全固态连续单频671nm Nd∶GdVO4－LBO红光激光器的设计及实现＊

王垚廷，张博伦，谭 成，冯向兵，张瑞红

（西安工业大学 理学院，西安710021）

全固态连续单频激光器具有可长期稳定运转、输出线宽窄、频率可调、相干长度长、噪声低等优点.连续单频671nm Nd∶GdVO4－LBO红光激光器在高精度激光测量、量子信息、光学全息、高分辨分子光谱、激光医学等方面有着重要的应用价值和广阔的市场前景.近年来，Nd∶GdVO4作为一种相对新型的激光晶体，已展现出其在物理性能、光学性能、机械性能方面许多优势［1－2］，如：吸收效率高、受激辐射截面大、热导率高等.因此，在高功率激光二极管泵浦固体激光器方面，Nd∶GdVO4激光晶体的优势很有可能超过目前常用的激光晶体Nd∶YAG、Nd∶YVO4.相对于808nm波段的泵浦光，Nd∶GdVO4的吸收系数为74cm－1，远大于Nd∶YVO4（31.4cm－1）和 Nd∶YAG（7.1cm－1）；在1 342nm波段，Nd∶GdVO4的受激辐射截面为1.8×1019cm2，稍大于 Nd∶YAG（0.7×1019cm2），但稍小于 Nd∶YVO4（2.8×1019cm2）；Nd∶GdVO4晶体的热导率为11.7W／m·K，和Nd∶YAG热导率相当（14W／m·K），但大于Nd∶YVO4（约5 W／m·K）.因此，Nd∶GdVO4激光晶体对于产生1 342nm波段的高功率激光值得研究.

关于全固态红光激光器的研究，目前国内外在这方面的研究工作主要集中在连续的单横模激光输出上，已经取得好的研究成果.例如：在国外，2004年，意大利的Antonio等人报道了输出功率为2.4W 的671nm Nd∶GdVO4－LBO红光激光器［3］，但之后未见更高输出功率的报道；在国内，早在2003年，山东大学就报到了输出功率为340 mW 的670nm Nd∶GdVO4－KTP红光激光器［4］；2009年，长春理工大学等报道的670nm Nd∶GdVO4－LBO红光激光器的输出功率已达5.1 W［5］，这是目前据文献报道的在该波段的最高输出功率，但这些报道都是关于单横模输出的激光器，并不是单频输出，据了解，目前国内外还没有关于全固态连续单频671nm Nd∶GdVO4－LBO红光激光器的研究报道.本文采用环形腔选模的方法，通过在腔内插入光学单向器，迫使振荡激光单向运转，消除空间烧孔，以实现激光器单频工作，以Nd∶GdVO4为激光介质，LBO为倍频晶体，通过内腔倍频技术得到671nm的单频红色激光.

1 实验装置与方法

实验装置如图1所示：LD为中心波长为808 nm的光纤耦合激光二极管（泵浦源），光纤芯径为300μm，数值孔径为0.12，所发出激光经1：1光学传输系统聚焦到激光介质Nd∶GdVO4中；激光介质Nd：GdVO4尺寸为3mm×3mm×8mm，考虑到Nd∶GdVO4激光晶体中Nd离子的掺杂浓度正比于能量传输上转换系数，反比于介质对泵浦光的吸收效率，综合这两个因素，激活离子掺杂浓度选为0.2%［6］，晶体两端镀1 342nm 减反膜和808 nm高透膜，另外，整个工作介质用热导率极高的铟膜包裹并置于紫铜制作的晶体炉中，晶体炉被精密控温25℃，控温精度优于0.1℃；平面镜 M1、M2、凹面镜 M3、M4组成四镜环形谐振腔，其中M1、M2镀1 342nm高反膜和808nm高透膜，M3、M4镀1 342nm高反膜和671nm高透膜；半波片和置于磁场中的磁光晶体组成光学单向器（Optical Diode），迫使振荡激光单向运转，以消除空间烧孔效应，实现激光器单纵模运转，半波片和磁光晶体都镀1 342nm减反膜；Ⅰ类临界相位匹配的LBO晶体作为倍频晶体，尺寸为3mm×3 mm×18mm，晶体两端镀1 342nm减反膜和671 nm高透膜.

图1 实验装置示意图Fig.1 Experimental setup schematic

2 实验结果及分析

目前，对于光纤耦合的激光二极管输出激光的空间模式分布，理论上有两种描述方法，分别为“顶端帽状”分布［7］、包含光束质量因子［8］或远场发散角［9］的高斯分布.本文选用包含远场发散角的高斯型分布模式来研究激光介质中振荡激光模和泵浦激光模之间的交叠比率（模式交叠比率）对输出功功率的影响，该分布模式可以表示为［9］

