基于Nd:YAG晶體的1 123 nm激光器實驗設(shè)計

白 芬， 焦志勇， 徐先鋒， 張 會

(中國石油大學(xué)(華東) 理學(xué)院， 山東 青島 266580)

0 引 言

激光以其出色的方向性、單色性和相干性被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、科研、信息和軍事等各個領(lǐng)域[1-3]。高等學(xué)校物理類相關(guān)專業(yè)的教學(xué)中也將激光知識的學(xué)習(xí)放在很重要的位置。同時，對激光原理、激光技術(shù)在理論和實驗方面的教學(xué)改革也進(jìn)行了許多積極有益的探索[4-6]。多年的教學(xué)實踐表明，盡管經(jīng)過這些課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生對激光的原理和應(yīng)用有了一定的認(rèn)識，但對一些概念和物理過程的理解仍然停留在書本的理論描述上，難以形成具體的印象。

激光模式是描述激光性能的重要概念，有橫模和縱模之分。橫模描述的是諧振腔橫截面內(nèi)的激光光場分布情況，可以從激光橫截面內(nèi)能量分布來看，通常用光束質(zhì)量因子M2來評價激光橫截面的均勻性。縱模描述的是沿諧振腔軸線方向上的激光光場分布情況。理論上激光腔可以產(chǎn)生無數(shù)個等間距頻率的光，但由于增益介質(zhì)只對特定頻率的光產(chǎn)生最大增益，其他頻率的光被抑制掉，即在諧振時會篩選出符合諧振頻率的諧振激光，所以激光器一般僅輸出一個或幾個特定頻率的激光?？v模其實就是針對激光頻率(或波長)而言的。如同人的身高和體重一樣，橫模和縱模雖然沒有必然聯(lián)系，但它們從兩個角度來描述激光的性能，缺一不可。

本文設(shè)計了一個固體激光器實驗。側(cè)面泵浦的激光二極管作為泵浦源，常用的摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)晶體作為激光介質(zhì)。通過縱模選擇技術(shù)，選擇出非常規(guī)的1 123 nm激光輸出。同時研究了不同的激光諧振腔長對激光輸出功率和光束質(zhì)量的影響。

1 Nd:YAG晶體材料的發(fā)射譜線

Nd:YAG晶體是目前最重要的激光晶體之一，具有高增益、高效率、高光學(xué)質(zhì)量、熱傳導(dǎo)性好、抗熱沖擊和機(jī)械強(qiáng)度高的特性[7-8]。按照原子的量子理論，光和原子相互作用可能引起受激吸收、自發(fā)輻射和受激輻射3種躍遷過程。激光是基于受激輻射放大原理而產(chǎn)生的一種相干光輻射。盡管激光是受激輻射占優(yōu)勢，然而最初的來源則是基于自發(fā)輻射。工作物質(zhì)自發(fā)輻射可能產(chǎn)生很多的譜線，每一條譜線對應(yīng)一定的原子躍遷。Nd:YAG晶體是將Nd3+離子摻雜在YAG介質(zhì)中得到的，從4F3/2吸收帶向下躍遷可產(chǎn)生20多條譜線，其能級結(jié)構(gòu)如圖1所示。Singh等對室溫下Nd:YAG晶體在幾個主要發(fā)射帶內(nèi)各條譜線的受激發(fā)射截面和熒光分支比率等參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的研究，結(jié)果如表1所示[9]。

圖1 Nd:YAG晶體能級圖(nm)

λ/nmTransitionΔυ/cm-1σ/pm2β946.10R1→Z595.10.0401 064.18R2→Y3545.80.1351 112.12R2→Y6143.60.0251 115.95R1→Y5162.90.0341 122.70R1→Y6133.00.0301 318.80R2→X168.70.018

從表1可見，Nd:YAG晶體室溫時的發(fā)射譜中，以4F3/2的STARK分裂能級R2到4I13/2的STARK分裂能級Y3的躍遷產(chǎn)生的1 064 nm譜線最強(qiáng)。由于1 064 nm譜線的熒光分支比相比其他譜線要大得多，發(fā)射截面也大的多，在激光振蕩過程中最先起振。率先振蕩的1 064 nm譜線消耗了大量的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，從而抑制了其他譜線的振蕩。因此，大部分的Nd:YAG激光器輸出的是1 064 nm激光。

