基于Nd:YAG/LBO倍頻藍光的全固態激光綜合實驗系統

鐘 凱, 溫午麒, 徐德剛, 姚建銓

(1. 天津大學 精密儀器與光電子工程學院, 天津 300072；2. 天津大學 光電信息技術教育部重點實驗室, 天津 300072)

激光技術是信息技術的支柱及核心技術之一。20世紀80年代以來,隨著大功率激光二極管(LD)的發展,采用激光二極管泵浦的全固態激光器以其效率高、體積小、光束質量好、壽命長等優點,成為激光技術領域研究的熱點方向之一[1-2]。其應用遍及國計民生的各個領域。

高校通常開展的激光類實驗有Nd:YAG激光器、He-Ne激光器、電光調Q、激光電源等實驗[3-8],但這類實驗能夠實現的教學目標單一,教學內容相對落后,不利于學生對激光器相關知識點的掌握,也難以培養學生對激光器系統的全面理解和總體設計能力。

本文基于LD端面泵浦Nd:YAG激光器及LBO晶體腔內倍頻,開發了一款結構簡單、功能全面、維護容易的全固態激光與非線性光學綜合實驗系統[9]。該系統除了能夠實現傳統全固態激光實驗裝置在激光輸出特性、激光模式等方面的實驗內容外,通過引入準三能級激光系統，并對LD、Nd:YAG及LBO進行獨立溫控,實現了LD輸出波長調諧、Nd:YAG的能級結構、非線性光學倍頻的角度/溫度相位匹配等特色實驗內容,在經濟性、適用性、功能性及科學前沿性等方面相比現有全固態激光實驗系統取得了明顯優勢。

1 實驗系統總體方案

圖1為實驗系統方案示意圖,其結構為典型的端面泵浦內腔倍頻激光器。泵浦源是波長在808 nm附近的LD,在注入5 A電流時額定輸出功率為5 W。LD發出的激光經1∶1的非球面匯聚到激光增益介質Nd:YAG晶體中。Nd:YAG晶體尺寸為3 mm×3 mm×3 mm,Nd3+離子的摻雜原子百分數為1%,在泵浦光一端鍍有808 nm、1.06 μm及1.32 μm的增透膜，以及946 nm高反膜。該膜層能夠減小泵浦光的反射損耗,抑制1.06 μm及1.32 μm四能級激光的振蕩，并對946 nm準三能級激光的振蕩提供反饋。Nd:YAG晶體另一端鍍有946 nm激光增透膜以減小損耗。非線性倍頻晶體LBO尺寸為2 mm×2 mm×10 mm,兩端面鍍有946 nm及473 nm的增透膜,將腔內振蕩的946 nm基頻光轉化為473 nm倍頻藍光。激光輸出鏡為平凹鏡(凹面向內),曲率半徑為100 mm,鍍有946 nm高反膜及473 nm增透膜。實驗系統中的產熱器件有LD、Nd:YAG及LBO晶體，均固定在銅質熱沉上,由3個半導體制冷器(TEC)進行獨立溫控,TEC的另一面連接鋁質散熱片,通過散熱片底部的風扇帶動空氣流動將熱量導出。

圖1 實驗系統總體設計方案

為了擴展實驗內容并改善實驗教學效果,實驗系統中LD的注入電流可以通過驅動器進行改變,3個半導體制冷器可以通過獨立的溫控表頭進行靈活設定,激光輸出鏡可以通過鏡架上的微調旋鈕進行調節,以方便學生對激光器的工作參數進行調整。需要注意的是,為保證LD的工作壽命，其注入電流通常不超過3 A。半導體制冷器的溫度設置應不低于10 ℃，以避免光學器件的表面結露。

2 可開展的特色實驗內容

2.1 LD輸出波長的溫度調諧

作為固體激光器的泵浦源,LD是以直接帶隙半導體材料構成的PN結或PIN結為工作物質的一種激光器。LD通過電流提供泵浦能量,由GaAs、InP等半導體材料作為工作物質,以半導體晶體的自然解理面作為反射腔鏡。在受到電注入時,PN結沿著正向偏壓注入的電流對工作物質進行激勵,從而在節平面區域內產生受激輻射。LD的發射波長受腔長、能隙、載流子濃度、工作物質折射率等因素影響,而這些因素均受溫度影響[10-11]。最主要的是半導體的溫度T與能隙Eg(T)之間存在以下關系：

