雙頻微片激光器的功率均衡機(jī)制實(shí)驗(yàn)研究

汪延安，柯一枝，崔恩楠，潘 鑌，蔡美伶，陳 松，聶佳林，胡 淼*

(1. 杭州電子科技大學(xué) 通信工程學(xué)院，杭州 310018； 2. 杭州電子科技大學(xué) 卓越學(xué)院，杭州 310018; 3.國(guó)家電網(wǎng)有限公司 浙江省電力公司 物資分公司，杭州 310007)

引 言

現(xiàn)如今，日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)流量使得整個(gè)社會(huì)對(duì)頻譜資源及帶寬有了越來(lái)越高的要求。同時(shí)具有微波、遠(yuǎn)紅外波優(yōu)點(diǎn)的毫米波(1mm～10mm)由于其頻段高、波束寬、損耗小、方向性好、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在各應(yīng)用領(lǐng)域都展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用前景[1-5]。相比于兩個(gè)獨(dú)立振蕩的單頻激光器組成雙頻光源，使用輸出頻差穩(wěn)定的雙頻微片激光器，外差拍頻可以產(chǎn)生更高純度的毫米波信號(hào)[6-7]。在眾多激光器增益介質(zhì)材料中，摻釹(Nd)離子的材料，比如Nd∶YAG陶瓷/晶體和Nd∶YVO4晶體由于其非常優(yōu)秀的光學(xué)性能(高增益系數(shù)和寬吸收帶寬)，是理想的微片激光器增益介質(zhì)材料[8-11]。GOUЁT等人[12]報(bào)道的雙頻單軸Nd∶YAG激光器，利用加載電壓的鋯鈦酸鉛鑭陶瓷(lead lanthanum zirconate titanate,PLZT)實(shí)現(xiàn)模式分裂，通過(guò)調(diào)整PLZT標(biāo)準(zhǔn)具所受的電壓實(shí)現(xiàn)頻差的可調(diào)諧，最終實(shí)現(xiàn)頻差在11GHz～127GHz內(nèi)可調(diào)諧的雙頻信號(hào)輸出。白俄羅斯國(guó)家科學(xué)院的GUDELEV等[13]研究人員報(bào)道的基于耦合腔結(jié)構(gòu)的雙頻Nd∶YAG激光器，通過(guò)耦合腔和力控Nd∶YAG晶體引起的雙折射效應(yīng)分別實(shí)現(xiàn)模式選擇和模式分裂，最終實(shí)現(xiàn)頻差在50MHz～8.4GHz內(nèi)可調(diào)諧的雙頻信號(hào)輸出。

考慮到雙頻激光器的輸出光信號(hào)投射到傳感器上并外差產(chǎn)生射頻信號(hào)時(shí)，輸出射頻信號(hào)的振幅與雙頻光信號(hào)振幅呈乘積關(guān)系[14]。因此當(dāng)無(wú)法提高輸出光總功率的前提下，使雙頻光信號(hào)的輸出光功率達(dá)到功率均衡也可以獲得更高的外差轉(zhuǎn)換效率[15]。本文中對(duì)基于Nd∶YVO4單塊晶體的雙頻激光器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)改變晶體熱沉的溫度對(duì)不通抽運(yùn)電流下雙頻激光信號(hào)的功率均衡度進(jìn)行調(diào)節(jié)，最后獲得功率均衡的雙頻激光信號(hào)。

1 理論分析

多波長(zhǎng)激光器的波長(zhǎng)數(shù)理論模型如下所示[16]：

(1)

式中，M為晶體增益內(nèi)波長(zhǎng)數(shù)的最大值；Δν0為晶體的增益頻寬；c為真空中光的傳播速度；n為晶體的折射率；L為激光腔體的幾何長(zhǎng)度。

圖1為雙頻激光器模譜示意圖。橫坐標(biāo)表示頻率ν，縱坐標(biāo)表示激光晶體增益g(ν)。通過(guò)設(shè)計(jì)激光墻體的幾何長(zhǎng)度，可以將模式間隔 Δν=c/(2nL)控制在(0.5～1)Δν0之間，即可獲得雙頻激光信號(hào)輸出[17]。

