雙端泵浦Nd3+摻雜MgO:LiNbO3 正交偏振雙波長(zhǎng)連續(xù)激光調(diào)控*

劉鴻志 王宇恒 鄭浩 趙云峰 于永吉 金光勇

(長(zhǎng)春理工大學(xué)理學(xué)院,吉林省固體激光技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)春 130022)

報(bào)道了一種采用雙端泵浦的Nd3+離子摻雜MgO:LiNbO3 正交偏振雙波長(zhǎng)激光器,并對(duì)正交偏振雙波長(zhǎng)激光輸出進(jìn)行調(diào)控.基于晶體的偏振熒光光譜,對(duì)1084 與1093 nm的雙波長(zhǎng)激光振蕩機(jī)理進(jìn)行分析,建立晶體熱透鏡焦距與受激發(fā)射截面比之間的關(guān)系,并推導(dǎo)出1084 及1093 nm 雙波長(zhǎng)共振區(qū)間,給出通過(guò)改變諧振腔腔型結(jié)構(gòu)調(diào)控雙波長(zhǎng)激光輸出的方法.在實(shí)驗(yàn)中采用813 nm的半導(dǎo)體激光器雙端泵浦a 切的Nd:MgO:LiNbO3 晶體,測(cè)量了1084 與1093 nm 兩種波長(zhǎng)的輸出規(guī)律,并對(duì)輸出波長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)控.最終得到了6.02 W的1093 nm 和3.02 W的1084 nm 單波長(zhǎng)激光輸出,在X,Y 方向上的光束質(zhì)量分別為 =1.70 和 =1.81.在28 W 泵浦注入功率下獲得了4.58 W的雙波長(zhǎng)激光輸出,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析相符合.為正交偏振雙波長(zhǎng)的可控輸出及應(yīng)用奠定了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).

1 引 言

正交偏振雙波長(zhǎng)廣泛應(yīng)用于激光干涉測(cè)量、差分吸收激光雷達(dá)、全息顯微術(shù)和精密測(cè)量,特別是在精密測(cè)量方面,同時(shí)發(fā)射兩個(gè)正交偏振波長(zhǎng)的激光由于其獨(dú)特的偏振特性,可進(jìn)行如長(zhǎng)度、位移、角度、速度、壓力、磁場(chǎng)等的精密測(cè)量.正交偏振雙波長(zhǎng)也可用于科學(xué)研究,如用于原子激光冷卻,具有廣泛的應(yīng)用前景和使用價(jià)值[1?8],使其成為固體激光領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[9?11].

目前Nd:YVO4,Nd:YLF 和Nd:YAP 是獲得正交偏振雙波長(zhǎng)激光[12]的主要晶體,2019 年廣東省晶體與激光技術(shù)工程研究中心的Tu 等[13]通過(guò)端面泵浦Nd:YLF 獲得了1314 和1321 nm 正交偏振雙波長(zhǎng)輸出,在20 kHz的脈沖重復(fù)頻率下平均功率為6.5 W.同年,廈門(mén)大學(xué)的Qi 等[14]使用a-cut Nd:YAP 獲得了1079.5 和1099 nm的正交偏振雙波長(zhǎng)激光,最大輸出功率為976 mW,斜率轉(zhuǎn)換效率為7%.然而輸出波長(zhǎng)均為單波長(zhǎng)交替輸出,并未能實(shí)現(xiàn)正交偏振雙波長(zhǎng)同步輸出.近年來(lái),基于Nd3+離子摻雜MgO:LiNbO3晶體的正交偏振雙波長(zhǎng)同步輸出開(kāi)始成為新型研究熱點(diǎn).2016 年山東大學(xué)Fan 課題組[15]報(bào)道了Nd:MgO:LiNbO3晶體的1084 與1093 nm 雙波長(zhǎng)激光同步輸出現(xiàn)象,并從能級(jí)角度對(duì)其雙波長(zhǎng)的產(chǎn)生原理進(jìn)行了分析,但并未對(duì)其輸出波長(zhǎng)進(jìn)行控制.2019 年長(zhǎng)春理工大學(xué)王宇恒等[16]在山東大學(xué)Fan 課題組[15]研究的基礎(chǔ)上,通過(guò)改變泵浦注入光斑,調(diào)節(jié)晶體溫升,分別實(shí)現(xiàn)了單波長(zhǎng)與雙波長(zhǎng)輸出,但由于光斑差異較大,不能便捷實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出波長(zhǎng)的調(diào)控.迄今為止,關(guān)于正交偏振雙波長(zhǎng)的研究多傾向于單波長(zhǎng)輸出或雙波長(zhǎng)同步輸出,對(duì)于輸出波長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)控的研究鮮有報(bào)道.

