基于準相位匹配PPLN黃綠激光器的研究進展

2022-03-01 06:30:44溫志偉林洪沂阮劍劍黃曉樺

激光與紅外 2022年1期

溫志偉,林洪沂,阮劍劍,宋碩,孫棟,黃曉樺

(廈門理工學院光電與通信工程學院,福建廈門 361024)

1 引言

560～600 nm黃綠色激光是共焦顯微鏡、流式細胞儀、皮膚和牙科醫療、皮膚美容、精密光譜學、大氣激光雷達、激光多普勒測速和其他生物成像設備的理想光源,它也是激光治療復雜眼科疾病和癌癥的最佳光源。如通過黃綠色激光照射驅動受控的光釋放藥物,可以選擇性地治療癌細胞,而不會對正常細胞產生沖擊。在眼科,血紅蛋白在黃綠光波段有很高的吸收率而視網膜色素和黃斑葉黃素的吸收可忽略不計,黃綠光是治療黃斑周圍疾病的理想光源。

非線性頻率變換技術(和頻與倍頻)是獲得高效、穩定、緊湊黃綠光激光器是一種有效可行的方法。與角度相位匹配的非線性晶體(如LBO、KTP、BiBO)相比,周期性極化晶體具有非常高的非線性系數,可以顯著提高可見光轉換效率[1-3]。常用周期性極化晶體有PPLN、PPLT、PPKTP、PPKTA、PPMgLN等[3-4]。PPMgLN、PPLN與PPLT、PPKTP、PPKTA相比,在中小功率可見光波段具有更強的競爭力,在室溫下即可實現高效可見光輸出[5]。

但是,準相位匹配PPLN、PPMgLN晶體的接受光譜線寬比LBO、KTP等角度相位匹配晶體的接受線寬要小很多,而且隨著晶體長度的增加,接受線寬會明顯變窄。以1112 nm基頻光倍頻為例(如圖1所示),當晶體長度為0.1 mm時,接受線寬為25.9 nm；而當晶體長度為15 mm時,接受線寬僅為0.2 nm。因此,這對黃綠波段的基頻光提出了很高的要求,為了提高系統整體效率,基頻光的光譜盡量要窄,光斑質量盡量要好。

圖1 PPMgLN倍頻接受線寬與晶體長度的關系

2 黃綠激光器的種類

性能優良的全固態激光器、光纖激光器、半導體激光器都可以通過非線性頻率變換技術(和頻和倍頻)來獲得黃綠激光輸出。

2.1 全固態激光結構

全固態激光器可以通過和頻和倍頻兩種方式獲得黃綠激光,最常用的和頻為1064 nm和1342 nm和頻獲得593.5 nm,1064 nm和1319 nm和頻獲得589 nm黃光。而倍頻主要是1123 nm倍頻產生561.5 nm黃綠光。

2.1.1 全固態激光器和頻

全固態激光器和頻可以分為腔內和腔外和頻兩種結構。采用全固態Nd∶YVO4激光器,可以獲得593.5 nm黃光；而采用全固態Nd∶YAG激光器,可以產生589 nm黃光。

1) 全固態激光器腔外和頻

早在2002年,中國臺灣Y.F.Chen就報道了腔外PPLN和頻593 nm黃光激光器。他采用特殊的雙輸出鏡輸出的雙波長Nd∶YVO4激光器,經過聚焦鏡耦合聚焦,PPLN和頻,獲得了92 mW連續黃光輸出[6]。同年S.W.Tsai采用聲光主動調Q,獲得了92 mW,重復頻率20 kHz的脈沖輸出,轉換效率4.2 %[7]。采用和頻結構,需要同時實現雙波長振蕩,對諧振腔的要求比較高,且轉換效率較低。

2009年,J.Yue采用0.8 W 1064 nm單頻窄線寬Nd∶YAG激光器和0.35 W 1319 nm單頻Nd∶YAG激光器,腔外和頻獲得了超穩定窄線寬低噪聲589 nm連續激光[8]。其基頻光是由兩個獨立的單頻激光器構成,彼此無相互影響,輸出性能更加穩定。此全固態激光可以應用于固態—染料激光混合鈉熒光激光雷達發射機中,用于測量80～105 km高空大氣的溫度和風場。同年日本Tadashi Nishikawa采用性能更優良的脊波導Zn∶PPLN晶體,腔外和頻結構獲得了494 mW單頻黃光輸出,轉換效率達到了41 %[9]。全固態激光器黃綠光輸出特性如表1所示。

