馬 威,高蘭蘭,朱心宇

(長春理工大學(xué),吉林 長春 130022)

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·激光器技術(shù)·

561 nm全固態(tài)低噪聲激光器研究

馬 威,高蘭蘭,朱心宇

(長春理工大學(xué),吉林 長春 130022)

利用激光二極管端面泵浦Nd∶YAG晶體,通過LBO非線性晶體腔內(nèi)倍頻,利用雙折射濾波器進(jìn)行選頻,最終獲得穩(wěn)定的低噪聲561 nm激光輸出。LBO晶體尺寸為2 mm×2 mm×10 mm,采用Ⅰ類相位匹配切割。抽運(yùn)功率為4.8W時(shí),低噪聲561 nm激光最大輸出功率為70 mW,光-光轉(zhuǎn)換效率為1.46%。作為對比,再利用布氏片進(jìn)行選頻,得到的561 nm激光的噪聲高于利用雙折射濾波器進(jìn)行選頻時(shí)的噪聲,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致。

激光器；561 nm；雙折射濾波器；LBO晶體；低噪聲

1 引 言

激光器噪聲是衡量其性能的主要因素之一。激光器噪聲越低,輸出光強(qiáng)出現(xiàn)瞬間尖峰的幾率就越低,激光器的功率穩(wěn)定性越高,而且會(huì)減少對腔內(nèi)光學(xué)元件的損傷,從而延長激光器的工作壽命[1]。波長為561 nm黃綠光在生物醫(yī)學(xué)方面有重要的應(yīng)用,它是共焦顯微鏡流式細(xì)胞儀及其他生物成像裝置的理想光源,同時(shí)也是激光治療復(fù)雜眼科疾病的最佳波長[2,3]。因此,研究高穩(wěn)定性低噪聲561 nm激光輸出是該波段激光器實(shí)現(xiàn)臨床應(yīng)用的關(guān)鍵。但在腔內(nèi)倍頻激光器中,由于工作物質(zhì)中的交叉飽和以及非線性晶體中的和頻效應(yīng)的作用,使得腔內(nèi)倍頻激光器功率起伏比較大,制約了其發(fā)展,因此必須采取措施使激光器低噪聲運(yùn)轉(zhuǎn)。

1986年,T.Baer[4]利用腔內(nèi)倍頻多縱模速率方程理論對腔內(nèi)倍頻激光器的功率起伏問題給出了合理解釋,并指出強(qiáng)迫激光器單頻運(yùn)轉(zhuǎn)可以消除晶體內(nèi)的和頻效應(yīng),獲得穩(wěn)定的倍頻光輸出,這在實(shí)驗(yàn)上也得到了驗(yàn)證。2006年，Jia等[5]報(bào)道了561 nm連續(xù)輸出在抽運(yùn)功率為10 W時(shí)得到了1.2 W的 561 nm 綠光。2013年,邵志強(qiáng)等[6]在808 nm LD的抽運(yùn)功率為5 W時(shí),獲得了123 mW的561 nm輸出。但是目前國內(nèi)外有關(guān)毫瓦級低噪聲561 nm黃綠光的報(bào)道還比較少。

