基于磁光效應(yīng)的雙路偏振輸出激光器

阮劍劍,龍 慧,黃曉樺,林洪沂,孫 棟,劉 虹

(1.廈門理工學(xué)院光電與通信工程學(xué)院,福建 廈門 361024;2.廈門理工學(xué)院 福建省光電技術(shù)與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建 廈門 361024)

1 引 言

摻釹釩酸釔(Nd∶YVO4)晶體是目前用于制作激光二極管(LD)泵浦的全固態(tài)激光器中最為有效的激光晶體之一,它具有很多優(yōu)良的性能,如:穩(wěn)定的化學(xué)和物理加工性、較低激光閾值、較大的受激發(fā)射截面、較高的泵浦光吸收效率等,使得Nd∶YVO4晶體得到了越來越廣泛的應(yīng)用。其基質(zhì)YVO4屬于一種具有較強(qiáng)自然雙折射現(xiàn)象的四方晶系晶體,摻釹離子后加強(qiáng)了偏振吸收和輻射特性,以致激光輸出呈線性偏振[1-2]。

輸出線偏振光的激光器在目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別、水下探測(cè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有非常廣泛的應(yīng)用。謝紹禹等研究基于線偏振激光主動(dòng)成像的目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別,利用線偏振激光照射探測(cè)目標(biāo),然后通過比較不同目標(biāo)材料的反射光偏振度差異和偏振圖像來進(jìn)行探測(cè)與識(shí)別一種新技術(shù)[3-4]。長(zhǎng)春理工大學(xué)的王春艷等人將線偏振激光應(yīng)用于水下探測(cè)研究中,在水下使用線偏振激光可以減少后向散射的影響,擴(kuò)大水下掃描成像的作用距離,提高水下目標(biāo)圖像的清晰度[5-6]。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,根據(jù)各向異性的生物分子對(duì)偏振激光的散射退偏振作用,可以為生物組織病變情況的檢測(cè)提供一些新的方法[7-8]。

激光器的雙路輸出同樣具有廣闊的應(yīng)用前景,清華大學(xué)的張書練等在激光器諧振腔內(nèi)置入石英片作為雙折射晶體,研究了一類正交線偏振激光器,在位移測(cè)量、波片位相延遲測(cè)量、弱磁場(chǎng)測(cè)量等領(lǐng)域得到了新應(yīng)用[9-10]。劉文清等開展了雙通道偏振激光雷達(dá)的研制,并對(duì)北京局部區(qū)域的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè),通過偏振激光雷達(dá)回波信號(hào)的偏振特性變化,可以實(shí)時(shí)確定局部區(qū)域內(nèi)的污染物散布區(qū)域、位置和相對(duì)強(qiáng)度等信息[11]。清華大學(xué)吳冠豪等研制的雙光梳絕對(duì)測(cè)距技術(shù),將雙光梳光源、測(cè)距光路和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)集成,充分利用光頻梳光譜分辨率強(qiáng)、脈沖速率高等特點(diǎn),可以為測(cè)量精度、測(cè)量速度和非模糊范圍等綜合性能提升方面提供了獨(dú)有的幫助,目前已經(jīng)在航天領(lǐng)域的空間相機(jī)絕對(duì)變形測(cè)量和衛(wèi)星天線展開的地面驗(yàn)證測(cè)量中得到了應(yīng)用[12-13]。本文利用磁光晶體的法拉第磁光效應(yīng),設(shè)計(jì)了一款雙路偏振輸出的Nd∶YVO4激光器,并研究了磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)激光輸出功率和線偏振方向的影響。

2 TSAG磁光晶體特性

法拉第磁光效應(yīng)是指當(dāng)線偏振光在磁光介質(zhì)中傳播時(shí),若在平行于光的傳播方向上加一強(qiáng)磁場(chǎng),則光振動(dòng)方向?qū)l(fā)生偏轉(zhuǎn)。入射光矢量旋轉(zhuǎn)的角度α與沿著光傳播方向作用在磁光材料上的磁感強(qiáng)度B及光在磁場(chǎng)中所通過的物質(zhì)長(zhǎng)度l成正比,即α=VBl。其中,V是費(fèi)爾德常數(shù),與介質(zhì)性質(zhì)及光波頻率有關(guān)。同時(shí),磁致旋光的方向只與磁場(chǎng)的方向有關(guān),而與光的傳播方向無關(guān),光束往返通過磁致旋光物質(zhì)時(shí),旋轉(zhuǎn)角度往同一方向累加。

TSAG(Terbium Scandium Aluminum Garnet,鋱鈧鋁石榴石)是一種理想磁光晶體,主要用于400～1600 nm的波長(zhǎng)范圍,即可見光和紅外波段。TSAG具有維爾德常數(shù)大(比TGG高20 %左右),低吸收系數(shù)(比TGG小30 %左右),高功率,低熱致雙折射等優(yōu)點(diǎn),適用于超高功率激光器。

本文采用的TSAG的尺寸為Φ3.92×7 mm,采用偏振測(cè)量?jī)x測(cè)量線偏振光旋轉(zhuǎn)角與磁場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系如圖1所示。由此可計(jì)算出,在632.8 nm、654.3 nm和1064.1 nm波長(zhǎng)處,TSAG磁光晶體的維爾德常數(shù)分別為160.59、142.82、45.16 rad/T·m。使通過該TSAG磁光晶體的線偏振光旋轉(zhuǎn)45°,所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為698.3 mT、785.2 mT和2483.2 mT。