表1 全固態激光器黃綠光輸出特性

2) 全固態激光器腔內和頻

與單通外腔和頻相比,內腔和頻可以有效的利用腔內較高的基頻光功率,提高和頻轉換效率,同時可以有效的減小PPLN晶體長度,提高激光器溫度工作范圍。2015年,中科院Yan Qi采用3 mm長PPMgLN晶體,通過腔內和頻,獲得了620 mW 593.5 nm黃光輸出,轉換效率(泵浦光808 nm到593.5 nm)達到10.9 %[10]。

2.1.2 全固態激光器倍頻

對于Nd∶YAG激光器來說,在1123 nm處發射截面為3 × 10-20cm2,僅為1064 nm的1/15。在設計諧振腔時,腔鏡需要增鍍1064 nm增透膜,減少1064 nm的寄生振蕩。2004年,北京工業大學Xiaoping Guo首次采用1123 nm Nd∶YAG激光器,通過PPLN腔外倍頻,獲得了0.5 mW 561 nm黃綠激光[11]。

通過腔內倍頻可以有效的提高轉換效率,2021年,本實驗室采用Nd∶YAG /PPMgLN腔內倍頻結構,獲得了268 mW黃綠激光輸出,光光轉換效率達到10.2 %[12]。文章指出:與傳統的角度相位匹配相比,準相位匹配PPMgLN的接受帶寬較窄,可以避免1112 nm倍頻光的產生。

2.1.3 全固態激光器四倍頻

圖2 四倍頻超快黃光激光器[13]

2.2 光纖激光器結構

光纖激光器由于光束質量好、效率高、體積小、可實現全纖化結構等優點,近幾年來發展十分迅速。窄線寬光斑質量優良的光纖激光器也可以作為黃光的基頻光源。普通摻鐿光纖激光器一般輸出波長小于1120 nm,它可以通過拉曼散射或者抑制短波長,來實現1150～1180 nm長波段輸出。

2.2.1 拉曼摻鐿光纖激光器倍頻

2005年,德國D.Georgiev采用40 W單橫模偏振輸出的1118 nm摻鐿光纖激光器作為泵浦源,通過Ge摻雜光纖的一級拉曼散射,獲得了線寬0.37 nm,功率為23 W,波長1178 nm,偏振激光輸出(如圖3所示)[14]。并通過長度為8 mm的PPMgLN晶體單程倍頻,獲得了3.03 W單橫模589 nm黃光輸出,轉換效率為12.3 %。為了減小基頻光線寬和提高功率,采取以下措施:①選用單橫模窄線寬摻鐿光纖激光器作為泵浦源；②采用布拉格光柵,減小受激拉曼散射線寬；③采用短拉曼增益光纖,長度僅為20 m的拉曼增益光纖可以有效的減小由于自相位調制引起的信號光光譜增寬；④后端刻有1118 nm高反布拉格光柵,提高了泵浦耦合效率。該結構緊湊可靠,電光效率為2.5 %,可以輕松的使光纖激光器輸出波段覆蓋到560～770 nm。

圖3 由線偏振輸出的拉曼光纖激光器倍頻產生的3 W 589 nm黃光激光器[14]

2016年,英國T.H.Runcorn采用脈沖摻鐿光纖主振蕩功率放大器(MOPA)泵浦的級聯拉曼光纖放大器作為基頻光,獲得了1.13 W ns脈沖589 nm黃激光輸出[15]。光纖主振蕩功率放大器的輸出波長為1064 nm,通過級聯拉曼散射,可以將其拓展到1179 nm。由于采用窄線寬連續種子信號,1178 nm拉曼放大器的線寬僅為0.01 nm,完全可以滿足PPMgLN對基頻光線寬的要求(20 mm接受線寬為0.16 nm)。在拉曼放大器功率為6.52 W,重復頻率6 MHz時,經倍頻可以獲得1.13 W,脈沖1.9 ns,單脈沖能量188 nJ的脈沖激光,轉換效率為17 %。該激光器可以用在受激發射損耗(STED)顯微鏡中。2018年中科院Yulian Yang采用1178 nm的種子注入拉曼光纖放大器作為基頻光,通過PPLN波導倍頻,獲得了1.5 W單模589 nm連續黃激光,轉換效率15 %[16]。該激光器性能穩定可靠,顯著提高了西藏羊八井窄帶鈉激光雷達性能,減小了系統維護。光纖激光器黃光輸出特性如表2所示。

表2 光纖激光器黃光輸出特性

2.2.2 長波長摻鐿光纖激光器倍頻

摻鐿二氧化硅光纖在980 nm泵浦時具有很寬的增益帶寬和很高的量子效率,是一種很有吸引力的1 μm波段增益介質。雖然它的增益可以達到1200 nm,但要制作波長超過1120 nm光纖激光器和放大器卻很困難。其原因在于:①在1030 nm光譜太強(發射截面約640 × 10-27m2),增益太大；而波段大于1120 nm時,受激發射截面較小(1154 nm處發射截面約30 × 10-27m2),存在嚴重的光譜競爭；②與短波長相比,長波振蕩需要更低的腔內損耗。

