双端泵浦Nd3+掺杂MgO:LiNbO3 正交偏振双波长连续激光调控*

刘鸿志 王宇恒 郑浩 赵云峰 于永吉 金光勇

(长春理工大学理学院,吉林省固体激光技术与应用重点实验室,长春 130022)

报道了一种采用双端泵浦的Nd3+离子掺杂MgO:LiNbO3 正交偏振双波长激光器,并对正交偏振双波长激光输出进行调控.基于晶体的偏振荧光光谱,对1084 与1093 nm的双波长激光振荡机理进行分析,建立晶体热透镜焦距与受激发射截面比之间的关系,并推导出1084 及1093 nm 双波长共振区间,给出通过改变谐振腔腔型结构调控双波长激光输出的方法.在实验中采用813 nm的半导体激光器双端泵浦a 切的Nd:MgO:LiNbO3 晶体,测量了1084 与1093 nm 两种波长的输出规律,并对输出波长进行调控.最终得到了6.02 W的1093 nm 和3.02 W的1084 nm 单波长激光输出,在X,Y 方向上的光束质量分别为 =1.70 和 =1.81.在28 W 泵浦注入功率下获得了4.58 W的双波长激光输出,实验结果与理论分析相符合.为正交偏振双波长的可控输出及应用奠定了理论和实验基础.

1 引 言

正交偏振双波长广泛应用于激光干涉测量、差分吸收激光雷达、全息显微术和精密测量,特别是在精密测量方面,同时发射两个正交偏振波长的激光由于其独特的偏振特性,可进行如长度、位移、角度、速度、压力、磁场等的精密测量.正交偏振双波长也可用于科学研究,如用于原子激光冷却,具有广泛的应用前景和使用价值[1−8],使其成为固体激光领域的研究热点之一[9−11].

目前Nd:YVO4,Nd:YLF 和Nd:YAP 是获得正交偏振双波长激光[12]的主要晶体,2019 年广东省晶体与激光技术工程研究中心的Tu 等[13]通过端面泵浦Nd:YLF 获得了1314 和1321 nm 正交偏振双波长输出,在20 kHz的脉冲重复频率下平均功率为6.5 W.同年,厦门大学的Qi 等[14]使用a-cut Nd:YAP 获得了1079.5 和1099 nm的正交偏振双波长激光,最大输出功率为976 mW,斜率转换效率为7%.然而输出波长均为单波长交替输出,并未能实现正交偏振双波长同步输出.近年来,基于Nd3+离子掺杂MgO:LiNbO3晶体的正交偏振双波长同步输出开始成为新型研究热点.2016 年山东大学Fan 课题组[15]报道了Nd:MgO:LiNbO3晶体的1084 与1093 nm 双波长激光同步输出现象,并从能级角度对其双波长的产生原理进行了分析,但并未对其输出波长进行控制.2019 年长春理工大学王宇恒等[16]在山东大学Fan 课题组[15]研究的基础上,通过改变泵浦注入光斑,调节晶体温升,分别实现了单波长与双波长输出,但由于光斑差异较大,不能便捷实现对输出波长的调控.迄今为止,关于正交偏振双波长的研究多倾向于单波长输出或双波长同步输出,对于输出波长进行调控的研究鲜有报道.

基于此,本文从Nd:MgO:LiNbO3晶体的偏振荧光光谱出发,分析1084 与1093 nm的双波长激光振荡原因,建立了晶体热透镜焦距与受激发射截面比之间的联系,通过调节谐振腔腔型结构对Nd:MgO:LiNbO3晶体的正交偏振双波长激光输出进行控制.最终演示了以半导体激光器双端泵浦a切的Nd:MgO:LiNbO3晶体,在不添加任何额外的光学元件情况下,得到了3.02 W的1084 nm 和6.02 W的1093 nm 单波长激光输出,在28 W 泵浦注入功率下获得了4.58 W的双波长同时输出,并给出了切换三种输出状态的控制手段.为后续充分利用正交偏振双波长的可控输出及应用奠定了实验基础.极大地提高了可调控1804/1093 nm正交偏振双波长激光的应用范围.

