561 nm全固态低噪声激光器研究

马 威,高兰兰,朱心宇

(长春理工大学,吉林 长春 130022)



·激光器技术·

561 nm全固态低噪声激光器研究

马 威,高兰兰,朱心宇

(长春理工大学,吉林 长春 130022)

利用激光二极管端面泵浦Nd∶YAG晶体,通过LBO非线性晶体腔内倍频,利用双折射滤波器进行选频,最终获得稳定的低噪声561 nm激光输出。LBO晶体尺寸为2 mm×2 mm×10 mm,采用Ⅰ类相位匹配切割。抽运功率为4.8W时,低噪声561 nm激光最大输出功率为70 mW,光-光转换效率为1.46%。作为对比,再利用布氏片进行选频,得到的561 nm激光的噪声高于利用双折射滤波器进行选频时的噪声,实验结果与理论分析一致。

激光器；561 nm；双折射滤波器；LBO晶体；低噪声

1 引 言

激光器噪声是衡量其性能的主要因素之一。激光器噪声越低,输出光强出现瞬间尖峰的几率就越低,激光器的功率稳定性越高,而且会减少对腔内光学元件的损伤,从而延长激光器的工作寿命[1]。波长为561 nm黄绿光在生物医学方面有重要的应用,它是共焦显微镜流式细胞仪及其他生物成像装置的理想光源,同时也是激光治疗复杂眼科疾病的最佳波长[2,3]。因此,研究高稳定性低噪声561 nm激光输出是该波段激光器实现临床应用的关键。但在腔内倍频激光器中,由于工作物质中的交叉饱和以及非线性晶体中的和频效应的作用,使得腔内倍频激光器功率起伏比较大,制约了其发展,因此必须采取措施使激光器低噪声运转。

1986年,T.Baer[4]利用腔内倍频多纵模速率方程理论对腔内倍频激光器的功率起伏问题给出了合理解释,并指出强迫激光器单频运转可以消除晶体内的和频效应,获得稳定的倍频光输出,这在实验上也得到了验证。2006年，Jia等[5]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 绿光。2013年,邵志强等[6]在808 nm LD的抽运功率为5 W时,获得了123 mW的561 nm输出。但是目前国内外有关毫瓦级低噪声561 nm黄绿光的报道还比较少。

本文利用4.8 W的激光二极管(LD)抽运Nd∶YAG晶体,产生1123 nm的基频光,再分别用双折射滤波器(BF)、布氏片(BP)进行选频,最后利用Ⅰ类相位匹配切割的LBO非线性晶体进行腔内倍频,实现561 nm激光输出。实验结果显示,利用双折射滤波器进行选频时,激光器容易产生低噪声561 nm激光输出。561 nm激光输出的信噪比为7%,用布氏片选频时,激光器的噪声比较大,信噪比达到42%,实验表明,选用双折射滤波器实现选频是得到低噪声激光输出的有效方法。

2 实验装置

实验装置如图1所示,激光二极管(LD)作为抽运源,最大输出功率为5 W,输出中心波长为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Nd3+掺杂原子分数1%的Nd∶YAG 晶体,尺寸为3 mm×3 mm×3 mm,用铟铂包裹并且固定在一个铜槽中,入射面镀有808 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倍频晶体,尺寸为 2 mm×2 mm×10 mm,Ⅰ类相位匹配切割,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,左表面镀有1123 nm的高反膜(R>99%)和1064、1318 nm的增透膜(T>90%),右表面镀有561 nm的增透膜(T>90%)。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30 mm。实验选用的双折射滤波器(未镀膜)的厚度为2 mm,选用的布氏片(未镀膜)的厚度为1 mm,均呈布氏角放置。

图1 实验装置图

3 实验结果

如图1(a)所示,将LBO放到谐振腔中,调节LBO的放置角度,使得基频光以最佳相位匹配角方向入射,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,得到如图2所示的谱线图,由图可以看出,激光输出为多条谱线。

图2 谐振腔内只插入LBO时561 nm的谱线图

将双折射滤波器(BF)以布儒斯特角放置到谐振腔中,并使其调谐角为0.744 rad,微调LBO和输出镜的位置,以获得最佳输出光。输出功率为30 mW 时,测得输出激光的噪声如图3所示。

