基于周期性极化钽酸锂晶体的连续激光倍频技术研究

张利飞,谢典昆,陈 昊,桂征宇

(1.中国人民解放军63856部队,吉林 白城 137001；2.江苏曙光光电有限责任公司,江苏 扬州 225009)

1 引 言

较高功率的绿光激光器可应用于材料处理[1]、外科医学[2]、激光显示[3]等方面,也可应用于反恐处突等警用、军用场合。绿光激光通常使用1064 nm波长激光作为泵浦源,通过KTP等倍频晶体将其倍频得到532 nm的绿光激光。脉冲激光由于峰值功率高,可以通过腔外倍频的方式实现倍频过程,而连续激光则大多采用腔内倍频的方式实现[4]。

随着激光应用和激光技术的发展,各应用场合对绿光激光的功率、光束质量的需求不断提高,同时还提出了小型化的要求。基于倍频的绿光激光器小型化首先要对基频激光器进行小型化。在连续激光应用场合,传统的固体激光器体积相对较大而光电效率相对较低,光纤激光器以其体积小、功耗低等多方面优势开始大规模取代传统的固体激光器。虽然相比固体激光器,光纤激光器在连续激光输出时优势明显,但是光纤激光器的倍频仍是目前的一个难点问题,制约了高功率、高光束质量的连续输出绿光激光发展。

连续激光倍频往往采用腔内倍频的方式,但是这种方式并不完全适用于光纤激光器,因为倍频晶体很难以光纤形式融入光纤激光器。光纤激光器的倍频最便捷的方式就是直接腔外倍频。这种方式结构简单,能有效降低光束质量的恶化及输出光谱的展宽。但是直接腔外倍频的缺点也极为明显,即基频光功率密度一般比较低,进而导致倍频效率非常低。

提高倍频效率可以从两个方面来考虑:提高基频光功率密度或提高倍频晶体非线性系数。提高基频光功率密度可以通过透镜将基频激光进行会聚来实现。提高倍频晶体的非线性系数有两个途径:一选用非线性系数更高的晶体；二选择合适的角度切割晶体,在某些切割方向上晶体的非线性系数更大。在选择切割晶体角度的时候必须要考虑相位匹配,因为特定的角度才能满足相位匹配,进而保证倍频过程的有效进行。由于晶体必须以特定的角度切割以保证相位匹配,而特定的切割角度通常并不是非线性系数最大的切割方向。以通常使用的KTP晶体为例,其非线性系数通常在2 pm/V～4 pm/V之间。解决这一问题的方法是采用准相位匹配技术,准相位匹配技术通过周期性极化晶体实现[5-7]。通过该技术,晶体可以选择非线性系数最大的方向进行倍频,以周期性极化钽酸锂(PPLT)为例,其非线性系数可达10 pm/V。基于以上考虑和分析,本文开展了基于PPLT的光纤激光器倍频技术研究。

2 倍频晶体选择

传统上最为常见的倍频晶体为KTP,在温度为323 K时,综合考虑基频激光、晶体非线性系数、接收角等因素,通常倍频的方式为II类相位匹配,1080.0(e)+1080.0(o)=540.0(e),方向为θ=90.0°,φ=9.8°,有效非线性系数deff为3.83 pm/V。而LiTaO3晶体在特定方向的非线性系数d33可以达到13.8 pm/V[8],远超KTP晶体的有效非线性系数,但是该方向不能满足1080 nm到540 nm非线性转换的相位匹配,即:

Δk=k1080+k1080-k540≠0

(1)

其中,k1080和k540为对应波长的波矢。在Δk≠0时存在一定的相干长度Lcoh,在该长度之内,能量将由基频光向倍频光转换,而长度再加长时,能量将由倍频光向基频光进行逆转换,因此实际有效的倍频过程只存在于一个相干长度之内。Blembergen提出可以通过构造周期性结构来避免超出相干长度后的逆转换[9]。如图1所示,目前通常使用高压电极化来实现晶体内部的磁畴反转,如图中箭头所示方向,将按该方向发生周期性反转,反转一次的周期为Λ。

图1 单个均匀非线性光学介质及周期性极化非线性光学介质Fig.1 Single homogeneous nonlinear optical medium and periodically poled nonlinear optical medium

满足:

Δk=2π/Λ

(2)