2 Nd:MgO:LiNbO3 晶体的双波长激光器实验装置

基于Nd:MgO:LiNbO3的正交偏振双波长激光器实验装置如图1 所示.泵浦源采用美国nLIGHT 半导体激光公司生产的中心波长813 nm的光纤耦合模块,传输光纤半径为200 µm,数值孔径(NA)为0.22,经1∶2 耦合镜组(传输耦合效率达到97%)聚焦后抽运Nd:MgO:LiNbO3晶体.沿a轴切割的Nd:MgO:LiNbO3晶体尺寸为2 mm ×6 mm × 40 mm,Nd3+离子掺杂浓度为4%,两个端面镀有813 nm 和1080—1090 nm 增透膜(antireflective,AR),晶体侧面包裹一层铟箔卡在一块紫铜热沉中,通过外部水冷机循环制冷进行温度控制,水冷机控温精度达到±0.01 ℃.M1 镀 有813 nm高透膜系和1084 nm高反膜系,M2 镀有1084 nm 部分高反膜系,BS1 为45°镜镀有813 nm高透膜和1084 nm高反膜,在BS1 右端放置一个镀有1080—1090 nm的45°偏振膜的偏振片,用以区分两种正交偏振输出.

图1 Nd:MgO:LiNbO3(Nd:MgO:LN)激光器的激光实验装置图Fig.1.Diagram of laser experimental setup based on Nd:MgO:LiNbO3 laser.

3 Nd:MgO:LiNbO3 晶体的双波长激光输出理论分析

由Nd:MgO:LiNbO3晶体的偏振荧光谱入手,分析双波长激光振荡的起因,偏振荧光光谱如图2所示.

图2 Nd:MgO:LiNbO3 晶体的偏振荧光光谱Fig.2.Polarized fluorescence spectra of Nd:MgO:LiNbO3 crystal.

从图2 可以看出,Nd:MgO:LiNbO3晶体表现出明显的偏振发射特性.由4F3/2到4I11/2的过程中,两种偏振的荧光谱均含有多个发射峰,其中 π -偏振的1084 nm的发射峰明显强于其他波长,而σ-偏振的发射峰较为复杂,1078,1084 和1093 nm三个发射峰较为接近,其中1093 nm的发射峰稍强于其他两种谱线.为了对输出波长进行精确控制,引用荧光强度比R:

其中C1是常数系数,可以估算;Ei(i=2,3) 是电平i和地电平之间的能量分离;KB是玻尔兹曼常数;T是绝对温度.

根据Fuchtbauer-Ladenbury 公式[17−20],可以计算出有效的受激发射截面:

通过(3)式可以发现,1093 与1084 nm 两种谱线的受激发射截面比是温度T的函数,由实测Nd:MgO:LiNbO3晶体的荧光光谱得到,当晶体温度趋近于330 K 时,1093 nm的荧光谱线开始出现.为了对双波长输出进行精准控制,本文采用介稳腔法[21]对a切Nd:MgO:LiNbO3晶体的热焦距进行实验测量,拟合实际测量热焦距值得到图3 所示的结果.

图3 晶体热焦距和受激发射截面比(σ1093 / σ1084)Fig.3.Ratio of crystal thermal focal length to stimulated emission cross section(σ1093 / σ1084).

测量结果显示,晶体温度在320—400 K 之间,1084 和1093 nm 具有不同的热焦距值.结合热焦距经典公式进行分析:

其中ωp为泵浦光斑半径,Kc为晶体热导率,Pph为产生热量的泵浦功率,dn/dT为热光系数,α为吸收系数,l为晶体长度.在Nd:MgO:LiNbO3晶体中,由4F3/2到4I11/2跃迁产生的1084 nm(Y2)和1093 nm(Y3)的受激发射截面和折射率均不同,致使双波长的热光系数dn/dT也不同,最终导致1084 和1093 nm 具有不同的热焦距值,可以看到,晶体温度从290 K 趋近于380 K 时,1084 nm 对应的热焦距范围从158 mm 到62 mm,1093 nm对应的热焦距范围从183 mm 到73 mm,以此为依据设计双波长激光输出谐振腔.使用ABCD矩阵理论,以晶体中心光斑半径作为谐振腔的稳定性判定依据,设计了三种类型的谐振腔,参数如表1所列,模拟结果如图4 所示.

