波长可调的低噪声全固态黄绿光激光器（特邀）

杨顺宇，周井锋，李奔，白杨

（1 西北大学光子学与光子技术研究所，西安 710127）

（2 省部共建西部能源光子技术国家重点实验室，西安 710127）

（3 陕西省全固态激光及应用工程技术研究中心，西安 710127）

0 引言

激光二极管（Laser Diode，LD）泵浦Nd：YAG 晶体并结合非线性光学频率变化获得的556～561 nm 全固态黄绿激光在工业、大气遥感、通信、信息存储、食品和药品检测等领域具有广泛的应用，故而成为国内外的研究热点［1-3］。特别是在生物医疗领域，低噪声的556～561 nm 全固态黄绿激光不但可以通过激发荧光素藻红蛋白（Phycoerythrin，PE）来提高PE 家族以及其它荧光蛋白的检测灵敏度和分辨率，而且还是共焦腔显微镜流式细胞仪及其它生物成像的理想光源［4，5］。

噪声是衡量激光器输出稳定性的关键指标［6-8］，由Nd：YAG 晶体受激辐射产生的1 112.62 nm、1 116.70 nm和1 123.24 nm 三条谱线之间，每一条谱线内不同纵模之间的模式竞争以及倍频光的三波耦合作用是造成倍频黄绿激光的功率稳定性受到噪声无规律干扰的主要原因之一［5，9-11］。目前国内外主要采用选单纵模或滤波的方法减少各谱线之间以及同一谱线内多个纵模之间的竞争，从而降低全固态黄绿光激光器的噪声。然而，选单纵模的传统方法主要是利用F-P 标准具或复合谐振腔消除纵模间的模式竞争［2，10-12］，往往以牺牲激光器输出功率和光光转换效率为代价。采用布儒斯特角放置的双折射晶体（Birefringent Crystal，BC）在直线型谐振腔内同时进行选频和滤波，则需要同步精确调节布儒斯特角以及其表面与基频光光轴之间的夹角［5，11］，对方便紧凑型激光器调节，获得高功率、低噪声的黄绿激光输出而言难度极大。

本文采用808 nm LD 端面泵浦Nd：YAG 晶体的L 型折叠谐振腔结构，在谐振腔中插入由布儒斯特偏振器（Brewster Polarizer，BP）和BC 共同组成的双折射滤波器（Birefringent Filter，BF）。在合理设计谐振腔结构的基础上，通过调节BP 的布儒斯特角的大小、BC 的通光面与基频光光轴之间的夹角，分别对1 112.62 nm、1 116.70 nm 和1 123.24 nm 三条谱线进行选频和滤波。通过Ⅰ类角度相位匹配LBO 晶体腔内倍频，分别在556.31 nm、558.35 nm 和561.62 nm 三个波长上获得了波长可调、连续输出功率均超过600 mW、高稳定性、低噪声的黄绿激光输出。

