1. 引言
全固态激光器(Laser Diode Pumped Solid-State Laser或DPSSL)是指以激光二极管(LD)为泵浦源的固体激光器,是激光技术领域的一个重要分支。全固态激光器有着转换效率高、器件结构紧凑、体积小、可靠性高、结构牢固、光束质量好、输出能量大、峰值功率高、工作介质覆盖的波段广及运转方式多样等优点,与非线性光学频率技术相结合,可实现多种波长的运转,已成为新一代的优质相干光源。现今全固态激光器的输出波段己经覆盖包括红外,红,绿,蓝,至紫外等,成为当前激光技术发展的主要方向。目前,激光二极管抽运的腔内混频激光器主要应用在腔内倍频激光器上,已经有大量文章对激光二极管抽运腔内倍频红、绿和蓝激光器进行报道,技术上己经非常成熟。
近年来黄绿光波段的全固态激光器是全固态激光器的一个研究热点,这一波段在黄绿光波段的激光在激光显示、生物医学、波色–爱因斯坦凝聚、化学等领域有着广泛的应用。波长为561 nm黄绿光是共焦显微镜流式细胞仪及其它生物成像装置的理想光源,同时也是激光治疗复杂眼科疾病的最佳波长,在生物医学方面有着极大的用途,因此561 nm激光器的研究备受关注。
2. 全固态激光器的发展
在固体激光器发展之初,通常使用闪光灯作为抽运源。但是因为闪光灯的发射光谱范围较宽,固体激光晶体的吸收带宽却很窄,导致总的电–光转换效率很低,仅为1%~5%。因此,在相当长一段时间内,固体激光技术的发展停滞不前。直到1962年 [1] ,前苏联科学家Nikolay Basov报道了世界上第一只同质结砷化镓半导体激光器;1963年 [2] ,美国人纽曼第一次提出LD可以作为固体激光器的抽运源。但在LD发展的初期,由于制作技术不够完善,导致转换效率低、LD输出功率起伏很大,并且工作寿命非常短。更重要的是,当时的LD还要采用液氮来制冷,所以当时没有发挥出它的优点 [3] [4] 。因此当时的LD还不适合用作固体激光器的抽运源,在很长的一段时间内,人们并未给予LD以足够的重视,DPSSL技术研究工作止步不前。步入二十世纪八十年代,人们将MBE和MOCVD等现代“非平衡生长技术”引入到III-V族宽带半导体材料的生长中,采用了量子阱、应变量子阱结构,提升了LD的各项性能,最终使得LD可以作为全固体激光器的抽运源 [5] 。到了90年代,由于LD制作技术取得了很大的发展并且伴随着外延生长技术的提高,LD的发射波长已经覆盖600 nm~2.0 µm的光谱范围 [6] 。
与早期闪光灯抽运的固态激光器相比,全固态激光器(DPSSL)的优势在于涵盖了LD和DPSSL两者的优点,并且互相弥补了彼此的某些缺点,使全固态激光器的各项参数指标及在实现产业化方面都取得了很大的进步。概括起来有以下几点 [7] :
1) 提高总体转换效率达到15%以上,这比早起闪光灯泵浦的DPSSL总效率提高了5~10倍。其主要原因是LD发射的谱线宽度要比闪光灯的窄很多。这样就提高了抽运光的使用效率(如图1),从而使更多的泵浦光用来增加反转粒子数。
2) DPSSL的频率稳定性更高。在固态激光器中,泵浦功率的波动对其发射线宽的影响很大,而LD的稳定性明显好于闪光灯 [8] ;同时,使用LD作为抽运源时,激光晶体可以不吸收无用辐射,大大减小了激光晶体的热效应,因此在很大程度上改善了激光器噪声特性。目前LD泵浦DPSSL的频率稳定性和线宽已可以和气体激光器相提并论。单频输出的漂移小于10 kHz,输出功率波动小于1%。
3) DPSSL的光束质量高。由于DPSSL的激光晶体可以采用水冷或者风冷,这样就有效的减小了激光晶体的热效应,提高了激光器输出光束的光束质量。例如:一台千瓦级闪光灯泵浦的固态激光器,其光束发散角是衍射极限的40~60倍 [9] 。而一台千瓦级DPSSL的光束发散角仅仅是衍射极限的二倍。在端面抽运时,可以得到近于衍射极限的激光输出。
4) DPSSL的可靠性高,寿命长。DPSSL的寿命可长达104~105小时,而闪光灯抽运的固态激光器寿命通常只有400多小时。
5) DPSSL的体积小,重量轻,更适于实现全固化。
此外,DPSSL还在很大程度上弥补了LD的不足,如:
① DPSSL的线宽窄。DPSSL的线宽通常为0.0001~0.01 nm,而LD的线宽通常为0.02 nm~2 nm。
② DPSSL的峰值功率高。固体激光晶体的亚稳态能级寿命较长、发射谱线较宽,容易实现粒子数反转,通过调Q或锁模等方式可以获得更高的峰值功率。
③ DPSSL具有确定的输出波长。LD的泵浦源是电流,导致它的输出波长随着温度变化,变化量为0.1~0.2 nm/℃。