表1 谐振腔模拟参数Table 1. Parameters of cavity simulation.

图4 腔长70 mm、输出镜曲率R=300 mm 时的双波长共振区间Fig.4.Dual-wavelength resonance range when the cavity length is 70 mm and the output mirror curvature R=300 mm.

图4 中黑色线条代表1084 nm 激光的稳定区间,红色线条代表1093 nm 激光的稳定区间.可以看出,随着泵浦注入功率的提升,受激发射截面比开始发生变化,1084 nm 激光开始逐渐失稳.当受激发射截面比大于0.60 时,1093 nm 激光开始起振,当受激发射截面比大于0.72 时,1084 nm 激光振荡失稳,仅为1093 nm 单波长激光输出.在此基础上,继续使用表1 中的谐振腔2 和谐振腔3 进行模拟,模拟结果如图5 和图6 所示.

综合对比三种谐振腔模拟结果,由图4 和图5可知,当M2 曲率R=300 mm,谐振腔长度为70 mm 时,双波长共振的泵浦注入功率区间为15—38 W;谐振腔长度为100 mm 时,双波长共振的泵浦注入功率区间为15—28 W.由此可知,当输出镜曲率不变,谐振腔腔长度改变时,双波长共振区间发生明显变化.由图5 与图6 可知,当谐振腔长度为100 mm,M2 曲率由R=300 mm 改变为R=150 mm 时,双波长共振区间的位置改变并不明显.

图5 腔长100 mm、输出镜曲率R=300 mm 时的双波长共振区间Fig.5.Dual-wavelength resonance range when the cavity length is 100 mm and the output mirror curvature R=300 mm.

图6 腔长100 mm、输出镜曲率R=150 mm 时的双波长共振区间Fig.6.Dual-wavelength resonance range when the cavity length is 100 mm and the output mirror curvature R=150 mm.

4 实验结果

使用图1的实验装置进行实验,谐振腔中M1,M2 镜的曲率按上述设计的谐振腔1,2,3 进行设置,具体镜片膜系与参数如表2 所列.

表2 Nd:MgO:LiNbO3 晶体的正交偏振双波长激光器镀膜参数Table 2. Coating parameters of orthogonal polarization dual-wavelength laser based on Nd:MgO:LiNbO3 crystal.

首先搭建谐振腔1,分别采用透过率T=6%,10%和15%的输出镜进行实验,Nd:MgO:LiNbO3晶体的输出功率特性如图7 所示.

图7 不同透过率下,谐振腔1的激光输出功率特性Fig.7.Resonator cavity 1 laser output power characteristics.

从图7 可以看出,随着泵浦光功率的提高,激光总功率略微下降,双波长激光开始出现,在1084/1093 nm 输出区间内,1084 nm 振荡减弱,1093 nm此时起振,进一步提升泵浦注入功率,1084 nm 停止振荡,仅有1093 nm 单波长激光输出,最终获得6.02 W的1093 nm 激光和3.02 W的1084 nm 单波长激光输出,及4.58 W的双波长激光同步输出.当输出耦合率(透过率)选取为T=10%和15%时,输出功率稍低于T=6%的情况,为了获得最优的输出功率,继续选用T=6%的输出镜进行实验.同时由模拟结果可以发现,输出耦合率(透过率)变化时,双波长输出区间的位置基本保持一致,由于双波长激光输出与晶体热效应有关,通过调节输出耦合率(透过率)并没有改变腔内的热场分布,因而对双波长区间影响并不明显.

采用OSA205C 傅里叶变换光谱仪(波长范围1—5.6 µm)和美国THORLABS 生产的PAX1000 IR2 偏振态测量仪对泵浦注入功率为12,31,35和38 W 时谐振腔1的光谱和偏振态进行测量,测量结果如图8 和图9 所示.

图8 谐振腔1的1084 与1093 nm 双波长激光输出的变化过程与光谱Fig.8.Change process and spectrum of 1084 and 1093 nm dual-wavelength laser output for resonator cavity 1.