Eg(T)=Eg(0)-AT2/(T+B)

(1)

其中Eg(0)為絕對零度時的能隙,A和B為經驗參數。能隙的變化引起波長變化如下：

λ=hc/Eg(T)

(2)

一般來說,LD的輸出波長與溫度具有很好的線性關系(為0.2～0.3 nm/℃),通過溫度控制來大范圍精確地改變LD的輸出波長,從而使其與固體激光工作物質(Nd:YAG)的吸收峰吻合,提高激光轉換效率。

2.2 準三能級Nd:YAG激光的原理

Nd:YAG全稱為摻釹釔鋁石榴石,它是將三價的激活離子Nd3+摻入釔鋁石榴石晶體中，替代Y3+離子得到的。Nd3+的簡化能級結構見圖2。Nd:YAG激光器通常采用808 nm光泵浦,使激活離子由基態躍遷至激發態,并通過無輻射躍遷到達4F3/2的亞穩態(激光上能級),4I9/2、4I11/2、4I13/2都可以作為激光下能級,分別產生0.94 μm、1.06 μm和1.3 μm波段的激光輸出。最具實用性的是圖2中對應于躍遷R1—Z5的946 nm、R2—Y5的1 064 nm和R2—X1的1 319 nm 3條激光譜線[2]。

圖2 Nd:YAG晶體的能級結構

激光產生的重要前提是上能級粒子數多于下能級(即粒子數反轉)。Nd:YAG的3條主要譜線中,1 064 nm和1 319 nm都是典型的四能級激光系統,其下能級位于基態能級之上,通常其粒子布居數可以忽略,只需要把少量基態粒子泵浦到激光上能級即可實現粒子數反轉。對于典型的三能級系統,其基態能級就是激光下能級,要實現粒子數反轉至少需要把一半的基態粒子泵浦到激光上能級才滿足粒子數反轉條件,因此三能級激光系統的閾值都非常高。而對于Nd:YAG的946 nm激光躍遷,由于其下能級為基態的一個高斯塔克子能級,在室溫下存在一定的粒子布居數,這樣的能級系統稱之為準三能級系統。準三能級激光的特點介于三能級系統和四能級系統之間,一般存在再吸收損耗大、受激發射截面小等缺點,與典型三能級及四能級系統的性質均不同。其中最明顯的一點就是準三能級激光系統的效率與增益介質的工作溫度密切相關[12-13]。降低工作溫度可以減少激光下能級的粒子布居數,從而有效抑制再吸收損耗,降低閾值,提高轉換效率。

2.3 LBO晶體的倍頻特性

倍頻是獲得可見波段激光的主要手段,常用的非線性晶體有磷酸鈦氧鉀(KTP)、三硼酸鋰(LBO)等,這兩種晶體均為雙軸晶體。雖然LBO的非線性系數低于KTP,但LBO具有以下優點：

(1) LBO的光損傷閾值遠高于KTP；

(2) LBO既能夠實現I類倍頻(兩基頻光偏振方向相同)，又可以實現II類倍頻(兩基頻光偏振方向垂直),而KTP只能夠采用II倍頻方式；

(3) KTP晶體可以實現相位匹配倍頻的最短波長約為997 nm,對于此處946 nm的基頻光無法使用。

因此,利用LBO對946 nm激光倍頻產生473 nm藍光是最佳選擇。為實現高效倍頻,需要根據LBO的色散關系計算其相位匹配條件。

LBO的Sellmeier方程[14]為：

(3)

4.302 5×10-5λ4-2.913 1×10-5λ6

(4)

4.577 8×10-5λ4-3.252 6×10-5λ6

(5)

