912 nm/1064 nm同步双波长激光特性研究

尤建村,闻 军,马业万

(安庆师范大学电子工程与智能制造学院,安徽 安庆 246011)

1 引 言

近年来,同步双波长激光器在多个领域有着重要的应用,如光谱学,光通讯,医疗器械,激光雷达,环境监测以及非线性光学的研究等方面[1-4]。掺钕晶体由于其高增益,宽吸收带等优势可用做激光材料输出高功率双波长激光。例如Nd∶YVO4[5-6]和Nd∶GdVO4[7-8],Nd∶LuVO4[9],Nd∶YAG[10]等晶体被广泛用于此类激光器。目前,通过使用二极管泵浦,同步双波长激光器运转在1.06 μm4F3/2-4I11/2和1.3 μm4F3/2-4I13/2两个四能级跃迁的过程中,已经在Nd∶YVO4和Nd∶GdVO4,Nd∶YAG晶体中实现[5-8]。并且,以相同的高能级F3/2和三个不同的低能级4I9/2,4I11/2,4I13/2为基础的双波长激光器也已经被报道[11-13],包括通过专门的腔镜镀膜的方法输出1074 nm /1112 nm[14],通过使用法布里-珀罗滤镜作为输出耦合的方法输出1064 nm/1073 nm[15],以及近几年的1319/1338 nm[16],1052 nm/1064 nm[17],1357 nm/1444 nm[18]等双波长激光器被报道。总体而言,掺钕晶体的同步双波长激光器可以归为两类；第一类包含了两种不同的能级跃迁,4F3/2-4I9/2,4F3/2-4I11/2或者4F3/2-4I13/2,产生了大的波长间隔；第二类是激光运转在同一激光跃迁的过程中,伴随着很小的波长间隔。然而双波长激光器使用相同的激光介质运转在相同的谐振腔内是相当困难的,由于围绕1.06 μm的4F3/2-4I11/2有效跃迁比围绕0.91 μm的4F3/2-4I9/2准三能级跃迁的受激发射截面高近20倍,两者存在明显的增益竞争。因此,双波长激光器使用单一的激光晶体是低效的。为了避免增益竞争,双波长输出也可以通过使用复合腔分别泵浦两个激光晶体来产生,然而,该方法难以应用和商业化,因为它需要两个结构更复杂的泵浦装置,在实验过程中给调整过程带来了更大的困难。非线性频率变换也是获得双波长输出的重要手段,如和频、拉曼频移等。然而,这些方法需要考虑严格的相位匹配和结构,设计相当复杂。具有腔内级联泵浦方式的双波长激光器结构相对简单,可有效避免腔内增益竞争,而且腔内激光可直接将Nd3+离子泵浦到4F3/2激光上能级,有效的降低了热负载效应。

本文首先提出了准三能级和四能级腔内泵浦的连续光双波长激光器的理论模型,推导出双波长激光器的输出功率的表达式,并在理论模型基础上,采用腔内级联泵浦方式,以879 nm激光二极管为泵浦源,Nd∶GdVO4晶体产生912 nm准三能级激光,912 nm激光作为Nd∶YVO4激光晶体的腔内激光泵浦源,产生1064 nm四能级激光输出。这两种泵浦过程都属于直接泵浦,可以减少泵浦光子与激光光子之间的斯托克斯位移,提高斯托克斯效率。经过实验优化后,获得912 nm的准三能级激光最大输出功率为0.65 W,斜效率约为7 %,1064 nm的四能级激光最大输出功率为1.58 W,斜效率约为16.6%。

2 理论模型

假设泵浦光强在准三能级激光和四能级激光上的分配是均匀的,且空间位置不变化。假设准三能级激光的增益介质尺寸是l1,折射率是n1,激光谐振腔长是L1,束腰半径是ω1。四能级激光的增益介质尺寸是l1,折射率是nn,激光谐振腔长是L2,束腰半径是ω02。腔内第二个增益介质的泵浦源是腔内的准三能级激光,可以把第二块增益介质的对腔内激光的吸收看做准三能级激光的腔内损耗。基于以上的理念,建立了腔内泵浦的双波长连续激光的速率方程[19]。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

表1 文中符号所表示的物理量

以上模型的建立是基于泵浦光强分配均匀,且空间位置不变的假设条件,推导出了准三能级激光器和四能级激光器的输出功率表达式。如果假设条件不成立,泵浦光场分布不均,则会使光束束腰半径,发散角,光吸收效率等参数出现不稳定变化,从而导致激光阈值增加；光束质量因子下降；光转换效率降低；晶体内部温度场分布不均匀,折射率分布不均,产生附加相位空间变化,增加腔内损耗等多种状况出现。这种状况与以上建立模型相差较大。通过对式(5)和式(6)进行分析,可知要实现准三能级激光和四能级激光的振荡,须有效降低损耗,降低激光器的阈值,可从多角度进行设计,如选择低损耗腔镜,晶体浓度适当,晶体尺寸不宜过长等方案来提升泵浦光的吸收效率,泵浦光的束腰半径要足够小,并选择合理的谐振腔结构等。

