基于磁光效應的雙路偏振輸出激光器

阮劍劍,龍 慧,黃曉樺,林洪沂,孫 棟,劉 虹

(1.廈門理工學院光電與通信工程學院,福建 廈門 361024;2.廈門理工學院 福建省光電技術與器件重點實驗室,福建 廈門 361024)

1 引 言

摻釹釩酸釔(Nd∶YVO4)晶體是目前用于制作激光二極管(LD)泵浦的全固態激光器中最為有效的激光晶體之一,它具有很多優良的性能,如:穩定的化學和物理加工性、較低激光閾值、較大的受激發射截面、較高的泵浦光吸收效率等,使得Nd∶YVO4晶體得到了越來越廣泛的應用。其基質YVO4屬于一種具有較強自然雙折射現象的四方晶系晶體,摻釹離子后加強了偏振吸收和輻射特性,以致激光輸出呈線性偏振[1-2]。

輸出線偏振光的激光器在目標探測與識別、水下探測、生物醫學等領域有非常廣泛的應用。謝紹禹等研究基于線偏振激光主動成像的目標探測與識別,利用線偏振激光照射探測目標,然后通過比較不同目標材料的反射光偏振度差異和偏振圖像來進行探測與識別一種新技術[3-4]。長春理工大學的王春艷等人將線偏振激光應用于水下探測研究中,在水下使用線偏振激光可以減少后向散射的影響,擴大水下掃描成像的作用距離,提高水下目標圖像的清晰度[5-6]。在生物醫學領域,根據各向異性的生物分子對偏振激光的散射退偏振作用,可以為生物組織病變情況的檢測提供一些新的方法[7-8]。

激光器的雙路輸出同樣具有廣闊的應用前景,清華大學的張書練等在激光器諧振腔內置入石英片作為雙折射晶體,研究了一類正交線偏振激光器,在位移測量、波片位相延遲測量、弱磁場測量等領域得到了新應用[9-10]。劉文清等開展了雙通道偏振激光雷達的研制,并對北京局部區域的環境進行監測,通過偏振激光雷達回波信號的偏振特性變化,可以實時確定局部區域內的污染物散布區域、位置和相對強度等信息[11]。清華大學吳冠豪等研制的雙光梳絕對測距技術,將雙光梳光源、測距光路和數據處理系統集成,充分利用光頻梳光譜分辨率強、脈沖速率高等特點,可以為測量精度、測量速度和非模糊范圍等綜合性能提升方面提供了獨有的幫助,目前已經在航天領域的空間相機絕對變形測量和衛星天線展開的地面驗證測量中得到了應用[12-13]。本文利用磁光晶體的法拉第磁光效應,設計了一款雙路偏振輸出的Nd∶YVO4激光器,并研究了磁場強度對激光輸出功率和線偏振方向的影響。

2 TSAG磁光晶體特性

法拉第磁光效應是指當線偏振光在磁光介質中傳播時,若在平行于光的傳播方向上加一強磁場,則光振動方向將發生偏轉。入射光矢量旋轉的角度α與沿著光傳播方向作用在磁光材料上的磁感強度B及光在磁場中所通過的物質長度l成正比,即α=VBl。其中,V是費爾德常數,與介質性質及光波頻率有關。同時,磁致旋光的方向只與磁場的方向有關,而與光的傳播方向無關,光束往返通過磁致旋光物質時,旋轉角度往同一方向累加。

TSAG(Terbium Scandium Aluminum Garnet,鋱鈧鋁石榴石)是一種理想磁光晶體,主要用于400～1600 nm的波長范圍,即可見光和紅外波段。TSAG具有維爾德常數大(比TGG高20 %左右),低吸收系數(比TGG小30 %左右),高功率,低熱致雙折射等優點,適用于超高功率激光器。

本文采用的TSAG的尺寸為Φ3.92×7 mm,采用偏振測量儀測量線偏振光旋轉角與磁場強度關系如圖1所示。由此可計算出,在632.8 nm、654.3 nm和1064.1 nm波長處,TSAG磁光晶體的維爾德常數分別為160.59、142.82、45.16 rad/T·m。使通過該TSAG磁光晶體的線偏振光旋轉45°,所需的磁場強度分別為698.3 mT、785.2 mT和2483.2 mT。

圖1 TSAG磁光晶體的維爾德常數測量Fig.1 The measurement of Verdet constant of the TSAG magneto-optic crystal

