912 nm/1064 nm同步雙波長(zhǎng)激光特性研究

尤建村,聞 軍,馬業(yè)萬(wàn)

(安慶師范大學(xué)電子工程與智能制造學(xué)院,安徽 安慶 246011)

1 引 言

近年來(lái),同步雙波長(zhǎng)激光器在多個(gè)領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用,如光譜學(xué),光通訊,醫(yī)療器械,激光雷達(dá),環(huán)境監(jiān)測(cè)以及非線性光學(xué)的研究等方面[1-4]。摻釹晶體由于其高增益,寬吸收帶等優(yōu)勢(shì)可用做激光材料輸出高功率雙波長(zhǎng)激光。例如Nd∶YVO4[5-6]和Nd∶GdVO4[7-8],Nd∶LuVO4[9],Nd∶YAG[10]等晶體被廣泛用于此類激光器。目前,通過(guò)使用二極管泵浦,同步雙波長(zhǎng)激光器運(yùn)轉(zhuǎn)在1.06 μm4F3/2-4I11/2和1.3 μm4F3/2-4I13/2兩個(gè)四能級(jí)躍遷的過(guò)程中,已經(jīng)在Nd∶YVO4和Nd∶GdVO4,Nd∶YAG晶體中實(shí)現(xiàn)[5-8]。并且,以相同的高能級(jí)F3/2和三個(gè)不同的低能級(jí)4I9/2,4I11/2,4I13/2為基礎(chǔ)的雙波長(zhǎng)激光器也已經(jīng)被報(bào)道[11-13],包括通過(guò)專門的腔鏡鍍膜的方法輸出1074 nm /1112 nm[14],通過(guò)使用法布里-珀羅濾鏡作為輸出耦合的方法輸出1064 nm/1073 nm[15],以及近幾年的1319/1338 nm[16],1052 nm/1064 nm[17],1357 nm/1444 nm[18]等雙波長(zhǎng)激光器被報(bào)道?？傮w而言,摻釹晶體的同步雙波長(zhǎng)激光器可以歸為兩類；第一類包含了兩種不同的能級(jí)躍遷,4F3/2-4I9/2,4F3/2-4I11/2或者4F3/2-4I13/2,產(chǎn)生了大的波長(zhǎng)間隔；第二類是激光運(yùn)轉(zhuǎn)在同一激光躍遷的過(guò)程中,伴隨著很小的波長(zhǎng)間隔。然而雙波長(zhǎng)激光器使用相同的激光介質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)在相同的諧振腔內(nèi)是相當(dāng)困難的,由于圍繞1.06 μm的4F3/2-4I11/2有效躍遷比圍繞0.91 μm的4F3/2-4I9/2準(zhǔn)三能級(jí)躍遷的受激發(fā)射截面高近20倍,兩者存在明顯的增益競(jìng)爭(zhēng)。因此,雙波長(zhǎng)激光器使用單一的激光晶體是低效的。為了避免增益競(jìng)爭(zhēng),雙波長(zhǎng)輸出也可以通過(guò)使用復(fù)合腔分別泵浦兩個(gè)激光晶體來(lái)產(chǎn)生,然而,該方法難以應(yīng)用和商業(yè)化,因?yàn)樗枰獌蓚€(gè)結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的泵浦裝置,在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中給調(diào)整過(guò)程帶來(lái)了更大的困難。非線性頻率變換也是獲得雙波長(zhǎng)輸出的重要手段,如和頻、拉曼頻移等。然而,這些方法需要考慮嚴(yán)格的相位匹配和結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜。具有腔內(nèi)級(jí)聯(lián)泵浦方式的雙波長(zhǎng)激光器結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,可有效避免腔內(nèi)增益競(jìng)爭(zhēng),而且腔內(nèi)激光可直接將Nd3+離子泵浦到4F3/2激光上能級(jí),有效的降低了熱負(fù)載效應(yīng)。

本文首先提出了準(zhǔn)三能級(jí)和四能級(jí)腔內(nèi)泵浦的連續(xù)光雙波長(zhǎng)激光器的理論模型,推導(dǎo)出雙波長(zhǎng)激光器的輸出功率的表達(dá)式,并在理論模型基礎(chǔ)上,采用腔內(nèi)級(jí)聯(lián)泵浦方式,以879 nm激光二極管為泵浦源,Nd∶GdVO4晶體產(chǎn)生912 nm準(zhǔn)三能級(jí)激光,912 nm激光作為Nd∶YVO4激光晶體的腔內(nèi)激光泵浦源,產(chǎn)生1064 nm四能級(jí)激光輸出。這兩種泵浦過(guò)程都屬于直接泵浦,可以減少泵浦光子與激光光子之間的斯托克斯位移,提高斯托克斯效率。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化后,獲得912 nm的準(zhǔn)三能級(jí)激光最大輸出功率為0.65 W,斜效率約為7 %,1064 nm的四能級(jí)激光最大輸出功率為1.58 W,斜效率約為16.6%。

