1 引言

热效应是阻碍固体激光器性能进一步提升的最主要因素之一,严重的热效应会导致激光器的光束质量恶化、出现热饱和,甚至使晶体产生热破裂^[1]。近年来人们不断寻找降低激光器热效应的方法,目前最有效的方法是共振抽运技术,共振抽运(in-band pumping)是采用特定波长的抽运光将基态原子直接抽运到激光上能级,而不是将原子先抽运到更高的激发态然后再通过无辐射跃迁弛豫到激光上能级的抽运方式。共振抽运方式消除了由激发态至激光上能级的无辐射跃迁过程,能够有效降低抽运光和振荡光之间的量子亏损,从而减少产生的热量,同时提高量子效率,它可以从根本上解决激光器的热效应,从而使激光器的各个性能指标得到有效改善。对于Nd∶YVO₄激光器,共振抽运主要集中在880,888,914 nm三个抽运波长上^[2-7],理论和实验结果证明,利用共振抽运技术可以获得高功率、高光束质量的激光输出,但共振抽运技术仍然存在很多的缺点:1)晶体对这些波长抽运光的吸收率比较低,尤其对914 nm激光的吸收率更低,这不利于总体光-光转换效率的提高;2)Nd∶YVO₄晶体对这些波长的吸收线宽都很窄,而半导体激光器的发射谱会随着温度的变化而发生飘移,这不利于激光器适应环境温度的变化。为了克服这些缺点,采用波长锁定共振抽运技术,有效地克服了共振抽运的缺点,进一步发挥了共振抽运的优势。所谓的锁波长共振抽运技术就是利用体布拉格光栅(VBG)对抽运源的发射波长进行锁定,使其发射波长趋于稳定,从而外界环境温度的变化对其发射谱的影响很小,同时,抽运源的发射谱宽变得更窄,可准确地与工作物质的吸收谱相对应。综合以上各方面,锁波长共振抽运技术相比于普通的共振抽运技术具有明显的优势。

目前,对于914 nm共振抽运技术的研究并不多,且基本都是采用非锁波长的半导体激光器或914 nm固体激光器作为抽运源。2009年,Sangla等^[8]报道了利用914 nm抽运Nd∶YVO₄晶体激光器,当吸收的抽运光功率为14.8 W时,获得了11.5 W的1064 nm激光输出,对应的吸收抽运光的光-光转换效率为78.7%,斜率效率为80.7%。 2013年,陈檬等^[9]利用914 nm半导体激光器作为再生放大器的抽运源,降低了热负荷,实现了高性能的再生放大器,并将单脉冲能量为1 nJ、脉冲宽度为5.7 ps、频率为42.7 MHz的种子光进行再生放大,最终获得脉冲重复频率为100 kHz、平均功率为21.2 W的再生放大输出。丁欣等^[10]利用端面抽运的914 nm固体激光器作为抽运源对Nd∶YVO₄进行抽运,采用20 mm长、掺杂浓度(Nd的原子数分数)为2%的Nd∶YVO₄晶体作为增益介质,在6.9 W注入抽运功率下获得了输出功率为3.92 W的1064 nm波长激光,相应的光-光转换效率为56.9%。 2016年,Waritanant等^[11]利用914 nm半导体激光器抽运Nd∶YVO₄晶体实现锁模激光输出,获得了平均功率为6.7 W、脉冲重复频率为87 MHz的锁模激光输出,相应的吸收抽运光的斜率效率为77.1%,光-光转换效率为60.7%。以上研究都是采用非锁波长的普通半导体激光器或固体激光器作为抽运源,且都是针对基频光的研究。对于采用普通的半导体激光器作为抽运源的情况,由于半导体激光器的发射谱线宽度较宽,且发射波长会随温度的变化发生飘移,因此Nd∶YVO₄晶体对914 nm抽运光的吸收效率很低,导致总体的光-光转换效率并不高,远低于传统808 nm抽运方式,但采用914 nm固体激光器作为抽运源又增加了系统的复杂性和成本。

