基于Nd:YAG/LBO倍频蓝光的全固态激光综合实验系统

钟 凯, 温午麒, 徐德刚, 姚建铨

(1. 天津大学 精密仪器与光电子工程学院, 天津 300072；2. 天津大学 光电信息技术教育部重点实验室, 天津 300072)

激光技术是信息技术的支柱及核心技术之一。20世纪80年代以来,随着大功率激光二极管(LD)的发展,采用激光二极管泵浦的全固态激光器以其效率高、体积小、光束质量好、寿命长等优点,成为激光技术领域研究的热点方向之一[1-2]。其应用遍及国计民生的各个领域。

高校通常开展的激光类实验有Nd:YAG激光器、He-Ne激光器、电光调Q、激光电源等实验[3-8],但这类实验能够实现的教学目标单一,教学内容相对落后,不利于学生对激光器相关知识点的掌握,也难以培养学生对激光器系统的全面理解和总体设计能力。

本文基于LD端面泵浦Nd:YAG激光器及LBO晶体腔内倍频,开发了一款结构简单、功能全面、维护容易的全固态激光与非线性光学综合实验系统[9]。该系统除了能够实现传统全固态激光实验装置在激光输出特性、激光模式等方面的实验内容外,通过引入准三能级激光系统，并对LD、Nd:YAG及LBO进行独立温控,实现了LD输出波长调谐、Nd:YAG的能级结构、非线性光学倍频的角度/温度相位匹配等特色实验内容,在经济性、适用性、功能性及科学前沿性等方面相比现有全固态激光实验系统取得了明显优势。

1 实验系统总体方案

图1为实验系统方案示意图,其结构为典型的端面泵浦内腔倍频激光器。泵浦源是波长在808 nm附近的LD,在注入5 A电流时额定输出功率为5 W。LD发出的激光经1∶1的非球面汇聚到激光增益介质Nd:YAG晶体中。Nd:YAG晶体尺寸为3 mm×3 mm×3 mm,Nd3+离子的掺杂原子百分数为1%,在泵浦光一端镀有808 nm、1.06 μm及1.32 μm的增透膜，以及946 nm高反膜。该膜层能够减小泵浦光的反射损耗,抑制1.06 μm及1.32 μm四能级激光的振荡，并对946 nm准三能级激光的振荡提供反馈。Nd:YAG晶体另一端镀有946 nm激光增透膜以减小损耗。非线性倍频晶体LBO尺寸为2 mm×2 mm×10 mm,两端面镀有946 nm及473 nm的增透膜,将腔内振荡的946 nm基频光转化为473 nm倍频蓝光。激光输出镜为平凹镜(凹面向内),曲率半径为100 mm,镀有946 nm高反膜及473 nm增透膜。实验系统中的产热器件有LD、Nd:YAG及LBO晶体，均固定在铜质热沉上,由3个半导体制冷器(TEC)进行独立温控,TEC的另一面连接铝质散热片,通过散热片底部的风扇带动空气流动将热量导出。

图1 实验系统总体设计方案

为了扩展实验内容并改善实验教学效果,实验系统中LD的注入电流可以通过驱动器进行改变,3个半导体制冷器可以通过独立的温控表头进行灵活设定,激光输出镜可以通过镜架上的微调旋钮进行调节,以方便学生对激光器的工作参数进行调整。需要注意的是,为保证LD的工作寿命，其注入电流通常不超过3 A。半导体制冷器的温度设置应不低于10 ℃，以避免光学器件的表面结露。

2 可开展的特色实验内容

2.1 LD输出波长的温度调谐

作为固体激光器的泵浦源,LD是以直接带隙半导体材料构成的PN结或PIN结为工作物质的一种激光器。LD通过电流提供泵浦能量,由GaAs、InP等半导体材料作为工作物质,以半导体晶体的自然解理面作为反射腔镜。在受到电注入时,PN结沿着正向偏压注入的电流对工作物质进行激励,从而在节平面区域内产生受激辐射。LD的发射波长受腔长、能隙、载流子浓度、工作物质折射率等因素影响,而这些因素均受温度影响[10-11]。最主要的是半导体的温度T与能隙Eg(T)之间存在以下关系：

Eg(T)=Eg(0)-AT2/(T+B)

(1)

其中Eg(0)为绝对零度时的能隙,A和B为经验参数。能隙的变化引起波长变化如下：

λ=hc/Eg(T)

(2)

一般来说,LD的输出波长与温度具有很好的线性关系(为0.2～0.3 nm/℃),通过温度控制来大范围精确地改变LD的输出波长,从而使其与固体激光工作物质(Nd:YAG)的吸收峰吻合,提高激光转换效率。

2.2 准三能级Nd:YAG激光的原理

Nd:YAG全称为掺钕钇铝石榴石,它是将三价的激活离子Nd3+掺入钇铝石榴石晶体中，替代Y3+离子得到的。Nd3+的简化能级结构见图2。Nd:YAG激光器通常采用808 nm光泵浦,使激活离子由基态跃迁至激发态,并通过无辐射跃迁到达4F3/2的亚稳态(激光上能级),4I9/2、4I11/2、4I13/2都可以作为激光下能级,分别产生0.94 μm、1.06 μm和1.3 μm波段的激光输出。最具实用性的是图2中对应于跃迁R1—Z5的946 nm、R2—Y5的1 064 nm和R2—X1的1 319 nm 3条激光谱线[2]。

