基于Nd:YAG晶體的1 123 nm激光器實驗設計

白 芬， 焦志勇， 徐先鋒， 張 會

(中國石油大學(華東) 理學院， 山東 青島 266580)

0 引 言

激光以其出色的方向性、單色性和相干性被廣泛應用于工業、醫療、科研、信息和軍事等各個領域[1-3]。高等學校物理類相關專業的教學中也將激光知識的學習放在很重要的位置。同時，對激光原理、激光技術在理論和實驗方面的教學改革也進行了許多積極有益的探索[4-6]。多年的教學實踐表明，盡管經過這些課程的學習，學生對激光的原理和應用有了一定的認識，但對一些概念和物理過程的理解仍然停留在書本的理論描述上，難以形成具體的印象。

激光模式是描述激光性能的重要概念，有橫模和縱模之分。橫模描述的是諧振腔橫截面內的激光光場分布情況，可以從激光橫截面內能量分布來看，通常用光束質量因子M2來評價激光橫截面的均勻性。縱模描述的是沿諧振腔軸線方向上的激光光場分布情況。理論上激光腔可以產生無數個等間距頻率的光，但由于增益介質只對特定頻率的光產生最大增益，其他頻率的光被抑制掉，即在諧振時會篩選出符合諧振頻率的諧振激光，所以激光器一般僅輸出一個或幾個特定頻率的激光。縱模其實就是針對激光頻率(或波長)而言的。如同人的身高和體重一樣，橫模和縱模雖然沒有必然聯系，但它們從兩個角度來描述激光的性能，缺一不可。

本文設計了一個固體激光器實驗。側面泵浦的激光二極管作為泵浦源，常用的摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)晶體作為激光介質。通過縱模選擇技術，選擇出非常規的1 123 nm激光輸出。同時研究了不同的激光諧振腔長對激光輸出功率和光束質量的影響。

1 Nd:YAG晶體材料的發射譜線

Nd:YAG晶體是目前最重要的激光晶體之一，具有高增益、高效率、高光學質量、熱傳導性好、抗熱沖擊和機械強度高的特性[7-8]。按照原子的量子理論，光和原子相互作用可能引起受激吸收、自發輻射和受激輻射3種躍遷過程。激光是基于受激輻射放大原理而產生的一種相干光輻射。盡管激光是受激輻射占優勢，然而最初的來源則是基于自發輻射。工作物質自發輻射可能產生很多的譜線，每一條譜線對應一定的原子躍遷。Nd:YAG晶體是將Nd3+離子摻雜在YAG介質中得到的，從4F3/2吸收帶向下躍遷可產生20多條譜線，其能級結構如圖1所示。Singh等對室溫下Nd:YAG晶體在幾個主要發射帶內各條譜線的受激發射截面和熒光分支比率等參數進行了詳細的研究，結果如表1所示[9]。

圖1 Nd:YAG晶體能級圖(nm)

λ/nmTransitionΔυ/cm-1σ/pm2β946.10R1→Z595.10.0401 064.18R2→Y3545.80.1351 112.12R2→Y6143.60.0251 115.95R1→Y5162.90.0341 122.70R1→Y6133.00.0301 318.80R2→X168.70.018

從表1可見，Nd:YAG晶體室溫時的發射譜中，以4F3/2的STARK分裂能級R2到4I13/2的STARK分裂能級Y3的躍遷產生的1 064 nm譜線最強。由于1 064 nm譜線的熒光分支比相比其他譜線要大得多，發射截面也大的多，在激光振蕩過程中最先起振。率先振蕩的1 064 nm譜線消耗了大量的反轉粒子數，從而抑制了其他譜線的振蕩。因此，大部分的Nd:YAG激光器輸出的是1 064 nm激光。

1 123 nm譜線對應著從4F3/2的STARK分裂能級R1到4I13/2的STARK分裂能級Y6的躍遷。1 123 nm的激光可以用作摻銩光纖激光器的泵浦源，通過轉換產生藍光。因此，1 123 nm激光器也逐漸引起了科學家們的興趣[10-12]。然而，由于Nd:YAG在1 123 nm處的發射截面和熒光分支比較小。想要實現1 123 nm激光的振蕩，必須采取措施，讓1 123 nm激光在眾多譜線的競爭中占優勢。

當激光器工作物質被激發，發出輻射光時，所有波長的光子都試圖在諧振腔中得到諧振從而成為優勢波長。然而，某個頻率的光最終要成為激光的縱模輸出，除了要滿足諧振條件、頻率落入工作物質的譜線線型范圍內之外，還必須突破一個重要關口——增益大于損耗。這恰恰就是縱模選擇的基本思想。激光器中某一縱模能否起振和維持振蕩，主要取決與這一縱模的增益與損耗值的相對大小。不同縱模存在增益差異。因此可以在腔內引入一定的選擇性損耗，使欲選擇的縱模損耗最小，而其余縱模的損耗較大。當其余縱模的振蕩的閾值大于其增益時就會被抑制，最終形成并得到放大的就是欲選擇的縱模。

因此，需要人為地控制各個波長處的損耗來選擇出1 123 nm激光。激光往返過程中，損耗包含幾何損耗、衍射損耗、吸收損耗、散射損耗、透射損耗等。其中，透射損耗指的是由于激光器腔鏡鍍膜對所在波長處不完全反射(R<1)而透射到腔外的損耗。采用特殊設計的鍍有高度選擇性介質膜的反射鏡可以嚴格控制每個譜線處的透射損耗，也是一種常用的選擇縱模的方式。

