准相位匹配PPMgLN腔内倍频绿激光器研究进展 
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1 引言
中小功率全固态绿激光器具有结构紧凑、光束质量好、效率高、寿命长、性能稳定可靠的优点,在光存储、激光打印、舞台表演、医疗、水下通信等领域,尤其是激光显示领域具有广泛应用。相比于LED显示和液晶显示等,激光显示技术具有色域覆盖率高、寿命长、亮度高等优势,被视为下一代显示技术发展的焦点和主流,具有广阔的应用前景。目前,在用于激光显示的三基色光源中,红、蓝光半导体激光工艺已经成熟,而绿光半导体激光器由于半导体材料和制备工艺的限制,存在效率低、稳定性差、技术门槛高以及难以量产的问题[1]。因此,倍频技术仍然是产生绿色激光的最有效方法之一[2-3]。
近几年,准相位匹配周期性极化晶体的出现极大地推动了倍频技术的发展,准相位匹配可以充分利用晶体最大非线性系数消除走离效应,降低倍频阈值,提高绿光输出功率和转换效率。目前,常用的周期性极化晶体有PPLN、PPLT、PPKTP、PPMgLN等[4-5]。相比于PPLN、PPKTP,PPMgLN具有更大的抗光损伤阈值,室温下即可实现高效倍频激光输出。
与常用角度相位匹配的KTP、LBO相比,准相位匹配PPMgLN具有巨大优势。KTP的非线性系数较大(3.2 pm/V),但是为了避免灰痕效应,它只能用于小功率激光器,且KTP倍频绿光的偏振会随温度发生变化,在对偏振严格的领域受到了一定限制;LBO抗光损伤阈值高,偏振输出效果好,但非线性系数较小(0.96 pm/V),通常需要增加长度(>5 mm)来提高效率,这就限制了激光器的小型化,且存在生长周期长、价格高、走离角大(7 mrad)的缺点。
PPMgLN高非线性系数(16~22 pm/V)的特性,降低了对基频光功率的要求,提高了转换效率。高非线性系数为激光器设计提供了很大的灵活性,即在不牺牲输出功率的条件下,可以通过减小晶体长度来提高角度和温度接受带宽,进而提高系统的稳定性。因为腔内倍频的产生受限于最大基频光功率,当基频光功率达到某一数值后,即使增加PPMgLN的长度,也不能提高转换效率。因此,在腔内倍频结构中,可以通过减小PPMgLN晶体的长度,提高激光器的性价比和输出参数。
2 腔内倍频PPMgLN绿激光器
腔外倍频结构具有结构简单、偏振输出好、输出稳定的特点,但基频光与PPMgLN晶体相互独立,使得整个系统复杂、成本较高;而且为了保证转换效率,非线性晶体的长度一般比较长。因此,为了兼顾转换效率和紧凑性,目前大部分倍频技术采用腔内倍频结构。腔内倍频具有以下优点:1)腔内基频光功率高,对基频光光束质量的要求低,可以采用激光二极管(LD)近贴抽运模式;2)腔内结构更紧凑,易于小型化,甚至可以模块化、集成化;3)腔内结构降低了对PPMgLN长度的要求,准相位匹配的温度接受带宽更大,更有利于温控。
2.1 半导体激光器腔内倍频
成熟的近红外半导体激光工艺与腔内倍频相结合的技术是产生绿色激光的一个有效途径,常见的半导体激光器有电抽运和光抽运两种(
图 1. 电抽运垂直外腔面发射半导体激光器的腔内倍频534.7 nm激光器[7]
Fig. 1. Intracavity frequency doubling 534.7 nm laser based on electrically pumped vertical external-cavity surface-emitting semiconductor laser[7]
2008年,德国OSRAM公司采用光抽运半导体(OPS)盘式激光器产生波长为1060 nm的基频光,通过PPMgLN腔内倍频获得了80 mW单频530 nm绿色激光输出[12] ,发散角<10 mrad,光斑直径为100 μm,电-光转换效率为7%,体积仅为13 mm×6.5 mm×4.8 mm,如
图 2. 光抽运半导体盘式激光器的腔内倍频530 nm绿激光器[11]
Fig. 2. Intracavity frequency doubling 530 nm green laser based on optically pumped semiconductor chip laser[11]
2.2 全固态激光器腔内倍频
Nd∶YVO4晶体是目前性能最优的激光增益介质之一,具有以下优点:1) 在808 nm波段吸收系数大,可以吸收大量的抽运光,易于实现绿色激光器小型化;2) 吸收带宽约为Nd∶YAG晶体的5倍,降低了对温控的要求,可以根据PPMgLN的温度带宽对LD与PPMgLN整体控温;3) Nd∶YVO4为单轴晶体,输出的1064 nm基频光为线偏振光,腔内不需要添加任何偏振器件,可以提高倍频效率。
2.2.1 普通全固态激光器腔内倍频(单点抽运结构)