图3 谐振腔内插入BF时561 nm激光器的噪声图

图3(a)为没有光信号输入时示波器的噪声图,图3(b)为有561 nm激光输入时的噪声图,对比图3(a)和(b)可以看出，获得了561 nm低噪声输出,并且实验过程中发现随着功率的升高,噪声有不断增加的趋势。这是因为,随着泵浦功率的增大,腔内纵模数量不断增加,模式竞争和非线性耦合效应增加导致噪声增大。用格兰棱镜测得561 nm激光的偏振比为100∶1。同时,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4所示。从图中可以看出561 nm激光为单谱线输出。双折射滤波器成功抑制了竞争谱线(1112 nm、1116 nm)振荡,从而降低了激光噪声。

如图1(b)所示,将布氏片以布氏角放到谐振腔中,调节LBO和输出镜的位置,以获得最佳输出光。测量输出激光的噪声,如图5所示,可以看出此时激光器具有很高的噪声,信噪比达到42%。对比图3(b)的噪声情况,可以看出利用双折射滤波器的情况下噪声更低。同时,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4所示,从图中可以看出,用BP也同样获得了561 nm的单谱线输出。

图4 分别采用BF、BP获得的561 nm单频谱线输出

图5 在谐振腔内插入布氏片时561 nm激光器的噪声图

将双折射滤波片插入谐振腔中,调整LD的输入电流,输出功率随泵浦功率的增加而升高,泵浦功率为4.8 W时,最大输出功率为70 mW,光-光转化效率为1.46%,输出功率关于泵浦功率的曲线如图6所示。

图6 561 nm输出功率关于泵浦功率的曲线

在实验过程中发现,将BF和LBO的位置调换,得到的噪声大小相差很大,把BF放在接近Nd∶YAG的位置时,得到的噪声较小,出现这种现象的原因我们会在以后的工作中进行研究。

4 理论分析

4.1 腔内倍频激光器产生噪声的原因

腔内倍频[7]是中低功率激光器最常用的倍频方法,但是由于空间烧空效应和和频效应的存在,激光器的输出功率波动大、一般激光光强波动的频率为数十赫兹,相干性和光斑质量也受到了影响,因此解决腔内倍频激光器的噪声问题,已成为目前的研究热点。561 nm腔内倍频固体激光器产生噪声的原因主要有以下几点:

(1)基频光本身不同纵模间的竞争；

(2)1112，1116，1123 nm谱线之间的竞争；

(3)倍频光的三波耦合作用。

消除噪声[8-9]的方案可以归结为强迫激光器单频运转和改变激光器的偏振态。只要通过合理的膜系设计以及各选频元件的调谐,就可以有效地消除掉1112 nm、1123 nm波长的光,从而减少各谱线之间的竞争。本文采用在谐振腔内插入双折射滤波器或布氏片来选频,从而迫使激光器单频运转,最终获得561 nm低噪声激光输出。

4.2 双折射滤波器的工作原理

双折射滤波器[10](BF)通常由一片或多片天然或人工石英晶体加工而成,每片BF加工成两表面相互平行,它们的光轴可以与表面成一定角度,亦可以平行于平面。我们主要用光轴与表面平行的BF来滤光。

如图7所示为单元滤光片的工作原理图,我们规定,包含光轴C且垂直于BF表面的平面称为主平面,入射光和法线构成的平面称为入射面,并且入射光的偏振方向与入射面重合,θ为入射角(布儒斯特角),A为主平面和入射面之间的夹角为调谐角,γ为入射光线和光轴之间的夹角。由于石英晶体的双折射效应,当一束平面偏振光入射到BF上,将会在晶体中产生双折射现象,分解为o光和e光,当它们通过BF后,会产生相位延迟,其相位延迟量为：

(1)

式中，l为BF厚度,(no-ne)为o光和e光的折射率差,λ为入射光波长。由图7和式(1)可知,当以BF面法线为轴转动BF时,相位延迟量δ也发生相应的改变,从BF透射的o光和e光,若经过一个平行于入射面的偏振片时,两束光将会发生干涉,其光强透射比为：

(2)

其中,φ为偏振面与电位移矢量D′(或D″)的夹角:

(3)

