全固态561nm单谱线激光器研究

张 帆，高兰兰，马 威，董小龙

(长春理工大学，吉林 长春130022)

1 引言

波长在560 nm左右的黄色激光在生物医学和生物技术方面有着巨大的应用潜力。例如，可以更好的渗透核型性白内障，血红蛋白对560 nm左右的黄色激光有更高的吸收，可以减少在视网膜神经层的热扩散。因此，黄光激光器在眼科医学中有重要的作用［1］。

2006年，Jia等［2］报道了561 nm连续输出，在抽运功率为10 W时，得到了1.2 W的561 nm黄绿光。2012年，崔锦江等［3］采用激光二极管(LD)抽运腔内倍频的方法，在抽运功率为13.5 W时，获得了1.41 W的561 nm的黄绿光。2013年，邵志强等［4］在808 nmLD的抽运功率为5 W时，获得了123 mW的561 nm输出。

本文利用激光二极管端面抽运Nd∶YAG晶体，通过设计合理的膜系，再分别利用双折射滤波器(BF)和标准具获得单一谱线基频光，然后利用LBO非线性晶体进行腔内倍频，实现561 nm单谱线输出。同时分析了利用双折射滤波器和标准具抑制其他竞争谱线的方法。

2 理论分析

2.1 激光晶体

由于良好的机械和热光性能，Nd∶YAG晶体在固体激光系统中应用非常广泛，激光跃迁分别发生在激光上能级4F3/2的斯塔克能级和激光下能级3I13/2，3I11/2，3I9/2之间，如图1所示。

图1 Nd∶YAG的能级和主要跃迁的描述图Fig.1 Diagram of the energy levels of Nd∶YAG with a description of the main transition lines

三条主要的谱线分别是1318 nm，1064 nm和946 nm。4F3/2→3I11/2的所有跃迁(1112 nm、1116 nm、1123 nm)中最不活跃的谱线是561 nm激光的基频光—1123 nm谱线［5］。从表1可以看出1123 nm谱线的相对性能是1064 nm谱线的2/5，和946 nm、1318 nm、1112 nm、1116 nm这些谱线的相对性能相差不多，所以，要实现561 nm单谱线输出，需要通过附加与波长相关的选择性损耗来抑制1064 nm、946 nm、1318 nm、1112 nm、1116 nm这些谱线振荡。本文通过提高谐振腔对1064 nm、1318 nm的整体透过率，同时降低1123 nm的透过率来抑制1064 nm、1318 nm起振。由于Nd∶YAG晶体产生946 nm谱线是准三能级系统运转［6］，阈值很高，所以不需要采用特殊方法抑制其振荡。由于1112 nm、1116 nm、1123 nm这三条谱线相距不远很难通过镀膜的方式进行选择，本文采用在谐振腔内分别插入标准具和双折射滤波器的方式来进行谱线选择。

2.2 双折射滤波器

双折射滤波器(BF)一般由一片或者多片天然或人工石英晶体制成，每片BF加工成两表面互相平行且与光轴与表面成一定角度。如图2所示，由入射光线和法线构成的平面成为入射平面，包含光轴且垂直BF表面的平面成为主平面，入射光线的振动方向在入射平面内。主平面和入射平面之间的夹角称为调谐角，用A表示。一束线偏振光入射到BF上，由于晶体的双折射效应，折射后分解成o光和e光，它们透过BF时的相位延迟可以表示为:

表1 Nd∶YAG的主要几条谱线的激光特性比较Tab.1 Comparison of laser performance of the Nd∶YAG at the main laser transition

式中，(no－ne)是o光和e光的折射率差;d是BF的厚度;γ折射光的波矢量和石英晶体光轴C的夹角;λ是入射光波的波长;θ是入射角(布儒斯特角)。以BF面法线为轴转动BF，γ随之改变，亦即相位延迟量δ发生相应改变，出射的o，e光若经过一个偏振片，该偏振片的偏振方向与BF入射面平行，则两束光将产生干涉，干涉光强表示为:

式中，I和I0分别是出射光和入射光的光强;为偏振面与电位移矢量D'或者D″的夹角。

根据正单轴晶体的性质和立体解析几何原理，得到:

式中，α是光轴和BF表面之间的夹角，由于本文使用的BF的光轴和其表面平行。因此α=0，所以:

把方程(2)代入到方程(4)中，得到BF的单程透过率公式［7］:

图2 光束入射到BF上的示意图Fig.2 A diagram of light incident to BF

BF的调谐角和透过率的对应关系曲线，如图3所示。从图中可以看出，当调谐角为0.7504 rad时，1123 nm基频光谱线的透过率为100%。在这个角度下，1116 nm和1112 nm的透过率远远小于98.5%。巨大的插入损耗抑制了这两个谱线的振荡。

图3 1123 nm、1112 nm和1116 nm谱线的透过率关于调谐角的曲线Fig.3 Transmission curves for 1112，1116，and 1123 nm lines varied with the tuning angle of the BF