国内外均有大量关于全固态激光器的PPMgLN腔内倍频实验的报道[13-27]。该激光器采用Nd∶YVO4作为激光工作物质,光-光转换效率可以达到30%以上[13-22,24-25,27]。2008年,日本Matsushita电子公司报道了一款体积仅为3 cm3、无需制冷、可于常温下工作的绿激光器[13](含抽运源),输出功率为0.7 W,光-光转换效率为30%,工作温度范围为30 ℃;经过优化(提高抽运功率和改善耦合系统),体积可减小到2 cm3,输出功率达到1.7 W,光-光转换效率为39.2%,电-光效率达到18.9%,工作温度范围为46 ℃,耗能为7.3 W,无需制冷[14],该激光器性能可靠、体积小、效率高,应用广泛;2010年,中国科学院光电研究院报道了光-光转换效率高达52%、输出功率为1.56 W的PPMgLN腔内倍频绿激光器[17],如
2014年,山东大学采用Nd∶Mg∶LiTaO3作为激光工作物质,以PPMgLN腔内倍频(1092 nm和1076 nm)与和频(1092 nm和1076 nm)的方式获得了546,542,538 nm三波长的绿光输出,输出总功率为62.8 mW[26]。虽然光-光转换效率为1.4%,但是采用三波长,有效降低了激光散斑现象。
在产生高功率的绿激光器中,大部分采用光纤或者自聚焦透镜耦合的LD作为抽运源,但对于激光投影仪来说,此类绿激光器体积大、价格较高。
表 1. 半导体激光器腔内倍频的输出参数(OO为光-光转换效率;EO为电-光转换效率)
Table 1. Output parameters of intracavity frequency doubled semiconductor lasers (OO: optical-to-optical conversion efficiency; EO: electro-optical conversion efficiency)
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表 2. 普通全固态激光器的腔内倍频输出参数
Table 2. Output parameters of intracavity frequency doubled all-solid-state lasers
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图 3. 全固态腔内倍频绿激光器示意图[15,17]
Fig. 3. Diagram of all-solid-state intracavity frequency doubled green laser [15,17]
2.2.2 多点LD抽运结构
在激光显示高速发展的今天,激光散斑问题急需解决,而降低激光空间相干性是消除散斑的一个非常有效的方法。上述单点绿激光器的相干性很强,需要采取诸如旋转随机相位片、振动光纤、动态屏幕等措施来减小散斑。2008年,日本Mitsubishi电子公司提出了一种多点列阵LD抽运的PPMgLN腔内倍频绿激光器的结构,如
如
图 4. 多发光点抽运的列阵型绿激光器示意图[29]。(a)列阵型绿激光器上视图;(b)列阵型绿激光器侧视图
Fig. 4. Diagrams of array green laser pumped by multiple luminous points[29]. (a) Top view of array green laser; (b) side view of array green laser
表 3. 多点LD列阵抽运结构Nd∶YVO4/PPMgLN激光器的输出参数
Table 3. Output parameters of Nd∶YVO4/PPMgLN laser pumped by multi-point LD array
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2009年,Mitsubishi电子公司采用15个发光点LD列阵、PPMgLN光波导晶体,获得了10.8 W绿光输出,光-光转换效率达到40%,电-光转换效率高达20%[30];2016年,中国科学院光电研究院采用19个发光点LD阵列作为抽运源,获得了3.12 W连续绿光输出,但光-光转换效率仅为9.2%[32]。
2.3 模组结构
从输出功率和效率角度考虑,上述腔内倍频结构是产生绿光非常有效的办法;但从价格和体积角度考虑,商用激光显示(尤其是微型激光投影仪)的绿激光器价格高、体积大。微型投影仪对光源的严苛要求推动了绿色激光模块化发展,目前的模组主要有键合、光胶合和M-green 3种结构,如
2.3.1 键合结构
2009—2011年,美国Spectralus公司推出的微晶片绿光模组将Nd∶YVO4和PPMgLN晶体(小于2 mm)通过化学键合的方法结为一体,如
2.3.2 光胶合结构
2010年,加拿大McMaser University报道的光胶合Nd∶YVO4/PPMgLN模组将长为0.5 mm、原子数分数为3%的高掺杂Nd∶YVO4晶体和长为1 mm的7 μm周期PPMgLN晶体胶合在一起,高掺杂确保了抽运光的良好吸收,短极化晶体保证了较宽的温度接受带宽。抽运峰值电流为1.44 A时,获得了平均功率为450 mW绿光输出,电-光转换效率高达16.25%[37]。2013年,周煌等[38]采用长度为1.5 mm、原子数分数为1.5%的掺杂Nd∶YVO4与长1 mm的PPMgLN光胶合晶体,获得了295 mW绿光输出,光-光转换效率为25.5%,稳定度为2.5%,如
