1 引言

稳定高效的黄色激光广泛应用于多种领域,如天文观测、生物医学和计量学^[1-3]。目前,实现全固态黄色激光器主要有直接泵浦增益介质^[4]、拉曼+倍频^[5]以及双波长和频^[6]方法。2014年,Bolognesi等^[7]利用450 nm的光源直接泵浦Dy,Tb∶LiLuF₄晶体,得到功率为55 mW、波长为574 nm的连续黄光。2017年,Xia等^[8]利用450 nm的光源直接泵浦Dy³⁺∶ZnWO₄晶体,得到功率为110 mW、波长为575 nm的连续黄光,但这类方法所用材料的物理、化学稳定性不强,还有待进一步优化^[9]。2016年,Yuan等^[10]通过泵浦Nd∶YAG晶体产生1064 nm和1319 nm的双波长激光,然后利用LBO晶体进行双波长和频,得到功率为102 mW、波长为589 nm的连续黄光。在双波长系统中,不同波长的激光存在竞争,且两波长激光的重复频率容易失配,导致和频输出效率较低^[11]。而通过受激拉曼散射输出的拉曼光谱线较窄^[12],再通过二次谐波产生的黄光更高效稳定^[13]。

2010年,Lee等^[14]通过腔内泵浦Nd∶GdVO₄/BaWO₄晶体产生拉曼光,然后用LBO晶体进行倍频,得到功率为2.9 W的连续波黄光。为了提高激光系统的非线性转换效率,2009年,Zhu等^[15]通过腔内泵浦YVO₄/Nd∶YVO₄/YVO₄自拉曼晶体产生拉曼光,结合声光调Q以及LBO倍频晶体,得到功率为7.93 W的黄光。2012年,Xu等^[16]使用KTP晶体对Nd∶YAG/BaWO₄拉曼光进行倍频,结合可饱和吸收体Cr⁴⁺∶YAG晶体,得到功率为1.21 W的最大被动调Q黄光输出。目前,主动调Q的黄光激光输出功率更高、效果更好,被动调Q黄光激光的研究则相对较少。但被动调Q系统具有紧凑、易于操作、成本低等优点^[17],其发展对黄光激光的推广具有重要意义。为了降低被动调Q方式带来的额外损耗,可采用无掺杂YAG晶体加速热传递、抑制热透镜效应^[18-20],如采用键合晶体实现黄光激光^[21-23],但Yb³⁺∶YAG键合晶体还未被用于产生调Q黄光激光的研究。相比Nd³⁺掺杂离子晶体,Yb³⁺掺杂离子晶体具有能级寿命长^[24]、发射截面大^[25]、吸收带宽^[26]、量子亏损低^[27]等优点,因此,Yb³⁺∶YAG晶体可适用于产生被动调Q黄光激光。

本文采用Yb³⁺∶YAG/Cr⁴⁺∶YAG/YAG键合晶体,通过倍频波长为1157 nm的YVO₄拉曼光获得黄光输出,实验结果表明,当入射光的泵浦功率为9.51 W时,测得的最大黄光输出功率为183 mW,脉冲宽度为6.537 ns,脉冲重复频率（PRF）为6.542 kHz,对应的斜率效率（输出光功率随入射泵浦功率变化曲线的斜率）为2.67%。

