578 nm声光调Q Nd:YLF/ KGW/ LBO拉曼黄光激光器

Peining Chen, Zefeng Xiao, Yaodi Nan, Yisen Wang, Weifeng Tan, Xiaoman Xu, Siqi Zhu, Hao Yin, Zhen Li, Zhenqiang Chen and Shibo Dai, Acousto-optically Q-switched Nd:YLF/KGW/LBO Raman yellow laser operating at 578 nm, Opt. Lett. 50(5): 1621-1624 (2025).

光谱范围为550-590 nm的黄色相干光源对于激光纳导星、医学和生物医学科学、流式细胞术、光声显微镜和光学原子钟等广泛应用特别感兴趣。特别是，由于氧合血红蛋白的高吸收和弱眼内散射以及黄斑叶黄素色素的低吸收的优点，工作在577±4 nm的黄光源通常用于治疗糖尿病视网膜病变、年龄相关性黄斑变性和青光眼等眼部疾病。此外，由于在皮肤组织中的深度穿透和低黑色素吸收，黄光已被广泛用于治疗皮肤病，如面部毛细血管扩张和面部红斑。

如今，研究人员采用了许多技术来产生577 nm附近的黄光。染料激光器和铜蒸气激光器都能够实现高功率的黄光输出，但它们的广泛应用受到与大尺寸、高成本和毒性相关的固有缺点的阻碍。半导体激光器的直接发射或腔内倍频可以提供连续波黄光，但可用的输出功率仅限于瓦级。尽管稀土掺杂固体激光器和光纤激光器可以直接发射数百毫瓦的连续波黄光激光器，但这些方法的进一步发展不可避免地受到泵浦波长处低吸收截面和激光波长处高激发态吸收的阻碍。迄今为止，将受激拉曼散射与二次谐波产生或和频产生相结合的二极管泵浦掺钕固态激光器已被公认为产生黄光的实用有效方法。例如，一台579.5 nm的二极管泵浦腔内Nd:YVO4/KGW/LBO拉曼黄光激光器被证明具有6.8 W的最高连续波输出功率。随后，该小组还实现了一台578 nm的二极管泵腔内Nd:GdVO4/KGW/LBO拉曼黄光激光器，其最大导通时间输出功率高达10.5 W，重复率为500 Hz，占空比为50%。

与连续波或长脉冲（毫秒或微秒脉冲）激光器相比，纳秒脉冲激光器可以更好地控制热传递，从而避免对某些生物组织（如视网膜色素上皮细胞）的附带损伤。特别是，高功率或高能纳秒脉冲前黄激光在需要瞬间高能破坏靶组织的治疗方面具有巨大的潜力，如黄斑水肿和血管疾病。然而，关于纳秒脉冲拉曼黄激光的研究很少，最高平均输出功率仅限于瓦级。例如，产生了578 nm的声光调Q Nd:YAG/LiIO3/LBO拉曼黄光，平均输出功率为1.2 W，脉冲能量为0.12 mJ。最近，一种二极管泵浦的被动调Q Nd:YVO4/KGW/LBO拉曼黄光在579 nm波长下被制造出来，平均输出功率为1 W，脉冲能量为0.1 mJ。有限的平均功率和脉冲能量可能会限制它们的广泛应用。

在这里，研究人员使用临界相位匹配的LBO晶体对声光调Q Nd:YLF/KGW拉曼激光器进行腔内倍频，实现了一种在578 nm下工作的高功率和高能纳秒脉冲拉曼黄光激光器。在此，Nd:YLF晶体因其较长的上激光能级寿命（约500 μs）而优选作为激光增益介质，这有利于产生1.0 μm左右的高能纳秒脉冲激光。由于Nd:YLF晶体具有相对较低的热断裂极限（约33 Mpa），因此，研究人员采用了几种方法，包括低量子缺陷泵浦和多分段结构，来减轻热效应并提高热断裂泵浦极限。为了实现577 nm附近的黄光发射，基于收集到的一些常用拉曼晶体的主要拉曼位移，选择π偏振的1047 nm Nd:YLF激光器作为基本激光器。然而，π偏振光束在Nd:YLF晶体中的热透镜效应是负的且严重的。为了解决这个问题，采用正球面透镜来补偿负热透镜效应，这可以大大提高拉曼黄激光的输出功率和转换效率。此外，KGW晶体因其高损伤阈值、相对较大的拉曼增益系数和沿Nm轴在901 cm^(-1)处的强拉曼振动模式而被选为拉曼增益介质。因此，在51 W的入射泵浦功率和5 kHz的最佳重复率下，578 nm的黄光的最高平均输出功率高达4.5 W，脉冲持续时间为6.7。此外，在重复频率为1 kHz、脉冲宽度为5.6 ns、峰值功率接近660 kW的情况下，获得了3.6 mJ的最大脉冲能量，这里获得的平均功率和脉冲能量远高于之前的纳秒脉冲固态拉曼黄光。