表 4. Nd∶YVO4/PPMgLN模组激光器的输出参数
Table 4. Output parameters of green lasers with Nd∶YVO4/PPMgLN modules
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图 5. Spectralus微晶片绿光模组[35]。(a) Nd∶YVO4和PPMgLN键合晶体; (b)输出光斑; (c)绿激光器模组
Fig. 5. Green module of Spectralus microship[35]. (a) Nd∶YVO4/PPMgLN bonding crystal; (b) output light spot; (c) green laser package
2.3.3 M-green结构
对于键合或胶合Nd∶YVO4/PPMgLN模组,两个晶体具有不同的热膨胀系数,当功率较小时,热膨胀效应不明显,Nd∶YVO4/PPMgLN模组具有良好的工作特性;当功率较大时,Nd∶YVO4晶体吸收的40%~50%抽运能量转换成热量,热量传导给PPMgLN,过多的热量会引起Nd∶YVO4与PPMgLN不同程度的热膨胀,造成键合或胶合晶体裂开,谐振腔平行度遭到破坏,导致激光器不能正常工作。另外,多余的热量会影响准相位匹配,降低系统转换效率,因此键合或胶合晶体不利于较大功率(>500 mW)输出。针对该问题,2012年,加拿大McMaser University的Gan等[41]报道了一种新颖的绿光模组M-green,即将镀膜的Nd∶YVO4(原子数分数为3%高掺杂)和PPMgLN(长度为1.0~1.5 mm)分别固定在同一硅片上,两晶体隔开一段距离,构成平平腔结构,如
图 6. 光胶合绿光模组的示意图和实物图[38]。(a)光胶合绿光模组示意图; (b)光胶合绿光模组实物图
Fig. 6. Schematic and physical drawings of optical-contact green module[38]. (a) Schematic drawing of optical-contact green module; (b) physical drawing of optical-contact green module
绿光模组可以采用多个LD分别抽运产生多束绿光,然后通过光学办法耦合(反射镜、偏振耦合、光纤耦合等)在一起,进而提高总功率[43],如
2.4 脉冲腔内倍频结构
调
表 5. 脉冲绿激光器的输出参数
Table 5. Outputparameters of pulsed green lasers
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3 PPMgLN绿激光器发展趋势
作为一种高效的非线性光学频率变换技术,腔内倍频具有巨大的发展潜力,是目前产生绿激光的主要手段。展望未来,腔内倍频技术的发展主要集中在以下几个方面。
(1) 性能优良的PPMgLN晶体的制作
目前,短周期性(≈7 μm)极化技术尚未完全成熟,PPMgLN的厚度通常仅为0.5~1 mm,从而限制了PPMgLN晶体在大功率倍频激光器中的使用。因此,如何有效降低矫顽电场强度,提高光学均匀性,制作大尺寸、大通光孔径的PPMgLN晶体,进而使该类材料商品化、广泛化,将会是该技术发展的方向;光波导晶体可以有效约束基频光,提高基频光功率密度,进而提高倍频转换效率,波导晶体(激光晶体或者PPMgLN)的使用还可以提高谐振腔的稳定性,使绿光的输出更加稳定可靠,封装更加简单;另外,Nd3+和MgO共掺杂PPLN,即Nd∶Mg∶PPLN晶体,将激光增益介质和倍频晶体合二为一,实现了腔内自倍频,该结构在体积和封装方面具有巨大优势,将来也会得到发展[51]。
(2) PPMgLN绿激光器的进一步发展
制作结构简单紧凑、性能稳定可靠、功率大、体积小、效率高、价格便宜,甚至可调谐、高峰值功率、窄线宽输出的全固态绿激光器,永远是该领域科技工作者不断追求的方向。
(3) 与半导体激光器的结合
可以结合PPMgLN腔内倍频与成熟的半导体激光技术制作高性能的绿激光器,尤其是可以利用近几年发展迅速的垂直腔面发射半导体激光器。垂直腔面发射半导体激光器具有线宽窄、光束质量好、可靠性高和制造成本低等优点,比光抽运半导体盘式激光器、分布反馈式布拉格半导体激光器、分布反射式布拉格半导体激光器更有优势。
(4) 模块化发展及集成
高功率小体积模组、采用光波导晶体的模组、多束绿激光的合成,在激光投影、舞台表演、激光电视等方面具有广阔的应用前景。
4 结束语
全固态激光技术是我国为数不多的、从激光材料(激光晶体、非线性晶体)到系统集成(中小功率激光器)都在国际上占有整体优势的高技术领域;尤其是,我国在倍频、和频、差频、光参量振荡、拉曼散射等非线性频率变换技术领域的研究也一直处于世界前列。本文综述了PPMgLN腔内倍频绿激光器的结构、性能优势及发展现状。
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