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专家视点
波长在660-760 nm范围内的深红色激光源在光合作用、光动力疗法、皮肤科以及紫外激光生成等众多应用中备受青睐。此外，纳秒脉冲深红辐射源还为光声成像、受激发射损耗显微镜、雷达探测和光学泵浦碱金属蒸汽激光器等应用带来了前所未有的能力。在此，Zhao等人在极界相匹配的三硼酸锂晶体中，通过主动调Q的Nd:YLF双激光晶体基KGW拉曼激光器的腔内二次谐波产生，实现了一种高功率可调谐、可扩展的纳秒脉冲深红激光器。通过利用KGW晶体的768 cm-1和901 cm-1的拉曼位移，分别产生了1461 nm和1490 nm的第一斯托克斯场，然后，通过精细调节三硼酸锂晶体的相位匹配角并仔细重新调整谐振腔，将它们转换为731 nm和745 nm的深红色发射线。利用Nd:YLF双晶体配置和精心设计的L形谐振腔的优点，该深红色激光系统在83 W泵浦功率和最佳脉冲重复频率4 kHz下实现了最大平均输出功率5.2 W和7.6 W，对应的光电转换效率接近6.3%和9.2%。分别获得了6.7 ns和5.5 ns的脉冲宽度和高达190 kW和350 kW的峰值功率，最终的光束质量被确定为接近衍射极限，M2≈1.5。与之前的结果相比，平均输出功率提高了约两倍，同时转换效率有所提高。该工作发表在Optics Letters上。
Hui Zhao, Chenhui Lin, Jiayi He, Siqi Zhu, Hao Yin, Zhen Li, Zhenqiang Chen, and Shibo Dai, Nanosecond pulsed deep-red Raman laser based on the Nd:YLF dual-crystal configuration. Opt. Lett. 49(4): 1009-1012 (2024).
波长在660-760 nm范围内的深红色激光源在光合作用、光动力疗法、皮肤科以及紫外激光生成等众多应用中备受青睐。此外，纳秒脉冲深红辐射源还为光声成像、受激发射损耗显微镜、雷达探测和光学泵浦碱金属蒸汽激光器等应用带来了前所未有的能力。具体来说，具有短脉冲持续时间（纳秒级）、高重复频率（千赫兹）、高光束质量（M2<1.5）和大脉冲能量（毫焦级）的纳秒脉冲深红色激光源具有良好的空间高度分辨率、高采样率、高信噪比和大检测范围，这在测高和植被监测方面具有重要的应用价值。
到目前为止，有多种可用策略用于产生深红色激光辐射。垂直外腔面发射激光器能够以接近8.5 W的连续波输出功率实现高效的深红色激光发射，但由于出现较短的上状态寿命（ns类），它们很少在纳秒脉冲模式下工作。深红激光还可以通过掺杂稀土离子的晶体或光纤激光器直接发射，其连续波输出功率可超过4 W。然而，高效的调Q运转仍是一个挑战，源于不足的发射截面和较短的上能级寿命。在过去的几十年里，钛宝石激光器和光学参量振荡器被公认为是提供可广泛调节的纳秒脉冲深红色激光的合适候选者，而庞大且昂贵的固态绿色激光器可能是这些深红色激光源进一步发展的巨大障碍。红二极管泵浦白铁矿激光器目前是产生高功率和高能深红色激光器的解决方案，可产生连续波输出功率超过26 W、调Q脉冲能量高达3 mJ的高功率、高能量深红色激光源。然而，纳秒级的深红色激光必须通过复杂的腔内电调Q技术来实现。
晶体拉曼激光器与二次谐波产生或和频产生相结合正成为一种新兴的方法，用于实现具有高光束质量和短脉冲宽度的纳秒脉冲深红激光器，这是因为相干拉曼散射的优越特性，包括拉曼光束净化和脉冲宽度缩短。此外，晶体拉曼材料不易激发其他非线性效应，这可能有利于产生具有可扩展脉冲能量和峰值功率的纳秒脉冲深红激光器。最近，通过在腔内进行频率转换的KGW拉曼激光器实现了一系列纳秒脉冲深红激光源，可以通过使用角度调整的铋酸硼晶体来发射多个独立的深红激光发射线。然而，铋酸硼晶体较大的空间偏移角度不可避免地导致光束质量恶化、转换效率降低，甚至出现第二斯托克斯场。在上述研究的基础上，研究人员通过采用具有极小的空间发散角（约4毫弧度）的锂铌酸锂晶体进行腔内倍频的Nd:YLF/KGW拉曼激光器，实现了745 nm高效脉冲红外激光器，最大平均输出功率为4.1 W。然而，由于Nd:YLF晶体的低断裂强度限制和沉积在KGW晶体上的光学涂层的激光损伤，进一步提高该深红外拉曼激光器的功率和能量受到了阻碍。更糟糕的是，由于不同的二次谐波产生过程之间的相位匹配角度存在差异，深红外激光发射线仅限于单一波长。鉴于各种科学和实际应用的迫切需求，开发高质量、可扩展功率和可切换波长的纳秒级深红外激光源至关重要。