2 激光器實驗裝置

2.1 激光器整體架構

Nd:YAG激光器實驗裝置圖如圖2所示。腔型采用簡單兩鏡直腔。整個激光器包括M1后腔鏡(平凸鏡，曲率半徑500 mm)和M2輸出鏡(平平鏡)、激光二極管LD側面泵浦源、Nd:YAG晶體3部分。泵浦源由3個等間距的激光二極管陣列按照三角形等間距互呈120°側向抽運。棒狀Nd:YAG激光介質的摻雜濃度為1.0%，尺寸為3 mm×63 mm。實驗中Nd:YAG棒通水冷卻，溫度保持在20 ℃。

圖2 Nd:YAG激光器實驗裝置圖

2.2 激光器腔鏡鍍膜

本實驗中，M1和M2的膜層經過特殊設計，其鍍膜情況分別如圖3和圖4所示。為了便于比較，把不同波長激光在腔內往返1周的透射損耗列為表2。其中，R1和R2分別為M1和M2的反射率，δr=-0.5ln(R1R2)為光子在腔內往返1周的透射損耗。可見，經過特殊的鍍膜設計， 1 123 nm波長激光的透射損耗最小，而其他波長處的損耗則相對較大。

圖3 后腔鏡M1透射率圖譜

圖4 輸出鏡M2透射率圖譜

λ/nmR1/%R2/%δr946.1017.0089.60.9411 064.1899.990.52.6491 112.1299.9995.00.0261 115.9599.9996.00.0201 122.7099.9998.00.0101 318.8020.0010.01.956

3 激光器輸出激光特性測量

3.1 光 譜

采用上述腔鏡搭建好激光器后，首先測量了輸出激光的光譜。最終，在光譜儀上只觀察到1 123 nm激光的光譜。圖5顯示了觀測范圍為1 060～1 140 nm，分辨率為0.2 nm時測量的光譜圖。圖6顯示了展寬的1 123 nm光譜，觀測范圍從1 120～1 126 nm，分辨率為0.05 nm。可見實驗得到了單一的1 123nm波長激光，全幅半寬為0.16 nm。

圖5 1 123 nm激光光譜圖

圖6 1 123 nm激光光譜展寬圖

3.2 輸出功率

實驗中，研究了幾個不同腔長時,1 123 nm激光的平均輸出功率。圖7給出了腔長為160，210，260和310 mm時輸出功率隨泵浦功率的變化情況。由圖可見，當腔長一定時，隨著泵浦功率的增加，輸出功率增加;當泵浦功率一定時，隨著腔長的增大，輸出功率下降。腔長為160 mm時，125 W的泵浦功率下獲得了11.12 W的平均輸出功率。

圖7 1 123 nm激光輸出功率隨泵浦功率變化情況

3.3 光束質量

激光應用中，光斑的均勻性至關重要。影響光斑質量的重要原因是多個橫模參與了激光振蕩。然而實際得到的激光光束中，并不知道包含了哪些橫模以及每個單橫模的強度，實際上大部分情況我們也沒有必要知道。1988年，光束質量M2因子被提出用來描述激光光束質量[13]。它克服了其他常用的光束質量評價方法的局限，如今被廣泛采納[14-15]。M2因子采用理想的高斯光束作為參照比較標準，其值定量反映了被測光束的光束質量偏離理想高斯光束光束參數乘積的程度。

實驗中分別研究了不同泵浦功率、不同腔長下輸出激光的光束質量因子。在一定的泵浦功率和腔長下，激光光斑并不是嚴格的一個圓形。分別測出x和y兩個正交方向的M2因子來綜合評定光束質量。

圖8給出了不同泵浦功率下，光束質量因子隨腔長的變化情況。由圖可見，當腔長一定時，隨著泵浦功率的增加，光束質量因子變大;當泵浦功率一定時，隨著腔長的增大，光束質量因子變小，光束質量得到明顯改善。當腔長310 mm，泵浦功率為125 W時，1 123 nm激光的光束質量因子M2在x和y兩個正交方向上分別為4.9±0.1和4.6±0.1。圖9給出了此時典型的光斑分布圖。

圖8 光束質量因子隨腔長的變化情況

圖9 典型的光斑圖

綜合分析可知，當腔長增大時，由于引起了更多的損耗造成了輸出功率的下降。同時，腔長增大允許的橫模數減少，激光器運轉模式更向基模趨近使得光束質量得到改善。因此，高輸出功率往往伴隨著較差的光束質量，而好的光束質量是以輸出功率的減少為代價的。在實際應用中往往需要在兩者之間尋求平衡，依據實際需求進行合適的腔設計。如激光器標記側重于輸出光束的質量，將輸出功率設定在低功率，標記圖樣就很清楚；對于打孔的激光器或者深度雕刻的激光器，側重于光束的輸出功率，功率就可以設定的較高。

4 結 語

設計了一個兩鏡直腔Nd:YAG激光器實驗。通過特定的腔鏡鍍膜選擇了特定縱模輸出，研究了不同腔長下輸出功率和光束質量因子的特性。通過實驗讓學生更加直觀理解激光器中增益介質、諧振腔對激光輸出特性的影響，加深學生對激光理論知識中縱模和橫模的理解。實驗實施效果表明，該實驗提高了學生的學習積極性，引導學生獨立思考，促進了創新意識的培養。