基于Nd:YAG/LBO倍頻藍(lán)光的全固態(tài)激光綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

鐘 凱, 溫午麒, 徐德剛, 姚建銓

(1. 天津大學(xué) 精密儀器與光電子工程學(xué)院, 天津 300072；2. 天津大學(xué) 光電信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300072)

激光技術(shù)是信息技術(shù)的支柱及核心技術(shù)之一。20世紀(jì)80年代以來(lái),隨著大功率激光二極管(LD)的發(fā)展,采用激光二極管泵浦的全固態(tài)激光器以其效率高、體積小、光束質(zhì)量好、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),成為激光技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)方向之一[1-2]。其應(yīng)用遍及國(guó)計(jì)民生的各個(gè)領(lǐng)域。

高校通常開(kāi)展的激光類實(shí)驗(yàn)有Nd:YAG激光器、He-Ne激光器、電光調(diào)Q、激光電源等實(shí)驗(yàn)[3-8],但這類實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)崿F(xiàn)的教學(xué)目標(biāo)單一,教學(xué)內(nèi)容相對(duì)落后,不利于學(xué)生對(duì)激光器相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的掌握,也難以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)激光器系統(tǒng)的全面理解和總體設(shè)計(jì)能力。

本文基于LD端面泵浦Nd:YAG激光器及LBO晶體腔內(nèi)倍頻,開(kāi)發(fā)了一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能全面、維護(hù)容易的全固態(tài)激光與非線性光學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[9]。該系統(tǒng)除了能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)全固態(tài)激光實(shí)驗(yàn)裝置在激光輸出特性、激光模式等方面的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容外,通過(guò)引入準(zhǔn)三能級(jí)激光系統(tǒng)，并對(duì)LD、Nd:YAG及LBO進(jìn)行獨(dú)立溫控,實(shí)現(xiàn)了LD輸出波長(zhǎng)調(diào)諧、Nd:YAG的能級(jí)結(jié)構(gòu)、非線性光學(xué)倍頻的角度/溫度相位匹配等特色實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,在經(jīng)濟(jì)性、適用性、功能性及科學(xué)前沿性等方面相比現(xiàn)有全固態(tài)激光實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)取得了明顯優(yōu)勢(shì)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體方案

圖1為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方案示意圖,其結(jié)構(gòu)為典型的端面泵浦內(nèi)腔倍頻激光器。泵浦源是波長(zhǎng)在808 nm附近的LD,在注入5 A電流時(shí)額定輸出功率為5 W。LD發(fā)出的激光經(jīng)1∶1的非球面匯聚到激光增益介質(zhì)Nd:YAG晶體中。Nd:YAG晶體尺寸為3 mm×3 mm×3 mm,Nd3+離子的摻雜原子百分?jǐn)?shù)為1%,在泵浦光一端鍍有808 nm、1.06 μm及1.32 μm的增透膜，以及946 nm高反膜。該膜層能夠減小泵浦光的反射損耗,抑制1.06 μm及1.32 μm四能級(jí)激光的振蕩，并對(duì)946 nm準(zhǔn)三能級(jí)激光的振蕩提供反饋。Nd:YAG晶體另一端鍍有946 nm激光增透膜以減小損耗。非線性倍頻晶體LBO尺寸為2 mm×2 mm×10 mm,兩端面鍍有946 nm及473 nm的增透膜,將腔內(nèi)振蕩的946 nm基頻光轉(zhuǎn)化為473 nm倍頻藍(lán)光。激光輸出鏡為平凹鏡(凹面向內(nèi)),曲率半徑為100 mm,鍍有946 nm高反膜及473 nm增透膜。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的產(chǎn)熱器件有LD、Nd:YAG及LBO晶體，均固定在銅質(zhì)熱沉上,由3個(gè)半導(dǎo)體制冷器(TEC)進(jìn)行獨(dú)立溫控,TEC的另一面連接鋁質(zhì)散熱片,通過(guò)散熱片底部的風(fēng)扇帶動(dòng)空氣流動(dòng)將熱量導(dǎo)出。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

