李 智，檀慧明，田玉冰

(1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春130033;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049;3.中國(guó)科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所，江蘇蘇州215163)

1 引言

多譜線的振蕩在腔內(nèi)倍頻過程中，會(huì)引起輸出波長(zhǎng)的不穩(wěn)定和輸出功率的不穩(wěn)定［1］，因此如何設(shè)計(jì)出性能穩(wěn)定、長(zhǎng)壽命、單一譜線運(yùn)轉(zhuǎn)的全固態(tài)腔內(nèi)倍頻激光器是人們一直關(guān)注的問題［2－5］。在Nd∶YAG激光晶體中，釹離子在晶格場(chǎng)的作用下發(fā)生斯塔克分裂，獲得了受激發(fā)射截面較小、相對(duì)性能比較接近的 1112 nm，1116 nm，1123 nm三條譜線［6］。要實(shí)現(xiàn)這三條譜線中的任一條單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)，首先需要抑制Nd∶YAG增益系數(shù)較大的1064 nm，1319 nm，946 nm譜線，其次再抑制1112 nm，1116 nm，1123 nm中的另外兩條譜線，從而對(duì)激光譜線進(jìn)行選擇。在腔內(nèi)加入色散棱鏡、鍍制特殊要求的激光器諧振腔薄膜［7］等都是選擇激光譜線的方法，加入色散棱鏡對(duì)于波長(zhǎng)較接近的譜線經(jīng)過棱鏡后其角度分開較小，很難獲得單一的激光譜線運(yùn)轉(zhuǎn)。而根據(jù)目前的鍍膜工藝水平，要想通過鍍制窄反射帶激光膜，選擇性地獲得三者當(dāng)中任意一條激光譜線的單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)是非常困難的［8］。

本文通過在諧振腔內(nèi)插入F-P標(biāo)準(zhǔn)具，由于平行平板之間的多光束干涉［9］，選擇適當(dāng)參量的標(biāo)準(zhǔn)具，利用標(biāo)準(zhǔn)具對(duì)不同波長(zhǎng)光的損耗不同來進(jìn)行波長(zhǎng)選擇。在理論上詳細(xì)研究了標(biāo)準(zhǔn)具的選波長(zhǎng)原理，以及標(biāo)準(zhǔn)具參量的變化對(duì)標(biāo)準(zhǔn)具波長(zhǎng)選擇的影響;在實(shí)驗(yàn)上通過在基于Nd∶YAG/LBO的全固態(tài)倍頻激光器中插入標(biāo)準(zhǔn)具實(shí)現(xiàn)了單譜線1123 nm運(yùn)轉(zhuǎn)，并獲得了單波長(zhǎng)的561 nm黃光。

2 標(biāo)準(zhǔn)具的選頻理論分析

F-P標(biāo)準(zhǔn)具的工作原理是光波在標(biāo)準(zhǔn)具兩表面之間發(fā)生多次反射，使波的各個(gè)分量相互干涉，由于多光束的干涉F-P標(biāo)準(zhǔn)具對(duì)于不同波長(zhǎng)的光束具有不同的透過率，其關(guān)系表示為［10］:

式中，nl為兩個(gè)反射表面之間的光學(xué)厚度(n是標(biāo)準(zhǔn)具材料折射率，l是標(biāo)準(zhǔn)具厚度);θ是光波入射角(0°≤θ≤90°);λ是波長(zhǎng);r為每個(gè)表面的反射率。顯然，影響標(biāo)準(zhǔn)具選頻的主要物理參量是標(biāo)準(zhǔn)具的厚度和插入傾角(當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)具垂直插入時(shí)，其光束正入射到標(biāo)準(zhǔn)具表明，入射角為0°，而當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)具有傾角時(shí)，光束入射角就等量變化，因此光束入射角即為標(biāo)準(zhǔn)具插入傾角［10］)。如圖1所示，在常用參數(shù)r=0.04，對(duì)于特定激光譜線(此處取λ=1112 nm，1116 nm，1123 nm)，用 Matlab軟件計(jì)算了不同角度、不同厚度的標(biāo)準(zhǔn)具插入時(shí)譜線的透過率曲線。

