利用Cr          <sup>4+</sup>∶YAG晶体的各向异性提高输出激光消光比的实验研究

为了研究不同切割方向Cr ⁴⁺∶YAG晶体的各向异性对激光器输出偏振特性的影响,采用1064 nm线偏振脉冲光作为测试光源,从输入光强功率密度、晶体初始透过率和晶体切割方向3个方面,对Cr ⁴⁺∶YAG晶体的各向异性进行实验研究。结果表明:在一定功率密度范围内,功率密度越高,Cr ⁴⁺∶YAG的各向异性越明显;Cr ⁴⁺:YAG的初始透过率越低,各向异性越明显;相同功率密度下,[110]切割方向的Cr ⁴⁺∶YAG在某一方向上的可饱和透过率大于[100]切割方向的Cr ⁴⁺∶YAG的透过率。分别选取[110]和[100]切割方向的Cr ⁴⁺∶YAG作为调Q晶体,搭建808 nm LD抽运Nd∶YAG/Cr ⁴⁺∶YAG被动调Q固体激光器,得到[110]切割方向Cr ⁴⁺∶YAG的输出激光消光比大于[100]切割方向Cr ⁴⁺∶YAG的输出激光消光比。

Abstract

To explore the effect of the anisotropy of different cut directions of Cr 4+∶YAG crystals on the polarization characteristics of laser output,the anisotropy of Cr 4+∶YAG crystal is studied experimentally using 1064-nm linearly polarized pulsed light as the test light source. In the experiment, the input light power density, initial transmittance, and crystal cutting direction are considered. The experimental results demonstrate that within a certain range of power density, the higher the power density is, the more obvious the anisotropy of Cr 4+∶YAG is. The results also show that anisotropy is obvious with low initial transmittance of Cr 4+∶YAG. Under the same power density, the saturation transmittance of [110]-cut Cr 4+∶YAG is greater than that of [100]-cut Cr 4+∶YAG in a certain direction. The [110]-cut and [100]-cut Cr 4+∶YAG crystals are used as saturable absorbers for an 808-nm LD pumped passively Q-switched Nd∶YAG/Cr 4+∶YAG solid laser, and the experimental results demonstrate that the extinction ratio of the output laser with [110]-cut Cr 4+∶YAG is greater than that with [100]-cut Cr 4+∶YAG.

1 引言

利用被动调Q激光技术可以产生纳秒甚至亚纳秒激光脉冲,该类激光脉冲广泛应用于激光微加工、通信传感和雷达等领域^[1-5]。其中Cr⁴⁺∶YAG 具有吸收截面大、弛豫时间短、饱和光强小等优点,且物化性能稳定,是目前非常有前途的被动调Q晶体之一。Nd∶YAG/ Cr⁴⁺∶YAG被动调Q激光器具有峰值功率高、脉宽窄的特点,然而,常用的Nd∶YAG属于各向同性晶体,其激光一般不具备明显且稳定的偏振特性^[6],这限制了激光器的倍频、和频等非线性频率变化。

为了有效提升被动调Q激光器的偏振比,一方面可以采用高偏振输出的激光二极管进行抽运^[7];另一方面可以采用特殊切割角度的Nd∶YAG^[8]、Cr⁴⁺∶YAG。2001年,Bouwmans等^[9]使用激光二极管抽运Nd∶YAG微片激光器,发现输出激光的偏振特性与抽运光偏振方向、晶体晶轴方向和腔内偏振本征态之间存在一定的关系;2009年,Wang等^[10]利用[110]切割方向的Cr⁴⁺∶YAG作为调Q晶体,得到了消光比为100∶1的稳定激光输出;2011年,Bhandari等^[11]利用Nd∶YAG/[110] Cr⁴⁺∶YAG激光器进行实验,得到的消光比优于100∶1,532 nm倍频效率达到85%;2014年,Sun等^[12]利用Nd∶YAG/Cr⁴⁺∶YAG被动调Q微片激光器进行实验,发现当抽运光偏振方向与[001]切割方向Cr⁴⁺∶YAG晶体的晶轴方向一致时,输出激光的稳定性大幅提高。

本文研究了Cr⁴⁺∶YAG晶体的各向异性,采用1064 nm线偏振脉冲光,并沿Cr⁴⁺∶YAG晶轴方向入射,从输入光强功率密度、晶体切割方向和初始透过率3个方面进行实验研究;采用不同功率密度的1064 nm线偏振光,测量不同初始透过率的[100]和[110]切割方向Cr⁴⁺∶YAG晶体在不同角度下的透过率;利用808 nm LD连续线偏振光抽运Nd∶YAG/Cr⁴⁺∶YAG进行实验,使用具有相同初始透过率、切割方向分别为[100]和[110]的Cr⁴⁺∶YAG晶体作为调Q晶体,对比输出激光的消光比。

