基于新型Nd∶Gd0.1Y0.9AlO3晶体的540 nm倍频绿光激光器
1 引言
激光二极管(LD)泵浦的固态激光器可以通过腔内二次谐波(SHG)倍频的方式将红外波段激光转换为可见光波段激光[1-3]。以这种方式生产的固态绿色激光源高效且紧凑,这使其广泛应用于各个领域,在过去一段时间内得到了快速发展[4-5]。1 080 nm左右的激光在地球探测、医疗和科学研究等领域具有重要意义[6-8]。通过进一步SHG倍频,可以获得540 nm左右的绿色激光,在血液检测和医疗美容等方面具有重要应用[9-10]。
表 1. Nd∶GYAP与其他倍频绿光特性对比
Table 1. Comparison of Nd∶GYAP with other SHG green laser characteristics
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众所周知,由Nd离子掺杂的激光晶体可以发射波长为~1.06 μm基频激光,通过SHG倍频即可获得波长为~532 nm的绿色激光。在这一过程中,LiB3O5(LBO)作为一种常见的倍频晶体,可以在强激光的作用下利用其二次非线性效应将长波长激光的频率加倍,并输出短波长激光[11-13]。LBO可以有效地将Nd离子激光系统的频率提高一倍或三倍,还可以应用于光学参数啁啾放大、高功率和短脉冲激光输出等领域[14-17]。因此,LBO是实现绿色激光输出的重要倍频晶体。在已有的研究中,Li等使用高脉冲能量电光调Q MOPA激光系统,利用Nd∶YAG激光器进行倍频,在532 nm处获得脉冲能量为13.2 mJ、脉宽为6.4 ns的激光脉冲[18]。Meier等通过Nd∶YAG激光器的倍频实现了134 W高功率532 nm连续激光输出[19]。Guo等报道了一种基于Nd∶YVO4晶体、在确保激光器在532 nm处单纵模(SLM)工作的条件下,最大化倍频激光器的输出功率的方法[20]。然而,不难发现,由于通常使用商用Nd∶YAG或Nd∶YVO4晶体作为基频激光器的增益介质,倍频绿色激光器的波长由于Nd∶YAG和Nd∶YVO4在1 064 nm的输出波长而被限制在532 nm[21-22]。然而,532 nm处的激光位于Nd3+离子约为530 nm的吸收峰附近,这严重影响激光输出效率,因而大大限制了其应用范围[23-24]。因此,开发新的激光晶体对于实现波长约540 nm的绿色激光具有重要意义。
Nd∶Gd0.1Y0.9AlO3(Nd∶GYAP)是一种新型激光晶体,其特性与YAP晶体相似[25-26]。这种晶体可以用提拉法(Czochralski(Cz)method)生长,具有优良的物理和化学特性。GYAP晶体具有500~600 cm-1范围内的低声子能量,因此可以减少多光子去激发过程,并提高量子发光效率[27-29]。同时,GYAP晶体实现了Y3+离子和Gd3+离子的共同掺杂,这可以有效地提高晶体分离系数和晶体生长质量,因为掺杂的Gd3+离子(0.093 8 nm)和激活离子Nd3+离子(0.099 5 nm)的半径相似[30],从而导致发射截面减小和荧光寿命增加[31-34]。由于这些原因,Nd∶GYAP晶体是理想的1 μm波段激光材料。在先前的研究中,已经利用Nd∶GYAP晶体实现了在~1 μm波段超过8 W的连续波(CW)激光输出[35]。通过在激光腔中插入可饱和吸收体,本课题组也已经成功搭建了调Q激光器[36-37]。在这些研究中,Nd∶GYAP晶体显示了其优异的激光性能。值得注意的是,这些研究中Nd∶GYAP晶体的发射光谱位于1 080 nm附近[25,35-37]。因此,在 1 080 nm处的基频激光器的SHG倍频激光器的发射波长将位于大约540 nm处,从而可以有效地避免Nd3+离子自吸收的影响。
本工作首次在新型Nd∶GYAP晶体上实现了540 nm倍频绿光激光器。以Nd∶GYAP晶体为增益介质,LBO为倍频晶体,建立了一种线性腔内倍频激光器,成功地实现了65 mW的绿光输出。主峰在1 079 nm的激光被成功地倍频到539.4 nm。与Nd∶GYAP激光晶体的吸收光谱和发射光谱相比,可以发现该波长的输出激光成功避开了Nd∶GYAP晶体在528 nm处的吸收峰。除此之外,本工作还研究了基频激光和倍频激光的偏振特性。如
2 实验
2.1 Nd∶GYAP光谱特性测试
Nd∶GYAP是通过提拉法(Cz)生长并按Pnma空间群定向后沿b轴切割的。晶体的吸收光谱和荧光光谱分别通过UV-VIS-NIR光谱仪(Perkin Elmer,Lambda 900)和分光光度计(Edinburgh Instruments,FLS920)测量。同时,本工作对其发射与吸收截面进行了计算。
2.2 激光实验装置
将Nd∶GYAP晶体沿b轴加工成4 mm×4 mm×5 mm的尺寸,以产生约1 μm的基频激光,
图 1. 基于Nd∶GYAP的腔内倍频绿光激光器装置图。插图:Nd∶GYAP激光样品照片。
Fig. 1. Device diagram of intracavity frequency doubling green laser based on Nd∶GYAP. Insert:photo of Nd∶GYAP.
