基于滤光片XeF(C-A)激光器窄线宽输出实验研究

沈炎龙,朱　峰，于　力，栾昆鹏，陶蒙蒙，赵　柳，周松青，黄　超,安晓霞,易爱平,李高鹏

(西北核技术研究所,西安　710024;　激光与物质相互作用国家重点实验室,西安　710024)



基于滤光片XeF(C-A)激光器窄线宽输出实验研究

沈炎龙,朱峰，于力，栾昆鹏，陶蒙蒙，赵柳，周松青，黄超,安晓霞,易爱平,李高鹏

(西北核技术研究所,西安710024;激光与物质相互作用国家重点实验室,西安710024)

摘要：通过在谐振腔内插入窄带滤光片，开展了XeF(C-A)蓝绿激光窄线宽输出实验研究。研究结果表明，采用该方法，可以获得焦耳量级能量、线宽小于2 nm、波长稳定的激光输出，激光最窄线宽为1.3 nm。增大滤光片与谐振腔光轴的入射角，激光器输出能量降低。

关键词：XeF激光；滤光片；窄线宽；谐振腔

1963年，Duntley 和Gilbert 等[1]在研究光波在海洋中的传播特性时，发现了0.47～0.58 μm波段海水透光窗口，这一发现为人们利用蓝绿光波段的激光器，研制出基于光学原理的水下目标探测、通信等新型设备带来了希望。

目前，实现处于海水透光窗口的蓝绿波段的激光输出主要采用线性和非线性方法。线性方法主要是利用半导体激光器直接输出蓝光，如采用ZnCdSe/ZnSe半导体作为增益介质，实现484 nm，1.6 W单纵模输出[2]，采用放电激励或表面放电光泵浦XeF(C-A)激光器产生蓝绿激光[3-4]。非线性方法主要是利用倍频、和频、光参量振荡等非线性光学手段产生蓝光，主要有: 1) 对半导体输出激光倍频实现蓝光，如美国Coherent公司实现了15 W的 488 nm和5 W的 460 nm的单模连续输出[5]; 2) 采用了固体激光器或闪光灯泵浦Nd：YAG (946 nm/1 064 nm)[6]、Nd:YVO4(914 nm)[7]、Nd:GdVO4(912 nm)[8]、Ti:sapphire(910 nm)[9]或Cr:LiSAF(800～930 nm)[10]等，再利用非线性晶体倍频获得蓝绿激光输出。

相比其他蓝绿激光器，表面放电激励XeF(C-A)激光器，工作波长在450～520 nm的蓝绿波段，处于海水的最佳传输窗口，具有脉冲能量大[11]、峰值功率高、波长可调谐[12]和可重频运行[13]等优点，在海洋目标探测及通信等方面有着潜在的应用价值和前景[14-15]。在水下进行目标探测或通信时，为了避免杂散光干扰，探测器接收带宽较窄，因此，为了与探测器带宽匹配，要求激光源工作波长稳定及窄线宽输出[16]。XeF(C-A)激光器在自由运转条件下光谱较宽[17]，因此，需对激光器输出光谱进行线宽压缩。2010年，朱峰等利用光栅作为色散元件，获得了线宽约为1 nm、调谐范围为 470～ 495 nm的XeF(C-A)激光输出[18]。但是由于光栅损伤阈值低且成本较高，激光器大脉冲能量输出对光栅容易造成损伤；2013年，该项目组报道了基于棱镜色散对XeF(C-A)激光进行线宽压缩，获得了线宽小于1 nm(～0.7 nm)、最大脉冲能量为2.9 J的窄线宽输出[19]。然而，增益介质的动态变化使得激光输出波长不稳定，容易发生漂移，不利于实际应用。因为滤光片具有透过谱宽窄、抗损伤阈值高、插入损耗小及操作方便等优点，所以是调谐、光谱分辨和压缩线宽的理想元件[20]。本文通过在谐振腔内插入滤光片，获得了波长稳定，窄线宽XeF(C-A)蓝光激光输出。

