扭轉(zhuǎn)模腔法輸出單縱模激光研究

朱 浩,王博浩,陶家友,2,鄒新長(zhǎng),魏 勇,2

(1.湖南理工學(xué)院 物理與電子科學(xué)學(xué)院,湖南 岳陽(yáng) 414006;2.湖南理工學(xué)院 信息光子學(xué)與空間光通信湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 岳陽(yáng) 414006;3.岳陽(yáng)大陸激光技術(shù)有限公司,湖南 岳陽(yáng) 414000)

單縱模固體激光器在精密測(cè)量、光譜醫(yī)療、國(guó)防軍事等領(lǐng)域有著非常重要的應(yīng)用.目前,獲得單縱模的方法通常有短腔法、標(biāo)準(zhǔn)具法、濾光片法、行波腔法和扭轉(zhuǎn)模腔法等,其中扭轉(zhuǎn)模腔法具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)而得到廣泛應(yīng)用[1].而其他幾種方法存在獲得單縱模幾率不高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜或抗干擾能力弱等缺點(diǎn).扭轉(zhuǎn)模腔法控制激光器輸出單縱模研究起源于1965年,由Evtuhov 和Siegman 共同完成[2],隨后不斷得到發(fā)展.80年代產(chǎn)生的半導(dǎo)體泵浦的全固態(tài)激光器擁有傳統(tǒng)固體激光器和半導(dǎo)體激光器的優(yōu)勢(shì),其體積更小,性能更好,輸出激光更穩(wěn)定.將全固態(tài)激光器和扭轉(zhuǎn)模腔結(jié)合起來(lái),可以使得輸出單縱模激光所需的閾值電壓更低,輸出的單縱模激光更加平滑穩(wěn)定.李莉[3]等基于扭轉(zhuǎn)模腔法實(shí)現(xiàn)了L 形單縱模Tm,Ho:YAG 激光器單縱模的輸出.盧蔥蔥[4]等利用微失調(diào)扭轉(zhuǎn)模腔產(chǎn)生雙頻激光.Luo[5]等使用扭轉(zhuǎn)模腔的方式設(shè)計(jì)出一種直接振蕩在 640 nm 的二極管泵浦Pr:YLF 全固態(tài)單縱模激光器.輸出激光的特性隨著研究的不斷加深日益趨向于高性能低損耗,輸出功率由原來(lái)的mW 量級(jí)變成了如今的W 量級(jí),利用扭轉(zhuǎn)模腔法輸出單縱模激光逐漸成為研究熱點(diǎn).

1 單縱模激光輸出方法

普通激光器諧振腔內(nèi)存在著各種不同模式振蕩的激光,一般激光器中不同縱模的激光有著相同的損耗,但不同縱模激光的振蕩頻率卻不同,導(dǎo)致其小信號(hào)增益系數(shù)也不相同.因此可以利用激光相鄰縱模之間的增益差來(lái)控制激光器輸出單縱模激光,也可以人工利用損耗差對(duì)激光進(jìn)行選模,從而達(dá)到輸出單縱模激光的目的.

1.1 短腔法

對(duì)于一定的諧振腔,凡是落在熒光線寬范圍內(nèi),且增益都處于閾值線水平以上的駐波振蕩,均能形成激光振蕩,此即多縱模工作狀態(tài).相鄰兩縱波間隔Δvq為

其中μ為折射率,L為諧振腔腔長(zhǎng).

由上式可知,縱模頻率間隔Δvq與諧振腔腔長(zhǎng)L成反比.為了在激光增益曲線中獲得單一頻率振蕩,可設(shè)法增大縱模頻率間隔,使其在熒光譜線有效寬度范圍之內(nèi),只存在一個(gè)縱模振蕩[6].因此可通過(guò)縮小腔長(zhǎng)L來(lái)實(shí)現(xiàn),獲得單縱模激光.

