标准具在腔内倍频激光器中的波长抑制研究

李 智，檀慧明，田玉冰

(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033;2.中国科学院大学，北京100049;3.中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，江苏苏州215163)

1 引言

多谱线的振荡在腔内倍频过程中，会引起输出波长的不稳定和输出功率的不稳定［1］，因此如何设计出性能稳定、长寿命、单一谱线运转的全固态腔内倍频激光器是人们一直关注的问题［2－5］。在Nd∶YAG激光晶体中，钕离子在晶格场的作用下发生斯塔克分裂，获得了受激发射截面较小、相对性能比较接近的 1112 nm，1116 nm，1123 nm三条谱线［6］。要实现这三条谱线中的任一条单独运转，首先需要抑制Nd∶YAG增益系数较大的1064 nm，1319 nm，946 nm谱线，其次再抑制1112 nm，1116 nm，1123 nm中的另外两条谱线，从而对激光谱线进行选择。在腔内加入色散棱镜、镀制特殊要求的激光器谐振腔薄膜［7］等都是选择激光谱线的方法，加入色散棱镜对于波长较接近的谱线经过棱镜后其角度分开较小，很难获得单一的激光谱线运转。而根据目前的镀膜工艺水平，要想通过镀制窄反射带激光膜，选择性地获得三者当中任意一条激光谱线的单独运转是非常困难的［8］。

本文通过在谐振腔内插入F-P标准具，由于平行平板之间的多光束干涉［9］，选择适当参量的标准具，利用标准具对不同波长光的损耗不同来进行波长选择。在理论上详细研究了标准具的选波长原理，以及标准具参量的变化对标准具波长选择的影响;在实验上通过在基于Nd∶YAG/LBO的全固态倍频激光器中插入标准具实现了单谱线1123 nm运转，并获得了单波长的561 nm黄光。

2 标准具的选频理论分析

F-P标准具的工作原理是光波在标准具两表面之间发生多次反射，使波的各个分量相互干涉，由于多光束的干涉F-P标准具对于不同波长的光束具有不同的透过率，其关系表示为［10］:

式中，nl为两个反射表面之间的光学厚度(n是标准具材料折射率，l是标准具厚度);θ是光波入射角(0°≤θ≤90°);λ是波长;r为每个表面的反射率。显然，影响标准具选频的主要物理参量是标准具的厚度和插入倾角(当标准具垂直插入时，其光束正入射到标准具表明，入射角为0°，而当标准具有倾角时，光束入射角就等量变化，因此光束入射角即为标准具插入倾角［10］)。如图1所示，在常用参数r=0.04，对于特定激光谱线(此处取λ=1112 nm，1116 nm，1123 nm)，用 Matlab软件计算了不同角度、不同厚度的标准具插入时谱线的透过率曲线。

图1 不同入射角的透过率变化曲线Fig.1 Transmission curves varied with the incident angle

由图可以看出:(1)当标准具插入倾角很小，几乎是垂直入射(θ=0°)，标准具对三个波长的透过率相差较大，对谱线的选择损耗能力强，但是随着角度的增大，不同波长的透过率曲线越来越接近，标准具的角色散dθ/dλ越来越大，对不同波长光分开的程度小，不能实现对波长的选择性损耗。(2)不同厚度的标准具对谱线的选择性损耗能力有限，比如对于 100 μm和 400 μm厚的标准具能够选出1123 nm，因为当1123 nm透过率近似为1时，而另两个波长的透过率不到0.9，当把标准具插入激光器中，这10%的选择损耗完全能够抑制1112 nm、1116 nm谱线运转。

实际上，激光器中的温度变化，将引起标准具的厚度和折射率变化［11］，将式(1)中 l，n，λ 修正为 l=其中，α是线膨胀系数;β是折射率温度系数。得到标准具透过率与温度的关系:

如图2是透过率随着标准具温度变化曲线，其参数取值为 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°。由图可以看出:当温度变化10℃时，透过率变化约为0.01%，所以对于一定频率的光波通过标准具的透过率随温度的变化很小，因此在实验中，可以忽略温度对标准具对波长选择能力的影响。

图2 透过率随着标准具温度变化曲线Fig.2 Transmission with temperature of the etalon function curve

