扭转模腔法输出单纵模激光研究

朱 浩,王博浩,陶家友,2,邹新长,魏 勇,2

(1.湖南理工学院 物理与电子科学学院,湖南 岳阳 414006;2.湖南理工学院 信息光子学与空间光通信湖南省重点实验室,湖南 岳阳 414006;3.岳阳大陆激光技术有限公司,湖南 岳阳 414000)

单纵模固体激光器在精密测量、光谱医疗、国防军事等领域有着非常重要的应用.目前,获得单纵模的方法通常有短腔法、标准具法、滤光片法、行波腔法和扭转模腔法等,其中扭转模腔法具有独特的优势而得到广泛应用[1].而其他几种方法存在获得单纵模几率不高、结构复杂或抗干扰能力弱等缺点.扭转模腔法控制激光器输出单纵模研究起源于1965年,由Evtuhov 和Siegman 共同完成[2],随后不断得到发展.80年代产生的半导体泵浦的全固态激光器拥有传统固体激光器和半导体激光器的优势,其体积更小,性能更好,输出激光更稳定.将全固态激光器和扭转模腔结合起来,可以使得输出单纵模激光所需的阈值电压更低,输出的单纵模激光更加平滑稳定.李莉[3]等基于扭转模腔法实现了L 形单纵模Tm,Ho:YAG 激光器单纵模的输出.卢葱葱[4]等利用微失调扭转模腔产生双频激光.Luo[5]等使用扭转模腔的方式设计出一种直接振荡在 640 nm 的二极管泵浦Pr:YLF 全固态单纵模激光器.输出激光的特性随着研究的不断加深日益趋向于高性能低损耗,输出功率由原来的mW 量级变成了如今的W 量级,利用扭转模腔法输出单纵模激光逐渐成为研究热点.

1 单纵模激光输出方法

普通激光器谐振腔内存在着各种不同模式振荡的激光,一般激光器中不同纵模的激光有着相同的损耗,但不同纵模激光的振荡频率却不同,导致其小信号增益系数也不相同.因此可以利用激光相邻纵模之间的增益差来控制激光器输出单纵模激光,也可以人工利用损耗差对激光进行选模,从而达到输出单纵模激光的目的.

1.1 短腔法

对于一定的谐振腔,凡是落在荧光线宽范围内,且增益都处于阈值线水平以上的驻波振荡,均能形成激光振荡,此即多纵模工作状态.相邻两纵波间隔Δvq为

其中μ为折射率,L为谐振腔腔长.

由上式可知,纵模频率间隔Δvq与谐振腔腔长L成反比.为了在激光增益曲线中获得单一频率振荡,可设法增大纵模频率间隔,使其在荧光谱线有效宽度范围之内,只存在一个纵模振荡[6].因此可通过缩小腔长L来实现,获得单纵模激光.

1.2 标准具法

短腔法受腔长的影响增益介质比较短无法输出高功率的单纵模激光.为了克服这种缺点,可以采用标准具法获得较高功率的单纵模激光[7].

如图1所示,利用标准具的多光束干涉效应输出单纵模激光,M 表示全反镜,P 表示输出耦合镜.在谐振腔内插入标准具,一些固定频率的光可以通过标准具在谐振腔内往返传播,其他频率的光则不能通过标准具,一定时间后谐振腔内只有部分特定频率的光振荡传播,其他频率的光因为标准具的高损耗而消失.因此可以通过选择适当的标准具对谐振腔内的光进行选频输出,利用不同频率的光通过标准具的消耗不同来控制激光器输出单纵模激光,当增益线宽比较宽时,可以利用超薄的标准具的平行平板来控制激光器输出单纵模激光.

图1 标准具法输出单纵模激光

由于多光束干涉的结果,只允许若干个频率带宽很窄的光通过,其透过光的频率vm为

其中μ为工作物质的折射率,φ为标准具法线与谐振腔轴线的倾角,μ′为标准具的折射率,d为标准具的厚度,m为整数.

1.3 双折射滤光片法

图2为双折射滤光片法输出单纵模激光的示意图,图中BP 表示布儒斯特片(布氏片),M 表示输出耦合镜,KTP 为双折射晶体.LD 泵浦的激光通过增益物质后转化为线偏振光,线偏振光通过BP 后偏振方向和BP 的p 偏振方向重合时,只有p 偏振方向的基频光可以通过BP.通过后的基频光再通过双折射晶体KTP,由于双折射晶体KTP 是倍增材料,激光通过倍增晶体KTP 后被折射分为寻常光和非寻常光两种.激光通过输出耦合镜反射回谐振腔进行振荡,当基频光两次通过双折射晶体KTP 后基频光的偏振状态就一直保持为p 偏振光不会继续发生变化,然后再通过BP 的基频光的消耗就可以达到最低从而首先起振,进而实现激光的频率选择和单纵模输出.

图2 双折射滤光片法输出单纵模激光

1.4 行波腔法

图3为三镜片的环形腔示意图,其中A、B为反射镜,C为输出耦合镜,P1为谐振腔内的增益介质,P2为光隔离器.当激光通过反射镜A时会反射到光隔离器中,光隔离器是具有选通作用的无源光器件,对射入的正向激光不起隔离作用正常通过,对射入的反向激光具有非常大的损耗进而隔离反向激光的射出.由于光隔离器正反两个方向的激光损耗并不相同,因此谐振腔内只有一个传播方向的激光,经过光隔离器后激光通过反射镜B 反射进入激光的增益介质中,通过增益介质后再通过输出耦合镜C.由于开始振荡的激光达不到于输出镜C 的输出要求,此时激光器会通过输出镜C 再反射到反射镜A,依次单方向地进行下去.当谐振腔内的激光达到输出镜C的阈值后就可以输出单纵模激光.