為了擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容并改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中LD的注入電流可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行改變,3個(gè)半導(dǎo)體制冷器可以通過(guò)獨(dú)立的溫控表頭進(jìn)行靈活設(shè)定,激光輸出鏡可以通過(guò)鏡架上的微調(diào)旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié),以方便學(xué)生對(duì)激光器的工作參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。需要注意的是,為保證LD的工作壽命，其注入電流通常不超過(guò)3 A。半導(dǎo)體制冷器的溫度設(shè)置應(yīng)不低于10 ℃，以避免光學(xué)器件的表面結(jié)露。

2 可開(kāi)展的特色實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 LD輸出波長(zhǎng)的溫度調(diào)諧

作為固體激光器的泵浦源,LD是以直接帶隙半導(dǎo)體材料構(gòu)成的PN結(jié)或PIN結(jié)為工作物質(zhì)的一種激光器。LD通過(guò)電流提供泵浦能量,由GaAs、InP等半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì),以半導(dǎo)體晶體的自然解理面作為反射腔鏡。在受到電注入時(shí),PN結(jié)沿著正向偏壓注入的電流對(duì)工作物質(zhì)進(jìn)行激勵(lì),從而在節(jié)平面區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生受激輻射。LD的發(fā)射波長(zhǎng)受腔長(zhǎng)、能隙、載流子濃度、工作物質(zhì)折射率等因素影響,而這些因素均受溫度影響[10-11]。最主要的是半導(dǎo)體的溫度T與能隙Eg(T)之間存在以下關(guān)系：

Eg(T)=Eg(0)-AT2/(T+B)

(1)

其中Eg(0)為絕對(duì)零度時(shí)的能隙,A和B為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。能隙的變化引起波長(zhǎng)變化如下：

λ=hc/Eg(T)

(2)

一般來(lái)說(shuō),LD的輸出波長(zhǎng)與溫度具有很好的線性關(guān)系(為0.2～0.3 nm/℃),通過(guò)溫度控制來(lái)大范圍精確地改變LD的輸出波長(zhǎng),從而使其與固體激光工作物質(zhì)(Nd:YAG)的吸收峰吻合,提高激光轉(zhuǎn)換效率。

2.2 準(zhǔn)三能級(jí)Nd:YAG激光的原理

Nd:YAG全稱為摻釹釔鋁石榴石,它是將三價(jià)的激活離子Nd3+摻入釔鋁石榴石晶體中，替代Y3+離子得到的。Nd3+的簡(jiǎn)化能級(jí)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。Nd:YAG激光器通常采用808 nm光泵浦,使激活離子由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài),并通過(guò)無(wú)輻射躍遷到達(dá)4F3/2的亞穩(wěn)態(tài)(激光上能級(jí)),4I9/2、4I11/2、4I13/2都可以作為激光下能級(jí),分別產(chǎn)生0.94 μm、1.06 μm和1.3 μm波段的激光輸出。最具實(shí)用性的是圖2中對(duì)應(yīng)于躍遷R1—Z5的946 nm、R2—Y5的1 064 nm和R2—X1的1 319 nm 3條激光譜線[2]。

圖2 Nd:YAG晶體的能級(jí)結(jié)構(gòu)

激光產(chǎn)生的重要前提是上能級(jí)粒子數(shù)多于下能級(jí)(即粒子數(shù)反轉(zhuǎn))。Nd:YAG的3條主要譜線中,1 064 nm和1 319 nm都是典型的四能級(jí)激光系統(tǒng),其下能級(jí)位于基態(tài)能級(jí)之上,通常其粒子布居數(shù)可以忽略,只需要把少量基態(tài)粒子泵浦到激光上能級(jí)即可實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。對(duì)于典型的三能級(jí)系統(tǒng),其基態(tài)能級(jí)就是激光下能級(jí),要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)至少需要把一半的基態(tài)粒子泵浦到激光上能級(jí)才滿足粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件,因此三能級(jí)激光系統(tǒng)的閾值都非常高。而對(duì)于Nd:YAG的946 nm激光躍遷,由于其下能級(jí)為基態(tài)的一個(gè)高斯塔克子能級(jí),在室溫下存在一定的粒子布居數(shù),這樣的能級(jí)系統(tǒng)稱之為準(zhǔn)三能級(jí)系統(tǒng)。準(zhǔn)三能級(jí)激光的特點(diǎn)介于三能級(jí)系統(tǒng)和四能級(jí)系統(tǒng)之間,一般存在再吸收損耗大、受激發(fā)射截面小等缺點(diǎn),與典型三能級(jí)及四能級(jí)系統(tǒng)的性質(zhì)均不同。其中最明顯的一點(diǎn)就是準(zhǔn)三能級(jí)激光系統(tǒng)的效率與增益介質(zhì)的工作溫度密切相關(guān)[12-13]。降低工作溫度可以減少激光下能級(jí)的粒子布居數(shù),從而有效抑制再吸收損耗,降低閾值,提高轉(zhuǎn)換效率。