2 Cr4+∶YAG晶体的透过率测量

利用不同功率密度的1064 nm线偏振脉冲光,测量不同切割方向和初始透过率的Cr⁴⁺∶YAG晶体的饱和过程,Cr⁴⁺∶YAG晶体的初始透过率分别为30%、50%和70%,每种晶体都选取[100]、[110]两个切割方向。实验装置如图1所示,选用重复频率为10 Hz、脉宽为800 ps的1064 nm激光作为测试激光,插入偏振片得到线偏振的入射激光,利用1064 nm部分透过率的镜片对入射激光的能量进行不同程度的衰减,从而得到不同功率密度的入射激光,入射激光的功率密度分别为331.6 ,172.4,114.9 MW/cm²。1064 nm激光沿Cr⁴⁺∶YAG晶轴方向垂直入射至晶体表面,旋转待测Cr⁴⁺∶YAG晶体,以改变晶体晶轴与入射激光偏振方向之间的夹角。

图 1. 测试Cr4+∶YAG晶体各向异性的实验装置图

Fig. 1. Experimental equipment for testing anisotropy of Cr4+∶YAG crystal

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图2所示为[100]和[110]切割方向Cr⁴⁺∶YAG晶体的晶轴方向与入射激光偏振方向相对位置示意图, $\begin{matrix} θ \end{matrix}$ 为入射激光的偏振方向与Cr⁴⁺∶YAG晶体[001]晶轴的夹角。对于[100]切割方向的Cr⁴⁺∶YAG晶体,入射激光沿[100]晶轴方向传播,旋转Cr⁴⁺∶YAG晶体的过程中,其偏振方向在[001]和[010]两个晶轴所在平面内绕[100]晶轴方向旋转,如图2(a)所示;对于[110]切割方向的Cr⁴⁺∶YAG晶体,入射激光的传播方向为[110]晶轴方向,旋转Cr⁴⁺∶YAG晶体的过程中,其偏振方向在[001]和[110]所在平面内绕[110]方向旋转,如图2(b)所示。

图3给出了同一入射激光功率密度下,初始透过率为30%,切割方向分别为[100]和[110]的Cr⁴⁺∶YAG晶体透过率随θ的变化规律。从图3可以得出,[100]切割方向的Cr⁴⁺∶YAG晶体在两个相互垂直方向具有高透过率,而[110]切割方向的Cr⁴⁺∶YAG晶体只有一个方向具有高透过率。正如图2所示:对于[100]切割方向的Cr⁴⁺∶YAG晶体,当入射光偏振方向与[001]或[010]晶轴方向一致时,晶体透过率最大,所以晶体在旋转360°的过程中,高透过率出现4次。[110]切割方向的晶体在垂直于入射光传播方向的晶面上只存在[001]一个晶轴,故晶体在旋转360°的过程中,最高透过率出现两次;当入射光偏振方向位于[100]和[010]晶轴构成的平面上时,透过率会出现小高峰,所以透过率最高峰和小高峰交替出现。

图 2. 入射激光偏振方向与Cr4+∶YAG晶体晶轴的相对位置示意图。(a) [100]切割方向;(b) [110]切割方向

Fig. 2. Relative position between polarization direction of incident laser and crystal axis of Cr4+∶YAG. (a) [100]-cut; (b) [110]-cut

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图 3. 不同切割方向的Cr4+∶YAG对1064 nm激光的透过率(初始透过率30%)

Fig. 3. 1064 nm laser transmittance of Cr4+∶YAG in different cutting directions (initial transmittance is 30%)

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图4给出了不同功率密度下初始透过率为30%时,[100]和[110]切割方向的Cr⁴⁺∶YAG晶体透过率随θ的变化情况。从图4可以看出:二者的变化趋势基本相同,在一定入射激光功率密度范围内,功率密度越大,Cr⁴⁺∶YAG晶体对1064 nm激光的各向异性越明显;随着θ旋转一周,Cr⁴⁺∶YAG晶体的透过率呈周期变化。

在同一入射光功率密度下,随着θ的变化,不同初始透过率的[100]和[110]切割方向的Cr⁴⁺∶YAG晶体的透过率变化情况如图5所示。从图5可以看出:无论是[110]还是[100]切割方向的Cr⁴⁺∶YAG晶体,在相同的功率密度下,初始透过率越大,各向异性越不明显;相反,初始透过率越小,各向异性越明显。

图 4. Cr4+∶YAG在不同功率密度下对1064 nm激光的透过率(初始透过率为30%)。(a) [100]切割方向;(b) [110]切割方向

Fig. 4. 1064 nm laser transmittance of Cr4+∶YAG at different power densities (initial transmittance is 30%). (a) [100]-cut; (b) [110]-cut

