雙端泵浦Nd3+摻雜MgO:LiNbO3 正交偏振雙波長連續激光調控*

劉鴻志 王宇恒 鄭浩 趙云峰 于永吉 金光勇

(長春理工大學理學院,吉林省固體激光技術與應用重點實驗室,長春 130022)

報道了一種采用雙端泵浦的Nd3+離子摻雜MgO:LiNbO3 正交偏振雙波長激光器,并對正交偏振雙波長激光輸出進行調控.基于晶體的偏振熒光光譜,對1084 與1093 nm的雙波長激光振蕩機理進行分析,建立晶體熱透鏡焦距與受激發射截面比之間的關系,并推導出1084 及1093 nm 雙波長共振區間,給出通過改變諧振腔腔型結構調控雙波長激光輸出的方法.在實驗中采用813 nm的半導體激光器雙端泵浦a 切的Nd:MgO:LiNbO3 晶體,測量了1084 與1093 nm 兩種波長的輸出規律,并對輸出波長進行調控.最終得到了6.02 W的1093 nm 和3.02 W的1084 nm 單波長激光輸出,在X,Y 方向上的光束質量分別為 =1.70 和 =1.81.在28 W 泵浦注入功率下獲得了4.58 W的雙波長激光輸出,實驗結果與理論分析相符合.為正交偏振雙波長的可控輸出及應用奠定了理論和實驗基礎.

1 引 言

正交偏振雙波長廣泛應用于激光干涉測量、差分吸收激光雷達、全息顯微術和精密測量,特別是在精密測量方面,同時發射兩個正交偏振波長的激光由于其獨特的偏振特性,可進行如長度、位移、角度、速度、壓力、磁場等的精密測量.正交偏振雙波長也可用于科學研究,如用于原子激光冷卻,具有廣泛的應用前景和使用價值[1?8],使其成為固體激光領域的研究熱點之一[9?11].

目前Nd:YVO4,Nd:YLF 和Nd:YAP 是獲得正交偏振雙波長激光[12]的主要晶體,2019 年廣東省晶體與激光技術工程研究中心的Tu 等[13]通過端面泵浦Nd:YLF 獲得了1314 和1321 nm 正交偏振雙波長輸出,在20 kHz的脈沖重復頻率下平均功率為6.5 W.同年,廈門大學的Qi 等[14]使用a-cut Nd:YAP 獲得了1079.5 和1099 nm的正交偏振雙波長激光,最大輸出功率為976 mW,斜率轉換效率為7%.然而輸出波長均為單波長交替輸出,并未能實現正交偏振雙波長同步輸出.近年來,基于Nd3+離子摻雜MgO:LiNbO3晶體的正交偏振雙波長同步輸出開始成為新型研究熱點.2016 年山東大學Fan 課題組[15]報道了Nd:MgO:LiNbO3晶體的1084 與1093 nm 雙波長激光同步輸出現象,并從能級角度對其雙波長的產生原理進行了分析,但并未對其輸出波長進行控制.2019 年長春理工大學王宇恒等[16]在山東大學Fan 課題組[15]研究的基礎上,通過改變泵浦注入光斑,調節晶體溫升,分別實現了單波長與雙波長輸出,但由于光斑差異較大,不能便捷實現對輸出波長的調控.迄今為止,關于正交偏振雙波長的研究多傾向于單波長輸出或雙波長同步輸出,對于輸出波長進行調控的研究鮮有報道.

基于此,本文從Nd:MgO:LiNbO3晶體的偏振熒光光譜出發,分析1084 與1093 nm的雙波長激光振蕩原因,建立了晶體熱透鏡焦距與受激發射截面比之間的聯系,通過調節諧振腔腔型結構對Nd:MgO:LiNbO3晶體的正交偏振雙波長激光輸出進行控制.最終演示了以半導體激光器雙端泵浦a切的Nd:MgO:LiNbO3晶體,在不添加任何額外的光學元件情況下,得到了3.02 W的1084 nm 和6.02 W的1093 nm 單波長激光輸出,在28 W 泵浦注入功率下獲得了4.58 W的雙波長同時輸出,并給出了切換三種輸出狀態的控制手段.為后續充分利用正交偏振雙波長的可控輸出及應用奠定了實驗基礎.極大地提高了可調控1804/1093 nm正交偏振雙波長激光的應用范圍.

