沈成竹，俞優(yōu)姝，許蒙蒙，張寒琦

(1.杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.杭州電子科技大學(xué)信息工程學(xué)院，浙江 杭州 311305)

0 引 言

雙波長(zhǎng)激光器輸出激光信號(hào)的功率分布和相對(duì)功率比直接決定外差拍頻效率，探究雙波長(zhǎng)激光器的功率均衡機(jī)制具有重要的研究意義[1-3]。目前，雙波長(zhǎng)激光器有單增益介質(zhì)不同發(fā)射譜線輸出[4-5]和雙增益介質(zhì)共腔型結(jié)構(gòu)輸出[6]兩大主流方案。單增益介質(zhì)不同發(fā)射譜線輸出雙波長(zhǎng)激光器存在模式競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象，致使雙波長(zhǎng)激光信號(hào)輸出功率此起彼伏、不穩(wěn)定；雙增益介質(zhì)共腔型雙波長(zhǎng)激光器不存在模式競(jìng)爭(zhēng)[7]，更容易實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)信號(hào)輸出功率的均衡。雙增益介質(zhì)共腔型雙波長(zhǎng)激光器實(shí)現(xiàn)功率均衡的方法有多種，包括調(diào)節(jié)增益介質(zhì)溫度調(diào)諧功率[8-10]、調(diào)節(jié)抽運(yùn)光束腰位置調(diào)諧功率[11-12]、調(diào)節(jié)LD的中心發(fā)射波長(zhǎng)調(diào)諧功率[13]、調(diào)節(jié)雙增益介質(zhì)間距調(diào)諧功率[14]等。Huang等[13]采用Nd∶YVO4/Nd∶GdVO4組合雙增益介質(zhì)，將LD的中心發(fā)射波長(zhǎng)從常用的808 nm調(diào)諧至805 nm，從而控制前端Nd∶YVO4晶體對(duì)抽運(yùn)光能量的吸收率，并通過(guò)縱向移動(dòng)抽運(yùn)光束腰位置，得到輸出1 064 nm和1 063 nm的雙波長(zhǎng)激光信號(hào)輸出功率比的調(diào)諧區(qū)間為[0.15，10.00]；最終在抽運(yùn)功率為14 W時(shí)，實(shí)現(xiàn)了均衡的總功率為1.3 W的雙波長(zhǎng)激光信號(hào)。He等[14]將內(nèi)抽運(yùn)激光器的腔內(nèi)雙增益介質(zhì)(Nd∶YAG/Nd∶YVO4晶體)間隔一定距離放置，有效避免了模式競(jìng)爭(zhēng)，實(shí)現(xiàn)了946 nm/1 064 nm雙波長(zhǎng)激光的運(yùn)轉(zhuǎn)；并通過(guò)改變Nd∶YAG和Nd∶YVO4晶體的間隔實(shí)現(xiàn)了雙波長(zhǎng)激光輸出功率調(diào)諧，當(dāng)抽運(yùn)功率為30.5 W，Nd∶YAG和Nd∶YVO4晶體間隔為20 mm時(shí)，雙波長(zhǎng)功率均衡，輸出總功率為4 W。但是，上述方法中，Nd∶YAG和Nd∶YVO4晶體之間存在間隔，Nd∶YAG晶體后端面和Nd∶YVO4晶體前端面可能會(huì)形成F-P腔，不利于激光器的穩(wěn)定。

本文以2種不同增益介質(zhì)前后膠合/貼合的Nd∶GdVO4/Nd∶YVO4雙增益介質(zhì)共腔型雙波長(zhǎng)激光器為對(duì)象，研究不同抽運(yùn)光束腰位置條件下LD抽運(yùn)源工作溫度對(duì)雙波長(zhǎng)信號(hào)輸出功率比的影響，實(shí)現(xiàn)了雙波長(zhǎng)信號(hào)輸出功率的均衡。

1 抽運(yùn)源溫度調(diào)諧功率理論與仿真

雙增益介質(zhì)由2種不同的增益介質(zhì)前后膠合/貼合而成，靠近抽運(yùn)源的增益介質(zhì)為前端增益介質(zhì)GM1，遠(yuǎn)離抽運(yùn)源的則為后端增益介質(zhì)GM2。輸出耦合鏡采用部分透射鏡。抽運(yùn)閾值功率Pth,i，斜率效率Se,i和輸出對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)信號(hào)的功率Pout,i的表達(dá)式如下：

(1)

(2)

Pout,i=Se,i(Pin,i-Pth,i)

(3)