实验装置，如图1所示。泵浦源为120 W连续波光纤耦合激光二极管，数值孔径为0.22，芯半径为200 μm。在整个功率范围内，泵浦源的中心波长被温度调谐到880 nm左右，以对准Nd:YLF晶体相对较弱的吸收峰。利用1:4放大倍数的耦合系统将焦斑半径约为400 µm的泵浦光束重新成像到Nd:YLF晶体中。选择尺寸为3×3×40 mm^3的多段Nd:YLF晶体作为激光增益介质，因为与均匀掺杂的Nd:YLF晶体相比，其纵向温度分布更平滑，断裂极限激光强度更高且它通过将20 mm长的0.5 at.%掺杂Nd:YLF结晶、10 mm长的1.0 at.%掺杂物Nd:YLF水晶和10 mm长的2.0 at.%的掺杂Nd:YLB结晶顺序结合在一起而形成。它的正面涂有880 nm和1047-1053 nm的高透射率（T>99.5%），背面涂有1047-1052 nm的高透射（T>99.5%）和880 nm的部分反射（R≈60%）。在非激光情况下，泵浦光束吸收效率估计为90%。为了确保π偏振下1047 nm的基本激光振荡，Nd:YLF晶体的c轴平行于薄膜偏振器的s偏振方向。调Q由声光调制器完成，该调制器在两面涂有1047 nm（R<0.2%）的抗反射涂层，并由27.12 MHz的超声频率发生器驱动。选择尺寸为3×3×26 mm^3的Np切割KGW晶体作为拉曼增益介质，其两端在1047 nm和1156 nm（R<0.2%）处涂有抗反射涂层。KGW晶体的Nm光学主轴平行于Nd:YLF晶体的π偏振方向，以获得901 cm^(-1)的拉曼位移, 从而在1156 nm处产生所需的第一斯托克斯激光。用于第一斯托克斯激光器二次谐波的非线性晶体是一种I型临界相位匹配LBO晶体，尺寸为3×3×15 mm^3，切割角度为θ=90°和Φ=4°。其两端分别涂有1047 nm和1156 nm（R<0.5%）和578 nm（R<2%）的抗反射涂层。所有晶体都用铟箔包裹，并放置在由17°C循环水冷却的铜散热器上。

图1 由多段Nd:YLF激光器驱动的纳秒脉冲拉曼黄光的布局。

如图1所示，L形基波谐振器由输入镜M1、薄膜偏振器P和输出耦合器M4构成。曲率半径为300 mm的平面凹面镜M1在880 nm（T>98%）处涂覆了高透射率涂层，在1047 nm处涂覆了高反涂层（R>99.9%）。55.6°薄膜偏振器在1047 nm处涂覆了s偏振光高反涂层（R>99.9%）和p偏振光高透射率涂层（T>98%）。曲率半径为300 mm的平凹面镜M4在1047 nm和1156 nm处涂覆了高反（R>99.9%），在578 nm处涂覆了部分透射（T≈75%）。与输出耦合器M4一起构成拉曼谐振器的平面镜M2在1047 nm处具有高透射率涂层（T>99.5%），在1156 nm处具有高反涂层（R>99.9%）。为了收集反向传播中的亲黄光，在KGW晶体和LBO晶体之间插入了另一个平面镜M3，该平面镜M3在1047 nm和1156 nm处涂覆了HT（T>99.7%），在578 nm处涂覆了高反（R>99.9%）。采用短通滤波器滤除残留的泵浦、基波和斯托克斯激光器。基波和拉曼谐振器的物理长度分别测量为约220 mm和80 mm。激光光谱由分辨率为0.05 nm的光谱分析仪监测。时间特性由高速光电探测器记录，输出信号显示在数字示波器上。

为了补偿Nd:YLF晶体中π偏振光束的负热透镜效应，研究人员将一个具有300毫米精心选择的焦透镜的平凸球面透镜紧紧地放置在Nd:YLF水晶后面。根据ABCD传递矩阵理论，在51 W的最高入射泵浦功率下，模拟了基波谐振腔内不同位置的1047 nm TEM00模的平均光束半径。从图2中可以看出，插入平凸透镜后，激光、拉曼和二次谐波产生晶体上1047 nm TEM00模的平均光束半径分别从约230 μm、270 μm和290 μm变为约260 μm、200 μm和210 μm。激光晶体上增大的基模尺寸有利于提高模到泵浦的重叠效率，而拉曼和二次谐波产生晶体上减小的基模大小有利于提高拉曼转换效率和倍频转换效率。

