲重复频率(PRF)在5 kHz、10 kHz及15 kHz参数条件下，拉曼激光平均输出功率的演化规律。实验测得三种PRF对应的入射泵浦功率阈值分别为0.63 W (5 kHz)、1.06 W (10 kHz)及1.49 W (15 kHz)。值得注意的是，由于KGW晶体在901 cm⁻¹拉曼频移对应的1180 nm具有相对较低的透射系数，而YVO₄晶体在890 cm⁻¹频移对应的1178 nm拉曼光透射系数较高，导致1180 nm斯托克斯光的激发阈值显著低于1178 nm。这一特性使得在泵浦功率梯度增加过程中，1180 nm拉曼光优先达到振荡条件并形成有效输出。进一步分析表明，热透镜效应引发的非线性光学响应是阈值–频率关系偏离线性增长的关键因素。当泵浦功率增强时，KGW晶体内部产生的热梯度场导致光束束腰半径压缩，显著提升局域功率密度，从而增强受激拉曼散射增益。实验数据进一步表明，当泵浦功率超过阈值后，输出功率呈现典型三段式演变：初始线性增长阶段、过渡饱和阶段及热致衰减阶段。具体而言，在PRF = 5 kHz、泵浦功率7.51 W时获得最大输出功率958 mW；PRF = 10 kHz、7.94 W时提升至1.23 W；PRF = 15 kHz、8.37 W时达到峰值1.45 W。

Figure 2. Active Q-switched Nd:YVO₄/YVO₄/KGW dual-frequency shifted Raman laser output fundamental light spectrum

图2. 主动调Q Nd:YVO₄/YVO₄/KGW双频移拉曼激光器输出基频光光谱图

Figure 3. Output Raman spectra of actively Q-switched Nd:YVO₄/YVO₄/KGW dual-frequency shifted Raman lasers

图3. 主动调Q Nd:YVO₄/YVO₄/KGW双频移拉曼激光器输出拉曼光光谱图

本实验在脉冲重复频率15 kHz条件下，采用分光光学元件F对激光器输出光束进行分光处理，通过图5所示，分别获取反射与透射光路的典型脉冲波形特征。实验观测数据显示，两个光路的脉冲序列均呈现单一主峰结构，未检测到次生脉冲的时域调制现象。通过光谱分析确认，该分光镜的光学镀膜特性表现为：对基频1066 nm波段具有高反射率(R > 99%)，而对1178 nm与1180 nm斯托克斯波长则保持高透射率(T > 95%)，可以看出，基频光脉冲波形与拉曼光脉冲波形具有明显不同，基频光的上升沿较缓，下降沿陡峭，而拉曼光上升沿陡峭，下降沿较缓，这充分说明了受激拉曼散射作为一种三阶非线性效应，其受基频光功率密度的影响以及发射过程的剧烈，基频光向拉曼光转化的快速。1178 nm和1180 nm激光的脉宽是19.45 ns。

Figure 4. The variation of Raman laser output power with pump power

图4. 拉曼激光输出功率随泵浦功率的变化

Figure 5. Typical pulse shape of the reflected and transmitted output laser at a repetition rate of 15 kHz

图5. 重复频率为15 kHz时反射和透射输出激光的典型脉冲形状

4. 结论

采用c向切割的Nd:YVO₄晶体作为激光增益介质，配合YVO₄晶体构成拉曼振荡腔，通过其890 cm⁻¹的拉曼频移特性，成功激发出1178 nm的斯托克斯光。为构建双波长同步输出体系，实验方案中引入KGW晶体作为二次拉曼介质，利用其901 cm⁻¹的特征频移量，获得1180 nm的斯托克斯光，从而实现了双波长脉冲的高效耦合输出。在入射泵浦功率为8.37 W，重复频率15 kHz时达到最大平均输出功率为1.45 W。

基金项目

本吉林省自然科学基金(20240101306JC)。