標(biāo)準(zhǔn)具在腔內(nèi)倍頻激光器中的波長抑制研究

李 智，檀慧明，田玉冰

(1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春130033;2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049;3.中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所，江蘇蘇州215163)

1 引言

多譜線的振蕩在腔內(nèi)倍頻過程中，會引起輸出波長的不穩(wěn)定和輸出功率的不穩(wěn)定［1］，因此如何設(shè)計出性能穩(wěn)定、長壽命、單一譜線運(yùn)轉(zhuǎn)的全固態(tài)腔內(nèi)倍頻激光器是人們一直關(guān)注的問題［2－5］。在Nd∶YAG激光晶體中，釹離子在晶格場的作用下發(fā)生斯塔克分裂，獲得了受激發(fā)射截面較小、相對性能比較接近的 1112 nm，1116 nm，1123 nm三條譜線［6］。要實(shí)現(xiàn)這三條譜線中的任一條單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)，首先需要抑制Nd∶YAG增益系數(shù)較大的1064 nm，1319 nm，946 nm譜線，其次再抑制1112 nm，1116 nm，1123 nm中的另外兩條譜線，從而對激光譜線進(jìn)行選擇。在腔內(nèi)加入色散棱鏡、鍍制特殊要求的激光器諧振腔薄膜［7］等都是選擇激光譜線的方法，加入色散棱鏡對于波長較接近的譜線經(jīng)過棱鏡后其角度分開較小，很難獲得單一的激光譜線運(yùn)轉(zhuǎn)。而根據(jù)目前的鍍膜工藝水平，要想通過鍍制窄反射帶激光膜，選擇性地獲得三者當(dāng)中任意一條激光譜線的單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)是非常困難的［8］。

本文通過在諧振腔內(nèi)插入F-P標(biāo)準(zhǔn)具，由于平行平板之間的多光束干涉［9］，選擇適當(dāng)參量的標(biāo)準(zhǔn)具，利用標(biāo)準(zhǔn)具對不同波長光的損耗不同來進(jìn)行波長選擇。在理論上詳細(xì)研究了標(biāo)準(zhǔn)具的選波長原理，以及標(biāo)準(zhǔn)具參量的變化對標(biāo)準(zhǔn)具波長選擇的影響;在實(shí)驗(yàn)上通過在基于Nd∶YAG/LBO的全固態(tài)倍頻激光器中插入標(biāo)準(zhǔn)具實(shí)現(xiàn)了單譜線1123 nm運(yùn)轉(zhuǎn)，并獲得了單波長的561 nm黃光。

2 標(biāo)準(zhǔn)具的選頻理論分析

F-P標(biāo)準(zhǔn)具的工作原理是光波在標(biāo)準(zhǔn)具兩表面之間發(fā)生多次反射，使波的各個分量相互干涉，由于多光束的干涉F-P標(biāo)準(zhǔn)具對于不同波長的光束具有不同的透過率，其關(guān)系表示為［10］:

式中，nl為兩個反射表面之間的光學(xué)厚度(n是標(biāo)準(zhǔn)具材料折射率，l是標(biāo)準(zhǔn)具厚度);θ是光波入射角(0°≤θ≤90°);λ是波長;r為每個表面的反射率。顯然，影響標(biāo)準(zhǔn)具選頻的主要物理參量是標(biāo)準(zhǔn)具的厚度和插入傾角(當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)具垂直插入時，其光束正入射到標(biāo)準(zhǔn)具表明，入射角為0°，而當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)具有傾角時，光束入射角就等量變化，因此光束入射角即為標(biāo)準(zhǔn)具插入傾角［10］)。如圖1所示，在常用參數(shù)r=0.04，對于特定激光譜線(此處取λ=1112 nm，1116 nm，1123 nm)，用 Matlab軟件計算了不同角度、不同厚度的標(biāo)準(zhǔn)具插入時譜線的透過率曲線。