1 实验装置

全固态黄绿光激光器的谐振腔结构示意图及实物如图1。单独的一块半导体制冷片（Thermoelectric Coole，TEC）对LD 模块实施25oC 独立温度控制。最大泵浦功率8 W 时，LD 中心波长为808.7 nm（线宽为1.74 nm），与激光晶体Nd：YAG 的808.7 nm 吸收峰相匹配。Nd：YAG 激光晶体的尺寸为2 mm×2 mm×6 mm，Nd3+掺杂浓度为0.6 at%。如表1 所示［13］，1 112.62 nm、1 116.70 nm 和1 123.24 nm 三条谱线的相对性能接近，但是受激发射截面均小于1 064 nm、1 319 nm 和946 nm 三条主要谱线的受激辐射截面。因此，首先通过在Nd：YAG 晶体入射、出射端面的镀膜来抑制1 064 nm、1 319 nm 和946 nm 三条主要谱线的振荡。Nd：YAG 激光晶体泵浦端面上镀制的增透膜对808 nm、1 064 nm 和1 319 nm 波长高透射（T＞95%@808 nm，T＞90%@1 064 nm+1 319 nm，T＞50%@946 nm）、对1 110 ～1 125 nm 波段高反射（R＞99.7%@1 110 ～1 125 nm），出光端面上的增透膜对808 nm、946 nm、1 064～1 319 nm 波段高透射（T＞90%@808 nm+1 064 nm+1 319 nm+946 nm，T＞99.2%@1 110～1 125 nm）。两个对称放置的G2 非球面平凸透镜将最高功率8 W 的LD 泵浦光扩束准直聚焦，并在Nd：YAG 晶体的泵浦端面后侧形成焦距3.4 mm、焦斑半径为250 μm 的聚焦光束。Nd：YAG 激光晶体的泵浦端面、M1镜和M2镜之间共同构成谐振腔。M1镜为黄绿激光的输出镜，其凹面镀制有对1 110～1 125 nm 波段高反射（R＞99.7%）和对554～563 nm 波段高透射（T＞95%）的增透膜，其平面镀制554～563 nm 波段的增透膜（T＞99.5%）。M2镜为全反射镜，其凹面镀制的高反膜在1 110～1 125 nm 波段内的反射率R＞99.7%，对554 ～563 nm 波段的反射率T＞99.2%。倍频晶体为Ⅰ类角度相位匹配的LBO 晶体，相位匹配角切割为（θ=90o，φ=8.1o）@ 1 116.70 nm，两个通光面镀制的增透膜在1 110～1 125 nm 波段内的透射率T＞99.5%，在554～563 nm 波段内的透射率T＞92%。微调LBO 晶体的入射角，当入射角分别满足1 112.62 nm、1 116.70 nm 和1 123.24 nm 三条谱线的Ⅰ类角度相位匹配角时，则可以分别产生556.31 nm、558.35 nm 和561.62 nm 三个波长的倍频黄绿激光。Nd：YAG 晶体和LBO 晶体分别用铟箔包裹后固定在铜制冷却块中，由另一块TEC 实施20oC 的精确温度控制。BP 材质为融石英玻璃，尺寸为6 mm（长）×6 mm（宽）×0.6 mm（厚）。BC 材质为石英晶体，尺寸为6 mm（长）×6 mm（宽）×2.6 mm（厚），BC 的光轴与其入射端面的斜上45o对角线平行。BP 和BC 的通光面均未镀膜。除LD 模块和Nd：YAG 晶体外，谐振腔中每一个光学元件均与一台三维弧摆台的L 型摆杆连接，由该三维弧摆台实施精确的三维距离调节和三维旋转角度调节。

表1 Nd：YAG 晶体主要受激辐射荧光的性能Table 1 Properties of the main stimulated emission fluorescence of the crystal Nd：YAG

众所周知，Nd：YAG 晶体内部因热积累而形成的热透镜焦距会随着LD 泵浦功率的增加而减小。这一趋势会导致谐振腔稳定性下降，甚至造成谐振腔失谐而无法形成基频光振荡［14，15］。此外，腔内面为凹面的M1镜被离轴放置，这会造成腔内振荡的基频光产生像散，导致基频光的弧矢光斑和子午光斑之间模式体积不匹配，严重影响倍频光的转换效率和输出质量［16］。因此，为提高谐振腔对热焦距的动态热不灵敏性、倍频光的转换效率和输出质量，合理设计谐振腔结构就显得格外重要。当LD 泵浦功率从1.0 W升至8.0 W 时，实验利用热透镜焦距动态测试法［16］测得Nd：YAG 晶体的热透镜焦距从900 mm 减小至480 mm 左右。根据激光谐振腔的ABCD 矩阵理论和已经确定的光学元件尺寸，利用激光谐振腔设计软件（Laser Cavity Analysis and Design，LASCAD）对黄绿激光谐振腔的结构参数进行了优化设计。最终，总腔长为84.0 mm，M1镜、M2镜的凹面曲率半径分别为150 mm 和250 mm，折叠半角为10.5°。Nd：YAG晶体出光面、BP、BC、M1、LBO 和M2相邻光学元件的间距分别设定为3.1 mm、13.5 mm、28.5 mm、12.1 mm 和8.3 mm。

在优化后的谐振腔结构参数下，1 116.70 nm 谱线的稳定振荡条件（Ai+Di）/2 的数值随LD 泵浦功率的变化规律如图2（s：弧矢光束；t：子午光束）。当LD 泵浦功率从0.5 W 升至8.0 W 时，1 116.70 nm 基频光中弧矢光束部分和子午光束部分的稳定振荡条件（Ai+Di）/2 值始终处于同一象限内，不但其绝对值逐渐靠近0.5，而且相同LD 泵浦功率对应的（As+Ds）/2 与（At+Dt）/2 之间的数值差异很小。说明在Nd：YAG 晶体热效应影响下，1 116.70 nm 基频光终处于稳定振荡状态，谐振腔具有热不敏感特性［17，18］。由于1 112.62 nm、1 123.24 nm 与1 116.70 nm 的波长差均小于7 nm，故谐振腔参数同时满足三条谱线的（Ai+Di）/2 绝对值小于1 的稳定振荡条件。

