1 引言

可见光波段的全固态激光器可应用于生物医疗、激光存储和通信等领域。其中蓝光激光在这些领域的特殊应用和优势受到广泛关注^[1],其主要应用领域有生命科学、分子生物学、神经化学、免疫学、环境科学以及食品学等,亦可辅助进行药物分析、兴奋剂检测和毒品监管等。例如,细胞色素和食品色素柠檬黄的吸收峰位于424 nm处,故424 nm蓝光可用于细胞色素和食品色素柠檬黄含量的检测。

目前,获得蓝光激光的主要途径有半导体激光器(LD)、全固态激光器和四波混频等。四波混频可以实现激光频率上转换,但由于碱金属吸收2个光子后,从基态跃迁到高能级,自发辐射过程时间长,导致蓝光出光效率低^[2-3]。而此波段的半导体激光器成本高,且一些应用领域对激光单色性和光束质量要求高,因此,全固态激光是理想的选择。非线性频率变换是获得高光束质量蓝光最好的方法。2002年,中国科学院福建物质结构研究所利用自和频,获得了48 μW的459 nm 蓝光^[4];Kovacich等^[5]利用813 nm LD与1064 nm激光进行和频,获得了70 mW的461 nm蓝光;2011年,Sun等^[6]利用Ⅱ类相位匹配磷酸钛氧钾(KTP)晶体对Nd∶LuVO₄和Yb∶YAG进行和频,获得了179 mW的485 nm蓝光,转换效率达到3%。目前,尚未见424 nm和频全固态蓝光激光器的报道。

本文利用三硼酸锂(LBO)非线性晶体腔内和频,产生424 nm全固态蓝光激光,获得了18 mW高光束质量的424 nm激光。

2 实验结构设计

2.1 增益介质的选择

根据量子理论,和频过程可以视为频率为ω₁、ω₂的2个光子湮灭,同时产生频率为ω₃的光子。因此由能量守恒定律可得

h-ω1+h-ω2=h-ω3,(1)

式中:约化普朗克常数 h-=h/(2π),h为普朗克常数。由动量守恒定律可得

h-k1+h-k2=h-k3,(2)

式中:k₁、k₂为基频光的波矢;k₃为所产生光子的波矢。

采用波长表示时,则有

1λ3=1λ1+1λ2,(3)

即波长为λ₁、λ₂的基频光通过非线性晶体的非线性效应产生波长为λ₃的和频光。因此,选用波长为1030 nm和720 nm的基频光,选用非线性系数较大且走离角较小的LBO晶体。

1030 nm为Yb∶YAG晶体的一个发射光谱,Yb∶YAG晶体存在2个吸收峰,分别为938 nm和968 nm。938 nm处的吸收谱较宽,对抽运源的波长要求不严格,受激吸收截面积为7.2×10^-20 cm²,为968 nm吸收系数的1.7倍。而938 nm的吸收谱恰好与InGaAs激光二极管的发射谱匹配,因此,通常将938 nm的二极管作为Yb∶YAG激光器的抽运源,从而可以显著提高激光发射效率。Yb∶YAG晶体的发射谱范围为950~1060 nm,中心波长1030 nm处存在严重的自吸收效应,而在1048 nm附近,虽然发射强度较低,但是自吸收效应小,因此容易与1030 nm形成模式竞争。为了获得1030 nm激光输出,必须尽量减小1030 nm处的自吸收损耗,并抑制1048 nm激光的振荡^[7-8]。晶体的自吸收还与温度有关,在保证晶体表面不结露的前提下,应尽量降低晶体控制温度;在晶体方面,可以通过减小Yb³⁺离子的掺杂浓度和晶体长度来减少自吸收;另一方面,为了使1030 nm得到最大的增益,可以采用在腔镜镀透射膜的方式抑制其他波长的振荡。

720 nm为Pr∶YLF晶体的一个发射峰,Pr³⁺离子主要有6条发射谱线,分别为479,523,607,640,698,720 nm^[9-10],在640 nm的发射截面最大,为2.23×10^-19 cm²;720 nm处的发射截面为1.78×10^-19 cm²;Pr∶YLF的吸收峰位于444 nm^[11]。在腔镜膜系设计时,应尽量避免出现640 nm处的增益超过720 nm而形成振荡^[12-13]。

2.2 蓝光激光器实验装置

激光器谐振腔采用复合腔型,2个子腔采用V型折叠腔,可充分利用谐振腔内的高功率密度,提高非线性晶体的转换效率。子腔的折叠腔结构可以使和频晶体位于基频光的束腰位置,腔内的大部分和频光从输出镜输出腔外,从而减少对2个子谐振腔的影响。由于Yb∶YAG与Pr∶YLF晶体的热效应及抽运源光斑不同,在考虑抽运源光斑与谐振腔模式匹配,激光晶体的热透镜效应以及稳腔条件的前提下,充分设计复合谐振腔。