圖1 不同入射角的透過率變化曲線Fig.1 Transmission curves varied with the incident angle

由圖可以看出:(1)當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)具插入傾角很小，幾乎是垂直入射(θ=0°)，標(biāo)準(zhǔn)具對(duì)三個(gè)波長(zhǎng)的透過率相差較大，對(duì)譜線的選擇損耗能力強(qiáng)，但是隨著角度的增大，不同波長(zhǎng)的透過率曲線越來越接近，標(biāo)準(zhǔn)具的角色散dθ/dλ越來越大，對(duì)不同波長(zhǎng)光分開的程度小，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)波長(zhǎng)的選擇性損耗。(2)不同厚度的標(biāo)準(zhǔn)具對(duì)譜線的選擇性損耗能力有限，比如對(duì)于 100 μm和 400 μm厚的標(biāo)準(zhǔn)具能夠選出1123 nm，因?yàn)楫?dāng)1123 nm透過率近似為1時(shí)，而另兩個(gè)波長(zhǎng)的透過率不到0.9，當(dāng)把標(biāo)準(zhǔn)具插入激光器中，這10%的選擇損耗完全能夠抑制1112 nm、1116 nm譜線運(yùn)轉(zhuǎn)。

實(shí)際上，激光器中的溫度變化，將引起標(biāo)準(zhǔn)具的厚度和折射率變化［11］，將式(1)中 l，n，λ 修正為 l=其中，α是線膨脹系數(shù);β是折射率溫度系數(shù)。得到標(biāo)準(zhǔn)具透過率與溫度的關(guān)系:

如圖2是透過率隨著標(biāo)準(zhǔn)具溫度變化曲線，其參數(shù)取值為 θ=0，r=0.04，λo=1.112 μm，no=1.46，lo=200 μm，α =71.5 × 10－6μm/C°，β =10.3×10－6/C°。由圖可以看出:當(dāng)溫度變化10℃時(shí)，透過率變化約為0.01%，所以對(duì)于一定頻率的光波通過標(biāo)準(zhǔn)具的透過率隨溫度的變化很小，因此在實(shí)驗(yàn)中，可以忽略溫度對(duì)標(biāo)準(zhǔn)具對(duì)波長(zhǎng)選擇能力的影響。

圖2 透過率隨著標(biāo)準(zhǔn)具溫度變化曲線Fig.2 Transmission with temperature of the etalon function curve

3 實(shí)驗(yàn)建立和分析

實(shí)驗(yàn)中用808 nm的LD抽運(yùn)Nd∶YAG/LBO，泵浦光經(jīng)過耦合光學(xué)系統(tǒng)OC準(zhǔn)直聚焦后射入平凹諧振腔，如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Schematic of the experimental setup

輸入鏡為平凹鏡，其右端面鍍膜為HR1123 nm、HT1342 nm＆1064 nm＆808 nm，左端面鍍膜為AR808 nm，輸出鏡是平面鏡，其左端面鍍膜為HR1123 nm、HT561.5 nm，右端面鍍膜為HT561.5 nm。激光介質(zhì)為摻雜Nd原子百分?jǐn)?shù)為1.1%的Nd∶YAG，晶體兩端鍍有1123 nm和808 nm的減反射膜。倍頻晶體是按1123 nm I類臨界相位匹配(θ=90°，φ =7.5°)切割的 LBO，其兩端鍍有基頻光和倍頻光的減反射膜，以降低LBO的插入損耗。泵浦源與諧振腔分別由半導(dǎo)體制冷器TEC1，TEC2進(jìn)行溫控。