在8.0 W 的LD 最大泵浦功率条件下，由LASCAD 软件得到基频光的弧矢光束部分和子午光束部分的光斑半径在谐振腔内的模拟分布特性，如图3。在Nd：YAG 晶体内，弧矢光束部分和子午光束部分的光斑半径均接近于250 μm 的LD 泵浦光焦斑半径，说明基频光与LD 泵浦光之间所具有的良好模体积重合度有利于提高LD 的泵浦效率；在输出镜M1和倍频晶体LBO 附近，弧矢光束部分与子午光束部分的半径近似相等ωs≈ωt，说明L 型折叠谐振腔的像散问题得到了较好的补偿［19］。在LBO 晶体内部，130 μm 左右的光斑半径有助于提高基频光的功率密度和倍频效率。

2 实验结果及讨论

根据Fresnel 定律，Nd：YAG 晶体受激辐射产生的非偏振光通过BP 后，其电矢量将分解为平行于入射参考面的p 偏振光分量和垂直于入射参考面的s 偏振光分量，p 偏振光和s 偏振光在BP 的入射端面上的反射率分别表示为［5］

式中，Rp、Rs分别为p 偏振光和s 偏振光的反射率，A，B分别为非偏振光的入射角和折射角。

当空气的折射率n0近似为1，光学石英玻璃制成的BP 在1 112.62 nm、1 116.70 nm 和1 123.24 nm 波长处的折射率为ni时，由折射定律可以得到布儒斯特角Фi与A、B之间的变化关系

例如，调节BP 的俯仰角，当非偏光的A角等于其55.12°的布儒斯特角时，由式（1）～（4）可知，1 112.62 nm、1 116.70 nm 和1 123.24 nm 三条谱线中只有1 116.70 nm 的p 偏振光的Rp为零。同时，精确调节M1、M2腔镜的水平方向角和俯仰角。当1 116.70 nm 的p 偏振光传播方向与谐振腔光轴平行时，1 116.70 nm 在谐振腔内以最低损耗形成激光振荡。而1 112.62 nm 和1 123.24 nm 的Rp虽然只有10-5左右，但是由于色散原因，在单次通过BP 后，1 112.62 nm 和1 123.24 nm 谱线在谐振腔内的传播方向与谐振腔光轴之间产生约0.3°的夹角。在谐振腔内经多次往返后，两条谱线会因累积的衍射损耗而被抑制。在此基础上，插入BC，使1 116.70 nm谱线垂直入射BC。BC 本身存在的双折射效应会将p 偏振的1 116.70 nm 谱线在BC 中分解为o 光和e 光。单次往返通过BC 时，o 光和e 光之间产生Δφi的相位延迟［20］

式中，h为BC 的厚度，no、ne分别为基频光λi的o 光、e 光分量的折射率。

以谐振腔光轴为旋转轴并转动BC 时，1 116.70 nm 谱线的p 偏振方向与BC 光轴之间的夹角νi则随之变化。当νi=π/4 时，出射BC 后的基频光νi的p 偏振方向旋转π/2。再次单次反向通过BC 后，偏振方向再旋转π/2，Δφi为2π 的整数倍，即

“现实中缺少什么，人们往往通过制造艺术品的方式来补偿，以达到心理上的平衡。这能够使人们摆脱不平衡造成的极度痛苦，从而赢得生存。”②

1 116.70 nm 谱线中只有m=±1，±2，±3，…所对应的纵模才能在谐振腔内单次往返后仍为原方向振动的p 偏振线偏振光，可以无反射损耗地再次通过BP。剩余纵模则因反射损耗而被抑制。由此通过BC 压缩纵模个数，实现对1 116.70 nm 谱线的滤波，可以减小1 116.70 nm 谱线的噪声。

当精确调节BP 的俯仰角并使1 112.62 nm、1 116.70 nm 和1 123.24 nm 三条谱线的A角分别等于各自对应的Фi角（55.31°@1 112.62 nm、55.12°@1 116.70 nm、54.92°@1 123.24 nm）时，通过进一步精确调节腔镜的水平方向角和俯仰角、BC 的νi角以及LBO 晶体的入射角，可以在选频、滤波的基础上实现高效率的Ⅰ类角度相位匹配倍频，分别获得了556.31 nm、558.35 nm 和561.62 nm 三个波长可选的低噪声黄绿激光输出。LBO 晶体对应三条基频光的相位匹配参数如表2。

表2 Ⅰ类角度相位匹配LBO 晶体的相位匹配参数Table 2 Phase matching parameters of typed-Ⅰcritical phase-matching LBO crystal