3 实验建立和分析

实验中用808 nm的LD抽运Nd∶YAG/LBO，泵浦光经过耦合光学系统OC准直聚焦后射入平凹谐振腔，如图3所示。

图3 实验结构图Fig.3 Schematic of the experimental setup

输入镜为平凹镜，其右端面镀膜为HR1123 nm、HT1342 nm＆1064 nm＆808 nm，左端面镀膜为AR808 nm，输出镜是平面镜，其左端面镀膜为HR1123 nm、HT561.5 nm，右端面镀膜为HT561.5 nm。激光介质为掺杂Nd原子百分数为1.1%的Nd∶YAG，晶体两端镀有1123 nm和808 nm的减反射膜。倍频晶体是按1123 nm I类临界相位匹配(θ=90°，φ =7.5°)切割的 LBO，其两端镀有基频光和倍频光的减反射膜，以降低LBO的插入损耗。泵浦源与谐振腔分别由半导体制冷器TEC1，TEC2进行温控。

实验中仅凭上述对谐振腔膜系的设计只能够抑制增益较大的1064 nm，1319 nm，946 nm激光谱线。谐振腔内不加标准具时，尽管从理论上调节倍频晶体LBO的插入位置，使之只满足1123 nm相位匹配角的时候，能够获得单一的561 nm输出，但是对谐振腔的调节精度和稳固方式要求很高。此外，通过非线性光学计算软件SNLO计算出LBO对三条基频谱线的相位匹配角分别为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较接近，实验中由于机械振动等原因容易导致LBO的位置微移，因此容易出现三条基频谱线同时受激并相互竞争的情况，导致几条倍频谱线及和频谱线同时输出或交替输出的现象，如图4为没有插入标准具时的倍频光光谱图，所用光谱仪是光纤光谱仪(MayaPro2000，Ocean Optics，Inc)，由图可以看出输出谱线有 556 nm，558 nm，561 nm，557 nm，559.7 nm，其中 556 nm，558 nm，561 nm 分别是 1112 nm，1116 nm，1123 nm的倍频光，而557 nm是1112 nm与1116 nm的和频光，559.7 nm是1116 nm与1123 nm的和频光，说明三条基频谱线都在腔内运转，同时理论上图中还应该有1112 nm与1123 nm的和频光558.7 nm，而从图中并未看出，可能的原因是光谱仪分辨率不够或者相位失配，具体原因还不清楚。在下一步实验中我们将改进实验条件，探索出具体原因。

图4 倍频光光谱图Fig.4 Spectrum of frequency-double waves

实验中，基于前面对标准具的讨论，我们选用l=400 μm的标准具当θ=0.012 rad时选出了1123 nm激光谱线，此外，还选出了1116 nm(l=400 μm，θ=0.034 rad)，1112 nm(l=180 μm，θ=0.053rad)两条谱线。通过LBO分别对三个基频谱线进行腔内倍频获得了单波长的556 nm，558 nm，561 nm，如图5是三个倍频光相应的光谱图，所用光谱仪是光纤光谱仪(MayaPro2000，Ocean Optics，Inc)。如图 6(a)是当谐振腔内没有加标准具时，我们得出当抽运功率为9 W时输出功率随时间变化曲线图，图6(b)是用标准具选出1123 nm的倍频光561 nm在抽运功率9 W时输出功率随时间变化曲线图。根据实验我们定义在时间T内某时刻t时输出功率的相对起伏度为，求算术平均相对起伏度由图对比标准具插入前后倍频光的功率输出曲线可以发现，在直线型谐振腔中插入标准具会引起巨大的输出功率损耗。计算标准具插入前后输出功率在120 s内的算术平均功率相对起伏度得可见插入标准具后功率起伏减小，输出稳定性提高，这主要由于插入标准具后使之不同跃迁谱线之间的竞争以及谱线之间和频引起的功率起伏得到抑制。

4 结论

通过理论分析得出标准具的厚度与插入倾角对其波长选择能力的影响很大，而温度变化对标准具选波长能力影响很小。实验中发现，在全固态倍频激光器谐振腔内插入标准具是一种抑制激光谐振腔内多谱线振荡多波长输出的一种有效方法。但是，由此引起的插入损耗也限制了功率输出。

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