實(shí)驗(yàn)中僅憑上述對(duì)諧振腔膜系的設(shè)計(jì)只能夠抑制增益較大的1064 nm，1319 nm，946 nm激光譜線。諧振腔內(nèi)不加標(biāo)準(zhǔn)具時(shí)，盡管從理論上調(diào)節(jié)倍頻晶體LBO的插入位置，使之只滿足1123 nm相位匹配角的時(shí)候，能夠獲得單一的561 nm輸出，但是對(duì)諧振腔的調(diào)節(jié)精度和穩(wěn)固方式要求很高。此外，通過非線性光學(xué)計(jì)算軟件SNLO計(jì)算出LBO對(duì)三條基頻譜線的相位匹配角分別為1112 nm，θ=90°，φ=8.3°;1116 nm，θ=90°，φ =8.0°;1123 nm，θ=90°，φ=7.5°可以看出相位匹配角較接近，實(shí)驗(yàn)中由于機(jī)械振動(dòng)等原因容易導(dǎo)致LBO的位置微移，因此容易出現(xiàn)三條基頻譜線同時(shí)受激并相互競(jìng)爭(zhēng)的情況，導(dǎo)致幾條倍頻譜線及和頻譜線同時(shí)輸出或交替輸出的現(xiàn)象，如圖4為沒有插入標(biāo)準(zhǔn)具時(shí)的倍頻光光譜圖，所用光譜儀是光纖光譜儀(MayaPro2000，Ocean Optics，Inc)，由圖可以看出輸出譜線有 556 nm，558 nm，561 nm，557 nm，559.7 nm，其中 556 nm，558 nm，561 nm 分別是 1112 nm，1116 nm，1123 nm的倍頻光，而557 nm是1112 nm與1116 nm的和頻光，559.7 nm是1116 nm與1123 nm的和頻光，說明三條基頻譜線都在腔內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)理論上圖中還應(yīng)該有1112 nm與1123 nm的和頻光558.7 nm，而從圖中并未看出，可能的原因是光譜儀分辨率不夠或者相位失配，具體原因還不清楚。在下一步實(shí)驗(yàn)中我們將改進(jìn)實(shí)驗(yàn)條件，探索出具體原因。

圖4 倍頻光光譜圖Fig.4 Spectrum of frequency-double waves

實(shí)驗(yàn)中，基于前面對(duì)標(biāo)準(zhǔn)具的討論，我們選用l=400 μm的標(biāo)準(zhǔn)具當(dāng)θ=0.012 rad時(shí)選出了1123 nm激光譜線，此外，還選出了1116 nm(l=400 μm，θ=0.034 rad)，1112 nm(l=180 μm，θ=0.053rad)兩條譜線。通過LBO分別對(duì)三個(gè)基頻譜線進(jìn)行腔內(nèi)倍頻獲得了單波長(zhǎng)的556 nm，558 nm，561 nm，如圖5是三個(gè)倍頻光相應(yīng)的光譜圖，所用光譜儀是光纖光譜儀(MayaPro2000，Ocean Optics，Inc)。如圖 6(a)是當(dāng)諧振腔內(nèi)沒有加標(biāo)準(zhǔn)具時(shí)，我們得出當(dāng)抽運(yùn)功率為9 W時(shí)輸出功率隨時(shí)間變化曲線圖，圖6(b)是用標(biāo)準(zhǔn)具選出1123 nm的倍頻光561 nm在抽運(yùn)功率9 W時(shí)輸出功率隨時(shí)間變化曲線圖。根據(jù)實(shí)驗(yàn)我們定義在時(shí)間T內(nèi)某時(shí)刻t時(shí)輸出功率的相對(duì)起伏度為，求算術(shù)平均相對(duì)起伏度由圖對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)具插入前后倍頻光的功率輸出曲線可以發(fā)現(xiàn)，在直線型諧振腔中插入標(biāo)準(zhǔn)具會(huì)引起巨大的輸出功率損耗。計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)具插入前后輸出功率在120 s內(nèi)的算術(shù)平均功率相對(duì)起伏度得可見插入標(biāo)準(zhǔn)具后功率起伏減小，輸出穩(wěn)定性提高，這主要由于插入標(biāo)準(zhǔn)具后使之不同躍遷譜線之間的競(jìng)爭(zhēng)以及譜線之間和頻引起的功率起伏得到抑制。

4 結(jié)論

通過理論分析得出標(biāo)準(zhǔn)具的厚度與插入傾角對(duì)其波長(zhǎng)選擇能力的影響很大，而溫度變化對(duì)標(biāo)準(zhǔn)具選波長(zhǎng)能力影響很小。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在全固態(tài)倍頻激光器諧振腔內(nèi)插入標(biāo)準(zhǔn)具是一種抑制激光諧振腔內(nèi)多譜線振蕩多波長(zhǎng)輸出的一種有效方法。但是，由此引起的插入損耗也限制了功率輸出。

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