1实验装置

基于滤光片XeF(C-A)激光器窄线宽输出光路如图1所示。实验平台为闭合循环模式重频XeF激光器，激光器泵浦方式为表面放电激励。M1为全反镜，480 nm处反射率约为99.5%，反射带宽为50 nm，为激光振荡提供反馈；滤光片采用定制Edmund公司的窄带线性滤波片，厚度为3.5 mm，入射角为0°±2°，中心波长为488.3 nm，半高全宽(FWHM)为3.0 nm，488 nm处透过率大于80%。采用硬溅射镀膜，保证了滤光片使用波段高的透过率和非使用波段的深度截止性能，同时具有高的损伤阈值。激光器气室为激光器工作提供增益介质XeF2，采用气压比为3∶2的Ar/ N2混合气体将饱和蒸汽压下的XeF2带入气室，气室内总气压为0.105 MPa，气室两侧的窗口为熔融石英玻璃。M2为输出镜，480 nm处透过率为10%，透射带宽约为20 nm。激光经输出镜输出后，入射到没有镀膜的石英玻璃片上，反射光经第二个石英玻璃片反射后进入光谱仪；透射光进入到能量计，部分经能量计表面反射后进入光电管。光谱仪为海洋光学公司(Ocean Optics)的光纤光谱仪，型号为HR4000，测量范围为320～540 nm，分辨率为0.06 nm；能量计为Gentec公司的量热型能量计，型号为QE65LP-H-MB，光电管为Thorlabs公司生产的型号为DET10A硅探测器，响应波长为200～1 100 nm，上升沿时间约为1 ns。

图1　基于滤光片XeF(C-A)激光器窄线宽输出光路结构示意图Fig.1　Schematic diagram of XeF(C-A) laser with narrow linewidth output based on a filter

2实验结果与分析

首先，观察了激光器在自由运转条件下的激光光谱。实验条件为充电电压U=25 kV，气压比pAr∶pN2=3∶2，总气压p=0.105 MPa，XeF2初始分子浓度约为0.9×1017cm-3。图2给出了自由运转条件下的激光光谱。可以看出，激光光谱范围较宽，为470～490 nm，且在482 nm和490 nm处有凹陷[20]，分析认为造成两处凹陷的机理可能是腔内气体分子吸收所致。

在观察激光器自由运转的基础上，在腔内插入滤光片。当滤光片法线与谐振腔光轴间的夹角(以下简称入射角)为0°时，激光器输出光谱如图3所示。可以看出，光谱出现双波长，一条线是488.3 nm，对应着XeF分子C态到A态的跃迁，另一条线是353.1 nm，对应着XeF分子B态到X态的跃迁[20]。由于B→X跃迁的受激辐射截面比C→A跃迁大将近3个量级，当入射角为0°时，滤光片表面与输出镜M2组成了满足353.1 nm振荡条件的谐振腔，因此，激光为双波长输出。但此种情况不利于488.3 nm激光振荡，应尽量避免353.1 nm振荡，因此需要将滤光片偏折一定角度，使353.1 nm激光振荡失谐。

图2　激光器自由运转条件下输出光谱Fig.2　Spectrum of XeF(C-A) laser in free-running

图3　入射角为0°时激光输出光谱Fig.3　Spectrum of output XeF(C-A) laser atan incident angle of 0°

将滤光片旋转一个小角度，获得了无353.1 nm激光输出的激光光谱，如图4所示。激光中心波长为488.3 nm，线宽为1.5 nm，几乎为滤光片透过带宽的一半。前面提到，C→A跃迁受激辐射截面小，XeF(C-A)激光增益系数非常低，仅为0.003 cm-1[17]，因此滤光片透过率必须超过一定值，激光才能形成振荡。根据激光器起振条件，在不考虑衍射损耗和吸收损耗情况下，可以通过下式估算滤光片最低透过率[21]：

(1)

其中，α为XeF(C-A)激光增益，实验采用双向泵浦，因此取0.006 cm-1；L为增益区长度，为80 cm；R1和R2分别为输出镜和反射镜的反射率，分别为0.90和0.995；T为滤光片透过率。

