孫桂俠,熊 明,凌菲彤,劉 濤,安振杰,張志忠

(核工業(yè)理化工程研究院,天津 300180)

1 引 言

紅光激光器在激光醫(yī)療、彩色顯示、量子信息等方面有著巨大的應(yīng)用前景,但紅光激光器相比于綠光激光器發(fā)展較為緩慢,且連續(xù)可調(diào)諧單頻671nm波段激光器的研究則更加稀少。文獻(xiàn)[1]～[3]報道了連續(xù)單頻671 nm環(huán)形固體激光器,但沒有實現(xiàn)頻率調(diào)諧,且功率較低。在文獻(xiàn)[4]～[6]中,報道了可調(diào)諧的671 nm激光,它們倍頻方式較多采用腔內(nèi)倍頻和腔外單次倍頻,有著功率較低和波長調(diào)諧不穩(wěn)的缺點,為了獲得高功率、高光束質(zhì)量和較穩(wěn)定的波長調(diào)諧的671 nm激光,可采用主振且放大的方式(MOPA)獲得大功率1342 nm基頻光,再進(jìn)行腔外倍頻得到671 nm紅光,這種方法是產(chǎn)生可調(diào)諧單頻671 nm連續(xù)紅光的最佳方案。

腔外諧振倍頻技術(shù)是1966年提出的一項新的倍頻技術(shù),并在近些年獲得了迅速的發(fā)展[7]。目前,該技術(shù)在軍用以及民用激光器中獲得了越來越廣泛的應(yīng)用[8-11]。外腔諧振倍頻在高功率、高光束質(zhì)量、窄線寬的綠、藍(lán)、黃光等較短波段的固體激光系統(tǒng)研究中顯示出了其獨特的優(yōu)越性,正不斷受到人們的關(guān)注和研究。

本文采用“8”字環(huán)形的外腔諧振倍頻腔結(jié)構(gòu),設(shè)計滿足倍頻條件的腔參數(shù),基于PDH(Pound-Drever-Hall)鎖頻技術(shù)對外部諧振腔進(jìn)行腔長鎖定,研究 1342 nm連續(xù)光作為基頻光光源進(jìn)行腔外諧振倍頻的特性。實現(xiàn)1342 nm激光腔外倍頻輸出,獲得可調(diào)諧的連續(xù)671 nm單頻激光器。

2 實驗裝置

如圖(1)所示,整個系統(tǒng)包括基頻激光系統(tǒng)、腔長反饋系統(tǒng)和環(huán)形倍頻腔三部分。其中基頻激光系統(tǒng)包括基頻激光器、隔離器和模式耦合透鏡組,主要是為系統(tǒng)提供合適的基頻光。腔長反饋系統(tǒng)包括壓電陶瓷 PZT、壓電驅(qū)動器、激光鎖頻裝置和光電探測器,主要作用是為了保持腔長的穩(wěn)定,使得環(huán)形腔的光學(xué)長度穩(wěn)定在基頻光波長的整數(shù)倍,保證基頻光盡可能地注入到腔內(nèi)并放大[9,13]。環(huán)形倍頻腔包括基頻光輸入端面鏡M1、平面腔鏡M2、凹面腔鏡M3、凹面輸出腔鏡M4和倍頻晶體LBO,主要用途是將基頻光鎖定注入到腔內(nèi)進(jìn)行諧振放大,并進(jìn)行倍頻轉(zhuǎn)化,輸出671 nm紅光。

設(shè)注入基頻光的功率為Pin,基頻光經(jīng)輸入鏡M1進(jìn)入到腔內(nèi),在腔內(nèi)的循環(huán)功率為Pc,經(jīng)腔鏡M1反射的光功率為Pr,Rm為透射光M1進(jìn)入到腔內(nèi)循環(huán)一周后與恰好進(jìn)入腔內(nèi)的基頻光功率之比,定義為諧振倍頻腔的剩余反射率,它包含了腔鏡M2、M3、M4和倍頻晶體的兩端面的殘余反射損耗、晶體的吸收和散射及非線性轉(zhuǎn)換損耗,R1為M1對基頻光的反射率,當(dāng)環(huán)形腔的光學(xué)長度穩(wěn)定在基頻光波長的整數(shù)倍時,選擇適當(dāng)?shù)妮斎腭詈乡R透射率,使得R1=Rm時[9,12],即滿足阻抗匹配[13]時,才能保證Pr=0,所有基頻光入射功率都耦合進(jìn)環(huán)形腔,倍頻效率最高,因此選擇合適的M1鏡反射率很關(guān)鍵。

