引言

基于Nd3+的~1μm波段激光器是一種常見的近紅外激光源,在醫(yī)療、軍事、工業(yè)、科學和其他領(lǐng)域具有非常廣泛的應用。同時,該波段的激光器通常用作基頻激光器,用于倍頻到可見激光波段。近年來為了獲得更高質(zhì)量的~1μm波段激光,除了各種新型高質(zhì)量Nd3+摻雜晶體蓬勃發(fā)展外,研究人員構(gòu)建激光器時嘗試通過各種方法提高激光輸出性能。

Nd3+:Gd0.1 Y0.9 AlO3(Nd:GYAP)是一種高質(zhì)量的激光晶體,可以產(chǎn)生波長約1.08μm的激光。在Nd:GYAP晶體中,由于Gd3+和Y3+的共摻雜,晶體的吸收和發(fā)射光譜可以有效拓寬,因此它有巨大的潛力應用于調(diào)諧和鎖模操作。在現(xiàn)有的研究中,Zhou等[16]在Nd:GYAP晶體上實現(xiàn)了超過8 W的連續(xù)激光(CW)輸出,中心波長為1 078.38 nm。Wang等也已經(jīng)使用該晶體實現(xiàn)了調(diào)Q操作。這些結(jié)果表明Nd:GYAP是一種優(yōu)良的1μm波段激光晶體。同時,Nd:GYAP晶體的光譜被有效拓寬,使其具有了成為調(diào)諧和鎖模操作增益介質(zhì)的巨大潛力。在調(diào)諧和鎖模操作中,為了使輸出的激光具有更寬的激光發(fā)射以獲得更寬的調(diào)諧范圍或更多模式的鎖定,常通過增加腔長的方式以獲得更多的縱模,但這也將導致激光諧振腔的穩(wěn)定性下降。以往研究者常采用搭建折疊腔的方式來解決這一問題,但折疊腔設(shè)計與搭建的困難程度和復雜性一直是不容忽視的問題。

本工作通過研究一種在激光諧振腔內(nèi)額外加入晶體的方式以優(yōu)化諧振腔的穩(wěn)定性。由于晶體材料顯著優(yōu)于玻璃材料的機械和熱力學性能,選用晶體材料可以很大程度上減少熱透鏡效應的影響,更好地實現(xiàn)對激光器性能的提升。根據(jù)仿真軟件中對Nd:GYAP晶體激光器的設(shè)計與優(yōu)化,本工作選用了一種折射率合適的晶體放入激光諧振腔內(nèi),實現(xiàn)了對激光器穩(wěn)定性的優(yōu)化。這一工作有希望被應用于調(diào)諧和鎖模激光器中,從一定程度上減少折疊腔的復雜程度,實現(xiàn)更簡單高效的鎖模和調(diào)諧激光器設(shè)計目標。LiB3 O5(LBO)是一種常見的倍頻晶體,通過其二次非線性效應,通常用于對長波長激光進行倍頻并輸出短波激光,特別是常被用于~1μm波段激光器中,以產(chǎn)生約532 nm的綠色激光。對于這一問題,許多研究人員已經(jīng)進行了非常深入的研究。然而,LBO對1μm波段激光器本身的影響通常被忽略,很少有研究人員探討這個問題。本工作著重研究了LBO對1μm波段的Nd:GYAP晶體激光器的影響,從數(shù)據(jù)仿真和實驗兩方面都發(fā)現(xiàn)將LBO晶體置于激光器內(nèi)可以有效實現(xiàn)長腔情況下激光性能的優(yōu)化,并獲得更高的激光輸出功率與效率。

在本工作中,Nd:GYAP被用作激光介質(zhì),并產(chǎn)生1080 nm的激光輸出。本文研究了b切和c切晶體的激光輸出特性,并比較了長腔情況下LBO對激光輸出性能的影響。研究發(fā)現(xiàn),無論是b切還是c切Nd:GYAP激光器,在激光諧振腔中添加LBO晶體都可以有效提高激光輸出效率,并且?guī)缀醪粫庾V和光束質(zhì)量造成影響。該研究為長腔情況下的激光器性能優(yōu)化提供了思路。在調(diào)諧和鎖模操作等必須延長激光諧振腔長度的情況下,在腔內(nèi)添加一塊折射率合適的晶體可以有效提高激光器的斜率效率和輸出功率。