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图 5. 不同初始透过率的Cr4+∶YAG对1064 nm激光的透过率。(a) [100]切割方向;(b) [110]切割方向

Fig. 5. 1064 nm laser transmittance under different initial transmissions of Cr4+∶YAG. (a) [100]-cut; (b) [110]-cut

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3 高消光比被动调Q激光器

搭建如图6所示的实验装置,采用808 nm LD连续光经偏振分光棱镜(PBS)后的线偏振光作为抽运源,抽运功率为3 W,经透镜组后光斑直径为400 μm,使用半波片改变抽运光的偏振方向。以切割方向[111]的Nd∶YAG作为工作物质,掺杂粒子数浓度为1%,Nd∶YAG晶体尺寸为3 mm×3 mm×5 mm,谐振腔腔镜的晶体一端镀有1064 nm高反(HR)膜和808 nm高透(HT)膜,另一端面镀有1064 nm增透(AR)膜,使用初始透过率为80%,切割方向分别为[110]和[100]的Cr⁴⁺∶YAG晶体作为调Q晶体,尺寸均为ϕ5 mm×1.8 mm,晶体两端通光面均镀有1064 nm增透膜,输出镜采用透过率为T=30%的平面镜,谐振腔采用腔长为32 mm的对称平平腔。通过旋转半波片,改变抽运光偏振方向与Cr⁴⁺∶YAG晶体晶轴的夹角。

图 6. 线偏振抽运Nd∶YAG/Cr4+∶YAG被动调Q激光器实验装置图

Fig. 6. Diagram of passively Q-switched Nd∶YAG/Cr4+∶YAG laser with linear polarization pump

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旋转半波片改变抽运光的偏振方向,可以发现:对于切割方向为[110]的Cr⁴⁺∶YAG晶体,当抽运光偏振方向与[001]晶轴重合时,得到的最大消光比为380∶1;对于切割方向为[100]的Cr⁴⁺∶YAG晶体,当抽运光偏振方向与[001]和[010]晶轴重合时,可以得到的最大消光比为200∶1。在相同的实验条件下,将[110]切割方向的Cr⁴⁺∶YAG作为调Q晶体时,其消光比大于[100]切割方向的Cr⁴⁺∶YAG晶体。

改变抽运光偏振方向与Cr⁴⁺∶YAG晶体晶轴的夹角,分别测量输出激光的脉宽、功率和重复频率。[100]切割方向Cr⁴⁺∶YAG晶体作为调Q晶体时,输出脉冲如图7所示,脉宽为6.39 ns,重复频率为5.08 kHz,输出功率为340 mW,峰值功率为10.47 kW,单脉冲能量为66.91 μJ;而[110]切割方向Cr⁴⁺∶YAG晶体作为调Q晶体时,输出脉冲如图8所示,脉宽为5.13 ns,对应的重复频率为2.73 kHz,输出功率为220 mW,峰值功率为15.54 kW,单脉冲能量为79.71 μJ。

图 7. [100]切割方向的Cr4+∶YAG被动调Q激光器的输出激光脉冲。(a)脉宽;(b)重复频率

Fig. 7. Output pulse of [100]-cut Cr4+∶YAG Q-switched laser. (a) Pulse width; (b) repetition rate

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图 8. [110]切割方向的Cr4+∶YAG被动调Q激光器的输出激光脉冲。(a)脉宽;(b)重复频率

Fig. 8. Output pulse of [110]-cut Cr4+∶YAG Q-switched laser. (a) Pulse width; (b) repetition frequency

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4 结论

利用1064 nm线偏振脉冲激光测试了Cr⁴⁺∶YAG晶体的各向异性,结果表明,Cr⁴⁺∶YAG晶体的各向异性受入射光功率密度、初始透过率和晶体切割方向的影响。入射光功率密度在一定范围内时,切割方向和初始透过率相同的Cr⁴⁺∶YAG晶体所处功率密度越大,各向异性越明显;同一功率密度下,相同切割方向的Cr⁴⁺∶YAG晶体的初始透过率越低,其各向异性越明显;在相同初始透过率条件下,相比于[100]切割方向,[110]切割方向的Cr⁴⁺∶YAG晶体的各向异性更明显,且更易得到相对稳定的偏振输出激光。

实验选用初始透过率均为80%,切割方向分别为[100]和[110]的Cr⁴⁺∶YAG晶体作为调Q晶体,搭建了LD偏振抽运Nd∶YAG被动调Q激光器。发现切割方向为[110]的Cr⁴⁺∶YAG晶体作为调Q晶体时,输出激光消光比大于切割方向为[100]的Cr⁴⁺∶YAG晶体,前者的消光比可达380∶1,后者的消光比为200∶1。输出激光的消光比影响Nd∶YAG/Cr⁴⁺∶YAG被动调Q激光器的倍频效率,高消光比的输出激光在提高倍频效率方面具有一定的意义。