实验装置，如图1所示。泵浦源为波长锁定的窄带光纤耦合激光二极管（数值孔径为0.22，芯径为200 μm），可以在约880 nm的中心波长处提供超过100 W的最大连续波输出功率，这与Nd:YLF晶体的弱吸收峰相一致。经过聚焦透镜F1（焦距为50 mm）准直后，泵浦光通过偏振分束器分为两束具有正交偏振的光。为了实现高的模式-泵浦重叠效率，s偏振和p偏振的泵浦光束分别通过聚焦透镜F2（焦距为250 mm）和F3（焦距为200 mm）聚焦，从而产生直径约为1 mm和0.8 mm的焦点光斑。使用半波片将s偏振泵浦光调整为p偏振泵浦光，以对准a切割Nd:YLF晶体的c轴，从而提高泵浦光的吸收效率。使用两块具有1原子百分比掺杂浓度的a切割Nd:YLF晶体。该激光器的尺寸为3×3×30 mm³，其前端面在880 nm（T >99.8%）和1047-1314 nm（T >99.5%）波段进行了防反射涂层处理，后端面在1047-1314 nm（T >99%）波段进行了防反射涂层处理。值得注意的是，两块激光晶体的c轴垂直于水平方向放置，使得非激光状态下的泵浦光吸收效率高达约93%。该激光器采用声光调制器进行调Q运转，该调制器在1314 nm波段的两面均进行了防反射涂层处理（R <0.2%），并由一个27.12 MHz的超声频率发生器驱动，该发生器以100 W的射频功率工作。该激光器还使用了一块尺寸为3×3×30 mm³的Np-切割KGW晶体作为拉曼增益介质，该晶体在1314-1490 nm波段的两端均进行了防反射涂层处理（R <0.2%）。通过沿KGW晶体的Np光学轴旋转该晶体，可以获得768 cm-1（Ng）和901 cm-1（Nm）两个不同的拉曼位移，从而分别生成1461 nm和1490 nm的第一斯托克斯场。为了确保二次谐波的高效产生并抑制不必要的二次斯托克斯场，研究人员采用了尺寸为3×3×25 mm³的类型I锂铌酸锂晶体作为倍频晶体，沿θ =90°和Φ =7°切割，并在731-745 nm（R =2.5%）、1314 nm（R <0.03%）和1461-1490 nm（R <0.1%）两个面上镀上防反射膜。所有晶体均用铟箔包裹，并精确地安装在水冷铜夹具中，温度恒定在20°C，精度为0.1°C。
总之，研究人员实现了一种功率可扩展的纳秒脉冲深红拉曼激光器，该激光器由Nd:YLF双晶结构、线偏振泵浦光和综合优化的L形谐振腔证实。此外，通过微调三硼酸锂晶体的相位匹配角和仔细调整输出耦合器，实现了波长可切换的深红色拉曼激光输出。在入射泵浦功率为83 W、最佳脉冲重复频率为4 kHz的条件下，该装置在731 nm处和745 nm处的最高平均输出功率分别为5.2 W和7.6 W，总光功率转换效率分别为6.3%和9.2%，所得光束质量在M2<1.5时接近衍射极限。相应的，脉冲宽度为6.7 ns和5.5 ns，峰值功率分别约为190 kW和350 kW。通过提高KGW晶体的涂层质量和采用多节段Nd:YLF晶体，可以实现10 W级深红拉曼激光器。这项研究是在各种工业应用（如测高和植被监测）中，向调Q的翠绿宝石激光器的替代选择迈出的重要一步。
研究人员简介
陈振强，暨南大学物理与光电工程学院教授，研究方向为光电晶体材料的生长技术、发光性能及其发光机理、新颖激光技术与激光器件设计、激光技术的工业应用、高光谱显微成像技术及应用等。
E-mail: tzqchen@jnu.edu.cn
代世波，暨南大学物理与光电工程学院副教授，研究方向为晶体拉曼激光技术、中红外超快激光技术、全固态深紫外激光技术、高功率激光技术等。
E-mail: daishibo12@jnu.edu.cn
