基于準(zhǔn)相位匹配PPLN黃綠激光器的研究進(jìn)展

溫志偉,林洪沂,阮劍劍,宋 碩,孫 棟,黃曉樺

(廈門理工學(xué)院光電與通信工程學(xué)院,福建 廈門 361024)

1 引 言

560～600 nm黃綠色激光是共焦顯微鏡、流式細(xì)胞儀、皮膚和牙科醫(yī)療、皮膚美容、精密光譜學(xué)、大氣激光雷達(dá)、激光多普勒測(cè)速和其他生物成像設(shè)備的理想光源,它也是激光治療復(fù)雜眼科疾病和癌癥的最佳光源。如通過黃綠色激光照射驅(qū)動(dòng)受控的光釋放藥物,可以選擇性地治療癌細(xì)胞,而不會(huì)對(duì)正常細(xì)胞產(chǎn)生沖擊。在眼科,血紅蛋白在黃綠光波段有很高的吸收率而視網(wǎng)膜色素和黃斑葉黃素的吸收可忽略不計(jì),黃綠光是治療黃斑周圍疾病的理想光源。

非線性頻率變換技術(shù)(和頻與倍頻)是獲得高效、穩(wěn)定、緊湊黃綠光激光器是一種有效可行的方法。與角度相位匹配的非線性晶體(如LBO、KTP、BiBO)相比,周期性極化晶體具有非常高的非線性系數(shù),可以顯著提高可見光轉(zhuǎn)換效率[1-3]。常用周期性極化晶體有PPLN、PPLT、PPKTP、PPKTA、PPMgLN等[3-4]。PPMgLN、PPLN與PPLT、PPKTP、PPKTA相比,在中小功率可見光波段具有更強(qiáng)的競(jìng)爭力,在室溫下即可實(shí)現(xiàn)高效可見光輸出[5]。

但是,準(zhǔn)相位匹配PPLN、PPMgLN晶體的接受光譜線寬比LBO、KTP等角度相位匹配晶體的接受線寬要小很多,而且隨著晶體長度的增加,接受線寬會(huì)明顯變窄。以1112 nm基頻光倍頻為例(如圖1所示),當(dāng)晶體長度為0.1 mm時(shí),接受線寬為25.9 nm；而當(dāng)晶體長度為15 mm時(shí),接受線寬僅為0.2 nm。因此,這對(duì)黃綠波段的基頻光提出了很高的要求,為了提高系統(tǒng)整體效率,基頻光的光譜盡量要窄,光斑質(zhì)量盡量要好。

圖1 PPMgLN倍頻接受線寬與晶體長度的關(guān)系

2 黃綠激光器的種類

性能優(yōu)良的全固態(tài)激光器、光纖激光器、半導(dǎo)體激光器都可以通過非線性頻率變換技術(shù)(和頻和倍頻)來獲得黃綠激光輸出。

2.1 全固態(tài)激光結(jié)構(gòu)

全固態(tài)激光器可以通過和頻和倍頻兩種方式獲得黃綠激光,最常用的和頻為1064 nm和1342 nm和頻獲得593.5 nm,1064 nm和1319 nm和頻獲得589 nm黃光。而倍頻主要是1123 nm倍頻產(chǎn)生561.5 nm黃綠光。

2.1.1 全固態(tài)激光器和頻

全固態(tài)激光器和頻可以分為腔內(nèi)和腔外和頻兩種結(jié)構(gòu)。采用全固態(tài)Nd∶YVO4激光器,可以獲得593.5 nm黃光；而采用全固態(tài)Nd∶YAG激光器,可以產(chǎn)生589 nm黃光。

1) 全固態(tài)激光器腔外和頻

早在2002年,中國臺(tái)灣Y.F.Chen就報(bào)道了腔外PPLN和頻593 nm黃光激光器。他采用特殊的雙輸出鏡輸出的雙波長Nd∶YVO4激光器,經(jīng)過聚焦鏡耦合聚焦,PPLN和頻,獲得了92 mW連續(xù)黃光輸出[6]。同年S.W.Tsai采用聲光主動(dòng)調(diào)Q,獲得了92 mW,重復(fù)頻率20 kHz的脈沖輸出,轉(zhuǎn)換效率4.2 %[7]。采用和頻結(jié)構(gòu),需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)雙波長振蕩,對(duì)諧振腔的要求比較高,且轉(zhuǎn)換效率較低。

