LBO晶体对长腔Nd∶GYAP激光器~1μm

引言

基于Nd3+的~1μm波段激光器是一种常见的近红外激光源,在医疗、军事、工业、科学和其他领域具有非常广泛的应用。同时,该波段的激光器通常用作基频激光器,用于倍频到可见激光波段。近年来为了获得更高质量的~1μm波段激光,除了各种新型高质量Nd3+掺杂晶体蓬勃发展外,研究人员构建激光器时尝试通过各种方法提高激光输出性能。

Nd3+:Gd0.1 Y0.9 AlO3(Nd:GYAP)是一种高质量的激光晶体,可以产生波长约1.08μm的激光。在Nd:GYAP晶体中,由于Gd3+和Y3+的共掺杂,晶体的吸收和发射光谱可以有效拓宽,因此它有巨大的潜力应用于调谐和锁模操作。在现有的研究中,Zhou等[16]在Nd:GYAP晶体上实现了超过8 W的连续激光(CW)输出,中心波长为1 078.38 nm。Wang等也已经使用该晶体实现了调Q操作。这些结果表明Nd:GYAP是一种优良的1μm波段激光晶体。同时,Nd:GYAP晶体的光谱被有效拓宽,使其具有了成为调谐和锁模操作增益介质的巨大潜力。在调谐和锁模操作中,为了使输出的激光具有更宽的激光发射以获得更宽的调谐范围或更多模式的锁定,常通过增加腔长的方式以获得更多的纵模,但这也将导致激光谐振腔的稳定性下降。以往研究者常采用搭建折叠腔的方式来解决这一问题,但折叠腔设计与搭建的困难程度和复杂性一直是不容忽视的问题。

本工作通过研究一种在激光谐振腔内额外加入晶体的方式以优化谐振腔的稳定性。由于晶体材料显著优于玻璃材料的机械和热力学性能,选用晶体材料可以很大程度上减少热透镜效应的影响,更好地实现对激光器性能的提升。根据仿真软件中对Nd:GYAP晶体激光器的设计与优化,本工作选用了一种折射率合适的晶体放入激光谐振腔内,实现了对激光器稳定性的优化。这一工作有希望被应用于调谐和锁模激光器中,从一定程度上减少折叠腔的复杂程度,实现更简单高效的锁模和调谐激光器设计目标。LiB3 O5(LBO)是一种常见的倍频晶体,通过其二次非线性效应,通常用于对长波长激光进行倍频并输出短波激光,特别是常被用于~1μm波段激光器中,以产生约532 nm的绿色激光。对于这一问题,许多研究人员已经进行了非常深入的研究。然而,LBO对1μm波段激光器本身的影响通常被忽略,很少有研究人员探讨这个问题。本工作着重研究了LBO对1μm波段的Nd:GYAP晶体激光器的影响,从数据仿真和实验两方面都发现将LBO晶体置于激光器内可以有效实现长腔情况下激光性能的优化,并获得更高的激光输出功率与效率。

在本工作中,Nd:GYAP被用作激光介质,并产生1 080 nm的激光输出。本文研究了b切和c切晶体的激光输出特性,并比较了长腔情况下LBO对激光输出性能的影响。研究发现,无论是b切还是c切Nd:GYAP激光器,在激光谐振腔中添加LBO晶体都可以有效提高激光输出效率,并且几乎不会对光谱和光束质量造成影响。该研究为长腔情况下的激光器性能优化提供了思路。在调谐和锁模操作等必须延长激光谐振腔长度的情况下,在腔内添加一块折射率合适的晶体可以有效提高激光器的斜率效率和输出功率。

实验

在本工作中,建立了放置有LBO的直腔Nd:GYAP激光器,以研究LBO晶体对~1μm波段激光器的影响。该器件使用发射波长为808 nm、纤芯直径为400μm、数值孔径(N.A.)为0.22的连续波(CW)光纤耦合激光二极管(LD)作为泵浦源。泵浦光束通过1:1耦合透镜聚焦在Nd:GYAP晶体端面,以激发~1μm激光。输入镜M1曲率半径为200 mm,在808 nm处是高度透明(HT,反射率<0.2%)的,在1 080 nm处是高反射(HR,反射率>99.8%)的。Nd:GYAP晶体作为增益介质,分别沿b轴和c轴加工成4 mm×4 mm×5 mm的尺寸。然后放置一块尺寸为3 mm×3 mm×20 mm的LBO晶体(θ=90°,Φ=0°)。Nd:GYAP和LBO晶体均包裹在铟箔中,并放置在通有18℃冷却水的铜块中。输出镜M2曲率半径为200 mm,对1 080 nm有部分透射率(T=95%)。M1和M2一起形成激光谐振器,整个装置应尽可能紧凑,激光谐振腔长度约为50 mm。1 000 nm滤波器被放置在装置的末端,以阻挡泵浦光和非线性效应产生的倍频激光。整个装置如图1所示。