圖1 TSAG磁光晶體的維爾德常數(shù)測(cè)量Fig.1 The measurement of Verdet constant of the TSAG magneto-optic crystal

3 實(shí)驗(yàn)裝置

基于TSAG的法拉第磁光效應(yīng),本文設(shè)計(jì)的雙路偏振輸出激光器如圖2所示。泵浦源采用光纖耦合激光二極管(LD),中心波長(zhǎng)為807.9 nm。泵浦光通過透鏡組會(huì)聚到激光晶體(Nd∶YVO4)端面。激光諧振腔是由激光輸入鏡(M1)、輸出鏡(M2)和偏振分束器(MBP)組成的三鏡L型諧振腔,M1和MBP之間的距離為105 mm,MBP和M2之間的距離為20 mm。M1是激光高反膜(鍍?cè)贜d∶YVO4晶體的左側(cè)面),它對(duì)于807.9 nm的光具有高透過率,對(duì)于1064 nm的光具有高反射率。M2對(duì)于1064 nm光的透過率為10 %。MBP為偏振分束器,對(duì)于P光的透過率為99.8 %,對(duì)于S光的透過率則小于0.1 %。當(dāng)1064 nm的激光通過時(shí)S光將發(fā)生折射并繼續(xù)傳播以實(shí)現(xiàn)振蕩,而P光則可以通過該偏振分束器逃離諧振腔。

實(shí)驗(yàn)中將TSAG磁光晶體放置于激光器的L型諧振腔內(nèi),當(dāng)未加磁場(chǎng)時(shí),因激光晶體釩酸釔(Nd∶YVO4)產(chǎn)生的激光為S光,則輸出端有激光輸出,逸出端沒有。當(dāng)外加磁場(chǎng)時(shí),通過磁光晶體的激光偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn),輸出端激光偏振角度旋轉(zhuǎn)α,如圖2(a)所示；部分激光經(jīng)M2反射后再次經(jīng)過磁光晶體時(shí),激光的偏振方向?qū)⒏淖?α,則P光分量可從偏振分束器逸出,如圖2(b)所示。逸出端P光的透射率可以由下列方程決定:

Tp=sin2(2α)=sin2(2VBl)

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.2 Experimental device diagram

式中,可見,改變磁場(chǎng)強(qiáng)度B,就可以改變P光的透過率,從而改變激光的輸出功率。

根據(jù)公式可得,1064.1 nm波長(zhǎng)下,逸出端的透過率TP與磁場(chǎng)強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。可知,要使MBP的透過率達(dá)到10 %、20 %、30 %、40 %和50 %,所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為517.7 mT、746.9 mT、927.4 mT、1094.0 mT和1247.7 mT。

圖3 逸出端的透過率TP與磁場(chǎng)強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線Fig.3 The relationship curve between TP and magnetic field intensity at the escape end

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)泵浦功率為5868 mW時(shí),測(cè)量不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下Nd∶YVO4激光器的輸出功率,如圖4所示。由圖4可知,當(dāng)未加磁場(chǎng)時(shí),輸出端的輸出功率為2175 mW,逸出端則無功率輸出。隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度不斷增強(qiáng),輸出端的功率不斷減弱,逸出端的功率則不斷增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)裝置中,將MBP,M2和TSAG都放置于電磁鐵線圈內(nèi)的空氣隙處,導(dǎo)致氣隙寬度較大,磁場(chǎng)強(qiáng)度最大只能達(dá)到563.4 mT,此時(shí)輸出端的功率為1117 mW,逸出端的功率則為1398 mW,比輸出端功率更大。

當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為510.8 mT時(shí),兩個(gè)端口的輸出功率相等,為1249.3 mW。此時(shí),MBP的透過率為10 %,與M2的透過率一致。

圖4 泵浦功率為5868 mW時(shí),不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下Nd∶YVO4激光器的輸出功率Fig.4 The power of Nd∶YVO4 laser under different magnetic field intensity when the pump power is 5868 mW

當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為510.8 mT時(shí),激光器輸出功率隨泵浦功率的變化如圖5所示。可見輸出端和逸出端的功率基本保持一致。激光器的泵浦閾值約為2009 mW。在5868 mW的泵浦功率下,其輸出功率為1237 mW,其轉(zhuǎn)換效率為21.1 %。

圖5 激光器輸出功率隨泵浦功率的變化情況Fig.5 The relationship curve between the power of Nd∶YVO4 laser and the pump power

5 結(jié) 論

利用TSAG磁光晶體的法拉第效應(yīng),本文設(shè)計(jì)了一款雙路輸出激光器,其輸出為線偏振激光,且輸出功率隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化而變化。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度不斷增強(qiáng)時(shí),輸出端的功率不斷減小,而逸出端功率則不斷增大。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為510.8 mT時(shí),兩個(gè)端口的輸出鏡透過率相等,此時(shí),兩路激光的輸出功率相等。在5868 mW的泵浦功率下,其輸出功率為1237 mW,其轉(zhuǎn)換效率為21.1 %。該激光器在位移測(cè)量、區(qū)域環(huán)境監(jiān)測(cè)和雙光梳測(cè)距技術(shù)等方面具有一定的應(yīng)用價(jià)值。