2009年,J.Yue采用0.8 W 1064 nm單頻窄線寬Nd∶YAG激光器和0.35 W 1319 nm單頻Nd∶YAG激光器,腔外和頻獲得了超穩(wěn)定窄線寬低噪聲589 nm連續(xù)激光[8]。其基頻光是由兩個(gè)獨(dú)立的單頻激光器構(gòu)成,彼此無相互影響,輸出性能更加穩(wěn)定。此全固態(tài)激光可以應(yīng)用于固態(tài)—染料激光混合鈉熒光激光雷達(dá)發(fā)射機(jī)中,用于測(cè)量80～105 km高空大氣的溫度和風(fēng)場(chǎng)。同年日本Tadashi Nishikawa采用性能更優(yōu)良的脊波導(dǎo)Zn∶PPLN晶體,腔外和頻結(jié)構(gòu)獲得了494 mW單頻黃光輸出,轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了41 %[9]。全固態(tài)激光器黃綠光輸出特性如表1所示。

表1 全固態(tài)激光器黃綠光輸出特性

2) 全固態(tài)激光器腔內(nèi)和頻

與單通外腔和頻相比,內(nèi)腔和頻可以有效的利用腔內(nèi)較高的基頻光功率,提高和頻轉(zhuǎn)換效率,同時(shí)可以有效的減小PPLN晶體長度,提高激光器溫度工作范圍。2015年,中科院Yan Qi采用3 mm長PPMgLN晶體,通過腔內(nèi)和頻,獲得了620 mW 593.5 nm黃光輸出,轉(zhuǎn)換效率(泵浦光808 nm到593.5 nm)達(dá)到10.9 %[10]。

2.1.2 全固態(tài)激光器倍頻

對(duì)于Nd∶YAG激光器來說,在1123 nm處發(fā)射截面為3 × 10-20cm2,僅為1064 nm的1/15。在設(shè)計(jì)諧振腔時(shí),腔鏡需要增鍍1064 nm增透膜,減少1064 nm的寄生振蕩。2004年,北京工業(yè)大學(xué)Xiaoping Guo首次采用1123 nm Nd∶YAG激光器,通過PPLN腔外倍頻,獲得了0.5 mW 561 nm黃綠激光[11]。

通過腔內(nèi)倍頻可以有效的提高轉(zhuǎn)換效率,2021年,本實(shí)驗(yàn)室采用Nd∶YAG /PPMgLN腔內(nèi)倍頻結(jié)構(gòu),獲得了268 mW黃綠激光輸出,光光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到10.2 %[12]。文章指出:與傳統(tǒng)的角度相位匹配相比,準(zhǔn)相位匹配PPMgLN的接受帶寬較窄,可以避免1112 nm倍頻光的產(chǎn)生。

2.1.3 全固態(tài)激光器四倍頻

圖2 四倍頻超快黃光激光器[13]

2.2 光纖激光器結(jié)構(gòu)

光纖激光器由于光束質(zhì)量好、效率高、體積小、可實(shí)現(xiàn)全纖化結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn),近幾年來發(fā)展十分迅速。窄線寬光斑質(zhì)量優(yōu)良的光纖激光器也可以作為黃光的基頻光源。普通摻鐿光纖激光器一般輸出波長小于1120 nm,它可以通過拉曼散射或者抑制短波長,來實(shí)現(xiàn)1150～1180 nm長波段輸出。

2.2.1 拉曼摻鐿光纖激光器倍頻

2005年,德國D.Georgiev采用40 W單橫模偏振輸出的1118 nm摻鐿光纖激光器作為泵浦源,通過Ge摻雜光纖的一級(jí)拉曼散射,獲得了線寬0.37 nm,功率為23 W,波長1178 nm,偏振激光輸出(如圖3所示)[14]。并通過長度為8 mm的PPMgLN晶體單程倍頻,獲得了3.03 W單橫模589 nm黃光輸出,轉(zhuǎn)換效率為12.3 %。為了減小基頻光線寬和提高功率,采取以下措施:①選用單橫模窄線寬摻鐿光纖激光器作為泵浦源；②采用布拉格光柵,減小受激拉曼散射線寬；③采用短拉曼增益光纖,長度僅為20 m的拉曼增益光纖可以有效的減小由于自相位調(diào)制引起的信號(hào)光光譜增寬；④后端刻有1118 nm高反布拉格光柵,提高了泵浦耦合效率。該結(jié)構(gòu)緊湊可靠,電光效率為2.5 %,可以輕松的使光纖激光器輸出波段覆蓋到560～770 nm。

圖3 由線偏振輸出的拉曼光纖激光器倍頻產(chǎn)生的3 W 589 nm黃光激光器[14]

