基于准相位匹配PPLN黄绿激光器的研究进展

温志伟,林洪沂,阮剑剑,宋 硕,孙 栋,黄晓桦

(厦门理工学院光电与通信工程学院,福建 厦门 361024)

1 引 言

560～600 nm黄绿色激光是共焦显微镜、流式细胞仪、皮肤和牙科医疗、皮肤美容、精密光谱学、大气激光雷达、激光多普勒测速和其他生物成像设备的理想光源,它也是激光治疗复杂眼科疾病和癌症的最佳光源。如通过黄绿色激光照射驱动受控的光释放药物,可以选择性地治疗癌细胞,而不会对正常细胞产生冲击。在眼科,血红蛋白在黄绿光波段有很高的吸收率而视网膜色素和黄斑叶黄素的吸收可忽略不计,黄绿光是治疗黄斑周围疾病的理想光源。

非线性频率变换技术(和频与倍频)是获得高效、稳定、紧凑黄绿光激光器是一种有效可行的方法。与角度相位匹配的非线性晶体(如LBO、KTP、BiBO)相比,周期性极化晶体具有非常高的非线性系数,可以显著提高可见光转换效率[1-3]。常用周期性极化晶体有PPLN、PPLT、PPKTP、PPKTA、PPMgLN等[3-4]。PPMgLN、PPLN与PPLT、PPKTP、PPKTA相比,在中小功率可见光波段具有更强的竞争力,在室温下即可实现高效可见光输出[5]。

但是,准相位匹配PPLN、PPMgLN晶体的接受光谱线宽比LBO、KTP等角度相位匹配晶体的接受线宽要小很多,而且随着晶体长度的增加,接受线宽会明显变窄。以1112 nm基频光倍频为例(如图1所示),当晶体长度为0.1 mm时,接受线宽为25.9 nm；而当晶体长度为15 mm时,接受线宽仅为0.2 nm。因此,这对黄绿波段的基频光提出了很高的要求,为了提高系统整体效率,基频光的光谱尽量要窄,光斑质量尽量要好。

图1 PPMgLN倍频接受线宽与晶体长度的关系

2 黄绿激光器的种类

性能优良的全固态激光器、光纤激光器、半导体激光器都可以通过非线性频率变换技术(和频和倍频)来获得黄绿激光输出。

2.1 全固态激光结构

全固态激光器可以通过和频和倍频两种方式获得黄绿激光,最常用的和频为1064 nm和1342 nm和频获得593.5 nm,1064 nm和1319 nm和频获得589 nm黄光。而倍频主要是1123 nm倍频产生561.5 nm黄绿光。

2.1.1 全固态激光器和频

全固态激光器和频可以分为腔内和腔外和频两种结构。采用全固态Nd∶YVO4激光器,可以获得593.5 nm黄光；而采用全固态Nd∶YAG激光器,可以产生589 nm黄光。

1) 全固态激光器腔外和频

早在2002年,中国台湾Y.F.Chen就报道了腔外PPLN和频593 nm黄光激光器。他采用特殊的双输出镜输出的双波长Nd∶YVO4激光器,经过聚焦镜耦合聚焦,PPLN和频,获得了92 mW连续黄光输出[6]。同年S.W.Tsai采用声光主动调Q,获得了92 mW,重复频率20 kHz的脉冲输出,转换效率4.2 %[7]。采用和频结构,需要同时实现双波长振荡,对谐振腔的要求比较高,且转换效率较低。

2009年,J.Yue采用0.8 W 1064 nm单频窄线宽Nd∶YAG激光器和0.35 W 1319 nm单频Nd∶YAG激光器,腔外和频获得了超稳定窄线宽低噪声589 nm连续激光[8]。其基频光是由两个独立的单频激光器构成,彼此无相互影响,输出性能更加稳定。此全固态激光可以应用于固态—染料激光混合钠荧光激光雷达发射机中,用于测量80～105 km高空大气的温度和风场。同年日本Tadashi Nishikawa采用性能更优良的脊波导Zn∶PPLN晶体,腔外和频结构获得了494 mW单频黄光输出,转换效率达到了41 %[9]。全固态激光器黄绿光输出特性如表1所示。

表1 全固态激光器黄绿光输出特性

2) 全固态激光器腔内和频

与单通外腔和频相比,内腔和频可以有效的利用腔内较高的基频光功率,提高和频转换效率,同时可以有效的减小PPLN晶体长度,提高激光器温度工作范围。2015年,中科院Yan Qi采用3 mm长PPMgLN晶体,通过腔内和频,获得了620 mW 593.5 nm黄光输出,转换效率(泵浦光808 nm到593.5 nm)达到10.9 %[10]。

2.1.2 全固态激光器倍频

对于Nd∶YAG激光器来说,在1123 nm处发射截面为3 × 10-20cm2,仅为1064 nm的1/15。在设计谐振腔时,腔镜需要增镀1064 nm增透膜,减少1064 nm的寄生振荡。2004年,北京工业大学Xiaoping Guo首次采用1123 nm Nd∶YAG激光器,通过PPLN腔外倍频,获得了0.5 mW 561 nm黄绿激光[11]。

