藍(lán)光泵浦Pr：YLF單縱模綠光激光器

王浩竹，戴衛(wèi)成，金龍，董淵，金光勇

（長春理工大學(xué) 理學(xué)院，長春 130022）

單縱模激光器具有線寬窄、噪聲低、信噪比高、相干性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于流式細(xì)胞術(shù)、高分辨率拉曼光譜、全息術(shù)等［1-3］。其中，單縱模綠光波段可用于光學(xué)頻率標(biāo)準(zhǔn)和多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)［4-5］。目前為止，綠光激光器常見研究方案一般為利用非線性晶體對基頻光進(jìn)行腔內(nèi)倍頻或和頻來實(shí)現(xiàn)綠光輸出，再進(jìn)行選模技術(shù)實(shí)現(xiàn)單縱模輸出。然而，此類方案經(jīng)過二次諧波等非線性變換會(huì)產(chǎn)生“綠光噪聲”等問題，倍頻晶體本身的溫控系統(tǒng)也大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性［6-7］。摻鐠的激光晶體近幾年已成為最具吸引力的增益介質(zhì)之一，三價(jià)鐠離子（Pr3+）作為一種可以直接通過下轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)可見光波段激光輸出的稀土元素離子而備受關(guān)注，相較于氧化物基底激光材料來說，氟化物基底材料具有較低的聲子能量，這一特性不僅能夠產(chǎn)生連續(xù)的激光輸出，而且也大大地緩解了激光器的熱透鏡效應(yīng)。此外，氟化釔鋰（YLF）是一種天然的雙折射材料，能夠產(chǎn)生線性極化輸出，幾乎沒有去極化損耗。Pr：YLF晶體在可見光波段能夠產(chǎn)生若干種不同波長的躍遷，包括深紅色（約695 nm和720 nm，3P0-3F3），紅色（約 640 nm，3P0-3F2），橙色（約 607 nm，3P0-3H6），綠色（約 522n m，3P1-3H5），藍(lán)色（約 479 nm，3P0-3H4）［8-10］。在此基礎(chǔ)上，2018年，文心怡等人［11］利用 0.5 mm 的 F-P標(biāo)準(zhǔn)具對激光器進(jìn)行壓縮線寬，獲得中心波長為639.63 nm的Pr3+：YLF窄線寬脈沖激光器。在重復(fù)頻率10KHz下實(shí)現(xiàn)了激光器線寬40.8 pm，單脈沖能量3.23 μJ，脈沖寬度145 ns的脈沖激光輸出。2020年，金龍等人［12］利用聲光調(diào)Q和法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了能量為3.94 μJ、脈沖寬度為81.1 ns的紅光單縱模脈沖激光，譜線寬度約為33 MHz。而國內(nèi)關(guān)于Pr：YLF綠光激光器的研究比較少，2012年，黃舜林等人［13］研究了一種高效率連續(xù) Pr：YLF 全固體綠光激光器。獲得了波長522.4 nm，最大輸出功率為90.1 mW的綠光連續(xù)激光輸出。但目前為止，尚無關(guān)于Pr：YLF單縱模綠光激光器的報(bào)道。

為了消除“綠光噪聲”引發(fā)的跳模、線寬較大等問題，需要得到單縱模綠光輸出。目前實(shí)現(xiàn)固體激光器單縱模輸出的方法有環(huán)形腔、法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具、雙折射濾波器等［14-15］。在本研究中，基于雙法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具選模技術(shù)與Pr離子特異性結(jié)合，直接獲得單縱模綠光輸出。綜合來看，這是國內(nèi)首次報(bào)道。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