圖1 不同入射角的透過率變化曲線Fig.1 Transmission curves varied with the incident angle

由圖可以看出:(1)當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)具插入傾角很小，幾乎是垂直入射(θ=0°)，標(biāo)準(zhǔn)具對三個波長的透過率相差較大，對譜線的選擇損耗能力強(qiáng)，但是隨著角度的增大，不同波長的透過率曲線越來越接近，標(biāo)準(zhǔn)具的角色散dθ/dλ越來越大，對不同波長光分開的程度小，不能實(shí)現(xiàn)對波長的選擇性損耗。(2)不同厚度的標(biāo)準(zhǔn)具對譜線的選擇性損耗能力有限，比如對于 100 μm和 400 μm厚的標(biāo)準(zhǔn)具能夠選出1123 nm，因?yàn)楫?dāng)1123 nm透過率近似為1時，而另兩個波長的透過率不到0.9，當(dāng)把標(biāo)準(zhǔn)具插入激光器中，這10%的選擇損耗完全能夠抑制1112 nm、1116 nm譜線運(yùn)轉(zhuǎn)。

實(shí)際上，激光器中的溫度變化，將引起標(biāo)準(zhǔn)具的厚度和折射率變化［11］，將式(1)中 l，n，λ 修正為 l=其中，α是線膨脹系數(shù);β是折射率溫度系數(shù)。得到標(biāo)準(zhǔn)具透過率與溫度的關(guān)系:

如圖2是透過率隨著標(biāo)準(zhǔn)具溫度變化曲線，其參數(shù)取值為 θ=0，r=0.04，λo=1.112 μm，no=1.46，lo=200 μm，α =71.5 × 10－6μm/C°，β =10.3×10－6/C°。由圖可以看出:當(dāng)溫度變化10℃時，透過率變化約為0.01%，所以對于一定頻率的光波通過標(biāo)準(zhǔn)具的透過率隨溫度的變化很小，因此在實(shí)驗(yàn)中，可以忽略溫度對標(biāo)準(zhǔn)具對波長選擇能力的影響。

圖2 透過率隨著標(biāo)準(zhǔn)具溫度變化曲線Fig.2 Transmission with temperature of the etalon function curve

3 實(shí)驗(yàn)建立和分析

實(shí)驗(yàn)中用808 nm的LD抽運(yùn)Nd∶YAG/LBO，泵浦光經(jīng)過耦合光學(xué)系統(tǒng)OC準(zhǔn)直聚焦后射入平凹諧振腔，如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Schematic of the experimental setup

輸入鏡為平凹鏡，其右端面鍍膜為HR1123 nm、HT1342 nm＆1064 nm＆808 nm，左端面鍍膜為AR808 nm，輸出鏡是平面鏡，其左端面鍍膜為HR1123 nm、HT561.5 nm，右端面鍍膜為HT561.5 nm。激光介質(zhì)為摻雜Nd原子百分?jǐn)?shù)為1.1%的Nd∶YAG，晶體兩端鍍有1123 nm和808 nm的減反射膜。倍頻晶體是按1123 nm I類臨界相位匹配(θ=90°，φ =7.5°)切割的 LBO，其兩端鍍有基頻光和倍頻光的減反射膜，以降低LBO的插入損耗。泵浦源與諧振腔分別由半導(dǎo)體制冷器TEC1，TEC2進(jìn)行溫控。