基于此,本文從Nd:MgO:LiNbO3晶體的偏振熒光光譜出發(fā),分析1084 與1093 nm的雙波長(zhǎng)激光振蕩原因,建立了晶體熱透鏡焦距與受激發(fā)射截面比之間的聯(lián)系,通過(guò)調(diào)節(jié)諧振腔腔型結(jié)構(gòu)對(duì)Nd:MgO:LiNbO3晶體的正交偏振雙波長(zhǎng)激光輸出進(jìn)行控制.最終演示了以半導(dǎo)體激光器雙端泵浦a切的Nd:MgO:LiNbO3晶體,在不添加任何額外的光學(xué)元件情況下,得到了3.02 W的1084 nm 和6.02 W的1093 nm 單波長(zhǎng)激光輸出,在28 W 泵浦注入功率下獲得了4.58 W的雙波長(zhǎng)同時(shí)輸出,并給出了切換三種輸出狀態(tài)的控制手段.為后續(xù)充分利用正交偏振雙波長(zhǎng)的可控輸出及應(yīng)用奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).極大地提高了可調(diào)控1804/1093 nm正交偏振雙波長(zhǎng)激光的應(yīng)用范圍.

2 Nd:MgO:LiNbO3 晶體的雙波長(zhǎng)激光器實(shí)驗(yàn)裝置

基于Nd:MgO:LiNbO3的正交偏振雙波長(zhǎng)激光器實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示.泵浦源采用美國(guó)nLIGHT 半導(dǎo)體激光公司生產(chǎn)的中心波長(zhǎng)813 nm的光纖耦合模塊,傳輸光纖半徑為200 μm,數(shù)值孔徑(NA)為0.22,經(jīng)1∶2 耦合鏡組(傳輸耦合效率達(dá)到97%)聚焦后抽運(yùn)Nd:MgO:LiNbO3晶體.沿a軸切割的Nd:MgO:LiNbO3晶體尺寸為2 mm ×6 mm × 40 mm,Nd3+離子摻雜濃度為4%,兩個(gè)端面鍍有813 nm 和1080—1090 nm 增透膜(antireflective,AR),晶體側(cè)面包裹一層銦箔卡在一塊紫銅熱沉中,通過(guò)外部水冷機(jī)循環(huán)制冷進(jìn)行溫度控制,水冷機(jī)控溫精度達(dá)到±0.01 ℃.M1 鍍 有813 nm高透膜系和1084 nm高反膜系,M2 鍍有1084 nm 部分高反膜系,BS1 為45°鏡鍍有813 nm高透膜和1084 nm高反膜,在BS1 右端放置一個(gè)鍍有1080—1090 nm的45°偏振膜的偏振片,用以區(qū)分兩種正交偏振輸出.

圖1 Nd:MgO:LiNbO3(Nd:MgO:LN)激光器的激光實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1.Diagram of laser experimental setup based on Nd:MgO:LiNbO3 laser.

3 Nd:MgO:LiNbO3 晶體的雙波長(zhǎng)激光輸出理論分析

由Nd:MgO:LiNbO3晶體的偏振熒光譜入手,分析雙波長(zhǎng)激光振蕩的起因,偏振熒光光譜如圖2所示.

圖2 Nd:MgO:LiNbO3 晶體的偏振熒光光譜Fig.2.Polarized fluorescence spectra of Nd:MgO:LiNbO3 crystal.

從圖2 可以看出,Nd:MgO:LiNbO3晶體表現(xiàn)出明顯的偏振發(fā)射特性.由4F3/2到4I11/2的過(guò)程中,兩種偏振的熒光譜均含有多個(gè)發(fā)射峰,其中 π -偏振的1084 nm的發(fā)射峰明顯強(qiáng)于其他波長(zhǎng),而σ-偏振的發(fā)射峰較為復(fù)雜,1078,1084 和1093 nm三個(gè)發(fā)射峰較為接近,其中1093 nm的發(fā)射峰稍強(qiáng)于其他兩種譜線.為了對(duì)輸出波長(zhǎng)進(jìn)行精確控制,引用熒光強(qiáng)度比R:

其中C1是常數(shù)系數(shù),可以估算;Ei(i=2,3) 是電平i和地電平之間的能量分離;KB是玻爾茲曼常數(shù);T是絕對(duì)溫度.