3 实验装置

图1所示为连续双波长激光器运转的实验装置,泵浦源为879 nm光纤耦合激光二极管,光纤芯直径为200 μm,数值孔径为0.16,通过一对焦距为50 mm,耦合效率为95 %的聚焦透镜将泵浦光注入激光晶体。其中平凹镜M1和平平镜M2构成了912 nm激光振荡的谐振腔,用来输出912 nm激光的增益介质是Nd3+掺杂浓度为0.1at. %的Nd∶GdVO4晶体,较低掺杂的激光晶体有助于降低准三级系统的热透镜和重吸收损失。晶体几何尺寸为2 mm×3 mm×3 mm,Nd∶GdVO4晶体的左端面镀增透膜,对912 nm和879 nm的泵浦波长高透射(HT,T>99 %),并涂覆1064 nm的减反射膜(AR,R<2 %),从而更有效的抑制四级辐射跃迁。平凹镜M1左边入射面处被涂覆针对879 nm的增透膜(HT,T>99 %),在M1镜的另一面对1064 nm和912 nm(R>99.9 %)高度反射。用于输出1064 nm激光的增益介质是掺杂浓度为0.5 at. %的Nd∶YVO4晶体,晶体的几何尺寸为3 mm×3 mm×3 mm,晶体的左端面涂覆了912 nm 的增透膜(HT,T>99 %)以及1064 nm的高反射膜(HR,R>99.9 %),晶体右端面涂覆对912 nm和 1064n nm高透膜(HT,T>99 %),Nd∶YVO4晶体的左端面与平平镜M2构成了1064 nm激光振荡的谐振腔,平平镜M2对912 nm的激光透射率为T=1 %,对1064 nm的激光透射率为T=3 %,输出镜M3与水平方向成45°放置,该镜片对912 nm高透射,对1064 nm高反射。两块晶体分别被固定在多通道的铜制散热器上,并将其连接在恒温为15 ℃的水冷装置上来稳定晶体的温度。

图1 双波长激光器运转的实验装置

4 实验结果讨论

实验采用腔内级联泵浦方式,以879 nm激光二极管为泵浦源,泵浦Nd∶GdVO4晶体产生912 nm准三能级激光,912 nm激光作为Nd∶YVO4激光晶体的腔内激光泵浦源,产生1064 nm四能级激光输出,该实验方案有效避免了晶体的增益竞争。通过光谱分析发现Nd∶GdVO4晶体对879 nm的泵浦光吸收效率约为40 %,Nd∶YVO4晶体对912 nm的泵浦光吸收效率约为20 %,后者吸收效率较低,只能通过提高腔内的泵浦功率来弥补从而实现双波长激光振荡。图2显示了在912 nm和1064 nm同步双波长激光输出功率与入射泵浦功率的关系,明显可以看出,随着泵浦功率的增加,912 nm的准三能级激光输出功率与1064 nm的四能级激光输出功率值单调递增,这与前面理论分析的结果是相符的。当泵浦光功率为4 W左右时,两种波长的激光振荡能被同时观测到,当最大泵浦功率为15 W时,可测量得到总的最大输出光功率为2.23 W,总的光-光转换效率为14.9 %,912 nm的准三能级激光最大输出功率为0.65 W,斜效率约为7 %,1064 nm的四能级激光最大输出功率为1.58 W,斜效率约为16.6 %。虽然Nd∶YVO4晶体对912 nm的泵浦光吸收效率低于Nd∶GdVO4晶体对879 nm的泵浦光吸收效率,但是1064 nm的输出激光增加更快,输出功率更高,主要源于其具有更强的增益。图3所示为实验测量得到的912 nm和1064 nm输出激光的光谱。

图2 879nm泵浦的双波长激光输出功率

图3 双波长激光器输出的912 nm和1064 nm激光光谱

从实验结果中发现,改变两个晶体之间的间距会引起912 nm和1064 nm连续输出激光的功率值变化,如图4所示当晶体之间的距离逐渐增加时,1064 nm的输出激光功率会有轻微的减小,而912 nm的连续输出激光功率会有轻微的增加,分析其原因主要是在确定的泵浦功率条件下,双波长激光器两种输出激光之间存在竞争关系,该实验设计还不能完全消除这种竞争关系的存在,将在后续工作中研究。图5所示为双波长激光的TEM00光斑模式分布,整体分布相对均匀,测得912 nm和1064 nm激光的光束质量因子M2分别为1.23和1.11。

图4 两晶体间距与912 nm和1064 nm输出功率的关系

图5 双波长激光光斑模式分布

5 结 论

通过理论与实验两种不同的方式研究了912 nm和1064 nm连续输出的同步双波长激光器的相关特性。理论上提出了是准三能级激光与四能级激光同步输出的理论模型,并在此基础上分析推导了两种不同波长激光的输出功率表达式,为实验设计提供了理论依据。本实验中设计了以Nd∶GdVO4晶体和Nd∶YVO4激光晶体为增益介质的腔内级联泵浦的实验方案,成功实现了912 nm和1064 nm的同步双波长连续激光器的运转,在最大15 W的泵浦功率下,得到最大输出功率为0.65 W的912 nm准三能级激光,斜效率约为7 %,以及最大输出功率为1.58 W的1064 nm的四能级激光,斜效率约为16.6 %。总的光-光转换效率为14.9 %。该实验方案有效地消除了912 nm和1064 nm辐射光的增益竞争,首次验证了腔内级联泵浦结构下以879 nm波长为泵浦光实现同步双波长激光输出的可行性,并发现腔内晶体间距的变化会引起准三能级激光与四能级激光的输出光功率出现此消彼长的变化。以上研究对后期双波长激光以及合频等方面的研究具有重要的意义。