3 结果与讨论
3.1 Nd∶GYAP光谱特性
与YAP晶体一样,GYAP晶体由于其各向异性的晶体结构,其光谱特性由于不同的轴向而区别很大。a切和c切晶体具有更大的发射截面和更小的荧光寿命,因此它们具有更高的存储能量,适合进行脉冲激光操作[41]。b切晶体具有更高的增益,因此更适合于连续激光操作。因此,为了获得更高效的绿色激光器,本研究选择了b切Nd∶GYAP晶体。
图 2. b切Nd∶GYAP晶体光谱特性。(a)吸收截面;(b)发射截面。
Fig. 2. Spectral characteristics of the b-cut Nd∶GYAP crystal.(a)Absorption cross section.(b)Emission cross section.
3.2 Nd∶GYAP晶体~1 μm波段激光器
本工作首先研究了Nd∶GYAP晶体的~1 μm激光特性。在
如
图 3. Nd∶GYAP激光器1 μm波段激光特性。(a)输出功率;(b)激光光谱。
Fig. 3. 1 μm-band laser characteristics of Nd∶GYAP.(a)Output power.(b)Laser spectrum.
如
3.3 倍频绿光激光器特性
当LBO晶体置于激光腔中时,本工作首次在Nd∶GYAP上通过倍频操作成功地获得了约540 nm的绿色激光输出。如
图 4. 绿光激光特性。(a)输出功率;(b)激光光谱。
Fig. 4. Green laser characteristics.(a)Output power.(b)Laser spectrum.
采用同样的光谱分析仪(YOKOGAWA,AQ6374)测量倍频后的绿色激光发射光谱,如
3.4 1 080 nm激光器和540 nm激光器的偏振特性
通过在整个装置的末端放置格兰-泰勒棱镜,可以分别研究1 080 nm激光器和倍频540 nm激光器的偏振特性。格兰泰勒棱镜是一种由天然方解石晶体制成的双折射偏光器件,当光入射时可以对偏振方向进行分解。旋转棱镜,每10°记录一次功率值,具有最大功率的角度对应于其偏振方向。
图 5. 激光偏振特性。(a)基频1 080 nm激光的偏振;(b)倍频540 nm激光器的偏振。
Fig. 5. Polarization characteristics.(a)Polarization of the 1 080 nm laser.(b)Polarization of the 540 nm laser.
4 结论
本工作首次在新型Nd∶GYAP晶体上实现了~540 nm倍频绿光激光器。在本研究中,使用LBO晶体实现腔内倍频操作,并成功获得了中心波长为539.4 nm的绿色激光器。激光阈值为0.046 W,最大输出为65 mW。该激光器还具有90°偏振特性。通过对光谱和基频激光的分析,可以发现~540 nm激光来自Nd∶GYAP晶体在1 079 nm的激光输出,这可以避免Nd3+离子在528 nm的吸收峰。这一结果表明,新型Nd∶GYAP晶体可以有效地实现约540 nm的绿色倍频激光输出。尽管当前输出功率仍然很低,但是这为解决Nd3+离子自吸收问题提供了新的思路。同时,这一新波长也完全可以胜任传统532 nm绿色激光在显示、医疗等多领域的应用。
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