1 引言

全固态小型激光器具有效率高、寿命长、结构紧凑、频率稳定等优点^[1-3]。近年来,连续的黄色激光光源因其在医学、检测、彩色显示等领域的独特优点受到了人们的广泛关注^[4-8]。但是由于固体激光介质的空间烧孔效应,固体激光器一般运转于多纵模状态,非线性频率变换过程中纵模之间的耦合会使激光器输出不规则波动,从而产生噪声。为了解决模式竞争问题,迫使激光器单纵模运转是一种可行的方法^[9-13]。2007年,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所利用法布里-珀罗(F-P)标准具选频实现了单纵模593.5 nm激光和频输出,输出功率为34 mW,单纵模线宽为600 MHz^[14]。但F-P标准具存在成本高、薄片尺寸难控制、稳定性差、受温度影响大,且选频出来的线宽较宽等缺陷。

Nd∶YVO₄晶体是固体激光器中常用的、性能优良的激光增益介质,在808 nm激光泵浦下可以产生0.9,1.0,1.3 μm等多条发射谱线。本文通过对谐振腔镜镀膜参数进行选择,使谐振腔内只存在1342 nm和1064 nm两个基频光振荡,其他波长的光被抑制。本文利用一个简单线性平凹腔结构,通过对由单个布氏片(BP)与双折射晶体KTP(KTiOPO₄)组成的双折射滤波片的选频能力进行分析,并采用单个双折射滤光片对双波长振荡的和频过程进行选频,实现了稳定的单纵模593.5 nm黄光输出。实验中,当谐振腔内只放置KTP晶体时,在抽运功率为5 W的条件下,获得了245 mW、波长为593.5 nm的橙黄色激光输出,输出光的均方根(RMS)噪声为8.0%,此时激光器为多纵模运转状态。然后往谐振腔内放置厚度为2 mm的未镀膜的BP,精确调节BP放置位置,获得了30 mW的单纵模593.5 nm激光输出,输出光的RMS噪声为0.8%。该和频激光器可在较宽的温度范围内稳定工作,且光束质量好。

2 理论分析

可以通过对琼斯矩阵求本征值来实现对双折射滤波片选频的分析,本文对由BP和KTP组成的双折射滤波片的选频能力进行了分析^[15]。

2.1 琼斯矩阵运算

利用双折射滤波片技术实现单纵模激光输出,所设计的双折射滤波片如图1所示,该器件由激光晶体Nd∶YVO₄、BP、非线性晶体KTP组成,Ⅱ类切割KTP置于BP右侧,起到和频与滤波的双重作用,再在其后放置一个输出镜M。

图 1. 双折射滤波片原理示意图

Fig. 1. Schematic of birefringent filter

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设Nd∶YVO₄的琼斯矩阵为W₁,KTP的琼斯矩阵为W₂,BP的琼斯矩阵为P,则腔内基频光往返一次对应的琼斯矩阵为

M=W1×P×R(-θ)×W2×W2×R(θ)×P×W1,(1)

式中:W₁=100expδ1,W₂=100expδ2,δ₁、δ₂分别为Nd∶YVO₄与KTP的相对位相延迟,δ_i=2πλΔn_id,λ为基频光波长1064 nm和1342 nm,Δn_i为基频光在双折射晶体中的折射率差(Nd∶YVO₄与KTP分别对应0.20、0.08),d为晶体长度;P=q001,q=2n/1+n22,n为BP相对基频光的折射率,n₁₀₆₄=1.449,n₁₃₄₂=1.446;R(θ)=cosθsinθsinθcosθ,为Nd∶YVO₄与KTP之间的坐标转换矩阵(Nd∶YVO₄为s-p坐标系,KTP为o-e坐标系),θ为s-p坐标系与o-e坐标系夹角。工作物质Nd∶YVO₄是自然双折射晶体,输出光为线偏振状态。实验中,基频光的偏振方向为竖直方向,当输出光的偏振方向和BP的p偏振面重合时,激光零损耗通过BP。KTP可实现Ⅱ类临界相位匹配,将其与水平面呈45°放置,其光轴与晶面平行且与基频光偏振方向的夹角为45°,即θ为45°。解本征方程MA=ζA(A为入射基频光的光线矩阵),可以得到M的本征值ζ_1,2,其模的平方即为基频光在两个偏振方向上的往返透过率。

