基于空間競(jìng)爭(zhēng)理論的588.9nm激光器

金澤余 高蘭蘭 黃桂霞 楊航

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2106-5640-4088

摘? 要：本文介紹了LD泵浦Nd：YAG基于雙折射濾波器消除空間競(jìng)爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)588.9nm的激光器。通過Nd：YAG的不同能級(jí)受激躍遷產(chǎn)生的1064nm和1319nm作為基頻光，在線性諧振腔中同時(shí)振蕩，且以Ⅱ類相位匹配切割的KTP晶體對(duì)兩基頻光進(jìn)行非線性和頻，通過雙折射濾波器增大其他模式的透過損耗以抑制空間燒孔效應(yīng)減少由于模式間的空間競(jìng)爭(zhēng)，以得到高效率的單頻588.9nm的激光輸出。

關(guān)鍵詞：激光器? Nd：YAG? 直線型腔? KTP? 布氏片

中圖分類號(hào)：TN248.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2021）06（b）-0061-05

588.9nm Laser Based on Spatial Competition Theory

JIN Zeyu? GAO Lanlan*? HUANG Guixia? YANG Hang

（College of? Science， Changchun University of Science and Technology， Changchun， Jilin Province， 130000? China）

Abstract： A 588.9 nm LD Pumped Nd： YAG laser based on birefringence filter to eliminate spatial competition is introduced in this paper. 1064nm and 1319nm generated by the stimulated transition of different energy levels of Nd： YAG are used as the fundamental frequency light， which oscillates simultaneously in the linear resonator， and the nonlinear sum frequency of the two fundamental frequency light is carried out by the KTP crystal cut by class II phase matching. The transmission loss of other modes is increased through the birefringence filter to suppress the spatial hole burning effect and reduce the spatial competition between modes， so as to obtain a single frequency 588.9 nm laser output with high efficiency.

Key Words： Laser; Nd：YAG; Straight cavity; KTP; Brewster plate

全固態(tài)激光器是指激光二極管端面泵浦固體激光增益介質(zhì)的激光器。近年來，激光二極管泵浦全固態(tài)激光器具有許多優(yōu)良的特性而被廣泛應(yīng)用，其使用壽命長(zhǎng)、體積小、性能優(yōu)良且輸出激光效率較高[1-3]。近年來，連續(xù)的黃色激光光源在醫(yī)學(xué)、檢測(cè)中特有的優(yōu)點(diǎn)而引起研究者的關(guān)注[4-6]。通過對(duì)不同基頻光進(jìn)行非線性和頻是獲得黃色激光光源的有效途徑，即在腔內(nèi)加入KTP晶體對(duì)2個(gè)波段的基頻光和頻。由于空間競(jìng)爭(zhēng)理論激光介質(zhì)存在空間燒孔效應(yīng)，使得腔內(nèi)振蕩的激光總處于多縱模振蕩的情況，非線性頻率變換過程中縱模之間的耦合會(huì)使激光器輸出功率出現(xiàn)不規(guī)則波動(dòng)，從而產(chǎn)生較為明顯的噪聲。為了消除腔內(nèi)工作物質(zhì)的模式競(jìng)爭(zhēng)，使激光器單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)是一種可行的方法。2007年，中國科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所利用法布里-珀羅（F-P）標(biāo)準(zhǔn)具選頻實(shí)現(xiàn)了單縱模593.5nm激光和頻輸出，輸出功率為34mW，單縱模線寬為600MHz[7]。此種選擇方式存在成本高、F-P薄片尺寸難控制、穩(wěn)定性差、受溫度影響大、且選頻出來的線寬較寬等缺點(diǎn)，很難普及。

Nd：YAG晶體是目前研究最成熟的激光材料，其質(zhì)地硬、光學(xué)質(zhì)量好、熱導(dǎo)率高、熒光線寬窄，該晶體在808nm附近吸收峰值也很高[8-10]。在二極管泵浦下，該晶體可激發(fā)出946nm、1064nm、1319nm等多個(gè)波段的發(fā)射譜。對(duì)于基頻光1064nm和1319nm的選取，則可通過對(duì)諧振內(nèi)部元件進(jìn)行鍍膜來實(shí)現(xiàn)。本文采用雙凹腔結(jié)構(gòu)，內(nèi)置增益介質(zhì)Nd：YAG晶體、布氏片（BP）、雙折射和頻晶體KTP[9]。通過布氏片的選頻以及KTP晶體的雙折射特性可以削弱激光晶體的空間燒孔引起的模式競(jìng)爭(zhēng)，允許一個(gè)頻率以最小的腔內(nèi)損耗形成振蕩，其它相鄰縱模被抑制，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的單一縱模588.9nm的黃光輸出[10-19]。