这就相当于在第二个相干长度内对Δk进行了反号处理,这样能量将仍由基频光转向倍频光,虽然这种方式的转换效率不如完全相位匹配高,但是仍然可以实现基频光持续向倍频光转换,通常称为准相位匹配如图2所示。因此通过准相位匹配技术,可以选择LiTaO3晶体d33方向来进行倍频转化,虽然其效果不如d33方向相位匹配情况下的倍频效果(实际上无法匹配),但远高于KTP晶体中deff=3.83 pm/V方向相位匹配时的效果。

图2 晶体中相位匹配、准相位匹配及相位失配三种情况下倍频过程输出电场随空间变化曲线Fig 2.Three conditions(perfect phase-matching,quasi-phase- matching,and wave vector mismatch) of electric fields change as the wave propagate throws along z-axis in crystal

以50 mm长、极化周期为8.1 μm的PPLT为例,可以通过Sellmeier方程[10]等计算出激光倍频所需的温度点及温度接收范围和基频光接收谱宽。如图3所示,可以通过理论计算得到在极化周期为8.1 μm的PPLT中,通过1～1.1 μm波长激光和频得到540 nm激光所需的温度,在348 K的温度下和频过程简并为倍频过程,即在348 K温度情况下,可以在该晶体中进行1080～540 nm的倍频转换。

图3 极化周期为8.1 μm的PPLT晶体中温度与和频波长关系图Fig 3.The relation between temperature and wavelength in a PPLT with 8.1 μm Polarization period

PPLT的基频光接收谱宽和温度接收范围也是两个极为重要的参数,直接决定了其是否可行。如图4所示,50 mm长PPLT的接收光谱仅0.052 nm(半高全宽),因此为了提高倍频效率,需要单纵模的基频光对其进行泵浦,实际上单纵模泵浦也是周期性极化晶体中提高非线性效率的常见方式[11-12]；PPLT倍频温度接收范围为1.20 K(半高全宽),因此需要精度超过1 K的温控炉来保证晶体中的倍频转换效率。周期性极化铌酸锂(PPLN)是一种更为常见的周期性极化晶体,也可以用作倍频晶体,其有效非线性系数可达16 pm/V。但同样条件下用Sellmeier方程[13]可以得到其接收谱宽为0.045 nm、温度接收范围为0.54 K,如图5所示,均比PPLT更窄,且PPLT损伤阈值较PPLN更高。通过实验验证PPLT的有效非线性系数已能满足5 W绿光输出的需求,因此从技术研究的角度来说,目前PPLT更适合用于倍频[14-15]。

图4 50mm长PPLT的接收光谱、接收温度范围Fig 4.Acceptance spectrum and acceptance temperature in a 50 mm long PPLT

图5 50mm长PPLN的接收光谱、接收温度范围Fig 5.Acceptance spectrum and acceptance temperature in a 50 mm long PPLN

3 倍频光路及结构设计

实验中所具备的基频光纤激光源,其输出光斑直径为3.5 mm,而PPLT的厚度往往只有0.5～2.0 mm。特别是用于倍频的晶体,极化周期仅7 μm量级,为了保证晶体有效的电极化,现有技术能力所能获得的倍频晶体以0.5 mm厚度为主,仅在中红外波段,极化周期约30 μm时才能获得1 mm以上厚度的晶体,且造价极其昂贵。同时由于基频激光为连续光,峰值功率较低,更需要对基频光进行会聚,以提高倍频效率。通过前期实验验证,综合考虑会聚能力、倍频效果、沿光轴方向各元件的安装空隙,较为合适的光束束腰约100 μm,因此设计了倍率约为30的光束压缩镜组,将激光束腰直径压缩至80 μm的理论值,并且束腰正好位于50 mm长的晶体中心。倍频光从晶体出射后还设计了准直镜组,该镜组实际上是会聚镜组的共轭,可以将剩余基频光和倍频光进行适当的准直,以备后续使用。基频光沿光轴方向传播,经过各光学元件后光束宽度的变化如图6所示。

图6 基频激光光束压缩及准直设计Fig.6 The design of compression and collimation of fundamental wavelength

由于所使用的激光光源输出为非偏振光,而晶体中满足准相位匹配条件的激光仅为e光,因此激光光源输出的一半不仅不能在晶体中应用,而且高功率激光在晶体中所产生的热效应、光折变效应等还将给倍频过程带来干扰甚至直接损伤晶体导致倍频器件无法工作。基于上述考虑,同时为了提高倍频激光功率,设计了激光偏振片对基频光进行偏振分光,并对两路激光同时倍频,再进行偏振合束。这一设计既避免了无用的高功率激光穿过晶体,又提高了总的倍频激光功率。