本文利用4.8 W的激光二極管(LD)抽運(yùn)Nd∶YAG晶體,產(chǎn)生1123 nm的基頻光,再分別用雙折射濾波器(BF)、布氏片(BP)進(jìn)行選頻,最后利用Ⅰ類相位匹配切割的LBO非線性晶體進(jìn)行腔內(nèi)倍頻,實(shí)現(xiàn)561 nm激光輸出。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,利用雙折射濾波器進(jìn)行選頻時(shí),激光器容易產(chǎn)生低噪聲561 nm激光輸出。561 nm激光輸出的信噪比為7%,用布氏片選頻時(shí),激光器的噪聲比較大,信噪比達(dá)到42%,實(shí)驗(yàn)表明,選用雙折射濾波器實(shí)現(xiàn)選頻是得到低噪聲激光輸出的有效方法。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,激光二極管(LD)作為抽運(yùn)源,最大輸出功率為5 W,輸出中心波長為808 nm,抽運(yùn)光經(jīng)過透鏡系統(tǒng)準(zhǔn)直聚焦后入射到激光介質(zhì)。激光介質(zhì)是Nd3+摻雜原子分?jǐn)?shù)1%的Nd∶YAG 晶體,尺寸為3 mm×3 mm×3 mm,用銦鉑包裹并且固定在一個(gè)銅槽中,入射面鍍有808 nm增透膜(T>90%)和1123 nm高反膜(R>99.8%)。出射面鍍有1123 nm增透膜(T>99%)。LBO倍頻晶體,尺寸為 2 mm×2 mm×10 mm,Ⅰ類相位匹配切割,兩邊均鍍有561 nm和1123 nm的增透膜(T>99%)。輸出耦合鏡OC的曲率半徑為100 mm,左表面鍍有1123 nm的高反膜(R>99%)和1064、1318 nm的增透膜(T>90%),右表面鍍有561 nm的增透膜(T>90%)。LD用半導(dǎo)體制冷器(TEC)控溫,使LD發(fā)射波長與Nd∶YAG晶體的吸收波長吻合。整個(gè)諧振腔用一個(gè)TEC實(shí)現(xiàn)精確溫控確保激光器穩(wěn)定運(yùn)行。諧振腔的長度約為30 mm。實(shí)驗(yàn)選用的雙折射濾波器(未鍍膜)的厚度為2 mm,選用的布氏片(未鍍膜)的厚度為1 mm,均呈布氏角放置。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖1(a)所示,將LBO放到諧振腔中,調(diào)節(jié)LBO的放置角度,使得基頻光以最佳相位匹配角方向入射,采用OCEAN OPTICS 公司HR4000CG-UV-NIR光譜儀測量輸出的二次諧波的光譜特性,得到如圖2所示的譜線圖,由圖可以看出,激光輸出為多條譜線。

圖2 諧振腔內(nèi)只插入LBO時(shí)561 nm的譜線圖

將雙折射濾波器(BF)以布儒斯特角放置到諧振腔中,并使其調(diào)諧角為0.744 rad,微調(diào)LBO和輸出鏡的位置,以獲得最佳輸出光。輸出功率為30 mW 時(shí),測得輸出激光的噪聲如圖3所示。

圖3 諧振腔內(nèi)插入BF時(shí)561 nm激光器的噪聲圖

圖3(a)為沒有光信號(hào)輸入時(shí)示波器的噪聲圖,圖3(b)為有561 nm激光輸入時(shí)的噪聲圖,對比圖3(a)和(b)可以看出，獲得了561 nm低噪聲輸出,并且實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)隨著功率的升高,噪聲有不斷增加的趨勢。這是因?yàn)?隨著泵浦功率的增大,腔內(nèi)縱模數(shù)量不斷增加,模式競爭和非線性耦合效應(yīng)增加導(dǎo)致噪聲增大。用格蘭棱鏡測得561 nm激光的偏振比為100∶1。同時(shí),采用OCEAN OPTICS 公司HR4000CG-UV-NIR光譜儀測量輸出的二次諧波的光譜特性,如圖4所示。從圖中可以看出561 nm激光為單譜線輸出。雙折射濾波器成功抑制了競爭譜線(1112 nm、1116 nm)振蕩,從而降低了激光噪聲。

如圖1(b)所示,將布氏片以布氏角放到諧振腔中,調(diào)節(jié)LBO和輸出鏡的位置,以獲得最佳輸出光。測量輸出激光的噪聲,如圖5所示,可以看出此時(shí)激光器具有很高的噪聲,信噪比達(dá)到42%。對比圖3(b)的噪聲情況,可以看出利用雙折射濾波器的情況下噪聲更低。同時(shí),采用OCEAN OPTICS 公司HR4000CG-UV-NIR光譜儀測量輸出的二次諧波的光譜特性,如圖4所示,從圖中可以看出,用BP也同樣獲得了561 nm的單譜線輸出。

圖4 分別采用BF、BP獲得的561 nm單頻譜線輸出

圖5 在諧振腔內(nèi)插入布氏片時(shí)561 nm激光器的噪聲圖

將雙折射濾波片插入諧振腔中,調(diào)整LD的輸入電流,輸出功率隨泵浦功率的增加而升高,泵浦功率為4.8 W時(shí),最大輸出功率為70 mW,光-光轉(zhuǎn)化效率為1.46%,輸出功率關(guān)于泵浦功率的曲線如圖6所示。