根據(jù)Fuchtbauer-Ladenbury 公式[17?20],可以計(jì)算出有效的受激發(fā)射截面:

通過(guò)(3)式可以發(fā)現(xiàn),1093 與1084 nm 兩種譜線的受激發(fā)射截面比是溫度T的函數(shù),由實(shí)測(cè)Nd:MgO:LiNbO3晶體的熒光光譜得到,當(dāng)晶體溫度趨近于330 K 時(shí),1093 nm的熒光譜線開(kāi)始出現(xiàn).為了對(duì)雙波長(zhǎng)輸出進(jìn)行精準(zhǔn)控制,本文采用介穩(wěn)腔法[21]對(duì)a切Nd:MgO:LiNbO3晶體的熱焦距進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量,擬合實(shí)際測(cè)量熱焦距值得到圖3 所示的結(jié)果.

圖3 晶體熱焦距和受激發(fā)射截面比(σ1093 / σ1084)Fig.3.Ratio of crystal thermal focal length to stimulated emission cross section(σ1093 / σ1084).

測(cè)量結(jié)果顯示,晶體溫度在320—400 K 之間,1084 和1093 nm 具有不同的熱焦距值.結(jié)合熱焦距經(jīng)典公式進(jìn)行分析:

其中ωp為泵浦光斑半徑,Kc為晶體熱導(dǎo)率,Pph為產(chǎn)生熱量的泵浦功率,dn/dT為熱光系數(shù),α為吸收系數(shù),l為晶體長(zhǎng)度.在Nd:MgO:LiNbO3晶體中,由4F3/2到4I11/2躍遷產(chǎn)生的1084 nm(Y2)和1093 nm(Y3)的受激發(fā)射截面和折射率均不同,致使雙波長(zhǎng)的熱光系數(shù)dn/dT也不同,最終導(dǎo)致1084 和1093 nm 具有不同的熱焦距值,可以看到,晶體溫度從290 K 趨近于380 K 時(shí),1084 nm 對(duì)應(yīng)的熱焦距范圍從158 mm 到62 mm,1093 nm對(duì)應(yīng)的熱焦距范圍從183 mm 到73 mm,以此為依據(jù)設(shè)計(jì)雙波長(zhǎng)激光輸出諧振腔.使用ABCD矩陣?yán)碚?以晶體中心光斑半徑作為諧振腔的穩(wěn)定性判定依據(jù),設(shè)計(jì)了三種類型的諧振腔,參數(shù)如表1所列,模擬結(jié)果如圖4 所示.

表1 諧振腔模擬參數(shù)Table 1. Parameters of cavity simulation.

圖4 腔長(zhǎng)70 mm、輸出鏡曲率R=300 mm 時(shí)的雙波長(zhǎng)共振區(qū)間Fig.4.Dual-wavelength resonance range when the cavity length is 70 mm and the output mirror curvature R=300 mm.

圖4 中黑色線條代表1084 nm 激光的穩(wěn)定區(qū)間,紅色線條代表1093 nm 激光的穩(wěn)定區(qū)間.可以看出,隨著泵浦注入功率的提升,受激發(fā)射截面比開(kāi)始發(fā)生變化,1084 nm 激光開(kāi)始逐漸失穩(wěn).當(dāng)受激發(fā)射截面比大于0.60 時(shí),1093 nm 激光開(kāi)始起振,當(dāng)受激發(fā)射截面比大于0.72 時(shí),1084 nm 激光振蕩失穩(wěn),僅為1093 nm 單波長(zhǎng)激光輸出.在此基礎(chǔ)上,繼續(xù)使用表1 中的諧振腔2 和諧振腔3 進(jìn)行模擬,模擬結(jié)果如圖5 和圖6 所示.

綜合對(duì)比三種諧振腔模擬結(jié)果,由圖4 和圖5可知,當(dāng)M2 曲率R=300 mm,諧振腔長(zhǎng)度為70 mm 時(shí),雙波長(zhǎng)共振的泵浦注入功率區(qū)間為15—38 W;諧振腔長(zhǎng)度為100 mm 時(shí),雙波長(zhǎng)共振的泵浦注入功率區(qū)間為15—28 W.由此可知,當(dāng)輸出鏡曲率不變,諧振腔腔長(zhǎng)度改變時(shí),雙波長(zhǎng)共振區(qū)間發(fā)生明顯變化.由圖5 與圖6 可知,當(dāng)諧振腔長(zhǎng)度為100 mm,M2 曲率由R=300 mm 改變?yōu)镽=150 mm 時(shí),雙波長(zhǎng)共振區(qū)間的位置改變并不明顯.

