912 nm/1064 nm同步雙波長激光特性研究

尤建村,聞 軍,馬業萬

(安慶師范大學電子工程與智能制造學院,安徽 安慶 246011)

1 引 言

近年來,同步雙波長激光器在多個領域有著重要的應用,如光譜學,光通訊,醫療器械,激光雷達,環境監測以及非線性光學的研究等方面[1-4]。摻釹晶體由于其高增益,寬吸收帶等優勢可用做激光材料輸出高功率雙波長激光。例如Nd∶YVO4[5-6]和Nd∶GdVO4[7-8],Nd∶LuVO4[9],Nd∶YAG[10]等晶體被廣泛用于此類激光器。目前,通過使用二極管泵浦,同步雙波長激光器運轉在1.06 μm4F3/2-4I11/2和1.3 μm4F3/2-4I13/2兩個四能級躍遷的過程中,已經在Nd∶YVO4和Nd∶GdVO4,Nd∶YAG晶體中實現[5-8]。并且,以相同的高能級F3/2和三個不同的低能級4I9/2,4I11/2,4I13/2為基礎的雙波長激光器也已經被報道[11-13],包括通過專門的腔鏡鍍膜的方法輸出1074 nm /1112 nm[14],通過使用法布里-珀羅濾鏡作為輸出耦合的方法輸出1064 nm/1073 nm[15],以及近幾年的1319/1338 nm[16],1052 nm/1064 nm[17],1357 nm/1444 nm[18]等雙波長激光器被報道。總體而言,摻釹晶體的同步雙波長激光器可以歸為兩類；第一類包含了兩種不同的能級躍遷,4F3/2-4I9/2,4F3/2-4I11/2或者4F3/2-4I13/2,產生了大的波長間隔；第二類是激光運轉在同一激光躍遷的過程中,伴隨著很小的波長間隔。然而雙波長激光器使用相同的激光介質運轉在相同的諧振腔內是相當困難的,由于圍繞1.06 μm的4F3/2-4I11/2有效躍遷比圍繞0.91 μm的4F3/2-4I9/2準三能級躍遷的受激發射截面高近20倍,兩者存在明顯的增益競爭。因此,雙波長激光器使用單一的激光晶體是低效的。為了避免增益競爭,雙波長輸出也可以通過使用復合腔分別泵浦兩個激光晶體來產生,然而,該方法難以應用和商業化,因為它需要兩個結構更復雜的泵浦裝置,在實驗過程中給調整過程帶來了更大的困難。非線性頻率變換也是獲得雙波長輸出的重要手段,如和頻、拉曼頻移等。然而,這些方法需要考慮嚴格的相位匹配和結構,設計相當復雜。具有腔內級聯泵浦方式的雙波長激光器結構相對簡單,可有效避免腔內增益競爭,而且腔內激光可直接將Nd3+離子泵浦到4F3/2激光上能級,有效的降低了熱負載效應。

本文首先提出了準三能級和四能級腔內泵浦的連續光雙波長激光器的理論模型,推導出雙波長激光器的輸出功率的表達式,并在理論模型基礎上,采用腔內級聯泵浦方式,以879 nm激光二極管為泵浦源,Nd∶GdVO4晶體產生912 nm準三能級激光,912 nm激光作為Nd∶YVO4激光晶體的腔內激光泵浦源,產生1064 nm四能級激光輸出。這兩種泵浦過程都屬于直接泵浦,可以減少泵浦光子與激光光子之間的斯托克斯位移,提高斯托克斯效率。經過實驗優化后,獲得912 nm的準三能級激光最大輸出功率為0.65 W,斜效率約為7 %,1064 nm的四能級激光最大輸出功率為1.58 W,斜效率約為16.6%。

2 理論模型

假設泵浦光強在準三能級激光和四能級激光上的分配是均勻的,且空間位置不變化。假設準三能級激光的增益介質尺寸是l1,折射率是n1,激光諧振腔長是L1,束腰半徑是ω1。四能級激光的增益介質尺寸是l1,折射率是nn,激光諧振腔長是L2,束腰半徑是ω02。腔內第二個增益介質的泵浦源是腔內的準三能級激光,可以把第二塊增益介質的對腔內激光的吸收看做準三能級激光的腔內損耗。基于以上的理念,建立了腔內泵浦的雙波長連續激光的速率方程[19]。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

表1 文中符號所表示的物理量

以上模型的建立是基于泵浦光強分配均勻,且空間位置不變的假設條件,推導出了準三能級激光器和四能級激光器的輸出功率表達式。如果假設條件不成立,泵浦光場分布不均,則會使光束束腰半徑,發散角,光吸收效率等參數出現不穩定變化,從而導致激光閾值增加；光束質量因子下降；光轉換效率降低；晶體內部溫度場分布不均勻,折射率分布不均,產生附加相位空間變化,增加腔內損耗等多種狀況出現。這種狀況與以上建立模型相差較大。通過對式(5)和式(6)進行分析,可知要實現準三能級激光和四能級激光的振蕩,須有效降低損耗,降低激光器的閾值,可從多角度進行設計,如選擇低損耗腔鏡,晶體濃度適當,晶體尺寸不宜過長等方案來提升泵浦光的吸收效率,泵浦光的束腰半徑要足夠小,并選擇合理的諧振腔結構等。