其中nx、ny、nz是LBO晶體的3個主軸折射率,λ是真空中的波長(μm)。當LBO晶體的工作溫度發生變化時,3個主軸折射率的變化量分別表示為：

Δnx=(-3.76λ+2.30)×10-6×(ΔT+

29.13×10-3(ΔT)2)

(6)

Δny=(6.01λ-19.40)×10-6×

(ΔT-32.89×10-4(ΔT)2)

(7)

Δnz=(1.50λ-9.70)×10-6×

(ΔT-74.49×10-4(ΔT)2)

(8)

其中ΔT=T-T0,T0=20.0 ℃。

以I類相位匹配倍頻為例[2],根據公式(3)—(7)可以計算出室溫(20.0 ℃)時LBO倍頻的相位匹配角度(θ,φ),如圖3(a)所示。實際操作中為了便于晶體加工,通常使相位匹配方向在晶體的某個主軸面內,當滿足946 nm倍頻的相位匹配條件時,xy面內的相位匹配角為(90°,19.3°)。此外,考慮到LBO的折射率與溫度有關,在相位匹配角處改變LBO晶體的工作溫度T,將偏離相位匹配條件,從而將造成倍頻效率的下降。圖3(b)為滿足倍頻的相位匹配條件時,LBO的不同工作溫度對應的基頻光波長。

2.4 實驗系統的功能

除了上述特色實驗內容之外,該實驗系統還能夠完成常規固體激光實驗系統的一般性實驗內容,如固體激光器的基本原理與結構、激光器諧振腔的準直、激光器輸入輸出特性、激光器橫模模式分析等,表1總結了該實驗系統的功能,包括能夠實現的實驗目標及相應的實驗原理、實驗內容與實驗方法。

3 Nd:YAG/LBO腔內倍頻藍光激光器實驗結果

3.1 激光器輸出特性

首先打開激光器溫控系統電源,此時對LD、Nd:YAG及LBO進行冷卻的3臺獨立溫控器均進入工作狀態,溫控表頭顯示相應的溫度設定值及實際值。待溫度穩定后打開LD電源,緩慢旋轉旋鈕,當電壓示數達到1.5 V左右時,電流表示數開始增加,繼續旋轉粗調旋鈕直至看到有明顯藍光輸出。微調輸出鏡的角度及3臺溫控器的設定溫度,監測藍光輸出功率,獲得激光器的最佳工作條件。此時LD、Nd:YAG和LBO的工作溫度分別為20 ℃、18 ℃和23 ℃。LBO最佳倍頻溫度與理論值的偏離是由晶體加工時的角度誤差引起的。得到一組LD的注入電流I與激光器輸出功率P的關系曲線，如圖4所示。當LD的注入電流為1.6 A時(相應LD輸出功率0.7 W)激光器達到閾值,開始觀察到473 nm倍頻藍光輸出；當LD的注入電流為3A時(相應LD輸出功率2.7 W),藍光輸出功率達到280 mW,光轉換效率約為10%。每隔0.5 min測量一次激光器輸出功率,連續測量10 min,計算出激光器輸出功率的均方根不穩定度約為2.3%。

圖3 LBO倍頻相位匹配條件和基頻光波長

序號實驗目標實驗原理實驗內容與方法1?掌握全固態內腔倍頻激光器的基本結構LD端面泵浦內腔倍頻Nd:YAG激光器的形式與特點觀察全固態激光器的泵浦源、增益介質及諧振腔結構2?掌握全固態激光器諧振腔準直方法激光器振蕩條件與諧振腔損耗的關系調整激光器諧振腔輸出鏡,監測輸出功率的變化3?掌握激光器輸出特性測試方法激光器的閾值性及輸出功率隨泵浦功率的變化關系改變LD注入電流,利用功率計測量激光器輸出功率4?了解激光器的橫模分布及測量方法激光器輸出光斑能量分布規律利用CCD測量激光器的橫模分布及光束質量6了解LD的工作特性及波長調諧方式半導體的能隙與溫度的關系改變LD的工作溫度,測量激光輸出功率變化5掌握準三能級激光系統的基本原理與特性Nd:YAG激光能級結構改變Nd:YAG的工作溫度,測量激光輸出功率變化7掌握LBO晶體I類倍頻的特性倍頻過程的角度/溫度相位匹配條件微調倍頻晶體的角度及溫度,測量激光輸出功率變化