圖5 腔長(zhǎng)100 mm、輸出鏡曲率R=300 mm 時(shí)的雙波長(zhǎng)共振區(qū)間Fig.5.Dual-wavelength resonance range when the cavity length is 100 mm and the output mirror curvature R=300 mm.

圖6 腔長(zhǎng)100 mm、輸出鏡曲率R=150 mm 時(shí)的雙波長(zhǎng)共振區(qū)間Fig.6.Dual-wavelength resonance range when the cavity length is 100 mm and the output mirror curvature R=150 mm.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用圖1的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn),諧振腔中M1,M2 鏡的曲率按上述設(shè)計(jì)的諧振腔1,2,3 進(jìn)行設(shè)置,具體鏡片膜系與參數(shù)如表2 所列.

表2 Nd:MgO:LiNbO3 晶體的正交偏振雙波長(zhǎng)激光器鍍膜參數(shù)Table 2. Coating parameters of orthogonal polarization dual-wavelength laser based on Nd:MgO:LiNbO3 crystal.

首先搭建諧振腔1,分別采用透過(guò)率T=6%,10%和15%的輸出鏡進(jìn)行實(shí)驗(yàn),Nd:MgO:LiNbO3晶體的輸出功率特性如圖7 所示.

圖7 不同透過(guò)率下,諧振腔1的激光輸出功率特性Fig.7.Resonator cavity 1 laser output power characteristics.

從圖7 可以看出,隨著泵浦光功率的提高,激光總功率略微下降,雙波長(zhǎng)激光開(kāi)始出現(xiàn),在1084/1093 nm 輸出區(qū)間內(nèi),1084 nm 振蕩減弱,1093 nm此時(shí)起振,進(jìn)一步提升泵浦注入功率,1084 nm 停止振蕩,僅有1093 nm 單波長(zhǎng)激光輸出,最終獲得6.02 W的1093 nm 激光和3.02 W的1084 nm 單波長(zhǎng)激光輸出,及4.58 W的雙波長(zhǎng)激光同步輸出.當(dāng)輸出耦合率(透過(guò)率)選取為T(mén)=10%和15%時(shí),輸出功率稍低于T=6%的情況,為了獲得最優(yōu)的輸出功率,繼續(xù)選用T=6%的輸出鏡進(jìn)行實(shí)驗(yàn).同時(shí)由模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),輸出耦合率(透過(guò)率)變化時(shí),雙波長(zhǎng)輸出區(qū)間的位置基本保持一致,由于雙波長(zhǎng)激光輸出與晶體熱效應(yīng)有關(guān),通過(guò)調(diào)節(jié)輸出耦合率(透過(guò)率)并沒(méi)有改變腔內(nèi)的熱場(chǎng)分布,因而對(duì)雙波長(zhǎng)區(qū)間影響并不明顯.

采用OSA205C 傅里葉變換光譜儀(波長(zhǎng)范圍1—5.6 μm)和美國(guó)THORLABS 生產(chǎn)的PAX1000 IR2 偏振態(tài)測(cè)量?jī)x對(duì)泵浦注入功率為12,31,35和38 W 時(shí)諧振腔1的光譜和偏振態(tài)進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量結(jié)果如圖8 和圖9 所示.

圖8 諧振腔1的1084 與1093 nm 雙波長(zhǎng)激光輸出的變化過(guò)程與光譜Fig.8.Change process and spectrum of 1084 and 1093 nm dual-wavelength laser output for resonator cavity 1.

圖9 1084 和1093 nm 激光波長(zhǎng)的偏振態(tài) (a) 1084 nm偏振態(tài);(b) 1093 nm 偏振態(tài)Fig.9.Polarization states of 1084 and 1093 nm laser wavelengths:(a) Polarization states of 1084 nm;(b) polarization states of 1093 nm.