2.3 标准具

F-P标准具一般是用熔融石英制成的平行平板。当平行光束入射时，由于入射光的多光束干涉，标准具对不同波长的光有不同的透过率。标准具透过率关于入射波长的函数［8］为:

式中，F=4R/(1－R)2，R为熔融石英标准具(未镀膜)表面反射率，R=0.035，计算得F=0.1503。为平行平板内参与多光束干涉的两相邻出射光线的位相差，=(2π/λ)2nd cos(α/n)，n=1.46为熔融石英标准具介质折射率，d为标准具厚度，α为光束的入射角。标准具的透过率关于倾斜角度的曲线，如图4所示，在倾斜角(入射角)为0.054 rad时，标准具对1123 nm的透过率为100%，对1112 nm和1116 nm谱线的透过率低于90%，巨大的插入损耗足以抑制1112 nm和1116 nm的振荡。

从图3和图4中可以看出，双折射滤波器的角度调谐的敏感度比标准具更高，双折射滤波器的透过峰的半宽度比标准具的窄。这会导致谐振腔内振荡的纵模数目较插入标准具的情况少，这将压窄输出谱线的宽度，导致双折射滤波器比标准具情况下输出功率较低。

图4 1123 nm、1112 nm和1116 nm谱线的透过率关于倾斜角度的曲线Fig.4 Transmission curves for 1112，1116，and 1123 nm lines varied with the tilt angle of the etalon

3 实验装置与结果

实验装置如图5所示，以最大输出功率为5 W的LD作为泵浦源，中心波长为808 nm，抽运光经过透镜系统准直聚焦后入射到激光介质。激光介质是Nd掺杂原子质量分数1%的Nd∶YAG晶体，尺寸为3 mm×3 mm×3 mm，入射面镀有808 nm和1319 nm增透膜(T＞90%)和1123 nm高反膜(R＞99.8%)。出射面镀有1123 nm增透膜(T＞99%)。LBO两边均镀有561 nm和1123 nm的增透膜(T＞99%)。输出耦合镜OC的曲率半径为100 mm，凹面镀有1123 nm的高反膜(R＞99%)和1064、561nm的增透膜(T＞90%)。Nd∶YAG晶体用铟铂包裹并且固定在一个热沉中。倍频晶体为Ⅰ类相位匹配切割的LBO，尺寸为2 mm×2 mm×10 mm。LD用半导体制冷器(TEC)控温，使LD发射波长与Nd∶YAG晶体的吸收波长吻合。整个谐振腔用一个TEC实现精确温控确保激光器稳定运行。谐振腔的长度约为25 mm。选用的双折射滤波器(未镀膜)的厚度为2 mm，选用的标准具(未镀膜)的厚度为400μm。

图5 实验装置图Fig.5 The schematic of the experiment setup

把双折射滤波器以布儒斯特角放置到光路中，调整双折射滤波器的调谐角到0.7504 rad，调节输出耦合镜和LBO的位置，以获得最佳输出。采用OCEAN OPTICS公司HR4000CG-UV-NIR光谱仪测量输出的二次谐波的光谱特性，如图6所示。从图中可以看出获得了稳定561 nm的单谱线输出，双折射滤波器成功抑制了竞争谱线(1112 nm、1116 nm)振荡。如果不使用双折射滤波器，输出为556 nm、558 nm和561 nm三条谱线且波动很大［4］。使用功率计测量出输出功率关于抽运功率的曲线如图7所示。

把标准具插入光路中，调整标准具倾斜的角度到0.054 rad，调节输出耦合镜和LBO的位置，以获得最佳输出。采用 OCEAN OPTICS公司HR4000CG-UV-NIR光谱仪测量输出的二次谐波的光谱特性，如图6所示。比较两种情况的谱线宽度，发现双折射滤波器可以更好的压窄谱线宽度，符合之前的理论分析。

图6 分别采用BF和标准具获得的561 nm单谱线输出光谱Fig.6 The spectrum of the 561nm single-line output with BF and etalon respectively

使用功率计测量出输出功率关于抽运功率的曲线如图7所示。

图7 561 nm输出功率关于泵浦功率的曲线Fig.7 The output power of the 561 nm laser versus pump power

4 结论

使用最大输出功率为5 W的LD抽运Nd∶YAG晶体，通过设计合理的谐振腔的膜系抑制1064 nm和1318 nm谱线的振荡，再分别使用双折射滤波器和标准具作为选择性损耗元件，抑制1112 nm和1116 nm谱线的振荡，获得了稳定单谱线561 nm激光输出。在泵浦功率为4.8 W时，分别获得227 mW和254 mW的561 nm单谱线输出，斜效率分别为6%和6.68%。得出结论采用双折射滤波器相比标准具可以更好压窄线宽，而采用标准具可以获得更高的输出。

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