二极管泵浦腔内KTP倍频Nd:YAG/YVO₄拉曼激光器

Diode-Pumred Acousto-Optic Q-Switched Intracavity KTP Frequency-Double Nd:YAG/YVO₄ Raman Laser

摘要: 使用掺钕材料作为激光增益介质，再辅以腔内倍频技术，可以高效、稳定的获取多个波段的可见光输出，是全固态激光器的重要发展方向。本文使用Nd:YAG作为激光增益介质，使用YVO₄作为拉曼介质，再辅以KTP作为倍频介质，搭建了能够稳定输出588 nm黄光激光输出的腔内倍频声光调Q拉曼激光器。当脉冲重复率为10 kHz，泵浦功率为7.36 W时，得到了最高的输出功率为389 mW，此时从LD到黄光的光–光转换效率为5.3%。

Abstract: Using neodymium-doped materials as laser gain media, combined with intracavity frequency-doubling technology, enables efficient and stable visible light output across multiple wavelength bands, making it a key development direction for all-solid-state lasers. In this study, an intracavity frequency-doubled acousto-optic Q-switched Raman laser was constructed using Nd:YAG as the laser gain medium, YVO₄ as the Raman medium, and KTP as the frequency-doubling medium, achieving stable yellow laser output at 588 nm. At a pulse repetition frequency of 10 kHz and a pump power of 7.36 W, the highest output power of 389 mW was obtained, with an optical-to-optical conversion efficiency of 5.3% from the LD to the yellow light.

1. 引言

晶体的受激拉曼散射效应(SRS)可以改变固体拉曼激光器的输出光谱，是拓展激光光谱范围的有效方法，在激光雷达、医疗仪器、激光遥感、激光全息等领域具有广泛的应用[1] [2]，对非线性光学的发展起到积极作用。固体激光器的输出波段通常由拉曼增益介质固有的拉曼频移以及泵浦激光所决定，其中最常见的拉曼晶体有LiIO₃、BaNO₃、钒酸盐、钨酸盐、钼酸盐等，它们的拉曼光谱显示出强的拉曼峰，是实现紧凑型高效拉曼激光器的优良介质[3]。

YVO₄的拉曼频移为890~900 cm⁻¹，在近红外波段(如1064 nm泵浦)可产生1180~1190 nm一阶Stokes光，经倍频后输出590~595 nm黄光。YVO₄的拉曼增益系数达4.5 cm/GW (@1064 nm)，显著高于硝酸钡(Ba(NO₃)₂，~3 cm/GW)，接近金刚石(~10 cm/GW)，高增益系数允许在较低泵浦功率下实现Stokes光激发，提升系统效率。YVO₄的热导率为5.2 W/mK，是硝酸钡(1.2 W/mK)的4倍以上，可显著抑制热透镜效应，适合高重复频率(>10 kHz)和连续波(CW)运行。各向异性热膨胀可通过晶体切向优化匹配谐振腔热变形，提升长期稳定性。其次YVO₄晶体与KTP晶体具有很好的兼容性，其折射率与KTP (和LBO的折射率梯度匹配，降低倍频界面的反射损耗，可以将拉曼光到倍频光的转换效率至少提升到高于30%。此外YVO₄的抗激光损伤阈值达15 GW/cm² (10 ns脉宽)，优于硝酸钡(8 GW/cm²)，适合高能量脉冲激光系统，且在空气中不易潮解，长期使用无表面雾化现象，维护成本低于易潮解晶体(如Ba(NO₃)₂)。总而言之，YVO₄凭借高增益系数、高热导率、较宽的光谱调谐能力及能够与其他晶体更好的匹配，成为黄绿光拉曼激光器的优良介质之一，尤其适用于中等功率(10~50 W)且要求长期稳定性的工业与医疗场景。但是其局限性在于拉曼频移固定，需结合级联拉曼或外腔调谐技术扩展绿光(550 nm)覆盖范围。

