吕大顺,冯新凯,陈怀熹,张新彬,梁万国

(1.中国科学院福建物质结构研究所,福建 福州 350002；2.中国科学院大学,北京 100049)

1 引 言

LD泵浦的全固态激光器具有体积小,寿命长,光束质量好和性能稳定等优点[1-3]。近年来,波段550～620 nm橙黄色激光因其在显示、医疗、检测等领域的独特优点受到广泛关注[4-5]。目前产生593 nm中小功率全固态激光的途径主要是通过在KTP,LBO等晶体中的角度相位匹配进行和频,但因晶体条件的限制具有和频转换效率不高,结构不够紧凑,光谱线宽较宽等缺陷[6-8]。

早在1962年诺贝尔物理奖得主N.Bloembergen等人就提出了准相位匹配(Quasi Phase Matching,QPM)理论[9],通过对晶体的非线性极化率的周期性调制来补偿非线性频率变换过程中因色散引起的基波和谐波之间的波矢失配,从而获得非线性光学效应的有效增强。20世纪70年代末,南京大学用生长条纹技术生长出具有周期畴的铌酸锂晶体,完成了首次准相位匹配的实验验证,后被称为光学超晶格晶体。90年代,随着制作工艺的成熟[10],周期极化晶体(PPLN、PPLT、PPKTP等)进入各种应用领域。其中与全固态激光技术结合,能够极大的拓宽激光波段范围,与双折射角度相位匹配相比,具有不存在走离效应,可充分利用晶体的最大非线性光学系数,透光范围,周期和波长可调谐,转换效率高光谱质量好等优势。

本文使用的极化晶体由课题组研发和制作,采用半导体光刻技术在1 mm厚z切掺氧化镁铌酸锂单畴晶圆表面制作图型电极,再在晶体两端施加反转电压,通过精确控制实现晶体表面和厚度方向的畴结构均匀反转,然后通过切割、抛光和镀膜等工艺环节,在常温下设计了593 nm和频所需PPMgOLN晶体,周期为9.8 μm。为了实现高效紧凑的黄光输出,采用LD泵浦线性平凹腔结构,合理选择晶体尺寸和镀膜方案,在3 W泵浦功率下获得255 mW的连续黄光输出,激光器光谱特性和稳定性良好。

2 理论分析

5 %MgO掺杂的周期极化铌酸锂晶体(LiNbO3)具有较大的二阶非线性光学系数(d33=27.2 pm/V),从近紫外到中红外的宽透明窗口,在高光功率下的高损伤阀值[11]。为了在晶体中实现二阶非线性光学和频(sum frequency generation,SFG),需满足相位匹配条件。对于涉及三个相互作用光波的和频过程(ω3=ω1+ω2),它们的波矢量因材料色散失配为:

ΔkSFG=k1+k2-k3-2π/ΛSFG

其中,kj=2πnj/λj是对应波长的波矢量；nj是对应波长的折射率,可由Sellmeier方程[11]计算。只要相位失配量ΔkSFG=0,即可实现准相位匹配。此时极化周期ΛSFG满足:

对于功率为P1和P2的两束光入射到长度为L的非线性晶体中产生的和频光输出功率可近似估算为:

相应的转换效率为:

其中,deff=2d33/π是PPMgOLN的有效非线性光学系数。通过合理设计极化周期,可获得所需的和频光输出。

Nd∶YVO4是一种常用高效的激光晶体,具有较宽的吸收带宽和较大的受激发射截面,而且是双折射晶体能够发射线偏振光。在808 nm光泵浦下,处于4F3/2能级的Nd3+离子可以向多个终端能级跃迁并产生辐射,其中几率最大的是4F3/2至4I11/2的跃迁(波长为1064 nm),其受激发射截面积为25×10-19cm2,其次是4F3/2至4I13/2的跃迁(波长为1342 nm),其受激发射截面积约为7.6×10-19cm2[12]。由于1064 nm和1342 nm两条谱线有共同的激光上能级,双波长运转时必然存在严重的谱线竞争,为了提高和频转换效率,不仅要求两基频光功率要高,而且参与和频的两束光腔内光子数要相等,可以在设计腔镜高反膜时,结合实际工艺,首先选择1342 nm优先,适当增加对1064 nm的透射损耗,使1342 nm和1064 nm的谱线增益达到近似相同。该方法在和频激光器中具有很大的实用性,能够缩小体积,降低调节难度,提高激光器的稳定性。

3 实验和结果

593 nm和频激光器实验装置如图1所示,激光二极管(LD)最大输出功率3 W,中心波长为807.5 nm,经透镜(OC)聚焦准直后入射到Nd∶YVO4晶体中心(尺寸3 mm×3 mm×5 mm 浓度1 %)。采用线性平凹腔结构,在Nd∶YVO4晶体左端面镀膜作为一个腔镜,光经PPMgOLN(2 mm×0.5 mm×5 mm极化周期9.8μm),平凹输出镜(曲率半径R1=50 mm),滤波片后输出,谐振腔长约为15 mm,采用半导体致冷器TEC1和TEC2分别对LD和晶体控温。具体镀膜方案为:Nd∶YVO4晶体左端面镀AR@808 nm(T>99.9 %),HR@1064 nm/1342 nm/593 nm,右端面镀AR@1064 nm/1342 nm；PPMgOLN两端面均镀AR@1064 nm/1342 nm/593 nm；平凹镜凹面镀HR@1342 nm(R>99.9 %),1064 nm部分透射(R=97.6 %)平面镀AR@593 nm。

图1 和频激光器实验装置图Fig.1 Sum frequency laser experimental device

实验中先将LD泵浦功率设定至最高3 W,控制温度为28 ℃,从20～35 ℃调节晶体温度,增量为1 ℃测量输出功率的变化曲线。图2显示晶体最佳工作温度为30 ℃,因热效应影响,温度升高时相位失配,功率急剧下降。再微调LD的温度到30 ℃,发现对输出功率影响不大,因此只需一个TEC进行统一温控,激光器就能稳定工作。

图2 输出功率随工作温度变化曲线Fig.2 Output power change curve with working temperature

在工作温度为30 ℃时,测量了不同泵浦功率下的最大输出功率,在阀值810 mW左右开始观察到黄光输出,输出功率和转换效率随泵浦功率增加而增加,在3 W时达到最大255 mW黄光输出,光光转换效率为8.5 %。实验结果和光斑如图3所示。

图3 30 ℃时输出功率随泵浦功率的变化关系以及255 mW时的光斑Fig.3 The relationship between the output power and the pump power at 30 ℃ and the spot at 255 mW

图4为使用光纤光谱仪测量的光谱图,仪器显示激光中心波长为593.48 nm,半高宽为0.22 nm。

图4 黄光激光器的光谱图Fig.4 Spectrogram of yellow laser

在工作温度为30 ℃,泵浦功率为3 W时,用OPHIR公司功率计测量了593 nm黄光输出的稳定性,如图5所示,1 h内输出功率的波动在2 %以内。

图5 输出功率稳定性曲线Fig.5 Output power stability curve

4 结 论

采用脉冲电压极化法制备了尺寸2 mm×0.5 mm×5 mm,周期9.8 μm的PPMgOLN晶体,实现了3 W泵浦下255 mW的全固态和频593 nm连续黄光输出,光光转换效率为8.5 %,1 h内输出功率波动小于2 %。使用PPMgOLN晶体代替传统双折射晶体,不仅效率高,而且尺寸小结构更紧凑,有利于模块化商业化。