2 实验装置

图1为578.5 nm端面泵浦被动调Q拉曼黄光激光器的原理图,泵浦LD为940 nm光纤激光二极管,数值孔径NA=0.22,尾纤芯径为100 μm,两个焦距分别为25.4 mm和50 mm的透镜将入射泵浦聚焦在键合晶体Yb³⁺∶YAG/Cr⁴⁺∶YAG/YAG中。该键合晶体的全长为8.5 mm,包括Yb³⁺掺杂质量浓度为5.0%的Yb³⁺∶YAG晶体、初始透过率为95%的Cr⁴⁺∶YAG晶体以及无掺杂的YAG晶体,其尺寸分别为4 mm×4 mm×6 mm、4 mm×4 mm×0.5 mm、4 mm×4 mm×2 mm。为了提高输出效率,采用标准具缩小光谱线宽。拉曼晶体YVO₄的尺寸为3 mm×3 mm×15 mm,用于倍频的II类相位匹配（极角θ=70.9°,方位角φ=0°）KTP晶体的尺寸为4 mm×4 mm×6 mm,拉曼晶体和键合晶体被包裹在铟箔中,固定在水冷铜块中,KTP晶体的温度控制在25 ℃。实验采用直线耦合腔产生黄色激光,其中,M₁、M₃分别为输入和输出镜,平镜M₂放置在拉曼晶体与KTP晶体之间,目的是防止黄光穿过拉曼晶体以及键合晶体,减少损失。L₁、L₂、L₃及L₄分别为输入镜M₁与键合晶体、键合晶体与YVO4晶体、YVO4晶体与KTP晶体及KTP晶体与输出镜M₃之间的距离,L为总腔长。表1为输出1030、1157、578.5 nm波长黄光激光时各透镜和晶体的参数,其中,f为焦距,R为反射率,T_OC为输出镜的透过率,S₁和S₂为镜片的两个端面。

图 1. 被动调Q拉曼黄光激光器的原理图

Fig. 1. Schematic diagram of the passively Q-switched Raman yellow laser

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3 结果与分析

3.1 1030 nm被动调Q基波实验

被动调Q基波系统包含M₁、键合晶体、M₂以及一个波长为950 nm的滤波片。谐振腔的全长为17 mm,键合晶体Yb³⁺∶YAG/Cr⁴⁺∶YAG/YAG右端到M₂的长度为5.5 mm。为选出合适透过率的输出镜,采用四组输出镜,对1030 nm波长的透过率T_OC分别为4%、10%、20%、30%。

图2为采用不同透过率T_OC的输出镜时基波输出功率与入射泵浦功率的关系。不同透过率时的斜率效率分别为30.37%、35.96%、38.24%、36.81%。可以看出,基波功率和泵浦功率的线性关系较好,且输出镜的透过率T_OC为20%时,斜率效率最大。当泵浦功率达到17.21 W时,最高输出功率为5.12 W,光光转换效率为29.75%。

图 2. 不同透过率T_OC时输出功率随泵浦功率的变化曲线

Fig. 2. Variation curves of the output power with pump power at different transmittance T_OC

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图3为不同透过率T_OC时,脉冲重复频率和脉冲宽度与泵浦功率的关系。可以看出,重复频率均随泵浦功率的增大线性增加;且随着入射泵浦功率的增加,增益达到阈值所需的时间变短,即调Q周期变短、脉冲重复频率逐渐增大。如图3（a）、图3（b）所示,脉冲宽度随入射泵浦功率的增大略微上升,原因是随着泵浦功率的增加,泵浦光不能被完全吸收,可饱和吸收体Cr⁴⁺∶YAG晶体会吸收剩余的泵浦光,从而增大Cr⁴⁺∶YAG晶体对1030 nm波长的初始透过率,降低阈值和腔内损耗。在入射泵浦功率不变的情况下,反转粒子数达到阈值的累计时间减少、脉冲间隔变小^[28]。如图3（c）、图3（d）所示,当输出镜的透过率为20%和30%时,随着入射泵浦功率的增大,脉冲宽度几乎不变。图4为调Q基波的脉冲序列,插图为单个脉冲图像,可以看出,脉冲重复频率稳定,且脉冲峰形明显,无次峰,是较为理想的被动调Q效果。实验中用快速光电二极管（Thorlabs, DET08CL/M）记录基波脉冲图像,其输出信号用Agilent数字示波器（DSO90604A,电带宽为6 GHz）测量相应的输出特性。

图 3. 不同透过率T_OC时脉冲重复频率和脉冲宽度随泵浦功率的变化曲线。（a）T_OC=4%;（b）T_OC=10%;（c）T_OC=20%;（d）T_OC=30%

Fig. 3. Variation curves of the pulse repetition frequency and pulse width with pump power at different transmittance T_OC.（a）T_OC=4%; （b）T_OC=10%; （c）T_OC=20%; （d）T_OC=30%

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图 4. 1030 nm被动调Q基波的脉冲图

Fig. 4. Fundamental pulse image of the passively Q-switched laser at 1030 nm.