图2 Nd:YAG晶体的能级结构

激光产生的重要前提是上能级粒子数多于下能级(即粒子数反转)。Nd:YAG的3条主要谱线中,1 064 nm和1 319 nm都是典型的四能级激光系统,其下能级位于基态能级之上,通常其粒子布居数可以忽略,只需要把少量基态粒子泵浦到激光上能级即可实现粒子数反转。对于典型的三能级系统,其基态能级就是激光下能级,要实现粒子数反转至少需要把一半的基态粒子泵浦到激光上能级才满足粒子数反转条件,因此三能级激光系统的阈值都非常高。而对于Nd:YAG的946 nm激光跃迁,由于其下能级为基态的一个高斯塔克子能级,在室温下存在一定的粒子布居数,这样的能级系统称之为准三能级系统。准三能级激光的特点介于三能级系统和四能级系统之间,一般存在再吸收损耗大、受激发射截面小等缺点,与典型三能级及四能级系统的性质均不同。其中最明显的一点就是准三能级激光系统的效率与增益介质的工作温度密切相关[12-13]。降低工作温度可以减少激光下能级的粒子布居数,从而有效抑制再吸收损耗,降低阈值,提高转换效率。

2.3 LBO晶体的倍频特性

倍频是获得可见波段激光的主要手段,常用的非线性晶体有磷酸钛氧钾(KTP)、三硼酸锂(LBO)等,这两种晶体均为双轴晶体。虽然LBO的非线性系数低于KTP,但LBO具有以下优点：

(1) LBO的光损伤阈值远高于KTP；

(2) LBO既能够实现I类倍频(两基频光偏振方向相同)，又可以实现II类倍频(两基频光偏振方向垂直),而KTP只能够采用II倍频方式；

(3) KTP晶体可以实现相位匹配倍频的最短波长约为997 nm,对于此处946 nm的基频光无法使用。

因此,利用LBO对946 nm激光倍频产生473 nm蓝光是最佳选择。为实现高效倍频,需要根据LBO的色散关系计算其相位匹配条件。

LBO的Sellmeier方程[14]为：

(3)

4.302 5×10-5λ4-2.913 1×10-5λ6

(4)

4.577 8×10-5λ4-3.252 6×10-5λ6

(5)

其中nx、ny、nz是LBO晶体的3个主轴折射率,λ是真空中的波长(μm)。当LBO晶体的工作温度发生变化时,3个主轴折射率的变化量分别表示为：

Δnx=(-3.76λ+2.30)×10-6×(ΔT+

29.13×10-3(ΔT)2)

(6)

Δny=(6.01λ-19.40)×10-6×

(ΔT-32.89×10-4(ΔT)2)

(7)

Δnz=(1.50λ-9.70)×10-6×

(ΔT-74.49×10-4(ΔT)2)

(8)

其中ΔT=T-T0,T0=20.0 ℃。

以I类相位匹配倍频为例[2],根据公式(3)—(7)可以计算出室温(20.0 ℃)时LBO倍频的相位匹配角度(θ,φ),如图3(a)所示。实际操作中为了便于晶体加工,通常使相位匹配方向在晶体的某个主轴面内,当满足946 nm倍频的相位匹配条件时,xy面内的相位匹配角为(90°,19.3°)。此外,考虑到LBO的折射率与温度有关,在相位匹配角处改变LBO晶体的工作温度T,将偏离相位匹配条件,从而将造成倍频效率的下降。图3(b)为满足倍频的相位匹配条件时,LBO的不同工作温度对应的基频光波长。

2.4 实验系统的功能

除了上述特色实验内容之外,该实验系统还能够完成常规固体激光实验系统的一般性实验内容,如固体激光器的基本原理与结构、激光器谐振腔的准直、激光器输入输出特性、激光器横模模式分析等,表1总结了该实验系统的功能,包括能够实现的实验目标及相应的实验原理、实验内容与实验方法。

3 Nd:YAG/LBO腔内倍频蓝光激光器实验结果

3.1 激光器输出特性

首先打开激光器温控系统电源,此时对LD、Nd:YAG及LBO进行冷却的3台独立温控器均进入工作状态,温控表头显示相应的温度设定值及实际值。待温度稳定后打开LD电源,缓慢旋转旋钮,当电压示数达到1.5 V左右时,电流表示数开始增加,继续旋转粗调旋钮直至看到有明显蓝光输出。微调输出镜的角度及3台温控器的设定温度,监测蓝光输出功率,获得激光器的最佳工作条件。此时LD、Nd:YAG和LBO的工作温度分别为20 ℃、18 ℃和23 ℃。LBO最佳倍频温度与理论值的偏离是由晶体加工时的角度误差引起的。得到一组LD的注入电流I与激光器输出功率P的关系曲线，如图4所示。当LD的注入电流为1.6 A时(相应LD输出功率0.7 W)激光器达到阈值,开始观察到473 nm倍频蓝光输出；当LD的注入电流为3A时(相应LD输出功率2.7 W),蓝光输出功率达到280 mW,光转换效率约为10%。每隔0.5 min测量一次激光器输出功率,连续测量10 min,计算出激光器输出功率的均方根不稳定度约为2.3%。