其中,α为光轴和BF表面的夹角,由于我们是用BF滤光,所以α=0,因此:

sinφ=cotγtanθ

(4)

把式(4)代入式(3)中,得:

(5)

由式(5)得双折射滤波器的透过率关于调谐角的曲线,如图8所示。从图中可知,当调谐角为0.744 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[11],从而减小了激光器的噪声。

图7 双折射滤光片的工作原理图

图8 BF的透过率关于调谐角的曲线

4.3 布氏片的工作原理

在谐振腔内插入布氏片[12],可以起到两个作用:①频率不同的纵模往返经过倍频晶体时,偏振方向会略有不同,BP对存在s分量的纵模也会引起反射损耗；②不同频率纵模的布氏角略不相同,某一角度对于某一纵模为布氏角时,对其他纵模的p分量可能会存在一定的反射性损耗。我们主要应用第一点来抑制该纵模的形成,通过对各纵模的选择性损耗实现选频,从而抑制噪声。

例如，教师可以从最基本的启蒙诗词《静夜思》入手，通过为幼儿讲解著名诗人李白创作这首古诗的背景，进而激发幼儿的阅读兴趣。具体来讲，教师可以如是说：“小朋友们，今天我们来一起学习一首古诗，诗的名字叫做《静夜思》，这首诗由我国著名诗人李白所作，李白在创作这首诗的时候，正处于一个皓月当空的深夜，你们想知道作者怎样结合深夜意境创作出这首诗的吗？”幼儿异口同声：“想。”如此，便可以有效激发幼儿的阅读兴趣，继而培养幼儿良好的阅读习惯。

根据Fresnel定律,把入射光的电矢量分解为平行和垂直于入射面的p波和s波,他们的反射率Rp和Rs分别为:

(6)

(7)

式中,α,β分别为入射角和折射角,空气和布氏片的折射率分别为1和1.52,由折射定律可知:

(8)

由式(6)～(8)可得光波在BP表面的反射率曲线,如图9所示。

由图得到布氏角约为57°,此时p波的反射率为零,s波的反射率为15%。由Fresnel定律可知,只有当偏振方向与BP的p偏振面重合时损耗才为零,对其他纵模则存在不同的损耗。但单个布氏片的选频能力有限,在较高的抽运功率下还会形成多纵模,加大激光器的噪声,因此,将BF插入谐振腔内更容易获得低噪声。

5 结 论

利用LD端面泵浦Nd∶YAG晶体,通过LBO非线性晶体腔内倍频,利用双折射滤波器/布氏片进行选频,抑制激光器噪声,获得稳定的低噪声561 nm激光输出。分别用BF和BP来选频,实验结果表明选用BF选频的实验装置,获得较低的噪声,信噪比为7%,实验结果与理论分析一致。通过合理的膜系设计以及谐振腔内各元件合理的摆放位置,在抽运功率为4.8 W时,低噪声561 nm激光最大输出功率为70 mW,光-光转换效率为1.46%。由于LBO晶体经过多次反复试验,损坏比较严重,因此得到的输出功率较低,如果更换新的LBO晶体,一定可以获得更高的转换效率。

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Research on 561 nm all-solid-state low-noise laser

MA Wei,GAO Lan-lan,ZHU Xin-yu

(Changchun University of Science and Technology,Changchun 130022,China)

Using a laser diode end pumped Nd∶YAG crystal,LBO nonlinear crystal intracavity frequency doubling,birefringent filter(BF)frequency-selecting,a stable 561 nm laser output with low noise is obtained.The size of LBO crystal is 2 mm×2 mm×10 mm,and the crystal is cut with type Ⅰphase matching.The 561 nm laser maximum output power with low noise is 70 mW when the pump power is 4.8 W,and the optical to optical conversion efficiency is 1.4%.As a contrast,using frequency-selecting with BP,the obtained noise of 561 nm laser is higher than that by BF.The experimental results and theoretical analysis are consistent.

lasers;561 nm;BF;LBO crystal;low noise

1001-5078(2015)10-1206-05

2011年高等学校博士学科点专项科研基金联合项目(No.20112216110006)资助。

马 威(1988-),女,硕士研究生,研究方向为光子学与光电子技术。E-mail：846432717@qq.com

2015-01-19;

2015-01-30

TN248.1

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.10.012