無熱退偏損耗Nd∶YAG環形腔單縱模激光器

楊曉冬,朱偉玲,侯新華

(廣東石油化工學院理學院,廣東 茂名 525000)

1 引 言

單縱模激光器具有線寬窄、單色性好以及輸出功率穩定等特性。半導體激光泵浦的單縱模固體激光同時又具有體積小、壽命長、效率高以及光束質量好等顯著優勢,其在雷達、光譜學、計量學及引力波探測等領域有非常廣泛的用途[1-4]。在諸多單縱模激光技術中,環形腔單縱模激光器是獲得高功率單縱模激光輸出的有效的技術路線,而Nd∶YVO4晶體是目前高功率環形腔單縱模激光器最為常用的激光晶體。由于Nd∶YVO4晶體發射線偏振光,可避免晶體內熱致雙折射效應在腔內所引起的熱退偏損耗,從而獲得較高的單縱模激光輸出。2018年,山西大學盧華東教授研究組使用單片Nd∶YVO4晶體,采用端面泵浦結構,獲得53 W連續波1064 nm單縱模激光輸出,對應光光轉換效率44.5 %[4]；同年盧華東教授研究小組在諧振腔內使用兩片端面泵浦Nd∶YVO4晶體,同時在環形腔內加入4f像傳遞系統以增大激光晶體內的基模光斑面積,同時避免由于熱焦距太小使諧振腔進入非穩區,最大獲得101 W連續波1064 nm單縱模激光輸出[5]。根據文獻調研,該輸出功率為目前最大單縱模激光輸出。但由于在該激光諧振腔內使用4f像傳遞裝置,也造成裝置穩定性差,激光器調節困難。

與Nd∶YVO4晶體相比較,Nd∶YAG晶體熱傳導系數是Nd∶YVO4晶體的兩倍多,是目前使用最為廣泛的優良激光晶體。但由于在高功率泵浦下,Nd∶YAG晶體內存在較為強烈的熱致雙折射效應,導致Nd∶YAG環形腔單縱模諧振激光器內存在較為強烈的熱退偏損耗,從而嚴重限制Nd∶YAG環形腔單縱模功率輸出。2001年,瑞士伯爾尼大學研究人員利用端面泵浦Nd∶YAG環形腔單縱模激光獲得4.5W連續波1064 nm單縱模激光輸出,對應的光光轉換效率約為19 %[6]；1996年,英國南安普頓大學研究者使用端面泵浦Nd∶YAG晶體,從環形腔中獲得5.4 W連續波1064 nm單縱模激光輸出[7]；2010年,北京工業大學趙偉芳等人使用端面泵浦Nd∶YAG環形腔單縱模激光器,在泵浦功率為7 W時,獲得2 W連續波1064 nm單縱模激光輸出[8]；2011年,中國科學院理化研究所徐祖彥院士研究組,利用側面泵浦Nd∶YAG環形腔結構獲得31.9 W連續波1064 nm單縱模激光輸出,但其光學轉化效率不到10 %[9]。

因此降低并消除Nd∶YAG環形腔內的熱退偏損耗,對于充分發揮Nd∶YAG晶體熱傳導率高以及應力裂紋極限大的優勢,實現更高功率單縱模激光輸出具有一定的意義。

本文探索將腔內偏振器件-薄膜偏振片的反射光束作為Nd∶YAG環形腔輸出光束,以消除環形腔單縱模激光器內的熱退偏損耗,并提升其功率及效率。

2 實驗裝置

圖1為Nd∶YAG`四鏡環形腔實驗裝置示意圖。兩激光二極管(Ld)側面泵浦模塊被放置環形腔內,直徑為2 mm的Nd∶YAG激光棒被固定在側泵模塊內,Nd∶YAG棒側面通有冷卻水,激光棒兩端面鍍有1064 nm增透膜；3根808 nm Ldbar對稱環繞Nd∶YAG棒,在最大24 A驅動電流下,單個側泵模塊808 nm最大泵浦功率為60 W；腔鏡M1、M2、M3、M4為45°,1064 nm全反射鏡,腔內薄膜偏振片(Thin-film-polarizer)對s偏振光反射率為99.5 %,對p偏振光反射率約2 %～3 %。腔內法拉第磁光旋光器(Faraday rotator)、二分之一波片與薄膜偏振片構成腔內光學單向器,強迫腔內p偏振光沿箭頭所示方向單向運轉,以消除晶體內空間燒空,在各向同性晶體內縱模模式競爭的作用下,實現單縱模激光運轉。