④ DPSSL可以获得不同波长激光输出。固体激光晶体总类繁多,如常用的Nd:YAG、Nd:YVO4等,因此它们可以发射不同波长的激光,再利用非线性频率变换技术,获得不同种类的波长输出 [10] 。另外还可以使用多个LD同时泵浦激光晶体,得到比单个LD大许多的输出功率。
综上所述,我们可以看出,DPSSL同时弥补了全固体激光器和半导体激光器的缺点,它在激光运转的稳定性、输出光束的光束质量等方面都是其它激光器无法比拟的。
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Figure 1. Nd:YAG’s absorption spectrum is compared with flash and LD emission spectra
图1. Nd:YAG的吸收光谱与闪光灯、LD发射光谱的比较
3. 561 nm激光器的基本原理及研究现状
目前561 nm激光的获得方法有三种 [11] :1) 直接倍频红外波段;2) 双波长和频;3) 拉曼频移。这几种方法中直接倍频基频光得到黄激光的输出方式相对而言,结构简单,转化效率高,稳定性好,比较容易获得高功率的输出,也比较容易产业化,是目前研究的重要方向,其原理图如图2所示 [12] 。
LD泵浦的Nd:YAG激光器是最常见、发展最迅速的DPSSL器件。Nd:YAG是掺入钕钇铝石榴石的简称,它是将钕离子按一定比例掺入钇铝石榴石中替代钇离子。对于激光介质来说,三价的钕离子(Nd3+)是激活离子,钇铝石榴石(YAG)是基质,Nd:YAG是目前最成熟的固体激光材料。
Nd:YAG晶体的激光光谱中共有30多条跃迁谱线,其激光跃迁分别发生在激光上能级
的斯塔克能级和激光下能级
,
,
之间,如图3所示。
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Figure 2. Solid-state 561 nm single-frequency laser solid schematic diagram
图2. 全固态561 nm单频激光器实验原理图
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Figure 3. Diagram of the energy levels of Nd:YAG with a description of the main transition lines
图3. Nd:YAG的能级和主要跃迁图
除了经常利用的1064 nm,1319 nm和946 nm谱线以外,1112 nm,1116 nm和1123 nm这三条谱线的性能也相对较好。但
→
的所有跃迁(1112 nm、1116 nm、1123 nm)中最不活跃的谱线是561 nm激光的基频光——1123 nm谱线。
从表1可以看出1123nm谱线的相对性能是1064 nm谱线的2/5,和946 nm、1318 nm、1112 nm、1116 nm这些谱线的相对性能相差不多,受激发射截面接近,在对一个波长腔内倍频的过程中,受其他波长倍频及与该波长和频的影响,使得功率输出稳定性差,波长也容易跳变。所以,要实现561nm单谱线输出,需要通过附加与波长相关的选择性损耗来抑制其他谱线的振荡。
在常用的选择性损耗光学元件中双折射滤波器因其可调谐范围大、调谐方便、插入损耗小和抗损伤能力强等优点被广泛应用。双折射滤波器,简称BF,作用原理基于双折射效应,由于双折射效应,经过晶体的偏振光会分成o光和e光,并且他们的折射率不同,传播速度在晶体中也不同,所以会产生相位差,利用这一特性,适当选择晶体厚度、光轴与晶体表面夹角可使晶体具有调谐作用,实现选频。
1992年天津大学王兴龙和姚建铨教授对双折射滤波器的传输和调试特性进行研究 [13] ,分析了双折射滤波器的原理以及调制特性,给出双折射滤波器的传输公式,绘制出双折射滤波器透射曲线。1999年,天津大学应用物理系进行了用于钛宝石激光器的可调谐双折射滤光片的综合设计 [14] 。2004年中国科学院西安光机所瞬态光学技术国家重点实验室研究了布氏角放置的双折射滤光片在腔内倍频中的作用 [15] ,同样以钛宝石激光器为例,详细研究了双折射滤光片在宽带增益激光器腔内倍频中的作用以及双折射滤光片在腔内位置对倍频效率的影响。2016年西北核技术研究所对787~952 nm可调谐全固态Cr:LiSAF激光器 [16] 的研究,分析了激光器效率和调谐范围的限制因素。利用BF具有插入损耗较小、调谐范围宽等的优点,进行调谐,实验发现在加入BF后输出功率下降约10 mW。