图1、腔内放置有LBO的Nd:GYAP激光装置图

结果与讨论

短腔Nd∶GYAP激光器的特性

为了更好地进行比较,在不置入LBO晶体时,本文记录了短腔Nd:GYAP激光器的激光特性。当没有放置LBO晶体并且M2尽可能靠近晶体时,分别在b切和c切Nd:GYAP晶体上实现了~1μm波段激光输出。此时,激光谐振腔长度(L)约为20 mm。

如图2(a)所示,当短腔时,b切Nd:GYAP激光器的输出功率与吸收泵功率呈现线性关系,斜率效率(η)为53.08%,具有约0.31 W的较低阈值。由于本实验中泵浦源的限制,本文仅获得了3.49 W的激光输出,但此时它仍然具有良好的线性增长关系。有理由相信,随着泵浦功率的不断增加,有望实现更高的激光输出功率。图2(b)显示了利用光谱分析仪(YOKOGAWA,AQ6374)测量的b切Nd:GYAP的~1μm激光发射光谱。激光光谱的中心波长为1 079.38 nm,同时在1 072.41 nm处也存在有一个峰。

图2、短腔时b切Nd:GYAP激光器输出特性

如图3(a)和图3(b)所示,以相同的方式研究了短腔时c切Nd:GYAP晶体的激光输出特性。c切Nd:GYAP晶体激光器的输出阈值为1.11 W,斜率效率为19.97%。与b切晶体相同,由于泵浦源的限制,本文获得了1.132 W的最大输出功率,但随着泵浦功率的不断增加,输出功率将仍能够增加。通过对光谱的分析,可以发现短腔时c切Nd:GYAP晶体可以发射三种波长的激光。三个发射峰分别位于1 064.67、1 072.74和1 079.38 nm,位于1 079.38 nm处的发射峰最强。三波长输出主要是由于GYAP作为一种无序激光晶体,其荧光发射峰获得了有效展宽[10]。由于Nd:GYAP晶体具有较好质量,b切和c切晶体都可以在短腔中获得良好的激光输出特性。

LBO对激光输出效率的影响

为了更好地进行比较,本工作分别研究了在插入LBO晶体和不插入LBO晶体时对应长腔Nd:GYAP激光器的激光特性。此时,激光谐振腔长度都约为50 mm。在实验中,当不放置LBO晶体时,实验结果如图4(a)所示,b切Nd:GYAP晶体的激光输出具有0.31 W的阈值和18.9%的斜率效率,可以获得0.931 W的最大输出功率。达到最大输出功率后,由于热效应,输出功率将开始降低。同时,还可以注意到,当吸收泵功率达到3.232 W时,输出功率的斜率效率已经开始显著降低,功率增长开始放缓。而当置入LBO晶体时,阈值仍为0.31 W,但最终可以获得24.3%的斜率效率,远高于不置入LBO晶体时的18.9%,同时最大输出功率也达到1.254 W。

图3、短腔时c切Nd:GYAP激光器输出特性

LBO对激光效率的改善在c切晶体中更为明显,如图4(b)所示。如果没有LBO晶体,c切Nd:GYAP晶体只有2.87%的斜率效率,最大输出功率只能达到63 mW。当吸收泵功率增加时,输出功率甚至具有一个先减小后增大的过程。然而,当置入LBO时,输出功率随着泵功率的增加而线性增加,此时可以获得10.7%的斜率效率,是没有置入LBO时的4倍。加入LBO后还可以获得134 mW的最大输出功率,是没有置入LBO时的2倍。通过添加一块LBO晶体,c切Nd:GYAP晶体的激光输出特性大幅提高。

图4、有无LBO时Nd:GYAP激光器的输出功率

总体来说,在图1所示的装置中,通过比较有无LBO时的b切和c切Nd:GYAP晶体的输出特性可以发现,在长腔的情况下,LBO可以有效改善晶体的激光输出特性。

为了探究LBO在激光器中起到的作用,本工作通过Resonator软件对搭建的激光谐振腔进行了仿真,根据图1中的实验参数在软件中搭建了激光系统,并分析了其稳定性。图5展示了激光器稳定性与LBO位置处的晶体折射率以及LBO晶体长度之间的关系。如图5(a)所示,当折射率为1时表示与未放置晶体时的长腔情况一致。可以发现,整个激光谐振腔都在稳定范围内,故无论是否放置LBO都能实现激光输出。但当晶体折射率约为1.565时,该激光腔谐振的稳定参数为0,即最稳定状态,这一折射率与LBO的折射率(1.526)能够很好吻合。这一仿真结果解释了上述LBO晶体对于激光输出效率提高的原因。

为了进一步研究LBO晶体部分折射率的改变对激光器稳定性的影响,本工作改变LBO晶体长度和LBO位置两个影响参数,根据仿真结果绘制了稳定参数0等值线,如图5(b)所示。图中横坐标表示LBO晶体长度,纵坐标表示LBO晶体到Nd:GYAP晶体之间的距离,即LBO的位置,当两参数的值对应的坐标落在图中直线上时,即说明稳定性最佳。由仿真结果可以表明,当Nd:GYAP晶体到输出镜的距离超过14.8 mm时,在腔内加入一块LBO晶体可以使激光谐振腔保持在最稳定的状态,LBO晶体的长度和位置应当满足图5(b)中等值线经过的坐标。因此本工作考虑到实验装置之间固有的距离,在尽可能使装置各部分紧凑的情况下,选择了长度为20 mm的LBO晶体。这一结果为晶体尺寸的选择提供了指导。