1 123 nm譜線對應(yīng)著從4F3/2的STARK分裂能級R1到4I13/2的STARK分裂能級Y6的躍遷。1 123 nm的激光可以用作摻銩光纖激光器的泵浦源，通過轉(zhuǎn)換產(chǎn)生藍(lán)光。因此，1 123 nm激光器也逐漸引起了科學(xué)家們的興趣[10-12]。然而，由于Nd:YAG在1 123 nm處的發(fā)射截面和熒光分支比較小。想要實現(xiàn)1 123 nm激光的振蕩，必須采取措施，讓1 123 nm激光在眾多譜線的競爭中占優(yōu)勢。

當(dāng)激光器工作物質(zhì)被激發(fā)，發(fā)出輻射光時，所有波長的光子都試圖在諧振腔中得到諧振從而成為優(yōu)勢波長。然而，某個頻率的光最終要成為激光的縱模輸出，除了要滿足諧振條件、頻率落入工作物質(zhì)的譜線線型范圍內(nèi)之外，還必須突破一個重要關(guān)口——增益大于損耗。這恰恰就是縱模選擇的基本思想。激光器中某一縱模能否起振和維持振蕩，主要取決與這一縱模的增益與損耗值的相對大小。不同縱模存在增益差異。因此可以在腔內(nèi)引入一定的選擇性損耗，使欲選擇的縱模損耗最小，而其余縱模的損耗較大。當(dāng)其余縱模的振蕩的閾值大于其增益時就會被抑制，最終形成并得到放大的就是欲選擇的縱模。

因此，需要人為地控制各個波長處的損耗來選擇出1 123 nm激光。激光往返過程中，損耗包含幾何損耗、衍射損耗、吸收損耗、散射損耗、透射損耗等。其中，透射損耗指的是由于激光器腔鏡鍍膜對所在波長處不完全反射(R<1)而透射到腔外的損耗。采用特殊設(shè)計的鍍有高度選擇性介質(zhì)膜的反射鏡可以嚴(yán)格控制每個譜線處的透射損耗，也是一種常用的選擇縱模的方式。

2 激光器實驗裝置

2.1 激光器整體架構(gòu)

Nd:YAG激光器實驗裝置圖如圖2所示。腔型采用簡單兩鏡直腔。整個激光器包括M1后腔鏡(平凸鏡，曲率半徑500 mm)和M2輸出鏡(平平鏡)、激光二極管LD側(cè)面泵浦源、Nd:YAG晶體3部分。泵浦源由3個等間距的激光二極管陣列按照三角形等間距互呈120°側(cè)向抽運(yùn)。棒狀Nd:YAG激光介質(zhì)的摻雜濃度為1.0%，尺寸為3 mm×63 mm。實驗中Nd:YAG棒通水冷卻，溫度保持在20 ℃。

圖2 Nd:YAG激光器實驗裝置圖

2.2 激光器腔鏡鍍膜

本實驗中，M1和M2的膜層經(jīng)過特殊設(shè)計，其鍍膜情況分別如圖3和圖4所示。為了便于比較，把不同波長激光在腔內(nèi)往返1周的透射損耗列為表2。其中，R1和R2分別為M1和M2的反射率，δr=-0.5ln(R1R2)為光子在腔內(nèi)往返1周的透射損耗。可見，經(jīng)過特殊的鍍膜設(shè)計， 1 123 nm波長激光的透射損耗最小，而其他波長處的損耗則相對較大。

圖3 后腔鏡M1透射率圖譜

圖4 輸出鏡M2透射率圖譜

λ/nmR1/%R2/%δr946.1017.0089.60.9411 064.1899.990.52.6491 112.1299.9995.00.0261 115.9599.9996.00.0201 122.7099.9998.00.0101 318.8020.0010.01.956

