標準具在腔內倍頻激光器中的波長抑制研究

李 智，檀慧明，田玉冰

(1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033;2.中國科學院大學，北京100049;3.中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所，江蘇蘇州215163)

1 引言

多譜線的振蕩在腔內倍頻過程中，會引起輸出波長的不穩定和輸出功率的不穩定［1］，因此如何設計出性能穩定、長壽命、單一譜線運轉的全固態腔內倍頻激光器是人們一直關注的問題［2－5］。在Nd∶YAG激光晶體中，釹離子在晶格場的作用下發生斯塔克分裂，獲得了受激發射截面較小、相對性能比較接近的 1112 nm，1116 nm，1123 nm三條譜線［6］。要實現這三條譜線中的任一條單獨運轉，首先需要抑制Nd∶YAG增益系數較大的1064 nm，1319 nm，946 nm譜線，其次再抑制1112 nm，1116 nm，1123 nm中的另外兩條譜線，從而對激光譜線進行選擇。在腔內加入色散棱鏡、鍍制特殊要求的激光器諧振腔薄膜［7］等都是選擇激光譜線的方法，加入色散棱鏡對于波長較接近的譜線經過棱鏡后其角度分開較小，很難獲得單一的激光譜線運轉。而根據目前的鍍膜工藝水平，要想通過鍍制窄反射帶激光膜，選擇性地獲得三者當中任意一條激光譜線的單獨運轉是非常困難的［8］。

本文通過在諧振腔內插入F-P標準具，由于平行平板之間的多光束干涉［9］，選擇適當參量的標準具，利用標準具對不同波長光的損耗不同來進行波長選擇。在理論上詳細研究了標準具的選波長原理，以及標準具參量的變化對標準具波長選擇的影響;在實驗上通過在基于Nd∶YAG/LBO的全固態倍頻激光器中插入標準具實現了單譜線1123 nm運轉，并獲得了單波長的561 nm黃光。

2 標準具的選頻理論分析

F-P標準具的工作原理是光波在標準具兩表面之間發生多次反射，使波的各個分量相互干涉，由于多光束的干涉F-P標準具對于不同波長的光束具有不同的透過率，其關系表示為［10］:

式中，nl為兩個反射表面之間的光學厚度(n是標準具材料折射率，l是標準具厚度);θ是光波入射角(0°≤θ≤90°);λ是波長;r為每個表面的反射率。顯然，影響標準具選頻的主要物理參量是標準具的厚度和插入傾角(當標準具垂直插入時，其光束正入射到標準具表明，入射角為0°，而當標準具有傾角時，光束入射角就等量變化，因此光束入射角即為標準具插入傾角［10］)。如圖1所示，在常用參數r=0.04，對于特定激光譜線(此處取λ=1112 nm，1116 nm，1123 nm)，用 Matlab軟件計算了不同角度、不同厚度的標準具插入時譜線的透過率曲線。

圖1 不同入射角的透過率變化曲線Fig.1 Transmission curves varied with the incident angle

由圖可以看出:(1)當標準具插入傾角很小，幾乎是垂直入射(θ=0°)，標準具對三個波長的透過率相差較大，對譜線的選擇損耗能力強，但是隨著角度的增大，不同波長的透過率曲線越來越接近，標準具的角色散dθ/dλ越來越大，對不同波長光分開的程度小，不能實現對波長的選擇性損耗。(2)不同厚度的標準具對譜線的選擇性損耗能力有限，比如對于 100 μm和 400 μm厚的標準具能夠選出1123 nm，因為當1123 nm透過率近似為1時，而另兩個波長的透過率不到0.9，當把標準具插入激光器中，這10%的選擇損耗完全能夠抑制1112 nm、1116 nm譜線運轉。

實際上，激光器中的溫度變化，將引起標準具的厚度和折射率變化［11］，將式(1)中 l，n，λ 修正為 l=其中，α是線膨脹系數;β是折射率溫度系數。得到標準具透過率與溫度的關系:

如圖2是透過率隨著標準具溫度變化曲線，其參數取值為 θ=0，r=0.04，λo=1.112 μm，no=1.46，lo=200 μm，α =71.5 × 10－6μm/C°，β =10.3×10－6/C°。由圖可以看出:當溫度變化10℃時，透過率變化約為0.01%，所以對于一定頻率的光波通過標準具的透過率隨溫度的變化很小，因此在實驗中，可以忽略溫度對標準具對波長選擇能力的影響。

圖2 透過率隨著標準具溫度變化曲線Fig.2 Transmission with temperature of the etalon function curve

