1 引言

半导体抽运碱金属蒸气激光器(DPAL)自2003年被提出^[1]后,因具有光束质量好、量子效率高等优点而获得了国内外的广泛关注。碱金属激光器除了在大功率输出上具有极大潜能^[2]外,在低功率输出上也具有一定的应用前景,如可将其作为无自旋交换弛豫(SERF)磁力计的泵源^[3]。在低功率碱金属激光器的研究中,常将碱金属单质和缓冲气体充入玻璃吹制的泡体(即蒸气室)中进行实验。为了增强蒸气室对激光的透过率,减小整体腔内的插入损耗,常在蒸气室的表面镀增透膜。2008年,美国空军学院将线宽为10 GHz半导体抽运光双端导入外表面镀膜的碱金属蒸气室中,获得了17 W的铷激光输出,光光效率为46%^[4]。碱金属元素的化学性质非常活泼,蒸气室的内表面会和DPAL波段增透膜材料中通常采用的氟化物和氧化物在高温下发生化学反应,导致膜层失效和窗口污染。目前,处理这一问题的方法通常有三种:一是蒸气室内表面不镀膜且抽运光和激光均正入射,由于DPAL具有高增益的特点,在该条件下仍可获得较好的激光性能。中国科学院电子学研究所采用该类型的碱金属蒸气室在线宽匹配因子(抽运光线宽与碱金属原子D₂线吸收线宽的比值)为4.2时获得了2.8 W的线偏振铷激光输出,光光效率为21%^[5]。二是采用布儒斯特角结构的窗口,结合双色膜技术或抽运光掠入射技术实现抽运光和激光的耦合。2016年中国科学院大连化学物理研究所采用布鲁斯特角结构获得了16.8 W的铷激光输出,最高光光效率为35%^[6]。三是在蒸气室内表面镀抗碱金属污染的增透膜。这一技术是新发展的技术。美国的Allen Scientific Glass公司自称能够制作这种蒸气室,并可在4 W连续的Cs-DPAL中应用^[7]。

当蒸气室内表面未镀膜时,由于其前后两窗口片平行,蒸气室内部为甲烷、氦气、碱金属蒸气等气态物质,形成了低锐度的法布里-珀罗(F-P)标准具。这种低锐度的F-P标准具可对特定频率的激光进行反射,因此可以直接作为激光器的输出耦合镜使用^[8]。2002年,吴谨等^[9]利用F-P干涉仪作为输出耦合镜实现了TEA CO₂激光器的选带调谐输出。本文对蒸气室内表面未镀膜形成的标准具效应及蒸气室窗口片之间存在楔角时激光的输出图样进行了研究。

2 基本原理与实验装置

2.1 基本原理

图1为内表面未镀膜的铷蒸气室圆柱体结构。根据菲涅耳公式计算得到垂直入射时窗口片的单程反射率为3.7%,具有两平行窗口的蒸气室此时可看作一个标准具,该效应提高了蒸气室对795 nm激光的反射率,其引起的激光透过率变化可由艾里公式表示^[10]:

Tλ=11+Fsin22πdλ,1

F=4R(1-R)2,(2)

式中:λ为激光波长;R为内表面对激光的单次反射率;d为蒸气室长度。图2中实线部分是R=3.7%、d=8 mm时透过率随波长的变化曲线。

图 1. 玻璃吹制的铷蒸气室示意图

Fig. 1. Schematic of glass-blown Rb cell

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图 2. 蒸气室区域内透过率随波长的变化

Fig. 2. Transmittance versus wavelength in the area of steam chamber

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铷激光的频率为377.107 THz,自然线宽为36.12 MHz。实验中使用的铷蒸气室内部充有79.8 kPa的甲烷作为缓冲气体,铷激光谱线经碰撞均匀加宽,甲烷对激光谱线的加宽率为0.219 MHz/Pa,中心频率漂移率为-0.0595 MHz/Pa^[11],经计算,在79.8 kPa甲烷条件下,其碰撞加宽后的线宽约为17.6 GHz,中心频率向左漂移4.75 GHz。此时对应的激光波长为794.99 nm,线宽为0.036 nm。图2中虚线部分为此时铷原子D₁线的谱线线型。考虑该谱线的线型,求得激光透过率的平均值为90.2%,即此时蒸气室对激光的平均反射率约为9.8%。亦即在铷蒸气室标准具效应的作用下,两个窗口片对铷激光的反射得到增强。