圖6 561 nm輸出功率關(guān)于泵浦功率的曲線

在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),將BF和LBO的位置調(diào)換,得到的噪聲大小相差很大,把BF放在接近Nd∶YAG的位置時(shí),得到的噪聲較小,出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因我們會(huì)在以后的工作中進(jìn)行研究。

4 理論分析

4.1 腔內(nèi)倍頻激光器產(chǎn)生噪聲的原因

腔內(nèi)倍頻[7]是中低功率激光器最常用的倍頻方法,但是由于空間燒空效應(yīng)和和頻效應(yīng)的存在,激光器的輸出功率波動(dòng)大、一般激光光強(qiáng)波動(dòng)的頻率為數(shù)十赫茲,相干性和光斑質(zhì)量也受到了影響,因此解決腔內(nèi)倍頻激光器的噪聲問題,已成為目前的研究熱點(diǎn)。561 nm腔內(nèi)倍頻固體激光器產(chǎn)生噪聲的原因主要有以下幾點(diǎn):

(1)基頻光本身不同縱模間的競爭；

(2)1112，1116，1123 nm譜線之間的競爭；

(3)倍頻光的三波耦合作用。

消除噪聲[8-9]的方案可以歸結(jié)為強(qiáng)迫激光器單頻運(yùn)轉(zhuǎn)和改變激光器的偏振態(tài)。只要通過合理的膜系設(shè)計(jì)以及各選頻元件的調(diào)諧,就可以有效地消除掉1112 nm、1123 nm波長的光,從而減少各譜線之間的競爭。本文采用在諧振腔內(nèi)插入雙折射濾波器或布氏片來選頻,從而迫使激光器單頻運(yùn)轉(zhuǎn),最終獲得561 nm低噪聲激光輸出。

4.2 雙折射濾波器的工作原理

雙折射濾波器[10](BF)通常由一片或多片天然或人工石英晶體加工而成,每片BF加工成兩表面相互平行,它們的光軸可以與表面成一定角度,亦可以平行于平面。我們主要用光軸與表面平行的BF來濾光。

如圖7所示為單元濾光片的工作原理圖,我們規(guī)定,包含光軸C且垂直于BF表面的平面稱為主平面,入射光和法線構(gòu)成的平面稱為入射面,并且入射光的偏振方向與入射面重合,θ為入射角(布儒斯特角),A為主平面和入射面之間的夾角為調(diào)諧角,γ為入射光線和光軸之間的夾角。由于石英晶體的雙折射效應(yīng),當(dāng)一束平面偏振光入射到BF上,將會(huì)在晶體中產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象,分解為o光和e光,當(dāng)它們通過BF后,會(huì)產(chǎn)生相位延遲,其相位延遲量為：

(1)

式中，l為BF厚度,(no-ne)為o光和e光的折射率差,λ為入射光波長。由圖7和式(1)可知,當(dāng)以BF面法線為軸轉(zhuǎn)動(dòng)BF時(shí),相位延遲量δ也發(fā)生相應(yīng)的改變,從BF透射的o光和e光,若經(jīng)過一個(gè)平行于入射面的偏振片時(shí),兩束光將會(huì)發(fā)生干涉,其光強(qiáng)透射比為：

(2)

其中,φ為偏振面與電位移矢量D′(或D″)的夾角:

(3)

其中,α為光軸和BF表面的夾角,由于我們是用BF濾光,所以α=0,因此:

sinφ=cotγtanθ

(4)

把式(4)代入式(3)中,得:

(5)

由式(5)得雙折射濾波器的透過率關(guān)于調(diào)諧角的曲線,如圖8所示。從圖中可知,當(dāng)調(diào)諧角為0.744 rad時(shí),1123 nm基頻光譜線的透過率為100%。在這個(gè)角度下,1116 nm和1112 nm的透過率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于98.5%。巨大的插入損耗抑制了這兩個(gè)譜線的振蕩[11],從而減小了激光器的噪聲。