图 1. 实验装置图

Fig. 1. Experimental setup

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实验装置如图1所示,抽运源LD1和LD2输出波长分别为938 nm和444 nm。透镜1和透镜2分别将2个LD输出的抽运光聚焦到晶体中。Yb∶YAG晶体(C1)的长度为1.5 mm,镱离子掺杂浓度为3%,靠近抽运源的一端镀1030 nm高反膜(HR)和940 nm抗反膜(AR),另一端镀1030 nm抗反膜;Pr∶YLF晶体(C2)的长度为5 mm,镨离子掺杂粒子数分数为0.5%,抽运端镀444 nm 抗反膜和720 nm高反膜,另一端镀720 nm抗反膜;LBO非线性晶体采用Ⅰ类临界相位匹配,波矢方向与光轴方向的夹角为θ=90°,波矢量在XOY面上的投影与X轴的夹角为φ=26°;M1为45°平面合光镜,对720 nm激光高反,对1030 nm激光高透;M2、M3对2种基频光波长高反,同时M3为和频光高反镜,M2为和频光输出镜^[14]。C1全反面与M2、M3组成的谐振腔Ⅰ,C2全反面与M1、M2、M3组成的谐振腔Ⅱ。由于M1为平面镜,C1的全反面与M2组成子腔Ⅰ的第1支臂,C2的全反面与M1、M2组成子腔Ⅱ的第1支臂。两个子腔共用第2支臂,即由M2、M3组成。谐振腔Ⅰ的第1支臂长为68 mm,谐振腔Ⅱ的第1支臂长为55 mm,共用第2支臂长为30 mm时,LBO晶体位于2个子谐振腔的束腰处,保证了蓝光激光的转换效率。C1、C2、LBO置于铜卡具中,由半导体制冷器(TEC)分别控制温度,C1的温度设置为18 ℃。

图2给出了反射镜M3的膜系透过率曲线,640 nm处的透过率约为99%,1048 nm处的透过率约为35%,腔镜较大的透射损耗足够抑制此波长的振荡,避免了对谐振腔的影响,保证了1030 nm和720 nm基频光的高增益,提高了和频过程的转换效率。

图 2. 透过率曲线图

Fig. 2. Transmittance curve

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3 结果与分析

增加注入增益介质的抽运功率,调节谐振腔镜及LBO角度,获得蓝光激光输出。利用光谱仪测量输出激光光谱,结果如图3所示,蓝光中心波长为424.16 nm。

图 3. 蓝光输出光谱

Fig. 3. Output spectrum of blue laser

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在测量光谱时,测到了720 nm激光,但是没有测到640 nm和1048 nm光谱线,这是因为输出镜对基频光具有极小的透过率,而640 nm和1048 nm两个波长没有起振,镜片镀膜达到了预期的效果。为了保证测量的424 nm激光功率的准确性,使用对424 nm光透射且对长波反射的滤光片,经滤光片后测量424 nm的输出功率。

根据(1)式可知,一个1030 nm的光子与一个720 nm的光子产生424 nm的光子,1030 nm与720 nm基频光的功率比为1∶1.43;激光晶体的热效应与抽运光斑大小和抽运功率有关,导致提高抽运功率的过程中复合腔内模体积变化,在保持LD1的功率为高于阈值的某一数值时,增加LD2的功率,输出功率随着注入功率的增加而增加,随后出现饱和,即2个晶体注入抽运功率存在一组最佳的匹配值,使得和频的转化效率最高。图4给出了最高输出功率与总抽运功率之间的关系。

图 4. 424 nm输出功率与LD总抽运功率的关系

Fig. 4. 424 nm output power versus LD total pump power

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Yb∶YAG、Pr∶YLF晶体的阈值抽运功率分别为4.3 W和2.4 W。当 LD1输出功率为5 W,LD2功率为3.1 W,即图4所示的总功率为8.1 W时,获得最高输出功率为18 mW的424 nm蓝色激光,4 h平均功率不稳定度为2.81%。

利用相机式轮廓分析仪(SP620U,OphirSpiricon Inc.,美国)测得的光斑成像如图5所示。图5(a)为二维空间分布,图5(b)、(c)分别为水平和竖直方向的强度分布,横坐标X和Y分别表示水平和竖直方向的位置,光斑分布呈高斯型,椭圆度为0.824。利用M²光斑测量系统测得的水平及竖直方向光束质量因子M²分别为1.62和1.50,折叠腔腔镜的子午面和弧矢面产生的像散导致两个方向光斑不一致。

图 5. 光斑分布图。(a)二维光斑强度分布;(b)水平方向强度分布;(c)竖直方向强度分布

Fig. 5. Distribution of light spot. (a) Intensity distribution of two-dimensional light spot; (b) horizontal intensity distribution; (c) vertical intensity distribution

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实验中蓝光激光的光-光转换效率为0.2%,制约424 nm蓝光转换效率的因素有:Pr∶YLF晶体具有偏振吸收特性,抽运激光二极管的偏振比以及抽运光的偏振方向与晶体偏振的吻合程度对720 nm基频光功率的影响很大;Yb∶YAG晶体在室温下的自吸收效应导致1030 nm基频光的产生效率低;Yb∶YAG晶体不具有偏振性,导致经过I类相位匹配LBO的和频转换效率低。随着新型晶体生长技术的发展,探索新的替代晶体,配合改进实验装置,有可能进一步提高424 nm蓝光的功率水平。

4 结论

报道了一种424 nm全固态蓝光激光器。分析了产生基频光的Yb∶YAG和Pr∶YLF两种增益介质的特性,针对1030 nm和720 nm两种基频光的特性,分别设计了谐振腔的腔镜镀膜,达到了选择基频光波长的目的;采用复合的折叠腔结构,利用Ⅰ类相位匹配的LBO晶体对两基频光进行和频,获得了424 nm的蓝光激光,当抽运源总功率为8.1 W时,最高输出功率为18 mW;得到了输入与输出功率的曲线关系,测量了光斑分布、光束质量等参数以及功率稳定性。利用复合腔腔内和频的方法实现了424 nm全固态激光输出,该激光器具有结构紧凑、效率高、光束质量好的特点,易于实现产品化。