为了克服914 nm共振抽运的缺点,发挥914 nm共振抽运技术的优势,本文将锁波长914 nm共振抽运技术应用到Nd∶YVO₄腔内倍频激光器中,采用的抽运源为913.9 nm的锁波长光纤耦合输出的半导体激光器,其发射线宽为0.3 nm,采用声光Q开关作为调制器,I类临界相位匹配的LBO作为倍频晶体,以实现高重复频率、高光束质量的532 nm激光输出。当入射光的抽运功率为18 W,调制频率为130 kHz时,获得了最高输出功率为6.7 W的532 nm绿光,总体光-光转换效率为37.2%,相应的吸收抽运光的光-光转换效率为60%,脉冲宽度为52 ns。本文采用的抽运方式所获得的总体光-光转换效率与传统的808 nm抽运方式相当,并且可以有效降低激光器的热效应,提高输出激光的光束质量。

2 实验装置

实验装置如图1所示,抽运源为914 nm锁定光纤耦合输出的半导体激光器,其最大的输出功率为20 W,线宽为0.3 nm,如此窄的线宽可以很好地与晶体的吸收带宽匹配,弥补了共振抽运吸收带窄的缺点,并且该抽运源具有很好的温度稳定性,当热沉温度在10~40 ℃范围内发生变化时,其发射的中心波长仅移动了0.6 nm,线宽基本保持不变,这使得利用该半导体激光器作为抽运源的系统具有极高的温度稳定性。传输光纤直径为400 μm,数值孔径为0.22,coupler为光学耦合系统,经过耦合系统后抽运光斑直径约为700 μm;M1镀有1064 nm高反膜,激光晶体的尺寸为3 mm×3 mm×20 mm,Nd的掺杂浓度(原子数分数,下同)为1 %,晶体用铟箔包裹后放在紫铜热沉中。M2镀有914 nm增透膜和1064 nm高反膜,M3镀有532 nm增透膜和1064 nm高反膜,M4镀有1064 nm和532 nm高反膜;AO为声光Q开关,其超声波频率为80 MHz,射频功率为20 W,双面镀有1064 nm增透膜;LBO的尺寸为3 mm×3 mm×15 mm,采用的是I类临界相位匹配方式,为了满足相位匹配条件,LBO晶体的相位匹配角θ=90°,φ=11.2°,将其放在高精度温控盒中,控温精度为±0.03 ℃,两端镀有1064 nm和532 nm的增透膜。M1到Nd∶YVO₄右端面的距离为100 mm,M2到Nd∶YVO₄左端面的距离为20 mm,M2到M3的距离为80 mm,M3到M4的距离为40 mm,M1、M2、M3、M4均为平平镜。

图 1. 波长锁定914 nm激光二极管共振抽运Nd∶YVO4 /LBO绿光激光器实验装置及光路图。(a)实验装置图;(b)光路图

Fig. 1. Experimental setup and light path of wavelength-locked 914 nm laser diode in-band pumped Nd∶YVO4 /LBO green laser. (a) Experimental setup; (b) light path

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图2所示为谐振腔内的光斑大小分布情况。可以看到:Nd∶YVO₄晶体的基模光斑直径为624 μm,与700 μm的抽运光的模式匹配较好;较大的抽运光斑可以进一步降低热效应,同时降低高掺杂Nd∶YVO₄晶体的上转换效应。