2.2 实验装置

利用内表面未镀膜的蒸气室搭建碱金属激光器实验装置,如图3所示。半导体泵源(LD)经体布拉格光栅(VBG)压窄后的线宽为0.13 nm[半峰全宽(FWHM)]^[12],通过控制VBG的温度调谐抽运光中心波长至780. 02 nm(铷D₂线在空气中对应的波长)。经过整形和扩束系统后得到近似方光斑,聚焦后焦点处的光斑直径约为1.1 mm。利用机械斩波器使抽运光在脉冲模式下进行实验,占空比为10%,频率为83 Hz,脉冲宽度为1.2 ms。实验中使用圆柱体铷蒸气室,其长度为8 mm,内部充有79.8 kPa的甲烷作为缓冲气体,蒸气室工作温度为160 ℃。线偏振的抽运光经由偏振分光立方体(PBS)导入蒸气室,铷蒸气室窗口片内表面可与高反射镜(HR)组成谐振腔。

由于该谐振腔内无偏振选择元件,因此产生的激光在PBS的透过光路和反射光路中均存在铷激光。在抽运光路中放置双色镜,双色镜对780 nm激光高透,对795 nm激光高反。在相应位置放置功率计,用于测量激光的功率。

图 3. 实验装置图

Fig. 3. Experimental setup

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3 实验现象及分析

受限于工艺技术,玻璃吹制的碱金属蒸气室的窗口片之间通常不能够严格平行,而是存在楔角,因此会产生多次反射。经测量可知,实验中使用的铷蒸气室两内表面之间的夹角为34.5 mrad。在这种蒸气室情况下,通常会伴随有寄生振荡。为了区分高反射镜与蒸气室A、B窗口片间的谐振,将谐振腔类型分为谐振腔A和谐振腔B,分别对这两种情况下的激光输出特性和光斑形貌进行分析。

3.1 谐振腔A的激光输出情况

将蒸气室A面与高反射镜形成的谐振腔起主要作用时的谐振腔称为谐振腔A。在该种情形下,激光的主要能量在A面输出,激光能量透过窗口片A形成主光斑。被B面端面反射的能量在透过蒸气室后产生寄生光束。激光光束传播的示意图如图4所示。

图 4. (a)谐振腔A的激光传播示意图及(b)光斑实物图

Fig. 4. (a) Schematic of laser transmission of resonant cavity A and (b) picture of spots

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在该谐振腔情况下,主光斑较寄生光斑的模式更好,寄生光斑的纵横比更大,功率较主光斑明显减弱。这主要是由于A面和B面之间的反射使得激光光斑在楔角方向被拉伸。

3.2 谐振腔B的激光输出情况

将蒸气室B面与高反射镜形成的谐振腔起主要作用时的谐振腔称为谐振腔B。在这种情形下,激光的主要能量在B面输出。B面输出的激光经全反镜反射后再次进入蒸气室,之后被功率计或光斑检测装置接收。谐振腔内部的光束(黄色光线表示)在A面和B面之间形成多光束干涉传播,被A面端面反射的能量在透过蒸气室窗口后产生寄生光束。激光光束传播的示意图如图5所示。

与谐振腔A相比,谐振腔B输出的光斑较多。为了分析谐振腔B的光斑的产生机制,使用氦氖光共线指示主光斑的传输。在指示光被窗口片反射的光斑处可以观察到微弱的光斑,即主光斑的寄生光斑。

图 5. (a)谐振腔B的激光传播示意图及(b)光斑实物图

Fig. 5. (a) Schematic of laser transmission of resonant cavity B and (b) picture of spots

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下面进行进一步分析。将透过率为70%的平面输出耦合镜放在PBS后,形成图6所示的谐振腔,对谐振腔A形成的光斑进行反馈增强,在高反射镜和输出耦合镜上的光斑如图6(b)、(c)所示。由图6(c)可以更加清楚地看到主光斑的寄生光斑。