1.2 標(biāo)準(zhǔn)具法

短腔法受腔長(zhǎng)的影響增益介質(zhì)比較短無(wú)法輸出高功率的單縱模激光.為了克服這種缺點(diǎn),可以采用標(biāo)準(zhǔn)具法獲得較高功率的單縱模激光[7].

如圖1所示,利用標(biāo)準(zhǔn)具的多光束干涉效應(yīng)輸出單縱模激光,M 表示全反鏡,P 表示輸出耦合鏡.在諧振腔內(nèi)插入標(biāo)準(zhǔn)具,一些固定頻率的光可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)具在諧振腔內(nèi)往返傳播,其他頻率的光則不能通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)具,一定時(shí)間后諧振腔內(nèi)只有部分特定頻率的光振蕩傳播,其他頻率的光因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)具的高損耗而消失.因此可以通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)具對(duì)諧振腔內(nèi)的光進(jìn)行選頻輸出,利用不同頻率的光通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)具的消耗不同來(lái)控制激光器輸出單縱模激光,當(dāng)增益線寬比較寬時(shí),可以利用超薄的標(biāo)準(zhǔn)具的平行平板來(lái)控制激光器輸出單縱模激光.

圖1 標(biāo)準(zhǔn)具法輸出單縱模激光

由于多光束干涉的結(jié)果,只允許若干個(gè)頻率帶寬很窄的光通過(guò),其透過(guò)光的頻率vm為

其中μ為工作物質(zhì)的折射率,φ為標(biāo)準(zhǔn)具法線與諧振腔軸線的傾角,μ′為標(biāo)準(zhǔn)具的折射率,d為標(biāo)準(zhǔn)具的厚度,m為整數(shù).

1.3 雙折射濾光片法

圖2為雙折射濾光片法輸出單縱模激光的示意圖,圖中BP 表示布儒斯特片(布氏片),M 表示輸出耦合鏡,KTP 為雙折射晶體.LD 泵浦的激光通過(guò)增益物質(zhì)后轉(zhuǎn)化為線偏振光,線偏振光通過(guò)BP 后偏振方向和BP 的p 偏振方向重合時(shí),只有p 偏振方向的基頻光可以通過(guò)BP.通過(guò)后的基頻光再通過(guò)雙折射晶體KTP,由于雙折射晶體KTP 是倍增材料,激光通過(guò)倍增晶體KTP 后被折射分為尋常光和非尋常光兩種.激光通過(guò)輸出耦合鏡反射回諧振腔進(jìn)行振蕩,當(dāng)基頻光兩次通過(guò)雙折射晶體KTP 后基頻光的偏振狀態(tài)就一直保持為p 偏振光不會(huì)繼續(xù)發(fā)生變化,然后再通過(guò)BP 的基頻光的消耗就可以達(dá)到最低從而首先起振,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)激光的頻率選擇和單縱模輸出.

圖2 雙折射濾光片法輸出單縱模激光

1.4 行波腔法

圖3為三鏡片的環(huán)形腔示意圖,其中A、B為反射鏡,C為輸出耦合鏡,P1為諧振腔內(nèi)的增益介質(zhì),P2為光隔離器.當(dāng)激光通過(guò)反射鏡A時(shí)會(huì)反射到光隔離器中,光隔離器是具有選通作用的無(wú)源光器件,對(duì)射入的正向激光不起隔離作用正常通過(guò),對(duì)射入的反向激光具有非常大的損耗進(jìn)而隔離反向激光的射出.由于光隔離器正反兩個(gè)方向的激光損耗并不相同,因此諧振腔內(nèi)只有一個(gè)傳播方向的激光,經(jīng)過(guò)光隔離器后激光通過(guò)反射鏡B 反射進(jìn)入激光的增益介質(zhì)中,通過(guò)增益介質(zhì)后再通過(guò)輸出耦合鏡C.由于開(kāi)始振蕩的激光達(dá)不到于輸出鏡C 的輸出要求,此時(shí)激光器會(huì)通過(guò)輸出鏡C 再反射到反射鏡A,依次單方向地進(jìn)行下去.當(dāng)諧振腔內(nèi)的激光達(dá)到輸出鏡C的閾值后就可以輸出單縱模激光.