2 Nd:MgO:LiNbO3 晶體的雙波長激光器實驗裝置

基于Nd:MgO:LiNbO3的正交偏振雙波長激光器實驗裝置如圖1 所示.泵浦源采用美國nLIGHT 半導體激光公司生產的中心波長813 nm的光纖耦合模塊,傳輸光纖半徑為200 μm,數值孔徑(NA)為0.22,經1∶2 耦合鏡組(傳輸耦合效率達到97%)聚焦后抽運Nd:MgO:LiNbO3晶體.沿a軸切割的Nd:MgO:LiNbO3晶體尺寸為2 mm ×6 mm × 40 mm,Nd3+離子摻雜濃度為4%,兩個端面鍍有813 nm 和1080—1090 nm 增透膜(antireflective,AR),晶體側面包裹一層銦箔卡在一塊紫銅熱沉中,通過外部水冷機循環制冷進行溫度控制,水冷機控溫精度達到±0.01 ℃.M1 鍍 有813 nm高透膜系和1084 nm高反膜系,M2 鍍有1084 nm 部分高反膜系,BS1 為45°鏡鍍有813 nm高透膜和1084 nm高反膜,在BS1 右端放置一個鍍有1080—1090 nm的45°偏振膜的偏振片,用以區分兩種正交偏振輸出.

圖1 Nd:MgO:LiNbO3(Nd:MgO:LN)激光器的激光實驗裝置圖Fig.1.Diagram of laser experimental setup based on Nd:MgO:LiNbO3 laser.

3 Nd:MgO:LiNbO3 晶體的雙波長激光輸出理論分析

由Nd:MgO:LiNbO3晶體的偏振熒光譜入手,分析雙波長激光振蕩的起因,偏振熒光光譜如圖2所示.

圖2 Nd:MgO:LiNbO3 晶體的偏振熒光光譜Fig.2.Polarized fluorescence spectra of Nd:MgO:LiNbO3 crystal.

從圖2 可以看出,Nd:MgO:LiNbO3晶體表現出明顯的偏振發射特性.由4F3/2到4I11/2的過程中,兩種偏振的熒光譜均含有多個發射峰,其中 π -偏振的1084 nm的發射峰明顯強于其他波長,而σ-偏振的發射峰較為復雜,1078,1084 和1093 nm三個發射峰較為接近,其中1093 nm的發射峰稍強于其他兩種譜線.為了對輸出波長進行精確控制,引用熒光強度比R:

其中C1是常數系數,可以估算;Ei(i=2,3) 是電平i和地電平之間的能量分離;KB是玻爾茲曼常數;T是絕對溫度.

根據Fuchtbauer-Ladenbury 公式[17?20],可以計算出有效的受激發射截面:

通過(3)式可以發現,1093 與1084 nm 兩種譜線的受激發射截面比是溫度T的函數,由實測Nd:MgO:LiNbO3晶體的熒光光譜得到,當晶體溫度趨近于330 K 時,1093 nm的熒光譜線開始出現.為了對雙波長輸出進行精準控制,本文采用介穩腔法[21]對a切Nd:MgO:LiNbO3晶體的熱焦距進行實驗測量,擬合實際測量熱焦距值得到圖3 所示的結果.

圖3 晶體熱焦距和受激發射截面比(σ1093 / σ1084)Fig.3.Ratio of crystal thermal focal length to stimulated emission cross section(σ1093 / σ1084).

測量結果顯示,晶體溫度在320—400 K 之間,1084 和1093 nm 具有不同的熱焦距值.結合熱焦距經典公式進行分析:

其中ωp為泵浦光斑半徑,Kc為晶體熱導率,Pph為產生熱量的泵浦功率,dn/dT為熱光系數,α為吸收系數,l為晶體長度.在Nd:MgO:LiNbO3晶體中,由4F3/2到4I11/2躍遷產生的1084 nm(Y2)和1093 nm(Y3)的受激發射截面和折射率均不同,致使雙波長的熱光系數dn/dT也不同,最終導致1084 和1093 nm 具有不同的熱焦距值,可以看到,晶體溫度從290 K 趨近于380 K 時,1084 nm 對應的熱焦距范圍從158 mm 到62 mm,1093 nm對應的熱焦距范圍從183 mm 到73 mm,以此為依據設計雙波長激光輸出諧振腔.使用ABCD矩陣理論,以晶體中心光斑半徑作為諧振腔的穩定性判定依據,設計了三種類型的諧振腔,參數如表1所列,模擬結果如圖4 所示.

