基于级联PPMgLN晶体的双倍/三倍频双波长激光器

孙 杰，陈怀熹，张新彬，冯新凯，李广伟，粱万国

(1.中国科学院福建物质结构研究所，福州 350002；2.福州大学化学学院，福州 350108；3.中国福建光电信息科学与技术创新实验室(闽都创新实验室)，福州 350108)

0 引 言

可见光激光器和近红外(NIR)激光器在众多领域都有广泛应用，从科学研究到工业使用都发挥着巨大作用。紧凑结构提供的稳定的516 nm绿色激光，具有很高的相干性，在高分辨率和精密光谱学，光频率标准和时钟，原子冷却和俘获，量子光学和量子信息的应用领域中是重要的光源[1-4]。此外，775 nm的NIR激光器推动了电信、光谱学和生物医学组织成像的应用[5-7]。为了同时获得两种波长的激光，将1 550 nm的激光同时进行倍频和三倍频是一种行之有效的方法。

常见的1 030 nm、1 064 nm激光作为基频光时，通过倍频方式即可获得绿光激光。例如，在2006年，Wallerand等[8]为了更精准地测量碘的超精细谱线，基于分布式反馈(DFB)光纤激光器提供的12 mW 1 029.3 nm光，通过周期性极化MgO∶LiNbO3(PPMgLN)晶体单程倍频得到514.7 nm绿光，实现了127I2在514.67 nm附近的超精细光谱仪，且在150 kHz范围内连续频率可调。2008年， Pullen等[9]将光纤激光器发出的1 029 nm光通过PPMgLN晶体倍频得到了转换效率为32%的514.5 nm绿光。2017年，Jensen等[10]使用1 030 nm半导体激光器作为基频光源，通过倍频在PPMgLN和PPMgSLT晶体级联中产生515 nm的3.5 W绿色激光。而本文为实现双波长激光输出所选用的1 550 nm基频光要通过三倍频效应获得绿光激光。2006年南京大学的王飞跃等[11]报道了使用LN晶体基TiO2、SiO2非晶纳米腔在绿光波段内实现了三倍频输出的大幅增强。2015年Sederberg等[12]使用硅基纳米等离子体波导实现三次谐波转换获得了35 nW的517 nm绿光，转换效率为2.3×10-5。2016年，Philippe等[13]使用两块PPLN晶体对1 550 nm泵浦光进行三倍频获得了290 mW的514 nm绿光输出，转换效率>36%。本次实验同样选择的是PPLN晶体。与KTP、LBO、BBO和其他非线性晶体相比，LN晶体更稳定，具有更大的非线性系数(d33=25.3 pm/V)，更好的抗光折变性能，并且不产生走离效应[14-16]。与之不同的是，本文使用了单块级联PPMgLN晶体以获得更紧凑的实验装置。

本文介绍了单块PPMgLN晶体中1 550 nm波长的同时倍频和三倍频。在31 ℃的工作温度下，获得波长为516 nm和775 nm的两束光波，相位匹配周期分别为Λ1=19.35 μm和Λ2=6.98 μm。实验结果将为紧凑型双波长共线激光器提供重要的案例。

1 理 论

光波在周期极化晶体中的耦合方程为：

(1)

式中:E是复数电场;z是传播距离;c是真空光速;ω1、ω2、ω3分别是三束光波的角频率;n1、n2、n3是其相应的折射率;k1、k2、k3是相应波矢;dH是周期极化晶体的最大有效非线性系数;m是极化周期阶数;D是占空比;Λ是极化周期。

周期极化晶体的极化周期要满足相位匹配条件：

(2)

变换公式，极化周期可表示为：

(3)

式中:λ1、λ2、λ3分别是三束光波的波长。

根据Sellmeier[17]方程求得不同温度、波长下晶体的折射率。以PPMgLN晶体实现1 550 nm三倍频时，倍频极化周期和三倍频周期与温度的关系如图1所示。

图1 倍频周期和三倍频周期与温度的关系

2 实 验

本文所使用的PPMgLN晶体由外加脉冲电压极化方法[18-21]制备而成，主要制作流程包括：掩膜版的制作，磁控溅射镀电极，光刻，电场极化。其中，光刻工艺在百级无尘室中进行，涉及清洁、旋涂、烘烤、掩模曝光，显影和腐蚀，图2展示了光刻流程的示意图。制成的晶体厚度为0.5 mm，具有两个极化周期为Λ1=19.35 μm和Λ2=6.98 μm，分别适合在31 ℃的温度下实现1 550 nm波长的倍频和三倍频。PPMgLN晶体的示意图如图3所示，晶体的长度为30 mm，分为20 mm和10 mm的两个部分，具有不同的相位匹配周期。

