激光与光电子学进展, 2020, 57 (9): 091901, 网络出版: 2020-05-06   

基于MgO∶PPLN啁啾结构和频的宽谱黄-橙激光输出 下载: 1250次

Broadband Yellow-Orange Laser Output Based on Chirp Structure MgO∶PPLN Sum-Frequency
作者单位
1 中国科学院福建物质结构研究所, 福建 福州 350002
2 中国科学院大学, 北京 100049
摘要
宽谱黄-橙激光是生物医学领域中重要的荧光光源。基于周期极化掺氧化镁铌酸锂晶体(MgO∶PPLN)的宽带准相位匹配技术,提出了一种基于变迹步进啁啾MgO∶PPLN的建模方案。在啁啾MgO∶PPLN中实现了C波段(1525~1565 nm)和波长为980 nm激光的宽带和频,通过遗传算法对变迹率和啁啾周期范围增量进行了数值优化,在波长为600 nm附近获得了转换效率约为-11 dB、带顶波动为0.047 dB、带宽为6 nm的光谱输出,提供了一种高转换效率、小带顶波动的宽谱黄-橙全固态激光输出方案。
Abstract
The broadband yellow-orange laser is an important fluorescent source in the fields of biomedicine. Based on broadband quasi-phase matching technology of periodically polarized lithium niobate (MgO∶PPLN) crystal, a modeling scheme based on apodization step chirped MgO∶PPLN is proposed. In the chirped MgO∶PPLN, broadband sum frequency of C-band (1525-1565 nm) and 980nm laser is realized. The genetic algorithm is used to optimize the tracking rate and the increment of chirp period range. The spectral output with conversion efficiency of -11 dB, band top fluctuation of 0.047 dB and band width of 6 nm is obtained near the wavelength of 600 nm. This work provides a broadband yellow-orange all-solid-state laser output design with high conversion efficiency and low band top ripple.

1 引言

宽谱黄-橙色激光的波长约为600 nm,是一种重要的荧光激发光源,可通过实时扫描目标对象的吸收光谱,获得相关信息,广泛应用于光谱学、光遗传学、生命科学、原子科学等领域[1-5]。由于缺乏合适的直接带隙材料,并未生产出该波段的半导体激光器[6]。由非线性光学频率获得紧凑、稳定和高效的全固态黄-橙激光是目前的最佳方案,主要方法是在非线性晶体中通过混合两种基波使其和频产生波长为600 nm左右的黄-橙激光[7]。常规的双折射晶体是利用单轴或双轴非线性晶体的双折射特性和色散特性,采用角度匹配的方式受波矢方向和偏振方向的限制,只能在晶体的特定切割方向或特定温度下才能实现特定波长的转换,难以获得光谱带宽较宽的激光输出。

周期极化掺氧化镁铌酸锂晶体(MgO∶PPLN)是一种重要的非线性频率转换晶体,主要通过外加脉冲电压极化的方式进行器件制备,可以通过周期计算实现透光范围内的任意波长输出,也可以通过设计啁啾、扇形等多种超晶格结构,实现宽光谱激光输出。其中啁啾超晶格结构是在晶体通光方向上设计多种周期,以实现宽谱光源的频率转换。常见的啁啾结构包括线性、步进啁啾周期结构以及非周期结构等。要实现宽谱准相位匹配,可以采用单块的晶体方案,也可以采用级联均匀极化周期和步进啁啾极化周期两块晶体的方案[8-15]。线性啁啾接近连续的周期变量对制造工艺要求较高,且步进啁啾和线性啁啾的宽带响应谱线容易出现波动,不利于产生宽谱脉冲光源,非周期方案虽然能很好地实现宽带转换和平坦的带顶,但在数值优化过程中,宽带和频过程的参数搜索空间极大、耗时长,且难以收敛,对环境变化比较敏感,稳定性不高。