图2 在51 W的最大入射泵浦功率下，在没有和有平凸透镜的情况下，基波谐振器内不同位置的1047 nm TEM00模式的光束半径。

研究人员在5 kHz的最佳重复率和5%的最佳占空比下研究了声光调Q拉曼黄光激光器的输出特性。在没有和有平凸透镜的情况下，在整个泵浦功率范围内监测了激光光谱，确定了黄光激光器的中心波长约为578.2 nm，半最大全宽约为0.2 nm，如图3(a)的插图所示。图3(a)还绘制了拉曼黄光相对于入射泵浦功率的功率传递。对于没有插入平凸透镜的情况，在6.2 W的激光阈值以上，黄光以7.0%的斜率效率线性增加，并在51 W的入射泵浦功率下以6.1%的光功率转换效率达到3.1 W的最大平均输出功率。在插入一个f=300 mm的平凸透镜后，激光阈值略微降低到6.0 W，黄光激光器的最大平均输出功率上升到4.5 W，斜率效率为10%，光功率转换效率为8.8%。很明显，插入平凸透镜后平均功率和转换效率的显著提高主要归因于拉曼和二次谐波产生晶体上基模尺寸减小导致的腔内基模激光功率密度的提高。根据主动调Q腔内倍频拉曼激光器的数值模拟，通过改善输出耦合器在二次谐波场的传输、减少基波和第一斯托克斯场的往返损耗以及增加KGW和LBO晶体的长度，可以显著提高输出功率和转换效率。与之前的纳秒脉冲拉曼黄激光相比，这里获得的最高平均输出功率提高了约四倍。在全入射泵浦功率下，1小时内相应的功率波动分别为0.56%和0.41%。此外，研究人员通过热释电相机评估了拉曼黄光激光器的空间特性。在这两种情况下，前黄激光的光束质量都随着入射泵浦功率的增加而恶化。如图4所示，在全入射泵浦功率下，在自由运行的情况下，沿x和y方向的光束质量因子分别为1.55和1.63，而在插入f=300 mm平凸透镜时和之后，它们会退化。虽然使用平凸透镜的泵浦模式重叠效率略高于没有平凸透镜时的效率，但在插入平凸透镜后，光束质量仍会下降。这主要归因于第一斯托克斯激光器的高阶横模振荡，该振荡基本上源于KGW晶体中在升高的斯托克斯功率下产生的像散热透镜。如图4的插图所示，由于Nd:YLF晶体沿a和c轴的不对称热透镜效应，观察到略微椭圆形的远场光束轮廓。

图3（a） 在没有和有平凸透镜的情况下，平均输出功率与入射泵浦功率的关系；（b）插入平凸透镜后，黄光的脉冲宽度和峰值功率与入射泵浦功率的关系。插图显示了全泵浦功率下黄光的归一化光谱。

图4 在最大泵浦功率下（a）无透镜和（b）有透镜的情况下，黄光激光器的光束质量因子和远场光束轮廓。

对于这两种情况，拉曼黄光激光器的脉冲特性相对于入射泵浦功率进行了进一步记录。如图3(b)所示，随着泵浦功率的增加，黄光的脉冲宽度大致下降，插入平凸透镜的脉冲宽度比自由运行情况下的脉冲宽度短得多，这可能由于增强受激拉曼散射过程中的显著脉冲宽度压缩效应造成。在全入射泵浦功率下，没有和有平凸透镜的黄光激光器的脉冲宽度分别下降到9.5 ns和6.7 ns左右，从而导致峰值功率高达66 kW和134 kW左右。在4.5 W的全输出功率下，脉冲幅度的峰间不稳定性估计约为3.3%，时间脉冲轮廓非常平滑，没有任何卫星脉冲的迹象。

通过用长通滤波器替换短通滤波器，发现由于输出耦合器在这两个波长上的透射率极低，基波和第一斯托克斯激光器的泄漏功率可以忽略不计。令人惊讶的是，如图3(a)所示，当没有和有平凸透镜的入射泵浦功率分别高于8.0 W和7.1 W时，出现了1291 nm处不需要的第二斯托克斯激光，其中输出耦合器在第二斯托克斯场的透射率约为20%。此外，在51 W的最大注入泵浦功率下，相应的第二斯托克斯平均输出功率单调上升到260 mW和400 mW。通过添加用于第一斯托克斯和第二斯托克斯场的超临界和频产生的控制晶体或改进倍频晶体的长度，可以实现第二斯托克斯电场的完全耗尽，从而显著提高了黄光激光器的输出功率。

通过在51 W的恒定入射泵浦功率下将重复率从1 kHz改变到10 kHz，研究人员对具有平凸透镜的拉曼黄光进行了进一步评估。如图5(a)所示，平均输出功率从1 kHz的3.6 W上升到5 kHz的4.5 W，此后随着重复率的提高而单调下降。因此，脉冲能量从1 kHz重复率的3.6 mJ连续降低到10 kHz重复率的0.24 mJ。如图5(b)所示，随着重复率的增加，黄光的脉冲宽度从约5 ns增加到13 ns，导致峰值功率从660 kW降低到18 kW，这里展示的最大脉冲能量和峰值功率比之前的纳秒脉冲拉曼黄光高出约一个数量级。

图5（a） 平均功率和脉冲能量；（b） 在51W的最大入射泵浦功率下，相对于重复率，插入透镜后的黄光的脉冲宽度和峰值功率。