基于偏振分光的两路倍频光路设计如图7所示(其中1.基频激光偏振分光镜,2.全反射镜(1080 nm & 540 nm),3.倍频保护窗,4.压缩/准直镜组,5.倍频晶体(PPLT),6.双光楔,7.基频激光滤除镜,8.倍频激光偏振合束镜,9.光学陷阱,10.倍频模块)。基频激光通过基频激光偏振分光镜分为s光和p光分别入射倍频光路,两倍频光路除晶体安放不同外,其余完全相同。s光倍频与p光倍频光路中晶体旋转了90°放置,使得相对晶体均为e光入射,温控炉中晶体槽如图8所示,A面为安装晶体的基面。为保护晶体端面清洁,专门设置了与外界隔离的倍频模块,并于模块两端设计了倍频保护窗。倍频光出射后通过基频激光滤除镜将倍频激光与基频激光分离,剩余基频激光被反射进入光学陷阱。倍频激光通过倍频激光偏振合束镜合束后输出。为保证两路倍频激光同轴,以s光为基准,在p光光路设置了双光楔进行调整。

图7 双光路倍频设计Fig.7 The frequency doubling design of two optical paths

图8 温控炉中晶体槽示意图,A面为安装基面Fig.8 Groove for the crystal in a temperature control module,in which the A plate is the install base

由于激光在入射晶体端面处会聚点非常小,极易因灰尘引起损伤,且温控炉精度要求高,外界气流波动可能影响温控精度,因此单独设立了倍频模块,将温控炉、晶体与外界隔离。温控炉采用TEC进行温控,在高温环境下,TEC制冷效率可能受到影响,因此设计采用倍频工作点高于50 ℃的PPLT,即前文所述温度为348 K的高温晶体,同时在高温情况下,PPLT的抗损伤能力将有所提高。

4 倍频技术应用

实验中使用了最高输出功率超过80 W的光纤激光器,激光器未采取特殊线宽控制措施,温控电路控制精度为0.1 K。选用的PPLT采购自南京大学,尺寸为1 mm×0.5 mm×50 mm。前期实验中比对了周期性极化铌酸锂(PPLN)和PPLT的特性,PPLT非线性系数略低于PPLN,但抗损伤能力大幅超过PPLN。如图9所示,在65 W非线偏基频光输出时(实际可用的e光约32.5 W),获得了2.83 W的540 nm倍频光输出,以e光功率计算,倍频效率达到9 %,如果采用窄线宽或单纵模的基频光,效率还将大幅提升。

图9 使用PPLT晶体倍频绿光激光输出功率曲线(横坐标为泵浦光功率,纵坐标为输出绿光功率)Fig.9 Function of output power by using PPLT as the frequency doubling crystal(in x-axis shows the power of pump laser and y-axis shows the power of green laser)

由于2.8 W绿光输出仅超出预计值的50 %,且基频光中o光通过晶体并没有产生倍频效果,因此本文提出了双光路设计,将80 W的非线偏激光通过偏振分光形成两路,分别通过PPLT倍频以满足5 W绿光输出需求。如图10所示,最终在工程产品应用时,80 W光纤激光器满功率输出时,获得了5.6 W的540 nm倍频绿光输出。该倍频模块通过了-20～50 ℃的高低温工作检验(按GJB150.3A和GJB150.4A相关规定执行)和运输振动检验(按GJB150.16A-2009第16部分:振动试验中“程序I”中规定执行)

图10 技术应用中的基于PPLT倍频模块Fig.10 The PPLT frequency doubling module for technical application

5 结 论

本文对连续输出的光纤激光倍频进行了研究,验证了周期性极化钽酸锂晶体的倍频效果,倍频实验说明周期性极化晶体、光束压缩镜组、及相关温控电路满足连续激光倍频的技术要求。为提高非偏振的基频激光利用率,降低晶体的损伤风险,设计了基于偏振分光及合束的双光路倍频模块,实现了周期性极化钽酸锂的技术应用,获得了超过5 W的540 nm倍频绿光激光输出,如果能限制基频光的谱宽,倍频激光输出还将有更大的提高。