图 2. 腔内光斑分布情况

Fig. 2. Spot distribution in the cavity

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3 实验结果分析

首先测试了Nd∶YVO₄晶体对抽运光的吸收率,当晶体热沉温度为25 ℃时,掺杂浓度为1%、长为20 mm的Nd∶YVO₄晶体对914 nm抽运光的吸收率为62%,图3给出了不同调制频率下,532 nm 激光输出功率与入射抽运功率的关系。从图3可以看出:当抽运功率为18 W,调制频率为130 kHz时,可以获得最高输出功率为6.7 W的532 nm激光,对应的入射抽运光的光-光转换效率为37.2%,对应的吸收抽运光的光-光转换效率为60%;当调制频率为170 kHz时,获得了输出功率为5.7 W的绿光,对应的入射抽运光的光-光转换效率为31.7%;当频率由130 kHz逐渐降低时,输出功率和转换效率也会逐渐降低,当调制频率分别为90,50,20 kHz时,分别获得了最高输出功率为5.8,5.2,3.2 W的激光,对应的光-光转换效率分别为32.2%,26%和17.7%。由此可知,锁波长914 nm抽运的Nd∶YVO₄腔内倍频激光器在高重复频率下可以获得较高的转换效率,对于重复频率比较低的情况,尤其在重复频率为20 kHz时,输出功率会随着抽运功率的增加而产生类似的热饱和效应,在抽运功率超过14 W后,输出功率的斜率明显减小,这主要是因为高掺杂浓度晶体在低频运转时上转换现象比较严重。上转换率可以写为γΔn²,其中γ为上转换系数,Δn为反转粒子数密度^[12-16],从这个关系式可以看出,上转换率与反转粒子数密度的二次方成正比,尤其在采用高掺杂浓度晶体低频运转且抽运功率较高时,反转粒子数密度较高,上转换和荧光猝灭效应进一步增强,从而使光-光转换效率明显降低。

图 3. 不同重复频率下输出功率与抽运功率的关系

Fig. 3. Relationship between output power and pump power at different repetition rates

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图4所示为18 W抽运功率下,输出功率、光-光转换效率(对应于吸收抽运功率)与重复频率的关系。从实验结果可以看出:当重复频率在40~130 kHz范围内逐渐增加时,激光器输出功率也增加,光-光转换效率也在缓慢增加,当重复频率为130 kHz时,有最大的输出功率,为6.7 W;当重复频率在130~170 kHz范围内逐渐增大时,输出功率呈下降趋势,当重复频率为170 kHz时,输出功率下降到5.7 W。以上两个过程中输出功率及光-光转换效率都呈缓慢变化趋势,但当重复频率由30 kHz下降到15 kHz时,输出功率和光-光转换效率都急剧下降。实验结果表明,所设计的914 nm共振抽运高掺杂Nd∶YVO₄激光器更适合在高重复频率下运转,当重复频率过低时,高掺杂晶体具有较短的上能级寿命和较高的上转换系数,导致产生的自发辐射效应较强,上转换损耗较大。

图 4. 抽运功率为18 W时输出功率和光-光转换效率与重复频率的关系

Fig. 4. Relationship among output power, optical-optical conversion efficiency, and repetition rate when pump power is 18 W

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实验测得脉冲频率为130 kHz时的脉冲宽度为52 ns,对应的峰值功率为1 kW。采用90/10刀口法(即分别取激光光斑能量为90%、10%的位置对光斑大小进行测量)对激光的光束质量进行测量,得到绿光的光束质量因子在X方向和Y方向分别为1.3和1.2,测量结果如图5所示。之所以能够获得比较好的光束质量输出,主要是因为:1)利用914 nm抽运减少了量子亏损产生的热,从而降低了热透镜效应,提高了光束质量;2)合理的模式匹配也是能够获得较高的光束质量的重要原因。

图 5. 光束质量因子测量结果

Fig. 5. Measurement result of beam quality factor

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4 结论

将锁波长914 nm共振抽运技术应用到声光调Q的腔内倍频激光器中,采用Nd∶YVO₄晶体作为增益介质,I类临界相位匹配的LBO作为倍频晶体,实现了高重复频率、高光束质量的532 nm激光输出。该激光器在高重复频率条件下工作时具有很好的性能,当重复频率较低时(小于30 kHz),由于Nd∶YVO₄的掺杂浓度较高,在高功率抽运时上转换及自发辐射现象比较严重,光-光转换效率明显下降。当抽运功率为18 W,重复频率为130 kHz时,获得了最高输出功率为6.7 W的倍频光,对应的入射抽运光的光-光转换效率为37.2%,对应的吸收抽运光的光-光转换效率为60%,其转换效率与传统808 nm抽运方式相当,具有很好的应用前景。