本文在MgO∶PPLN中将C波段(1525~1565 nm)激光和波长为980 nm的激光进行和频处理,实现了宽谱黄-橙激光的输出。为获得高效、平坦的黄-橙激光,采用布拉格光纤光栅中常用的变迹模拟方法[16-17],结合准相位匹配技术,建立了变迹步进啁啾MgO∶PPLN宽带和频的数学模型,确定了变迹率r和啁啾周期范围增量dp两个自变量,利用遗传算法[18]对自变量进行迭代优化,能在较小的搜索空间中找到最优值,从而确定变迹步进啁啾MgO∶PPLN的结构设计参数,最终获得波长为600 nm附近宽谱激光输出的最优光谱转换。

2 变迹步进啁啾MgO∶PPLN宽带和频理论分析

为获得高效、平坦的宽谱黄-橙激光,需要建立变迹步进啁啾MgO∶PPLN宽带和频的数学模型。在小信号、慢变振幅的近似条件下,MgO∶PPLN和频的转换效率η可表示为[19]

η=Pω3Pω1×Pω2=8π2d332Iω1Iω2L2cε0λω32nω1nω2nω31L0Ld(z)exp(iΔkz)dz2,(1)

式中,Pω1Pω2Pω3分别为泵浦光、信号光、和频光的功率,ω为光频率,d33为晶体的非线性系数,Iω1Iω2分别为泵浦光和信号光的光强,L为光波在晶体内相互作用的长度,c为真空中的光速,ε0为真空介电常量,λω3为和频光的波长,nωr,(r=1,2,3)为光波在晶体中的折射率,可由Sellmeier公式[20]求得,d(z)为畴反转结构的归一化常数,取值为±1,d(z)=1表示极化方向向上,d(z)=-1表示极化方向向下。相位失配量Δk可表示为

Δk=kω3-kω2-kω1=2π(nω3λω3-nω2λω2-nω1λω1),(2)

式中, kω1kω2kω3分别为泵浦光、信号光、和频光的波数。相对的有效非线性系数 dreff(Δk)=1L0Ld(z)exp(iΔkz)dz,该系数只与晶体中的非线性系数空间分布有关。设每个单元畴的长度为Li,且极化方向相同,晶体由N个长度不同的单元畴组成,总长度 L=i=1NLi,可将dreff(Δk)表示为

dreff(Δk)=1L0Ld(z)exp(iΔkz)dz=1Lq=0N-1d(z)zqzq+1exp(iΔkz)dz=1Lq=0N-1d(z)expiΔkzq+1-expiΔkzqiΔk=1LΔkq=0N-1d(z)expiΔkzq+1-expiΔkzq,(3)

式中, q=0,1,2,3...,N-1,zq为单元畴壁的位置,每个单元畴位于 zq~zq+1内,长度为 zq+1-zq,通过设计单元畴的长度可得到极化晶体的超晶格结构。

图1所示,变迹步进啁啾周期性极化晶体是介于周期性极化晶体和非周期性极化晶体间的一种极化模式。总长度为L的晶体被分成N个部分,每个部分都是均匀光栅结构,包含n段,每段单个周期长度为Λi,相邻部分之间有一个很小的周期增量ΔΛ,即啁啾步长,满足Λi=Λ1Λ(i-1),(i=1,2,…,N)。在晶体光栅结构的两侧引入变迹部分,每部分的单个周期占空比d=l/Λ(l为反转畴,即负畴的长度,Λ为每个部分的极化周期)分别按照变迹函数对称地递增和递减,每侧都有Na个变迹部分,没有变迹的部分Nu位于光栅中间,每个Λ的占空比都为0.5。变迹率r定义为变迹部分数与晶体总部分数N的比值,即r=2Na/N。变迹率r、变迹函数以及周期长度Λi会影响每个单元畴的长度,最终反映在宽带和频转换效率的响应曲线上。