1.5 扭轉(zhuǎn)模腔法

扭轉(zhuǎn)模腔法輸出單縱模激光利用的主要元件有:LD泵浦源、全反鏡、輸出耦合鏡、一對(duì)1/4波片、Nd:YAG 激光晶體、小孔光闌以及起偏器,如圖4所示.兩個(gè)1/4波片快軸互相垂直和起偏器的偏振方向的夾角為45°.

圖4 扭轉(zhuǎn)模腔法輸出單縱模激光

1/4波片工作原理[8]如圖5所示.當(dāng)LD泵浦全固態(tài)激光器工作時(shí),光路從左往右經(jīng)過(guò)1/4波片,經(jīng)過(guò)1/4波片后線偏振光轉(zhuǎn)化為圓偏振光,也因此要求入射的圓偏振光必須通過(guò)Nd:YAG 晶體中心,防止圓偏振光偏振態(tài)受到影響.圓偏振光經(jīng)過(guò)增益介質(zhì)后輸出,相同的光路振蕩返回后,由于右側(cè)對(duì)稱位置也存在一個(gè)1/4波片,保證了激光能一直以圓偏振光通過(guò)激光晶體,圓偏振光的激光空間光強(qiáng)分布均勻因此不會(huì)出現(xiàn)空間燒孔效應(yīng)[6].在激光內(nèi)過(guò)濾多種縱模形式的振蕩達(dá)到單一縱模的激光輸出,諧振腔內(nèi)的激光通過(guò)起偏器(偏振片),由于起偏器只能讓水平于一定方向的光射出,經(jīng)過(guò)起偏器后不符合水平一定方向的光由于消耗高不能通過(guò)起偏器,即只有沿軸方向的激光可以通過(guò),再通過(guò)合適的輸出鏡片就可以使得激光器輸出單縱模激光.

圖5 1/4 波片工作原理

綜上所述,短腔法構(gòu)造簡(jiǎn)單,利用改變腔長(zhǎng)增加縱模之間的間隔就能輸出單縱模,但由于腔長(zhǎng)的限制不能進(jìn)行大功率的激光輸出.標(biāo)準(zhǔn)具法是在激光器腔內(nèi)放置標(biāo)準(zhǔn)具可以起到選模選通輸出單縱模激光,但是由于使用標(biāo)準(zhǔn)具法時(shí)激光的建立時(shí)間比較短,腔內(nèi)激光的功率密度大,不利于輸出穩(wěn)定的單縱模激光.濾光片法利用雙折射晶體和布氏片的折射選通來(lái)輸出單縱模,但是由于雙折射晶體和布氏片的折射能力有限,輸出的單縱模激光并不理想.行波腔法利用環(huán)形腔輸出單縱?？梢允沟眉す庠诃h(huán)形腔內(nèi)沿著一個(gè)方向傳播,因此不會(huì)產(chǎn)生空間燒孔效應(yīng),但是由于行波腔內(nèi)需要較多的反射鏡,會(huì)造成較大的激光損耗.而扭轉(zhuǎn)模腔法具有消除空間燒孔效應(yīng)的特點(diǎn),同時(shí)扭轉(zhuǎn)模腔法單縱模輸出時(shí)具有閾值電壓要求低、輸出單縱模激光平滑穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn).

2 扭轉(zhuǎn)模腔法仿真結(jié)果及分析

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)扭轉(zhuǎn)模腔,該腔由兩塊曲率半徑為60mm 的端面鏡、兩塊1/4波片、一片偏振片和Nd:YAG 晶體構(gòu)成.其中對(duì)稱放入兩個(gè)1/4波片,兩個(gè)波片的慢軸成90°角,調(diào)節(jié)諧振腔的泵浦電源,微調(diào)波片的位置,使得輸出的光功率最大.然后為了避免加入偏振片后激光功率過(guò)大造成影響,將泵浦電源的功率適當(dāng)調(diào)小,調(diào)節(jié)到合適后加入偏振片,兩個(gè)1/4波片的快軸與光的偏振方向成45°夾角,接著調(diào)整偏振片與水平位置的夾角,當(dāng)諧振腔內(nèi)出射激光的功率最大時(shí),偏振片的工作角度是最理想的.加上兩個(gè)1/4波片后,增益介質(zhì)內(nèi)的光強(qiáng)分布為

其中E為電場(chǎng)強(qiáng)度,ω為角頻率,t為時(shí)間,k為波數(shù),L為諧振腔腔長(zhǎng).