通过腔内倍频可以有效的提高转换效率,2021年,本实验室采用Nd∶YAG /PPMgLN腔内倍频结构,获得了268 mW黄绿激光输出,光光转换效率达到10.2 %[12]。文章指出:与传统的角度相位匹配相比,准相位匹配PPMgLN的接受带宽较窄,可以避免1112 nm倍频光的产生。

2.1.3 全固态激光器四倍频

图2 四倍频超快黄光激光器[13]

2.2 光纤激光器结构

光纤激光器由于光束质量好、效率高、体积小、可实现全纤化结构等优点,近几年来发展十分迅速。窄线宽光斑质量优良的光纤激光器也可以作为黄光的基频光源。普通掺镱光纤激光器一般输出波长小于1120 nm,它可以通过拉曼散射或者抑制短波长,来实现1150～1180 nm长波段输出。

2.2.1 拉曼掺镱光纤激光器倍频

2005年,德国D.Georgiev采用40 W单横模偏振输出的1118 nm掺镱光纤激光器作为泵浦源,通过Ge掺杂光纤的一级拉曼散射,获得了线宽0.37 nm,功率为23 W,波长1178 nm,偏振激光输出(如图3所示)[14]。并通过长度为8 mm的PPMgLN晶体单程倍频,获得了3.03 W单横模589 nm黄光输出,转换效率为12.3 %。为了减小基频光线宽和提高功率,采取以下措施:①选用单横模窄线宽掺镱光纤激光器作为泵浦源；②采用布拉格光栅,减小受激拉曼散射线宽；③采用短拉曼增益光纤,长度仅为20 m的拉曼增益光纤可以有效的减小由于自相位调制引起的信号光光谱增宽；④后端刻有1118 nm高反布拉格光栅,提高了泵浦耦合效率。该结构紧凑可靠,电光效率为2.5 %,可以轻松的使光纤激光器输出波段覆盖到560～770 nm。

图3 由线偏振输出的拉曼光纤激光器倍频产生的3 W 589 nm黄光激光器[14]

2016年,英国T.H.Runcorn采用脉冲掺镱光纤主振荡功率放大器(MOPA)泵浦的级联拉曼光纤放大器作为基频光,获得了1.13 W ns脉冲589 nm黄激光输出[15]。光纤主振荡功率放大器的输出波长为1064 nm,通过级联拉曼散射,可以将其拓展到1179 nm。由于采用窄线宽连续种子信号,1178 nm拉曼放大器的线宽仅为0.01 nm,完全可以满足PPMgLN对基频光线宽的要求(20 mm接受线宽为0.16 nm)。在拉曼放大器功率为6.52 W,重复频率6 MHz时,经倍频可以获得1.13 W,脉冲1.9 ns,单脉冲能量188 nJ的脉冲激光,转换效率为17 %。该激光器可以用在受激发射损耗(STED)显微镜中。2018年中科院Yulian Yang采用1178 nm的种子注入拉曼光纤放大器作为基频光,通过PPLN波导倍频,获得了1.5 W单模589 nm连续黄激光,转换效率15 %[16]。该激光器性能稳定可靠,显著提高了西藏羊八井窄带钠激光雷达性能,减小了系统维护。光纤激光器黄光输出特性如表2所示。

表2 光纤激光器黄光输出特性

2.2.2 长波长掺镱光纤激光器倍频

掺镱二氧化硅光纤在980 nm泵浦时具有很宽的增益带宽和很高的量子效率,是一种很有吸引力的1 μm波段增益介质。虽然它的增益可以达到1200 nm,但要制作波长超过1120 nm光纤激光器和放大器却很困难。其原因在于:①在1030 nm光谱太强(发射截面约640 × 10-27m2),增益太大；而波段大于1120 nm时,受激发射截面较小(1154 nm处发射截面约30 × 10-27m2),存在严重的光谱竞争；②与短波长相比,长波振荡需要更低的腔内损耗。

2006年,斯坦福大学Supriyo Sinha首次采用1150 nm掺镱光纤激光器,通过PPLN光波导直接倍频,产生了575 nm的黄激光[17]。为了实现长波长1150 nm输出,采取了以下措施:①构建1150 nm高反、1030 nm高透布拉格光栅,抑制高增益受激自发辐射；②采用高掺杂光纤,减小1030 nm处受激自发辐射,增加1030 nm处基态吸收损耗；③减小光纤长度,减低1150 nm杂散散射损耗。

2015年,瑞士学者Manuel Ryser采用1.5 W 1154 nm主振荡光纤功率放大系统,通过PPLN倍频,获得了90 mW 577 nm激光输出[18]。为了实现1154 nm输出,采取了以下措施:①采用1154 nm高反窄带布拉格反射镜,抑制短波长高增益受激自发辐射；②谐振腔与放大器之间插入布拉格光栅滤光片；③加热光纤,增加短波长的再吸收损耗。