2019年，ZY Zuo等人提出了一种腔内Nd:YLF/YVO₄拉曼激光器[4]。2020年B Sun等人提出了一种主动调Q全固态YVO₄拉曼激光器，该激光器使用885 nm侧泵浦Nd:YAG激光器输出基频光，并输出黄色输出。通过KTP晶体对斯托克斯波进行腔内倍频，在233 W的二极管泵浦功率下，获得了波长为588 nm、脉冲重复频率为10 kHz的13.7 W黄色输出[5]。此外，单脉冲能量为1.37 mJ，脉冲宽度为12.5 ns，对应峰值功率为110 kW。2022年，PQ Zhang等人提出了一种窄线宽被动调Q腔内YVO₄拉曼激光器用于产生589.16 nm的黄光激光，倍频拉曼激光器在589.16 nm处产生了330 mW的平均输出功率，线宽接近0.01 nm [6]。2024年。H Zhao等人提出了一种1.7 μm高功率窄线宽纳秒脉冲内腔晶体拉曼激光器[7]。

由此可见YVO₄是良好的拉曼晶体，而且在固体激光领域应用广泛[8]，晶体的生长技术成熟、质量稳定、价格低廉。其高拉曼增益系数与优异的热管理性能，可在中高功率泵浦下实现高效Stokes光转换(如1064 nm → 1180 nm)并显著抑制热透镜效应；其自拉曼特性支持与Nd³⁺等稀土离子共掺杂，形成紧凑型自拉曼激光器，结合温度调谐(±2.5 nm)灵活输出黄绿光(590~595 nm)，同时凭借自身高抗损伤阈值(15 GW/cm²)和化学稳定性，成为工业加工、医疗设备及科研级激光器的理想选择。如果和KTP晶体搭配构成腔内倍频拉曼激光器，可以获得高效且廉价的黄光激光光源。

本章中，进行了腔内KTP倍频Nd:YAG/a-cutYVO₄拉曼激光器的实验研究，获得了高效率的黄光输出，从LD到黄光的光–光转换效率为5.3%。

2. 实验装置

LD端面泵浦主动调Q Nd:YAG/YVO₄/KTP腔内倍频拉曼激光器的整体结构方案如图1所示。谐振腔采用平凹腔的结构且水平工作，最终获得拉曼光输出。泵浦是光纤耦合的LD，输出波长是808 nm，纤芯直径是400 μm，数值孔径是0.22，最大输出功率是30 W。输入镜M1的曲率半径是3000 nm，镀膜对808 nm的光高透(T = 97%)，对1000 nm~1180 nm波段的光高反，输出镜M2为平面镜，对1064 nm的基频光高反(R = 99.9%)，对1176 nm的拉曼光反射率为93%，对588 nm黄光的透过率为91.7%。平面镜M2输出镜，镀膜参数如表1所示。

Table 1. Reflectivity of output mirrors with different spectral lines

表1. 不同谱线的输出反射镜反射率

	1066 nm	1097 nm	1130 nm	1176 nm
M2	99.67%	81.78%	33.44%	41.13%

Figure 1. The overall structural scheme of LD end pumped active QNd: YAG/YVO₄/KTP intracavity frequency doubling Raman laser

图1. LD端面泵浦主动调QNd:YAG/YVO₄/KTP腔内倍频拉曼激光器的整体结构方案

Nd:YAG晶体的直径为4 mm，长度为5 mm，掺Nd浓度为1-at.%，两个端面镀膜对1000 nm~1200 nm波长高透，其中一端镀膜对808 nm高透。拉曼晶体为a-cut的YVO₄晶体，晶体尺寸为3 × 3 × 30 mm³，两个端面镀膜对1000 nm~1200 nm波段高透，其中一端镀有808 nm增透膜。倍频晶体为KTP晶体，尺寸为3 × 3 × 8mm³，两个端面镀有对1000 nm~1200 nm和585 nm~595 nm波段范围高透，晶体沿(φ = 0˚, θ = 68.7˚)切割，稍微调节就可以满足1176 nm波长倍频的匹配角(φ = 0˚, θ = 69.2˚)。Nd:YAG、Nd:YVO₄和KTP晶体用铟箔包裹并放置在带有水冷装置的铜块内，循环水温度控制在18℃。为取得最佳的倍频效果，YVO₄的c轴与KTP晶体的a-c平面成45˚夹角。声光Q晶体调制频率为41 MHz，最大调制功率15 W，激光腔长为110 mm。在腔外用一滤波片滤掉1064 nm和1176 nm激光。黄光的平均功率由功率计F150A (OPHIR公司)测量。脉冲宽度和波形采用美国泰克公司MDO3054示波器记录。输出光谱采用日本横河公司的AQ6373光谱仪测量。