图 1. 变迹步进啁啾MgO∶PPLN结构示意图

Fig. 1. Schematic diagram of apodization step chirped MgO∶PPLN

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3 C波段宽带和频优化设计

3.1 实验装置与基本原理

图2为MgO∶PPLN单通宽带和频黄-橙激光器的实装置图,用中心波长为980 nm,线宽为0.2 nm的二极管激光器(LD)作泵浦光Pω1,用C波段自发辐射(ASE)激光器作信号光源Pω2。通过980/1550 nm波分复用器(WDM)混合泵浦光和信号光,在波长为980 nm和1550 nm处分别有0.26 dB和0.28 dB的损耗。经准直镜(C-lens)和聚焦镜后光波在长度为50 mm的MgO:PPLN晶体中实现了准直单通和频,通过温控炉(TCS-100,CTL Photonics, Fuzhou, China)调节温度,获得最佳准相位匹配温度,输出光功率和带宽通过激光功率计(PM100D, Thorlabs, Newton, NJ, USA)和光纤光谱仪(OSA,型号为BIM-6001)测定。

图 2. 单通宽带和频实验装置示意图

Fig. 2. Schematic diagram of experimental device based on single-pass broadband sum-frequency generation

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设进入晶体前Pω1=290 mW,Pω2=200 mW,使用晶体长度为50 mm的MgO∶PPLN,在室温下,对变迹步进啁啾晶体的超晶格结构进行数值优化,目标是在给定的波段范围(C波段)内,获得高转换效率、小带顶波动的宽谱黄-橙激光输出。

线性变迹函数和正双曲正切变迹函数对和频转换带宽和带顶波动的影响如图3所示,图3(a)和图3(b)给出了两种不同的变迹函数和不同的变迹率下的占空比空间分布情况,对应的和频转换效率响应图如图3(c)和图3(d)所示。可以发现,增加变迹率后,和频转换带宽和带顶波动都会减小,相比线性变迹函数,正双曲正切变迹函数在减小带顶波动的同时,降低了带宽下降幅度,在带宽上具有明显的优势,因此实验将变迹函数确定为正双曲正切函数。

图 3. 变迹函数对和频转换带宽和带顶波动的影响。(a)线性变迹函数的占空比;(b)正双曲正切变迹函数的占空比;(c)线性变迹函数的和频转换效率;(d)正双曲正切变迹函数的和频转换效率

Fig. 3. Effect of apodization function on bandwidth and band-top ripple of sum-frequency conversion. (a) Duty ratio of linear apodization function; (b) duty ratio of the positive hyperbolic tangent apodization function; (c) sum-frequency conversion efficiency graph of linear apodization function; (d) sum-frequency conversion efficiency diagram of positive hyperbolic tangent apodization function

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啁啾周期的范围会影响转换带宽和转换效率,实验中的啁啾步长使用实验条件能达到的最小空间分辨率5 nm,为了获得Pω1=290 mW,Pω2=200 mW时的最优和频响应曲线,将晶体起点周期长度Λ'1和终点周期长度Λ'N分别初始化为1525 nm和1565 nm处的和频准相位匹配周期,在温度为25 ℃时,通过Sellmeier方程和相位匹配公式求得Λ'1=9.98 μm,Λ'N=10.33 μm,通过调节啁啾周期范围增量dp,得到起点周期Λ1=Λ'1-dp和终点周期ΛN=Λ'N+dp

图4r、dp与带宽、带顶波动、转换效率的关系。其中带宽为3 dB,带顶波动用1 dB带宽内转换效率的均方差度量。从图4(a)中发现,变迹率r越大,带宽越窄,带顶波动越平缓;从图4(b)中发现,啁啾周期范围增量dp越大,带宽越宽,转换效率越低。

图 4. r和dp与带宽、带顶波动、转换效率关系。(a)r与带宽、带顶波动的关系;(b)dp与带宽、转换效率的关系

Fig. 4. Relationship between r, dp and bandwidth, top ripple, conversion efficiency. (a) Relationship between r and bandwidth, top ripple; (b) relationship between dp and bandwidth, conversion efficiency

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3.2 变迹啁啾结构数值优化

为了在C波段获得转换率和带顶波动的最优解,将优化目标函数定义为

F(r,dp)=mean[ηC(r,dp)]-wS[ηC(r,dp)],(4)