1.5 扭转模腔法

扭转模腔法输出单纵模激光利用的主要元件有:LD泵浦源、全反镜、输出耦合镜、一对1/4波片、Nd:YAG 激光晶体、小孔光阑以及起偏器,如图4所示.两个1/4波片快轴互相垂直和起偏器的偏振方向的夹角为45°.

图4 扭转模腔法输出单纵模激光

1/4波片工作原理[8]如图5所示.当LD泵浦全固态激光器工作时,光路从左往右经过1/4波片,经过1/4波片后线偏振光转化为圆偏振光,也因此要求入射的圆偏振光必须通过Nd:YAG 晶体中心,防止圆偏振光偏振态受到影响.圆偏振光经过增益介质后输出,相同的光路振荡返回后,由于右侧对称位置也存在一个1/4波片,保证了激光能一直以圆偏振光通过激光晶体,圆偏振光的激光空间光强分布均匀因此不会出现空间烧孔效应[6].在激光内过滤多种纵模形式的振荡达到单一纵模的激光输出,谐振腔内的激光通过起偏器(偏振片),由于起偏器只能让水平于一定方向的光射出,经过起偏器后不符合水平一定方向的光由于消耗高不能通过起偏器,即只有沿轴方向的激光可以通过,再通过合适的输出镜片就可以使得激光器输出单纵模激光.

图5 1/4 波片工作原理

综上所述,短腔法构造简单,利用改变腔长增加纵模之间的间隔就能输出单纵模,但由于腔长的限制不能进行大功率的激光输出.标准具法是在激光器腔内放置标准具可以起到选模选通输出单纵模激光,但是由于使用标准具法时激光的建立时间比较短,腔内激光的功率密度大,不利于输出稳定的单纵模激光.滤光片法利用双折射晶体和布氏片的折射选通来输出单纵模,但是由于双折射晶体和布氏片的折射能力有限,输出的单纵模激光并不理想.行波腔法利用环形腔输出单纵模可以使得激光在环形腔内沿着一个方向传播,因此不会产生空间烧孔效应,但是由于行波腔内需要较多的反射镜,会造成较大的激光损耗.而扭转模腔法具有消除空间烧孔效应的特点,同时扭转模腔法单纵模输出时具有阈值电压要求低、输出单纵模激光平滑稳定等优点.

2 扭转模腔法仿真结果及分析

本文设计了一个扭转模腔,该腔由两块曲率半径为60mm 的端面镜、两块1/4波片、一片偏振片和Nd:YAG 晶体构成.其中对称放入两个1/4波片,两个波片的慢轴成90°角,调节谐振腔的泵浦电源,微调波片的位置,使得输出的光功率最大.然后为了避免加入偏振片后激光功率过大造成影响,将泵浦电源的功率适当调小,调节到合适后加入偏振片,两个1/4波片的快轴与光的偏振方向成45°夹角,接着调整偏振片与水平位置的夹角,当谐振腔内出射激光的功率最大时,偏振片的工作角度是最理想的.加上两个1/4波片后,增益介质内的光强分布为

其中E为电场强度,ω为角频率,t为时间,k为波数,L为谐振腔腔长.

设泵浦激光器的功率为30W,泵浦波长为808nm,谐振腔的腔长L约为10cm,输出激光的波长为1064nm,单程振荡时间S约为2us.

因此有:

将式(4)代入到式(3)中,t的取值为1～5us,利用Matlab软件进行仿真,仿真结果如图6所示.

图6中,横坐标为时间t,单位为us;纵坐标为光强I,单位为cd.图中光强I为纵坐标数值*E104.A点为光强最小点,B 点为光强最大点.由图可知,增益光强是明暗相间的干涉条纹;a表示暗条纹宽度,b表示亮条纹的宽度,a、b大小相等,表明条纹宽度相同,即干涉条纹是均匀的明暗相间且宽度相等的条纹.因此谐振腔内的激光光强分布均匀,不存在空间烧孔效应.

图6 增益光强

扭转模腔法输出单纵模激光的特点在于利用扭转模腔可以让不同方向的偏振光转换为圆偏振光.假设激光振荡时角频率不变,振荡后圆偏振光和线偏振光相位相差π/2的整数倍,分解式(4)在三维坐标下代入式(3),再利用Matlab软件仿真,仿真结果如图7所示.由图7可知,谐振腔内的线偏振光(左)沿各方向分布导致不均匀,通过扭转模腔后可以转换为圆偏振光(右),圆偏振光类似于螺旋管上升,因此该类型谐振腔又称为扭转模腔.在沿轴方向光强分布均匀,不会形成空间烧孔效应,在谐振腔中存在的诸多激光模式中过滤掉多种纵模后实现了单一纵模的激光输出.

图7 线偏振光(左)和圆偏振光(右)

3 结论

本文设计了一个由两块曲率半径为60mm 的端面镜、两块1/4波片、一片偏振片和Nd:YAG 晶体构成的扭转模腔.当入射光为线偏振光时,线偏振光沿各方向分布,从而导致光强分布不均匀,再通过扭转模腔中的1/4波片后,垂直方向分量和竖直方向分量分别产生1/4波长相位差,可以转换为圆偏振光,反射回来后,两个分量的方向和相位差不变,再次经过1/4波片,两个分量再次叠加1/4波长相位差,共1/2相位差,所以合成的光为线偏振光,且偏振方向与原方向垂直,所以无法再次通过偏振片.通过仿真研究结果表明,该扭转模腔在沿轴方向光强分布均匀,不会形成空间烧孔效应,实现了单一纵模的激光输出.