将上述参数代入式(1)，可以估算出滤光片的最小透过率为65.6%，即滤光片透过率必须大于65.6%，C→A跃迁才能形成激光振荡。从该式还可以得到，并非滤光片带宽内的波长均满足激光起振条件，滤光片中心波长处透过率最大，远离中心波长时透过率降低，当某波长处透过率低于估算值时该波长便不能形成激光。因此，激光输出线宽小于滤光片透过带宽。

图4　无353.1 nm输出时XeF(C-A)激光光谱Fig.4　Typical spectrum of XeF(C-A) laserwithout 351 nm output

改变滤光片的入射角，观察激光中心波长、线宽以及输出能量随入射角的变化情况，分别如图5和图6所示。由于滤光片入射角度变化范围为0°±2°，当入射角超过2°时，488 nm处3 nm带宽波长透过率急剧下降，XeF(C-A)激光将无法形成振荡。从图5可以看出，激光输出中心波长几乎不随滤光片入射角度改变而变化，而激光线宽在1.4 nm附近变化，最大为1.5 nm，最小为1.3 nm。由于最大线宽、最小线宽均与平均值相差很小，仅为0.1 nm，接近光谱仪分辨率极限，分析认为，线宽波动是由测量不确定度引起的。

图5　不同入射角下激光中心波长及线宽分布Fig.5　The central wavelengths and linewidths ofXeF(C-A) laser as a function of incident angle

图6　不同入射角下激光的输出能量Fig.6　Output energy at various incident angles

从图6可以看出，激光输出能量随滤光片入射角度增大而减小，在0°时最大，为0.85 J，需要指出的是，该能量包含了353.1 nm激光。当入射角度为0.25°时，488.3 nm激光输出能量为0.54 J。继续增大滤光片入射角，激光输出能量进一步降低，这是因为继续增大入射角，滤光片的透过率下降，增加了腔内损耗。另外，实验时没有更换新的增益介质气体也是引起能量下降的部分原因[13]。

固定滤光片入射角，观察连续输出多个激光脉冲光谱，如图7所示。可以看出，不同脉冲光谱重叠较好，表明激光器输出波长比较稳定。

图7　激光器输出多个激光脉冲光谱(固定滤波片)Fig.7　Spectra of XeF(C-A) laser with the filter fixed

3结论

通过在谐振腔内插入窄带滤光片，获得了输出能量焦耳量级、线宽小于2 nm、波长稳定的XeF(C-A)蓝绿激光窄线宽输出，研究了滤光片入射角对激光输出线宽和输出能量的影响。为了获得较高能量的蓝光XeF(C-A)激光输出，滤光片入射角最佳范围为0～0.5°。

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Experimental Investigation of Narrow Linewidth Output of XeF(C-A) Laser Based on a Filter

SHEN Yan-long,ZHU Feng,YU Li,LUAN Kun-peng,TAO Meng-meng,ZHAO Liu,ZHOU Song-qing,HUANG Chao, AN Xiao-xia, YI Ai-ping, LI Gao-peng

( Northwest Institute of Nuclear Technology, Xi’an710024,China;State Key Laboratory of Laser Interaction with Matter, Xi’an710024,China)

Abstract：A narrow linewidth XeF(C-A) laser is demonstrated by inserting a narrow band filter in the resonator. The output characteristics of narrow linewidth are studied. The experimental results indicate that a blue laser output with a stable wavelength,J-level energy, and a linewidth less than 2 nm (minimum to 1.3 nm) can be obtained by this means, and the laser energy would decrease by increasing the angle between the normal of the filter and optical axis of the cavity.

Key words：XeF laser；filter；narrow linewidth；resonator

中图分类号:TV131.1, TN245

文献标志码:A

文章编号：2095-6223(2016)010301(5)

作者简介：沈炎龙(1983-)，湖南岳阳人，助理研究员，硕士，主要从事激光技术及应用研究。E-mail:shenyanlong@nint.ac.cn

基金项目：激光与物质相互作用国家重点实验室基金项目(SKLLIM1308-1)

收稿日期：2015-10-08；修回日期：2015-11-18