設(shè)泵浦激光器的功率為30W,泵浦波長(zhǎng)為808nm,諧振腔的腔長(zhǎng)L約為10cm,輸出激光的波長(zhǎng)為1064nm,單程振蕩時(shí)間S約為2us.

因此有:

將式(4)代入到式(3)中,t的取值為1～5us,利用Matlab軟件進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果如圖6所示.

圖6中,橫坐標(biāo)為時(shí)間t,單位為us;縱坐標(biāo)為光強(qiáng)I,單位為cd.圖中光強(qiáng)I為縱坐標(biāo)數(shù)值*E104.A點(diǎn)為光強(qiáng)最小點(diǎn),B 點(diǎn)為光強(qiáng)最大點(diǎn).由圖可知,增益光強(qiáng)是明暗相間的干涉條紋;a表示暗條紋寬度,b表示亮條紋的寬度,a、b大小相等,表明條紋寬度相同,即干涉條紋是均勻的明暗相間且寬度相等的條紋.因此諧振腔內(nèi)的激光光強(qiáng)分布均勻,不存在空間燒孔效應(yīng).

圖6 增益光強(qiáng)

扭轉(zhuǎn)模腔法輸出單縱模激光的特點(diǎn)在于利用扭轉(zhuǎn)模腔可以讓不同方向的偏振光轉(zhuǎn)換為圓偏振光.假設(shè)激光振蕩時(shí)角頻率不變,振蕩后圓偏振光和線偏振光相位相差π/2的整數(shù)倍,分解式(4)在三維坐標(biāo)下代入式(3),再利用Matlab軟件仿真,仿真結(jié)果如圖7所示.由圖7可知,諧振腔內(nèi)的線偏振光(左)沿各方向分布導(dǎo)致不均勻,通過(guò)扭轉(zhuǎn)模腔后可以轉(zhuǎn)換為圓偏振光(右),圓偏振光類似于螺旋管上升,因此該類型諧振腔又稱為扭轉(zhuǎn)模腔.在沿軸方向光強(qiáng)分布均勻,不會(huì)形成空間燒孔效應(yīng),在諧振腔中存在的諸多激光模式中過(guò)濾掉多種縱模后實(shí)現(xiàn)了單一縱模的激光輸出.

圖7 線偏振光(左)和圓偏振光(右)

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)由兩塊曲率半徑為60mm 的端面鏡、兩塊1/4波片、一片偏振片和Nd:YAG 晶體構(gòu)成的扭轉(zhuǎn)模腔.當(dāng)入射光為線偏振光時(shí),線偏振光沿各方向分布,從而導(dǎo)致光強(qiáng)分布不均勻,再通過(guò)扭轉(zhuǎn)模腔中的1/4波片后,垂直方向分量和豎直方向分量分別產(chǎn)生1/4波長(zhǎng)相位差,可以轉(zhuǎn)換為圓偏振光,反射回來(lái)后,兩個(gè)分量的方向和相位差不變,再次經(jīng)過(guò)1/4波片,兩個(gè)分量再次疊加1/4波長(zhǎng)相位差,共1/2相位差,所以合成的光為線偏振光,且偏振方向與原方向垂直,所以無(wú)法再次通過(guò)偏振片.通過(guò)仿真研究結(jié)果表明,該扭轉(zhuǎn)模腔在沿軸方向光強(qiáng)分布均勻,不會(huì)形成空間燒孔效應(yīng),實(shí)現(xiàn)了單一縱模的激光輸出.