抽運(yùn)源溫度控制的功率均衡雙波長激光器

沈成竹，俞優(yōu)姝，許蒙蒙，張寒琦

(1.杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.杭州電子科技大學(xué)信息工程學(xué)院，浙江 杭州 311305)

0 引 言

雙波長激光器輸出激光信號的功率分布和相對功率比直接決定外差拍頻效率，探究雙波長激光器的功率均衡機(jī)制具有重要的研究意義[1-3]。目前，雙波長激光器有單增益介質(zhì)不同發(fā)射譜線輸出[4-5]和雙增益介質(zhì)共腔型結(jié)構(gòu)輸出[6]兩大主流方案。單增益介質(zhì)不同發(fā)射譜線輸出雙波長激光器存在模式競爭現(xiàn)象，致使雙波長激光信號輸出功率此起彼伏、不穩(wěn)定；雙增益介質(zhì)共腔型雙波長激光器不存在模式競爭[7]，更容易實(shí)現(xiàn)雙波長信號輸出功率的均衡。雙增益介質(zhì)共腔型雙波長激光器實(shí)現(xiàn)功率均衡的方法有多種，包括調(diào)節(jié)增益介質(zhì)溫度調(diào)諧功率[8-10]、調(diào)節(jié)抽運(yùn)光束腰位置調(diào)諧功率[11-12]、調(diào)節(jié)LD的中心發(fā)射波長調(diào)諧功率[13]、調(diào)節(jié)雙增益介質(zhì)間距調(diào)諧功率[14]等。Huang等[13]采用Nd∶YVO4/Nd∶GdVO4組合雙增益介質(zhì)，將LD的中心發(fā)射波長從常用的808 nm調(diào)諧至805 nm，從而控制前端Nd∶YVO4晶體對抽運(yùn)光能量的吸收率，并通過縱向移動(dòng)抽運(yùn)光束腰位置，得到輸出1 064 nm和1 063 nm的雙波長激光信號輸出功率比的調(diào)諧區(qū)間為[0.15，10.00]；最終在抽運(yùn)功率為14 W時(shí)，實(shí)現(xiàn)了均衡的總功率為1.3 W的雙波長激光信號。He等[14]將內(nèi)抽運(yùn)激光器的腔內(nèi)雙增益介質(zhì)(Nd∶YAG/Nd∶YVO4晶體)間隔一定距離放置，有效避免了模式競爭，實(shí)現(xiàn)了946 nm/1 064 nm雙波長激光的運(yùn)轉(zhuǎn)；并通過改變Nd∶YAG和Nd∶YVO4晶體的間隔實(shí)現(xiàn)了雙波長激光輸出功率調(diào)諧，當(dāng)抽運(yùn)功率為30.5 W，Nd∶YAG和Nd∶YVO4晶體間隔為20 mm時(shí)，雙波長功率均衡，輸出總功率為4 W。但是，上述方法中，Nd∶YAG和Nd∶YVO4晶體之間存在間隔，Nd∶YAG晶體后端面和Nd∶YVO4晶體前端面可能會(huì)形成F-P腔，不利于激光器的穩(wěn)定。

本文以2種不同增益介質(zhì)前后膠合/貼合的Nd∶GdVO4/Nd∶YVO4雙增益介質(zhì)共腔型雙波長激光器為對象，研究不同抽運(yùn)光束腰位置條件下LD抽運(yùn)源工作溫度對雙波長信號輸出功率比的影響，實(shí)現(xiàn)了雙波長信號輸出功率的均衡。

1 抽運(yùn)源溫度調(diào)諧功率理論與仿真

雙增益介質(zhì)由2種不同的增益介質(zhì)前后膠合/貼合而成，靠近抽運(yùn)源的增益介質(zhì)為前端增益介質(zhì)GM1，遠(yuǎn)離抽運(yùn)源的則為后端增益介質(zhì)GM2。輸出耦合鏡采用部分透射鏡。抽運(yùn)閾值功率Pth,i，斜率效率Se,i和輸出對應(yīng)波長信號的功率Pout,i的表達(dá)式如下：

(1)

(2)

Pout,i=Se,i(Pin,i-Pth,i)

(3)

