基于磁光效应的双路偏振输出激光器

阮剑剑,龙 慧,黄晓桦,林洪沂,孙 栋,刘 虹

(1.厦门理工学院光电与通信工程学院,福建 厦门 361024;2.厦门理工学院 福建省光电技术与器件重点实验室,福建 厦门 361024)

1 引 言

掺钕钒酸钇(Nd∶YVO4)晶体是目前用于制作激光二极管(LD)泵浦的全固态激光器中最为有效的激光晶体之一,它具有很多优良的性能,如:稳定的化学和物理加工性、较低激光阈值、较大的受激发射截面、较高的泵浦光吸收效率等,使得Nd∶YVO4晶体得到了越来越广泛的应用。其基质YVO4属于一种具有较强自然双折射现象的四方晶系晶体,掺钕离子后加强了偏振吸收和辐射特性,以致激光输出呈线性偏振[1-2]。

输出线偏振光的激光器在目标探测与识别、水下探测、生物医学等领域有非常广泛的应用。谢绍禹等研究基于线偏振激光主动成像的目标探测与识别,利用线偏振激光照射探测目标,然后通过比较不同目标材料的反射光偏振度差异和偏振图像来进行探测与识别一种新技术[3-4]。长春理工大学的王春艳等人将线偏振激光应用于水下探测研究中,在水下使用线偏振激光可以减少后向散射的影响,扩大水下扫描成像的作用距离,提高水下目标图像的清晰度[5-6]。在生物医学领域,根据各向异性的生物分子对偏振激光的散射退偏振作用,可以为生物组织病变情况的检测提供一些新的方法[7-8]。

激光器的双路输出同样具有广阔的应用前景,清华大学的张书练等在激光器谐振腔内置入石英片作为双折射晶体,研究了一类正交线偏振激光器,在位移测量、波片位相延迟测量、弱磁场测量等领域得到了新应用[9-10]。刘文清等开展了双通道偏振激光雷达的研制,并对北京局部区域的环境进行监测,通过偏振激光雷达回波信号的偏振特性变化,可以实时确定局部区域内的污染物散布区域、位置和相对强度等信息[11]。清华大学吴冠豪等研制的双光梳绝对测距技术,将双光梳光源、测距光路和数据处理系统集成,充分利用光频梳光谱分辨率强、脉冲速率高等特点,可以为测量精度、测量速度和非模糊范围等综合性能提升方面提供了独有的帮助,目前已经在航天领域的空间相机绝对变形测量和卫星天线展开的地面验证测量中得到了应用[12-13]。本文利用磁光晶体的法拉第磁光效应,设计了一款双路偏振输出的Nd∶YVO4激光器,并研究了磁场强度对激光输出功率和线偏振方向的影响。

2 TSAG磁光晶体特性

法拉第磁光效应是指当线偏振光在磁光介质中传播时,若在平行于光的传播方向上加一强磁场,则光振动方向将发生偏转。入射光矢量旋转的角度α与沿着光传播方向作用在磁光材料上的磁感强度B及光在磁场中所通过的物质长度l成正比,即α=VBl。其中,V是费尔德常数,与介质性质及光波频率有关。同时,磁致旋光的方向只与磁场的方向有关,而与光的传播方向无关,光束往返通过磁致旋光物质时,旋转角度往同一方向累加。

TSAG(Terbium Scandium Aluminum Garnet,铽钪铝石榴石)是一种理想磁光晶体,主要用于400～1600 nm的波长范围,即可见光和红外波段。TSAG具有维尔德常数大(比TGG高20 %左右),低吸收系数(比TGG小30 %左右),高功率,低热致双折射等优点,适用于超高功率激光器。

本文采用的TSAG的尺寸为Φ3.92×7 mm,采用偏振测量仪测量线偏振光旋转角与磁场强度关系如图1所示。由此可计算出,在632.8 nm、654.3 nm和1064.1 nm波长处,TSAG磁光晶体的维尔德常数分别为160.59、142.82、45.16 rad/T·m。使通过该TSAG磁光晶体的线偏振光旋转45°,所需的磁场强度分别为698.3 mT、785.2 mT和2483.2 mT。

图1 TSAG磁光晶体的维尔德常数测量Fig.1 The measurement of Verdet constant of the TSAG magneto-optic crystal

