基于濾光片XeF(C-A)激光器窄線寬輸出實驗研究

沈炎龍,朱　峰，于　力，欒昆鵬，陶蒙蒙，趙　柳，周松青，黃　超,安曉霞,易愛平,李高鵬

(西北核技術(shù)研究所,西安　710024;　激光與物質(zhì)相互作用國家重點實驗室,西安　710024)

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基于濾光片XeF(C-A)激光器窄線寬輸出實驗研究

沈炎龍,朱峰，于力，欒昆鵬，陶蒙蒙，趙柳，周松青，黃超,安曉霞,易愛平,李高鵬

(西北核技術(shù)研究所,西安710024;激光與物質(zhì)相互作用國家重點實驗室,西安710024)

摘要：通過在諧振腔內(nèi)插入窄帶濾光片，開展了XeF(C-A)藍綠激光窄線寬輸出實驗研究。研究結(jié)果表明，采用該方法，可以獲得焦耳量級能量、線寬小于2 nm、波長穩(wěn)定的激光輸出，激光最窄線寬為1.3 nm。增大濾光片與諧振腔光軸的入射角，激光器輸出能量降低。

關(guān)鍵詞：XeF激光；濾光片；窄線寬；諧振腔

1963年，Duntley 和Gilbert 等[1]在研究光波在海洋中的傳播特性時，發(fā)現(xiàn)了0.47～0.58 μm波段海水透光窗口，這一發(fā)現(xiàn)為人們利用藍綠光波段的激光器，研制出基于光學原理的水下目標探測、通信等新型設(shè)備帶來了希望。

目前，實現(xiàn)處于海水透光窗口的藍綠波段的激光輸出主要采用線性和非線性方法。線性方法主要是利用半導(dǎo)體激光器直接輸出藍光，如采用ZnCdSe/ZnSe半導(dǎo)體作為增益介質(zhì)，實現(xiàn)484 nm，1.6 W單縱模輸出[2]，采用放電激勵或表面放電光泵浦XeF(C-A)激光器產(chǎn)生藍綠激光[3-4]。非線性方法主要是利用倍頻、和頻、光參量振蕩等非線性光學手段產(chǎn)生藍光，主要有: 1) 對半導(dǎo)體輸出激光倍頻實現(xiàn)藍光，如美國Coherent公司實現(xiàn)了15 W的 488 nm和5 W的 460 nm的單模連續(xù)輸出[5]; 2) 采用了固體激光器或閃光燈泵浦Nd：YAG (946 nm/1 064 nm)[6]、Nd:YVO4(914 nm)[7]、Nd:GdVO4(912 nm)[8]、Ti:sapphire(910 nm)[9]或Cr:LiSAF(800～930 nm)[10]等，再利用非線性晶體倍頻獲得藍綠激光輸出。

相比其他藍綠激光器，表面放電激勵XeF(C-A)激光器，工作波長在450～520 nm的藍綠波段，處于海水的最佳傳輸窗口，具有脈沖能量大[11]、峰值功率高、波長可調(diào)諧[12]和可重頻運行[13]等優(yōu)點，在海洋目標探測及通信等方面有著潛在的應(yīng)用價值和前景[14-15]。在水下進行目標探測或通信時，為了避免雜散光干擾，探測器接收帶寬較窄，因此，為了與探測器帶寬匹配，要求激光源工作波長穩(wěn)定及窄線寬輸出[16]。XeF(C-A)激光器在自由運轉(zhuǎn)條件下光譜較寬[17]，因此，需對激光器輸出光譜進行線寬壓縮。2010年，朱峰等利用光柵作為色散元件，獲得了線寬約為1 nm、調(diào)諧范圍為 470～ 495 nm的XeF(C-A)激光輸出[18]。但是由于光柵損傷閾值低且成本較高，激光器大脈沖能量輸出對光柵容易造成損傷；2013年，該項目組報道了基于棱鏡色散對XeF(C-A)激光進行線寬壓縮，獲得了線寬小于1 nm(～0.7 nm)、最大脈沖能量為2.9 J的窄線寬輸出[19]。然而，增益介質(zhì)的動態(tài)變化使得激光輸出波長不穩(wěn)定，容易發(fā)生漂移，不利于實際應(yīng)用。因為濾光片具有透過譜寬窄、抗損傷閾值高、插入損耗小及操作方便等優(yōu)點，所以是調(diào)諧、光譜分辨和壓縮線寬的理想元件[20]。本文通過在諧振腔內(nèi)插入濾光片，獲得了波長穩(wěn)定，窄線寬XeF(C-A)藍光激光輸出。

