1 引言

近年来,微蜂窝无线通信技术逐渐成为通信领域的研究热点之一。在无线频谱资源利用方面,当前使用最多的分米波和厘米波频段资源即将被耗尽,研究的焦点逐步转移到频率更高、频段范围更宽的毫米波和亚太赫兹(sub-THz)波频段上^[1-3]。掺杂Nd³⁺离子双频微片激光器(DFL)的发射截面和吸收截面相对较大,且输出激光信号的相位相关度较高,可有效获得毫米波和sub-THz波^[4-6]。目前,各国研究人员对大频差DFL的研究颇多^[7-8]。Owyoung等^[9]最早提出了一种基于Nd∶YAG的垂直模式微片激光器,并通过压电传感器改变施加于介质上的压力,使输出的激光信号频差发生变化,获得了频差为76.5 GHz的双频激光信号。Hyodo团队利用Nd∶YVO₄双纵模微片激光器,通过调谐腔长来控制纵模间隔大小,获得了功率为220 mW、频差为101.56 GHz的双频激光信号^[10]。Mckay等^[11]将长度为15 mm、标准大气压下掺杂浓度(原子分数,以下同)为0.9%的Nd∶YAG陶瓷片,插入到两块1/4玻片之间(玻片之间夹角可调),形成垂直模式微片激光器,获得了输出功率为50 mW、频差范围在0~100 GHz之间的双频激光信号。在此基础上,该小组仍采用三明治结构的Nd∶YAG陶瓷垂直模式微片激光器,将Nd∶YAG陶瓷片的长度缩短到0.25 mm、标准大气压下掺杂浓度提高到4.0%,获得了频差在150 GHz内可调谐、功率为20 mW的双频激光信号^[12]。此外,胡淼等^[13]对毫米波频差的双频种子激光进行功率放大,通过温控实现了频谱匹配并获得了频差为45 GHz、功率为2.38 W的双频激光信号。

目前,虽然国内外团队提出了多种双频激光信号频差控制方式,但是关于通过激光器温控实现双频激光信号频差调谐的研究鲜有报道^[14-16]。本文通过改变DFL的温度,研究了温度和激光信号频差的相互关系。

2 实验装置

实验装置如图1所示,其中OSA为光谱仪。半导体激光器(LD)尾纤输出中心波长为808 nm的激光作为抽运源,尾纤芯径为400 μm。尾纤输出的抽运光通过焦距为100 mm的非球面透镜,耦合到激光增益介质中心。实验中采用标准大气压下掺杂浓度为1.0%的Nd∶YVO₄晶体作为激光增益介质,尺寸为3 mm×3 mm×0.5 mm,通光方向的折射率为2.165。Nd∶YVO₄晶体前端面镀有1064 nm的全反射膜(反射率R>99.8%)和808 nm的增透(AR)膜(透射率T>96%),后端面镀有1064 nm的部分高反射(HR)膜(R=96%)和808 nm的高反射膜(R>96%),形成了腔长为0.5 mm的F-P谐振腔。为了增加Nd∶YVO₄晶体与热沉的热接触,在晶体外部包覆一层0.1 mm厚的液态金属,然后采用热沉紧贴晶体的侧面,仅留直径为1 mm的通光孔,以实现对晶体温度的精确操作。

图 1. 实验装置示意图

Fig. 1. Schematic diagram of experimental setup

下载图片 查看所有图片

在具体实验过程中,控制热沉温度缓慢上升,当晶体在不同热沉温度下达到热平衡后,通过光谱仪(AQ6370B,日本横河电机株式会社,日本)测量激光信号的光谱特性,光谱分析仪的分辨率为0.02 nm。

3 实验结果

固定LD抽运电流(14.5 A)为3倍抽运阈值,DFL的温度从15 ℃开始缓慢变化到65 ℃。当温度每上升5 ℃时,利用光谱分析仪记录输出激光信号的光谱图。图2(a)是DFL温度为15~65 ℃时激光信号的光谱图。从图中看出,随着DFL温度的升高,激光信号的左峰中心波长和右峰中心波长都发生了红移。图2(b)是LD抽运电流为14.5 A、DFL温度为60 ℃时的输出激光信号光谱图。左峰中心波长为1064.40 nm,线宽为0.06 nm,右峰中心波长为1064.85 nm,线宽为0.08 nm。左右峰中心波长差为0.45 nm,计算得出激光信号频差为120 GHz。