當腔內激光單向運轉時,1064 nm單縱模激光束以布儒斯特角入射到薄膜偏振片,晶體內熱致雙折射效應所產生的s偏振光被完全反射,同時約有2 %～3 %的P偏振光也被薄膜偏振片反射,這些反射光束即為環形腔輸出光束。由于本環形腔輸出光束為薄膜偏振片所反射s偏振光與p偏振光迭加,光束偏振態應為橢圓偏振光。腔內所放置法布里珀羅標準具為一片兩面未鍍膜的石英片,其作用為避免縱模跳模。整個環形腔長度約為0.8 m,根據高斯光束傳輸矩陣計算可得,晶體內基模光斑直徑約為1 mm。腔內光闌直徑約為0.8 mm,其作用為抑制腔內高階模；兩LD側泵模塊間放置90°石英旋光片,以補償晶體內的光束熱致雙折射效應。

圖1 實驗裝置

與使用專門輸出耦合鏡Nd∶YAG環形腔單縱模激光器相比較,由于該環形腔輸出光束為薄膜偏振片反射光束,熱致雙折射效應在晶體中所激發的s偏振光為環形腔輸出光束,所以腔內熱退偏損耗可被完全避免；同時,由于薄膜偏振片對p偏振光反射率為2 %～3 %,所以在使用單獨輸出耦合腔鏡的環形腔內,存在2 %～3 %的p偏振光反射損耗,而在本環形腔內該損耗也可以完全消除。

3 實驗結果與討論

將圖1所示諧振腔中二分之一波片快軸相對腔內p偏振光順時針旋轉22.5°,使腔內光束沿箭頭方向單向運轉,測量薄膜偏振片反射輸出功率隨著驅動電流變化曲線,測量結果如圖2所示。由圖2可得,當側泵模塊驅動電流為21 A時,環形腔最大輸出功率為5.1 W。圖3為在驅動電流為20 A時,利用自由光譜區為3.75 GHz,精細常數為100的共焦球面掃描干涉儀對薄膜偏振片反射光束掃描所得結果,從圖3可確定,該Nd∶YAG:環形腔單縱模運轉,其單縱模激光線寬約為200 MHz。在整個測量過程中,激光縱模模式穩定。

圖2 Nd∶YAG環形腔輸出功率隨驅動電流變化曲線

圖3 共焦球面掃描干涉儀掃描結果

為測量薄膜偏振片反射輸出光束偏振特性,在激光功率計前放置格蘭泰勒棱鏡。將棱鏡透偏初始方向設置為與腔內p偏振光方向一致,將格蘭泰勒棱鏡旋轉一周,在驅動電流為20 A條件下,測量棱鏡透過功率隨透偏軸方向變化,測量結果如圖4所示。從圖4可得,透射功率最小值約為19 mW,最大透射功率約為3.9 W,輸出光束近似為線偏振光,其光矢量振動方向與腔內p偏振光光矢量振動方向夾角為106°。

根據偏振光合成理論,反射輸出光束是由薄膜偏振片所反射p偏振光和s偏振光的迭加,反射輸出光束應為橢圓偏振光。但由于本實驗中,薄膜偏振片對于p偏振光反射率僅為2 %～3 %,反射光束中p偏振光功率很低,而薄膜偏振片對s偏振光幾乎為全反射,反射光束中s偏振光強度遠大于p偏振光強度,所以橢圓偏振光退化為線偏振光,測量結果也說明這一點。根據圖4所示測量結果,當棱鏡透偏方向與腔內p偏振光夾角為0°時,棱鏡透射p偏振光,透射功率約為0.18 W,功率很低；而當棱鏡透偏方向與腔內p偏振光夾角為90°時,棱鏡透射s偏振光,透射功率約為4 W,薄膜偏振片所反射s偏振光功率約為p偏振光功率20倍,所以s與p偏振光迭加所合成橢圓偏振光短軸方向功率值很低,橢圓偏振光退化為線偏振光。

圖4 格蘭泰勒棱鏡透射功率

從實驗結果來看,本實驗輸出功率依然不高,其原因可歸結與以下兩方面:側面泵浦效率較低。在模塊中,808 nm均勻泵浦充滿直徑為2 mm的Nd∶YAG激光棒橫截面,而激光棒內基模光斑直徑約為1 mm,泵浦光與腔模重疊效率約為25 %,僅有約25 %的泵浦能量能被利用；薄膜偏振片對p偏振光的反射率約為2 %～3 %,與泵浦功率不匹配,可能太低,并非最佳輸出值。所以,采用效率更高的端面泵浦結構,同時采用對p偏振光反射率與泵浦功率相匹配的薄膜偏振片,Nd∶YAG環形腔單縱模輸出功率及效率可獲得顯著提高。

4 結 論

實驗表明,采用薄膜偏振片反射光束作為Nd∶YAG環形腔單縱模激光器輸出光束,可有效避免腔內熱退偏損耗以及薄膜偏振片對p偏振光2 %～3 %的反射損耗,并獲得單縱模激光輸出。通過對本環形腔泵浦結構、及薄膜偏振片反射率的優化,有望獲得結構更為簡單,輸出功率更高的Nd∶YAG環形腔激光器。