實驗

在本工作中,建立了放置有LBO的直腔Nd:GYAP激光器,以研究LBO晶體對~1μm波段激光器的影響。該器件使用發(fā)射波長為808nm、纖芯直徑為400μm、數(shù)值孔徑(N.A.)為0.22的連續(xù)波(CW)光纖耦合激光二極管(LD)作為泵浦源。泵浦光束通過1:1耦合透鏡聚焦在Nd:GYAP晶體端面,以激發(fā)~1μm激光。輸入鏡M1曲率半徑為200 mm,在808 nm處是高度透明(HT,反射率<0.2%)的,在1 080 nm處是高反射(HR,反射率>99.8%)的。Nd:GYAP晶體作為增益介質(zhì),分別沿b軸和c軸加工成4 mm×4 mm×5 mm的尺寸。然后放置一塊尺寸為3 mm×3 mm×20 mm的LBO晶體(θ=90°,Φ=0°)。Nd:GYAP和LBO晶體均包裹在銦箔中,并放置在通有18℃冷卻水的銅塊中。輸出鏡M2曲率半徑為200 mm,對1 080 nm有部分透射率(T=95%)。M1和M2一起形成激光諧振器,整個裝置應盡可能緊湊,激光諧振腔長度約為50 mm。1 000 nm濾波器被放置在裝置的末端,以阻擋泵浦光和非線性效應產(chǎn)生的倍頻激光。整個裝置如圖1所示。

圖1、腔內(nèi)放置有LBO的Nd:GYAP激光裝置圖

結(jié)果與討論

短腔Nd∶GYAP激光器的特性

為了更好地進行比較,在不置入LBO晶體時,本文記錄了短腔Nd:GYAP激光器的激光特性。當沒有放置LBO晶體并且M2盡可能靠近晶體時,分別在b切和c切Nd:GYAP晶體上實現(xiàn)了~1μm波段激光輸出。此時,激光諧振腔長度(L)約為20 mm。

如圖2(a)所示,當短腔時,b切Nd:GYAP激光器的輸出功率與吸收泵功率呈現(xiàn)線性關(guān)系,斜率效率(η)為53.08%,具有約0.31 W的較低閾值。由于本實驗中泵浦源的限制,本文僅獲得了3.49 W的激光輸出,但此時它仍然具有良好的線性增長關(guān)系。有理由相信,隨著泵浦功率的不斷增加,有望實現(xiàn)更高的激光輸出功率。圖2(b)顯示了利用光譜分析儀(YOKOGAWA,AQ6374)測量的b切Nd:GYAP的~1μm激光發(fā)射光譜。激光光譜的中心波長為1079.38 nm,同時在1072.41 nm處也存在有一個峰。

圖2、短腔時b切Nd:GYAP激光器輸出特性

如圖3(a)和圖3(b)所示,以相同的方式研究了短腔時c切Nd:GYAP晶體的激光輸出特性。c切Nd:GYAP晶體激光器的輸出閾值為1.11 W,斜率效率為19.97%。與b切晶體相同,由于泵浦源的限制,本文獲得了1.132 W的最大輸出功率,但隨著泵浦功率的不斷增加,輸出功率將仍能夠增加。通過對光譜的分析,可以發(fā)現(xiàn)短腔時c切Nd:GYAP晶體可以發(fā)射三種波長的激光。三個發(fā)射峰分別位于1064.67、1072.74和1 079.38 nm,位于1 079.38 nm處的發(fā)射峰最強。三波長輸出主要是由于GYAP作為一種無序激光晶體,其熒光發(fā)射峰獲得了有效展寬[10]。由于Nd:GYAP晶體具有較好質(zhì)量,b切和c切晶體都可以在短腔中獲得良好的激光輸出特性。

LBO對激光輸出效率的影響

為了更好地進行比較,本工作分別研究了在插入LBO晶體和不插入LBO晶體時對應長腔Nd:GYAP激光器的激光特性。此時,激光諧振腔長度都約為50mm。在實驗中,當不放置LBO晶體時,實驗結(jié)果如圖4(a)所示,b切Nd:GYAP晶體的激光輸出具有0.31W的閾值和18.9%的斜率效率,可以獲得0.931W的最大輸出功率。達到最大輸出功率后,由于熱效應,輸出功率將開始降低。同時,還可以注意到,當吸收泵功率達到3.232W時,輸出功率的斜率效率已經(jīng)開始顯著降低功率增長開始放緩。而當置入LBO晶體時,閾值仍為0.31W,但最終可以獲得24.3%的斜率效率,遠高于不置入LBO晶體時的18.9%,同時最大輸出功率也達到1.254W。