2006年,斯坦福大學Supriyo Sinha首次采用1150 nm摻鐿光纖激光器,通過PPLN光波導直接倍頻,產生了575 nm的黃激光[17]。為了實現長波長1150 nm輸出,采取了以下措施:①構建1150 nm高反、1030 nm高透布拉格光柵,抑制高增益受激自發輻射；②采用高摻雜光纖,減小1030 nm處受激自發輻射,增加1030 nm處基態吸收損耗；③減小光纖長度,減低1150 nm雜散散射損耗。

2015年,瑞士學者Manuel Ryser采用1.5 W 1154 nm主振蕩光纖功率放大系統,通過PPLN倍頻,獲得了90 mW 577 nm激光輸出[18]。為了實現1154 nm輸出,采取了以下措施:①采用1154 nm高反窄帶布拉格反射鏡,抑制短波長高增益受激自發輻射；②諧振腔與放大器之間插入布拉格光柵濾光片；③加熱光纖,增加短波長的再吸收損耗。

2.3 半導體激光器結構

半導體激光器是最實用最重要的一類激光器。它體積小、壽命長、緊湊耐用。通常簡單的注入電流的方式來泵浦,其工作電路容易與集成電路兼容,因而可與之集成。并且還可以實現內調制以獲得脈沖激光輸出。高性能半導體激光器的發展,也有力地推動了其倍頻技術的進步。

2.3.1 外腔結構半導體激光器倍頻

早在2005年,日本T.Hara就報道了1122 nm窄線寬廣域半導體激光器作為基頻光,采用外腔結構,PPLN倍頻,獲得了32 mW 560 nm黃光輸出,光光轉換效率達到32 %[19]。該作者采用帶通濾波片實現模式選擇,用布拉格光柵和標準具壓縮線寬,用空間光闌改善橫模。2008年,德國A.Yu.Nevsky采用窄線寬外腔量子點激光器,通過PPLN倍頻,獲得了3 mW 578 nm黃光輸出。采用復雜的增強型諧振腔,線寬壓縮到30 kHz[20]。2010年,韓國Eok Bong Kim采用1156 nm光注入鎖定半導體激光器,獲得了線寬僅1.6 kHz、2.4 mW 578 nm激光輸出[21]；2011年,Won-Kyu Lee將輸出功率提高到了10.5 mW。采用外腔或者增強型諧振腔結構的半導體激光器,可以有效減小光譜線寬,在超冷Yb原子和冷分子氫離子的精密光譜學領域有重要應用[22]。外腔結構半導體激光器倍頻如表3所示。

表3 外腔結構半導體激光器倍頻

2.3.2 半導體激光器腔外單通倍頻

采用外腔或者增強型諧振腔結構的半導體激光器,結構復雜,調節困難,難以實現大功率輸出。近年來,大功率窄線寬量子阱布拉格光柵半導體激光器、分布布拉格反射式脊波導半導體激光器、分布布拉格反射式錐形半導體激光器、主振蕩功率放大器等半導體激光器的發展,有力的推動了半導體激光器直接腔外倍頻的進步。

2014年,英國科學家Ksenia A采用1121.4 nm量子阱光纖布拉格光柵半導體激光器(QD-FBG LD),經PPMgLN波導倍頻,獲得了90.11 mW連續560.68 nm激光輸出,光光轉換效率高達52.4 %[23]。2016年,丹麥Hansen Anders Kragh采用1124.8 nm分布布拉格反射式(DBR)錐形半導體激光器作為泵浦源,獲得了1.93 W單頻562.4 nm激光器,光光轉換效率33.6 %,插拔效率6.4 %,且不需水冷,體積僅183 × 114 × 50 mm3[24]。該半導體激光器可通過內調制實現脈沖輸出,可以滿足生物醫療的需要。同年德國Julian Hofmann采用1121 nm分布布拉格反射式(DBR)脊波導半導體激光器,通過脊波導PPMgLN倍頻,獲得了133 mW可調制560.5 nm激光輸出,電光效率為7.5 %[25]。2016年,德國R.Bege采用1178 nm分布布拉格反射式錐形半導體激光器作為基頻光,獲得了0.86 W單模589 nm黃光輸出(如圖4所示)[27]。2019年,德國A.Sahm采用主振蕩功率放大器,獲得了2 W單頻560 nm激光輸出[31]。同年,德國Nils Werner采用ps半導體激光器,獲得了561和589 nm皮秒激光輸出[32]。半導體激光器腔外單通倍頻如表4所示。