2016年,英國T.H.Runcorn采用脈沖摻鐿光纖主振蕩功率放大器(MOPA)泵浦的級(jí)聯(lián)拉曼光纖放大器作為基頻光,獲得了1.13 W ns脈沖589 nm黃激光輸出[15]。光纖主振蕩功率放大器的輸出波長為1064 nm,通過級(jí)聯(lián)拉曼散射,可以將其拓展到1179 nm。由于采用窄線寬連續(xù)種子信號(hào),1178 nm拉曼放大器的線寬僅為0.01 nm,完全可以滿足PPMgLN對(duì)基頻光線寬的要求(20 mm接受線寬為0.16 nm)。在拉曼放大器功率為6.52 W,重復(fù)頻率6 MHz時(shí),經(jīng)倍頻可以獲得1.13 W,脈沖1.9 ns,單脈沖能量188 nJ的脈沖激光,轉(zhuǎn)換效率為17 %。該激光器可以用在受激發(fā)射損耗(STED)顯微鏡中。2018年中科院Yulian Yang采用1178 nm的種子注入拉曼光纖放大器作為基頻光,通過PPLN波導(dǎo)倍頻,獲得了1.5 W單模589 nm連續(xù)黃激光,轉(zhuǎn)換效率15 %[16]。該激光器性能穩(wěn)定可靠,顯著提高了西藏羊八井窄帶鈉激光雷達(dá)性能,減小了系統(tǒng)維護(hù)。光纖激光器黃光輸出特性如表2所示。

表2 光纖激光器黃光輸出特性

2.2.2 長波長摻鐿光纖激光器倍頻

摻鐿二氧化硅光纖在980 nm泵浦時(shí)具有很寬的增益帶寬和很高的量子效率,是一種很有吸引力的1 μm波段增益介質(zhì)。雖然它的增益可以達(dá)到1200 nm,但要制作波長超過1120 nm光纖激光器和放大器卻很困難。其原因在于:①在1030 nm光譜太強(qiáng)(發(fā)射截面約640 × 10-27m2),增益太大；而波段大于1120 nm時(shí),受激發(fā)射截面較小(1154 nm處發(fā)射截面約30 × 10-27m2),存在嚴(yán)重的光譜競(jìng)爭；②與短波長相比,長波振蕩需要更低的腔內(nèi)損耗。

2006年,斯坦福大學(xué)Supriyo Sinha首次采用1150 nm摻鐿光纖激光器,通過PPLN光波導(dǎo)直接倍頻,產(chǎn)生了575 nm的黃激光[17]。為了實(shí)現(xiàn)長波長1150 nm輸出,采取了以下措施:①構(gòu)建1150 nm高反、1030 nm高透布拉格光柵,抑制高增益受激自發(fā)輻射；②采用高摻雜光纖,減小1030 nm處受激自發(fā)輻射,增加1030 nm處基態(tài)吸收損耗；③減小光纖長度,減低1150 nm雜散散射損耗。

2015年,瑞士學(xué)者M(jìn)anuel Ryser采用1.5 W 1154 nm主振蕩光纖功率放大系統(tǒng),通過PPLN倍頻,獲得了90 mW 577 nm激光輸出[18]。為了實(shí)現(xiàn)1154 nm輸出,采取了以下措施:①采用1154 nm高反窄帶布拉格反射鏡,抑制短波長高增益受激自發(fā)輻射；②諧振腔與放大器之間插入布拉格光柵濾光片；③加熱光纖,增加短波長的再吸收損耗。

2.3 半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)

半導(dǎo)體激光器是最實(shí)用最重要的一類激光器。它體積小、壽命長、緊湊耐用。通常簡單的注入電流的方式來泵浦,其工作電路容易與集成電路兼容,因而可與之集成。并且還可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)調(diào)制以獲得脈沖激光輸出。高性能半導(dǎo)體激光器的發(fā)展,也有力地推動(dòng)了其倍頻技術(shù)的進(jìn)步。

2.3.1 外腔結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器倍頻

早在2005年,日本T.Hara就報(bào)道了1122 nm窄線寬廣域半導(dǎo)體激光器作為基頻光,采用外腔結(jié)構(gòu),PPLN倍頻,獲得了32 mW 560 nm黃光輸出,光光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到32 %[19]。該作者采用帶通濾波片實(shí)現(xiàn)模式選擇,用布拉格光柵和標(biāo)準(zhǔn)具壓縮線寬,用空間光闌改善橫模。2008年,德國A.Yu.Nevsky采用窄線寬外腔量子點(diǎn)激光器,通過PPLN倍頻,獲得了3 mW 578 nm黃光輸出。采用復(fù)雜的增強(qiáng)型諧振腔,線寬壓縮到30 kHz[20]。2010年,韓國Eok Bong Kim采用1156 nm光注入鎖定半導(dǎo)體激光器,獲得了線寬僅1.6 kHz、2.4 mW 578 nm激光輸出[21]；2011年,Won-Kyu Lee將輸出功率提高到了10.5 mW。采用外腔或者增強(qiáng)型諧振腔結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器,可以有效減小光譜線寬,在超冷Yb原子和冷分子氫離子的精密光譜學(xué)領(lǐng)域有重要應(yīng)用[22]。外腔結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器倍頻如表3所示。