2.3 半导体激光器结构

半导体激光器是最实用最重要的一类激光器。它体积小、寿命长、紧凑耐用。通常简单的注入电流的方式来泵浦,其工作电路容易与集成电路兼容,因而可与之集成。并且还可以实现内调制以获得脉冲激光输出。高性能半导体激光器的发展,也有力地推动了其倍频技术的进步。

2.3.1 外腔结构半导体激光器倍频

早在2005年,日本T.Hara就报道了1122 nm窄线宽广域半导体激光器作为基频光,采用外腔结构,PPLN倍频,获得了32 mW 560 nm黄光输出,光光转换效率达到32 %[19]。该作者采用带通滤波片实现模式选择,用布拉格光栅和标准具压缩线宽,用空间光阑改善横模。2008年,德国A.Yu.Nevsky采用窄线宽外腔量子点激光器,通过PPLN倍频,获得了3 mW 578 nm黄光输出。采用复杂的增强型谐振腔,线宽压缩到30 kHz[20]。2010年,韩国Eok Bong Kim采用1156 nm光注入锁定半导体激光器,获得了线宽仅1.6 kHz、2.4 mW 578 nm激光输出[21]；2011年,Won-Kyu Lee将输出功率提高到了10.5 mW。采用外腔或者增强型谐振腔结构的半导体激光器,可以有效减小光谱线宽,在超冷Yb原子和冷分子氢离子的精密光谱学领域有重要应用[22]。外腔结构半导体激光器倍频如表3所示。

表3 外腔结构半导体激光器倍频

2.3.2 半导体激光器腔外单通倍频

采用外腔或者增强型谐振腔结构的半导体激光器,结构复杂,调节困难,难以实现大功率输出。近年来,大功率窄线宽量子阱布拉格光栅半导体激光器、分布布拉格反射式脊波导半导体激光器、分布布拉格反射式锥形半导体激光器、主振荡功率放大器等半导体激光器的发展,有力的推动了半导体激光器直接腔外倍频的进步。

2014年,英国科学家Ksenia A采用1121.4 nm量子阱光纤布拉格光栅半导体激光器(QD-FBG LD),经PPMgLN波导倍频,获得了90.11 mW连续560.68 nm激光输出,光光转换效率高达52.4 %[23]。2016年,丹麦Hansen Anders Kragh采用1124.8 nm分布布拉格反射式(DBR)锥形半导体激光器作为泵浦源,获得了1.93 W单频562.4 nm激光器,光光转换效率33.6 %,插拔效率6.4 %,且不需水冷,体积仅183 × 114 × 50 mm3[24]。该半导体激光器可通过内调制实现脉冲输出,可以满足生物医疗的需要。同年德国Julian Hofmann采用1121 nm分布布拉格反射式(DBR)脊波导半导体激光器,通过脊波导PPMgLN倍频,获得了133 mW可调制560.5 nm激光输出,电光效率为7.5 %[25]。2016年,德国R.Bege采用1178 nm分布布拉格反射式锥形半导体激光器作为基频光,获得了0.86 W单模589 nm黄光输出(如图4所示)[27]。2019年,德国A.Sahm采用主振荡功率放大器,获得了2 W单频560 nm激光输出[31]。同年,德国Nils Werner采用ps半导体激光器,获得了561和589 nm皮秒激光输出[32]。半导体激光器腔外单通倍频如表4所示。

图4 分布布拉格反射式锥形半导体激光器单通倍频结构[27]

表4 半导体激光器腔外单通倍频

(续表)

3 黄绿激光的发展趋势

1)性能优良PPMgLN晶体制作

与532 nm绿光用PPMgLN晶体类似,黄绿波段PPMgLN晶体也比较薄,限制了高功率黄绿激光器的发展。提高PPMgLN通过口径,开发高性能大口径新型掩埋光波导、平板光波导、脊型光波导结构PPMgLN晶体是提高输出功率的关键。

2)基频光性能的进一步提高

与532 nm绿光的基频光相比,获得黄绿基频光的技术难度较大,尤其是波段大于1120 nm光纤激光器。窄线宽高光束质量高功率的基频光技术的进步,同样也是高性能黄绿激光器发展的关键。

3)黄绿激光器输出参数的进一步优化

在超冷Yb原子和冷分子氢离子的精密光谱学领域,3D激光显示领域,超快黄绿光领域,对激光器参数的要求更为严苛,特殊领域的特殊要求也会进一步促进激光器的发展。

4 结 语

随着直接输出黄绿光半导体激光器的发展,黄绿波段非线性频率变换技术遇到了前所未有的挑战,这需要相关科技工作者共同努力,突破瓶颈,拓展新的领域,实现黄绿固体激光器的飞速发展。