式中,mean[]为求均值,S[]为求均方差,w为方差的权重系数,为了分析均值和方差的比例关系,权重系数取值为10。

为了获得目标值的最优值,采用遗传算法在给定的搜索空间中进行迭代计算,算法流程如图5所示,其中r的取值范围为0~1,步长间隔为0.01,dp的取值范围为0~0.5 μm,步长间隔为0.01 μm ,在较小的搜索空间中可以获得较稳定的收敛值。

图 5. 遗传算法的流程图

Fig. 5. Flow chart of genetic algorithm

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图6(a)所示,设初始种群数为50,经过100次左右的迭代得到最优值,求得最优参数为:r=0.5,dp=0.03 μm,和频转换效率为-11.2 dB,带顶波动为0.047 dB。图6(b)为本方法和步进啁啾超晶格结构下的和频转换效率。

图 6. 遗传算法优化结果图。(a)迭代过程;(b)和频转换效率

Fig. 6. Optimization results of genetic algorithm. (a) Iteration process; (b) sum-frequency conversion efficiency

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4 结论

围绕宽谱黄-橙激光的制备需求,基于准相位匹配理论,利用和频效应,计算出最佳的晶体模型结构。提出了变迹步进啁啾MgO∶PPLN的建模方案,在室温条件下,用功率为290 mW的C波段宽带光源和功率为200 mW的980 nm的光源分别作为泵浦光和信号光;选择不同的变迹函数,通过控制变迹率r和啁啾周期范围增量dp等参数,实现对和频输出光谱的带宽、带顶波动及转换效率的动态调控;最后利用遗传算法,在较小的搜索空间内,对参数r和dp进行数值优化,在r=0.5、dp=0.03 μm时,获得了最优结果,实现了高效、均匀的黄-橙激光宽谱输出,转换效率为-11 dB、带顶波动达0.047 dB,为基于准相位匹配技术的和频效应产生宽谱激光提供了理论指导和可行方案。

参考文献

[1] Karrer S, Bäumler W, Abels C, et al. Long-pulse dye laser for photodynamic therapy: investigations in vitro and in vivo[J]. Lasers in Surgery and Medicine, 1999, 25(1): 51-59.

[2] Kapoor V, Subach F V, Kozlov V G, et al. New lasers for flow cytometry: filling the gaps[J]. Nature Methods, 2007, 4(9): 678-679.

[3] Marzahl D T, Metz P W, Kränkel C, et al. Spectroscopy and laser operation of Sm 3+-doped lithium lutetium tetrafluoride (LiLuF4) and strontium hexaaluminate (SrAl12O19)[J]. Optics Express, 2015, 23(16): 21118-21127.

[4] Chang W K, Chen Y H, Chang J W. Pulsed orange generation optimized in a diode-pumped Nd∶YVO4 laser using monolithic dual PPLN electro-optic Q switches[J]. Optics Letters, 2010, 35(16): 2687-2689.

[5] Calu D J, Kawa A B, Marchant N J, et al. Optogenetic inhibition of dorsal medial prefrontal cortex attenuates stress-induced reinstatement of palatable food seeking in female rats[J]. Journal of Neuroscience, 2013, 33(1): 214-226.

[6] Fedorova K A, Cataluna M A, Battle P R, et al. Orange light generation from a PPKTP waveguide end pumped by a cw quantum-dot tunable laser diode[J]. Applied Physics B: Lasers and Optics, 2011, 103(1): 41-43.

[7] Li G Z, Chen Y P, Jiang H W, et al. Broadband sum-frequency generation using d33 in periodically poled LiNbO3 thin film in the telecommunications band[J]. Optics Letters, 2017, 42(5): 939-942.

[8] Lee Y L, Noh Y C, Jung C, et al. Broadening of the second-harmonic phase-matching bandwidth in a temperature-gradient-controlled periodically poled Ti∶ LiNbO3 channel waveguide[J]. Optics Express, 2003, 11(22): 2813-2819.