表3 外腔結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器倍頻

2.3.2 半導(dǎo)體激光器腔外單通倍頻

采用外腔或者增強(qiáng)型諧振腔結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,調(diào)節(jié)困難,難以實(shí)現(xiàn)大功率輸出。近年來,大功率窄線寬量子阱布拉格光柵半導(dǎo)體激光器、分布布拉格反射式脊波導(dǎo)半導(dǎo)體激光器、分布布拉格反射式錐形半導(dǎo)體激光器、主振蕩功率放大器等半導(dǎo)體激光器的發(fā)展,有力的推動(dòng)了半導(dǎo)體激光器直接腔外倍頻的進(jìn)步。

2014年,英國科學(xué)家Ksenia A采用1121.4 nm量子阱光纖布拉格光柵半導(dǎo)體激光器(QD-FBG LD),經(jīng)PPMgLN波導(dǎo)倍頻,獲得了90.11 mW連續(xù)560.68 nm激光輸出,光光轉(zhuǎn)換效率高達(dá)52.4 %[23]。2016年,丹麥Hansen Anders Kragh采用1124.8 nm分布布拉格反射式(DBR)錐形半導(dǎo)體激光器作為泵浦源,獲得了1.93 W單頻562.4 nm激光器,光光轉(zhuǎn)換效率33.6 %,插拔效率6.4 %,且不需水冷,體積僅183 × 114 × 50 mm3[24]。該半導(dǎo)體激光器可通過內(nèi)調(diào)制實(shí)現(xiàn)脈沖輸出,可以滿足生物醫(yī)療的需要。同年德國Julian Hofmann采用1121 nm分布布拉格反射式(DBR)脊波導(dǎo)半導(dǎo)體激光器,通過脊波導(dǎo)PPMgLN倍頻,獲得了133 mW可調(diào)制560.5 nm激光輸出,電光效率為7.5 %[25]。2016年,德國R.Bege采用1178 nm分布布拉格反射式錐形半導(dǎo)體激光器作為基頻光,獲得了0.86 W單模589 nm黃光輸出(如圖4所示)[27]。2019年,德國A.Sahm采用主振蕩功率放大器,獲得了2 W單頻560 nm激光輸出[31]。同年,德國Nils Werner采用ps半導(dǎo)體激光器,獲得了561和589 nm皮秒激光輸出[32]。半導(dǎo)體激光器腔外單通倍頻如表4所示。

圖4 分布布拉格反射式錐形半導(dǎo)體激光器單通倍頻結(jié)構(gòu)[27]

表4 半導(dǎo)體激光器腔外單通倍頻

(續(xù)表)

3 黃綠激光的發(fā)展趨勢(shì)

1)性能優(yōu)良PPMgLN晶體制作

與532 nm綠光用PPMgLN晶體類似,黃綠波段PPMgLN晶體也比較薄,限制了高功率黃綠激光器的發(fā)展。提高PPMgLN通過口徑,開發(fā)高性能大口徑新型掩埋光波導(dǎo)、平板光波導(dǎo)、脊型光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)PPMgLN晶體是提高輸出功率的關(guān)鍵。

2)基頻光性能的進(jìn)一步提高

與532 nm綠光的基頻光相比,獲得黃綠基頻光的技術(shù)難度較大,尤其是波段大于1120 nm光纖激光器。窄線寬高光束質(zhì)量高功率的基頻光技術(shù)的進(jìn)步,同樣也是高性能黃綠激光器發(fā)展的關(guān)鍵。

3)黃綠激光器輸出參數(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化

在超冷Yb原子和冷分子氫離子的精密光譜學(xué)領(lǐng)域,3D激光顯示領(lǐng)域,超快黃綠光領(lǐng)域,對(duì)激光器參數(shù)的要求更為嚴(yán)苛,特殊領(lǐng)域的特殊要求也會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)激光器的發(fā)展。

4 結(jié) 語

隨著直接輸出黃綠光半導(dǎo)體激光器的發(fā)展,黃綠波段非線性頻率變換技術(shù)遇到了前所未有的挑戰(zhàn),這需要相關(guān)科技工作者共同努力,突破瓶頸,拓展新的領(lǐng)域,實(shí)現(xiàn)黃綠固體激光器的飛速發(fā)展。