Fig.1 Mode schematic of a dual-frequency microchip laser

均勻加寬增益介質(zhì)的固體激光器的發(fā)射譜符合洛倫茨線型分布[18]。由于拍頻效率受雙頻激光信號(hào)的功率均衡度的直接影響，而雙頻波長(zhǎng)在增益介質(zhì)發(fā)射譜內(nèi)對(duì)應(yīng)的發(fā)射截面不同是造成功率均衡度差異的主要因素。當(dāng)雙頻激光信號(hào)的雙頻波長(zhǎng)在發(fā)射譜峰值兩側(cè)對(duì)稱位置時(shí)，其對(duì)應(yīng)的發(fā)射截面值是相同的，進(jìn)而其輸出的雙頻信號(hào)是均衡的。

Nd∶YVO4晶體的溫度變化會(huì)對(duì)其折射率和腔體幾何長(zhǎng)度產(chǎn)生影響[19]。由于雙頻激光器的波長(zhǎng)與腔體的光學(xué)長(zhǎng)度相關(guān)，因此溫度變化將導(dǎo)致雙頻波長(zhǎng)變化。在實(shí)驗(yàn)中，可調(diào)節(jié)激光晶體溫度，從而實(shí)現(xiàn)激光晶體發(fā)射譜與雙頻微片激光器諧振波長(zhǎng)的相對(duì)移動(dòng)，并且最終獲得功率均衡的雙頻激光信號(hào)輸出。

2 實(shí)驗(yàn)研究

圖2所示是實(shí)驗(yàn)裝置。尾纖輸出的激光二極管(laser diode,LD)是抽運(yùn)源，輸出的光纖芯徑為400μm，波長(zhǎng)是808nm。抽運(yùn)光通過(guò)光纖之后，采用焦距為100mm的非球面凸透鏡，聚焦到Nd∶YVO4晶體中。透鏡和增益介質(zhì)的中心位于同一光軸上，功率光纖和透鏡的距離是固定的。利用光譜分析儀(optical spectrum analyzer,OSA)對(duì)雙頻激光的光譜特性進(jìn)行測(cè)量，分辨率為0.02nm。

Fig.2 Diagram of experimental setup

在實(shí)驗(yàn)中，采用一個(gè)a-cut的Nd∶YVO4晶體作為雙頻微片激光器的增益介質(zhì)。Nd∶YVO4晶體的兩個(gè)端面上各鍍上了兩層介質(zhì)膜，分別為輸入耦合鏡和輸出耦合鏡，這兩層膜和Nd∶YVO4晶體共同形成了一個(gè)腔長(zhǎng)為1mm的激光諧振腔。其中，Nd∶YVO4晶體縱向尺寸為1mm，Nd3+離子的原子數(shù)分?jǐn)?shù)為0.010，折射率為2.165，輸入耦合鏡的膜系參量為1064nm高反射膜(HR@1064nm)和808nm增透膜(AR@808nm)，輸出耦合鏡的膜系參量為1064nm反射膜(反射系數(shù)R=0.9@1064nm)。為了對(duì)雙頻微片激光器進(jìn)行良好的溫控，實(shí)驗(yàn)中選用了熱沉鋁塊夾持微片晶體，同時(shí)在Nd∶YVO4晶體的外部包覆了一層0.1mm厚的銦箔，熱沉通過(guò)半導(dǎo)體制冷器(thermoelectric cooler,TEC)進(jìn)行溫度控制，溫控精度為0.1℃，溫控范圍為0℃～100℃。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，調(diào)節(jié)抽運(yùn)電流使之從12.0A以0.1A的間隔變化到14.5A，每次改變抽運(yùn)電流之后都通過(guò)改變晶體溫度并經(jīng)過(guò)一段時(shí)間使雙頻激光達(dá)到均衡狀態(tài)，記錄下不同抽運(yùn)電流下達(dá)到功率均衡時(shí)的激光光譜圖、溫度和雙頻功率。分析功率均衡溫度、雙頻功率和抽運(yùn)電流之間的關(guān)系。