1實驗裝置

基于濾光片XeF(C-A)激光器窄線寬輸出光路如圖1所示。實驗平臺為閉合循環(huán)模式重頻XeF激光器，激光器泵浦方式為表面放電激勵。M1為全反鏡，480 nm處反射率約為99.5%，反射帶寬為50 nm，為激光振蕩提供反饋；濾光片采用定制Edmund公司的窄帶線性濾波片，厚度為3.5 mm，入射角為0°±2°，中心波長為488.3 nm，半高全寬(FWHM)為3.0 nm，488 nm處透過率大于80%。采用硬濺射鍍膜，保證了濾光片使用波段高的透過率和非使用波段的深度截止性能，同時具有高的損傷閾值。激光器氣室為激光器工作提供增益介質(zhì)XeF2，采用氣壓比為3∶2的Ar/ N2混合氣體將飽和蒸汽壓下的XeF2帶入氣室，氣室內(nèi)總氣壓為0.105 MPa，氣室兩側(cè)的窗口為熔融石英玻璃。M2為輸出鏡，480 nm處透過率為10%，透射帶寬約為20 nm。激光經(jīng)輸出鏡輸出后，入射到?jīng)]有鍍膜的石英玻璃片上，反射光經(jīng)第二個石英玻璃片反射后進入光譜儀；透射光進入到能量計，部分經(jīng)能量計表面反射后進入光電管。光譜儀為海洋光學公司(Ocean Optics)的光纖光譜儀，型號為HR4000，測量范圍為320～540 nm，分辨率為0.06 nm；能量計為Gentec公司的量熱型能量計，型號為QE65LP-H-MB，光電管為Thorlabs公司生產(chǎn)的型號為DET10A硅探測器，響應(yīng)波長為200～1 100 nm，上升沿時間約為1 ns。

圖1　基于濾光片XeF(C-A)激光器窄線寬輸出光路結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Schematic diagram of XeF(C-A) laser with narrow linewidth output based on a filter

2實驗結(jié)果與分析

首先，觀察了激光器在自由運轉(zhuǎn)條件下的激光光譜。實驗條件為充電電壓U=25 kV，氣壓比pAr∶pN2=3∶2，總氣壓p=0.105 MPa，XeF2初始分子濃度約為0.9×1017cm-3。圖2給出了自由運轉(zhuǎn)條件下的激光光譜。可以看出，激光光譜范圍較寬，為470～490 nm，且在482 nm和490 nm處有凹陷[20]，分析認為造成兩處凹陷的機理可能是腔內(nèi)氣體分子吸收所致。

在觀察激光器自由運轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上，在腔內(nèi)插入濾光片。當濾光片法線與諧振腔光軸間的夾角(以下簡稱入射角)為0°時，激光器輸出光譜如圖3所示。可以看出，光譜出現(xiàn)雙波長，一條線是488.3 nm，對應(yīng)著XeF分子C態(tài)到A態(tài)的躍遷，另一條線是353.1 nm，對應(yīng)著XeF分子B態(tài)到X態(tài)的躍遷[20]。由于B→X躍遷的受激輻射截面比C→A躍遷大將近3個量級，當入射角為0°時，濾光片表面與輸出鏡M2組成了滿足353.1 nm振蕩條件的諧振腔，因此，激光為雙波長輸出。但此種情況不利于488.3 nm激光振蕩，應(yīng)盡量避免353.1 nm振蕩，因此需要將濾光片偏折一定角度，使353.1 nm激光振蕩失諧。

圖2　激光器自由運轉(zhuǎn)條件下輸出光譜Fig.2　Spectrum of XeF(C-A) laser in free-running

圖3　入射角為0°時激光輸出光譜Fig.3　Spectrum of output XeF(C-A) laser atan incident angle of 0°

將濾光片旋轉(zhuǎn)一個小角度，獲得了無353.1 nm激光輸出的激光光譜，如圖4所示。激光中心波長為488.3 nm，線寬為1.5 nm，幾乎為濾光片透過帶寬的一半。前面提到，C→A躍遷受激輻射截面小，XeF(C-A)激光增益系數(shù)非常低，僅為0.003 cm-1[17]，因此濾光片透過率必須超過一定值，激光才能形成振蕩。根據(jù)激光器起振條件，在不考慮衍射損耗和吸收損耗情況下，可以通過下式估算濾光片最低透過率[21]：

(1)