從圖8 和圖9 可以看到,1084 nm(π -偏振)和1093 nm(σ-偏振)是屬于正交偏振的雙波長(zhǎng),符合理論預(yù)期,在12 W 泵浦功率注入的情況下,輸出波長(zhǎng)為1084 nm,結(jié)合上文的模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),此時(shí)的受激發(fā)射截面比小于0.60,1084 nm的增益遠(yuǎn)大于1093 nm,抑制1093 nm 導(dǎo)致其無(wú)法起振,從而實(shí)現(xiàn)1084 nm 單波長(zhǎng)激光輸出.隨著泵浦注入功率的提升,在泵浦注入功率達(dá)到15 W 時(shí),盡管外界泵浦功率已經(jīng)達(dá)到1093 nm 起振閾值,但由于1093 nm的受激發(fā)射截面仍小于1084 nm,此時(shí)1093 nm的增益遠(yuǎn)小于1084 nm的激光增益,1093 nm的激光譜線被嚴(yán)重抑制,效率較低.泵浦注入功率趨近30 W 時(shí),1093 nm 才開(kāi)始實(shí)現(xiàn)高增益振蕩,雙波長(zhǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈,但1093 nm的熒光強(qiáng)度仍小于1084 nm,泵浦注入功率繼續(xù)提升至35 W 時(shí),1093 nm的熒光強(qiáng)度略大于1084 nm,仍為雙波長(zhǎng)激光輸出,當(dāng)泵浦注入功率為38 W 時(shí),1084 nm 激光開(kāi)始失穩(wěn),僅有1093 nm 單波長(zhǎng)激光輸出.在此基礎(chǔ)上,將諧振腔長(zhǎng)度變?yōu)?00 mm,分別采用表1 中諧振腔2 和諧振腔3的參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),最終諧振腔2 獲得了5.86 W的1093 nm和2.79 W的1084 nm 單波長(zhǎng)輸出,以及3.77 W的1084/1093 nm 雙波長(zhǎng)激光輸出;諧振腔3 獲得了2.86 W的1093 nm 和1.86 W的1084 nm 單波長(zhǎng)輸出,以及4.02 W的1084/1093 nm 雙波長(zhǎng)激光輸出.輸出功率特性如圖10 和圖11 所示.

圖10 諧振腔2 激光輸出功率特性Fig.10.Resonator cavity 2 laser output power characteristics.

圖11 諧振腔3 激光輸出功率特性Fig.11.Resonator cavity 3 laser output power characteristics.

如圖11 所示,在更改輸出鏡曲率后,泵浦注入功率為15 W 時(shí),1093 nm 激光開(kāi)始起振,1084/1093 nm 輸出區(qū)間并沒(méi)有發(fā)生明顯遷移.

使用Pyrocam III 型焦熱電陣列相機(jī)測(cè)量最高輸出功率情況下1084 和1093 nm 激光在不同位置的光斑.在激光輸出端放置一聚焦透鏡(焦距f=400 mm),利用刀口法測(cè)量聚焦后的激光光斑,根據(jù)高斯光束傳播方程,擬合得到激光遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角和束腰半徑,如圖12 所示,激光輸出模式類似于基模(TEM00)的分布,計(jì)算得出1084 nm的光束質(zhì)量因子在X,Y方向上分別為=1.70 和=1.81.1093 nm的光束質(zhì)量因子在X,Y方向上分別為=1.82 和=1.94.

圖12 1084 nm 和1093 nm 光斑及擬合得到的光束質(zhì)量(a) 1084 nm;(b) 1093 nmFig.12.1084 nm and 1093 nm spots and the beam quality obtained by fitting:(a) 1084 nm;(b) 1093 nm.

結(jié)合理論分析及三種諧振腔的激光輸出特性曲線可以得到,在泵浦注入功率一定時(shí),通過(guò)調(diào)節(jié)諧振腔腔型結(jié)構(gòu)可以調(diào)控正交偏振上波長(zhǎng)的輸出方式,實(shí)現(xiàn)1084/1093 nm 單波長(zhǎng)激光交替輸出和正交偏振雙波長(zhǎng)激光同步輸出.

5 結(jié)論

本文從Nd:MgO:LiNbO3晶體的偏振熒光譜出發(fā),模擬分析了1084 與1093 nm的雙波長(zhǎng)激光振蕩原因,建立了晶體熱透鏡焦距與受激發(fā)射截面比之間的關(guān)系,推導(dǎo)出了1084 及1093 nm 雙波長(zhǎng)共振區(qū)間,并在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了不同的腔型結(jié)構(gòu)諧振腔.分別實(shí)現(xiàn)了6.02 W的1093 nm 和3.02 W的1084 nm 單波長(zhǎng)激光,以及4.58 W的1084/1093 nm的雙波長(zhǎng)激光輸出,X,Y方向上的光束質(zhì)量分別為=1.70 和=1.81.通過(guò)改變諧振腔腔型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了基于Nd3+摻雜MgO:LiNbO3的1084 和1093 nm的正交偏振雙波長(zhǎng)激光器的三種輸出方式,這一調(diào)控方式為正交偏振雙波長(zhǎng)可控輸出奠定了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).