當(dāng)抽運(yùn)電流從12.0A變化到14.5A時(shí)，獲得了一系列功率均衡的雙頻光譜。圖3是電流從12.0A以0.1A的間隔變化到14.5A時(shí)得到的歸一化激光光譜圖。以14.5A時(shí)的短波激光光譜的最大值作歸一化。由圖3可見(jiàn)，隨著抽運(yùn)電流的增加，雙頻激光光譜大致保持不變，信號(hào)強(qiáng)度逐步增加。圖4是圖3中的具體參量。圖4a圖是雙頻功率均衡溫度與抽運(yùn)電流的關(guān)系，圖4b是雙頻激光波長(zhǎng)與抽運(yùn)電流的關(guān)系。

Fig.3 Normalized laser spectrum at different pump currents

Fig.4 a—relationship between equalization temperature of dual band laser power and pump current b—relationship between wavelength of dual frequency laser and pumping current

當(dāng)抽運(yùn)電流從12.0A增加到14.5A的過(guò)程中，均衡溫度在電流為12.9A與13.9A之后發(fā)生了兩次明顯的跳變，分別從22.8℃,12.2℃跳變至15.5℃,25.8℃；在每一個(gè)分段的小區(qū)間內(nèi)，直線是線性擬合的結(jié)果，校正決定系數(shù)分別為0.224,0.519及0.701，斜率分別為-3.11℃/A,-3.67℃/A 及-3.61℃/A，即可認(rèn)為功率均衡溫度與抽運(yùn)電流均呈負(fù)相關(guān)，如圖4a所示，這是由于當(dāng)抽運(yùn)電流增大時(shí)，晶體溫度升高，故需要降低激光晶體溫度以重新實(shí)現(xiàn)功率均衡。雙頻激光波長(zhǎng)與抽運(yùn)電流的關(guān)系如圖4b所示，從圖中可知，波長(zhǎng)也發(fā)生了與溫度相同趨勢(shì)的跳變。其中，當(dāng)電流從12.9A變化到13.0A的時(shí)候，長(zhǎng)波波長(zhǎng)從1064.068nm藍(lán)移至1064.036nm，短波波長(zhǎng)從1064.324nm藍(lán)移至1064.284nm；當(dāng)抽運(yùn)電流由13.9A加至14.0A時(shí)，長(zhǎng)波波長(zhǎng)從1064.292nm紅移到1064.344nm，短波波長(zhǎng)從1064.024nm紅移到了1064.108nm，這是由于跳模引起的。

圖5是歸一化功率乘積與抽運(yùn)電流的關(guān)系圖。取不同抽運(yùn)電流下雙頻功率的歸一化結(jié)果做積。當(dāng)抽運(yùn)電流由12.0A以0.1A的間隔變化到14.5A時(shí)，歸一化功率積從0.449變化到了0.986，其中最大值0.986，最小值0.255。圖中直線是線性擬合的結(jié)果，校正決定系數(shù)為0.904，擬合直線的斜率為0.252，可認(rèn)為歸一化功率積隨抽運(yùn)電流的增大而增大，并且呈線性關(guān)系。盡管大體呈線性關(guān)系，但是仍然可以看到，當(dāng)電流較小時(shí)，歸一化功率積偏離擬合直線的現(xiàn)象較為嚴(yán)重，這主要是實(shí)驗(yàn)所采用溫控精度為0.1℃，沒(méi)有辦法實(shí)現(xiàn)完美功率均衡造成的，因此在功率較低的條件下，擬合偏離更加嚴(yán)重。在下一階段采用精度為0.01℃的溫控，即可獲得更好的擬合效果。

Fig.5 Relationship between normalized power product and pump current

3 結(jié) 論

在功率均衡的雙頻微片激光器中，當(dāng)抽運(yùn)電流增大時(shí)，需要降低激光晶體溫度重新實(shí)現(xiàn)功率均衡，功率均衡溫度與抽運(yùn)電流呈分段負(fù)相關(guān)關(guān)系；此外當(dāng)抽運(yùn)電流增大時(shí)，在重新實(shí)現(xiàn)功率均衡之后，歸一化功率積隨抽運(yùn)電流的增大而增大，因此，通過(guò)改變抽運(yùn)電流和溫控溫度可以實(shí)現(xiàn)功率可調(diào)的功率均衡的雙頻激光信號(hào)輸出。