3 實驗裝置

基于TSAG的法拉第磁光效應,本文設計的雙路偏振輸出激光器如圖2所示。泵浦源采用光纖耦合激光二極管(LD),中心波長為807.9 nm。泵浦光通過透鏡組會聚到激光晶體(Nd∶YVO4)端面。激光諧振腔是由激光輸入鏡(M1)、輸出鏡(M2)和偏振分束器(MBP)組成的三鏡L型諧振腔,M1和MBP之間的距離為105 mm,MBP和M2之間的距離為20 mm。M1是激光高反膜(鍍在Nd∶YVO4晶體的左側面),它對于807.9 nm的光具有高透過率,對于1064 nm的光具有高反射率。M2對于1064 nm光的透過率為10 %。MBP為偏振分束器,對于P光的透過率為99.8 %,對于S光的透過率則小于0.1 %。當1064 nm的激光通過時S光將發生折射并繼續傳播以實現振蕩,而P光則可以通過該偏振分束器逃離諧振腔。

實驗中將TSAG磁光晶體放置于激光器的L型諧振腔內,當未加磁場時,因激光晶體釩酸釔(Nd∶YVO4)產生的激光為S光,則輸出端有激光輸出,逸出端沒有。當外加磁場時,通過磁光晶體的激光偏振方向發生旋轉,輸出端激光偏振角度旋轉α,如圖2(a)所示；部分激光經M2反射后再次經過磁光晶體時,激光的偏振方向將改變2α,則P光分量可從偏振分束器逸出,如圖2(b)所示。逸出端P光的透射率可以由下列方程決定:

Tp=sin2(2α)=sin2(2VBl)

圖2 實驗裝置圖Fig.2 Experimental device diagram

式中,可見,改變磁場強度B,就可以改變P光的透過率,從而改變激光的輸出功率。

根據公式可得,1064.1 nm波長下,逸出端的透過率TP與磁場強度的對應關系如圖3所示。可知,要使MBP的透過率達到10 %、20 %、30 %、40 %和50 %,所需的磁場強度分別為517.7 mT、746.9 mT、927.4 mT、1094.0 mT和1247.7 mT。

圖3 逸出端的透過率TP與磁場強度的對應關系曲線Fig.3 The relationship curve between TP and magnetic field intensity at the escape end

4 實驗結果

實驗中,當泵浦功率為5868 mW時,測量不同磁場強度下Nd∶YVO4激光器的輸出功率,如圖4所示。由圖4可知,當未加磁場時,輸出端的輸出功率為2175 mW,逸出端則無功率輸出。隨著磁場強度不斷增強,輸出端的功率不斷減弱,逸出端的功率則不斷增強。實驗裝置中,將MBP,M2和TSAG都放置于電磁鐵線圈內的空氣隙處,導致氣隙寬度較大,磁場強度最大只能達到563.4 mT,此時輸出端的功率為1117 mW,逸出端的功率則為1398 mW,比輸出端功率更大。

當磁場強度為510.8 mT時,兩個端口的輸出功率相等,為1249.3 mW。此時,MBP的透過率為10 %,與M2的透過率一致。

圖4 泵浦功率為5868 mW時,不同磁場強度下Nd∶YVO4激光器的輸出功率Fig.4 The power of Nd∶YVO4 laser under different magnetic field intensity when the pump power is 5868 mW

當磁場強度為510.8 mT時,激光器輸出功率隨泵浦功率的變化如圖5所示。可見輸出端和逸出端的功率基本保持一致。激光器的泵浦閾值約為2009 mW。在5868 mW的泵浦功率下,其輸出功率為1237 mW,其轉換效率為21.1 %。

圖5 激光器輸出功率隨泵浦功率的變化情況Fig.5 The relationship curve between the power of Nd∶YVO4 laser and the pump power

5 結 論

利用TSAG磁光晶體的法拉第效應,本文設計了一款雙路輸出激光器,其輸出為線偏振激光,且輸出功率隨磁場強度變化而變化。當磁場強度不斷增強時,輸出端的功率不斷減小,而逸出端功率則不斷增大。當磁場強度為510.8 mT時,兩個端口的輸出鏡透過率相等,此時,兩路激光的輸出功率相等。在5868 mW的泵浦功率下,其輸出功率為1237 mW,其轉換效率為21.1 %。該激光器在位移測量、區域環境監測和雙光梳測距技術等方面具有一定的應用價值。