全固態(tài)561nm單譜線激光器研究

張 帆，高蘭蘭，馬 威，董小龍

(長春理工大學，吉林 長春130022)

1 引言

波長在560 nm左右的黃色激光在生物醫(yī)學和生物技術(shù)方面有著巨大的應(yīng)用潛力。例如，可以更好的滲透核型性白內(nèi)障，血紅蛋白對560 nm左右的黃色激光有更高的吸收，可以減少在視網(wǎng)膜神經(jīng)層的熱擴散。因此，黃光激光器在眼科醫(yī)學中有重要的作用［1］。

2006年，Jia等［2］報道了561 nm連續(xù)輸出，在抽運功率為10 W時，得到了1.2 W的561 nm黃綠光。2012年，崔錦江等［3］采用激光二極管(LD)抽運腔內(nèi)倍頻的方法，在抽運功率為13.5 W時，獲得了1.41 W的561 nm的黃綠光。2013年，邵志強等［4］在808 nmLD的抽運功率為5 W時，獲得了123 mW的561 nm輸出。

本文利用激光二極管端面抽運Nd∶YAG晶體，通過設(shè)計合理的膜系，再分別利用雙折射濾波器(BF)和標準具獲得單一譜線基頻光，然后利用LBO非線性晶體進行腔內(nèi)倍頻，實現(xiàn)561 nm單譜線輸出。同時分析了利用雙折射濾波器和標準具抑制其他競爭譜線的方法。

2 理論分析

2.1 激光晶體

由于良好的機械和熱光性能，Nd∶YAG晶體在固體激光系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛，激光躍遷分別發(fā)生在激光上能級4F3/2的斯塔克能級和激光下能級3I13/2，3I11/2，3I9/2之間，如圖1所示。

圖1 Nd∶YAG的能級和主要躍遷的描述圖Fig.1 Diagram of the energy levels of Nd∶YAG with a description of the main transition lines

三條主要的譜線分別是1318 nm，1064 nm和946 nm。4F3/2→3I11/2的所有躍遷(1112 nm、1116 nm、1123 nm)中最不活躍的譜線是561 nm激光的基頻光—1123 nm譜線［5］。從表1可以看出1123 nm譜線的相對性能是1064 nm譜線的2/5，和946 nm、1318 nm、1112 nm、1116 nm這些譜線的相對性能相差不多，所以，要實現(xiàn)561 nm單譜線輸出，需要通過附加與波長相關(guān)的選擇性損耗來抑制1064 nm、946 nm、1318 nm、1112 nm、1116 nm這些譜線振蕩。本文通過提高諧振腔對1064 nm、1318 nm的整體透過率，同時降低1123 nm的透過率來抑制1064 nm、1318 nm起振。由于Nd∶YAG晶體產(chǎn)生946 nm譜線是準三能級系統(tǒng)運轉(zhuǎn)［6］，閾值很高，所以不需要采用特殊方法抑制其振蕩。由于1112 nm、1116 nm、1123 nm這三條譜線相距不遠很難通過鍍膜的方式進行選擇，本文采用在諧振腔內(nèi)分別插入標準具和雙折射濾波器的方式來進行譜線選擇。

2.2 雙折射濾波器

雙折射濾波器(BF)一般由一片或者多片天然或人工石英晶體制成，每片BF加工成兩表面互相平行且與光軸與表面成一定角度。如圖2所示，由入射光線和法線構(gòu)成的平面成為入射平面，包含光軸且垂直BF表面的平面成為主平面，入射光線的振動方向在入射平面內(nèi)。主平面和入射平面之間的夾角稱為調(diào)諧角，用A表示。一束線偏振光入射到BF上，由于晶體的雙折射效應(yīng)，折射后分解成o光和e光，它們透過BF時的相位延遲可以表示為:

表1 Nd∶YAG的主要幾條譜線的激光特性比較Tab.1 Comparison of laser performance of the Nd∶YAG at the main laser transition

式中，(no－ne)是o光和e光的折射率差;d是BF的厚度;γ折射光的波矢量和石英晶體光軸C的夾角;λ是入射光波的波長;θ是入射角(布儒斯特角)。以BF面法線為軸轉(zhuǎn)動BF，γ隨之改變，亦即相位延遲量δ發(fā)生相應(yīng)改變，出射的o，e光若經(jīng)過一個偏振片，該偏振片的偏振方向與BF入射面平行，則兩束光將產(chǎn)生干涉，干涉光強表示為:

式中，I和I0分別是出射光和入射光的光強;為偏振面與電位移矢量D'或者D″的夾角。

根據(jù)正單軸晶體的性質(zhì)和立體解析幾何原理，得到:

式中，α是光軸和BF表面之間的夾角，由于本文使用的BF的光軸和其表面平行。因此α=0，所以:

把方程(2)代入到方程(4)中，得到BF的單程透過率公式［7］:

圖2 光束入射到BF上的示意圖Fig.2 A diagram of light incident to BF

BF的調(diào)諧角和透過率的對應(yīng)關(guān)系曲線，如圖3所示。從圖中可以看出，當調(diào)諧角為0.7504 rad時，1123 nm基頻光譜線的透過率為100%。在這個角度下，1116 nm和1112 nm的透過率遠遠小于98.5%。巨大的插入損耗抑制了這兩個譜線的振蕩。

圖3 1123 nm、1112 nm和1116 nm譜線的透過率關(guān)于調(diào)諧角的曲線Fig.3 Transmission curves for 1112，1116，and 1123 nm lines varied with the tuning angle of the BF