整體實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，1為藍(lán)光LD泵浦源；2為聚焦透鏡；3為輸入鏡；4為晶體；5為法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具1；6為法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具2；7為濾光片；8為功率計(jì)。其中諧振腔采用了平凹腔結(jié)構(gòu)，泵浦源采用中心波長為443 nm的藍(lán)光激光二極管，最大泵浦功率為4 W。聚焦透鏡f=50 mm，泵浦光束聚焦到尺寸為 3×3×5 mm3的激光晶體中。輸入鏡為平面反射鏡鍍有522 nm高反膜（R>99.8%）及445 nm增透膜（T>99.5%）。采用a切Pr：YLF晶體，摻雜濃度0.5 at.%。將封裝有銦箔的Pr：YLF晶體安裝在由水冷卻的銅散熱器上，Pr：YLF晶體的溫度保持在18℃。輸出鏡是曲率半徑為50 mm的凹面鏡，選用輸出激光522 nm附近波段透過率分別為1.5%、2.5%進(jìn)行比較，同時(shí)在470～ 490 nm、590～ 650 nm波段范圍鍍增透膜（T>99.5%）以達(dá)到抑制腔內(nèi)其他輸出譜線起振。法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具選用材料為無鍍膜的熔融石英，厚度為0.3 mm和0.5 mm。濾光片鍍有444高反膜（R>99.8%）及522 nm高透膜（T>99.8）。

圖1 Pr：YLF單縱模綠光激光器的原理及實(shí)物圖

對a切和c切Pr：YLF晶體的發(fā)射光譜分別進(jìn)行測量，如圖2可知Pr：YLF晶體5條較強(qiáng)的發(fā)射譜線，分別位于479 nm、522 nm、604 nm、607 nm、639 nm。從圖中可見，a切晶體和c切晶體的發(fā)射譜存在較大差距。其中，a切晶體在479 nm、607 nm、522 nm處的受激發(fā)射截面明顯大于c切晶體。所以，在實(shí)驗(yàn)中使用a切晶體。

圖2 a-cut和c-cut Pr：YLF晶體受激發(fā)射光譜

2 理論研究

對于寬譜增益的固體激光器而言，要實(shí)現(xiàn)特定頻率的單縱模激光輸出，除了需要腔鏡的膜系配合譜線的增益競爭，通常還需要在激光諧振腔內(nèi)引進(jìn)與頻率相關(guān)的損參數(shù)，加入雙法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具所引入的腔內(nèi)損耗由其透射率所決定，以單縱模綠光波段激光轉(zhuǎn)化效率達(dá)到最高值為目標(biāo)，建立含有兩個(gè)法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具對中心波長透過率乘積的關(guān)系式，并對其進(jìn)行數(shù)值分析，優(yōu)化其關(guān)鍵參數(shù)以使得中心模式增益最大同時(shí)其它模式被抑制，實(shí)現(xiàn)激光線寬的調(diào)制，進(jìn)而獲得單縱模綠光激光輸出。單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具的透射率函數(shù)由下式給出：

其中，R為標(biāo)準(zhǔn)具的反射率；n為標(biāo)準(zhǔn)具的折射率；d為標(biāo)準(zhǔn)具的厚度；θ為光束在法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的折射角；λ為入射光波長?？梢酝ㄟ^改變法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的厚度和入射激光的角度來調(diào)節(jié)激光腔內(nèi)的透過率，進(jìn)而控制腔內(nèi)不同模式間的損耗。給出了雙法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的透射函數(shù)：

腔內(nèi)插入標(biāo)準(zhǔn)具的傾角會(huì)引起激光波長的變化，其變化量為：

標(biāo)準(zhǔn)具相鄰?fù)干浞宓拈g隔為：

每個(gè)透射峰的譜線FWHM為：

模擬了法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具在不同厚度時(shí)透射率隨波長的變化曲線，如圖3所示。由圖3可以看出厚度較薄的法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具透過率變化所對應(yīng)的波長周期較大，固其可充當(dāng)粗選模，即限制起振縱模個(gè)數(shù)的作用，標(biāo)準(zhǔn)具厚度較厚的法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具波長周期較小，在縱模數(shù)量較少時(shí)，可以對剩下的縱模精選模。二者疊加作用，只有1個(gè)透過率最大的主峰，波長為522.7 nm，而主峰外的縱模透過率過低，損耗較大，將不能達(dá)到閾值起振。