图9 1084 和1093 nm 激光波长的偏振态 (a) 1084 nm偏振态;(b) 1093 nm 偏振态Fig.9.Polarization states of 1084 and 1093 nm laser wavelengths:(a) Polarization states of 1084 nm;(b) polarization states of 1093 nm.

从图8 和图9 可以看到,1084 nm(π -偏振)和1093 nm(σ-偏振)是属于正交偏振的双波长,符合理论预期,在12 W 泵浦功率注入的情况下,输出波长为1084 nm,结合上文的模拟结果可以发现,此时的受激发射截面比小于0.60,1084 nm的增益远大于1093 nm,抑制1093 nm 导致其无法起振,从而实现1084 nm 单波长激光输出.随着泵浦注入功率的提升,在泵浦注入功率达到15 W 时,尽管外界泵浦功率已经达到1093 nm 起振阈值,但由于1093 nm的受激发射截面仍小于1084 nm,此时1093 nm的增益远小于1084 nm的激光增益,1093 nm的激光谱线被严重抑制,效率较低.泵浦注入功率趋近30 W 时,1093 nm 才开始实现高增益振荡,双波长竞争激烈,但1093 nm的荧光强度仍小于1084 nm,泵浦注入功率继续提升至35 W 时,1093 nm的荧光强度略大于1084 nm,仍为双波长激光输出,当泵浦注入功率为38 W 时,1084 nm 激光开始失稳,仅有1093 nm 单波长激光输出.在此基础上,将谐振腔长度变为100 mm,分别采用表1 中谐振腔2 和谐振腔3的参数进行实验,最终谐振腔2 获得了5.86 W的1093 nm和2.79 W的1084 nm 单波长输出,以及3.77 W的1084/1093 nm 双波长激光输出;谐振腔3 获得了2.86 W的1093 nm 和1.86 W的1084 nm 单波长输出,以及4.02 W的1084/1093 nm 双波长激光输出.输出功率特性如图10 和图11 所示.

图10 谐振腔2 激光输出功率特性Fig.10.Resonator cavity 2 laser output power characteristics.

图11 谐振腔3 激光输出功率特性Fig.11.Resonator cavity 3 laser output power characteristics.

如图11 所示,在更改输出镜曲率后,泵浦注入功率为15 W 时,1093 nm 激光开始起振,1084/1093 nm 输出区间并没有发生明显迁移.

使用Pyrocam III 型焦热电阵列相机测量最高输出功率情况下1084 和1093 nm 激光在不同位置的光斑.在激光输出端放置一聚焦透镜(焦距f=400 mm),利用刀口法测量聚焦后的激光光斑,根据高斯光束传播方程,拟合得到激光远场发散角和束腰半径,如图12 所示,激光输出模式类似于基模(TEM00)的分布,计算得出1084 nm的光束质量因子在X,Y方向上分别为=1.70 和=1.81.1093 nm的光束质量因子在X,Y方向上分别为=1.82 和=1.94.

图12 1084 nm 和1093 nm 光斑及拟合得到的光束质量(a) 1084 nm;(b) 1093 nmFig.12.1084 nm and 1093 nm spots and the beam quality obtained by fitting:(a) 1084 nm;(b) 1093 nm.

结合理论分析及三种谐振腔的激光输出特性曲线可以得到,在泵浦注入功率一定时,通过调节谐振腔腔型结构可以调控正交偏振上波长的输出方式,实现1084/1093 nm 单波长激光交替输出和正交偏振双波长激光同步输出.

5 结论

本文从Nd:MgO:LiNbO3晶体的偏振荧光谱出发,模拟分析了1084 与1093 nm的双波长激光振荡原因,建立了晶体热透镜焦距与受激发射截面比之间的关系,推导出了1084 及1093 nm 双波长共振区间,并在此基础上,设计了不同的腔型结构谐振腔.分别实现了6.02 W的1093 nm 和3.02 W的1084 nm 单波长激光,以及4.58 W的1084/1093 nm的双波长激光输出,X,Y方向上的光束质量分别为=1.70 和=1.81.通过改变谐振腔腔型结构实现了基于Nd3+掺杂MgO:LiNbO3的1084 和1093 nm的正交偏振双波长激光器的三种输出方式,这一调控方式为正交偏振双波长可控输出奠定了理论和实验基础.