全固態(tài)連續(xù)單頻671nm Nd∶GdVO4－LBO紅光激光器的設(shè)計及實現(xiàn)＊

王垚廷，張博倫，譚 成，馮向兵，張瑞紅

（西安工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，西安710021）

全固態(tài)連續(xù)單頻激光器具有可長期穩(wěn)定運轉(zhuǎn)、輸出線寬窄、頻率可調(diào)、相干長度長、噪聲低等優(yōu)點.連續(xù)單頻671nm Nd∶GdVO4－LBO紅光激光器在高精度激光測量、量子信息、光學(xué)全息、高分辨分子光譜、激光醫(yī)學(xué)等方面有著重要的應(yīng)用價值和廣闊的市場前景.近年來，Nd∶GdVO4作為一種相對新型的激光晶體，已展現(xiàn)出其在物理性能、光學(xué)性能、機械性能方面許多優(yōu)勢［1－2］，如：吸收效率高、受激輻射截面大、熱導(dǎo)率高等.因此，在高功率激光二極管泵浦固體激光器方面，Nd∶GdVO4激光晶體的優(yōu)勢很有可能超過目前常用的激光晶體Nd∶YAG、Nd∶YVO4.相對于808nm波段的泵浦光，Nd∶GdVO4的吸收系數(shù)為74cm－1，遠(yuǎn)大于Nd∶YVO4（31.4cm－1）和 Nd∶YAG（7.1cm－1）；在1 342nm波段，Nd∶GdVO4的受激輻射截面為1.8×1019cm2，稍大于 Nd∶YAG（0.7×1019cm2），但稍小于 Nd∶YVO4（2.8×1019cm2）；Nd∶GdVO4晶體的熱導(dǎo)率為11.7W／m·K，和Nd∶YAG熱導(dǎo)率相當(dāng)（14W／m·K），但大于Nd∶YVO4（約5 W／m·K）.因此，Nd∶GdVO4激光晶體對于產(chǎn)生1 342nm波段的高功率激光值得研究.

關(guān)于全固態(tài)紅光激光器的研究，目前國內(nèi)外在這方面的研究工作主要集中在連續(xù)的單橫模激光輸出上，已經(jīng)取得好的研究成果.例如：在國外，2004年，意大利的Antonio等人報道了輸出功率為2.4W 的671nm Nd∶GdVO4－LBO紅光激光器［3］，但之后未見更高輸出功率的報道；在國內(nèi)，早在2003年，山東大學(xué)就報到了輸出功率為340 mW 的670nm Nd∶GdVO4－KTP紅光激光器［4］；2009年，長春理工大學(xué)等報道的670nm Nd∶GdVO4－LBO紅光激光器的輸出功率已達(dá)5.1 W［5］，這是目前據(jù)文獻(xiàn)報道的在該波段的最高輸出功率，但這些報道都是關(guān)于單橫模輸出的激光器，并不是單頻輸出，據(jù)了解，目前國內(nèi)外還沒有關(guān)于全固態(tài)連續(xù)單頻671nm Nd∶GdVO4－LBO紅光激光器的研究報道.本文采用環(huán)形腔選模的方法，通過在腔內(nèi)插入光學(xué)單向器，迫使振蕩激光單向運轉(zhuǎn)，消除空間燒孔，以實現(xiàn)激光器單頻工作，以Nd∶GdVO4為激光介質(zhì)，LBO為倍頻晶體，通過內(nèi)腔倍頻技術(shù)得到671nm的單頻紅色激光.