圖3 法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具透射率隨波長的變化曲線

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

研究了自由運(yùn)轉(zhuǎn)的連續(xù)Pr：YLF綠光激光器的輸出功率。激光器輸出特性如圖4所示，其中橫坐標(biāo)對應(yīng)晶體吸收功率，縱坐標(biāo)對應(yīng)綠光激光器的輸出功率。實(shí)驗(yàn)采用三個(gè)輸出鏡在522 nm處，透射率T分別為1.5%、2.5%。T=1.5%時(shí)，閾值為1.15 W，最大輸出功率為99 mW。T=2.5%時(shí)，閾值為1.93 mW，獲得了綠光激光的最大輸出功率為68 mW?；诖耍x用透過率T=1.5%的輸出鏡來開展實(shí)驗(yàn)研究。

圖4 Pr：YLF綠光激光器的輸出特性

在實(shí)驗(yàn)過程中，為了獲得單縱模綠光激光器，首先在腔內(nèi)插入一個(gè)0.3 mm的法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具。閾值為1.4 W，最大輸出功率為65 mW。待諧振腔穩(wěn)定工作后，再插入厚度為0.5 mm的法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具，通過調(diào)節(jié)法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具角度，得到單縱模激光器。其輸出特性如圖5所示，可以看出，當(dāng)吸收功率為2.883 W時(shí)，閾值為2.3 W，最大輸出功率為9 mW。而實(shí)驗(yàn)中單縱模Pr：YLF激光器的較低的效率和較高的閾值可能歸因于兩個(gè)法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具造成的損耗。

圖5 Pr：YLF單縱模激光器的輸出功率與吸收功率的關(guān)系

選用高分辨率可見波長光譜分析儀AQ6373檢測，分辨率為0.1 nm，設(shè)置的掃描測量范圍為517～ 527 nm，測得自由運(yùn)轉(zhuǎn)的Pr：YLF連續(xù)激光器線寬為0.42 nm，如圖6（a）所示。加入0.3 mm的單法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具線寬為0.18 nm，如圖6（b）所示?？梢娂尤敕ú祭?珀羅標(biāo)準(zhǔn)具后，線寬明顯變窄，如圖6所示，可以看出，實(shí)驗(yàn)中所獲得的激光譜線為單一譜線，其中心波長為522.7 nm。

圖6 Pr：YLF綠光激光器激光譜圖

再向腔內(nèi)插入0.5 mm法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具，調(diào)節(jié)法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具角度，得到單縱模激光輸出。為了研究Pr：YLF窄線寬激光器的縱向模式，使用自由光譜范圍為1.5 GHz的掃描型法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具干涉儀（SA200-3B，Thorlabs）測量激光光譜特性，掃描法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具干涉儀的典型輸出信號如圖7所示，為了測量Pr：YLF單縱模激光器的線寬，根據(jù)以往的研究表明［16］，該波形為基于線寬近似解的洛倫茲譜。利用實(shí)驗(yàn)測得數(shù)據(jù)，通過軟件程序來處理。如圖8所示，可計(jì)算單縱模線寬約為18 MHz。

圖7 Pr：YLF單縱模激光器激光輸出信號（雙法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具）

圖8 Pr：YLF單縱模激光器激光線寬測量

4 結(jié)論

文中介紹了一種藍(lán)光半導(dǎo)體泵浦Pr：YLF單縱模綠光激光器?；陔p法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具選模技術(shù)，獲得Pr：YLF單縱模綠光激光器，在吸收功率為2.883 W，獲得最大輸出功率為9 mW，其線寬為18 MHz。此技術(shù)為直接獲得單縱模綠光激光器開辟了一條新的道路。將通過使用具有更好光束質(zhì)量的泵浦源和優(yōu)化激光晶體的光學(xué)質(zhì)量，進(jìn)一步提高激光的輸出功率，達(dá)到更高的水平。