基于周期性極化鉭酸鋰晶體的連續激光倍頻技術研究

張利飛,謝典昆,陳 昊,桂征宇

(1.中國人民解放軍63856部隊,吉林 白城 137001；2.江蘇曙光光電有限責任公司,江蘇 揚州 225009)

1 引 言

較高功率的綠光激光器可應用于材料處理[1]、外科醫學[2]、激光顯示[3]等方面,也可應用于反恐處突等警用、軍用場合。綠光激光通常使用1064 nm波長激光作為泵浦源,通過KTP等倍頻晶體將其倍頻得到532 nm的綠光激光。脈沖激光由于峰值功率高,可以通過腔外倍頻的方式實現倍頻過程,而連續激光則大多采用腔內倍頻的方式實現[4]。

隨著激光應用和激光技術的發展,各應用場合對綠光激光的功率、光束質量的需求不斷提高,同時還提出了小型化的要求?；诒额l的綠光激光器小型化首先要對基頻激光器進行小型化。在連續激光應用場合,傳統的固體激光器體積相對較大而光電效率相對較低,光纖激光器以其體積小、功耗低等多方面優勢開始大規模取代傳統的固體激光器。雖然相比固體激光器,光纖激光器在連續激光輸出時優勢明顯,但是光纖激光器的倍頻仍是目前的一個難點問題,制約了高功率、高光束質量的連續輸出綠光激光發展。

連續激光倍頻往往采用腔內倍頻的方式,但是這種方式并不完全適用于光纖激光器,因為倍頻晶體很難以光纖形式融入光纖激光器。光纖激光器的倍頻最便捷的方式就是直接腔外倍頻。這種方式結構簡單,能有效降低光束質量的惡化及輸出光譜的展寬。但是直接腔外倍頻的缺點也極為明顯,即基頻光功率密度一般比較低,進而導致倍頻效率非常低。

提高倍頻效率可以從兩個方面來考慮:提高基頻光功率密度或提高倍頻晶體非線性系數。提高基頻光功率密度可以通過透鏡將基頻激光進行會聚來實現。提高倍頻晶體的非線性系數有兩個途徑:一選用非線性系數更高的晶體；二選擇合適的角度切割晶體,在某些切割方向上晶體的非線性系數更大。在選擇切割晶體角度的時候必須要考慮相位匹配,因為特定的角度才能滿足相位匹配,進而保證倍頻過程的有效進行。由于晶體必須以特定的角度切割以保證相位匹配,而特定的切割角度通常并不是非線性系數最大的切割方向。以通常使用的KTP晶體為例,其非線性系數通常在2 pm/V～4 pm/V之間。解決這一問題的方法是采用準相位匹配技術,準相位匹配技術通過周期性極化晶體實現[5-7]。通過該技術,晶體可以選擇非線性系數最大的方向進行倍頻,以周期性極化鉭酸鋰(PPLT)為例,其非線性系數可達10 pm/V?；谝陨峡紤]和分析,本文開展了基于PPLT的光纖激光器倍頻技術研究。

2 倍頻晶體選擇

傳統上最為常見的倍頻晶體為KTP,在溫度為323 K時,綜合考慮基頻激光、晶體非線性系數、接收角等因素,通常倍頻的方式為II類相位匹配,1080.0(e)+1080.0(o)=540.0(e),方向為θ=90.0°,φ=9.8°,有效非線性系數deff為3.83 pm/V。而LiTaO3晶體在特定方向的非線性系數d33可以達到13.8 pm/V[8],遠超KTP晶體的有效非線性系數,但是該方向不能滿足1080 nm到540 nm非線性轉換的相位匹配,即:

Δk=k1080+k1080-k540≠0

(1)

其中,k1080和k540為對應波長的波矢。在Δk≠0時存在一定的相干長度Lcoh,在該長度之內,能量將由基頻光向倍頻光轉換,而長度再加長時,能量將由倍頻光向基頻光進行逆轉換,因此實際有效的倍頻過程只存在于一個相干長度之內。Blembergen提出可以通過構造周期性結構來避免超出相干長度后的逆轉換[9]。如圖1所示,目前通常使用高壓電極化來實現晶體內部的磁疇反轉,如圖中箭頭所示方向,將按該方向發生周期性反轉,反轉一次的周期為Λ。

圖1 單個均勻非線性光學介質及周期性極化非線性光學介質Fig.1 Single homogeneous nonlinear optical medium and periodically poled nonlinear optical medium

滿足:

Δk=2π/Λ

(2)

