固体拉曼激光器具有结构紧凑、转换效率高与稳定性高等优点,通过结合不同拉曼晶体与不同波长的泵浦源,可以实现不同波长的激光输出,极大丰富了固体激光器的输出波长范围,是近年来国内外研究的热点之一。常见的拉曼晶体有BaNO₃,BaWO₄,SrWO₄,YVO₄与金刚石等,利用它们已经实现了从紫外到红外的激光输出^[1-5]。ZnWO₄晶体具有良好的物理性质与光学性质:其热导率比BaWO₄、SrWO₄高,这意味着其具有更小的热透镜效应,适用于高功率固体激光器;其透光范围比BaNO₄,BaWO₄,SrWO₄等晶体更大,波长430~6200 nm的透光率高达80%(3 mm厚的晶体材料),这意味着其适用于近红外甚至中红外的拉曼激光器^[6]。但是,受限于ZnWO₄的生长工艺等,ZnWO₄晶体很少用于拉曼激光器。Wang等^[6]报道了ZnWO₄的物理与光学性质,并进行了拉曼散射实验,成功观察到了拉曼散射光谱,将波长从532 nm频移到558.95 nm,但是此实验装置没有谐振腔,不是一个真正意义上的激光器。杜晨林课题组搭建了基于ZnWO₄晶体的一阶拉曼固体激光器,将1899 nm激光转换到2294 nm,输出功率为184 mW,此实验虽然实现了ZnWO₄一阶拉曼激光的输出,但是输出的功率不高^[7]。

本文使用波长为808 nm的激光二极管端面泵浦Nd∶YAG晶体以产生基频光,搭建了基于ZnWO₄的二阶拉曼激光器,研究了其在不同重复频率下的激光输出特性。最终获得了1318.3 nm的二阶拉曼激光输出,在泵浦功率为14.2 W、重复频率为9 kHz时,获得的最大平均输出功率为670 mW,对应的脉冲宽度为3.294 ns,光光转换率为4.7%,峰值功率达到22.6 kW。本文首次实现了基于ZnWO₄的二阶拉曼激光器输出,实验结果表明,ZnWO₄作为二阶拉曼晶体表现良好,可应用于二阶拉曼激光器中。

实验装置简图如图1所示,以中心波长为808 nm的激光二极管(LD)为泵浦源,泵浦光经过纤芯为400 μm的光纤耦合至一个扩束比为1∶1.5的透镜组扩束器中,并会聚于Nd∶YAG晶体的中心。M1是直径为20 mm的JGS1凹面石英片,双面均对808 nm高透(透射率T>99.9%),凹面曲率半径为250 mm,对1020~1400 nm增反(反射率R>99.5%)。M2是直径为20 mm的JGS1平面石英片,对1020~1200 nm高反(R>99.5%),对1300~1400 nm的透过率约为70%。Nd∶YAG晶体用来产生基频激光,晶体的掺杂浓度(原子数分数,全文同)为1%,几何尺寸为3 mm×3 mm×15 mm,晶体的两端被抛光并对1064 nm增透(T>99.9%)。声光Q开关晶体长度约为57 mm,重复频率在1~100 kHz范围内连续可调,对两端镀膜使其对1064 nm基频光增透(T>99.9%)。对ZnWO₄晶体两端进行光学抛光。用厚度为0.1 mm的铟片包裹Nd∶YAG晶体与ZnWO₄晶体,并将其置于紫铜热沉之上,紫铜热沉通冷却循环水,用恒温水箱将温度控制为19 ℃。

图 1. 二极管泵浦Nd∶YAG/ZnWO₄二阶拉曼固体激光器

Fig. 1. Diode-pumped Nd∶YAG/ZnWO₄ second-order Raman solid state laser

下载图片 查看所有图片

首先用ABCD矩阵分析腔内的光斑分布情况。整个谐振腔M1至M2的长度约为140 mm,将晶体Nd∶YAG等效为一个薄透镜,Nd∶YAG晶体在8 mm处,ZnWO₄晶体在112 mm处。当Nd∶YAG晶体的热透镜焦距在400~1000 mm范围内变动时,Nd∶YAG晶体中心处的模直径在720~600 μm范围内变动。如图2所示,当Nd∶YAG热透镜焦距为600 mm时, Nd∶YAG中心处的模半径为322 μm,ZnWO₄晶体中心处的模半径是170.3 μm。因此,实验中选择1∶1.5的扩束镜,以尽量满足基频光与泵浦光的模式匹配要求。基频光与斯托克斯激光共用一个谐振腔,腔内模式分布基本相同。越靠近M2位置,激光器的光束越细,故为了提高基频光在拉曼晶体中的功率密度,应将ZnWO₄晶体尽量放置在靠近M2的位置。

图 2. 热透镜焦距为600 mm时的腔内基频光模式分布

Fig. 2. Fundamental laser mode distribution in cavity when focal length of hot lens is 600 mm