3 激光器輸出激光特性測量

3.1 光 譜

采用上述腔鏡搭建好激光器后，首先測量了輸出激光的光譜。最終，在光譜儀上只觀察到1 123 nm激光的光譜。圖5顯示了觀測范圍為1 060～1 140 nm，分辨率為0.2 nm時測量的光譜圖。圖6顯示了展寬的1 123 nm光譜，觀測范圍從1 120～1 126 nm，分辨率為0.05 nm。可見實驗得到了單一的1 123nm波長激光，全幅半寬為0.16 nm。

圖5 1 123 nm激光光譜圖

圖6 1 123 nm激光光譜展寬圖

3.2 輸出功率

實驗中，研究了幾個不同腔長時,1 123 nm激光的平均輸出功率。圖7給出了腔長為160，210，260和310 mm時輸出功率隨泵浦功率的變化情況。由圖可見，當(dāng)腔長一定時，隨著泵浦功率的增加，輸出功率增加;當(dāng)泵浦功率一定時，隨著腔長的增大，輸出功率下降。腔長為160 mm時，125 W的泵浦功率下獲得了11.12 W的平均輸出功率。

圖7 1 123 nm激光輸出功率隨泵浦功率變化情況

3.3 光束質(zhì)量

激光應(yīng)用中，光斑的均勻性至關(guān)重要。影響光斑質(zhì)量的重要原因是多個橫模參與了激光振蕩。然而實際得到的激光光束中，并不知道包含了哪些橫模以及每個單橫模的強(qiáng)度，實際上大部分情況我們也沒有必要知道。1988年，光束質(zhì)量M2因子被提出用來描述激光光束質(zhì)量[13]。它克服了其他常用的光束質(zhì)量評價方法的局限，如今被廣泛采納[14-15]。M2因子采用理想的高斯光束作為參照比較標(biāo)準(zhǔn)，其值定量反映了被測光束的光束質(zhì)量偏離理想高斯光束光束參數(shù)乘積的程度。

實驗中分別研究了不同泵浦功率、不同腔長下輸出激光的光束質(zhì)量因子。在一定的泵浦功率和腔長下，激光光斑并不是嚴(yán)格的一個圓形。分別測出x和y兩個正交方向的M2因子來綜合評定光束質(zhì)量。

圖8給出了不同泵浦功率下，光束質(zhì)量因子隨腔長的變化情況。由圖可見，當(dāng)腔長一定時，隨著泵浦功率的增加，光束質(zhì)量因子變大;當(dāng)泵浦功率一定時，隨著腔長的增大，光束質(zhì)量因子變小，光束質(zhì)量得到明顯改善。當(dāng)腔長310 mm，泵浦功率為125 W時，1 123 nm激光的光束質(zhì)量因子M2在x和y兩個正交方向上分別為4.9±0.1和4.6±0.1。圖9給出了此時典型的光斑分布圖。

圖8 光束質(zhì)量因子隨腔長的變化情況

圖9 典型的光斑圖

綜合分析可知，當(dāng)腔長增大時，由于引起了更多的損耗造成了輸出功率的下降。同時，腔長增大允許的橫模數(shù)減少，激光器運(yùn)轉(zhuǎn)模式更向基模趨近使得光束質(zhì)量得到改善。因此，高輸出功率往往伴隨著較差的光束質(zhì)量，而好的光束質(zhì)量是以輸出功率的減少為代價的。在實際應(yīng)用中往往需要在兩者之間尋求平衡，依據(jù)實際需求進(jìn)行合適的腔設(shè)計。如激光器標(biāo)記側(cè)重于輸出光束的質(zhì)量，將輸出功率設(shè)定在低功率，標(biāo)記圖樣就很清楚；對于打孔的激光器或者深度雕刻的激光器，側(cè)重于光束的輸出功率，功率就可以設(shè)定的較高。

4 結(jié) 語

設(shè)計了一個兩鏡直腔Nd:YAG激光器實驗。通過特定的腔鏡鍍膜選擇了特定縱模輸出，研究了不同腔長下輸出功率和光束質(zhì)量因子的特性。通過實驗讓學(xué)生更加直觀理解激光器中增益介質(zhì)、諧振腔對激光輸出特性的影響，加深學(xué)生對激光理論知識中縱模和橫模的理解。實驗實施效果表明，該實驗提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，引導(dǎo)學(xué)生獨立思考，促進(jìn)了創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。