無(wú)熱退偏損耗Nd∶YAG環(huán)形腔單縱模激光器

楊曉冬,朱偉玲,侯新華

(廣東石油化工學(xué)院理學(xué)院,廣東 茂名 525000)

1 引 言

單縱模激光器具有線寬窄、單色性好以及輸出功率穩(wěn)定等特性。半導(dǎo)體激光泵浦的單縱模固體激光同時(shí)又具有體積小、壽命長(zhǎng)、效率高以及光束質(zhì)量好等顯著優(yōu)勢(shì),其在雷達(dá)、光譜學(xué)、計(jì)量學(xué)及引力波探測(cè)等領(lǐng)域有非常廣泛的用途[1-4]。在諸多單縱模激光技術(shù)中,環(huán)形腔單縱模激光器是獲得高功率單縱模激光輸出的有效的技術(shù)路線,而Nd∶YVO4晶體是目前高功率環(huán)形腔單縱模激光器最為常用的激光晶體。由于Nd∶YVO4晶體發(fā)射線偏振光,可避免晶體內(nèi)熱致雙折射效應(yīng)在腔內(nèi)所引起的熱退偏損耗,從而獲得較高的單縱模激光輸出。2018年,山西大學(xué)盧華東教授研究組使用單片Nd∶YVO4晶體,采用端面泵浦結(jié)構(gòu),獲得53 W連續(xù)波1064 nm單縱模激光輸出,對(duì)應(yīng)光光轉(zhuǎn)換效率44.5 %[4]；同年盧華東教授研究小組在諧振腔內(nèi)使用兩片端面泵浦Nd∶YVO4晶體,同時(shí)在環(huán)形腔內(nèi)加入4f像傳遞系統(tǒng)以增大激光晶體內(nèi)的基模光斑面積,同時(shí)避免由于熱焦距太小使諧振腔進(jìn)入非穩(wěn)區(qū),最大獲得101 W連續(xù)波1064 nm單縱模激光輸出[5]。根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研,該輸出功率為目前最大單縱模激光輸出。但由于在該激光諧振腔內(nèi)使用4f像傳遞裝置,也造成裝置穩(wěn)定性差,激光器調(diào)節(jié)困難。

與Nd∶YVO4晶體相比較,Nd∶YAG晶體熱傳導(dǎo)系數(shù)是Nd∶YVO4晶體的兩倍多,是目前使用最為廣泛的優(yōu)良激光晶體。但由于在高功率泵浦下,Nd∶YAG晶體內(nèi)存在較為強(qiáng)烈的熱致雙折射效應(yīng),導(dǎo)致Nd∶YAG環(huán)形腔單縱模諧振激光器內(nèi)存在較為強(qiáng)烈的熱退偏損耗,從而嚴(yán)重限制Nd∶YAG環(huán)形腔單縱模功率輸出。2001年,瑞士伯爾尼大學(xué)研究人員利用端面泵浦Nd∶YAG環(huán)形腔單縱模激光獲得4.5W連續(xù)波1064 nm單縱模激光輸出,對(duì)應(yīng)的光光轉(zhuǎn)換效率約為19 %[6]；1996年,英國(guó)南安普頓大學(xué)研究者使用端面泵浦Nd∶YAG晶體,從環(huán)形腔中獲得5.4 W連續(xù)波1064 nm單縱模激光輸出[7]；2010年,北京工業(yè)大學(xué)趙偉芳等人使用端面泵浦Nd∶YAG環(huán)形腔單縱模激光器,在泵浦功率為7 W時(shí),獲得2 W連續(xù)波1064 nm單縱模激光輸出[8]；2011年,中國(guó)科學(xué)院理化研究所徐祖彥院士研究組,利用側(cè)面泵浦Nd∶YAG環(huán)形腔結(jié)構(gòu)獲得31.9 W連續(xù)波1064 nm單縱模激光輸出,但其光學(xué)轉(zhuǎn)化效率不到10 %[9]。

因此降低并消除Nd∶YAG環(huán)形腔內(nèi)的熱退偏損耗,對(duì)于充分發(fā)揮Nd∶YAG晶體熱傳導(dǎo)率高以及應(yīng)力裂紋極限大的優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)更高功率單縱模激光輸出具有一定的意義。