*表示全固態激光器實驗系統常規功能

圖4 473 nm藍光輸出功率與LD注入電流的關系曲線

3.2 LD工作溫度對輸出功率的影響

保持LD注入電流為3A,Nd:YAG和LBO的工作溫度分別為18 ℃和23 ℃不變,通過溫控器改變LD的工作溫度,LD的輸出波長隨溫度升高而增加,從而偏離Nd:YAG晶體的吸收峰,降低激光轉換效率,進而使倍頻藍光激光器的輸出功率明顯下降。在10 ℃到30 ℃范圍內每隔1 ℃記錄一次藍光輸出功率,得到藍光輸出功率與LD工作溫度之間的關系曲線如圖5所示。可以看出隨著LD工作溫度偏離最佳值,激光器輸出功率下降明顯,在10 ℃和30 ℃時輸出功率分別下降到82 mW和35 mW。

圖5 473 nm藍光輸出功率與LD工作溫度的關系曲線

3.3 Nd:YAG工作溫度對輸出功率的影響

保持LD注入電流為3 A不變, LD和LBO的工作溫度分別為20 ℃和23 ℃不變,通過溫控器改變Nd:YAG的工作溫度,并在10 ℃至30 ℃之間變化,每隔1 ℃記錄一次激光器的輸出功率,得到的Nd:YAG工作溫度與激光輸出功率的關系見圖6。當Nd:YAG晶體溫度增加時,由于激光下能級的粒子數增加,重吸收效應使得準三能級激光系統的熒光效率變低,激光器的輸出功率明顯下降,當晶體溫度超過26 ℃時,激光器不再出光；而當Nd:YAG工作溫度下降時,激光輸出功率并沒有呈現升高的趨勢,這是由于晶體工作溫度的變化同時導致諧振腔的機械結構發生微小變化,偏離了激光器的最佳工作狀態。

圖6 473 nm藍光輸出功率與Nd:YAG工作溫度的關系曲線

3.4 LBO工作溫度對輸出功率的影響

保持LD注入電流為3 A不變, LD和Nd:YAG的工作溫度分別為20 ℃和18 ℃,通過溫控器改變LBO的工作溫度，并在18 ℃至28 ℃之間變化,每隔0.5 ℃記錄一次激光器的輸出功率,得到的LBO工作溫度與激光輸出功率的關系如圖7所示。隨著溫度偏離23 ℃,LBO倍頻逐漸偏離相位匹配條件,使得倍頻效率顯著下降,當LBO晶體溫度低于18.5 ℃或高于27 ℃時,無法觀察到藍光輸出,倍頻效率下降為零。

圖7 473 nm藍光輸出功率與LBO工作溫度的關系曲線

該實驗系統通過對LD、Nd:YAG激光晶體及LBO非線性晶體的獨立溫控,實現了LD的波長調諧、三能級激光系統的原理以及LBO晶體I類倍頻的相位匹配3大特色實驗教學內容。學生通過該實驗的準備、操作及總結過程,加深對了相關理論和原理的理解,為今后科研和工作打下了基礎,全面鍛煉了學生思考與解決問題的能力。

4 結語

為滿足 “新工科”建設中對激光與光電子類專業領域創新性工程科技人才的培養需求,基于Nd:YAG全固態激光器及LBO腔內倍頻設計了一套多功能激光與非線性光學實驗系統。通過引入準三能級工作全固態激光器并對LD、激光增益介質及倍頻晶體的獨立溫控,擴展了全固態激光器實驗教學內容。該實驗在天津大學精密儀器與光電子工程學院實驗中心用于實驗教學,受到了學生的廣泛贊譽,有效提高了學生的創新意識及解決問題的能力,加深了學生對激光及非線性光學技術領域知識較為全面的理解,從而為學生后續走上工作崗位或從事科學研究工作打下了基礎。