1? 原理分析

1.1 光學(xué)諧振腔的設(shè)計(jì)

諧振腔的設(shè)計(jì)對(duì)于激光器十分重要，在588.9nm激光器的實(shí)現(xiàn)方式上，我們采用雙凹鏡線型諧振腔結(jié)構(gòu)，如圖1所示。首先，確定KTP的位置參數(shù)。其中M1鏡（R1=100mm）為諧振腔的輸入鏡，其左側(cè)鍍有對(duì)808nm具有高透射率薄膜，右側(cè)凹面鍍有對(duì)1064nm、1319nm及588.9nm高反射率的薄膜，3mm長(zhǎng)的工作物質(zhì)Nd：YAG置于M1鏡的右側(cè)，布氏片與光軸方向呈布氏角擺放于增益介質(zhì)的右側(cè)，M2鏡（R2=100mm）為輸出鏡，鏡的左側(cè)凹面鍍有對(duì)1064nm、1319nm具有高反射率的薄膜以及對(duì)588.9nm具有高透過率的薄膜。設(shè)增益介質(zhì)Nd：YAG固定于距離M1鏡2mm處。

為了獲得高的非線性轉(zhuǎn)化效率，選擇KTP晶體應(yīng)放置于束腰處。另外，為了使激光器得到更加穩(wěn)定的單一縱模輸出，諧振腔的總腔長(zhǎng)應(yīng)適當(dāng)縮短，增大腔內(nèi)振蕩的縱模頻率間隔?νq，使得增益介質(zhì)Nd：YAG增益曲線中超過閾值的縱模數(shù)減少。根據(jù)駐波條件知道，，L′為諧振腔的光學(xué)長(zhǎng)度。

利用諧振腔穩(wěn)定條件和腰斑半徑公式，在MATLAB軟件中可以模擬出穩(wěn)定區(qū)域位置以及腔內(nèi)各個(gè)位置的光斑半徑，進(jìn)而可以確定KTP晶體的位置。

假定布氏片以布氏角置于增益介質(zhì)Nd：YAG晶體右側(cè)1mm處。其中，x為以輸入鏡右端凹面為起點(diǎn)到KTP晶體的距離，利用MATLAB計(jì)算，結(jié)果如圖2所示。從圖2可知，當(dāng)KTP晶體置于距離輸入鏡右側(cè)16mm處時(shí)，兩基頻光可同時(shí)獲得最小光束半徑，且兩基頻光的光斑半徑大小相差不大，滿足能量匹配條件，可得到高效的非線性和頻效應(yīng)。因此，雙凹鏡直型腔的結(jié)構(gòu)具體為：M1鏡（R=100mm）、Nd：YAG晶體（置于M1鏡右側(cè)2mm）、布氏片（置于增益晶體Nd：YAG右側(cè)1mm）、KTP晶體（放置于布氏片右側(cè)8mm）、M2輸出鏡（R=100mm置于KTP晶體右側(cè)12mm）。其中增益介質(zhì)Nd：YAG長(zhǎng)度為3mm，布氏片厚度為2mm，KTP晶體長(zhǎng)度5mm，故諧振腔總腔長(zhǎng)為33mm。

1.2 激光器透過率分析

在諧振腔內(nèi)加入KTP晶體后，布氏片BP與KTP晶體可構(gòu)成雙折射濾波片BF[12]，光波通過BP晶體后變成線偏振光（p波），線偏振光再通過KTP晶體后發(fā)生雙折射產(chǎn)生o光、e光，且o光與e光會(huì)存在一定的相位差，光波往返通過KTP晶體產(chǎn)生總相位差為：