2.3 LBO晶體的倍頻特性

倍頻是獲得可見(jiàn)波段激光的主要手段,常用的非線性晶體有磷酸鈦氧鉀(KTP)、三硼酸鋰(LBO)等,這兩種晶體均為雙軸晶體。雖然LBO的非線性系數(shù)低于KTP,但LBO具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1) LBO的光損傷閾值遠(yuǎn)高于KTP；

(2) LBO既能夠?qū)崿F(xiàn)I類倍頻(兩基頻光偏振方向相同)，又可以實(shí)現(xiàn)II類倍頻(兩基頻光偏振方向垂直),而KTP只能夠采用II倍頻方式；

(3) KTP晶體可以實(shí)現(xiàn)相位匹配倍頻的最短波長(zhǎng)約為997 nm,對(duì)于此處946 nm的基頻光無(wú)法使用。

因此,利用LBO對(duì)946 nm激光倍頻產(chǎn)生473 nm藍(lán)光是最佳選擇。為實(shí)現(xiàn)高效倍頻,需要根據(jù)LBO的色散關(guān)系計(jì)算其相位匹配條件。

LBO的Sellmeier方程[14]為：

(3)

4.302 5×10-5λ4-2.913 1×10-5λ6

(4)

4.577 8×10-5λ4-3.252 6×10-5λ6

(5)

其中nx、ny、nz是LBO晶體的3個(gè)主軸折射率,λ是真空中的波長(zhǎng)(μm)。當(dāng)LBO晶體的工作溫度發(fā)生變化時(shí),3個(gè)主軸折射率的變化量分別表示為：

Δnx=(-3.76λ+2.30)×10-6×(ΔT+

29.13×10-3(ΔT)2)

(6)

Δny=(6.01λ-19.40)×10-6×

(ΔT-32.89×10-4(ΔT)2)

(7)

Δnz=(1.50λ-9.70)×10-6×

(ΔT-74.49×10-4(ΔT)2)

(8)

其中ΔT=T-T0,T0=20.0 ℃。

以I類相位匹配倍頻為例[2],根據(jù)公式(3)—(7)可以計(jì)算出室溫(20.0 ℃)時(shí)LBO倍頻的相位匹配角度(θ,φ),如圖3(a)所示。實(shí)際操作中為了便于晶體加工,通常使相位匹配方向在晶體的某個(gè)主軸面內(nèi),當(dāng)滿足946 nm倍頻的相位匹配條件時(shí),xy面內(nèi)的相位匹配角為(90°,19.3°)。此外,考慮到LBO的折射率與溫度有關(guān),在相位匹配角處改變LBO晶體的工作溫度T,將偏離相位匹配條件,從而將造成倍頻效率的下降。圖3(b)為滿足倍頻的相位匹配條件時(shí),LBO的不同工作溫度對(duì)應(yīng)的基頻光波長(zhǎng)。

2.4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功能

除了上述特色實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之外,該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還能夠完成常規(guī)固體激光實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的一般性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,如固體激光器的基本原理與結(jié)構(gòu)、激光器諧振腔的準(zhǔn)直、激光器輸入輸出特性、激光器橫模模式分析等,表1總結(jié)了該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功能,包括能夠?qū)崿F(xiàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)方法。