利用MATLAB进行数值计算,求解波长不同时双折射滤波器对通过的基频光的选频能力。工作物质Nd∶YVO₄长度为3 mm,和频晶体KTP长度为5 mm。用计算机绘制基频波在s-p偏振方向上的透过率曲线,图2是BP放置角度为55.389°时1064 nm基频光的透过曲线图,图3是BP放置角度为55.334°时1342 nm基频光的透过曲线图。从图2和图3可以看出:s偏振方向上模式损耗大(损耗范围为0.46~0.49),p偏振方向上模式损耗小(损耗范围为0~0.06);当激光波长为1063.83 nm及1342.30 nm时,p偏振光损耗为0。因此只有p偏振方向的光才会起振。

图 2. 1064 nm激光的透过率曲线

Fig. 2. Transmittance curve of 1064 nm laser

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图 3. 1342 nm激光的透过率曲线

Fig. 3. Transmittance curves of 1342 nm laser

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根据本实验的谐振腔长计算,基频光波长间隔Δλ₁₀₆₄约为0.010 nm,Δλ₁₃₄₂约为0.015 nm。由图2和3可以明显看出次纵模的相对损耗分别为1.5%和2.0%,说明光次振荡纵模损耗≥1.5%足够抑制该纵模的振荡。当Nd∶YVO₄出射光的偏振方向与BP的p偏振面重合时,微调谐振腔腔长,可以实现损耗为零。对于双波长振荡,两个基频光在腔内都会经过BP。根据菲涅尔公式^[16],石英晶体BP对于两基频光的折射率分别为n₁₀₆₄=1.449、n₁₃₄₂=1.446,BP的放置角度分别为两基频波的布儒斯特角:θ_B1064=55.389°、θ_B1342=55.334°,相差0.055°。

分析可知,在双波长振荡直腔中加入BP,BP对波长为1064 nm和1342 nm激光的布儒斯特角差异不大,所以可以使用同一BP对两基频光进行选频,在实际的实验中BP放置角度为基频光1342 nm的布儒斯特角55.334°。利用该BP晶体实现了双波长的选频,实验结果也证明了上述观点。

3 实验装置

激光实验装置如图4所示,激光二极管(LD)的最大输出功率为5 W、中心波长为808 nm,利用聚焦透镜(OC)对泵浦光进行光束整形和准直后,光束入射到Nd∶YVO₄晶体中。用铟箔包裹Nd∶YVO₄(3 mm×3 mm×3 mm,掺杂原子数分数为0.7%),并将其固定在一个铜槽中,左端镀膜:HT@808 nm,HR@1064 nm/1342 nm,作为一个腔镜,右端镀膜:AR@1064 nm/1342 nm。输出镜M1是曲率半径为100 mm的平凹镜,凹面镀膜:HR@1342 nm/1064 nm以及HT@593.5 nm,平面镀膜:HT@593.5 nm。采用Ⅱ类临界相位匹配和频晶体KTP(3 mm×3 mm×5 mm),晶体两端面均镀膜:HT@1342 nm/1064 nm/593.5 nm。用半导体致冷器(TEC1/TEC2)分别控制LD和谐振腔的温度,确保激光器稳定运行。实验选用的BP(未镀膜)为石英晶体,厚度为2 mm,呈布儒斯特角放置。

图 4. 激光实验装置图

Fig. 4. Laser experimental device diagram

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4 实验结果以及讨论

实验开始,在未加入BP的情况下,通过调节谐振腔中输出镜以及和频晶体的放置位置获得593.5 nm的黄光输出,谐振腔腔长为55 mm,激光阈值为1.6 W。当泵浦功率为5.0 W时,使用精度为10 nW的功率计测量593.5 nm激光器的输出功率,获得最大功率为245 mW的593.5 nm的激光输出,如图5所示。然后,在谐振腔内放置BP,微调谐振腔腔长及BP的放置角度,通过F-P扫描干涉仪观察到实验利用黄光激光器获得了单纵模输出。实验过程中,也可以通过调整和频晶体KTP的温度,使激光器实现单纵模输出,且在较大温度范围内激光器稳定工作。这主要是因为KTP晶体的温度接受范围比较宽^[17-18]。输出功率随泵浦功率的变化曲线如图6所示。激光器工作阈值为2.8 W,当泵浦功率为5.0 W时,输出的黄光功率为30 mW。单纵模593.5 nm激光输出功率较低的原因如下:一是BP有插入损耗;二是布儒斯特角抑制了其他纵模的振荡,降低了激光输出功率。