2.3 標準具

F-P標準具一般是用熔融石英制成的平行平板。當平行光束入射時，由于入射光的多光束干涉，標準具對不同波長的光有不同的透過率。標準具透過率關(guān)于入射波長的函數(shù)［8］為:

式中，F(xiàn)=4R/(1－R)2，R為熔融石英標準具(未鍍膜)表面反射率，R=0.035，計算得F=0.1503。為平行平板內(nèi)參與多光束干涉的兩相鄰出射光線的位相差，=(2π/λ)2nd cos(α/n)，n=1.46為熔融石英標準具介質(zhì)折射率，d為標準具厚度，α為光束的入射角。標準具的透過率關(guān)于傾斜角度的曲線，如圖4所示，在傾斜角(入射角)為0.054 rad時，標準具對1123 nm的透過率為100%，對1112 nm和1116 nm譜線的透過率低于90%，巨大的插入損耗足以抑制1112 nm和1116 nm的振蕩。

從圖3和圖4中可以看出，雙折射濾波器的角度調(diào)諧的敏感度比標準具更高，雙折射濾波器的透過峰的半寬度比標準具的窄。這會導(dǎo)致諧振腔內(nèi)振蕩的縱模數(shù)目較插入標準具的情況少，這將壓窄輸出譜線的寬度，導(dǎo)致雙折射濾波器比標準具情況下輸出功率較低。

圖4 1123 nm、1112 nm和1116 nm譜線的透過率關(guān)于傾斜角度的曲線Fig.4 Transmission curves for 1112，1116，and 1123 nm lines varied with the tilt angle of the etalon

3 實驗裝置與結(jié)果

實驗裝置如圖5所示，以最大輸出功率為5 W的LD作為泵浦源，中心波長為808 nm，抽運光經(jīng)過透鏡系統(tǒng)準直聚焦后入射到激光介質(zhì)。激光介質(zhì)是Nd摻雜原子質(zhì)量分數(shù)1%的Nd∶YAG晶體，尺寸為3 mm×3 mm×3 mm，入射面鍍有808 nm和1319 nm增透膜(T＞90%)和1123 nm高反膜(R＞99.8%)。出射面鍍有1123 nm增透膜(T＞99%)。LBO兩邊均鍍有561 nm和1123 nm的增透膜(T＞99%)。輸出耦合鏡OC的曲率半徑為100 mm，凹面鍍有1123 nm的高反膜(R＞99%)和1064、561nm的增透膜(T＞90%)。Nd∶YAG晶體用銦鉑包裹并且固定在一個熱沉中。倍頻晶體為Ⅰ類相位匹配切割的LBO，尺寸為2 mm×2 mm×10 mm。LD用半導(dǎo)體制冷器(TEC)控溫，使LD發(fā)射波長與Nd∶YAG晶體的吸收波長吻合。整個諧振腔用一個TEC實現(xiàn)精確溫控確保激光器穩(wěn)定運行。諧振腔的長度約為25 mm。選用的雙折射濾波器(未鍍膜)的厚度為2 mm，選用的標準具(未鍍膜)的厚度為400μm。

圖5 實驗裝置圖Fig.5 The schematic of the experiment setup

把雙折射濾波器以布儒斯特角放置到光路中，調(diào)整雙折射濾波器的調(diào)諧角到0.7504 rad，調(diào)節(jié)輸出耦合鏡和LBO的位置，以獲得最佳輸出。采用OCEAN OPTICS公司HR4000CG-UV-NIR光譜儀測量輸出的二次諧波的光譜特性，如圖6所示。從圖中可以看出獲得了穩(wěn)定561 nm的單譜線輸出，雙折射濾波器成功抑制了競爭譜線(1112 nm、1116 nm)振蕩。如果不使用雙折射濾波器，輸出為556 nm、558 nm和561 nm三條譜線且波動很大［4］。使用功率計測量出輸出功率關(guān)于抽運功率的曲線如圖7所示。

把標準具插入光路中，調(diào)整標準具傾斜的角度到0.054 rad，調(diào)節(jié)輸出耦合鏡和LBO的位置，以獲得最佳輸出。采用 OCEAN OPTICS公司HR4000CG-UV-NIR光譜儀測量輸出的二次諧波的光譜特性，如圖6所示。比較兩種情況的譜線寬度，發(fā)現(xiàn)雙折射濾波器可以更好的壓窄譜線寬度，符合之前的理論分析。

圖6 分別采用BF和標準具獲得的561 nm單譜線輸出光譜Fig.6 The spectrum of the 561nm single-line output with BF and etalon respectively

使用功率計測量出輸出功率關(guān)于抽運功率的曲線如圖7所示。

圖7 561 nm輸出功率關(guān)于泵浦功率的曲線Fig.7 The output power of the 561 nm laser versus pump power

4 結(jié)論

使用最大輸出功率為5 W的LD抽運Nd∶YAG晶體，通過設(shè)計合理的諧振腔的膜系抑制1064 nm和1318 nm譜線的振蕩，再分別使用雙折射濾波器和標準具作為選擇性損耗元件，抑制1112 nm和1116 nm譜線的振蕩，獲得了穩(wěn)定單譜線561 nm激光輸出。在泵浦功率為4.8 W時，分別獲得227 mW和254 mW的561 nm單譜線輸出，斜效率分別為6%和6.68%。得出結(jié)論采用雙折射濾波器相比標準具可以更好壓窄線寬，而采用標準具可以獲得更高的輸出。

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