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3.2 1135 nm和1157 nm被动调Q双波长拉曼激光实验

1135 nm和1157 nm被动调Q双波长拉曼激光系统由M₁、Yb³⁺∶YAG/Cr⁴⁺∶YAG/YAG键合晶体、YVO₄晶体及M₂组成。谐振腔的全长为50 mm,键合晶体Yb³⁺∶YAG/Cr⁴⁺∶YAG/YAG右端到M₁的长度为11.5 mm,YVO₄晶体右端与M₂之间的长度为6 mm。为了获得高输出功率,采用两组输出镜,对1131~1162 nm波段的透过率T_OC分别为5%和10%。

输出镜为两种不同透过率时,输出拉曼光功率和入射泵浦功率之间的关系如图5所示。可以发现,两种情况下的拉曼光输出功率均随入射泵浦功率的增大而线性增强。图5（a）中T_OC=5%时,斜率效率为11.22%,当入射泵浦功率达到12.30 W时,拉曼光输出功率为0.982 W,光光转换效率为7.98%;图5（b）中T_OC=10%时,斜率效率为10.53%,当入射泵浦功率达到12.69 W时,最高拉曼光输出功率为1.013 W。在图5（a）中,入射泵浦功率超出10 W时,输出功率出现饱和现象,原因是热透镜效应的加剧导致谐振腔逐渐不稳定。但当T_OC=10%时,拉曼光输出特性较好,未出现饱和现象。

图 5. 不同透过率T_OC时双波长拉曼光功率与泵浦功率的关系。（a）T_OC=5%;（b）T_OC=10%

Fig. 5. Relationship between dual-wavelength Raman optical power and pump power at different transmittance T_OC. (a) T_OC=5%; (b) T_OC=10

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图6为脉冲重复频率和脉冲宽度随泵浦功率的变化曲线,可以发现,脉冲重复频率随入射泵浦功率的增加线性增大,脉冲宽度上下浮动,与入射泵浦功率的增大没有明显线性关系。当T_OC=5%、入射泵浦功率达到11.65 W时,最大脉冲重复频率为5.62 kHz、脉冲宽度为10.01 ns;当T_OC=10%、入射泵浦功率达到12.3 W时,最大脉冲重复频率为6.28 kHz、脉冲宽度为9.90 ns。峰值功率和脉冲能量可表示为

PPeak=EPW,(1)

EP=PAveT,(2)

式中,P_Peak为峰值功率（W）, EP为脉冲能量（J）, W为脉冲宽度（s）, PAve为平均输出功率（W）,T为脉冲重复频率（Hz）。

图 6. 脉冲重复频率和脉冲宽度随泵浦功率的变化曲线。（a）T_OC=5%;（b）T_OC=10%

Fig. 6. Variation curves of the pulse repetition frequency and pulse width with pump power. (a) T_OC=5%; (b) T_OC=10%

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图7为脉冲能量和峰值功率随泵浦功率的变化曲线,可以发现,脉冲能量随入射泵浦功率的增大略微上升。当输出镜的透过率T_OC=5%,入射泵浦功率达到12.30 W时,脉冲能量为187 μJ,平均脉冲能量为164 μJ;当输出镜的透过率T_OC=10%,入射泵浦功率达到12.30 W时,脉冲能量为157 μJ,平均脉冲能量为144.96 μJ。随着入射泵浦功率的增加,脉冲峰值功率几乎不变,当入射泵浦功率达到12.3 W,输出镜透过率分别为5%和10%时,测得脉冲峰值功率分别为18.8 kW和15.8 kW,平均脉冲峰值功率分别为16.2 kW和15.4 KW。

图 7. 脉冲能量和峰值功率随泵浦功率的变化曲线。（a）T_OC=5%;（b）T_OC=10%

Fig. 7. Variation curves of the pulse energy and peak power with pump power. (a) T_OC=5%; (b) T_OC=10%