圖3、短腔時c切Nd:GYAP激光器輸出特性

LBO對激光效率的改善在c切晶體中更為明顯,如圖4(b)所示。如果沒有LBO晶體,c切Nd:GYAP晶體只有2.87%的斜率效率,最大輸出功率只能達到63 mW。當吸收泵功率增加時,輸出功率甚至具有一個先減小后增大的過程。然而,當置入LBO時,輸出功率隨著泵功率的增加而線性增加,此時可以獲得10.7%的斜率效率,是沒有置入LBO時的4倍。加入LBO后還可以獲得134 mW的最大輸出功率,是沒有置入LBO時的2倍。通過添加一塊LBO晶體,c切Nd:GYAP晶體的激光輸出特性大幅提高。

圖4、有無LBO時Nd:GYAP激光器的輸出功率

總體來說,在圖1所示的裝置中,通過比較有無LBO時的b切和c切Nd:GYAP晶體的輸出特性可以發(fā)現(xiàn),在長腔的情況下,LBO可以有效改善晶體的激光輸出特性。

為了探究LBO在激光器中起到的作用,本工作通過Resonator軟件對搭建的激光諧振腔進行了仿真,根據(jù)圖1中的實驗參數(shù)在軟件中搭建了激光系統(tǒng),并分析了其穩(wěn)定性。圖5展示了激光器穩(wěn)定性與LBO位置處的晶體折射率以及LBO晶體長度之間的關(guān)系。如圖5(a)所示,當折射率為1時表示與未放置晶體時的長腔情況一致。可以發(fā)現(xiàn),整個激光諧振腔都在穩(wěn)定范圍內(nèi),故無論是否放置LBO都能實現(xiàn)激光輸出。但當晶體折射率約為1.565時,該激光腔諧振的穩(wěn)定參數(shù)為0,即最穩(wěn)定狀態(tài),這一折射率與LBO的折射率(1.526)能夠很好吻合。這一仿真結(jié)果解釋了上述LBO晶體對于激光輸出效率提高的原因。

為了進一步研究LBO晶體部分折射率的改變對激光器穩(wěn)定性的影響,本工作改變LBO晶體長度和LBO位置兩個影響參數(shù),根據(jù)仿真結(jié)果繪制了穩(wěn)定參數(shù)0等值線,如圖5(b)所示。圖中橫坐標表示LBO晶體長度,縱坐標表示LBO晶體到Nd:GYAP晶體之間的距離,即LBO的位置,當兩參數(shù)的值對應的坐標落在圖中直線上時,即說明穩(wěn)定性最佳。由仿真結(jié)果可以表明,當Nd:GYAP晶體到輸出鏡的距離超過14.8 mm時,在腔內(nèi)加入一塊LBO晶體可以使激光諧振腔保持在最穩(wěn)定的狀態(tài),LBO晶體的長度和位置應當滿足圖5(b)中等值線經(jīng)過的坐標。因此本工作考慮到實驗裝置之間固有的距離,在盡可能使裝置各部分緊湊的情況下,選擇了長度為20 mm的LBO晶體。這一結(jié)果為晶體尺寸的選擇提供了指導。

圖5、諧振腔穩(wěn)定性仿真

有無LBO時光譜與光束質(zhì)量的比較

為了進一步探討LBO對激光特性的影響,使用光譜分析儀(YOKOGAWA,AQ6374)和激光光束分析儀(Spiricon,Inc.M2-200s)分析了有無LBO時b切和c切Nd:GYAP激光器的光譜和光束質(zhì)量。

如圖6所示,當腔長為50mm時,b切Nd:GYAP激光器具有兩個與短腔時一樣的發(fā)射峰,主發(fā)射峰位于1 079.21 nm,另一個發(fā)射峰位于1073.80nm。加入LBO后,發(fā)射峰位置幾乎沒有變化,主發(fā)射峰位于1079.00nm,另一個峰值在1072.44nm。如圖7所示,當c切晶體激光器的腔長為50mm時,由于模式競爭,只在1079.67nm處有一個發(fā)射峰。加入LBO后,發(fā)射峰幾乎沒有移動,位于1079.10nm。這些結(jié)果表明,LBO晶體可以在不影響其發(fā)射光譜的情況下提高激光輸出效率。