图2 电极图案光刻工艺流程

图3 PPMgLN晶体示意图

实验装置的原理图如图4所示，使用设计好的倍频长度20 mm、和频(SFG)长度10 mm，总长30 mm的PPMgLN晶体进行实验。使用可调谐激光器(TLS)作为泵浦光源，中心波长固定在1 550 nm，使用掺铒光纤放大器(EDFA)对泵浦光进行放大，通过单模光纤输出，经起偏器调整为线偏振后通过耦合透镜耦合进PPMgLN晶体产生倍频光和三倍频光，通过温控炉进行温度调节，调至最佳相位匹配温度，最后经过滤波片选择透射的输出光功率，用功率计进行测量。图5展示了实验测得输出光的光谱图，分别为516.74 nm和774.89 nm。

图4 基于级联PPMgLN晶体通过倍频和三倍生成双波长激光输出的实验装置示意图

图5 31 ℃时PPMgLN晶体的倍频光和三倍频光的光谱图

3 结果与讨论

尽管在PPMgLN的设计中，根据相位匹配条件来计算晶体极化周期，但实际上存在制造误差和其他因素，例如0.20 nm的光谱宽度和温度控制精度，可能会导致相位失配。准相位匹配(QPM)过程中的这种相位失配可能导致SHG与SFG的转换效率下降。从这个角度来看，需要考虑QPM容差。对于单周期周期性极化的晶体，可以通过温度调节来补偿极化周期误差，并且将由此产生的相位失配写为：

(4)

式中:ΔΛ是周期误差;T是温度;ΔT是温度误差。

但是，对于具有两个极化周期的晶体，QPMSHG和QPMSFG的周期误差不同，并且达到补偿条件的温度也不同。当倍频过程的工作温度TSHG为实际工作温度时，此温度下和频过程的相位失配为Δk=2πm/f(λ1,TSFG)-2πm/f(λ1,TSHG)。ΔTSHG与ΔTSFG的差值越大，和频过程中的相位失配越大。相位失配引起的和频率效率的降低可以使用以下公式表示：

η=Asinc2(ΔkL/2)

(5)

式中:A是三倍频的最大转换效率;L是晶体长度。

PPMgLN晶体的相位匹配温度的设计值为31 ℃。图6展示了当泵浦功率为10 W时，以0.1 ℃的温度梯度从25 ℃升高到34 ℃时，测得的SHG功率和THG功率与泵浦功率的关系。516 nm和775 nm波长的光输出功率分别在30.8 ℃和31.8 ℃达到最大值。SHG和SFG过程的最佳相位匹配温度之间存在1 ℃的偏差，这主要是由晶体制作过程中极化周期的误差产生的。极化周期误差使得基频光和倍频光产生相位失配，从而导致转换效率下降。此外，光谱宽带、温度控制精度和基频光与晶体的耦合效率也会对转换效率产生影响。在本次实验中，选择的晶体工作温度为30.8 ℃。

图6 倍频、三倍频的输出功率随温度变化的示意图

相较于Charles等[12]通过两块PPLN晶体级联三倍频获得516 nm绿光，本实验装置使用单块级联PPLN晶体使得器件进一步小型化，并且在此晶体长度和工作温度下可以同时输出绿光和近红外光。本文测量了这两种光的功率。如图7所示，当1 550 nm的泵浦功率为2 W时，获得了1.19 mW 的775 nm光和0.15 mW的516 nm光，转换效率分别为0.595%和0.075%(在T=30.8 ℃)。可以看出，输出功率随着泵浦功率的增加而快速增长，通过提高泵浦功率可以进一步提高转换效率，除此以外，改善晶体的极化周期精度减少相位失配也将有助于提高转换效率。可以通过插入滤光片或偏振分束器来选择516 nm或775 nm的单波长激光输出。

图7 倍频、三倍频功率随泵浦功率变化的示意图

4 结 论

本文设计并制作了级联的周期极化掺镁铌酸锂晶体，用于研究基于通信波长倍频/三倍频的双波长激光输出。与两个晶体分别实现倍频与和频的方式相比，该方法具有更简单的温度控制和整体结构，晶体温度为30.8 ℃时，在2 W泵浦功率下获得516 nm的0.15 mW绿光和775 nm的1.19 mW的光。本文建立的紧凑型双波长共线激光输出装置不仅适用于516 nm和775 nm光的输出，在铌酸锂晶体通光范围内的波段都可以使用此装置获得倍频/三倍频的双波长激光输出，紧凑型双波长共线激光器的搭建可以参考此装置。