圖7 雙折射濾光片的工作原理圖

圖8 BF的透過率關(guān)于調(diào)諧角的曲線

4.3 布氏片的工作原理

在諧振腔內(nèi)插入布氏片[12],可以起到兩個(gè)作用:①頻率不同的縱模往返經(jīng)過倍頻晶體時(shí),偏振方向會(huì)略有不同,BP對存在s分量的縱模也會(huì)引起反射損耗；②不同頻率縱模的布氏角略不相同,某一角度對于某一縱模為布氏角時(shí),對其他縱模的p分量可能會(huì)存在一定的反射性損耗。我們主要應(yīng)用第一點(diǎn)來抑制該縱模的形成,通過對各縱模的選擇性損耗實(shí)現(xiàn)選頻,從而抑制噪聲。

例如，教師可以從最基本的啟蒙詩詞《靜夜思》入手，通過為幼兒講解著名詩人李白創(chuàng)作這首古詩的背景，進(jìn)而激發(fā)幼兒的閱讀興趣。具體來講，教師可以如是說：“小朋友們，今天我們來一起學(xué)習(xí)一首古詩，詩的名字叫做《靜夜思》，這首詩由我國著名詩人李白所作，李白在創(chuàng)作這首詩的時(shí)候，正處于一個(gè)皓月當(dāng)空的深夜，你們想知道作者怎樣結(jié)合深夜意境創(chuàng)作出這首詩的嗎？”幼兒異口同聲：“想?！比绱?，便可以有效激發(fā)幼兒的閱讀興趣，繼而培養(yǎng)幼兒良好的閱讀習(xí)慣。

根據(jù)Fresnel定律,把入射光的電矢量分解為平行和垂直于入射面的p波和s波,他們的反射率Rp和Rs分別為:

(6)

(7)

式中,α,β分別為入射角和折射角,空氣和布氏片的折射率分別為1和1.52,由折射定律可知:

(8)

由式(6)～(8)可得光波在BP表面的反射率曲線,如圖9所示。

由圖得到布氏角約為57°,此時(shí)p波的反射率為零,s波的反射率為15%。由Fresnel定律可知,只有當(dāng)偏振方向與BP的p偏振面重合時(shí)損耗才為零,對其他縱模則存在不同的損耗。但單個(gè)布氏片的選頻能力有限,在較高的抽運(yùn)功率下還會(huì)形成多縱模,加大激光器的噪聲,因此,將BF插入諧振腔內(nèi)更容易獲得低噪聲。

5 結(jié) 論

利用LD端面泵浦Nd∶YAG晶體,通過LBO非線性晶體腔內(nèi)倍頻,利用雙折射濾波器/布氏片進(jìn)行選頻,抑制激光器噪聲,獲得穩(wěn)定的低噪聲561 nm激光輸出。分別用BF和BP來選頻,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明選用BF選頻的實(shí)驗(yàn)裝置,獲得較低的噪聲,信噪比為7%,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致。通過合理的膜系設(shè)計(jì)以及諧振腔內(nèi)各元件合理的擺放位置,在抽運(yùn)功率為4.8 W時(shí),低噪聲561 nm激光最大輸出功率為70 mW,光-光轉(zhuǎn)換效率為1.46%。由于LBO晶體經(jīng)過多次反復(fù)試驗(yàn),損壞比較嚴(yán)重,因此得到的輸出功率較低,如果更換新的LBO晶體,一定可以獲得更高的轉(zhuǎn)換效率。

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Research on 561 nm all-solid-state low-noise laser

MA Wei,GAO Lan-lan,ZHU Xin-yu

(Changchun University of Science and Technology,Changchun 130022,China)

Using a laser diode end pumped Nd∶YAG crystal,LBO nonlinear crystal intracavity frequency doubling,birefringent filter(BF)frequency-selecting,a stable 561 nm laser output with low noise is obtained.The size of LBO crystal is 2 mm×2 mm×10 mm,and the crystal is cut with type Ⅰphase matching.The 561 nm laser maximum output power with low noise is 70 mW when the pump power is 4.8 W,and the optical to optical conversion efficiency is 1.4%.As a contrast,using frequency-selecting with BP,the obtained noise of 561 nm laser is higher than that by BF.The experimental results and theoretical analysis are consistent.

lasers;561 nm;BF;LBO crystal;low noise

1001-5078(2015)10-1206-05

2011年高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金聯(lián)合項(xiàng)目(No.20112216110006)資助。

馬 威(1988-),女,碩士研究生,研究方向?yàn)楣庾訉W(xué)與光電子技術(shù)。E-mail：846432717@qq.com

2015-01-19;

2015-01-30

TN248.1

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.10.012