其中，α為XeF(C-A)激光增益，實驗采用雙向泵浦，因此取0.006 cm-1；L為增益區(qū)長度，為80 cm；R1和R2分別為輸出鏡和反射鏡的反射率，分別為0.90和0.995；T為濾光片透過率。

將上述參數(shù)代入式(1)，可以估算出濾光片的最小透過率為65.6%，即濾光片透過率必須大于65.6%，C→A躍遷才能形成激光振蕩。從該式還可以得到，并非濾光片帶寬內(nèi)的波長均滿足激光起振條件，濾光片中心波長處透過率最大，遠離中心波長時透過率降低，當某波長處透過率低于估算值時該波長便不能形成激光。因此，激光輸出線寬小于濾光片透過帶寬。

圖4　無353.1 nm輸出時XeF(C-A)激光光譜Fig.4　Typical spectrum of XeF(C-A) laserwithout 351 nm output

改變?yōu)V光片的入射角，觀察激光中心波長、線寬以及輸出能量隨入射角的變化情況，分別如圖5和圖6所示。由于濾光片入射角度變化范圍為0°±2°，當入射角超過2°時，488 nm處3 nm帶寬波長透過率急劇下降，XeF(C-A)激光將無法形成振蕩。從圖5可以看出，激光輸出中心波長幾乎不隨濾光片入射角度改變而變化，而激光線寬在1.4 nm附近變化，最大為1.5 nm，最小為1.3 nm。由于最大線寬、最小線寬均與平均值相差很小，僅為0.1 nm，接近光譜儀分辨率極限，分析認為，線寬波動是由測量不確定度引起的。

圖5　不同入射角下激光中心波長及線寬分布Fig.5　The central wavelengths and linewidths ofXeF(C-A) laser as a function of incident angle

圖6　不同入射角下激光的輸出能量Fig.6　Output energy at various incident angles

從圖6可以看出，激光輸出能量隨濾光片入射角度增大而減小，在0°時最大，為0.85 J，需要指出的是，該能量包含了353.1 nm激光。當入射角度為0.25°時，488.3 nm激光輸出能量為0.54 J。繼續(xù)增大濾光片入射角，激光輸出能量進一步降低，這是因為繼續(xù)增大入射角，濾光片的透過率下降，增加了腔內(nèi)損耗。另外，實驗時沒有更換新的增益介質(zhì)氣體也是引起能量下降的部分原因[13]。

固定濾光片入射角，觀察連續(xù)輸出多個激光脈沖光譜，如圖7所示。可以看出，不同脈沖光譜重疊較好，表明激光器輸出波長比較穩(wěn)定。

圖7　激光器輸出多個激光脈沖光譜(固定濾波片)Fig.7　Spectra of XeF(C-A) laser with the filter fixed

3結(jié)論

通過在諧振腔內(nèi)插入窄帶濾光片，獲得了輸出能量焦耳量級、線寬小于2 nm、波長穩(wěn)定的XeF(C-A)藍綠激光窄線寬輸出，研究了濾光片入射角對激光輸出線寬和輸出能量的影響。為了獲得較高能量的藍光XeF(C-A)激光輸出，濾光片入射角最佳范圍為0～0.5°。

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Experimental Investigation of Narrow Linewidth Output of XeF(C-A) Laser Based on a Filter

SHEN Yan-long,ZHU Feng,YU Li,LUAN Kun-peng,TAO Meng-meng,ZHAO Liu,ZHOU Song-qing,HUANG Chao, AN Xiao-xia, YI Ai-ping, LI Gao-peng

( Northwest Institute of Nuclear Technology, Xi’an710024,China;State Key Laboratory of Laser Interaction with Matter, Xi’an710024,China)

Abstract：A narrow linewidth XeF(C-A) laser is demonstrated by inserting a narrow band filter in the resonator. The output characteristics of narrow linewidth are studied. The experimental results indicate that a blue laser output with a stable wavelength,J-level energy, and a linewidth less than 2 nm (minimum to 1.3 nm) can be obtained by this means, and the laser energy would decrease by increasing the angle between the normal of the filter and optical axis of the cavity.

Key words：XeF laser；filter；narrow linewidth；resonator

中圖分類號:TV131.1, TN245

文獻標志碼:A

文章編號：2095-6223(2016)010301(5)

作者簡介：沈炎龍(1983-)，湖南岳陽人，助理研究員，碩士，主要從事激光技術(shù)及應(yīng)用研究。E-mail:shenyanlong@nint.ac.cn

基金項目：激光與物質(zhì)相互作用國家重點實驗室基金項目(SKLLIM1308-1)

收稿日期：2015-10-08；修回日期：2015-11-18