呂大順,馮新凱,陳懷熹,張新彬,梁萬(wàn)國(guó)

(1.中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所,福建 福州 350002；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

1 引 言

LD泵浦的全固態(tài)激光器具有體積小,壽命長(zhǎng),光束質(zhì)量好和性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。近年來(lái),波段550～620 nm橙黃色激光因其在顯示、醫(yī)療、檢測(cè)等領(lǐng)域的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注[4-5]。目前產(chǎn)生593 nm中小功率全固態(tài)激光的途徑主要是通過(guò)在KTP,LBO等晶體中的角度相位匹配進(jìn)行和頻,但因晶體條件的限制具有和頻轉(zhuǎn)換效率不高,結(jié)構(gòu)不夠緊湊,光譜線寬較寬等缺陷[6-8]。

早在1962年諾貝爾物理獎(jiǎng)得主N.Bloembergen等人就提出了準(zhǔn)相位匹配(Quasi Phase Matching,QPM)理論[9],通過(guò)對(duì)晶體的非線性極化率的周期性調(diào)制來(lái)補(bǔ)償非線性頻率變換過(guò)程中因色散引起的基波和諧波之間的波矢失配,從而獲得非線性光學(xué)效應(yīng)的有效增強(qiáng)。20世紀(jì)70年代末,南京大學(xué)用生長(zhǎng)條紋技術(shù)生長(zhǎng)出具有周期疇的鈮酸鋰晶體,完成了首次準(zhǔn)相位匹配的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,后被稱為光學(xué)超晶格晶體。90年代,隨著制作工藝的成熟[10],周期極化晶體(PPLN、PPLT、PPKTP等)進(jìn)入各種應(yīng)用領(lǐng)域。其中與全固態(tài)激光技術(shù)結(jié)合,能夠極大的拓寬激光波段范圍,與雙折射角度相位匹配相比,具有不存在走離效應(yīng),可充分利用晶體的最大非線性光學(xué)系數(shù),透光范圍,周期和波長(zhǎng)可調(diào)諧,轉(zhuǎn)換效率高光譜質(zhì)量好等優(yōu)勢(shì)。

本文使用的極化晶體由課題組研發(fā)和制作,采用半導(dǎo)體光刻技術(shù)在1 mm厚z切摻氧化鎂鈮酸鋰單疇晶圓表面制作圖型電極,再在晶體兩端施加反轉(zhuǎn)電壓,通過(guò)精確控制實(shí)現(xiàn)晶體表面和厚度方向的疇結(jié)構(gòu)均勻反轉(zhuǎn),然后通過(guò)切割、拋光和鍍膜等工藝環(huán)節(jié),在常溫下設(shè)計(jì)了593 nm和頻所需PPMgOLN晶體,周期為9.8 μm。為了實(shí)現(xiàn)高效緊湊的黃光輸出,采用LD泵浦線性平凹腔結(jié)構(gòu),合理選擇晶體尺寸和鍍膜方案,在3 W泵浦功率下獲得255 mW的連續(xù)黃光輸出,激光器光譜特性和穩(wěn)定性良好。

2 理論分析

5 %MgO摻雜的周期極化鈮酸鋰晶體(LiNbO3)具有較大的二階非線性光學(xué)系數(shù)(d33=27.2 pm/V),從近紫外到中紅外的寬透明窗口,在高光功率下的高損傷閥值[11]。為了在晶體中實(shí)現(xiàn)二階非線性光學(xué)和頻(sum frequency generation,SFG),需滿足相位匹配條件。對(duì)于涉及三個(gè)相互作用光波的和頻過(guò)程(ω3=ω1+ω2),它們的波矢量因材料色散失配為:

ΔkSFG=k1+k2-k3-2π/ΛSFG

其中,kj=2πnj/λj是對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的波矢量；nj是對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的折射率,可由Sellmeier方程[11]計(jì)算。只要相位失配量ΔkSFG=0,即可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)相位匹配。此時(shí)極化周期ΛSFG滿足:

對(duì)于功率為P1和P2的兩束光入射到長(zhǎng)度為L(zhǎng)的非線性晶體中產(chǎn)生的和頻光輸出功率可近似估算為:

相應(yīng)的轉(zhuǎn)換效率為:

其中,deff=2d33/π是PPMgOLN的有效非線性光學(xué)系數(shù)。通過(guò)合理設(shè)計(jì)極化周期,可獲得所需的和頻光輸出。

Nd∶YVO4是一種常用高效的激光晶體,具有較寬的吸收帶寬和較大的受激發(fā)射截面,而且是雙折射晶體能夠發(fā)射線偏振光。在808 nm光泵浦下,處于4F3/2能級(jí)的Nd3+離子可以向多個(gè)終端能級(jí)躍遷并產(chǎn)生輻射,其中幾率最大的是4F3/2至4I11/2的躍遷(波長(zhǎng)為1064 nm),其受激發(fā)射截面積為25×10-19cm2,其次是4F3/2至4I13/2的躍遷(波長(zhǎng)為1342 nm),其受激發(fā)射截面積約為7.6×10-19cm2[12]。由于1064 nm和1342 nm兩條譜線有共同的激光上能級(jí),雙波長(zhǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)必然存在嚴(yán)重的譜線競(jìng)爭(zhēng),為了提高和頻轉(zhuǎn)換效率,不僅要求兩基頻光功率要高,而且參與和頻的兩束光腔內(nèi)光子數(shù)要相等,可以在設(shè)計(jì)腔鏡高反膜時(shí),結(jié)合實(shí)際工藝,首先選擇1342 nm優(yōu)先,適當(dāng)增加對(duì)1064 nm的透射損耗,使1342 nm和1064 nm的譜線增益達(dá)到近似相同。該方法在和頻激光器中具有很大的實(shí)用性,能夠縮小體積,降低調(diào)節(jié)難度,提高激光器的穩(wěn)定性。

3 實(shí)驗(yàn)和結(jié)果

593 nm和頻激光器實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,激光二極管(LD)最大輸出功率3 W,中心波長(zhǎng)為807.5 nm,經(jīng)透鏡(OC)聚焦準(zhǔn)直后入射到Nd∶YVO4晶體中心(尺寸3 mm×3 mm×5 mm 濃度1 %)。采用線性平凹腔結(jié)構(gòu),在Nd∶YVO4晶體左端面鍍膜作為一個(gè)腔鏡,光經(jīng)PPMgOLN(2 mm×0.5 mm×5 mm極化周期9.8μm),平凹輸出鏡(曲率半徑R1=50 mm),濾波片后輸出,諧振腔長(zhǎng)約為15 mm,采用半導(dǎo)體致冷器TEC1和TEC2分別對(duì)LD和晶體控溫。具體鍍膜方案為:Nd∶YVO4晶體左端面鍍AR@808 nm(T>99.9 %),HR@1064 nm/1342 nm/593 nm,右端面鍍AR@1064 nm/1342 nm；PPMgOLN兩端面均鍍AR@1064 nm/1342 nm/593 nm；平凹鏡凹面鍍HR@1342 nm(R>99.9 %),1064 nm部分透射(R=97.6 %)平面鍍AR@593 nm。

圖1 和頻激光器實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Sum frequency laser experimental device

實(shí)驗(yàn)中先將LD泵浦功率設(shè)定至最高3 W,控制溫度為28 ℃,從20～35 ℃調(diào)節(jié)晶體溫度,增量為1 ℃測(cè)量輸出功率的變化曲線。圖2顯示晶體最佳工作溫度為30 ℃,因熱效應(yīng)影響,溫度升高時(shí)相位失配,功率急劇下降。再微調(diào)LD的溫度到30 ℃,發(fā)現(xiàn)對(duì)輸出功率影響不大,因此只需一個(gè)TEC進(jìn)行統(tǒng)一溫控,激光器就能穩(wěn)定工作。

圖2 輸出功率隨工作溫度變化曲線Fig.2 Output power change curve with working temperature

在工作溫度為30 ℃時(shí),測(cè)量了不同泵浦功率下的最大輸出功率,在閥值810 mW左右開(kāi)始觀察到黃光輸出,輸出功率和轉(zhuǎn)換效率隨泵浦功率增加而增加,在3 W時(shí)達(dá)到最大255 mW黃光輸出,光光轉(zhuǎn)換效率為8.5 %。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和光斑如圖3所示。

圖3 30 ℃時(shí)輸出功率隨泵浦功率的變化關(guān)系以及255 mW時(shí)的光斑Fig.3 The relationship between the output power and the pump power at 30 ℃ and the spot at 255 mW

圖4為使用光纖光譜儀測(cè)量的光譜圖,儀器顯示激光中心波長(zhǎng)為593.48 nm,半高寬為0.22 nm。

圖4 黃光激光器的光譜圖Fig.4 Spectrogram of yellow laser

在工作溫度為30 ℃,泵浦功率為3 W時(shí),用OPHIR公司功率計(jì)測(cè)量了593 nm黃光輸出的穩(wěn)定性,如圖5所示,1 h內(nèi)輸出功率的波動(dòng)在2 %以內(nèi)。

圖5 輸出功率穩(wěn)定性曲線Fig.5 Output power stability curve

4 結(jié) 論

采用脈沖電壓極化法制備了尺寸2 mm×0.5 mm×5 mm,周期9.8 μm的PPMgOLN晶體,實(shí)現(xiàn)了3 W泵浦下255 mW的全固態(tài)和頻593 nm連續(xù)黃光輸出,光光轉(zhuǎn)換效率為8.5 %,1 h內(nèi)輸出功率波動(dòng)小于2 %。使用PPMgOLN晶體代替?zhèn)鹘y(tǒng)雙折射晶體,不僅效率高,而且尺寸小結(jié)構(gòu)更緊湊,有利于模塊化商業(yè)化。