下载图片 查看所有图片

实验中测试了ZnWO₄晶体的拉曼频移谱线,观测到其在906 cm^-1处有最强的拉曼峰^[7],本文的二阶拉曼激光器主要根据906 cm^-1这根谱线进行设计。使用光谱仪测量拉曼激光器的输出光谱,结果如图3所示。基频光中心波长是1064.1 nm,一阶斯托克斯激光中心波长是1177.6 nm,二阶斯托克斯激光的中心波长是1318.3 nm,频移量分别为905.8 cm^-1与906.3 cm^-1,与测试的ZnWO₄晶体拉曼频移量906 cm^-1基本吻合,说明得到的1318.3 nm激光是ZnWO₄拉曼激光器的二阶斯托克斯拉曼激光。Nd∶YAG在1318 nm处有发射峰,但是由于1318 nm发射峰的发射截面远小于1064 nm的发射截面,再加上本文选择的输出耦合镜的透过率比较高,理论上Nd∶YAG晶体的1318 nm发射峰起振可以被抑制。进行了实验验证:当声光Q开关关闭时,激光器运行在连续状态下,增加泵浦功率至15.5 W,通过光谱仪只观察到1064 nm的信号光,这说明Nd∶YAG晶体1318 nm的发射峰没有起振,后面在调Q模式下得到的1318.3 nm的激光是ZnWO₄晶体的二阶拉曼激光。

图 3. 拉曼激光器的输出光谱

Fig. 3. Output spectrum of Raman laser

下载图片 查看所有图片

测试了不同重复频率下拉曼激光的平均功率与脉冲宽度,图4为平均功率、脉冲宽度与泵浦功率的关系。当重复频率分别为9,12,15 kHz,泵浦功率分别为3.3,4.2,5.4 W时,二阶拉曼激光器达到起振阈值,9 kHz时拉曼激光器的阈值最低,这主要是因为重复频率越低,腔内的峰值功率越高,越利于拉曼激光起振。当808 nm泵浦激光的功率小于14.2 W时,二阶斯托克斯激光的平均功率随着泵浦功率的增加呈线性增加,当808 nm泵浦激光的功率为14.2 W时,三者(9,12,15 kHz)拉曼激光平均功率均达到最大,分别为670,580,506 mW,对应的光光转换率分别为4.7%,4.1%,3.5%。此后继续增加泵浦功率,拉曼激光的输出功率呈下降趋势,这主要是因为腔内积累了过多的热量,发生了严重的热透镜效应,影响了激光器的稳定运行,降低了拉曼激光的转换效率。用光电探测器结合示波器探测了拉曼激光器的输出脉冲宽度(半峰全宽,FWHM),拉曼激光器的脉冲宽度随着泵浦功率的增加而逐渐变窄,当激光器运行于9,12,15 kHz重复频率下时,脉冲宽度均在泵浦功率为15.5 W处达到最窄,分别为3.258,3.800,4.320 ns。

图 4. 不同重复频率下平均功率、脉冲宽度与泵浦功率的关系。(a)平均功率;(b)脉冲宽度

Fig. 4. Relationships among average power, pulse width and pump power with different repetition frequencies. (a) Average power; (b) pulse width

下载图片 查看所有图片

当重复频率为9 kHz、泵浦功率为15.5 W时,脉冲宽度最窄,时域脉冲信号如图5所示。之前测得的基频光的脉宽都在17 ns以上,由于拉曼激光器具有显著压缩脉冲宽度的作用^[8-9],此时脉冲宽度窄至3.258 ns,激光器的平均输出功率(544 mW)较低,导致此处的峰值功率(18.6 kW)不是最高的。最高峰值功率在泵浦功率为14.2 W处获得,此时的脉冲宽度为3.294 ns,峰值功率为22.6 kW。

图 5. 重复频率为9 kHz、泵浦功率为15.5 W时二阶斯托克斯激光的瞬时脉冲形状

Fig. 5. Instantaneous pulse shape of second-order Stokes laser at repetition frequency of 9 kHz and pumping power of 15.5 W

下载图片 查看所有图片

本文首次实现了ZnWO₄的二阶拉曼激光器的设计,得到的1318.3 nm的二阶斯托克斯激光的最大输出功率为670 mW,重复频率为9 kHz,脉冲宽度为2.294 ns,光光转换率为4.7%,峰值功率达到22.6 kW。实验结果表明,ZnWO₄具有良好的性能,可以将其作为拉曼晶体用于二阶拉曼激光器的设计。实验中观测到1497 nm谱线的跳跃,这表明ZnWO₄晶体发生了三阶拉曼散射,说明ZnWO₄晶体有希望被应用于三阶拉曼激光器的设计之中。受实验条件限制,谐振腔内的Nd∶YAG 晶体、声光Q开关晶体与ZnWO₄晶体并没有针对1177.6 nm与1318.3 nm激光镀增透膜,因此激光器腔内的损耗较大。此外,为了避免Nd∶YAG发射峰1318 nm的起振对二阶拉曼信号的干扰,本文输出耦合镜只研究了透过率为70%的情况,可能此透过率并非最佳。上述两点可能是影响拉曼转换效率的主要原因,后期将针对这两方面进行优化与改进,ZnWO₄的二阶拉曼激光器的转换效率还有提升空间。