图3 LBO倍频相位匹配条件和基频光波长

序号实验目标实验原理实验内容与方法1∗掌握全固态内腔倍频激光器的基本结构LD端面泵浦内腔倍频Nd:YAG激光器的形式与特点观察全固态激光器的泵浦源、增益介质及谐振腔结构2∗掌握全固态激光器谐振腔准直方法激光器振荡条件与谐振腔损耗的关系调整激光器谐振腔输出镜,监测输出功率的变化3∗掌握激光器输出特性测试方法激光器的阈值性及输出功率随泵浦功率的变化关系改变LD注入电流,利用功率计测量激光器输出功率4∗了解激光器的横模分布及测量方法激光器输出光斑能量分布规律利用CCD测量激光器的横模分布及光束质量6了解LD的工作特性及波长调谐方式半导体的能隙与温度的关系改变LD的工作温度,测量激光输出功率变化5掌握准三能级激光系统的基本原理与特性Nd:YAG激光能级结构改变Nd:YAG的工作温度,测量激光输出功率变化7掌握LBO晶体I类倍频的特性倍频过程的角度/温度相位匹配条件微调倍频晶体的角度及温度,测量激光输出功率变化

*表示全固态激光器实验系统常规功能

图4 473 nm蓝光输出功率与LD注入电流的关系曲线

3.2 LD工作温度对输出功率的影响

保持LD注入电流为3A,Nd:YAG和LBO的工作温度分别为18 ℃和23 ℃不变,通过温控器改变LD的工作温度,LD的输出波长随温度升高而增加,从而偏离Nd:YAG晶体的吸收峰,降低激光转换效率,进而使倍频蓝光激光器的输出功率明显下降。在10 ℃到30 ℃范围内每隔1 ℃记录一次蓝光输出功率,得到蓝光输出功率与LD工作温度之间的关系曲线如图5所示。可以看出随着LD工作温度偏离最佳值,激光器输出功率下降明显,在10 ℃和30 ℃时输出功率分别下降到82 mW和35 mW。

图5 473 nm蓝光输出功率与LD工作温度的关系曲线

3.3 Nd:YAG工作温度对输出功率的影响

保持LD注入电流为3 A不变, LD和LBO的工作温度分别为20 ℃和23 ℃不变,通过温控器改变Nd:YAG的工作温度,并在10 ℃至30 ℃之间变化,每隔1 ℃记录一次激光器的输出功率,得到的Nd:YAG工作温度与激光输出功率的关系见图6。当Nd:YAG晶体温度增加时,由于激光下能级的粒子数增加,重吸收效应使得准三能级激光系统的荧光效率变低,激光器的输出功率明显下降,当晶体温度超过26 ℃时,激光器不再出光；而当Nd:YAG工作温度下降时,激光输出功率并没有呈现升高的趋势,这是由于晶体工作温度的变化同时导致谐振腔的机械结构发生微小变化,偏离了激光器的最佳工作状态。

图6 473 nm蓝光输出功率与Nd:YAG工作温度的关系曲线

3.4 LBO工作温度对输出功率的影响

保持LD注入电流为3 A不变, LD和Nd:YAG的工作温度分别为20 ℃和18 ℃,通过温控器改变LBO的工作温度，并在18 ℃至28 ℃之间变化,每隔0.5 ℃记录一次激光器的输出功率,得到的LBO工作温度与激光输出功率的关系如图7所示。随着温度偏离23 ℃,LBO倍频逐渐偏离相位匹配条件,使得倍频效率显著下降,当LBO晶体温度低于18.5 ℃或高于27 ℃时,无法观察到蓝光输出,倍频效率下降为零。

图7 473 nm蓝光输出功率与LBO工作温度的关系曲线

该实验系统通过对LD、Nd:YAG激光晶体及LBO非线性晶体的独立温控,实现了LD的波长调谐、三能级激光系统的原理以及LBO晶体I类倍频的相位匹配3大特色实验教学内容。学生通过该实验的准备、操作及总结过程,加深对了相关理论和原理的理解,为今后科研和工作打下了基础,全面锻炼了学生思考与解决问题的能力。

4 结语

为满足 “新工科”建设中对激光与光电子类专业领域创新性工程科技人才的培养需求,基于Nd:YAG全固态激光器及LBO腔内倍频设计了一套多功能激光与非线性光学实验系统。通过引入准三能级工作全固态激光器并对LD、激光增益介质及倍频晶体的独立温控,扩展了全固态激光器实验教学内容。该实验在天津大学精密仪器与光电子工程学院实验中心用于实验教学,受到了学生的广泛赞誉,有效提高了学生的创新意识及解决问题的能力,加深了学生对激光及非线性光学技术领域知识较为全面的理解,从而为学生后续走上工作岗位或从事科学研究工作打下了基础。