式中，下標(biāo)i(1,2)分別表示GM1和GM2，Roc,i為激光器輸出耦合鏡的反射率，δi為諧振腔內(nèi)衍射損耗，ln(1/Roc,i)為輸出耦合鏡的透射性損耗，li為增益介質(zhì)的長度，ηq,i為量子效率，Isat,i為飽和光強(qiáng)，Isat,i=hv/σiτi，h為普朗克常數(shù)，v為增益介質(zhì)吸收的抽運(yùn)光頻率，σi為增益介質(zhì)的受激發(fā)射截面，τi為熒光壽命，λp為抽運(yùn)光中心波長，λi為輸出對應(yīng)激光信號的波長，Pin,i為增益介質(zhì)吸收的抽運(yùn)功率，Veff,i為有效模體積函數(shù)，ηo,i為重疊效率，

(4)

(5)

(6)

Pin,i=Pinηα,i

(7)

式中，TLD為LD抽運(yùn)源工作溫度，αTLD,i為不同工作溫度下增益介質(zhì)對抽運(yùn)光的吸收系數(shù)，z0為抽運(yùn)光束腰位置，wi為振蕩光的光斑半徑，wp,i為抽運(yùn)光的光斑半徑，wp0為抽運(yùn)光束腰位置在增益介質(zhì)內(nèi)z0處的束腰半徑，z0=0表示GM1前端面，M2為輸入抽運(yùn)光的光束質(zhì)量因子，ni為增益介質(zhì)的折射率，Pin為LD抽運(yùn)源輸出的總抽運(yùn)功率，ηα,i為增益介質(zhì)對其的吸收效率，

ηα,1=1-exp(-αTLD,1l1)

(8)

ηα,2=exp(-αTLD,1l1)×1-exp(-αTLD,2l2)

(9)

仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：LD抽運(yùn)源工作溫度為18 ℃，抽運(yùn)功率Pin=3.7 W，抽運(yùn)光波長λp=805 nm，抽運(yùn)光的光束質(zhì)量因子M2=200，增益介質(zhì)內(nèi)抽運(yùn)光束腰半徑wp0=120 μm，GM1為Nd∶GdVO4，GM2為Nd∶YVO4，GM1的長度l1=5 mm，GM2的長度l2=5 mm，GM1的吸收系數(shù)α1=0.14 mm-1，GM2的吸收系數(shù)α1=0.12 mm-1，GM1的折射率n1=2.25，受激發(fā)射截面σ1=7.6×10-19cm2，熒光壽命τ1=95 μs，GM2的折射率n2=2.22，受激發(fā)射截面σ2=25.0×10-19cm2，熒光壽命τ2=100 μs，量子效率ηq,i=0.76，諧振腔耗散性損耗δi=0.003，輸出鏡反射率Roc,i=0.9，輸出激光信號波長λ1=1 063 nm，λ2=1 064 nm。采用Nd∶GdVO4，Nd∶YVO4晶體共軸排列方案進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到抽運(yùn)光束腰位置對輸出雙波長信號輸出功率的影響如圖1(a)所示，抽運(yùn)光束腰位置對雙波長信號輸出功率比的影響如圖1(b)所示。圖1中，P1為1 063 nm波長激光信號輸出功率，P2為1 064 nm波長激光信號輸出功率。

圖1 輸出功率和雙波長功率比與抽運(yùn)光束腰位置的關(guān)系

從圖1(a)可以看出，當(dāng)抽運(yùn)光束腰位置z0從4.0 mm增至6.0 mm時(shí)，P1從0.41 W降至0.01 W，P2從0.02 W增至0.15 W；當(dāng)z0=5.4 mm，輸出雙波長信號的功率一致，均為0.12 W。從圖1(b)可以看出，當(dāng)抽運(yùn)光束腰位置z0從5.0 mm增至6.0 mm時(shí)，雙波長信號輸出功率比P1/P2從2.28降至0.09。

選取2組數(shù)據(jù)z0=5.7 mm和z0=5.8 mm，采用LD抽運(yùn)源溫漂特性和雙增益介質(zhì)共腔型激光器輸入輸出功率關(guān)系模型進(jìn)行數(shù)值仿真，得到雙波長功率比P1/P2隨LD抽運(yùn)源工作溫度變化的仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 雙波長功率比隨LD抽運(yùn)源工作溫度變化情況