式中，下標(biāo)i(1,2)分別表示GM1和GM2，Roc,i為激光器輸出耦合鏡的反射率，δi為諧振腔內(nèi)衍射損耗，ln(1/Roc,i)為輸出耦合鏡的透射性損耗，li為增益介質(zhì)的長(zhǎng)度，ηq,i為量子效率，Isat,i為飽和光強(qiáng)，Isat,i=hv/σiτi，h為普朗克常數(shù)，v為增益介質(zhì)吸收的抽運(yùn)光頻率，σi為增益介質(zhì)的受激發(fā)射截面，τi為熒光壽命，λp為抽運(yùn)光中心波長(zhǎng)，λi為輸出對(duì)應(yīng)激光信號(hào)的波長(zhǎng)，Pin,i為增益介質(zhì)吸收的抽運(yùn)功率，Veff,i為有效模體積函數(shù)，ηo,i為重疊效率，

(4)

(5)

(6)

Pin,i=Pinηα,i

(7)

式中，TLD為L(zhǎng)D抽運(yùn)源工作溫度，αTLD,i為不同工作溫度下增益介質(zhì)對(duì)抽運(yùn)光的吸收系數(shù)，z0為抽運(yùn)光束腰位置，wi為振蕩光的光斑半徑，wp,i為抽運(yùn)光的光斑半徑，wp0為抽運(yùn)光束腰位置在增益介質(zhì)內(nèi)z0處的束腰半徑，z0=0表示GM1前端面，M2為輸入抽運(yùn)光的光束質(zhì)量因子，ni為增益介質(zhì)的折射率，Pin為L(zhǎng)D抽運(yùn)源輸出的總抽運(yùn)功率，ηα,i為增益介質(zhì)對(duì)其的吸收效率，

ηα,1=1-exp(-αTLD,1l1)

(8)

ηα,2=exp(-αTLD,1l1)×1-exp(-αTLD,2l2)

(9)

仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：LD抽運(yùn)源工作溫度為18 ℃，抽運(yùn)功率Pin=3.7 W，抽運(yùn)光波長(zhǎng)λp=805 nm，抽運(yùn)光的光束質(zhì)量因子M2=200，增益介質(zhì)內(nèi)抽運(yùn)光束腰半徑wp0=120 μm，GM1為Nd∶GdVO4，GM2為Nd∶YVO4，GM1的長(zhǎng)度l1=5 mm，GM2的長(zhǎng)度l2=5 mm，GM1的吸收系數(shù)α1=0.14 mm-1，GM2的吸收系數(shù)α1=0.12 mm-1，GM1的折射率n1=2.25，受激發(fā)射截面σ1=7.6×10-19cm2，熒光壽命τ1=95 μs，GM2的折射率n2=2.22，受激發(fā)射截面σ2=25.0×10-19cm2，熒光壽命τ2=100 μs，量子效率ηq,i=0.76，諧振腔耗散性損耗δi=0.003，輸出鏡反射率Roc,i=0.9，輸出激光信號(hào)波長(zhǎng)λ1=1 063 nm，λ2=1 064 nm。采用Nd∶GdVO4，Nd∶YVO4晶體共軸排列方案進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到抽運(yùn)光束腰位置對(duì)輸出雙波長(zhǎng)信號(hào)輸出功率的影響如圖1(a)所示，抽運(yùn)光束腰位置對(duì)雙波長(zhǎng)信號(hào)輸出功率比的影響如圖1(b)所示。圖1中，P1為1 063 nm波長(zhǎng)激光信號(hào)輸出功率，P2為1 064 nm波長(zhǎng)激光信號(hào)輸出功率。

圖1 輸出功率和雙波長(zhǎng)功率比與抽運(yùn)光束腰位置的關(guān)系

從圖1(a)可以看出，當(dāng)抽運(yùn)光束腰位置z0從4.0 mm增至6.0 mm時(shí)，P1從0.41 W降至0.01 W，P2從0.02 W增至0.15 W；當(dāng)z0=5.4 mm，輸出雙波長(zhǎng)信號(hào)的功率一致，均為0.12 W。從圖1(b)可以看出，當(dāng)抽運(yùn)光束腰位置z0從5.0 mm增至6.0 mm時(shí)，雙波長(zhǎng)信號(hào)輸出功率比P1/P2從2.28降至0.09。

選取2組數(shù)據(jù)z0=5.7 mm和z0=5.8 mm，采用LD抽運(yùn)源溫漂特性和雙增益介質(zhì)共腔型激光器輸入輸出功率關(guān)系模型進(jìn)行數(shù)值仿真，得到雙波長(zhǎng)功率比P1/P2隨LD抽運(yùn)源工作溫度變化的仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 雙波長(zhǎng)功率比隨LD抽運(yùn)源工作溫度變化情況