1 實驗裝置與方法

實驗裝置如圖1所示：LD為中心波長為808 nm的光纖耦合激光二極管（泵浦源），光纖芯徑為300μm，數(shù)值孔徑為0.12，所發(fā)出激光經(jīng)1：1光學(xué)傳輸系統(tǒng)聚焦到激光介質(zhì)Nd∶GdVO4中；激光介質(zhì)Nd：GdVO4尺寸為3mm×3mm×8mm，考慮到Nd∶GdVO4激光晶體中Nd離子的摻雜濃度正比于能量傳輸上轉(zhuǎn)換系數(shù)，反比于介質(zhì)對泵浦光的吸收效率，綜合這兩個因素，激活離子摻雜濃度選為0.2%［6］，晶體兩端鍍1 342nm 減反膜和808 nm高透膜，另外，整個工作介質(zhì)用熱導(dǎo)率極高的銦膜包裹并置于紫銅制作的晶體爐中，晶體爐被精密控溫25℃，控溫精度優(yōu)于0.1℃；平面鏡 M1、M2、凹面鏡 M3、M4組成四鏡環(huán)形諧振腔，其中M1、M2鍍1 342nm高反膜和808nm高透膜，M3、M4鍍1 342nm高反膜和671nm高透膜；半波片和置于磁場中的磁光晶體組成光學(xué)單向器（Optical Diode），迫使振蕩激光單向運轉(zhuǎn)，以消除空間燒孔效應(yīng)，實現(xiàn)激光器單縱模運轉(zhuǎn)，半波片和磁光晶體都鍍1 342nm減反膜；Ⅰ類臨界相位匹配的LBO晶體作為倍頻晶體，尺寸為3mm×3 mm×18mm，晶體兩端鍍1 342nm減反膜和671 nm高透膜.

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Experimental setup schematic

2 實驗結(jié)果及分析

目前，對于光纖耦合的激光二極管輸出激光的空間模式分布，理論上有兩種描述方法，分別為“頂端帽狀”分布［7］、包含光束質(zhì)量因子［8］或遠(yuǎn)場發(fā)散角［9］的高斯分布.本文選用包含遠(yuǎn)場發(fā)散角的高斯型分布模式來研究激光介質(zhì)中振蕩激光模和泵浦激光模之間的交疊比率（模式交疊比率）對輸出功功率的影響，該分布模式可以表示為［9］

其中：r，z分別為徑向變量和軸向變量；α為激光介質(zhì)相對泵浦波長的吸收系數(shù)；L為激光介質(zhì)長度；ωpa為激光介質(zhì)中泵浦光斑的平均光斑半徑［9］，并表示為

式中：ωp0為泵浦光束的束腰半徑；θp為泵浦光束的遠(yuǎn)場發(fā)散角；z0為泵浦光束的聚焦平面位置，且z0的優(yōu)化值為ln（2）／α［9］.考慮到本實驗中，光纖芯徑為300μm（泵浦光束的束腰半徑ωp0＝150μm），數(shù)值孔徑為0.12，則平均泵浦光斑半徑ωpa為290 μm.許多論文研究表明：模式交疊率存在一最佳值［10-11］，可以保證激光器最大功率運轉(zhuǎn)，因此實驗中可以通過調(diào)節(jié)腔長L1，即腔鏡M3、M4之間的距離，改變激光介質(zhì)中振蕩激光光斑半徑ω0，即改變模式交疊率ω0／ωpa（實驗中平均泵浦光斑半徑ωpa已確定，ωpa＝290μm；振蕩激光發(fā)散角很小，且在激光介質(zhì)中傳播距離很短，因此振蕩激光光斑半徑在激光介質(zhì)中近視為常數(shù)，即激光介質(zhì)處的振蕩激光光斑半徑，該參數(shù)可由ABCD矩陣定理計算得到），并測量輸出功率Pout，尋找最大輸出功率對應(yīng)的模式交疊率ω0／ωpa，即最佳模式交疊率.內(nèi)腔倍頻過程中，二次諧波（倍頻光）的轉(zhuǎn)化效率正比于非線性系數(shù)的平方、倍頻晶體長度的平方、內(nèi)腔功率的平方；反比于倍頻晶體中振蕩激光光斑半徑的平方，二次諧波功率可以表示為

式中：ω為角頻率；d為非線性系數(shù)；l為倍頻晶體長度；Pin為基頻光（1 342nm）內(nèi)腔功率；ωl為倍頻晶體中振蕩激光光斑半徑，ε0為真空中介電常數(shù).