2 理論模型

假設(shè)泵浦光強(qiáng)在準(zhǔn)三能級(jí)激光和四能級(jí)激光上的分配是均勻的,且空間位置不變化。假設(shè)準(zhǔn)三能級(jí)激光的增益介質(zhì)尺寸是l1,折射率是n1,激光諧振腔長(zhǎng)是L1,束腰半徑是ω1。四能級(jí)激光的增益介質(zhì)尺寸是l1,折射率是nn,激光諧振腔長(zhǎng)是L2,束腰半徑是ω02。腔內(nèi)第二個(gè)增益介質(zhì)的泵浦源是腔內(nèi)的準(zhǔn)三能級(jí)激光,可以把第二塊增益介質(zhì)的對(duì)腔內(nèi)激光的吸收看做準(zhǔn)三能級(jí)激光的腔內(nèi)損耗?；谝陨系睦砟?建立了腔內(nèi)泵浦的雙波長(zhǎng)連續(xù)激光的速率方程[19]。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

表1 文中符號(hào)所表示的物理量

以上模型的建立是基于泵浦光強(qiáng)分配均勻,且空間位置不變的假設(shè)條件,推導(dǎo)出了準(zhǔn)三能級(jí)激光器和四能級(jí)激光器的輸出功率表達(dá)式。如果假設(shè)條件不成立,泵浦光場(chǎng)分布不均,則會(huì)使光束束腰半徑,發(fā)散角,光吸收效率等參數(shù)出現(xiàn)不穩(wěn)定變化,從而導(dǎo)致激光閾值增加；光束質(zhì)量因子下降；光轉(zhuǎn)換效率降低；晶體內(nèi)部溫度場(chǎng)分布不均勻,折射率分布不均,產(chǎn)生附加相位空間變化,增加腔內(nèi)損耗等多種狀況出現(xiàn)。這種狀況與以上建立模型相差較大。通過(guò)對(duì)式(5)和式(6)進(jìn)行分析,可知要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)三能級(jí)激光和四能級(jí)激光的振蕩,須有效降低損耗,降低激光器的閾值,可從多角度進(jìn)行設(shè)計(jì),如選擇低損耗腔鏡,晶體濃度適當(dāng),晶體尺寸不宜過(guò)長(zhǎng)等方案來(lái)提升泵浦光的吸收效率,泵浦光的束腰半徑要足夠小,并選擇合理的諧振腔結(jié)構(gòu)等。

3 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1所示為連續(xù)雙波長(zhǎng)激光器運(yùn)轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)裝置,泵浦源為879 nm光纖耦合激光二極管,光纖芯直徑為200 μm,數(shù)值孔徑為0.16,通過(guò)一對(duì)焦距為50 mm,耦合效率為95 %的聚焦透鏡將泵浦光注入激光晶體。其中平凹鏡M1和平平鏡M2構(gòu)成了912 nm激光振蕩的諧振腔,用來(lái)輸出912 nm激光的增益介質(zhì)是Nd3+摻雜濃度為0.1at. %的Nd∶GdVO4晶體,較低摻雜的激光晶體有助于降低準(zhǔn)三級(jí)系統(tǒng)的熱透鏡和重吸收損失。晶體幾何尺寸為2 mm×3 mm×3 mm,Nd∶GdVO4晶體的左端面鍍?cè)鐾改?對(duì)912 nm和879 nm的泵浦波長(zhǎng)高透射(HT,T>99 %),并涂覆1064 nm的減反射膜(AR,R<2 %),從而更有效的抑制四級(jí)輻射躍遷。平凹鏡M1左邊入射面處被涂覆針對(duì)879 nm的增透膜(HT,T>99 %),在M1鏡的另一面對(duì)1064 nm和912 nm(R>99.9 %)高度反射。用于輸出1064 nm激光的增益介質(zhì)是摻雜濃度為0.5 at. %的Nd∶YVO4晶體,晶體的幾何尺寸為3 mm×3 mm×3 mm,晶體的左端面涂覆了912 nm 的增透膜(HT,T>99 %)以及1064 nm的高反射膜(HR,R>99.9 %),晶體右端面涂覆對(duì)912 nm和 1064n nm高透膜(HT,T>99 %),Nd∶YVO4晶體的左端面與平平鏡M2構(gòu)成了1064 nm激光振蕩的諧振腔,平平鏡M2對(duì)912 nm的激光透射率為T=1 %,對(duì)1064 nm的激光透射率為T=3 %,輸出鏡M3與水平方向成45°放置,該鏡片對(duì)912 nm高透射,對(duì)1064 nm高反射。兩塊晶體分別被固定在多通道的銅制散熱器上,并將其連接在恒溫為15 ℃的水冷裝置上來(lái)穩(wěn)定晶體的溫度。