本文探索將腔內(nèi)偏振器件-薄膜偏振片的反射光束作為Nd∶YAG環(huán)形腔輸出光束,以消除環(huán)形腔單縱模激光器內(nèi)的熱退偏損耗,并提升其功率及效率。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為Nd∶YAG`四鏡環(huán)形腔實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。兩激光二極管(Ld)側(cè)面泵浦模塊被放置環(huán)形腔內(nèi),直徑為2 mm的Nd∶YAG激光棒被固定在側(cè)泵模塊內(nèi),Nd∶YAG棒側(cè)面通有冷卻水,激光棒兩端面鍍有1064 nm增透膜；3根808 nm Ldbar對(duì)稱環(huán)繞Nd∶YAG棒,在最大24 A驅(qū)動(dòng)電流下,單個(gè)側(cè)泵模塊808 nm最大泵浦功率為60 W；腔鏡M1、M2、M3、M4為45°,1064 nm全反射鏡,腔內(nèi)薄膜偏振片(Thin-film-polarizer)對(duì)s偏振光反射率為99.5 %,對(duì)p偏振光反射率約2 %～3 %。腔內(nèi)法拉第磁光旋光器(Faraday rotator)、二分之一波片與薄膜偏振片構(gòu)成腔內(nèi)光學(xué)單向器,強(qiáng)迫腔內(nèi)p偏振光沿箭頭所示方向單向運(yùn)轉(zhuǎn),以消除晶體內(nèi)空間燒空,在各向同性晶體內(nèi)縱模模式競(jìng)爭(zhēng)的作用下,實(shí)現(xiàn)單縱模激光運(yùn)轉(zhuǎn)。

當(dāng)腔內(nèi)激光單向運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),1064 nm單縱模激光束以布儒斯特角入射到薄膜偏振片,晶體內(nèi)熱致雙折射效應(yīng)所產(chǎn)生的s偏振光被完全反射,同時(shí)約有2 %～3 %的P偏振光也被薄膜偏振片反射,這些反射光束即為環(huán)形腔輸出光束。由于本環(huán)形腔輸出光束為薄膜偏振片所反射s偏振光與p偏振光迭加,光束偏振態(tài)應(yīng)為橢圓偏振光。腔內(nèi)所放置法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具為一片兩面未鍍膜的石英片,其作用為避免縱模跳模。整個(gè)環(huán)形腔長(zhǎng)度約為0.8 m,根據(jù)高斯光束傳輸矩陣計(jì)算可得,晶體內(nèi)基模光斑直徑約為1 mm。腔內(nèi)光闌直徑約為0.8 mm,其作用為抑制腔內(nèi)高階模；兩LD側(cè)泵模塊間放置90°石英旋光片,以補(bǔ)償晶體內(nèi)的光束熱致雙折射效應(yīng)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

與使用專門(mén)輸出耦合鏡Nd∶YAG環(huán)形腔單縱模激光器相比較,由于該環(huán)形腔輸出光束為薄膜偏振片反射光束,熱致雙折射效應(yīng)在晶體中所激發(fā)的s偏振光為環(huán)形腔輸出光束,所以腔內(nèi)熱退偏損耗可被完全避免；同時(shí),由于薄膜偏振片對(duì)p偏振光反射率為2 %～3 %,所以在使用單獨(dú)輸出耦合腔鏡的環(huán)形腔內(nèi),存在2 %～3 %的p偏振光反射損耗,而在本環(huán)形腔內(nèi)該損耗也可以完全消除。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

將圖1所示諧振腔中二分之一波片快軸相對(duì)腔內(nèi)p偏振光順時(shí)針旋轉(zhuǎn)22.5°,使腔內(nèi)光束沿箭頭方向單向運(yùn)轉(zhuǎn),測(cè)量薄膜偏振片反射輸出功率隨著驅(qū)動(dòng)電流變化曲線,測(cè)量結(jié)果如圖2所示。由圖2可得,當(dāng)側(cè)泵模塊驅(qū)動(dòng)電流為21 A時(shí),環(huán)形腔最大輸出功率為5.1 W。圖3為在驅(qū)動(dòng)電流為20 A時(shí),利用自由光譜區(qū)為3.75 GHz,精細(xì)常數(shù)為100的共焦球面掃描干涉儀對(duì)薄膜偏振片反射光束掃描所得結(jié)果,從圖3可確定,該Nd∶YAG:環(huán)形腔單縱模運(yùn)轉(zhuǎn),其單縱模激光線寬約為200 MHz。在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中,激光縱模模式穩(wěn)定。

