基于外腔面發(fā)射激光器的激光原理與技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究

蓋 磊

(中國(guó)海洋大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，山東 青島 266100)

外腔面發(fā)射激光器綜合了固體薄片激光器和垂直腔面發(fā)射激光器的優(yōu)點(diǎn)，能同時(shí)獲得高功率和高光束質(zhì)量，且波長(zhǎng)可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，是近年來興起的新型激光器件，在激光顯示、激光光譜學(xué)、自由空間通信、非線性頻率變換等科學(xué)研究、生產(chǎn)生活及國(guó)防軍事領(lǐng)域都具有十分重要的應(yīng)用.基于激光原理與技術(shù)在大學(xué)物理專業(yè)課程體系中的重要性，結(jié)合科技前沿的外腔面發(fā)射激光器，本文將其引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，對(duì)通過實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)驗(yàn)證理論知識(shí)有著重要的意義[1].

1 實(shí)驗(yàn)儀器

1.1 外腔面發(fā)射激光器

外腔面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)如圖1所示.泵浦源采用光學(xué)激勵(lì)，使用光纖耦合輸出的半導(dǎo)體激光器為泵浦光源，泵浦光經(jīng)過準(zhǔn)直聚焦系統(tǒng)，以一定角度入射到半導(dǎo)體增益芯片上.增益芯片主要由前端的多量子阱(MQWs)有源區(qū)和后端高反射率的分布布拉格反射鏡(DBR)組成，其中DBR在激光器中作為諧振腔的一個(gè)后端鏡.耦合輸出鏡與DBR一起構(gòu)成諧振腔，在激光器中起到調(diào)節(jié)穩(wěn)定光腔和選模的作用.高熱導(dǎo)率的熱沉鍵合在半導(dǎo)體增益芯片最后端，為激光器提供散熱[2-4].

圖1 外腔面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)圖

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器組成

實(shí)驗(yàn)儀器的主體組成部分如圖2所示，主要由以下幾個(gè)部分組成：① 泵浦源：為增益介質(zhì)中工作物質(zhì)的粒子提供可被吸收的能量，采用808 nm的光纖耦合輸出的半導(dǎo)體激光器.② 準(zhǔn)直聚焦系統(tǒng)：由兩個(gè)消色差透鏡構(gòu)成，通過1:1耦合，安裝于準(zhǔn)直聚焦套筒之內(nèi)，將光纖端面成像在增益芯片前端面.③ 增益芯片：底部是DBR，其前端面對(duì)泵浦波長(zhǎng)鍍減反膜，中間部分的多量子阱有源區(qū)為激光提供增益.④ 倍頻晶體：采用非線性晶體LBO，用于倍頻效應(yīng).⑤ 耦合輸出鏡：與DBR一起構(gòu)成激光諧振腔，為受激輻射提供正反饋，將受激輻射進(jìn)行放大，同時(shí)對(duì)激光頻率進(jìn)行選擇，對(duì)其方向進(jìn)行限制，并將部分激光耦合輸出.⑥ 功率計(jì)：測(cè)量激光的輸出功率，探頭為熱電探頭.⑦ 光譜儀：測(cè)量輸出激光的波長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)中采用光纖耦合輸入.⑧ 法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具：熔石英材質(zhì)，波長(zhǎng)調(diào)諧用標(biāo)準(zhǔn)具能把不同頻率成分的光分開(實(shí)驗(yàn)中替換④的位置).

圖2 實(shí)驗(yàn)儀器的主體組成

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 激光基本原理實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖亲寣W(xué)生理解激光產(chǎn)生的基本原理，了解外腔面發(fā)射激光器的工作原理；學(xué)會(huì)激光器的調(diào)節(jié)方法，并領(lǐng)會(huì)光學(xué)諧振腔調(diào)節(jié)的要點(diǎn)；觀察光泵浦激光產(chǎn)生的過程及各種橫模模式；了解激光器的主要性能指標(biāo)，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算.

2.1.1 激光器諧振腔的設(shè)計(jì)

要使激光器的效率最佳，即充分利用激光光斑以擴(kuò)大有源區(qū)內(nèi)的激光模式體積，以及充分利用泵浦光以最大限度地減少能量浪費(fèi)，就要求增益芯片上的泵浦光斑略比激光光斑大一些，此條件稱為激光器的模式匹配.

λ為激光波長(zhǎng)，L為諧振腔長(zhǎng)度，R為輸出鏡的曲率半徑，則增益芯片上激光光斑直徑為

(1)

實(shí)驗(yàn)所用的泵浦準(zhǔn)直聚焦系統(tǒng)使泵浦光斑在增益芯片上的直徑為200 μm左右.利用公式(1)，可計(jì)算出使用不同曲率半徑的輸出鏡時(shí)，滿足激光模式匹配的諧振腔長(zhǎng)度.圖3為增益芯片上光斑直徑與諧振腔長(zhǎng)度的關(guān)系，標(biāo)出的點(diǎn)為模式匹配點(diǎn).

