光谱范围在1.5～1.8 μm的激光,会被角膜和晶状体强烈吸收,在辐射人眼时只有少部分能到达视网膜,对眼睛的损伤阈值很高,属于“人眼安全激光”.这种激光波长还处于大气传输窗口,在军事和民用上都有重要应用,例如,激光武器、激光雷达、激光测距、激光遥感和激光扫描成像.

目前,获得1.5～1.8 μm波段的激光输出主要有3种途径:稀土(Er³⁺和Cr⁴⁺等)掺杂材料直接输出^[1]、光学参量振荡(optical parametric oscillators, OPO)^[2]和受激拉曼散射(stimulated Raman scattering,SRS)^[3-11].

第1种方法一般以Er³⁺作为激活介质,玻璃为基质,采用氙灯或激光二极管(laser diode, LD)泵浦直接获得人眼安全激光输出.但Er³⁺激光器是三能级激光系统,振荡阈值较高,玻璃基质抗损伤阈值低和热导性差,难以获得高功率的人眼安全激光输出,且这种激光器不适合在高重复频率下工作.第2种方法中,光参量振荡是较常用的人眼安全激光技术.自20世纪80年代起,非线性晶体的生长工艺逐渐成熟,涌现出一批性能优良的非线性晶体,如KTP、KTA、BBO、LBO及PPLN/LT等,促进了OPO研究的快速发展.但是OPO技术要求相位匹配,在应用中对非线性晶体的温度和角度等有严格的控制.

受激拉曼散射是一种实用且有效产生新波长的方法.近年来,人们广泛采用拉曼介质材料来产生人眼安全激光.这些拉曼介质包括:Nd:YVO₄、Nd:GdVO₄、BaWO₄及 SrWO₄等^[3-11].2012年, Chen等^[8]采用Nd:YVO₄晶体,通过二阶Stokes拉曼获得2.34 W的1 313 nm激光.2013年, Du等^[9]采用Nd:YVO₄晶体,通过二阶Stokes拉曼获得0.99 W的1 764 nm的激光输出.2014年,Du等^[10]采用Nd:YVO₄晶体,通过二阶Stokes拉曼获得1.33 W的1 313 nm调Q锁模(Q-switched and mode-locked,QML)激光输出. 本研究通过LD端面泵浦Nd:YVO₄复合晶体得到了二阶Stokes自拉曼调Q锁模激光器,并获得了215 mW的1 764 nm调Q锁模脉冲输出,相应的光光转换效率为0.98%.二阶Stokes拉曼锁模脉冲宽度为12 ps,最大单脉冲能量为5.44 μJ,最高峰值功率为453 kW.

自拉曼激光器实验装置如图1,泵浦源LD是光纤耦合输出的大功率半导体激光器,工作波长稳定在808 nm. 耦合输出光纤的纤芯直径和数值孔径分别为400 μm和0.22.泵浦光经过1:1的聚焦系统后,在激光晶体内部聚焦成半径约200 μm的光斑.谐振腔采用凹-平结构,泵浦镜M₁的曲率半径为250 mm,镀有对808 nm的增透膜(透射率T>99%),对1 342、1 525和1 764 nm的高反膜(反射率R>99.9%); 输出镜M₂为平面镜,镀有对1 342和1 525 nm的高反膜,对1 764 nm的高透膜.激光晶体是沿a方向切割的YVO₄/Nd:YVO₄/YVO₄复合晶体,其中间部分是3 mm×3 mm×10 mm掺Nd原子数分数为0.3%的Nd:YVO₄晶体,两端为纯净的YVO₄晶体,靠近泵浦源一端长度为2 mm,另一端长度为18 mm.复合晶体前后两端面都镀有对808和1 342 nm的增透膜,对1 764 nm的透过率为91%. Nd:YVO₄复合晶体对808 nm泵浦光的吸收效率为95%.为及时带走激光晶体在大功率泵浦下产生的热量,减轻激光晶体中的热效应,激光晶体用铟箔包裹置于紫铜块内,并用循环水冷却,水温保持在18 ℃. 声光Q开关长度为46 mm,前后两端面都镀有对1 342和1 525 nm的高透膜.为抑制1 064 nm激光振荡,腔内所有的元件都镀有对1 064 nm高透膜.实验中使腔内各个元件的间隔保持1～2 mm,谐振腔总腔长为108 mm.考虑到由激光晶体材料(n_{1 764 nm}=1.946 8)和声光Q开关(n_{1 764 nm}=1.524 6)折射率引入的附加光程,谐振腔的光学腔长为160.7 mm,光子在腔内往返一次的时间为1.07 ns,相应频率为934.5 MHz. 实验中利用光栅光谱仪把激光输出的基频光(1 342 nm)、一阶Stokes拉曼光(1 525 nm)和二阶Stokes拉曼光(1 764 nm)分开.激光的脉冲信号用高速InGaAs光电探测器(New Focus,型号为1014,上升时间9 ps)探测,连接到带宽为20 GHz的数字示波器(Tektronix MSO 72004C)上进行观察.

图1 自拉曼激光器实验装置
Fig.1 Schematic diagram of the self-Raman laser

在调Q脉冲重复频率(pulse repetition frequency, PRF)为20 kHz时,二阶拉曼调Q锁模激光在不同泵浦功率下的输出功率如图2.当泵浦功率达到15 W,且激光晶体和声光Q开关都有一定偏转角度时,激光器才可以实现调Q锁模运转.但由于元件的偏转增加了腔内损耗,因此导致拉曼转换效率较低.调Q锁模激光的输出功率在泵浦功率为22 W时已趋饱和,最大平均输出功率仅为215 mW,转换效率只有0.98%.当泵浦功率继续加大时,并没有发现输出功率有明显的增加.