图5、谐振腔稳定性仿真

2.3有无LBO时光谱与光束质量的比较

为了进一步探讨LBO对激光特性的影响,使用光谱分析仪(YOKOGAWA,AQ6374)和激光光束分析仪(Spiricon,Inc.M2-200s)分析了有无LBO时b切和c切Nd:GYAP激光器的光谱和光束质量。

如图6所示,当腔长为50 mm时,b切Nd:GYAP激光器具有两个与短腔时一样的发射峰,主发射峰位于1 079.21 nm,另一个发射峰位于1 073.80 nm。加入LBO后,发射峰位置几乎没有变化,主发射峰位于1 079.00 nm,另一个峰值在1 072.44 nm。如图7所示,当c切晶体激光器的腔长为50 mm时,由于模式竞争,只在1 079.67 nm处有一个发射峰。加入LBO后,发射峰几乎没有移动,位于1 079.10 nm。这些结果表明,LBO晶体可以在不影响其发射光谱的情况下提高激光输出效率。

图6、b切Nd:GYAP激光器的激光光谱

图8和图9分别显示了有无LBO时b切和c切Nd:GYAP晶体激光器的光束质量。图示为获取的高斯光束束腰位置图像。可以发现,当没有放置LBO时,b切晶体的Mx(2)为2.105,My(2)为1.859;放置有LBO时,Mx(2)和My(2)分别为2.125和1.708。不放置LBO的c切晶体的Mx(2)和My(2)分别为20.210和16.282,而放置LBO时的Mx(2)和My(2)则分别为18.613和15.674。可以看出,LBO略微提高了输出激光器的光束质量,但总体上没有显著影响。

图7、c切Nd:GYAP激光器的激光光谱

图8、b切Nd:GYAP激光器的光束质量和2D光束模式

图9、c切Nd:GYAP激光器光束质量和2D光束模式

2.4 LBO对激光偏振特性的影响

激光的偏振特性可以通过格兰·泰勒棱镜进行测量。使输出激光通过格兰·泰勒棱镜、旋转棱镜并记录发射的激光功率,最大功率的方向即为激光的偏振方向。本工作进一步研究了有无LBO时的b切和c切Nd:GYAP激光器输出的偏振特性。

b切晶体在没有LBO的情况下具有良好的线性偏振特性。如图10(a)所示,可以发现输出激光的偏振方向约为45°。当在激光谐振腔中置入LBO时,偏振方向将发生一定的偏转,输出激光偏振方向变为135°,如图10(b)所示。此外,偏振的线性度也在一定程度上降低。对于c切晶体,偏振也具有类似的特性,如图11所示,如果没有LBO,c切晶体的偏振方向约为165°。然而,当加入LBO时将发生约为30°的偏转,偏振方向变为195°,其偏振的线性度也有所下降。

这一结果的产生是由于LBO是一种双折射晶体,当激光器产生的偏振光经过LBO晶体时,发生了旋光现象。偏振光延LBO晶体光轴方向传播时,将分解成左旋和右旋两支圆偏振光,两者相速度不同,分别对应双折射晶体两个不同的折射率。当激光最终穿过LBO晶体输出时,相速度较快的一支圆偏振光比相速度较慢的一支相位超前,它们重新合成时,宏观表现为偏振方向转过了一个角度[31]。同时由于入射光也并非严格的线偏振光,经过这一过程后,其线性度发生了一定的下降。

总体来说,由于激光偏振方向受到激光介质和LBO晶体的影响,在添加LBO之后,输出激光器的偏振方向可能发生一定的偏转。同时,偏振的线性度将有一定程度的下降。

图10、b切Nd:GYAP激光器的偏振特性

图11、c切Nd:GYAP激光器的偏振特性

结论

综上所述,本文研究了在激光谐振腔内额外加入晶体以优化谐振腔稳定性的方式。通过数据仿真选择了一种折射率合适的LBO晶体,并采用b切和c切Nd:GYAP晶体作为激光介质,比较了LBO对激光输出的影响。结果表明,激光谐振腔中的LBO晶体可以提高激光输出的斜率效率,获得更高的输出功率,且对光谱和光束质量几乎不产生影响。加入LBO后,b切Nd:GYAP激光器的斜率效率从18.9%提高到24.3%,最大输出功率从0.931 W提高到1.254 W。c切Nd:GYAP的斜率效率从2.87%提高到10.07%,最大输出功率从63 mW提高到134 mW。另外,加入LBO后,激光输出的偏振方向由于旋光现象将会发生一定的偏转。本研究提供了一种提高长腔激光器的斜率效率和输出功率的方法,这将在某些如调谐和锁模操作等必须拉长激光谐振腔的情况下获得更好的激光输出。