无热退偏损耗Nd∶YAG环形腔单纵模激光器

杨晓冬,朱伟玲,侯新华

(广东石油化工学院理学院,广东 茂名 525000)

1 引 言

单纵模激光器具有线宽窄、单色性好以及输出功率稳定等特性。半导体激光泵浦的单纵模固体激光同时又具有体积小、寿命长、效率高以及光束质量好等显著优势,其在雷达、光谱学、计量学及引力波探测等领域有非常广泛的用途[1-4]。在诸多单纵模激光技术中,环形腔单纵模激光器是获得高功率单纵模激光输出的有效的技术路线,而Nd∶YVO4晶体是目前高功率环形腔单纵模激光器最为常用的激光晶体。由于Nd∶YVO4晶体发射线偏振光,可避免晶体内热致双折射效应在腔内所引起的热退偏损耗,从而获得较高的单纵模激光输出。2018年,山西大学卢华东教授研究组使用单片Nd∶YVO4晶体,采用端面泵浦结构,获得53 W连续波1064 nm单纵模激光输出,对应光光转换效率44.5 %[4]；同年卢华东教授研究小组在谐振腔内使用两片端面泵浦Nd∶YVO4晶体,同时在环形腔内加入4f像传递系统以增大激光晶体内的基模光斑面积,同时避免由于热焦距太小使谐振腔进入非稳区,最大获得101 W连续波1064 nm单纵模激光输出[5]。根据文献调研,该输出功率为目前最大单纵模激光输出。但由于在该激光谐振腔内使用4f像传递装置,也造成装置稳定性差,激光器调节困难。

与Nd∶YVO4晶体相比较,Nd∶YAG晶体热传导系数是Nd∶YVO4晶体的两倍多,是目前使用最为广泛的优良激光晶体。但由于在高功率泵浦下,Nd∶YAG晶体内存在较为强烈的热致双折射效应,导致Nd∶YAG环形腔单纵模谐振激光器内存在较为强烈的热退偏损耗,从而严重限制Nd∶YAG环形腔单纵模功率输出。2001年,瑞士伯尔尼大学研究人员利用端面泵浦Nd∶YAG环形腔单纵模激光获得4.5W连续波1064 nm单纵模激光输出,对应的光光转换效率约为19 %[6]；1996年,英国南安普顿大学研究者使用端面泵浦Nd∶YAG晶体,从环形腔中获得5.4 W连续波1064 nm单纵模激光输出[7]；2010年,北京工业大学赵伟芳等人使用端面泵浦Nd∶YAG环形腔单纵模激光器,在泵浦功率为7 W时,获得2 W连续波1064 nm单纵模激光输出[8]；2011年,中国科学院理化研究所徐祖彦院士研究组,利用侧面泵浦Nd∶YAG环形腔结构获得31.9 W连续波1064 nm单纵模激光输出,但其光学转化效率不到10 %[9]。

因此降低并消除Nd∶YAG环形腔内的热退偏损耗,对于充分发挥Nd∶YAG晶体热传导率高以及应力裂纹极限大的优势,实现更高功率单纵模激光输出具有一定的意义。

本文探索将腔内偏振器件-薄膜偏振片的反射光束作为Nd∶YAG环形腔输出光束,以消除环形腔单纵模激光器内的热退偏损耗,并提升其功率及效率。

2 实验装置

图1为Nd∶YAG`四镜环形腔实验装置示意图。两激光二极管(Ld)侧面泵浦模块被放置环形腔内,直径为2 mm的Nd∶YAG激光棒被固定在侧泵模块内,Nd∶YAG棒侧面通有冷却水,激光棒两端面镀有1064 nm增透膜；3根808 nm Ldbar对称环绕Nd∶YAG棒,在最大24 A驱动电流下,单个侧泵模块808 nm最大泵浦功率为60 W；腔镜M1、M2、M3、M4为45°,1064 nm全反射镜,腔内薄膜偏振片(Thin-film-polarizer)对s偏振光反射率为99.5 %,对p偏振光反射率约2 %～3 %。腔内法拉第磁光旋光器(Faraday rotator)、二分之一波片与薄膜偏振片构成腔内光学单向器,强迫腔内p偏振光沿箭头所示方向单向运转,以消除晶体内空间烧空,在各向同性晶体内纵模模式竞争的作用下,实现单纵模激光运转。