從圖2可以看出，當(dāng)z0=5.7 mm，將LD抽運(yùn)源工作溫度從18.0 ℃上升至25.6 ℃，抽運(yùn)光中心波長(zhǎng)從805 nm紅移至807 nm附近，P1/P2從0.44上升至1.00，輸出雙波長(zhǎng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)功率均衡；當(dāng)z0=5.8 mm時(shí)，將工作溫度從18.0 ℃上升至28.2 ℃，中心波長(zhǎng)從805 nm漂移至808 nm附近，輸出信號(hào)才能實(shí)現(xiàn)功率均衡。

2 抽運(yùn)源溫度調(diào)諧功率實(shí)驗(yàn)研究

2.1 抽運(yùn)源溫度調(diào)諧功率實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖3所示。采用溫控的LD抽運(yùn)源，抽運(yùn)光通過(guò)準(zhǔn)直器和非球面透鏡聚焦至激光增益介質(zhì)。非球面透鏡固定在推進(jìn)器裝置上推進(jìn)器的螺距參數(shù)為0.5 mm，實(shí)現(xiàn)抽運(yùn)光束腰位置沿激光增益介質(zhì)軸向移動(dòng)。

圖3 LD端面抽運(yùn)Nd∶GdVO4/Nd∶YVO4雙增益介質(zhì)共腔型雙波長(zhǎng)激光器示意圖

雙增益介質(zhì)中a-cut Nd∶GdVO4晶體和a-cut Nd∶YVO4晶體的Nd3+摻雜濃度分別為0.2 at.%和0.5 at.%，兩晶體光軸垂直且前后端面緊貼放置，橫截面尺寸均為3 mm×3 mm，長(zhǎng)度尺寸均為5 mm。Nd∶GdVO4和Nd∶YVO4晶體前后端面均鍍有808 nm和1 064 nm的增透膜，被穩(wěn)定夾持在熱沉中，熱沉溫度穩(wěn)定在20.0 ℃。輸入鏡M1鍍有808 nm的增透膜和1 064 nm的高反膜，輸出鏡M2設(shè)計(jì)鍍有1 064 nm的部分透射膜(透射率為10%)和808 nm的高反膜。輸出激光信號(hào)分束輸入到光功率計(jì)(Power meter,PM10X)和高分辨率(精度達(dá)0.01 nm)的光譜分析儀(OSA,Q8384,Advantest)。

對(duì)LD抽運(yùn)源中心波長(zhǎng)的溫度漂移特性進(jìn)行測(cè)量。設(shè)置LD輸出功率為3.7 W，改變LD工作溫度，測(cè)量LD光譜，抽運(yùn)光波長(zhǎng)的溫漂情況如圖4所示。

圖4 抽運(yùn)光中心波長(zhǎng)隨LD抽運(yùn)源工作溫度的變化情況

從圖4可以看出，當(dāng)LD溫度由18.0 ℃升至27.0 ℃時(shí)，中心波長(zhǎng)從805.1 nm紅移至807.8 nm，擬合的溫漂系數(shù)為0.3 nm/℃。

2.2 LD抽運(yùn)源不同工作溫度下的激光器輸出特性

為了研究LD抽運(yùn)源工作溫度對(duì)激光器輸出特性的影響，分別在抽運(yùn)光束腰位置為雙晶體中5.75 mm和6.00 mm距離處開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。首先固定抽運(yùn)功率為3.7 W，調(diào)整抽運(yùn)光束腰位置z0的起始點(diǎn)于距離激光增益介質(zhì)前端面5.75 mm位置處。

連續(xù)抽運(yùn)模式下，LD抽運(yùn)源工作溫度為18.0～30.0 ℃時(shí)，雙波長(zhǎng)信號(hào)輸出功率比Rp=P1/P2隨LD抽運(yùn)源工作溫度TLD的變化情況如圖5所示。

圖5 z0=5.75 mm時(shí)，雙波長(zhǎng)信號(hào)輸出功率比隨LD抽運(yùn)源工作溫度的變化情況

從圖5可以看出，抽運(yùn)源工作溫度分別為18.0 ℃和30.0 ℃，通過(guò)計(jì)算得到Rp從0.39上升至1.64，線性擬合各個(gè)工作溫度點(diǎn)的Rp值，得到Rp與TLD的擬合關(guān)系為Rp=0.1 183TLD-1.88。當(dāng)TLD=24.3 ℃，Rp=1.00時(shí)，即可認(rèn)為L(zhǎng)D抽運(yùn)源在工作溫度為24.3 ℃的情況下，激光器輸出的雙波長(zhǎng)激光信號(hào)功率均衡。