表1 諧振腔模擬參數Table 1. Parameters of cavity simulation.

圖4 腔長70 mm、輸出鏡曲率R=300 mm 時的雙波長共振區間Fig.4.Dual-wavelength resonance range when the cavity length is 70 mm and the output mirror curvature R=300 mm.

圖4 中黑色線條代表1084 nm 激光的穩定區間,紅色線條代表1093 nm 激光的穩定區間.可以看出,隨著泵浦注入功率的提升,受激發射截面比開始發生變化,1084 nm 激光開始逐漸失穩.當受激發射截面比大于0.60 時,1093 nm 激光開始起振,當受激發射截面比大于0.72 時,1084 nm 激光振蕩失穩,僅為1093 nm 單波長激光輸出.在此基礎上,繼續使用表1 中的諧振腔2 和諧振腔3 進行模擬,模擬結果如圖5 和圖6 所示.

綜合對比三種諧振腔模擬結果,由圖4 和圖5可知,當M2 曲率R=300 mm,諧振腔長度為70 mm 時,雙波長共振的泵浦注入功率區間為15—38 W;諧振腔長度為100 mm 時,雙波長共振的泵浦注入功率區間為15—28 W.由此可知,當輸出鏡曲率不變,諧振腔腔長度改變時,雙波長共振區間發生明顯變化.由圖5 與圖6 可知,當諧振腔長度為100 mm,M2 曲率由R=300 mm 改變為R=150 mm 時,雙波長共振區間的位置改變并不明顯.

圖5 腔長100 mm、輸出鏡曲率R=300 mm 時的雙波長共振區間Fig.5.Dual-wavelength resonance range when the cavity length is 100 mm and the output mirror curvature R=300 mm.

圖6 腔長100 mm、輸出鏡曲率R=150 mm 時的雙波長共振區間Fig.6.Dual-wavelength resonance range when the cavity length is 100 mm and the output mirror curvature R=150 mm.

4 實驗結果

使用圖1的實驗裝置進行實驗,諧振腔中M1,M2 鏡的曲率按上述設計的諧振腔1,2,3 進行設置,具體鏡片膜系與參數如表2 所列.

表2 Nd:MgO:LiNbO3 晶體的正交偏振雙波長激光器鍍膜參數Table 2. Coating parameters of orthogonal polarization dual-wavelength laser based on Nd:MgO:LiNbO3 crystal.

首先搭建諧振腔1,分別采用透過率T=6%,10%和15%的輸出鏡進行實驗,Nd:MgO:LiNbO3晶體的輸出功率特性如圖7 所示.

圖7 不同透過率下,諧振腔1的激光輸出功率特性Fig.7.Resonator cavity 1 laser output power characteristics.

從圖7 可以看出,隨著泵浦光功率的提高,激光總功率略微下降,雙波長激光開始出現,在1084/1093 nm 輸出區間內,1084 nm 振蕩減弱,1093 nm此時起振,進一步提升泵浦注入功率,1084 nm 停止振蕩,僅有1093 nm 單波長激光輸出,最終獲得6.02 W的1093 nm 激光和3.02 W的1084 nm 單波長激光輸出,及4.58 W的雙波長激光同步輸出.當輸出耦合率(透過率)選取為T=10%和15%時,輸出功率稍低于T=6%的情況,為了獲得最優的輸出功率,繼續選用T=6%的輸出鏡進行實驗.同時由模擬結果可以發現,輸出耦合率(透過率)變化時,雙波長輸出區間的位置基本保持一致,由于雙波長激光輸出與晶體熱效應有關,通過調節輸出耦合率(透過率)并沒有改變腔內的熱場分布,因而對雙波長區間影響并不明顯.

采用OSA205C 傅里葉變換光譜儀(波長范圍1—5.6 μm)和美國THORLABS 生產的PAX1000 IR2 偏振態測量儀對泵浦注入功率為12,31,35和38 W 時諧振腔1的光譜和偏振態進行測量,測量結果如圖8 和圖9 所示.

圖8 諧振腔1的1084 與1093 nm 雙波長激光輸出的變化過程與光譜Fig.8.Change process and spectrum of 1084 and 1093 nm dual-wavelength laser output for resonator cavity 1.