為得到最佳倍頻光轉(zhuǎn)化效率，提高倍頻光輸出功率，可以對上述四個參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化.受既有倍頻晶體種類的影響，以及非線性系數(shù)d由倍頻晶體本身性質(zhì)所決定，導(dǎo)致非線性系數(shù)d的優(yōu)化受到很大限制，即倍頻晶體一旦選定，非線性系數(shù)是確定的；受本實驗中腔長的限制，倍頻晶體長度l為18mm；內(nèi)腔基頻光功率Pin可以通過優(yōu)化模式交疊率達(dá)到最高值；倍頻晶體中振蕩激光光斑半徑可以通過改變諧振腔腔長L1進(jìn)行優(yōu)化，但提高基頻光內(nèi)腔功率和減小倍頻晶體中振蕩激光光斑半徑受到倍頻晶體損傷閾值的限制，目前已商品化的倍頻晶體中，LBO損傷閾值最高，因此，實驗中選用了Ⅰ類臨界相位匹配的LBO晶體作為倍頻晶體（θ＝86.1°，φ＝0°）.整個倍頻晶體同樣用銦膜包裹并置于紫銅制作的晶體爐中，倍頻晶體被精密控溫35℃，控溫精度優(yōu)于0.1℃.基頻光輸出功率及內(nèi)腔功率是模式交疊率ω0／ωp0的函數(shù)，而且輸出功率Pout、內(nèi)腔功率Pin存在一極大值，并且二次諧波功率P2ω反比于倍頻晶體中振蕩激光光斑半徑的平方ω2l、正比于內(nèi)腔基頻光功率Pin，但腔長L1的變化會同時影響模式交疊率ω0／ωpa和倍頻晶體中振蕩激光光斑半徑ωl，即為得到最佳的倍頻光輸出，也會存在最佳模式交疊率，但此最佳模式交疊率不同于基頻光運轉(zhuǎn)時的最佳模式交疊率.為得到最大670nm倍頻光輸出功率，實驗上嘗試了五種腔長L1條件下倍頻光輸出功率和泵浦功率的關(guān)系，五種腔長L1分別為：① L1＝125mm （ω0＝210 μm，ωl＝87μm）；②L1＝130mm （ω0＝196μm，ωl＝84μm）；③L1＝135mm （ω0＝180μm，ωl＝80 μm）；④L1＝140mm （ω0＝158μm，ωl＝74μm）；⑤L1＝145mm（ω0＝130μm，ωl＝63μm）（剩余腔長M3經(jīng)激光晶體Nd：GdVO4到M4距離為240 mm）.實驗上測得的671nm倍頻光輸出功率P2ω和泵浦功率Pp關(guān)系如圖2所示，從圖中可以看出最大倍頻光輸出功率P2ω為0.9W，相應(yīng)泵浦功率為20W，對應(yīng)腔長為140mm （ω0＝158μm，ωl＝74μm），相應(yīng)的模式交疊比率為0.54.

圖2 670nm倍頻光輸出功率和泵浦功率關(guān)系圖Fig.2 Output power at 670nm versus pump power

實驗測得的激光輸出功率穩(wěn)定性如圖3所示（T表示時間，h表示時間單位：小時），結(jié)果說明在兩小時內(nèi)輸出功率相對于平均輸出功率的波動優(yōu)于±1.15%.用掃描共焦F－P腔對輸出激光進(jìn)行掃描，并用數(shù)字示波器記錄，記錄結(jié)果如圖4所示（I表示強度，ms表示毫秒，a.u.表示任意單位），結(jié)果說明該激光器單縱模運轉(zhuǎn).

圖3 功率穩(wěn)定性圖Fig.3 Measured output power stability ofthe670nmlaser

圖4 單縱模運轉(zhuǎn)模式圖Fig.4 Single longitudinal mode

3 結(jié)論

實驗上設(shè)計了“8”字形環(huán)形諧振腔，在腔內(nèi)插入光學(xué)二極管，使振蕩激光單向運轉(zhuǎn)，消除空間燒孔效應(yīng)，從而保證激光器單頻運轉(zhuǎn)，以Nd：GdVO4為激光介質(zhì)，以LBO為倍頻晶體，通過內(nèi)腔倍頻技術(shù)并優(yōu)化模式匹配，得到輸出功率為0.9W的連續(xù)單頻671nm紅色激光，功率穩(wěn)定性兩小時內(nèi)優(yōu)于±1.15%.從實驗結(jié)果可以看出，隨著泵浦功率的增加，輸出功率出現(xiàn)了飽和，因此下一步工作需繼續(xù)優(yōu)化激光器相關(guān)參數(shù)以進(jìn)一步提高輸出功率.

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