這就相當于在第二個相干長度內對Δk進行了反號處理,這樣能量將仍由基頻光轉向倍頻光,雖然這種方式的轉換效率不如完全相位匹配高,但是仍然可以實現基頻光持續向倍頻光轉換,通常稱為準相位匹配如圖2所示。因此通過準相位匹配技術,可以選擇LiTaO3晶體d33方向來進行倍頻轉化,雖然其效果不如d33方向相位匹配情況下的倍頻效果(實際上無法匹配),但遠高于KTP晶體中deff=3.83 pm/V方向相位匹配時的效果。

圖2 晶體中相位匹配、準相位匹配及相位失配三種情況下倍頻過程輸出電場隨空間變化曲線Fig 2.Three conditions(perfect phase-matching,quasi-phase- matching,and wave vector mismatch) of electric fields change as the wave propagate throws along z-axis in crystal

以50 mm長、極化周期為8.1 μm的PPLT為例,可以通過Sellmeier方程[10]等計算出激光倍頻所需的溫度點及溫度接收范圍和基頻光接收譜寬。如圖3所示,可以通過理論計算得到在極化周期為8.1 μm的PPLT中,通過1～1.1 μm波長激光和頻得到540 nm激光所需的溫度,在348 K的溫度下和頻過程簡并為倍頻過程,即在348 K溫度情況下,可以在該晶體中進行1080～540 nm的倍頻轉換。

圖3 極化周期為8.1 μm的PPLT晶體中溫度與和頻波長關系圖Fig 3.The relation between temperature and wavelength in a PPLT with 8.1 μm Polarization period

PPLT的基頻光接收譜寬和溫度接收范圍也是兩個極為重要的參數,直接決定了其是否可行。如圖4所示,50 mm長PPLT的接收光譜僅0.052 nm(半高全寬),因此為了提高倍頻效率,需要單縱模的基頻光對其進行泵浦,實際上單縱模泵浦也是周期性極化晶體中提高非線性效率的常見方式[11-12]；PPLT倍頻溫度接收范圍為1.20 K(半高全寬),因此需要精度超過1 K的溫控爐來保證晶體中的倍頻轉換效率。周期性極化鈮酸鋰(PPLN)是一種更為常見的周期性極化晶體,也可以用作倍頻晶體,其有效非線性系數可達16 pm/V。但同樣條件下用Sellmeier方程[13]可以得到其接收譜寬為0.045 nm、溫度接收范圍為0.54 K,如圖5所示,均比PPLT更窄,且PPLT損傷閾值較PPLN更高。通過實驗驗證PPLT的有效非線性系數已能滿足5 W綠光輸出的需求,因此從技術研究的角度來說,目前PPLT更適合用于倍頻[14-15]。

圖4 50mm長PPLT的接收光譜、接收溫度范圍Fig 4.Acceptance spectrum and acceptance temperature in a 50 mm long PPLT

圖5 50mm長PPLN的接收光譜、接收溫度范圍Fig 5.Acceptance spectrum and acceptance temperature in a 50 mm long PPLN

3 倍頻光路及結構設計

實驗中所具備的基頻光纖激光源,其輸出光斑直徑為3.5 mm,而PPLT的厚度往往只有0.5～2.0 mm。特別是用于倍頻的晶體,極化周期僅7 μm量級,為了保證晶體有效的電極化,現有技術能力所能獲得的倍頻晶體以0.5 mm厚度為主,僅在中紅外波段,極化周期約30 μm時才能獲得1 mm以上厚度的晶體,且造價極其昂貴。同時由于基頻激光為連續光,峰值功率較低,更需要對基頻光進行會聚,以提高倍頻效率。通過前期實驗驗證,綜合考慮會聚能力、倍頻效果、沿光軸方向各元件的安裝空隙,較為合適的光束束腰約100 μm,因此設計了倍率約為30的光束壓縮鏡組,將激光束腰直徑壓縮至80 μm的理論值,并且束腰正好位于50 mm長的晶體中心。倍頻光從晶體出射后還設計了準直鏡組,該鏡組實際上是會聚鏡組的共軛,可以將剩余基頻光和倍頻光進行適當的準直,以備后續使用?；l光沿光軸方向傳播,經過各光學元件后光束寬度的變化如圖6所示。

圖6 基頻激光光束壓縮及準直設計Fig.6 The design of compression and collimation of fundamental wavelength

由于所使用的激光光源輸出為非偏振光,而晶體中滿足準相位匹配條件的激光僅為e光,因此激光光源輸出的一半不僅不能在晶體中應用,而且高功率激光在晶體中所產生的熱效應、光折變效應等還將給倍頻過程帶來干擾甚至直接損傷晶體導致倍頻器件無法工作?；谏鲜隹紤],同時為了提高倍頻激光功率,設計了激光偏振片對基頻光進行偏振分光,并對兩路激光同時倍頻,再進行偏振合束。這一設計既避免了無用的高功率激光穿過晶體,又提高了總的倍頻激光功率。