圖2 Nd∶YAG環(huán)形腔輸出功率隨驅(qū)動(dòng)電流變化曲線

圖3 共焦球面掃描干涉儀掃描結(jié)果

為測(cè)量薄膜偏振片反射輸出光束偏振特性,在激光功率計(jì)前放置格蘭泰勒棱鏡。將棱鏡透偏初始方向設(shè)置為與腔內(nèi)p偏振光方向一致,將格蘭泰勒棱鏡旋轉(zhuǎn)一周,在驅(qū)動(dòng)電流為20 A條件下,測(cè)量棱鏡透過(guò)功率隨透偏軸方向變化,測(cè)量結(jié)果如圖4所示。從圖4可得,透射功率最小值約為19 mW,最大透射功率約為3.9 W,輸出光束近似為線偏振光,其光矢量振動(dòng)方向與腔內(nèi)p偏振光光矢量振動(dòng)方向夾角為106°。

根據(jù)偏振光合成理論,反射輸出光束是由薄膜偏振片所反射p偏振光和s偏振光的迭加,反射輸出光束應(yīng)為橢圓偏振光。但由于本實(shí)驗(yàn)中,薄膜偏振片對(duì)于p偏振光反射率僅為2 %～3 %,反射光束中p偏振光功率很低,而薄膜偏振片對(duì)s偏振光幾乎為全反射,反射光束中s偏振光強(qiáng)度遠(yuǎn)大于p偏振光強(qiáng)度,所以橢圓偏振光退化為線偏振光,測(cè)量結(jié)果也說(shuō)明這一點(diǎn)。根據(jù)圖4所示測(cè)量結(jié)果,當(dāng)棱鏡透偏方向與腔內(nèi)p偏振光夾角為0°時(shí),棱鏡透射p偏振光,透射功率約為0.18 W,功率很低；而當(dāng)棱鏡透偏方向與腔內(nèi)p偏振光夾角為90°時(shí),棱鏡透射s偏振光,透射功率約為4 W,薄膜偏振片所反射s偏振光功率約為p偏振光功率20倍,所以s與p偏振光迭加所合成橢圓偏振光短軸方向功率值很低,橢圓偏振光退化為線偏振光。

圖4 格蘭泰勒棱鏡透射功率

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,本實(shí)驗(yàn)輸出功率依然不高,其原因可歸結(jié)與以下兩方面:側(cè)面泵浦效率較低。在模塊中,808 nm均勻泵浦充滿直徑為2 mm的Nd∶YAG激光棒橫截面,而激光棒內(nèi)基模光斑直徑約為1 mm,泵浦光與腔模重疊效率約為25 %,僅有約25 %的泵浦能量能被利用；薄膜偏振片對(duì)p偏振光的反射率約為2 %～3 %,與泵浦功率不匹配,可能太低,并非最佳輸出值。所以,采用效率更高的端面泵浦結(jié)構(gòu),同時(shí)采用對(duì)p偏振光反射率與泵浦功率相匹配的薄膜偏振片,Nd∶YAG環(huán)形腔單縱模輸出功率及效率可獲得顯著提高。

4 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)表明,采用薄膜偏振片反射光束作為Nd∶YAG環(huán)形腔單縱模激光器輸出光束,可有效避免腔內(nèi)熱退偏損耗以及薄膜偏振片對(duì)p偏振光2 %～3 %的反射損耗,并獲得單縱模激光輸出。通過(guò)對(duì)本環(huán)形腔泵浦結(jié)構(gòu)、及薄膜偏振片反射率的優(yōu)化,有望獲得結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單,輸出功率更高的Nd∶YAG環(huán)形腔激光器。