整個系統(tǒng)的主要工作過程為:基頻激光器出射的基頻光1342 nm光經(jīng)過隔離器傳輸?shù)秸蜗到y(tǒng)內(nèi),由透鏡組成的整形系統(tǒng)整形到合適光斑大小,即保證基頻光與環(huán)形腔內(nèi)的本證模的基模一致,達(dá)到模式匹配要求,再使基頻光經(jīng)端面輸入鏡注入到環(huán)形腔內(nèi)。環(huán)形腔的端面輸入鏡要選擇合適的反射率大小,使得耦合進(jìn)腔內(nèi)的基頻光達(dá)到最大,以實現(xiàn)腔的阻抗匹配。為了使得基頻光注入到腔內(nèi)的功率保持在最大位置處,需要使腔的腔長穩(wěn)定在特定的值附近,這就需要對諧振腔進(jìn)行鎖定。將壓電陶瓷PZT粘連在環(huán)形腔的腔鏡上,由壓電驅(qū)動器驅(qū)動壓電陶瓷來改變腔長。壓電驅(qū)動器連接至激光鎖頻裝置,由鎖頻裝置給出掃描信號,將光電探測器置于環(huán)形腔的腔鏡后,探測諧振腔的透射光譜以獲得腔內(nèi)光譜信號,光電探測器將探測到的光信號轉(zhuǎn)化為電信號輸入到鎖頻裝置內(nèi),以此反饋到壓電陶瓷上來改變掃描頻率,實現(xiàn)諧振腔的鎖定。這樣基頻光在環(huán)形腔內(nèi)循環(huán)一周后與恰好進(jìn)入腔內(nèi)時刻的基頻光發(fā)生多光束干涉,腔內(nèi)基頻光功率因干涉增強效應(yīng)得到極大提高,形成諧振振蕩,放大后的基頻光經(jīng)過倍頻晶體后轉(zhuǎn)化為671 nm紅光輸出。

基頻光為可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器,主振蕩光為外腔式半導(dǎo)體激光器出射1342 nm紅外光,經(jīng)TA放大器放大,其最大功率可達(dá)到1.5 W,波長連續(xù)可調(diào)。波長可調(diào)諧范圍為1320～1500 nm,不跳模可調(diào)諧范圍為30～50 GHz,相應(yīng)的671 nm倍頻光也具有可調(diào)諧性。

由環(huán)形諧振腔的傳輸矩陣計算腔的穩(wěn)區(qū)范圍和束腰大小等參數(shù)[6],最終確定激光器總腔長為445 mm,其中兩凹面鏡之間距離為123 mm。為了盡量減小像散的產(chǎn)生,在保證不擋光的前提下,使“8”腔的夾角為15°。環(huán)形腔有兩個束腰,其中一個束腰在兩平鏡之間,束腰大小約為270 μm,另一個束腰實在兩凹鏡中間,束腰大小約為55 μm。外腔諧振倍頻整個系統(tǒng)的主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 外腔諧振倍頻系統(tǒng)的主要設(shè)計參數(shù)

由于1342 nm的紅外基頻光肉眼看不到且環(huán)形腔的腔鏡較多,調(diào)節(jié)起來難度較大,因此在實驗時,采用He-Ne激光器出射的632 nm紅光當(dāng)準(zhǔn)直光。如圖1所示,先光用He-Ne把環(huán)形腔調(diào)到諧振狀態(tài)。再用兩個45°反射鏡,把紅外光和準(zhǔn)直光調(diào)節(jié)到一條線上,整個環(huán)形腔搭建在第二個透鏡后方,并保證兩平面鏡的中也為于透鏡的后焦點處,完成激光外部的較準(zhǔn)和環(huán)形倍頻腔的搭建工作。

圖1 外腔諧振倍頻系統(tǒng)實驗結(jié)構(gòu)圖

3 PDH鎖定實驗

用于腔長鎖定的電學(xué)反饋控制系統(tǒng)核心是PDH技術(shù)[12～14]。如圖2所示,1342 nm基頻激光器輸出的基頻光依次經(jīng)過電光調(diào)制器EOM調(diào)制后,再經(jīng)過耦合系統(tǒng)和隔離系統(tǒng)注入到需要鎖頻的外部諧振腔內(nèi)。腔長鎖頻PDH系統(tǒng)與EOM和鎖頻腔控制腔長的壓電連接,一方面接收光電探測器獲得光信號,另一方面輸出調(diào)制和控制信號到EOM和壓電陶瓷上。