3. 实验结果与讨论

图2显示了主动调腔内倍频Nd:YAG/YVO₄拉曼激光器的输出588 nm黄光的光谱图，图3显示了该激光器的输出光谱图，输出谱线由三条激光谱线组成：588.6 nm、1064.2 nm和1177.2 nm。其中1066.2 nm为基频光，1177.2 nm为基于YVO₄的一阶Stokes光，588.6 nm是激光器的输出波长。

Figure 2. Laser output yellow spectrum

图2. 激光器输出黄光光谱

由图3可知588 nm的黄色激光占据输出绝对优势，1064 nm的基频光输出微弱，可忽略不计。图4给出了当脉冲重复率分别为5、10和15 kHz时黄光平均功率与输入泵浦功率之间的关系。可以看出，588 nm激光的泵浦功率阈值随脉冲重复率的增加而减小，脉冲重复率5、10和15 kHz时产生黄光的阈值泵浦功率分别2.39 W、3.56 W和3.99 W。当泵浦功率较小时，脉冲重复率为5 kHz时的黄光功率高于10和15 kHz时的功率。输入泵浦功率达到4.78 W左右时，脉冲重复率5 kHz下的黄光功率的增长变缓。这是由于基频光的峰值功率密度过高，产生的别的非线性效应(例如自聚焦现象)削弱了基频光向拉曼光的转换效率，从而导致整个激光器的输出增长变缓。为防止腔内基频激光峰值功率过高导致晶体损坏，脉冲重复率为15 kHz时，输入泵浦功率到7.83 W不再增加，此时黄光平均功率为332 mW。当脉冲重复率为10 kHz，泵浦功率为7.36 W时，得到了最高的输出功率为389 mW，此时从LD到黄光的光–光转换效率为5.3%。最大功率出现在10 kHz的脉冲重复率，为389 mW。

Figure 3. The output spectrum of the laser

图3. 激光器的输出光谱图

Figure 4. Schematic diagram of the relationship between the average power of a 588 nm laser and the input pump power at pulse repetition rates of 5, 10, and 15 kHz

图4. 脉冲重复率分别为5、10、15 kHz时，588 nm光激光平均功率与输入泵浦功率之间的关系示意图

图5给出了脉冲重复率分别为5、10和15 kHz时，588 nm黄光激光的脉冲能量与泵浦功率之间的关系。最大的脉冲能量值43.6 μJ出现在脉冲重复率为5 kHz，输入泵浦功率为5.18 W的情况下。在脉冲重复率为10 kHz，泵浦功率为7.36 W时，最高的输出功率为389 mW的情况下，脉冲能量值为38.9 μJ，可以看出激光器整体输出稳定。

Figure 5. Schematic diagram of the relationship between the energy of 588 nm laser pulses and the input pump power at pulse repetition rates of 5, 10, and 15 kHz

图5. 脉冲重复率分别为5、10、15 kHz时，588 nm光激光脉冲能量与输入泵浦功率之间的关系示意图

Figure 6. The waveform of 588 nm yellow light with a pulse repetition rate of 10 kHz and an input power of 7.36 W

图6. 脉冲重复率为10 kHz，输入功率为7.36 W时的588 nm黄光的波形图

图6给出了在588 nm黄光激光器输出功率最大时，也就是当脉冲重复率为10 kHz，泵浦功率为7.36 W时，所得到的最小脉宽的波形图，可以看出此时的脉宽为14.9 ns。

4. 结论

本章对主动调Q腔内倍频Nd:YAG/YVO₄/KTP拉曼激光器的激光输出特性进行了详细讨论，并适当地分析了实验结果与理论模拟进行对比后的结果，将在下章与另一组实验放到一起进行综合讨论。简而言之，主动调Q腔内倍频Nd:YAG/YVO₄/KTP拉曼激光器能够持续的、稳定的输出588 nm黄色激光，实验中输入镜的曲率半径为3000 nm，当脉冲重复率为10 kHz，泵浦功率为7.36 W时，得到了最高的输出功率为389 mW，此时从LD到黄光的光–光转换效率为5.3%。

基金项目

吉林省科技发展计划(20240101306JC)。