3 Nd:YAG/LBO腔內(nèi)倍頻藍(lán)光激光器實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 激光器輸出特性

首先打開(kāi)激光器溫控系統(tǒng)電源,此時(shí)對(duì)LD、Nd:YAG及LBO進(jìn)行冷卻的3臺(tái)獨(dú)立溫控器均進(jìn)入工作狀態(tài),溫控表頭顯示相應(yīng)的溫度設(shè)定值及實(shí)際值。待溫度穩(wěn)定后打開(kāi)LD電源,緩慢旋轉(zhuǎn)旋鈕,當(dāng)電壓示數(shù)達(dá)到1.5 V左右時(shí),電流表示數(shù)開(kāi)始增加,繼續(xù)旋轉(zhuǎn)粗調(diào)旋鈕直至看到有明顯藍(lán)光輸出。微調(diào)輸出鏡的角度及3臺(tái)溫控器的設(shè)定溫度,監(jiān)測(cè)藍(lán)光輸出功率,獲得激光器的最佳工作條件。此時(shí)LD、Nd:YAG和LBO的工作溫度分別為20 ℃、18 ℃和23 ℃。LBO最佳倍頻溫度與理論值的偏離是由晶體加工時(shí)的角度誤差引起的。得到一組LD的注入電流I與激光器輸出功率P的關(guān)系曲線，如圖4所示。當(dāng)LD的注入電流為1.6 A時(shí)(相應(yīng)LD輸出功率0.7 W)激光器達(dá)到閾值,開(kāi)始觀察到473 nm倍頻藍(lán)光輸出；當(dāng)LD的注入電流為3A時(shí)(相應(yīng)LD輸出功率2.7 W),藍(lán)光輸出功率達(dá)到280 mW,光轉(zhuǎn)換效率約為10%。每隔0.5 min測(cè)量一次激光器輸出功率,連續(xù)測(cè)量10 min,計(jì)算出激光器輸出功率的均方根不穩(wěn)定度約為2.3%。

圖3 LBO倍頻相位匹配條件和基頻光波長(zhǎng)

序號(hào)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與方法1?掌握全固態(tài)內(nèi)腔倍頻激光器的基本結(jié)構(gòu)LD端面泵浦內(nèi)腔倍頻Nd:YAG激光器的形式與特點(diǎn)觀察全固態(tài)激光器的泵浦源、增益介質(zhì)及諧振腔結(jié)構(gòu)2?掌握全固態(tài)激光器諧振腔準(zhǔn)直方法激光器振蕩條件與諧振腔損耗的關(guān)系調(diào)整激光器諧振腔輸出鏡,監(jiān)測(cè)輸出功率的變化3?掌握激光器輸出特性測(cè)試方法激光器的閾值性及輸出功率隨泵浦功率的變化關(guān)系改變LD注入電流,利用功率計(jì)測(cè)量激光器輸出功率4?了解激光器的橫模分布及測(cè)量方法激光器輸出光斑能量分布規(guī)律利用CCD測(cè)量激光器的橫模分布及光束質(zhì)量6了解LD的工作特性及波長(zhǎng)調(diào)諧方式半導(dǎo)體的能隙與溫度的關(guān)系改變LD的工作溫度,測(cè)量激光輸出功率變化5掌握準(zhǔn)三能級(jí)激光系統(tǒng)的基本原理與特性Nd:YAG激光能級(jí)結(jié)構(gòu)改變Nd:YAG的工作溫度,測(cè)量激光輸出功率變化7掌握LBO晶體I類倍頻的特性倍頻過(guò)程的角度/溫度相位匹配條件微調(diào)倍頻晶體的角度及溫度,測(cè)量激光輸出功率變化

*表示全固態(tài)激光器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)常規(guī)功能

圖4 473 nm藍(lán)光輸出功率與LD注入電流的關(guān)系曲線

3.2 LD工作溫度對(duì)輸出功率的影響

保持LD注入電流為3A,Nd:YAG和LBO的工作溫度分別為18 ℃和23 ℃不變,通過(guò)溫控器改變LD的工作溫度,LD的輸出波長(zhǎng)隨溫度升高而增加,從而偏離Nd:YAG晶體的吸收峰,降低激光轉(zhuǎn)換效率,進(jìn)而使倍頻藍(lán)光激光器的輸出功率明顯下降。在10 ℃到30 ℃范圍內(nèi)每隔1 ℃記錄一次藍(lán)光輸出功率,得到藍(lán)光輸出功率與LD工作溫度之間的關(guān)系曲線如圖5所示。可以看出隨著LD工作溫度偏離最佳值,激光器輸出功率下降明顯,在10 ℃和30 ℃時(shí)輸出功率分別下降到82 mW和35 mW。