圖2 PDH鎖頻原理示意圖

其中,電光調(diào)制器為美國New Focus生產(chǎn)的型號為4003NF諧振相位調(diào)制器,其調(diào)制頻率為25 MHz。鎖頻裝置德國Toptica公司生產(chǎn)的Digilock110控制系統(tǒng)。

實試驗中PDH模塊對M3腔鏡后透射的腔模信號進(jìn)行解調(diào)、濾波和放大等處理后,獲得用于鎖定的誤差信號,見圖3(a)所示。曲線的信噪比較高,線性動態(tài)范圍明顯,滿足腔長鎖定要求。將集成在Digilock110系統(tǒng)內(nèi)的PID控制模塊設(shè)定一組初始值,使鎖頻振蕩起來,見圖3(b)。再優(yōu)化PDH的參數(shù)值,使得鎖頻趨于平緩和穩(wěn)定,如圖3(c)所示,成功地使腔保持長時間穩(wěn)定運行。

圖3 PDH鎖頻試驗采集圖

4 實驗結(jié)果與分析

在基頻光功率為1.3 W時,試驗中使用2 %、4 %、7 %、10 %、20 %的反射率輸入腔鏡,測試了相應(yīng)的透射光譜和倍頻功率之值。反射率為20 %時,譜線比2 %時加寬5倍,高度上降低至30 %,譜線加寬更有利于鎖頻,但效率也下降；對于2 %的輸入鏡,透射峰較高,當(dāng)倍頻腔被鎖定時,耦合進(jìn)入腔內(nèi)的功率也較高。對于倍頻功率,從表2中可以看出,在2 %時功率最大,其他輸入鏡時,因阻抗匹配不理想,倍頻功率較低。

表2 輸入耦合鏡M2不同透過率時腔內(nèi)光譜相對強度比較

在環(huán)形倍頻腔的輸出耦合鏡滿足阻抗匹配時,671 nm輸出光的倍頻效率主要與倍頻晶體的長度和基頻光的功率密度有關(guān)。在圖4中,對長度為15 mm﹑20 mm和25 mm的LBO晶體進(jìn)行實驗研究,發(fā)現(xiàn)25 mm倍頻晶體的倍頻功率和效率明顯高于其他兩個。在滿足相位匹配的前提下,倍頻效率隨著晶體長度增加而增大。然而倍頻效率隨著晶體長度的增加并不是無限制增大的,當(dāng)晶體長度過長,超過銳利長度時,會因為發(fā)散過快,使得功率密度降低,從而引起倍頻效率下降。

圖4 不同長度倍頻晶體時輸出的671 nm紅光隨基頻光變化的功率曲線

圖4中還測量了倍頻光功率隨著注入基頻光功率的變化關(guān)系。在2 %的輸入鏡下,當(dāng)基頻光為1.0 W時,輸出功率為360 mW,倍頻效率僅為36 %。隨著基頻光的增加,671 nm倍頻光功率也在增加,在1.3 W時,671 nm功率增加到650 mW,倍頻效率達(dá)到50.6 %。因此提高倍頻效率和輸出光功率的有效手段是增加基頻光的注入功率和光功率密度。

1342 nm紅外光縱向進(jìn)入外部倍頻腔內(nèi),經(jīng)倍頻晶體LBO倍頻后出射的671 nm紅光,其橫向能量分布比較均勻,輸出光斑的質(zhì)量較好,圖5為M2因子儀近場光斑的測量圖,M2=1.26。

圖5 輸出光能量分布圖

圖6為激光器自由運轉(zhuǎn)輸出功率在545 mW時測得的功率穩(wěn)定性曲線,0.5 h內(nèi)功率波動小于1 %。激光穩(wěn)定性受PDH鎖頻影響較大,需對外部諧振腔進(jìn)行封閉保護(hù),盡量減小外界環(huán)境的擾動和機(jī)械振動等對系統(tǒng)的干擾。

圖6 激光穩(wěn)定性測量圖

5 結(jié) 論

報道了以可調(diào)諧1342 nm連續(xù)光為基頻光,通過“8”字環(huán)形的腔外諧振倍頻結(jié)構(gòu)獲得671 nm紅光的研究,在1.3 W的基頻光條件下,光-光轉(zhuǎn)換效率為50.6 %。這種腔外倍頻的方式可以在獲得高轉(zhuǎn)換效率的同時使得激光具有良好的偏振性、頻率可調(diào)諧性和高光束質(zhì)量。

如果采用MOPA放大的方式提高基頻光的功率,以腔外倍頻的方式,將獲得更高功率的671 nm紅光,可解決671 nm波段頻率連續(xù)可調(diào)諧和功率較低的難題,這將是今后課題組研究的重點。