3 實驗裝置

圖1所示為連續雙波長激光器運轉的實驗裝置,泵浦源為879 nm光纖耦合激光二極管,光纖芯直徑為200 μm,數值孔徑為0.16,通過一對焦距為50 mm,耦合效率為95 %的聚焦透鏡將泵浦光注入激光晶體。其中平凹鏡M1和平平鏡M2構成了912 nm激光振蕩的諧振腔,用來輸出912 nm激光的增益介質是Nd3+摻雜濃度為0.1at. %的Nd∶GdVO4晶體,較低摻雜的激光晶體有助于降低準三級系統的熱透鏡和重吸收損失。晶體幾何尺寸為2 mm×3 mm×3 mm,Nd∶GdVO4晶體的左端面鍍增透膜,對912 nm和879 nm的泵浦波長高透射(HT,T>99 %),并涂覆1064 nm的減反射膜(AR,R<2 %),從而更有效的抑制四級輻射躍遷。平凹鏡M1左邊入射面處被涂覆針對879 nm的增透膜(HT,T>99 %),在M1鏡的另一面對1064 nm和912 nm(R>99.9 %)高度反射。用于輸出1064 nm激光的增益介質是摻雜濃度為0.5 at. %的Nd∶YVO4晶體,晶體的幾何尺寸為3 mm×3 mm×3 mm,晶體的左端面涂覆了912 nm 的增透膜(HT,T>99 %)以及1064 nm的高反射膜(HR,R>99.9 %),晶體右端面涂覆對912 nm和 1064n nm高透膜(HT,T>99 %),Nd∶YVO4晶體的左端面與平平鏡M2構成了1064 nm激光振蕩的諧振腔,平平鏡M2對912 nm的激光透射率為T=1 %,對1064 nm的激光透射率為T=3 %,輸出鏡M3與水平方向成45°放置,該鏡片對912 nm高透射,對1064 nm高反射。兩塊晶體分別被固定在多通道的銅制散熱器上,并將其連接在恒溫為15 ℃的水冷裝置上來穩定晶體的溫度。

圖1 雙波長激光器運轉的實驗裝置

4 實驗結果討論

實驗采用腔內級聯泵浦方式,以879 nm激光二極管為泵浦源,泵浦Nd∶GdVO4晶體產生912 nm準三能級激光,912 nm激光作為Nd∶YVO4激光晶體的腔內激光泵浦源,產生1064 nm四能級激光輸出,該實驗方案有效避免了晶體的增益競爭。通過光譜分析發現Nd∶GdVO4晶體對879 nm的泵浦光吸收效率約為40 %,Nd∶YVO4晶體對912 nm的泵浦光吸收效率約為20 %,后者吸收效率較低,只能通過提高腔內的泵浦功率來彌補從而實現雙波長激光振蕩。圖2顯示了在912 nm和1064 nm同步雙波長激光輸出功率與入射泵浦功率的關系,明顯可以看出,隨著泵浦功率的增加,912 nm的準三能級激光輸出功率與1064 nm的四能級激光輸出功率值單調遞增,這與前面理論分析的結果是相符的。當泵浦光功率為4 W左右時,兩種波長的激光振蕩能被同時觀測到,當最大泵浦功率為15 W時,可測量得到總的最大輸出光功率為2.23 W,總的光-光轉換效率為14.9 %,912 nm的準三能級激光最大輸出功率為0.65 W,斜效率約為7 %,1064 nm的四能級激光最大輸出功率為1.58 W,斜效率約為16.6 %。雖然Nd∶YVO4晶體對912 nm的泵浦光吸收效率低于Nd∶GdVO4晶體對879 nm的泵浦光吸收效率,但是1064 nm的輸出激光增加更快,輸出功率更高,主要源于其具有更強的增益。圖3所示為實驗測量得到的912 nm和1064 nm輸出激光的光譜。

圖2 879nm泵浦的雙波長激光輸出功率

圖3 雙波長激光器輸出的912 nm和1064 nm激光光譜

從實驗結果中發現,改變兩個晶體之間的間距會引起912 nm和1064 nm連續輸出激光的功率值變化,如圖4所示當晶體之間的距離逐漸增加時,1064 nm的輸出激光功率會有輕微的減小,而912 nm的連續輸出激光功率會有輕微的增加,分析其原因主要是在確定的泵浦功率條件下,雙波長激光器兩種輸出激光之間存在競爭關系,該實驗設計還不能完全消除這種競爭關系的存在,將在后續工作中研究。圖5所示為雙波長激光的TEM00光斑模式分布,整體分布相對均勻,測得912 nm和1064 nm激光的光束質量因子M2分別為1.23和1.11。

圖4 兩晶體間距與912 nm和1064 nm輸出功率的關系

圖5 雙波長激光光斑模式分布

5 結 論

通過理論與實驗兩種不同的方式研究了912 nm和1064 nm連續輸出的同步雙波長激光器的相關特性。理論上提出了是準三能級激光與四能級激光同步輸出的理論模型,并在此基礎上分析推導了兩種不同波長激光的輸出功率表達式,為實驗設計提供了理論依據。本實驗中設計了以Nd∶GdVO4晶體和Nd∶YVO4激光晶體為增益介質的腔內級聯泵浦的實驗方案,成功實現了912 nm和1064 nm的同步雙波長連續激光器的運轉,在最大15 W的泵浦功率下,得到最大輸出功率為0.65 W的912 nm準三能級激光,斜效率約為7 %,以及最大輸出功率為1.58 W的1064 nm的四能級激光,斜效率約為16.6 %。總的光-光轉換效率為14.9 %。該實驗方案有效地消除了912 nm和1064 nm輻射光的增益競爭,首次驗證了腔內級聯泵浦結構下以879 nm波長為泵浦光實現同步雙波長激光輸出的可行性,并發現腔內晶體間距的變化會引起準三能級激光與四能級激光的輸出光功率出現此消彼長的變化。以上研究對后期雙波長激光以及合頻等方面的研究具有重要的意義。