图 2. 抽运电流为14.5 A时的DFL输出频谱图。(a) 15 ℃~65 ℃;(b) 60 ℃

Fig. 2. DFL output spectra when pump current is 14.5 A. (a) 5 ℃-65 ℃; (b) 60 ℃

下载图片 查看所有图片

图3(a)是DFL温度和左右峰中心波长的关系。当固定LD抽运电流为14.5 A、温度由15 ℃变化到65 ℃时,输出激光信号的左峰中心波长由1063.95 nm红移到1064.46 nm,红移率为0.010 nm/℃;右峰中心波长由1064.36 nm红移到1064.93 nm,红移率为0.011 nm/℃。左峰中心波长和右峰中心波长与温度拟合后呈线性变化。当DFL温度从低温变化到高温时,右峰中心波长红移率大于左峰中心波长红移率,左右峰中心波长差逐渐变大,激光信号频差也变大。

图 3. 当抽运电流为14.5 A时,左右峰(a)中心波长和(b)频差随温度的变化

Fig. 3. Variations of (a) center wavelength and (b) frequency difference between left and right peaks with temperature when pump current is 14.5 A

下载图片 查看所有图片

图3(b)给出了固定抽运电流条件下,激光信号频差Δf与温度的关系。规定激光信号频差Δf=c/λ₁-c/λ₂,c为光在真空中的传播速度,λ₁和λ₂分别是激光信号左、右两个频率峰的中心波长。从图中看出,随着晶体温度的升高,双频激光信号频差相应增大。当固定抽运电流为14.5 A、温度从15 ℃变化到65 ℃时,双频激光信号频差由106 GHz变化到123 GHz,上升斜率为0.34 GHz/℃。激光信号频差和温度呈正相关。为了说明在不同抽运电流(功率)下激光信号频差和温度的关系,在实验中将抽运电流变为14.0 A (2.5倍抽运阈值),结果表明,当激光晶体温度从15 ℃上升到65 ℃时,双频激光信号频差从107 GHz增加到122 GHz,上升斜率为0.30 GHz/℃。

根据激光振荡理论可知^[17-18],当激光介质增益曲线内的多个模式受激辐射并满足振荡条件时,其纵模间隔为

Δv=c/(2nL),(1)

式中Δv为相邻纵模之间的频率差,n为晶体折射率,L为晶体的谐振腔长。由(1)式可知,腔长为0.5 mm的双频Nd∶YVO₄微片激光器的理想双模频差Δv约为138.9 GHz,大于实验的测量结果。实验结果比理想双模频差略小的原因是,激光信号的频差不仅取决于理想纵模间隔,还与激光介质的增益谱宽相关,有限的增益谱宽对激光波长线宽具有削减效应,使激光信号频差变窄,如图4所示。

图 4. (a) Nd∶YVO4微片晶体小信号增益曲线图;(b)抽运功率为14.5 A时,激光输出功率随温度的变化;温度分别为(c) T2和(d) T3时的小信号增益曲线和DFL光谱示意图

Fig. 4. (a) Small signal gain curve of Nd∶YVO4 microchip crystal; (b) variation of laser output power with temperature when pump power is 14.5 A; small signal gain curves and DFL spectra when temperature is (c) T2 and (d) T3, respectively

下载图片 查看所有图片

考虑到实验采用Nd∶YVO₄晶体作为DFL的增益介质,首先需要对该晶体的小信号增益曲线进行分析。图4(a)是实验测量的Nd∶YVO₄晶体的小信号增益曲线图,可以看出晶体的增益谱随温度的升高发生频谱红移、峰值降低和半峰全宽展开等效应^[19-21]。通过实验测量可知,随着晶体温度的升高,增益曲线中心波长的红移率为3.82 pm/℃,增益曲线峰值的减少率为3.19‰/℃,增益谱线宽度的展宽率为7.86 pm/℃。图4(b)是输出激光功率随温度的变化曲线图,当微片晶体的温度由15 ℃变化到65 ℃时,输出双频微片激光信号功率从137.1 mW降低到5.1 mW,输出的激光信号功率与温度呈负相关关系。图4(c)是晶体温度为T₂(较低)时的小信号增益曲线和双频激光光谱示意图。当晶体温度为T₂(较低)时,增益曲线的谱线宽度较窄;受增益曲线半峰全宽的影响,输出的双频激光光谱产生较强削减效应,左峰中心波长向右偏移,右峰中心波长向左偏移,左右两峰中心波长差变小,实际测量到的双频激光信号的频差小于理想纵模间隔。图4(d)是晶体温度为T₃(较高)时,小信号增益曲线图和双频激光光谱图。此时增益曲线的谱线变宽,其半峰全宽对激光信号光谱的削减效应减弱,激光信号频差比温度为T₂时的大,但是仍然小于理论计算的纵模间隔频差。

4 结论

通过固定LD抽运电流来控制双频Nd∶YVO₄微腔激光器的温度变化,实现了对输出双频激光信号频差的调节。当晶体温度较低时,小信号增益曲线的谱线较窄,输出双频激光信号的频差被严重削减。实验结果表明,双频微片激光器温度与激光信号频差存在正相关关系。