從圖2可以看出，當(dāng)z0=5.7 mm，將LD抽運(yùn)源工作溫度從18.0 ℃上升至25.6 ℃，抽運(yùn)光中心波長從805 nm紅移至807 nm附近，P1/P2從0.44上升至1.00，輸出雙波長信號實(shí)現(xiàn)功率均衡；當(dāng)z0=5.8 mm時(shí)，將工作溫度從18.0 ℃上升至28.2 ℃，中心波長從805 nm漂移至808 nm附近，輸出信號才能實(shí)現(xiàn)功率均衡。

2 抽運(yùn)源溫度調(diào)諧功率實(shí)驗(yàn)研究

2.1 抽運(yùn)源溫度調(diào)諧功率實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖3所示。采用溫控的LD抽運(yùn)源，抽運(yùn)光通過準(zhǔn)直器和非球面透鏡聚焦至激光增益介質(zhì)。非球面透鏡固定在推進(jìn)器裝置上推進(jìn)器的螺距參數(shù)為0.5 mm，實(shí)現(xiàn)抽運(yùn)光束腰位置沿激光增益介質(zhì)軸向移動(dòng)。

圖3 LD端面抽運(yùn)Nd∶GdVO4/Nd∶YVO4雙增益介質(zhì)共腔型雙波長激光器示意圖

雙增益介質(zhì)中a-cut Nd∶GdVO4晶體和a-cut Nd∶YVO4晶體的Nd3+摻雜濃度分別為0.2 at.%和0.5 at.%，兩晶體光軸垂直且前后端面緊貼放置，橫截面尺寸均為3 mm×3 mm，長度尺寸均為5 mm。Nd∶GdVO4和Nd∶YVO4晶體前后端面均鍍有808 nm和1 064 nm的增透膜，被穩(wěn)定夾持在熱沉中，熱沉溫度穩(wěn)定在20.0 ℃。輸入鏡M1鍍有808 nm的增透膜和1 064 nm的高反膜，輸出鏡M2設(shè)計(jì)鍍有1 064 nm的部分透射膜(透射率為10%)和808 nm的高反膜。輸出激光信號分束輸入到光功率計(jì)(Power meter,PM10X)和高分辨率(精度達(dá)0.01 nm)的光譜分析儀(OSA,Q8384,Advantest)。

對LD抽運(yùn)源中心波長的溫度漂移特性進(jìn)行測量。設(shè)置LD輸出功率為3.7 W，改變LD工作溫度，測量LD光譜，抽運(yùn)光波長的溫漂情況如圖4所示。

圖4 抽運(yùn)光中心波長隨LD抽運(yùn)源工作溫度的變化情況

從圖4可以看出，當(dāng)LD溫度由18.0 ℃升至27.0 ℃時(shí)，中心波長從805.1 nm紅移至807.8 nm，擬合的溫漂系數(shù)為0.3 nm/℃。

2.2 LD抽運(yùn)源不同工作溫度下的激光器輸出特性

為了研究LD抽運(yùn)源工作溫度對激光器輸出特性的影響，分別在抽運(yùn)光束腰位置為雙晶體中5.75 mm和6.00 mm距離處開展實(shí)驗(yàn)。首先固定抽運(yùn)功率為3.7 W，調(diào)整抽運(yùn)光束腰位置z0的起始點(diǎn)于距離激光增益介質(zhì)前端面5.75 mm位置處。

連續(xù)抽運(yùn)模式下，LD抽運(yùn)源工作溫度為18.0～30.0 ℃時(shí)，雙波長信號輸出功率比Rp=P1/P2隨LD抽運(yùn)源工作溫度TLD的變化情況如圖5所示。

圖5 z0=5.75 mm時(shí)，雙波長信號輸出功率比隨LD抽運(yùn)源工作溫度的變化情況

從圖5可以看出，抽運(yùn)源工作溫度分別為18.0 ℃和30.0 ℃，通過計(jì)算得到Rp從0.39上升至1.64，線性擬合各個(gè)工作溫度點(diǎn)的Rp值，得到Rp與TLD的擬合關(guān)系為Rp=0.1 183TLD-1.88。當(dāng)TLD=24.3 ℃，Rp=1.00時(shí)，即可認(rèn)為LD抽運(yùn)源在工作溫度為24.3 ℃的情況下，激光器輸出的雙波長激光信號功率均衡。