圖9 1084 和1093 nm 激光波長的偏振態 (a) 1084 nm偏振態;(b) 1093 nm 偏振態Fig.9.Polarization states of 1084 and 1093 nm laser wavelengths:(a) Polarization states of 1084 nm;(b) polarization states of 1093 nm.

從圖8 和圖9 可以看到,1084 nm(π -偏振)和1093 nm(σ-偏振)是屬于正交偏振的雙波長,符合理論預期,在12 W 泵浦功率注入的情況下,輸出波長為1084 nm,結合上文的模擬結果可以發現,此時的受激發射截面比小于0.60,1084 nm的增益遠大于1093 nm,抑制1093 nm 導致其無法起振,從而實現1084 nm 單波長激光輸出.隨著泵浦注入功率的提升,在泵浦注入功率達到15 W 時,盡管外界泵浦功率已經達到1093 nm 起振閾值,但由于1093 nm的受激發射截面仍小于1084 nm,此時1093 nm的增益遠小于1084 nm的激光增益,1093 nm的激光譜線被嚴重抑制,效率較低.泵浦注入功率趨近30 W 時,1093 nm 才開始實現高增益振蕩,雙波長競爭激烈,但1093 nm的熒光強度仍小于1084 nm,泵浦注入功率繼續提升至35 W 時,1093 nm的熒光強度略大于1084 nm,仍為雙波長激光輸出,當泵浦注入功率為38 W 時,1084 nm 激光開始失穩,僅有1093 nm 單波長激光輸出.在此基礎上,將諧振腔長度變為100 mm,分別采用表1 中諧振腔2 和諧振腔3的參數進行實驗,最終諧振腔2 獲得了5.86 W的1093 nm和2.79 W的1084 nm 單波長輸出,以及3.77 W的1084/1093 nm 雙波長激光輸出;諧振腔3 獲得了2.86 W的1093 nm 和1.86 W的1084 nm 單波長輸出,以及4.02 W的1084/1093 nm 雙波長激光輸出.輸出功率特性如圖10 和圖11 所示.

圖10 諧振腔2 激光輸出功率特性Fig.10.Resonator cavity 2 laser output power characteristics.

圖11 諧振腔3 激光輸出功率特性Fig.11.Resonator cavity 3 laser output power characteristics.

如圖11 所示,在更改輸出鏡曲率后,泵浦注入功率為15 W 時,1093 nm 激光開始起振,1084/1093 nm 輸出區間并沒有發生明顯遷移.

使用Pyrocam III 型焦熱電陣列相機測量最高輸出功率情況下1084 和1093 nm 激光在不同位置的光斑.在激光輸出端放置一聚焦透鏡(焦距f=400 mm),利用刀口法測量聚焦后的激光光斑,根據高斯光束傳播方程,擬合得到激光遠場發散角和束腰半徑,如圖12 所示,激光輸出模式類似于基模(TEM00)的分布,計算得出1084 nm的光束質量因子在X,Y方向上分別為=1.70 和=1.81.1093 nm的光束質量因子在X,Y方向上分別為=1.82 和=1.94.

圖12 1084 nm 和1093 nm 光斑及擬合得到的光束質量(a) 1084 nm;(b) 1093 nmFig.12.1084 nm and 1093 nm spots and the beam quality obtained by fitting:(a) 1084 nm;(b) 1093 nm.

結合理論分析及三種諧振腔的激光輸出特性曲線可以得到,在泵浦注入功率一定時,通過調節諧振腔腔型結構可以調控正交偏振上波長的輸出方式,實現1084/1093 nm 單波長激光交替輸出和正交偏振雙波長激光同步輸出.

5 結論

本文從Nd:MgO:LiNbO3晶體的偏振熒光譜出發,模擬分析了1084 與1093 nm的雙波長激光振蕩原因,建立了晶體熱透鏡焦距與受激發射截面比之間的關系,推導出了1084 及1093 nm 雙波長共振區間,并在此基礎上,設計了不同的腔型結構諧振腔.分別實現了6.02 W的1093 nm 和3.02 W的1084 nm 單波長激光,以及4.58 W的1084/1093 nm的雙波長激光輸出,X,Y方向上的光束質量分別為=1.70 和=1.81.通過改變諧振腔腔型結構實現了基于Nd3+摻雜MgO:LiNbO3的1084 和1093 nm的正交偏振雙波長激光器的三種輸出方式,這一調控方式為正交偏振雙波長可控輸出奠定了理論和實驗基礎.