图2 调Q重复频率为20 kHz时,二阶Stokes自拉曼调
Q锁模激光的平均输出功率与泵浦功率的关系
Fig.2 Average output power of the second-Stokes QML self-Raman laser versus the incident pump power at the PRF of 20 kHz

图4为基频光和一阶Stokes拉曼激光的脉冲序列图.为了同时探测到这两个脉冲信号,实验采用另外一个PIN光电探测器(EOT,ET-3500)来探测基频光.基频光是直接通过PIN探测器转换成电信号显示在示波器上的,而一阶拉曼激光则是先耦合到一根单模光纤再通过InGaAs光电探测器转换成电信号显示在示波器上.由于单模光纤会引入延时,因此使得示波器上显示基频光信号和一阶拉曼激光信号间隔比较大.当然,由于受激拉曼散射一个级联过程,一阶拉曼激光信号在一定程度上落后于基频光信号.根据以往的经验,一阶拉曼激光脉冲包络的上升沿和基频光脉冲包络的下降沿是重合的.由图4可见,一阶拉曼激光的Q包络宽度(约6.0 ns)明显小于基频光的Q包络宽度(约8.5 ns).因此,受激拉曼散射非线性频率变换过程有使拉曼光脉宽缩短的效果.

结合图3和图4,不难发现基频光、一阶拉曼激光和二阶拉曼激光都实现了锁模运转.基频光的锁模调制深度约为90%,而一阶拉曼激光和二阶拉曼激光的锁模调制深度都达到了100%.这说明受激拉曼转换在拉曼光的锁模过程中发挥了积极的促进作用,增加了拉曼光的锁模效果.

图3 泵浦功率为22 W时,二阶Stokes自拉曼调Q锁模激光器的脉冲包络
Fig.3 The typical pulse trains of QML second-Stokes self-Raman laser at the incident pump power of 22 W

图4 泵浦功率为22 W时,基频光和一阶Stokes自拉曼调Q锁模激光的脉冲包络
Fig.4 The temporal pulse profile of the fundamental emission and the first-Stokes self-Raman emission at the incident pump power of 22 W

图5为1 764 nm调Q锁模激光器在最大平均输出功率为215 mW时的脉冲宽度图. 数字示波器上显示二阶拉曼锁模脉冲宽度为36 ps,但考虑到示波器和探测器的响应时间,二阶拉曼锁模真实的脉冲宽度是小于36 ps的.文献[12]给出了估算锁模脉冲宽度的公式:

t²_measure=t²_real+t²_probe+t²_oscilloscope(1)

其中,t_measure为实验测得锁模脉冲的上升时间; t_real为锁模脉冲真实的上升时间; t_probe为光电探测器的上升时间; t_oscilloscope为示波器的上升时间,可由t_oscilloscope×BW= 0.35～ 0.40给出,BW为示波器的带宽.实验中所使用数字示波器的带宽是20 GHz,相对应的上升时间约为18.8 ps.仔细观察图5可以得到锁模脉冲的上升时间为23 ps,实验中使用的高速InGaAs光电探测器的上升时间为9 ps.根据相关参数和数值,利用式(1)可以估算得到锁模脉冲真实的上升时间为9.7 ps.根据上升时间的定义并考虑到锁模脉冲的对称性,可以估算脉冲宽度为其上升时间的1.25倍^[12].于是,可以进一步算出锁模脉冲的真实宽度约为12 ps.图3的调Q包络里有4个锁模脉冲,而且强度最强的那个脉冲约占Q包络总能量的50.6%.由此可得最大单脉冲能量和最高峰值功率分别为5.44 μJ和453 kW.

图5 泵浦功率为22 W时,二阶Stokes自拉曼调Q锁模激光器的脉冲图
Fig.5 The typical pulse profile of the second-Stokes QML at the incident pump power of 22 W

图6为采用YOKOGAWA公司的AQ-6375光谱分析仪,在泵浦功率为22 W,调Q重复频率为20 kHz时,测量到调Q锁模二阶Stokes自拉曼激光器的输出光谱.图中显示了3条谱线,从左往右分别是1 342.46、1 524.78和1 764.27 nm,分别对应基频光、一阶拉曼激光和二阶拉曼激光,其谱宽分别为0.153 3、0.172 8和0.264 1 nm.可以看到,二阶拉曼激光的光谱最强,基频光和一阶拉曼激光的光谱都很弱,这说明了一阶拉曼激光的能量都向二阶拉曼激光转移了.计算得到基频光、一阶拉曼激光和二阶拉曼激光之间相邻的频移量均为890 cm^-1,对应于VO₄^3-离子团完全对称模的频率.

图6 在泵浦功率为22 W和调Q重复频率为
20 kHz时,激光输出的光谱图
Fig.6 Optical spectrum of the laser at the incident pump power of 22 W and the PRF of 20 kHz

本研究介绍一种结构简单紧凑的调Q锁模二阶斯托克斯自拉曼激光器,实验获得了215 mW的1 764 nm的锁模输出,而且得到的最小锁模脉冲宽度、最大单脉冲能量和最高峰值功率分别为12 ps、5.44 μJ和453 kW.一阶Stokes和二阶Stokes拉曼激光的锁模调制深度都达到100%,而基频光的锁模调制深度约为90%,说明受激拉曼转换对拉曼光的锁模发挥了积极的促进作用,增强了拉曼光的锁模效果.