圖5 473 nm藍(lán)光輸出功率與LD工作溫度的關(guān)系曲線

3.3 Nd:YAG工作溫度對(duì)輸出功率的影響

保持LD注入電流為3 A不變, LD和LBO的工作溫度分別為20 ℃和23 ℃不變,通過(guò)溫控器改變Nd:YAG的工作溫度,并在10 ℃至30 ℃之間變化,每隔1 ℃記錄一次激光器的輸出功率,得到的Nd:YAG工作溫度與激光輸出功率的關(guān)系見(jiàn)圖6。當(dāng)Nd:YAG晶體溫度增加時(shí),由于激光下能級(jí)的粒子數(shù)增加,重吸收效應(yīng)使得準(zhǔn)三能級(jí)激光系統(tǒng)的熒光效率變低,激光器的輸出功率明顯下降,當(dāng)晶體溫度超過(guò)26 ℃時(shí),激光器不再出光；而當(dāng)Nd:YAG工作溫度下降時(shí),激光輸出功率并沒(méi)有呈現(xiàn)升高的趨勢(shì),這是由于晶體工作溫度的變化同時(shí)導(dǎo)致諧振腔的機(jī)械結(jié)構(gòu)發(fā)生微小變化,偏離了激光器的最佳工作狀態(tài)。

圖6 473 nm藍(lán)光輸出功率與Nd:YAG工作溫度的關(guān)系曲線

3.4 LBO工作溫度對(duì)輸出功率的影響

保持LD注入電流為3 A不變, LD和Nd:YAG的工作溫度分別為20 ℃和18 ℃,通過(guò)溫控器改變LBO的工作溫度，并在18 ℃至28 ℃之間變化,每隔0.5 ℃記錄一次激光器的輸出功率,得到的LBO工作溫度與激光輸出功率的關(guān)系如圖7所示。隨著溫度偏離23 ℃,LBO倍頻逐漸偏離相位匹配條件,使得倍頻效率顯著下降,當(dāng)LBO晶體溫度低于18.5 ℃或高于27 ℃時(shí),無(wú)法觀察到藍(lán)光輸出,倍頻效率下降為零。

圖7 473 nm藍(lán)光輸出功率與LBO工作溫度的關(guān)系曲線

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)LD、Nd:YAG激光晶體及LBO非線性晶體的獨(dú)立溫控,實(shí)現(xiàn)了LD的波長(zhǎng)調(diào)諧、三能級(jí)激光系統(tǒng)的原理以及LBO晶體I類倍頻的相位匹配3大特色實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。學(xué)生通過(guò)該實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備、操作及總結(jié)過(guò)程,加深對(duì)了相關(guān)理論和原理的理解,為今后科研和工作打下了基礎(chǔ),全面鍛煉了學(xué)生思考與解決問(wèn)題的能力。

4 結(jié)語(yǔ)

為滿足 “新工科”建設(shè)中對(duì)激光與光電子類專業(yè)領(lǐng)域創(chuàng)新性工程科技人才的培養(yǎng)需求,基于Nd:YAG全固態(tài)激光器及LBO腔內(nèi)倍頻設(shè)計(jì)了一套多功能激光與非線性光學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過(guò)引入準(zhǔn)三能級(jí)工作全固態(tài)激光器并對(duì)LD、激光增益介質(zhì)及倍頻晶體的獨(dú)立溫控,擴(kuò)展了全固態(tài)激光器實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。該實(shí)驗(yàn)在天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心用于實(shí)驗(yàn)教學(xué),受到了學(xué)生的廣泛贊譽(yù),有效提高了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)及解決問(wèn)題的能力,加深了學(xué)生對(duì)激光及非線性光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域知識(shí)較為全面的理解,從而為學(xué)生后續(xù)走上工作崗位或從事科學(xué)研究工作打下了基礎(chǔ)。