圖1 雙波長(zhǎng)激光器運(yùn)轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)裝置

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

實(shí)驗(yàn)采用腔內(nèi)級(jí)聯(lián)泵浦方式,以879 nm激光二極管為泵浦源,泵浦Nd∶GdVO4晶體產(chǎn)生912 nm準(zhǔn)三能級(jí)激光,912 nm激光作為Nd∶YVO4激光晶體的腔內(nèi)激光泵浦源,產(chǎn)生1064 nm四能級(jí)激光輸出,該實(shí)驗(yàn)方案有效避免了晶體的增益競(jìng)爭(zhēng)。通過(guò)光譜分析發(fā)現(xiàn)Nd∶GdVO4晶體對(duì)879 nm的泵浦光吸收效率約為40 %,Nd∶YVO4晶體對(duì)912 nm的泵浦光吸收效率約為20 %,后者吸收效率較低,只能通過(guò)提高腔內(nèi)的泵浦功率來(lái)彌補(bǔ)從而實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)激光振蕩。圖2顯示了在912 nm和1064 nm同步雙波長(zhǎng)激光輸出功率與入射泵浦功率的關(guān)系,明顯可以看出,隨著泵浦功率的增加,912 nm的準(zhǔn)三能級(jí)激光輸出功率與1064 nm的四能級(jí)激光輸出功率值單調(diào)遞增,這與前面理論分析的結(jié)果是相符的。當(dāng)泵浦光功率為4 W左右時(shí),兩種波長(zhǎng)的激光振蕩能被同時(shí)觀測(cè)到,當(dāng)最大泵浦功率為15 W時(shí),可測(cè)量得到總的最大輸出光功率為2.23 W,總的光-光轉(zhuǎn)換效率為14.9 %,912 nm的準(zhǔn)三能級(jí)激光最大輸出功率為0.65 W,斜效率約為7 %,1064 nm的四能級(jí)激光最大輸出功率為1.58 W,斜效率約為16.6 %。雖然Nd∶YVO4晶體對(duì)912 nm的泵浦光吸收效率低于Nd∶GdVO4晶體對(duì)879 nm的泵浦光吸收效率,但是1064 nm的輸出激光增加更快,輸出功率更高,主要源于其具有更強(qiáng)的增益。圖3所示為實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的912 nm和1064 nm輸出激光的光譜。

圖2 879nm泵浦的雙波長(zhǎng)激光輸出功率

圖3 雙波長(zhǎng)激光器輸出的912 nm和1064 nm激光光譜

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中發(fā)現(xiàn),改變兩個(gè)晶體之間的間距會(huì)引起912 nm和1064 nm連續(xù)輸出激光的功率值變化,如圖4所示當(dāng)晶體之間的距離逐漸增加時(shí),1064 nm的輸出激光功率會(huì)有輕微的減小,而912 nm的連續(xù)輸出激光功率會(huì)有輕微的增加,分析其原因主要是在確定的泵浦功率條件下,雙波長(zhǎng)激光器兩種輸出激光之間存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)還不能完全消除這種競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的存在,將在后續(xù)工作中研究。圖5所示為雙波長(zhǎng)激光的TEM00光斑模式分布,整體分布相對(duì)均勻,測(cè)得912 nm和1064 nm激光的光束質(zhì)量因子M2分別為1.23和1.11。

圖4 兩晶體間距與912 nm和1064 nm輸出功率的關(guān)系

圖5 雙波長(zhǎng)激光光斑模式分布

5 結(jié) 論

通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)兩種不同的方式研究了912 nm和1064 nm連續(xù)輸出的同步雙波長(zhǎng)激光器的相關(guān)特性。理論上提出了是準(zhǔn)三能級(jí)激光與四能級(jí)激光同步輸出的理論模型,并在此基礎(chǔ)上分析推導(dǎo)了兩種不同波長(zhǎng)激光的輸出功率表達(dá)式,為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。本實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了以Nd∶GdVO4晶體和Nd∶YVO4激光晶體為增益介質(zhì)的腔內(nèi)級(jí)聯(lián)泵浦的實(shí)驗(yàn)方案,成功實(shí)現(xiàn)了912 nm和1064 nm的同步雙波長(zhǎng)連續(xù)激光器的運(yùn)轉(zhuǎn),在最大15 W的泵浦功率下,得到最大輸出功率為0.65 W的912 nm準(zhǔn)三能級(jí)激光,斜效率約為7 %,以及最大輸出功率為1.58 W的1064 nm的四能級(jí)激光,斜效率約為16.6 %?？偟墓?光轉(zhuǎn)換效率為14.9 %。該實(shí)驗(yàn)方案有效地消除了912 nm和1064 nm輻射光的增益競(jìng)爭(zhēng),首次驗(yàn)證了腔內(nèi)級(jí)聯(lián)泵浦結(jié)構(gòu)下以879 nm波長(zhǎng)為泵浦光實(shí)現(xiàn)同步雙波長(zhǎng)激光輸出的可行性,并發(fā)現(xiàn)腔內(nèi)晶體間距的變化會(huì)引起準(zhǔn)三能級(jí)激光與四能級(jí)激光的輸出光功率出現(xiàn)此消彼長(zhǎng)的變化。以上研究對(duì)后期雙波長(zhǎng)激光以及合頻等方面的研究具有重要的意義。