基于偏振分光的兩路倍頻光路設計如圖7所示(其中1.基頻激光偏振分光鏡,2.全反射鏡(1080 nm & 540 nm),3.倍頻保護窗,4.壓縮/準直鏡組,5.倍頻晶體(PPLT),6.雙光楔,7.基頻激光濾除鏡,8.倍頻激光偏振合束鏡,9.光學陷阱,10.倍頻模塊)?；l激光通過基頻激光偏振分光鏡分為s光和p光分別入射倍頻光路,兩倍頻光路除晶體安放不同外,其余完全相同。s光倍頻與p光倍頻光路中晶體旋轉了90°放置,使得相對晶體均為e光入射,溫控爐中晶體槽如圖8所示,A面為安裝晶體的基面。為保護晶體端面清潔,專門設置了與外界隔離的倍頻模塊,并于模塊兩端設計了倍頻保護窗。倍頻光出射后通過基頻激光濾除鏡將倍頻激光與基頻激光分離,剩余基頻激光被反射進入光學陷阱。倍頻激光通過倍頻激光偏振合束鏡合束后輸出。為保證兩路倍頻激光同軸,以s光為基準,在p光光路設置了雙光楔進行調整。

圖7 雙光路倍頻設計Fig.7 The frequency doubling design of two optical paths

圖8 溫控爐中晶體槽示意圖,A面為安裝基面Fig.8 Groove for the crystal in a temperature control module,in which the A plate is the install base

由于激光在入射晶體端面處會聚點非常小,極易因灰塵引起損傷,且溫控爐精度要求高,外界氣流波動可能影響溫控精度,因此單獨設立了倍頻模塊,將溫控爐、晶體與外界隔離。溫控爐采用TEC進行溫控,在高溫環境下,TEC制冷效率可能受到影響,因此設計采用倍頻工作點高于50 ℃的PPLT,即前文所述溫度為348 K的高溫晶體,同時在高溫情況下,PPLT的抗損傷能力將有所提高。

4 倍頻技術應用

實驗中使用了最高輸出功率超過80 W的光纖激光器,激光器未采取特殊線寬控制措施,溫控電路控制精度為0.1 K。選用的PPLT采購自南京大學,尺寸為1 mm×0.5 mm×50 mm。前期實驗中比對了周期性極化鈮酸鋰(PPLN)和PPLT的特性,PPLT非線性系數略低于PPLN,但抗損傷能力大幅超過PPLN。如圖9所示,在65 W非線偏基頻光輸出時(實際可用的e光約32.5 W),獲得了2.83 W的540 nm倍頻光輸出,以e光功率計算,倍頻效率達到9 %,如果采用窄線寬或單縱模的基頻光,效率還將大幅提升。

圖9 使用PPLT晶體倍頻綠光激光輸出功率曲線(橫坐標為泵浦光功率,縱坐標為輸出綠光功率)Fig.9 Function of output power by using PPLT as the frequency doubling crystal(in x-axis shows the power of pump laser and y-axis shows the power of green laser)

由于2.8 W綠光輸出僅超出預計值的50 %,且基頻光中o光通過晶體并沒有產生倍頻效果,因此本文提出了雙光路設計,將80 W的非線偏激光通過偏振分光形成兩路,分別通過PPLT倍頻以滿足5 W綠光輸出需求。如圖10所示,最終在工程產品應用時,80 W光纖激光器滿功率輸出時,獲得了5.6 W的540 nm倍頻綠光輸出。該倍頻模塊通過了-20～50 ℃的高低溫工作檢驗(按GJB150.3A和GJB150.4A相關規定執行)和運輸振動檢驗(按GJB150.16A-2009第16部分:振動試驗中“程序I”中規定執行)

圖10 技術應用中的基于PPLT倍頻模塊Fig.10 The PPLT frequency doubling module for technical application

5 結 論

本文對連續輸出的光纖激光倍頻進行了研究,驗證了周期性極化鉭酸鋰晶體的倍頻效果,倍頻實驗說明周期性極化晶體、光束壓縮鏡組、及相關溫控電路滿足連續激光倍頻的技術要求。為提高非偏振的基頻激光利用率,降低晶體的損傷風險,設計了基于偏振分光及合束的雙光路倍頻模塊,實現了周期性極化鉭酸鋰的技術應用,獲得了超過5 W的540 nm倍頻綠光激光輸出,如果能限制基頻光的譜寬,倍頻激光輸出還將有更大的提高。