当腔内激光单向运转时,1064 nm单纵模激光束以布儒斯特角入射到薄膜偏振片,晶体内热致双折射效应所产生的s偏振光被完全反射,同时约有2 %～3 %的P偏振光也被薄膜偏振片反射,这些反射光束即为环形腔输出光束。由于本环形腔输出光束为薄膜偏振片所反射s偏振光与p偏振光迭加,光束偏振态应为椭圆偏振光。腔内所放置法布里珀罗标准具为一片两面未镀膜的石英片,其作用为避免纵模跳模。整个环形腔长度约为0.8 m,根据高斯光束传输矩阵计算可得,晶体内基模光斑直径约为1 mm。腔内光阑直径约为0.8 mm,其作用为抑制腔内高阶模；两LD侧泵模块间放置90°石英旋光片,以补偿晶体内的光束热致双折射效应。

图1 实验装置

与使用专门输出耦合镜Nd∶YAG环形腔单纵模激光器相比较,由于该环形腔输出光束为薄膜偏振片反射光束,热致双折射效应在晶体中所激发的s偏振光为环形腔输出光束,所以腔内热退偏损耗可被完全避免；同时,由于薄膜偏振片对p偏振光反射率为2 %～3 %,所以在使用单独输出耦合腔镜的环形腔内,存在2 %～3 %的p偏振光反射损耗,而在本环形腔内该损耗也可以完全消除。

3 实验结果与讨论

将图1所示谐振腔中二分之一波片快轴相对腔内p偏振光顺时针旋转22.5°,使腔内光束沿箭头方向单向运转,测量薄膜偏振片反射输出功率随着驱动电流变化曲线,测量结果如图2所示。由图2可得,当侧泵模块驱动电流为21 A时,环形腔最大输出功率为5.1 W。图3为在驱动电流为20 A时,利用自由光谱区为3.75 GHz,精细常数为100的共焦球面扫描干涉仪对薄膜偏振片反射光束扫描所得结果,从图3可确定,该Nd∶YAG:环形腔单纵模运转,其单纵模激光线宽约为200 MHz。在整个测量过程中,激光纵模模式稳定。

图2 Nd∶YAG环形腔输出功率随驱动电流变化曲线

图3 共焦球面扫描干涉仪扫描结果

为测量薄膜偏振片反射输出光束偏振特性,在激光功率计前放置格兰泰勒棱镜。将棱镜透偏初始方向设置为与腔内p偏振光方向一致,将格兰泰勒棱镜旋转一周,在驱动电流为20 A条件下,测量棱镜透过功率随透偏轴方向变化,测量结果如图4所示。从图4可得,透射功率最小值约为19 mW,最大透射功率约为3.9 W,输出光束近似为线偏振光,其光矢量振动方向与腔内p偏振光光矢量振动方向夹角为106°。

根据偏振光合成理论,反射输出光束是由薄膜偏振片所反射p偏振光和s偏振光的迭加,反射输出光束应为椭圆偏振光。但由于本实验中,薄膜偏振片对于p偏振光反射率仅为2 %～3 %,反射光束中p偏振光功率很低,而薄膜偏振片对s偏振光几乎为全反射,反射光束中s偏振光强度远大于p偏振光强度,所以椭圆偏振光退化为线偏振光,测量结果也说明这一点。根据图4所示测量结果,当棱镜透偏方向与腔内p偏振光夹角为0°时,棱镜透射p偏振光,透射功率约为0.18 W,功率很低；而当棱镜透偏方向与腔内p偏振光夹角为90°时,棱镜透射s偏振光,透射功率约为4 W,薄膜偏振片所反射s偏振光功率约为p偏振光功率20倍,所以s与p偏振光迭加所合成椭圆偏振光短轴方向功率值很低,椭圆偏振光退化为线偏振光。

图4 格兰泰勒棱镜透射功率

从实验结果来看,本实验输出功率依然不高,其原因可归结与以下两方面:侧面泵浦效率较低。在模块中,808 nm均匀泵浦充满直径为2 mm的Nd∶YAG激光棒横截面,而激光棒内基模光斑直径约为1 mm,泵浦光与腔模重叠效率约为25 %,仅有约25 %的泵浦能量能被利用；薄膜偏振片对p偏振光的反射率约为2 %～3 %,与泵浦功率不匹配,可能太低,并非最佳输出值。所以,采用效率更高的端面泵浦结构,同时采用对p偏振光反射率与泵浦功率相匹配的薄膜偏振片,Nd∶YAG环形腔单纵模输出功率及效率可获得显著提高。

4 结 论

实验表明,采用薄膜偏振片反射光束作为Nd∶YAG环形腔单纵模激光器输出光束,可有效避免腔内热退偏损耗以及薄膜偏振片对p偏振光2 %～3 %的反射损耗,并获得单纵模激光输出。通过对本环形腔泵浦结构、及薄膜偏振片反射率的优化,有望获得结构更为简单,输出功率更高的Nd∶YAG环形腔激光器。