圖6、b切Nd:GYAP激光器的激光光譜

圖8和圖9分別顯示了有無LBO時b切和c切Nd:GYAP晶體激光器的光束質(zhì)量。圖示為獲取的高斯光束束腰位置圖像。可以發(fā)現(xiàn),當沒有放置LBO時,b切晶體的Mx(2)為2.105,My(2)為1.859;放置有LBO時,Mx(2)和My(2)分別為2.125和1.708。不放置LBO的c切晶體的Mx(2)和My(2)分別為20.210和16.282,而放置LBO時的Mx(2)和My(2)則分別為18.613和15.674?？梢钥闯?LBO略微提高了輸出激光器的光束質(zhì)量,但總體上沒有顯著影響。

圖7、c切Nd:GYAP激光器的激光光譜

圖8、b切Nd:GYAP激光器的光束質(zhì)量和2D光束模式

圖9、c切Nd:GYAP激光器光束質(zhì)量和2D光束模式

LBO對激光偏振特性的影響

激光的偏振特性可以通過格蘭·泰勒棱鏡進行測量。使輸出激光通過格蘭·泰勒棱鏡、旋轉(zhuǎn)棱鏡并記錄發(fā)射的激光功率,最大功率的方向即為激光的偏振方向。本工作進一步研究了有無LBO時的b切和c切Nd:GYAP激光器輸出的偏振特性。

b切晶體在沒有LBO的情況下具有良好的線性偏振特性。如圖10(a)所示,可以發(fā)現(xiàn)輸出激光的偏振方向約為45°。當在激光諧振腔中置入LBO時,偏振方向?qū)l(fā)生一定的偏轉(zhuǎn),輸出激光偏振方向變?yōu)?35°,如圖10(b)所示。此外,偏振的線性度也在一定程度上降低。對于c切晶體,偏振也具有類似的特性,如圖11所示,如果沒有LBO,c切晶體的偏振方向約為165°。然而,當加入LBO時將發(fā)生約為30°的偏轉(zhuǎn),偏振方向變?yōu)?95°,其偏振的線性度也有所下降。

這一結(jié)果的產(chǎn)生是由于LBO是一種雙折射晶體,當激光器產(chǎn)生的偏振光經(jīng)過LBO晶體時,發(fā)生了旋光現(xiàn)象。偏振光延LBO晶體光軸方向傳播時,將分解成左旋和右旋兩支圓偏振光,兩者相速度不同,分別對應雙折射晶體兩個不同的折射率。當激光最終穿過LBO晶體輸出時,相速度較快的一支圓偏振光比相速度較慢的一支相位超前,它們重新合成時,宏觀表現(xiàn)為偏振方向轉(zhuǎn)過了一個角度[31]。同時由于入射光也并非嚴格的線偏振光,經(jīng)過這一過程后,其線性度發(fā)生了一定的下降。

總體來說,由于激光偏振方向受到激光介質(zhì)和LBO晶體的影響,在添加LBO之后,輸出激光器的偏振方向可能發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)。同時,偏振的線性度將有一定程度的下降。

圖10、b切Nd:GYAP激光器的偏振特性

圖11、c切Nd:GYAP激光器的偏振特性

結(jié)論

綜上所述,本文研究了在激光諧振腔內(nèi)額外加入晶體以優(yōu)化諧振腔穩(wěn)定性的方式。通過數(shù)據(jù)仿真選擇了一種折射率合適的LBO晶體,并采用b切和c切Nd:GYAP晶體作為激光介質(zhì),比較了LBO對激光輸出的影響。結(jié)果表明,激光諧振腔中的LBO晶體可以提高激光輸出的斜率效率,獲得更高的輸出功率,且對光譜和光束質(zhì)量幾乎不產(chǎn)生影響。加入LBO后,b切Nd:GYAP激光器的斜率效率從18.9%提高到24.3%,最大輸出功率從0.931 W提高到1.254 W。c切Nd:GYAP的斜率效率從2.87%提高到10.07%,最大輸出功率從63 mW提高到134 mW。另外,加入LBO后,激光輸出的偏振方向由于旋光現(xiàn)象將會發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)。本研究提供了一種提高長腔激光器的斜率效率和輸出功率的方法,這將在某些如調(diào)諧和鎖模操作等必須拉長激光諧振腔的情況下獲得更好的激光輸出。