當(dāng)固定抽運(yùn)光束腰位置z0=5.75 mm時(shí)，LD抽運(yùn)源工作溫度TLD分別在18.0 ℃，24.0 ℃，30.0 ℃時(shí)，雙波長信號的歸一化光譜圖如圖6所示。

圖6 z0=5.75 mm時(shí)，輸出雙波長激光信號的歸一化光譜圖

從圖6可以看出，在LD抽運(yùn)源工作溫度為24.0 ℃時(shí)，激光器雙波長信號近似功率均衡狀態(tài)。

固定抽運(yùn)光束腰位置z0=5.75 mm，改變抽運(yùn)功率，調(diào)節(jié)LD抽運(yùn)源工作溫度使激光器輸出功率均衡，進(jìn)一步記錄不同抽運(yùn)條件下功率均衡激光器輸出的總輸出功率。功率均衡時(shí)，總輸出功率隨抽運(yùn)功率的變化情況如圖7所示。

圖7 功率均衡時(shí)，總輸出功率隨抽運(yùn)功率的變化情況

從圖7可以看出，當(dāng)抽運(yùn)功率從0.5 W升至4.8 W時(shí)，激光器功率均衡狀態(tài)下總輸出功率從47.2 mW升至241.9 mW，線性擬合各個(gè)抽運(yùn)功率條件下的總輸出功率值，得到激光器功率均衡狀態(tài)下的斜率效率為49.83 mW/W。

抽運(yùn)功率保持3.7 W不變，將Nd∶GdVO4/Nd∶YVO4雙增益介質(zhì)內(nèi)的抽運(yùn)光束腰位置向后移動(dòng)0.25 mm，即距離Nd∶GdVO4晶體前端面6.00 mm，雙波長信號輸出功率比Rp值隨TLD的變化情況如圖8所示。

圖8 z0=6.00 mm時(shí)，雙波長信號輸出功率比隨LD抽運(yùn)源工作溫度的變情況

從圖8可以看出，TLD從18.0 ℃增至30.0 ℃時(shí)，Rp從0.31上升至1.10。雙波長信號輸出功率比Rp與LD抽運(yùn)源工作溫度TLD的擬合關(guān)系表達(dá)式為Rp=0.074TLD-1.12。通過進(jìn)一步計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)LD抽運(yùn)源的工作溫度從18.0 ℃上升至28.6 ℃時(shí)，雙波長信號達(dá)到較好的功率均衡狀態(tài)，這與圖2的仿真結(jié)果一致，即雙增益介質(zhì)內(nèi)抽運(yùn)光束腰的空間位置直接影響雙波長激光器達(dá)到功率均衡狀態(tài)時(shí)LD抽運(yùn)源的工作溫度。

上述實(shí)驗(yàn)研究中，當(dāng)固定抽運(yùn)光束腰位置為5.75 mm時(shí)，需要將抽運(yùn)源工作溫度從18.0 ℃升高至24.3 ℃，輸出雙波長激光信號才能實(shí)現(xiàn)功率均衡；若將抽運(yùn)光束腰位置向后平移至6.00 mm，則需要將抽運(yùn)源工作溫度升高至28.6 ℃，使得前端增益介質(zhì)預(yù)吸收的抽運(yùn)功率更大，輸出雙波長激光信號才能實(shí)現(xiàn)功率均衡。綜上分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論仿真計(jì)算結(jié)果基本符合。

3 結(jié)束語

本文通過建立LD抽運(yùn)的Nd∶GdVO4/Nd∶YVO4雙增益介質(zhì)共腔型雙波長激光器的數(shù)學(xué)模型，主要研究不同抽運(yùn)光束腰位置條件下LD抽運(yùn)源工作溫度對雙波長信號輸出功率比的影響，及功率均衡狀態(tài)下抽運(yùn)功率對激光器總輸出功率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改變LD抽運(yùn)源工作溫度可以調(diào)諧雙波長信號輸出功率，實(shí)現(xiàn)雙波長輸出功率的均衡。下一步擬研究溫度對激光器功率穩(wěn)定性的影響，以獲得更穩(wěn)定的雙波長激光輸出。