3 實驗建立和分析

實驗中用808 nm的LD抽運Nd∶YAG/LBO，泵浦光經過耦合光學系統OC準直聚焦后射入平凹諧振腔，如圖3所示。

圖3 實驗結構圖Fig.3 Schematic of the experimental setup

輸入鏡為平凹鏡，其右端面鍍膜為HR1123 nm、HT1342 nm＆1064 nm＆808 nm，左端面鍍膜為AR808 nm，輸出鏡是平面鏡，其左端面鍍膜為HR1123 nm、HT561.5 nm，右端面鍍膜為HT561.5 nm。激光介質為摻雜Nd原子百分數為1.1%的Nd∶YAG，晶體兩端鍍有1123 nm和808 nm的減反射膜。倍頻晶體是按1123 nm I類臨界相位匹配(θ=90°，φ =7.5°)切割的 LBO，其兩端鍍有基頻光和倍頻光的減反射膜，以降低LBO的插入損耗。泵浦源與諧振腔分別由半導體制冷器TEC1，TEC2進行溫控。

實驗中僅憑上述對諧振腔膜系的設計只能夠抑制增益較大的1064 nm，1319 nm，946 nm激光譜線。諧振腔內不加標準具時，盡管從理論上調節倍頻晶體LBO的插入位置，使之只滿足1123 nm相位匹配角的時候，能夠獲得單一的561 nm輸出，但是對諧振腔的調節精度和穩固方式要求很高。此外，通過非線性光學計算軟件SNLO計算出LBO對三條基頻譜線的相位匹配角分別為1112 nm，θ=90°，φ=8.3°;1116 nm，θ=90°，φ =8.0°;1123 nm，θ=90°，φ=7.5°可以看出相位匹配角較接近，實驗中由于機械振動等原因容易導致LBO的位置微移，因此容易出現三條基頻譜線同時受激并相互競爭的情況，導致幾條倍頻譜線及和頻譜線同時輸出或交替輸出的現象，如圖4為沒有插入標準具時的倍頻光光譜圖，所用光譜儀是光纖光譜儀(MayaPro2000，Ocean Optics，Inc)，由圖可以看出輸出譜線有 556 nm，558 nm，561 nm，557 nm，559.7 nm，其中 556 nm，558 nm，561 nm 分別是 1112 nm，1116 nm，1123 nm的倍頻光，而557 nm是1112 nm與1116 nm的和頻光，559.7 nm是1116 nm與1123 nm的和頻光，說明三條基頻譜線都在腔內運轉，同時理論上圖中還應該有1112 nm與1123 nm的和頻光558.7 nm，而從圖中并未看出，可能的原因是光譜儀分辨率不夠或者相位失配，具體原因還不清楚。在下一步實驗中我們將改進實驗條件，探索出具體原因。

圖4 倍頻光光譜圖Fig.4 Spectrum of frequency-double waves

實驗中，基于前面對標準具的討論，我們選用l=400 μm的標準具當θ=0.012 rad時選出了1123 nm激光譜線，此外，還選出了1116 nm(l=400 μm，θ=0.034 rad)，1112 nm(l=180 μm，θ=0.053rad)兩條譜線。通過LBO分別對三個基頻譜線進行腔內倍頻獲得了單波長的556 nm，558 nm，561 nm，如圖5是三個倍頻光相應的光譜圖，所用光譜儀是光纖光譜儀(MayaPro2000，Ocean Optics，Inc)。如圖 6(a)是當諧振腔內沒有加標準具時，我們得出當抽運功率為9 W時輸出功率隨時間變化曲線圖，圖6(b)是用標準具選出1123 nm的倍頻光561 nm在抽運功率9 W時輸出功率隨時間變化曲線圖。根據實驗我們定義在時間T內某時刻t時輸出功率的相對起伏度為，求算術平均相對起伏度由圖對比標準具插入前后倍頻光的功率輸出曲線可以發現，在直線型諧振腔中插入標準具會引起巨大的輸出功率損耗。計算標準具插入前后輸出功率在120 s內的算術平均功率相對起伏度得可見插入標準具后功率起伏減小，輸出穩定性提高，這主要由于插入標準具后使之不同躍遷譜線之間的競爭以及譜線之間和頻引起的功率起伏得到抑制。

4 結論

通過理論分析得出標準具的厚度與插入傾角對其波長選擇能力的影響很大，而溫度變化對標準具選波長能力影響很小。實驗中發現，在全固態倍頻激光器諧振腔內插入標準具是一種抑制激光諧振腔內多譜線振蕩多波長輸出的一種有效方法。但是，由此引起的插入損耗也限制了功率輸出。

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