3 实验装置

基于TSAG的法拉第磁光效应,本文设计的双路偏振输出激光器如图2所示。泵浦源采用光纤耦合激光二极管(LD),中心波长为807.9 nm。泵浦光通过透镜组会聚到激光晶体(Nd∶YVO4)端面。激光谐振腔是由激光输入镜(M1)、输出镜(M2)和偏振分束器(MBP)组成的三镜L型谐振腔,M1和MBP之间的距离为105 mm,MBP和M2之间的距离为20 mm。M1是激光高反膜(镀在Nd∶YVO4晶体的左侧面),它对于807.9 nm的光具有高透过率,对于1064 nm的光具有高反射率。M2对于1064 nm光的透过率为10 %。MBP为偏振分束器,对于P光的透过率为99.8 %,对于S光的透过率则小于0.1 %。当1064 nm的激光通过时S光将发生折射并继续传播以实现振荡,而P光则可以通过该偏振分束器逃离谐振腔。

实验中将TSAG磁光晶体放置于激光器的L型谐振腔内,当未加磁场时,因激光晶体钒酸钇(Nd∶YVO4)产生的激光为S光,则输出端有激光输出,逸出端没有。当外加磁场时,通过磁光晶体的激光偏振方向发生旋转,输出端激光偏振角度旋转α,如图2(a)所示；部分激光经M2反射后再次经过磁光晶体时,激光的偏振方向将改变2α,则P光分量可从偏振分束器逸出,如图2(b)所示。逸出端P光的透射率可以由下列方程决定:

Tp=sin2(2α)=sin2(2VBl)

图2 实验装置图Fig.2 Experimental device diagram

式中,可见,改变磁场强度B,就可以改变P光的透过率,从而改变激光的输出功率。

根据公式可得,1064.1 nm波长下,逸出端的透过率TP与磁场强度的对应关系如图3所示。可知,要使MBP的透过率达到10 %、20 %、30 %、40 %和50 %,所需的磁场强度分别为517.7 mT、746.9 mT、927.4 mT、1094.0 mT和1247.7 mT。

图3 逸出端的透过率TP与磁场强度的对应关系曲线Fig.3 The relationship curve between TP and magnetic field intensity at the escape end

4 实验结果

实验中,当泵浦功率为5868 mW时,测量不同磁场强度下Nd∶YVO4激光器的输出功率,如图4所示。由图4可知,当未加磁场时,输出端的输出功率为2175 mW,逸出端则无功率输出。随着磁场强度不断增强,输出端的功率不断减弱,逸出端的功率则不断增强。实验装置中,将MBP,M2和TSAG都放置于电磁铁线圈内的空气隙处,导致气隙宽度较大,磁场强度最大只能达到563.4 mT,此时输出端的功率为1117 mW,逸出端的功率则为1398 mW,比输出端功率更大。

当磁场强度为510.8 mT时,两个端口的输出功率相等,为1249.3 mW。此时,MBP的透过率为10 %,与M2的透过率一致。

图4 泵浦功率为5868 mW时,不同磁场强度下Nd∶YVO4激光器的输出功率Fig.4 The power of Nd∶YVO4 laser under different magnetic field intensity when the pump power is 5868 mW

当磁场强度为510.8 mT时,激光器输出功率随泵浦功率的变化如图5所示。可见输出端和逸出端的功率基本保持一致。激光器的泵浦阈值约为2009 mW。在5868 mW的泵浦功率下,其输出功率为1237 mW,其转换效率为21.1 %。

图5 激光器输出功率随泵浦功率的变化情况Fig.5 The relationship curve between the power of Nd∶YVO4 laser and the pump power

5 结 论

利用TSAG磁光晶体的法拉第效应,本文设计了一款双路输出激光器,其输出为线偏振激光,且输出功率随磁场强度变化而变化。当磁场强度不断增强时,输出端的功率不断减小,而逸出端功率则不断增大。当磁场强度为510.8 mT时,两个端口的输出镜透过率相等,此时,两路激光的输出功率相等。在5868 mW的泵浦功率下,其输出功率为1237 mW,其转换效率为21.1 %。该激光器在位移测量、区域环境监测和双光梳测距技术等方面具有一定的应用价值。