图 5. 未添加BP时,593.5 nm激光输出功率与泵浦功率的变化曲线

Fig. 5. 593.5 nm laser output power versus pump power without BP

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图 6. 添加BP后,593.5 nm激光输出功率与泵浦功率的关系曲线

Fig. 6. 593.5 nm laser output power versus pump power with BP

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图 7. 和频光纵模输出曲线。(a)未添加BP时,10 GHz扫描干涉仪测得的589.5 nm激光多纵模输出; (b)添加BP后,10 GHz扫描干涉仪测得的589.5 nm激光单纵模输出曲线;(c)添加BP后,1.5 GHz扫描干涉仪测得的589.5 nm激光单纵模输出曲线

Fig. 7. Output curves of longitudinal mode of sum frequency light. (a) 589.5 nm multi-longitudinal-mode output curves measured by 10 GHz scanning interferometer without BP; (b) 589.5 nm single-longitudinal-mode output curves measured by 10 GHz scanning interferometer with BP; (c) 589.5 nm single-longitudinal-mode output curves measured by 1.5 GHz scanning interferometer with BP

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实验中采用F-P扫描干涉仪(SA 210-5B,Thorlabs)实时监测和频光的输出状态,该干涉仪的工作波长在535 nm到820 nm之间,自由光谱范围(FSR)为10 GHz,最小测量精度为150 MHz,分辨率为67 MHz。使用控制器(SA201-EC,Thorlabs)提供频率为50 Hz的锯齿波。在谐振腔内没有放置BP时,测试得和频光纵模输出状态如图7(a)所示,激光器处于多纵模状态。当谐振腔内放置BP后,微调BP角度,和频光的测试结果如图7(b)所示,在F-P扫描干涉仪的每个FSR内都可以清楚地观测到单纵模振荡,无其他侧模出现。此时,用FSR为1.5 GHz的F-P扫描干涉仪(SA200-5B,Thorlabs)来测量593.5 nm黄光的光谱线宽,其最小精度为200 MHz,分辨率为7.5 MHz。如图7(c)所示,在最大输出电平处测量到的光谱线宽为150 MHz,此时单纵模593.5 nm激光的输出噪声为0.8%。

为了检测谐振腔内两个基频光的纵模状态,当F-P扫描干涉仪测量到593.5 nm激光处于单纵模的状态时,分别对基频光1064 nm和1342 nm的纵模状态进行了测量。图8为基频光1064 nm的纵模情况,经过多次测量可以发现,在经过双折射滤波片选频后,1064 nm呈单纵模输出状态,计算分析数据得光谱线宽为262 MHz。图9为基频光1342 nm的纵模情况,可以看出1342 nm基频光也实现了稳定的单纵模输出,分析计算数据得光谱线宽为240 MHz。

图 8. 593.5 nm单纵模输出时基频光1064 nm的输出状态图

Fig. 8. Output state diagram of 1064 nm fundamental frequency light in a single-longitudinal-mode output of 593.5 nm

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图 9. 593.5 nm单纵模输出时基频光1342 nm的输出状态图

Fig. 9. Output state diagram of 1342 nm fundamental frequencylight in a single-longitudinal-mode output of 593.5 nm

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从图8和9的实验结果可以看出:对于双波长振荡的激光器,如果两个基频光处于单纵模状态,则和频光的输出状态也为单纵模;且1064 nm和1342 nm对应的布儒斯特角相差极小,BP的介入有效地限制了基频光的模式数,降低了纵模之间的模式竞争,有利于单纵模的实现,提高了功率稳定性。

利用光束分析仪记录的593.5 nm激光远光点的光斑如图10所示,光斑在2 h内的不稳定性≤1%。

图 10. 593.5 nm激光光斑图

Fig. 10. Diagram of 593.5 nm laser spot

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5 结论

本文在LD泵浦腔内和频激光器中,采用单一BP与和频晶体KTP构成的双折射滤波片实现了单纵模593.5 nm激光输出。以Nd∶YVO₄为增益介质,在泵浦功率为5.0 W时,593.5 nm单纵模线宽为150 MHz,输出功率达到了30 mW,功率稳定性优于1%。实验结果表明,对于双波长激光器,可以采用与倍频激光器同样的选频方法实现对基频光模式的选择,从而实现单纵模输出。该装置结构简单、紧凑、稳定性较强、易于产品化,对于实现单纵模和频或差频激光器有重要意义。