[9] Suhara T, Nishihara H. Theoretical analysis of waveguide second-harmonic generation phase matched with uniform and chirped gratings[J]. IEEE Journal of Quantum Electronics, 1990, 26(7): 1265-1276.

[10] Gao S M, Yang C X, Xiao X S, et al. Broadband and multiple-channel visible laser generation by use of segmented quasi-phase-matching gratings[J]. Optics Communications, 2004, 233(1/2/3): 205-209.

[11] 蒋建, 张建东, 王凯, 等. 非周期极化铌酸锂晶体宽带倍频的理论研究[J]. 激光与光电子学进展, 2017, 54(4): 041901.

    Jiang J, Zhang J D, Wang K, et al. Theoretical study on broadband frequency doubling in aperiodically poled lithium niobate crystal[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2017, 54(4): 041901.

[12] Kumar S C, Samanta G K, Devi K, et al. High-efficiency, multicrystal, single-pass, continuous-wave second harmonic generation[J]. Optics Express, 2011, 19(12): 11152-11169.

[13] 邢爽, 于永吉, 王宇恒, 等. 基于多周期MgO∶PPLN的内腔宽调谐连续中红外光参量振荡器[J]. 光子学报, 2018, 47(6): 0619002.

    Xing S, Yu Y J, Wang Y H, et al. Wide tunable contunuous-wave mid infrared intro-cavity optical parametric oscillator based on multi-period MgO∶PPLN[J]. Acta Photonica Sinica, 2018, 47(6): 0619002.

[14] 张永昶, 朱海永, 张静, 等. 紧凑型MgO∶PPLN宽波段可调谐连续光参量振荡器[J]. 红外与激光工程, 2018, 47(11): 1105008.

    Zhang Y C, Zhu H Y, Zhang J, et al. Compact widely tunable continuous-wave MgO∶PPLN optical parametric oscillator[J]. Infrared and Laser Engineering, 2018, 47(11): 1105008.

[15] 李坤, 杨苏辉, 王欣, 等. MgO∶PPLN级联倍频实现高转换效率强度调制532 nm激光[J]. 光学学报, 2019, 39(6): 0614003.

    Li K, Yang S H, Wang X, et al. Highly efficient intensity-modulated 532 nm laser based on second harmonic generation with MgO∶PPLN cascade[J]. Acta Optica Sinica, 2019, 39(6): 0614003.

[16] Phillips C, Langrock C, Chang D, et al. Apodization of chirped quasi-phasematching devices[J]. Journal of the Optical Society of America B, 2013, 30(6): 1551-1568.

[17] Tehranchi A, Kashyap R. Engineered gratings for flat broadening of second-harmonic phase-matching bandwidth in MgO-doped lithium niobate waveguides[J]. Optics Express, 2008, 16(23): 18970-18975.

[18] BackT. Evolutionary algorithms in theory and practice[M]. New York: Oxford University Press, 1996.

[19] Chen X F, Wu F, Zeng X L, et al. Multiple quasi-phase-matching in a nonperiodic domain-inverted optical superlattice[J]. Physical Review A, 2004, 69(1): 013818.

[20] Edwards G J, Lawrence M. A temperature-dependent dispersion equation for congruently grown lithium niobate[J]. Optical and Quantum Electronics, 1984, 16(4): 373-375.

郭磊, 陈怀熹, 张新彬, 郭玮, D.K.Choge, 李广伟, 冯新凯, 梁万国. 基于MgO∶PPLN啁啾结构和频的宽谱黄-橙激光输出[J]. 激光与光电子学进展, 2020, 57(9): 091901. Lei Guo, Huaixi Chen, Xinbin Zhang, Wei Guo, Choge D.K., Guangwei Li, Xinkai Feng, Wanguo Liang. Broadband Yellow-Orange Laser Output Based on Chirp Structure MgO∶PPLN Sum-Frequency[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2020, 57(9): 091901.

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