其中：r，z分别为径向变量和轴向变量；α为激光介质相对泵浦波长的吸收系数；L为激光介质长度；ωpa为激光介质中泵浦光斑的平均光斑半径［9］，并表示为

式中：ωp0为泵浦光束的束腰半径；θp为泵浦光束的远场发散角；z0为泵浦光束的聚焦平面位置，且z0的优化值为ln（2）／α［9］.考虑到本实验中，光纤芯径为300μm（泵浦光束的束腰半径ωp0＝150μm），数值孔径为0.12，则平均泵浦光斑半径ωpa为290 μm.许多论文研究表明：模式交叠率存在一最佳值［10-11］，可以保证激光器最大功率运转，因此实验中可以通过调节腔长L1，即腔镜M3、M4之间的距离，改变激光介质中振荡激光光斑半径ω0，即改变模式交叠率ω0／ωpa（实验中平均泵浦光斑半径ωpa已确定，ωpa＝290μm；振荡激光发散角很小，且在激光介质中传播距离很短，因此振荡激光光斑半径在激光介质中近视为常数，即激光介质处的振荡激光光斑半径，该参数可由ABCD矩阵定理计算得到），并测量输出功率Pout，寻找最大输出功率对应的模式交叠率ω0／ωpa，即最佳模式交叠率.内腔倍频过程中，二次谐波（倍频光）的转化效率正比于非线性系数的平方、倍频晶体长度的平方、内腔功率的平方；反比于倍频晶体中振荡激光光斑半径的平方，二次谐波功率可以表示为

式中：ω为角频率；d为非线性系数；l为倍频晶体长度；Pin为基频光（1 342nm）内腔功率；ωl为倍频晶体中振荡激光光斑半径，ε0为真空中介电常数.

为得到最佳倍频光转化效率，提高倍频光输出功率，可以对上述四个参数进行优化.受既有倍频晶体种类的影响，以及非线性系数d由倍频晶体本身性质所决定，导致非线性系数d的优化受到很大限制，即倍频晶体一旦选定，非线性系数是确定的；受本实验中腔长的限制，倍频晶体长度l为18mm；内腔基频光功率Pin可以通过优化模式交叠率达到最高值；倍频晶体中振荡激光光斑半径可以通过改变谐振腔腔长L1进行优化，但提高基频光内腔功率和减小倍频晶体中振荡激光光斑半径受到倍频晶体损伤阈值的限制，目前已商品化的倍频晶体中，LBO损伤阈值最高，因此，实验中选用了Ⅰ类临界相位匹配的LBO晶体作为倍频晶体（θ＝86.1°，φ＝0°）.整个倍频晶体同样用铟膜包裹并置于紫铜制作的晶体炉中，倍频晶体被精密控温35℃，控温精度优于0.1℃.基频光输出功率及内腔功率是模式交叠率ω0／ωp0的函数，而且输出功率Pout、内腔功率Pin存在一极大值，并且二次谐波功率P2ω反比于倍频晶体中振荡激光光斑半径的平方ω2l、正比于内腔基频光功率Pin，但腔长L1的变化会同时影响模式交叠率ω0／ωpa和倍频晶体中振荡激光光斑半径ωl，即为得到最佳的倍频光输出，也会存在最佳模式交叠率，但此最佳模式交叠率不同于基频光运转时的最佳模式交叠率.为得到最大670nm倍频光输出功率，实验上尝试了五种腔长L1条件下倍频光输出功率和泵浦功率的关系，五种腔长L1分别为：① L1＝125mm （ω0＝210 μm，ωl＝87μm）；②L1＝130mm （ω0＝196μm，ωl＝84μm）；③L1＝135mm （ω0＝180μm，ωl＝80 μm）；④L1＝140mm （ω0＝158μm，ωl＝74μm）；⑤L1＝145mm（ω0＝130μm，ωl＝63μm）（剩余腔长M3经激光晶体Nd：GdVO4到M4距离为240 mm）.实验上测得的671nm倍频光输出功率P2ω和泵浦功率Pp关系如图2所示，从图中可以看出最大倍频光输出功率P2ω为0.9W，相应泵浦功率为20W，对应腔长为140mm （ω0＝158μm，ωl＝74μm），相应的模式交叠比率为0.54.

图2 670nm倍频光输出功率和泵浦功率关系图Fig.2 Output power at 670nm versus pump power

实验测得的激光输出功率稳定性如图3所示（T表示时间，h表示时间单位：小时），结果说明在两小时内输出功率相对于平均输出功率的波动优于±1.15%.用扫描共焦F－P腔对输出激光进行扫描，并用数字示波器记录，记录结果如图4所示（I表示强度，ms表示毫秒，a.u.表示任意单位），结果说明该激光器单纵模运转.

图3 功率稳定性图Fig.3 Measured output power stability ofthe670nmlaser

图4 单纵模运转模式图Fig.4 Single longitudinal mode

3 结论

实验上设计了“8”字形环形谐振腔，在腔内插入光学二极管，使振荡激光单向运转，消除空间烧孔效应，从而保证激光器单频运转，以Nd：GdVO4为激光介质，以LBO为倍频晶体，通过内腔倍频技术并优化模式匹配，得到输出功率为0.9W的连续单频671nm红色激光，功率稳定性两小时内优于±1.15%.从实验结果可以看出，随着泵浦功率的增加，输出功率出现了饱和，因此下一步工作需继续优化激光器相关参数以进一步提高输出功率.

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