圖3 增益芯片光斑直徑與諧振腔長(zhǎng)度關(guān)系圖

2.1.2 激光器性能參數(shù)的測(cè)量與計(jì)算

在實(shí)驗(yàn)中完成諧振腔的搭建、準(zhǔn)直與調(diào)試后，緩慢增加泵浦光功率，當(dāng)達(dá)到激光器的泵浦閾值時(shí)，可產(chǎn)生激光輸出，使用光譜儀測(cè)量激光波長(zhǎng)和光譜線寬，如圖4所示，即譜線的半高全寬度.

圖4 激光光譜圖

分別在同一透過率、不同曲率半徑的輸出鏡和同一曲率半徑、不同透過率的輸出鏡，在模式匹配的情況下，實(shí)際測(cè)量?jī)煞N條件所構(gòu)成的諧振腔中激光器的輸出功率與泵浦功率的關(guān)系，得到激光器功率曲線.

圖5 不同曲率半徑輸出鏡的功率曲線

圖6 不同透過率輸出鏡的功率曲線

2.1.3 激光橫模的觀察

光強(qiáng)在與軸向垂直的橫截面內(nèi)的穩(wěn)定分布稱為激光的橫模，一般用TEMmn表示，TEM是電磁橫波的縮寫.在軸對(duì)稱橫模中，m、n分別表示光束橫截面內(nèi)在x方向和y方向出現(xiàn)的節(jié)點(diǎn)數(shù).

諧振腔的反射鏡主光軸與激活介質(zhì)的軸線重合時(shí)，諧振腔滿足對(duì)準(zhǔn)條件，沿光軸具備旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，激光輸出基橫模.如果上述旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性被破壞，激光將輸出高階橫模.因此，在實(shí)驗(yàn)過程中，通過微調(diào)諧振腔鏡的偏轉(zhuǎn)、俯仰、x方向及y方向的位置，使激光器處于多橫模工作狀態(tài)，學(xué)生可直觀的觀察到激光器的不同橫模模式，記錄如表1所示.此時(shí)也可比較單模與多模條件下輸出功率的大小.

2.1.4 激光器效率計(jì)算

實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可通過對(duì)激光器內(nèi)量子效率、外量子效率(微分量子效率/斜效率)、光-光轉(zhuǎn)換效率和電-光轉(zhuǎn)換效率的計(jì)算，從不同角度了解激光器的性能并分析.計(jì)算所需實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(曲率半徑100 mm，透過率0.3%)如表2所示，計(jì)算的激光器效率分別為：

表1 激光器不同橫模及其光強(qiáng)分布圖樣

內(nèi)量子效率：

(2)

外量子效率：

(3)

光-光轉(zhuǎn)換效率：

(4)

電-光轉(zhuǎn)換效率：

(5)

表2 激光器效率計(jì)算實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2 激光頻率變換技術(shù)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康臑槔斫饧す夥蔷€性頻率變換的基本原理；掌握相位匹配的概念及方式，了解影響倍頻轉(zhuǎn)換效率的主要因素；掌握腔內(nèi)倍頻調(diào)節(jié)的要點(diǎn)，了解倍頻技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用.

實(shí)驗(yàn)過程中在已經(jīng)完成調(diào)試運(yùn)行的基頻激光器腔內(nèi)插入倍頻晶體LBO，用一面鍍膜高反基頻激光(HR@980 nm&AR@490 nm，980 nm反射率>99.9%)，一面鍍膜增透倍頻激光(AR@490 nm鍍膜，490 nm透過率>95%)的耦合輸出鏡，實(shí)現(xiàn)倍頻輸出[5,6].

倍頻產(chǎn)生的藍(lán)光激光光譜輸出，學(xué)生可用光譜儀測(cè)得，從而得到在980 nm和490 nm附近的基頻光和倍頻激光光譜，并可測(cè)出基頻激光和倍頻激光的光譜線寬.

倍頻轉(zhuǎn)化效率的理論值為

(6)

其中，ω為基頻光頻率，d為有效非線性系數(shù)，L為非線性晶體長(zhǎng)度，Pω為基頻光功率，nω和n2ω分別為基頻光和倍頻光的折射率，c為真空中光速，ε0為真空中介電常量，A為基頻光束的橫截面積.LBO是負(fù)雙軸晶體，其相位匹配角的計(jì)算可通過實(shí)驗(yàn)提供的專業(yè)軟件，計(jì)算基頻激光波長(zhǎng)為980 nm時(shí)，選用LBO的I類相位匹配.