如图4 所示，虽然通光面没有镀制增透膜的BP、BC 会增加插入损耗，但在BP 选频和BC 滤波作用下，腔内振荡的基频光λi的纵模数减小，纵模竞争趋缓，振荡纵模的增益增加。故556.31 nm、558.35 nm 和561.62 nm黄绿激光分别独立输出时，LD 泵浦阈值均仅为0.8 W 左右。LD 泵浦功率为8.0 W 时，556.31 nm、558.35 nm和561.62 nm 黄绿激光的最大输出功率分别达到678 mW、653 mW 和606 mW，对应的光光转换效率分别为8.47%、8.16%和7.58%，谱线宽度分别仅为0.34 nm、0.42 nm 和0.37 nm。

输出功率均为500 mW 时，利用一个550～570 nm 分光镜将黄绿激光分为两束（90% 透射、10% 反射），使用功率计探测透射光的功率不稳定度ρ，硅基光电二极管（Silicon Photo Diode，SPD）探测反射光的噪声。同时，将SPD 产生的光电信号一份为二，一路光电信号输入至示波器通道C1，以DC 直流耦合模式探测激光的绝对强度，另一路光电信号输入至示波器通道C2，以AC 交流耦合模式探测激光相对于绝对强度的峰峰强度波动量。测量时长1 h、测量间隔1 s。黄绿激光输出连续功率和噪声测试分别如图5、图6 和表3 所示。当激光器与SPD 之间放置一个光阑时，功率为P的激光束被光阑阻挡，图6 中C1通道的激光绝对强度为零，C2 通道的光电信号实际为SPD 和示波器的总本底噪声（A 区域，红色标记的电信号强度）；当光阑被快速撤掉，则C1 通道的光电信号为激光束的绝对强度（C 区域，黄色标记的电信号强度），而C2 通道的光电信号为激光束噪声与总本底噪声之和（B 区域，红色标记的电信号强度），即总噪声。对C1、C2 通道测量的电信号强度数据分别求均方根（Root Mean Square，RMS），得到A 区域的总本底RMS 噪声NAC、B 区域的总RMS 噪声（NT-AC）和C 区域的激光绝对强度的SMR 值IDC，则激光SMR 噪声NSMR可表示为

由于Ⅰ类角度相位匹配的LBO 晶体是按照1 116.70 nm 波长对应的相位匹配角切割的，通过BP 与LBO晶体配合，能够最大程度地解决纵模之间的交叉饱和效应、和频效应等非线性效应所导致的“绿光问题”对倍频黄绿激光输出稳定性的影响［21］。故558.35 nm 黄绿激光的功率不稳定度ρ和噪声NSMR均最小（ρ=±0.38%，NSMR=0.51%），其次为556.31 nm（ρ=±0.42%，NSMR=0.69%）和561.62 nm（ρ=±0.49%，NSMR=0.91%）。

此外，使用激光光束质量分析仪（ModeScan1740）测得的556.31 nm、558.35 nm 和561.62 nm 黄绿激光的光束质量M2因子分别为（M2x-556.31=3.943，M2y-556.31=4.301），（M2x-558.35=3.409，M2y-558.35=3.584）和（M2x-561.62=3.732，M2y-561.62=3.971），光束实际光斑和近场光束轮廓的2D 和3D 图像如图7。较小光束质量M2因子进一步验证了通过谐振腔结构的优化设计补偿像散，有助于提供倍频黄绿激光的光束质量［22］。然而，受到空间传输的LD 泵浦光的光束质量较差和未考虑LBO 倍频晶体热效应的影响，实验测得的三个波长的倍频黄绿激光的光束质量未能接近于M2=1 的基横模。因此，后续实验通过改善LD 泵浦光的光束质量，在谐振腔结构优化设计中引入LBO 倍频晶体的热透镜焦距，可进一步提高倍频黄绿激光的光束质量。

3 结论

采用808 nm LD 端面泵浦Nd：YAG 晶体、Ⅰ类角度相位匹配LBO 晶体腔内倍频和优化设计的L 型折叠谐振腔结构，以BP 选频协同BC 滤波，实现了556.31 nm、558.35 nm 和561.62 nm 三个波长可调、高稳定性、低噪声的黄绿激光连续输出。在8 W 的最高LD 泵浦功率下，556.31 nm、558.35 nm 和561.62 nm 黄绿激光独立输出的最大连续功率分别达到了678 mW、653 mW 和606 mW，光光转换效率分别为8.47%、8.16%和7.58%，谱线宽度分别为0.34 nm、0.42 nm 和0.37 nm；在输出功率均为500 mW 时，功率不稳定度仅分别为±0.42%、±0.38%和±0.49%，对应激光SMR 噪声仅分别为0.69%、0.51%和0.96%。实验结果表明，“BP+BC”协同配合的选频滤波方式是一种实现中高功率、高稳定性、低噪声、波长可调黄绿激光的有效方法，可很好地应用于生物医学、激光测量、污染监测和光谱分析等领域。