當(dāng)固定抽運(yùn)光束腰位置z0=5.75 mm時(shí)，LD抽運(yùn)源工作溫度TLD分別在18.0 ℃，24.0 ℃，30.0 ℃時(shí)，雙波長(zhǎng)信號(hào)的歸一化光譜圖如圖6所示。

圖6 z0=5.75 mm時(shí)，輸出雙波長(zhǎng)激光信號(hào)的歸一化光譜圖

從圖6可以看出，在LD抽運(yùn)源工作溫度為24.0 ℃時(shí)，激光器雙波長(zhǎng)信號(hào)近似功率均衡狀態(tài)。

固定抽運(yùn)光束腰位置z0=5.75 mm，改變抽運(yùn)功率，調(diào)節(jié)LD抽運(yùn)源工作溫度使激光器輸出功率均衡，進(jìn)一步記錄不同抽運(yùn)條件下功率均衡激光器輸出的總輸出功率。功率均衡時(shí)，總輸出功率隨抽運(yùn)功率的變化情況如圖7所示。

圖7 功率均衡時(shí)，總輸出功率隨抽運(yùn)功率的變化情況

從圖7可以看出，當(dāng)抽運(yùn)功率從0.5 W升至4.8 W時(shí)，激光器功率均衡狀態(tài)下總輸出功率從47.2 mW升至241.9 mW，線性擬合各個(gè)抽運(yùn)功率條件下的總輸出功率值，得到激光器功率均衡狀態(tài)下的斜率效率為49.83 mW/W。

抽運(yùn)功率保持3.7 W不變，將Nd∶GdVO4/Nd∶YVO4雙增益介質(zhì)內(nèi)的抽運(yùn)光束腰位置向后移動(dòng)0.25 mm，即距離Nd∶GdVO4晶體前端面6.00 mm，雙波長(zhǎng)信號(hào)輸出功率比Rp值隨TLD的變化情況如圖8所示。

圖8 z0=6.00 mm時(shí)，雙波長(zhǎng)信號(hào)輸出功率比隨LD抽運(yùn)源工作溫度的變情況

從圖8可以看出，TLD從18.0 ℃增至30.0 ℃時(shí)，Rp從0.31上升至1.10。雙波長(zhǎng)信號(hào)輸出功率比Rp與LD抽運(yùn)源工作溫度TLD的擬合關(guān)系表達(dá)式為Rp=0.074TLD-1.12。通過(guò)進(jìn)一步計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)LD抽運(yùn)源的工作溫度從18.0 ℃上升至28.6 ℃時(shí)，雙波長(zhǎng)信號(hào)達(dá)到較好的功率均衡狀態(tài)，這與圖2的仿真結(jié)果一致，即雙增益介質(zhì)內(nèi)抽運(yùn)光束腰的空間位置直接影響雙波長(zhǎng)激光器達(dá)到功率均衡狀態(tài)時(shí)LD抽運(yùn)源的工作溫度。

上述實(shí)驗(yàn)研究中，當(dāng)固定抽運(yùn)光束腰位置為5.75 mm時(shí)，需要將抽運(yùn)源工作溫度從18.0 ℃升高至24.3 ℃，輸出雙波長(zhǎng)激光信號(hào)才能實(shí)現(xiàn)功率均衡；若將抽運(yùn)光束腰位置向后平移至6.00 mm，則需要將抽運(yùn)源工作溫度升高至28.6 ℃，使得前端增益介質(zhì)預(yù)吸收的抽運(yùn)功率更大，輸出雙波長(zhǎng)激光信號(hào)才能實(shí)現(xiàn)功率均衡。綜上分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論仿真計(jì)算結(jié)果基本符合。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)建立LD抽運(yùn)的Nd∶GdVO4/Nd∶YVO4雙增益介質(zhì)共腔型雙波長(zhǎng)激光器的數(shù)學(xué)模型，主要研究不同抽運(yùn)光束腰位置條件下LD抽運(yùn)源工作溫度對(duì)雙波長(zhǎng)信號(hào)輸出功率比的影響，及功率均衡狀態(tài)下抽運(yùn)功率對(duì)激光器總輸出功率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改變LD抽運(yùn)源工作溫度可以調(diào)諧雙波長(zhǎng)信號(hào)輸出功率，實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)輸出功率的均衡。下一步擬研究溫度對(duì)激光器功率穩(wěn)定性的影響，以獲得更穩(wěn)定的雙波長(zhǎng)激光輸出。