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图8是入射泵浦功率P分别为4.30,6.69,8.79,10.95 W时1135 nm及1157 nm拉曼光输出的光谱图,对应的拉曼频移分别为895 cm^-1和902 cm^-1。可以发现,随着入射泵浦功率的增大,1135 nm及1157 nm两条辐射谱线均产生了红移,前者由1134.7 nm红移到1135.3 nm,后者由1157.5 nm红移到1157.7 nm。造成这种现象的原因主要有两点,一方面,Yb³⁺∶YAG晶体的发射光谱会受到晶体温度的影响^[29],随着晶体温度的升高,激光上能级的能带宽度增加,导致激光上下能级的能量差减小、辐射光的光频率减小、输出波长增加,此时激光中心波长往长波长方向移动。另一方面,当被激发的Yb³⁺进行能级跃迁时,会跃迁到其他更低的能级甚至是基态^[30],使Yb∶YAG晶体的自吸收效应更严重,当腔内光强增加到一定强度时,被抑制的长波长谱线会发生起振。图9为输出拉曼光的脉冲图,插图为单个脉冲图像,可以发现,脉冲峰值基本无剧烈变化,脉冲图像比较理想。但小时间尺度内在主脉冲之后有几个子脉冲,这种现象随泵浦功率的增加一直存在,可能的原因：1）Cr⁴⁺∶YAG晶体的上能级寿命较长（3~4 µs）^[31],为多脉冲的出现提供了前提条件;2）由被动调Q腔内拉曼激光器的数值模拟可知,较大的拉曼增益会导致基波和一阶斯托克斯光产生子脉冲^[32]。

图 8. 不同泵浦功率时输出的拉曼光谱图。 （a） 4.30 W; （b） 6.69 W; （c） 8.79 W; （d） 10.95 W

Fig. 8. Raman spectra of the output at different pump powers. (a) 4.30 W; (b) 6.69 W; (c) 8.79 W; (d) 10.95 W

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图 9. 输出拉曼光的脉冲图

Fig. 9. Pulse image of the output Raman laser

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双波长运转会削弱倍频效率,为了得到稳定、高功率的578.5 nm黄光,需要尽可能地提高1157 nm拉曼光的输出功率,并抑制1135 nm的拉曼光。因此在键合晶体和YVO₄晶体之间放置一个直径为25 mm,厚度为170 μm（自由光谱范围为2 nm）的未镀膜BK7玻璃标准具进行波长的筛选。此时谐振腔的全长为54 mm,键合晶体左端与M₁之间的长度为3 mm,YVO₄晶体右端与M₂之间的长度为5 mm,输出镜的透过率为10%。

图10为加入标准具后拉曼光输出功率与入射泵浦功率之间的关系。该系统的泵浦功率阈值为3.06 W,拉曼光输出功率随入射泵浦功率的增大而线性增大,斜率效率为11.29%。泵浦功率达到9.87 W时,最大拉曼光输出功率为0.784 W,对应的光光转换效率为7.94%。

图 10. 加入标准具后输出功率随泵浦功率的变化曲线

Fig. 10. Variation curve of the output power with pump power after adding the etalon

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图11为加入标准具后拉曼光输出特性随泵浦功率的变化关系,可以发现,图11（a）中随着入射泵浦强度的增加,脉冲重复频率线性增大,但脉冲宽度没有太大改变,这与加标准具之前的实验结果相同。当入射泵浦功率达到9.51 W时,输出拉曼光的最大脉冲重复频率为5.52 kHz,脉冲宽度为6.5 ns。此外,在加入标准具后,平均脉冲宽度大约由9.52 ns变为6.49 ns。图11（b）中随着入射泵浦功率的增大,脉冲能量略微上升,但脉冲能量的平均值为125.9 μJ,低于加标准具前的144.9 μJ,这种现象可能是由标准具的不完全透明造成的,也可能是抑制掉1135 nm波长后,总能量的下降导致的。当入射泵浦功率达到9.51 W,脉冲峰值功率为21 kW,平均峰值功率为19.9 kW,相比加标准具前的15.4 kW,大约提高了29%。

图 11. 加入标准具后拉曼光输出特性随泵浦功率的变化曲线。(a)脉冲重复频率和脉冲宽度;(b)脉冲能量和脉冲峰值功率

Fig. 11. Variation curve of the Raman optical output characteristics with the pump power after adding the etalon. (a)Pulse repetition frequency and pulse width; (b) pulse energy and pulse peak power