從公式可以看出，滿足相位匹配條件時(shí)，在晶體長(zhǎng)度一定范圍內(nèi)，倍頻轉(zhuǎn)換效率η與晶體長(zhǎng)度L2成正比(通過更換倍頻晶體實(shí)現(xiàn))；與基頻光功率Pω成正比(通過改變泵浦光功率大小實(shí)現(xiàn))；與基頻光斑面積A大小成反比(通過改變晶體在諧振腔中的位置實(shí)現(xiàn)).

實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可通過逐漸改變泵浦光功率的大小，依次測(cè)量倍頻激光的輸出功率，作出如圖7的基頻激光輸出功率曲線和倍頻激光輸出功率曲線，并計(jì)算出倍頻激光器的倍頻轉(zhuǎn)換效率.具體實(shí)驗(yàn)過程中還可改變耦合輸出鏡的曲率半徑、倍頻晶體的尺寸和位置，重復(fù)基頻激光和倍頻激光的輸出功率測(cè)量，從而作出不同曲率半徑輸出鏡時(shí)輸出功率曲線，進(jìn)而比較分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

圖7 倍頻激光器的輸出功率曲線

2.3 激光波長(zhǎng)調(diào)諧技術(shù)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康臑槔斫饧す庾V線加寬的基本概念；掌握多光束干涉相關(guān)知識(shí)內(nèi)容及標(biāo)準(zhǔn)具的工作原理；了解激光波長(zhǎng)調(diào)諧的原理和方式；學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)具在調(diào)諧中的具體使用方法.

激光器的調(diào)試運(yùn)行選用一面鍍膜高反基頻激光(HR@980 nm，AR@490 nm，980 nm反射率>99.9%)，一面鍍膜增透調(diào)諧激光(AR@490 nm鍍膜)耦合輸出鏡，設(shè)計(jì)、搭建、調(diào)節(jié)獲得激光輸出.

學(xué)生插入標(biāo)準(zhǔn)具后，通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)具進(jìn)行俯仰及偏轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)具垂直于諧振腔光軸時(shí)，即可在原來已經(jīng)振蕩出光的諧振腔中重新獲得激光輸出.

實(shí)驗(yàn)中保持標(biāo)準(zhǔn)具的俯仰不變，微調(diào)標(biāo)準(zhǔn)具的偏轉(zhuǎn)角度，即可改變激光入射到標(biāo)準(zhǔn)具表面的入射角，從而改變標(biāo)準(zhǔn)具的透射峰值波長(zhǎng)，對(duì)激光器的振蕩波長(zhǎng)進(jìn)行一定程度的調(diào)諧.圖8為激光器的調(diào)諧曲線.

圖8 可調(diào)諧激光器的輸出波長(zhǎng)

3 教學(xué)實(shí)踐

在實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，將本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目歸入大學(xué)物理綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的提高層次中，通過專題式實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑┫嚓P(guān)專業(yè)的同學(xué)在完成與之關(guān)聯(lián)的基本和進(jìn)階層次后選做，實(shí)驗(yàn)采取2人小組協(xié)作的方式，要求學(xué)生最終以實(shí)驗(yàn)論文的形式完成實(shí)驗(yàn)，取得了良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果.

實(shí)驗(yàn)綜合了激光原理與技術(shù)的主要內(nèi)容，將物理學(xué)中的經(jīng)典理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，將書本上根據(jù)概念定律推導(dǎo)出的公式，用實(shí)驗(yàn)的方法來加以測(cè)量和驗(yàn)證.一方面鞏固了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和認(rèn)識(shí)，另一方面也提供給學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手的平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)理論聯(lián)系實(shí)踐，相互印證，彼此促進(jìn)的目的.實(shí)驗(yàn)儀器涉及的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容需要學(xué)生應(yīng)用多種方法和技術(shù)來完成實(shí)驗(yàn)，體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的綜合性.

實(shí)驗(yàn)儀器采用“積木式”搭建，有利于學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐訓(xùn)練.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容給出了實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，提供了相關(guān)實(shí)驗(yàn)配件，外腔結(jié)構(gòu)可以方便地在激光腔內(nèi)插入相應(yīng)的光學(xué)元件，學(xué)生需要自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，自主搭建并配置實(shí)驗(yàn)器材，最終獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)全過程.這種方式能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性，達(dá)到開拓學(xué)生思維，拓展課程深度，提高課程教學(xué)質(zhì)量的目的.

4 結(jié)束語

外腔面發(fā)射激光器是處于當(dāng)前科研前沿的新型激光器件.通過該實(shí)驗(yàn)可以完成激光基本原理實(shí)驗(yàn)、頻率變化技術(shù)實(shí)驗(yàn)和波長(zhǎng)調(diào)諧技術(shù)實(shí)驗(yàn)3個(gè)實(shí)驗(yàn)大項(xiàng)，共13個(gè)實(shí)驗(yàn)分項(xiàng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容.學(xué)生可以接觸到最新的激光技術(shù)和科研成果，為將來的學(xué)習(xí)和科研打下基礎(chǔ).