實(shí)驗(yàn)中僅憑上述對諧振腔膜系的設(shè)計只能夠抑制增益較大的1064 nm，1319 nm，946 nm激光譜線。諧振腔內(nèi)不加標(biāo)準(zhǔn)具時，盡管從理論上調(diào)節(jié)倍頻晶體LBO的插入位置，使之只滿足1123 nm相位匹配角的時候，能夠獲得單一的561 nm輸出，但是對諧振腔的調(diào)節(jié)精度和穩(wěn)固方式要求很高。此外，通過非線性光學(xué)計算軟件SNLO計算出LBO對三條基頻譜線的相位匹配角分別為1112 nm，θ=90°，φ=8.3°;1116 nm，θ=90°，φ =8.0°;1123 nm，θ=90°，φ=7.5°可以看出相位匹配角較接近，實(shí)驗(yàn)中由于機(jī)械振動等原因容易導(dǎo)致LBO的位置微移，因此容易出現(xiàn)三條基頻譜線同時受激并相互競爭的情況，導(dǎo)致幾條倍頻譜線及和頻譜線同時輸出或交替輸出的現(xiàn)象，如圖4為沒有插入標(biāo)準(zhǔn)具時的倍頻光光譜圖，所用光譜儀是光纖光譜儀(MayaPro2000，Ocean Optics，Inc)，由圖可以看出輸出譜線有 556 nm，558 nm，561 nm，557 nm，559.7 nm，其中 556 nm，558 nm，561 nm 分別是 1112 nm，1116 nm，1123 nm的倍頻光，而557 nm是1112 nm與1116 nm的和頻光，559.7 nm是1116 nm與1123 nm的和頻光，說明三條基頻譜線都在腔內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)，同時理論上圖中還應(yīng)該有1112 nm與1123 nm的和頻光558.7 nm，而從圖中并未看出，可能的原因是光譜儀分辨率不夠或者相位失配，具體原因還不清楚。在下一步實(shí)驗(yàn)中我們將改進(jìn)實(shí)驗(yàn)條件，探索出具體原因。

圖4 倍頻光光譜圖Fig.4 Spectrum of frequency-double waves

實(shí)驗(yàn)中，基于前面對標(biāo)準(zhǔn)具的討論，我們選用l=400 μm的標(biāo)準(zhǔn)具當(dāng)θ=0.012 rad時選出了1123 nm激光譜線，此外，還選出了1116 nm(l=400 μm，θ=0.034 rad)，1112 nm(l=180 μm，θ=0.053rad)兩條譜線。通過LBO分別對三個基頻譜線進(jìn)行腔內(nèi)倍頻獲得了單波長的556 nm，558 nm，561 nm，如圖5是三個倍頻光相應(yīng)的光譜圖，所用光譜儀是光纖光譜儀(MayaPro2000，Ocean Optics，Inc)。如圖 6(a)是當(dāng)諧振腔內(nèi)沒有加標(biāo)準(zhǔn)具時，我們得出當(dāng)抽運(yùn)功率為9 W時輸出功率隨時間變化曲線圖，圖6(b)是用標(biāo)準(zhǔn)具選出1123 nm的倍頻光561 nm在抽運(yùn)功率9 W時輸出功率隨時間變化曲線圖。根據(jù)實(shí)驗(yàn)我們定義在時間T內(nèi)某時刻t時輸出功率的相對起伏度為，求算術(shù)平均相對起伏度由圖對比標(biāo)準(zhǔn)具插入前后倍頻光的功率輸出曲線可以發(fā)現(xiàn)，在直線型諧振腔中插入標(biāo)準(zhǔn)具會引起巨大的輸出功率損耗。計算標(biāo)準(zhǔn)具插入前后輸出功率在120 s內(nèi)的算術(shù)平均功率相對起伏度得可見插入標(biāo)準(zhǔn)具后功率起伏減小，輸出穩(wěn)定性提高，這主要由于插入標(biāo)準(zhǔn)具后使之不同躍遷譜線之間的競爭以及譜線之間和頻引起的功率起伏得到抑制。

4 結(jié)論

通過理論分析得出標(biāo)準(zhǔn)具的厚度與插入傾角對其波長選擇能力的影響很大，而溫度變化對標(biāo)準(zhǔn)具選波長能力影響很小。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在全固態(tài)倍頻激光器諧振腔內(nèi)插入標(biāo)準(zhǔn)具是一種抑制激光諧振腔內(nèi)多譜線振蕩多波長輸出的一種有效方法。但是，由此引起的插入損耗也限制了功率輸出。

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