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图12是加入标准具后,泵浦功率P分别为4.50,5.94,8.79,10.21 W时的输出拉曼光谱图。可以发现,加入标准具后,1135 nm拉曼光被有效抑制,1157 nm拉曼激光得到了增强;但随着入射泵浦强度的增大,1157 nm谱线仍然由1157.2 nm红移至1157.8 nm。图13是加入标准具后输出光脉冲序列图,插图为单个脉冲放大图像,可以发现,加入标准具后,双波长相互不相干,其脉冲不同步,这表明输出光的脉冲序列非常稳定。

图 12. 加入标准具后不同泵浦功率时的拉曼光谱图。（a）4.50 W;（b）5.94 W;（c）8.79 W;（d）10.21 W

Fig. 12. Raman spectra of the different pump powers after adding etalon. (a) 4.50 W; (b) 5.94 W; (c) 8.79 W; (d) 10.21 W

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图 13. 加入标准具后输出拉曼光的脉冲图

Fig. 13. Pulse image of the Raman output laser after adding the etalon

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3.3 578.5 nm被动调Q拉曼黄光激光实验

578.5 nm被动调Q拉曼黄光激光实验系统由M₁、键合晶体、标准具,YVO₄晶体、M₂、KTP晶体及M₃组成。其谐振腔的全长L为70 mm,L₁,L₂,L₃和L₄分别为3,22.5,12,3 mm。578.5 nm黄光平均输出功率与泵浦功率的关系如图14所示,可以发现,578.5 nm黄光功率随入射泵浦功率的增大呈线性增大的趋势。当入射泵浦功率达到9.51 W时,最大黄光输出功率为0.183 W,斜率效率为2.67%。

图 14. 578.5 nm黄光平均输出功率与泵浦功率的关系

Fig. 14. Relationship between the average output power of 578.5 nm yellow light and the pump power

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图15（a）为578.5 nm黄光输出脉冲重复频率及脉冲宽度与入射泵浦功率的关系,可以发现,其脉冲重复频率与脉冲宽度的变化趋势与上述实验一致。图15（b）中黄光脉冲能量随入射泵浦功率的增加而略微下降,由4.51 W时的46 μJ降为9.51 W时的28 μJ;同时,脉冲峰值功率由5.3 kW降为4.3 kW,原因是热效应导致的损耗增大。

图 15. 578.5 nm黄光输出特性随泵浦功率的变化曲线。（a）脉冲重复频率及脉冲宽度;（b）脉冲能量及峰值功率

Fig. 15. Variation curve of the output characteristics of 578.5 nm yellow light with the pump power. (a) Pulse repetition frequency and pulse width; (b) pulse energy and peak power

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图16为入射泵浦功率为5.94 W时的黄光脉冲序列,插图为单个脉冲放大图像。可以看出,该功率时的脉冲宽度t为6.537 ns,脉冲重复频率达到6.542 kHz,且此时的子脉冲非常微弱。原因是子脉冲通过倍频晶体时,其光强比主脉冲弱,倍频转换效率极低。整体脉冲序列比较平均和稳定,因此谐振腔运行在稳定的范围内。图17为入射泵浦功率达到5.94 W时输出的黄光光谱图。

图 16. 578.5 nm黄光输出的脉冲图

Fig. 16. Pulse diagram of the 578.5 nm yellow light output

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图 17. 泵浦功率为5.94 W时的黄光光谱

Fig. 17. Yellow light spectrum when the pump power is 5.94 W

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4 结论

介绍了用键合晶体Yb³⁺∶YAG/Cr⁴⁺∶YAG/YAG产生578.5 nm黄光的被动调Q拉曼激光器。实验结果表明,该系统的黄光输出功率随入射泵浦功率的增加而线性增加,当入射泵浦功率达到9.51 W时,黄光输出功率为183 mW,脉冲宽度为6.537 ns,脉冲重复频率达到6.542 kHz。由于脉冲能量较低,该黄光激光器的转换效率也较低（2.67%）。原因是实验使用的可饱和吸收体Cr⁴⁺∶YAG晶体的初始透过率较高（95%）,容易被漂白,导致脉冲重复频率较高,而单脉冲能量较低,因此非线性转换效率较低。在后续实验还将采用透过率更合适的Cr⁴⁺∶YAG晶体作为可饱和吸收体,以提高输出光功率。