基于PPMgOLN的593 nm全固態黃光激光器

呂大順,馮新凱,陳懷熹,張新彬,梁萬國

(1.中國科學院福建物質結構研究所,福建 福州 350002；2.中國科學院大學,北京 100049)

1 引 言

LD泵浦的全固態激光器具有體積小,壽命長,光束質量好和性能穩定等優點[1-3]。近年來,波段550～620 nm橙黃色激光因其在顯示、醫療、檢測等領域的獨特優點受到廣泛關注[4-5]。目前產生593 nm中小功率全固態激光的途徑主要是通過在KTP,LBO等晶體中的角度相位匹配進行和頻,但因晶體條件的限制具有和頻轉換效率不高,結構不夠緊湊,光譜線寬較寬等缺陷[6-8]。

早在1962年諾貝爾物理獎得主N.Bloembergen等人就提出了準相位匹配(Quasi Phase Matching,QPM)理論[9],通過對晶體的非線性極化率的周期性調制來補償非線性頻率變換過程中因色散引起的基波和諧波之間的波矢失配,從而獲得非線性光學效應的有效增強。20世紀70年代末,南京大學用生長條紋技術生長出具有周期疇的鈮酸鋰晶體,完成了首次準相位匹配的實驗驗證,后被稱為光學超晶格晶體。90年代,隨著制作工藝的成熟[10],周期極化晶體(PPLN、PPLT、PPKTP等)進入各種應用領域。其中與全固態激光技術結合,能夠極大的拓寬激光波段范圍,與雙折射角度相位匹配相比,具有不存在走離效應,可充分利用晶體的最大非線性光學系數,透光范圍,周期和波長可調諧,轉換效率高光譜質量好等優勢。

本文使用的極化晶體由課題組研發和制作,采用半導體光刻技術在1 mm厚z切摻氧化鎂鈮酸鋰單疇晶圓表面制作圖型電極,再在晶體兩端施加反轉電壓,通過精確控制實現晶體表面和厚度方向的疇結構均勻反轉,然后通過切割、拋光和鍍膜等工藝環節,在常溫下設計了593 nm和頻所需PPMgOLN晶體,周期為9.8 μm。為了實現高效緊湊的黃光輸出,采用LD泵浦線性平凹腔結構,合理選擇晶體尺寸和鍍膜方案,在3 W泵浦功率下獲得255 mW的連續黃光輸出,激光器光譜特性和穩定性良好。

2 理論分析

5 %MgO摻雜的周期極化鈮酸鋰晶體(LiNbO3)具有較大的二階非線性光學系數(d33=27.2 pm/V),從近紫外到中紅外的寬透明窗口,在高光功率下的高損傷閥值[11]。為了在晶體中實現二階非線性光學和頻(sum frequency generation,SFG),需滿足相位匹配條件。對于涉及三個相互作用光波的和頻過程(ω3=ω1+ω2),它們的波矢量因材料色散失配為:

ΔkSFG=k1+k2-k3-2π/ΛSFG

其中,kj=2πnj/λj是對應波長的波矢量；nj是對應波長的折射率,可由Sellmeier方程[11]計算。只要相位失配量ΔkSFG=0,即可實現準相位匹配。此時極化周期ΛSFG滿足:

對于功率為P1和P2的兩束光入射到長度為L的非線性晶體中產生的和頻光輸出功率可近似估算為:

相應的轉換效率為:

其中,deff=2d33/π是PPMgOLN的有效非線性光學系數。通過合理設計極化周期,可獲得所需的和頻光輸出。

Nd∶YVO4是一種常用高效的激光晶體,具有較寬的吸收帶寬和較大的受激發射截面,而且是雙折射晶體能夠發射線偏振光。在808 nm光泵浦下,處于4F3/2能級的Nd3+離子可以向多個終端能級躍遷并產生輻射,其中幾率最大的是4F3/2至4I11/2的躍遷(波長為1064 nm),其受激發射截面積為25×10-19cm2,其次是4F3/2至4I13/2的躍遷(波長為1342 nm),其受激發射截面積約為7.6×10-19cm2[12]。由于1064 nm和1342 nm兩條譜線有共同的激光上能級,雙波長運轉時必然存在嚴重的譜線競爭,為了提高和頻轉換效率,不僅要求兩基頻光功率要高,而且參與和頻的兩束光腔內光子數要相等,可以在設計腔鏡高反膜時,結合實際工藝,首先選擇1342 nm優先,適當增加對1064 nm的透射損耗,使1342 nm和1064 nm的譜線增益達到近似相同。該方法在和頻激光器中具有很大的實用性,能夠縮小體積,降低調節難度,提高激光器的穩定性。

3 實驗和結果

593 nm和頻激光器實驗裝置如圖1所示,激光二極管(LD)最大輸出功率3 W,中心波長為807.5 nm,經透鏡(OC)聚焦準直后入射到Nd∶YVO4晶體中心(尺寸3 mm×3 mm×5 mm 濃度1 %)。采用線性平凹腔結構,在Nd∶YVO4晶體左端面鍍膜作為一個腔鏡,光經PPMgOLN(2 mm×0.5 mm×5 mm極化周期9.8μm),平凹輸出鏡(曲率半徑R1=50 mm),濾波片后輸出,諧振腔長約為15 mm,采用半導體致冷器TEC1和TEC2分別對LD和晶體控溫。具體鍍膜方案為:Nd∶YVO4晶體左端面鍍AR@808 nm(T>99.9 %),HR@1064 nm/1342 nm/593 nm,右端面鍍AR@1064 nm/1342 nm；PPMgOLN兩端面均鍍AR@1064 nm/1342 nm/593 nm；平凹鏡凹面鍍HR@1342 nm(R>99.9 %),1064 nm部分透射(R=97.6 %)平面鍍AR@593 nm。

圖1 和頻激光器實驗裝置圖Fig.1 Sum frequency laser experimental device

實驗中先將LD泵浦功率設定至最高3 W,控制溫度為28 ℃,從20～35 ℃調節晶體溫度,增量為1 ℃測量輸出功率的變化曲線。圖2顯示晶體最佳工作溫度為30 ℃,因熱效應影響,溫度升高時相位失配,功率急劇下降。再微調LD的溫度到30 ℃,發現對輸出功率影響不大,因此只需一個TEC進行統一溫控,激光器就能穩定工作。

圖2 輸出功率隨工作溫度變化曲線Fig.2 Output power change curve with working temperature

在工作溫度為30 ℃時,測量了不同泵浦功率下的最大輸出功率,在閥值810 mW左右開始觀察到黃光輸出,輸出功率和轉換效率隨泵浦功率增加而增加,在3 W時達到最大255 mW黃光輸出,光光轉換效率為8.5 %。實驗結果和光斑如圖3所示。

圖3 30 ℃時輸出功率隨泵浦功率的變化關系以及255 mW時的光斑Fig.3 The relationship between the output power and the pump power at 30 ℃ and the spot at 255 mW

圖4為使用光纖光譜儀測量的光譜圖,儀器顯示激光中心波長為593.48 nm,半高寬為0.22 nm。

圖4 黃光激光器的光譜圖Fig.4 Spectrogram of yellow laser

在工作溫度為30 ℃,泵浦功率為3 W時,用OPHIR公司功率計測量了593 nm黃光輸出的穩定性,如圖5所示,1 h內輸出功率的波動在2 %以內。

圖5 輸出功率穩定性曲線Fig.5 Output power stability curve

4 結 論

采用脈沖電壓極化法制備了尺寸2 mm×0.5 mm×5 mm,周期9.8 μm的PPMgOLN晶體,實現了3 W泵浦下255 mW的全固態和頻593 nm連續黃光輸出,光光轉換效率為8.5 %,1 h內輸出功率波動小于2 %。使用PPMgOLN晶體代替傳統雙折射晶體,不僅效率高,而且尺寸小結構更緊湊,有利于模塊化商業化。