高反射镜与蒸气室A面的距离约为3.5 cm。根据几何光学可知,在高反射镜上,主光斑和寄生光斑的距离为1.2 mm。图6(b)所示的靠近主光斑的光点即为主光斑的寄生光斑。图6(c)表示的是此时所有的激光输出光斑,右上角的寄生光斑是此时用共轴指示光寻找到的蒸气室因角度偏折而带来的寄生光斑。观察图6(c)左下角紧靠主光斑的两个光斑的特征,其与谐振腔A的激光输出情况相同,由A面与高反射镜谐振产生。图6(c)左下角距离主光斑约5 mm的位置处仍有一光斑,且偏离指示光的角度较大,分析认为该类光束的出现主要是由A面作为谐振腔输出镜导致的,属于谐振腔中的“鬼线”。需要说明的是,尽管图6所示的谐振腔输出了多个光斑,但主光斑的输出功率仍占激光器总功率的90%以上。

图 6. (a)实验装置示意图;(b)相机1所摄图像;(c)相机2所摄图像

Fig. 6. (a) Schematic of experimental setup; (b) image taken by camera 1; (c) image taken by camera 2

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3.3 分析和讨论

谐振腔A的出光情况相对较为简单,结合理论计算对其实验现象进行分析。图7是谐振腔A情况下功率计1和功率计2测得的输出功率及总的光光效率。

图 7. 谐振腔A输出的功率随抽运光功率的变化

Fig. 7. Output power of cavity A as a function of pump power

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由图7可以看出:谐振腔A产生的激光不具有线偏振特性;在不同的抽运功率下,偏振特性不同;在抽运光功率为17.8 W时,功率计1和功率计2测得的铷激光的总功率为1.8 W,光光效率为10.2%,斜率效率为15.8%,激光产生的阈值抽运功率为6.4 W。

在放置反射率为30%的平面输出耦合镜后[位置与图6(a)所示相同,总腔长为8.3 cm],在同样的实验条件下,激光器的输出功率曲线如图8所示。

图 8. 放置输出耦合镜后的激光功率曲线

Fig. 8. Laser power curve with output coupling mirror

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此时,在抽运光功率为17.8 W时,能够获得4.6 W的铷激光,光光效率为25.9%,斜率效率为36.1%,激光产生的阈值抽运功率为5.1 W。

在该实验参数条件下,采用单端抽运理论模型^[13]得到的铷激光阈值随输出耦合的透过率(即输出耦合率)的变化如图9所示。根据计算,未镀膜内表面仅反射一次时,对应的输出耦合率为96.3%。标准具效应在铷激光中心波长处的反射率为9.8%,在加入输出耦合镜后,对应的总的输出耦合率约为63%。图9中A、B、C三点分别是63%、90%和96%输出耦合率时的阈值情况。由图9可以看出,B点阈值是A点阈值的1.58倍,C点阈值是A点阈值的2.59倍。实验中,谐振腔A对应的阈值为“输出耦合镜+谐振腔A”时阈值的1.25倍。由此可见,在该实验中蒸气室对激光的实际反射率应远大于单程反射率(3.7%)。与C点的阈值情况相比,B点与谐振腔A的实际情况更相似。可见,标准具效应提高了蒸气室的反射率,是蒸气室作为输出耦合镜时激光产生的主要原因。

图 9. 理论计算的不同输出耦合率下的阈值抽运功率密度

Fig. 9. Theoretically calculated threshold pump power density at different output coupling rates

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4 结论

详细研究了碱金属蒸气室内表面未镀膜对碱金属激光输出的影响。认为碱金属蒸气室两个未镀膜的内表面与内部的缓冲气体形成了标准具,多次反射光束相干,在铷激光的谱线宽度内平均反射率为9.8%。该效应使得未镀膜内表面作为激光输出面与高反射镜谐振,产生激光。两个内表面分别与高反射镜谐振时,因蒸气室窗口之间存在楔角,故而光斑输出图样存在较大差别。基于单端抽运理论模型对不同输出耦合率下激光器的阈值情况和实验中激光器的阈值情况进行了定量分析,验证了蒸气室窗口片内表面未镀膜时存在标准具效应。碱金属蒸气室作为输出耦合镜时,获得了1.8 W的铷激光,光光效率为10.2%。将窗口片内表面未镀膜的碱金属蒸气室作为输出镜使用时,可产生标准具效应。利用该效应设计的碱金属激光器具有结构简单的特点,可有效解决碱金属蒸气室窗口片不镀膜带来的不利影响。