参考文献

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利用Cr ⁴⁺∶YAG晶体的各向异性提高输出激光消光比的实验研究

1 引言

2 Cr4+∶YAG晶体的透过率测量

图 1. 测试Cr4+∶YAG晶体各向异性的实验装置图

Fig. 1. Experimental equipment for testing anisotropy of Cr4+∶YAG crystal

图 2. 入射激光偏振方向与Cr4+∶YAG晶体晶轴的相对位置示意图。(a) [100]切割方向;(b) [110]切割方向

Fig. 2. Relative position between polarization direction of incident laser and crystal axis of Cr4+∶YAG. (a) [100]-cut; (b) [110]-cut

图 3. 不同切割方向的Cr4+∶YAG对1064 nm激光的透过率(初始透过率30%)

Fig. 3. 1064 nm laser transmittance of Cr4+∶YAG in different cutting directions (initial transmittance is 30%)

图 4. Cr4+∶YAG在不同功率密度下对1064 nm激光的透过率(初始透过率为30%)。(a) [100]切割方向;(b) [110]切割方向

Fig. 4. 1064 nm laser transmittance of Cr4+∶YAG at different power densities (initial transmittance is 30%). (a) [100]-cut; (b) [110]-cut

图 5. 不同初始透过率的Cr4+∶YAG对1064 nm激光的透过率。(a) [100]切割方向;(b) [110]切割方向

Fig. 5. 1064 nm laser transmittance under different initial transmissions of Cr4+∶YAG. (a) [100]-cut; (b) [110]-cut

3 高消光比被动调Q激光器

图 6. 线偏振抽运Nd∶YAG/Cr4+∶YAG被动调Q激光器实验装置图

Fig. 6. Diagram of passively Q-switched Nd∶YAG/Cr4+∶YAG laser with linear polarization pump

图 7. [100]切割方向的Cr4+∶YAG被动调Q激光器的输出激光脉冲。(a)脉宽;(b)重复频率

Fig. 7. Output pulse of [100]-cut Cr4+∶YAG Q-switched laser. (a) Pulse width; (b) repetition rate

图 8. [110]切割方向的Cr4+∶YAG被动调Q激光器的输出激光脉冲。(a)脉宽;(b)重复频率

Fig. 8. Output pulse of [110]-cut Cr4+∶YAG Q-switched laser. (a) Pulse width; (b) repetition frequency

4 结论

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1 引言

2 Cr4+∶YAG晶体的透过率测量

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图 2. 入射激光偏振方向与Cr4+∶YAG晶体晶轴的相对位置示意图。(a) [100]切割方向;(b) [110]切割方向

Fig. 2. Relative position between polarization direction of incident laser and crystal axis of Cr4+∶YAG. (a) [100]-cut; (b) [110]-cut

图 3. 不同切割方向的Cr4+∶YAG对1064 nm激光的透过率(初始透过率30%)

Fig. 3. 1064 nm laser transmittance of Cr4+∶YAG in different cutting directions (initial transmittance is 30%)

图 4. Cr4+∶YAG在不同功率密度下对1064 nm激光的透过率(初始透过率为30%)。(a) [100]切割方向;(b) [110]切割方向

Fig. 4. 1064 nm laser transmittance of Cr4+∶YAG at different power densities (initial transmittance is 30%). (a) [100]-cut; (b) [110]-cut

图 5. 不同初始透过率的Cr4+∶YAG对1064 nm激光的透过率。(a) [100]切割方向;(b) [110]切割方向

Fig. 5. 1064 nm laser transmittance under different initial transmissions of Cr4+∶YAG. (a) [100]-cut; (b) [110]-cut

3 高消光比被动调Q激光器

图 6. 线偏振抽运Nd∶YAG/Cr4+∶YAG被动调Q激光器实验装置图

Fig. 6. Diagram of passively Q-switched Nd∶YAG/Cr4+∶YAG laser with linear polarization pump

图 7. [100]切割方向的Cr4+∶YAG被动调Q激光器的输出激光脉冲。(a)脉宽;(b)重复频率

Fig. 7. Output pulse of [100]-cut Cr4+∶YAG Q-switched laser. (a) Pulse width; (b) repetition rate

图 8. [110]切割方向的Cr4+∶YAG被动调Q激光器的输出激光脉冲。(a)脉宽;(b)重复频率

Fig. 8. Output pulse of [110]-cut Cr4+∶YAG Q-switched laser. (a) Pulse width; (b) repetition frequency

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