在对1123 nm的基频光进行倍频的过程中,LBO晶体和KTP晶体都是目前比较常用的两种非线性晶体。KTP晶体电光系统大,非线性系数大,不潮解,允许角度大和允许温度高,走离角小,折射率小,对温度不敏感,机械性能好,导热性能好,化学性能稳定,除了在紫外区不透明外,是一种特性优良的晶体。LBO晶体透明范围宽,甚至可以达到紫外波段,非线性系数较大,允许角大,损伤阈值高,不潮解,机械性能好。在选择合适的倍频晶体和选频手段后,561nm激光器可获得较高的转化效率,获得高功率的激光输出。
近年来国内外已有很多关于通过腔内倍频获得561nm激光输出的报道。2008年,E. Räikkönen,O. Kimmelma等人,使用2.5 W的激光二极管抽运Nd:YAG,获得1123nm谱线振荡,再使用KTP晶体进行腔外倍频,得到脉冲频率为12 kHz的,平均功率为55 mW、波长为561nm的激光输出 [17] 。2011年,何艳艳,夏丹青等人采用半导体模块作为泵浦源,在泵浦功率为50 W得到了6.3 W的1123nm激光输出。使用KTP晶体腔内倍频,采用镀选择性介质膜的方式,对1064nm、946nm和1318nm激光进行抑制,最终得到了3.5 W的561nm黄激光连续输出 [18] 。
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Table 1. Comparison of laser performance of the Nd:YAG at the main laser transition
表1. Nd:YAG的主要几条谱线的相对性能比较
2012年,崔锦江,檀慧明等人采用半导体抽运腔内倍频的方法,通过选择允许角度和允许温度较小的倍频晶体,通过调整晶体放置位置,采用LD端面泵浦,当泵浦功率为13.5 W,通过设计了合理的谐振腔膜系,使增益较大的1064,1319和946nm谱线的振荡被抑制,得到了1.41 W的561 nm单谱线输出,光–光转换效率为10.5% [19] 。2013年,Jing Gao,Xianjin Dai等人报道了一种连续腔内倍频561nm激光器,采用标准具和特殊的膜系设计,实现了1123nm单谱线运转,在吸收泵浦功率为21.8 W时,得到最大输出2.3 W,光光转换效率为10.6% [20] 。2013年,邵志强,高兰兰等人利用激光二极管端面抽运Nd:YAG晶体,LBO非线性晶体采用一类相位匹配切割,对1123nm基频光倍频的方法,得到561nm激光输出如图4所示,在抽运功率为5 W时的最大输出功率为123 mW,此时的光–光转换效率为2.46% [21] 。
2017年,马刚飞,姚文明等人利用LD抽运Nd:YAG晶体,实验装置如图5所示,得到1123 nm基频光,通过LBO晶体腔内倍频得到561 nm输出 [22] 。
在泵浦功率为5 W时,实现了561 nm激光单波长输出,输出功率达到107 mW,此时561 nm激光功率在5 min内不稳定度为0.7%,如图6所示。
4. 结束语
波长在550~600 nm范围的黄绿光可以应用于军工、通讯、信息存储、医疗美容、生物医学、食品药品检测、大气遥感等方面。军事上黄光激光可用于空间目标的探测与识别。本文对全固态激光器的发展进行了简单的介绍,并对561 nm激光器的基本原理及几种常用元件的性能进行了分析,并对561 nm激光器的研究进展进行了回顾。虽然LD泵浦的全固态561 nm激光器因其结构紧凑、重量轻等优点逐渐成
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Figure 4. 561 nm spectrum of frequency doubling output by LBO crystal
图4. LBO晶体倍频的561 nm输出谱线
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Figure 5. Schematic diagram of experimental device
图5. 实验装置原理图
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Figure 6. Stability test in 5 minutes
图6. 5 min内稳定性测试
为激光器领域的研究热点,但输出激光的稳定性和光束质量,在一定程度上限制了其应用,所以如何采取更好的方法平衡各参数指标、并且提高激光的光束质量和稳定性,将是下一步的研究重点。