（1）

式（1）中，k為波矢量，s為往返通過KTP晶體產(chǎn)生的光程差，△n為KTP晶體o光與e光的折射率差，l為KTP晶體的長(zhǎng)度。

只當(dāng)相位差滿足2π的整數(shù)倍時(shí)：

（2）

往返通過KTP晶體能夠重新合成線偏振光（p光），能夠無損耗的通過BP片，而其他光波在往返通過KTP晶體后不能夠再合成p偏振光會(huì)產(chǎn)生較大的損耗。由式（2）可以得到通過雙折射濾波片峰值頻率為：

（3）

進(jìn)而得到相鄰頻率間隔fFSR：

（4）

在腔內(nèi)往返振蕩后，腔內(nèi)逐漸形成單縱模振蕩，由此抑制增益介質(zhì)由于空間競(jìng)爭(zhēng)理論導(dǎo)致的多模振蕩，最后1064nm和1319nm兩基頻光通過和頻形成穩(wěn)定的588.9nm激光輸出。

設(shè)Nd：YAG的瓊斯矩陣為W1，KTP晶體的瓊斯矩陣為W2，布氏片BP的瓊斯矩陣為P，則腔內(nèi)基頻光往返一次的瓊斯矩陣為：

（5）

式中，，δ1、δ2分別為

Nd： YAG、KTP的相對(duì)相位延遲，，λ為基

頻光波長(zhǎng)1064nm和1319nm，△ni為基頻光在雙折射晶體中的折射率差（Nd：YAG與KTP晶體分別為0、0.08），d為對(duì)應(yīng)晶體的長(zhǎng)度。布氏片BP的瓊斯矩陣為，其中q=（2n/（1+n2））2，n為BP相當(dāng)于基頻光的折射率，n1064=1.4744，n1319=1.4721，，為Nd：YAG與KTP之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣。

工作物質(zhì)Nd：YAG長(zhǎng)為3mm，KTP晶體長(zhǎng)為5mm，諧振腔總腔長(zhǎng)為33mm，布氏片BP將以布氏角放置，其中θB1064=55.8528°，θB1319=55.7941°，兩者相差僅0.0577°，可以兩者共用一個(gè)布儒斯特角。通過MATLAB對(duì)光波在腔內(nèi)往返一周的瓊斯矩陣進(jìn)行計(jì)算，可得到基頻光相應(yīng)波段范圍內(nèi)的透過率情況，用計(jì)算機(jī)表征s偏振態(tài)與p偏振態(tài)的透過率曲線。圖3為MATLAB數(shù)值計(jì)算的結(jié)果曲線。

圖3表明對(duì)于s偏振光，1064nm與1319nm兩波長(zhǎng)的基頻光在腔內(nèi)都有較大的損耗，最終無法形成穩(wěn)定的振蕩而輸出激光。對(duì)于p偏振光，1064nm與1319nm波長(zhǎng)的光在一定微小范圍內(nèi)都存在透射極大值，即完全透射的情況。此時(shí)往返通過KTP晶體的o光、e光的相位差為2π的整數(shù)倍。當(dāng)波長(zhǎng)為1063.83nm和1317.69nm時(shí)，這2個(gè)縱模的p偏振光能夠無損失的通過布氏片BP。通過對(duì)諧振腔腔長(zhǎng)的分析，兩基頻光的縱模波長(zhǎng)間隔分別為?λ1064=0.0140nm，?λ1319=0.0215nm。對(duì)應(yīng)圖3可得出1064nm和1319nm相鄰縱模的損耗分別為1.36%和0.95%，這個(gè)損耗可以抑制相鄰縱模的振蕩，可以實(shí)現(xiàn)兩基頻光單縱模在腔內(nèi)振蕩。只有兩基頻光在腔內(nèi)振蕩能夠很好的抑制因個(gè)模式競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致多模振蕩的出現(xiàn)，有效避免了雜散光的輸出。

2? 結(jié)語

本文成功通過模式空間競(jìng)爭(zhēng)理論，利用雙折射濾波片，抑制了其他模式的產(chǎn)生，得到了單一縱模1064nm與1319nm的基頻光。兩基頻光在二階非線性晶體KTP中發(fā)生和頻效應(yīng)，生成單一縱模的黃光波段588.9nm的光，該光于腔內(nèi)穩(wěn)定振蕩最終形成激光輸出。

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