561 nm yellow laser with high stability and low noise
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摘要: 鉴于目前561 nm激光器噪声较大，影响其实用性，提出一种高稳定性低噪声的561 nm黄光激光器。利用Nd:YAG晶体得到1 123 nm基频光，通过LBO晶体腔内倍频得到561 nm输出。理论分析了1 112 nm、1 116 nm与1 123 nm波长的阈值泵浦功率，提出1 123 nm的单波长振荡条件，确定谐振腔镀膜要求。根据理论计算，设计了合理的谐振腔膜系，通过抑制1 112 nm与1 116 nm谱线在谐振腔内的振荡实现1 123 nm谱线的单波长振荡。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，功率不稳定性达到0.7%，噪声为1.2%。Abstract: In view of current high noise of domestic 561 nm laser, affecting its practicality, 561 nm yellow laser with high stability and low noise is proposed. Nd:YAG crystal is used to obtain 1 123 nm fundamental frequency light, and output of LBO crystal is 561 nm. Threshold pump power of 1 112 nm, 1 116 nm and 1 123 nm wavelength is analyzed theoretically, and a single wavelength oscillation condition of 1 123 nm is proposed to determine requirements of resonant cavity coating. According to theoretical calculation, a reasonable resonant cavity system is designed, and single-wavelength oscillation of 1 123 nm line is realized by suppressing oscillation of 1 112 nm and 1 116 nm lines in the resonator. At a pump power of 5 W, 561 nm laser single wavelength output is achieved with an output power of 107 mW, power instability of 0.7% and noise of 1.2%.
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Keywords:
- nonlinear optics /
- high stability /
- low noise /
- 561 nm /
- resonant cavity film system
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引言
黄激光具有高单色性、高准直性和高亮度等特点，可以应用于军工、通信、大气遥感、信息存储、医疗美容、生物医学等方面。例如：军事上黄光激光可用于空间目标的探测与识别；黄激光在天文望远镜系统中可以替代传统的钠导信号光源；黄激光还可用于眼底黄斑部进行眼底光凝治疗。因此黄光激光器己经成为激光器领域的研究热点，而561 nm黄光激光器作为近年来的一种新型黄光激光器也越来越受到人们的关注。
2004年，Guo[1]等人首次报道了功率为0.5 mW的561 nm连续黄光输出。采用808 nm激光二极管(LD)作为泵浦光，当抽运功率为1.57 W时，1 123 nm输出功率达到132 mW。采用周期性极化铌酸锂晶体腔外倍频，观察到了微弱的黄光。2005年，贾富强[2]等人报道了用2 W的LD抽运掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)晶体，腔内加入0.15 mm厚的标准具，先通过调节标准具角度获得单一谱线的基频光输出，再通过三硼酸锂(LBO)晶体腔内倍频获得黄光输出。在1.6 W的抽运功率下，获得了85 mW、65 mW、和71 mW的556 nm、558 nm和561 nm的黄光输出。2008年，Raikkonend[3]等人使用2.5 W的单管LD抽运Nd:YAG晶体，利用掺铬钇铝石榴石(Cr:YAG)被动调Q，通过砷酸钛氧钾(KTA)晶体腔外倍频，获得重复频率为12 kHz，脉宽为4 ns的561 nm黄光输出，单脉冲能量为5 μJ，平均功率为55 mW。2010年，Yao[4]等人首次报道了瓦级以上的561 nm黄光输出。他们采用LBO晶体Ⅰ类相位匹配腔内倍频，在10 W的抽运功率下，获得了1.2 W的连续561 nm黄光。总的光光转换效率超过13.3%，3 h内输出功率不稳定性小于3%。2012年，Wang[5]等人使用808 nm二极管侧面泵浦以及声光调Q方法，通过LBO晶体腔内倍频，获得重复频率为6 kHz的561 nm输出，最大输出功率达到了60.3 W。2013年，Gao[6]等人通过合理的镀膜膜系设计并插入标准具，直接泵浦Nd:YAG晶体，然后腔内倍频产生561 nm连续黄光输出。在吸收泵浦功率为21.8 W时，最大输出功率达到了2.3 W，光光转换效率为10.6%。但目前国内外关于561 nm激光器的报道主要偏向于理论研究，而实际应用所需的小型化、低噪声、高稳定性561 nm激光器报道还比较少。在已有的低噪声561 nm激光器报道[7-8]中，主要是通过添加选波长器件如双折射滤波器或使用V型腔结构的方法来实现561 nm单波长输出，从而改善激光器的稳定性和噪声，但却使整个激光器结构变得不够紧凑，影响其实用性。
本文采用简单直腔结构，利用808 nm激光二极管端面泵浦Nd:YAG晶体，通过LBO晶体Ⅰ类相位匹配实现腔内倍频。设计合理的谐振腔镀膜膜系，在不添加任何选频器件情况下，获得了高稳定性、低噪声的561 nm单波长激光输出。实验中，在泵浦功率为5 W时，获得了107 mW的561 nm单波长输出，不稳定性达到了0.7%，均方根值(RMS)噪声为1.2%。
1 理论分析
1.1 Nd:YAG晶体谱线分析
Nd:YAG激光器是目前最为常用的一类固体激光器，其简化能级如图 1所示。在Nd:YAG晶体中，钕离子Nd3+替换了YAG基质中的钇离子Y3+，Nd3+在晶格场的作用下，发生了斯塔克分裂。激光跃迁主要发生在上能级4F3/2的斯塔克能级和下能级4I13/2，4I11/2，4I9/2之间。其中，1 112 nm、1 116 nm和1 123 nm这3条谱线都对应于4F3/2能级与4I11/2能级之间的跃迁，只是其激光上下能级对应不同的斯塔克分裂能级。因此这3条谱线的性能比较接近[9]，为了实现1 123 nm基频光的单谱线运转，必须对1 112 nm和1 116 nm谱线进行抑制。除此之外，1 064 nm、946 nm、1 319 nm这3条谱线性能与1 123 nm谱线也比较接近。
影响谱线跃迁的参数主要有受激发射截面、频宽与荧光辐射相对强弱分支比，可以用3种参数的乘积来衡量其跃迁难易程度。设1 064 nm谱线对应乘积为100，根据比值可以得到其余谱线的相对性能，各项参数详情及相对性能比较如下表 1所示[10]。
表 1 Nd:YAG晶体中主要谱线的激光特性比较Table 1. Comparison of laser performance of Nd:YAG at main laser transitions波长/nm 跃迁能级 受激发射截面/(10-20cm2) 频宽/cm-1 荧光辐射相对强弱分支比 相对性能 946 R1-Z5 5.1 9 0.04 46 1064 R2-Y3 45.8 5 0.135 100 1112 R2-Y6 3.8 14 0.025 49 1116 R1-Y5 2.9 16 0.034 46 1123 R1-Y6 3 13 0.03 40 1319 R1-X1 8.7 6 0.018 34 本文通过设计合理的谐振腔与晶体镀膜膜系提高了1 064 nm、1 319 nm、946 nm、1 112 nm、1 116 nm谱线的整体透射率, 进而抑制其在谐振腔内的振荡，同时提高了1 123 nm谱线在谐振腔内的整体反射率来获得其运转，其中最为关键的就是对1 112 nm和1 116 nm谱线的抑制。
1.2 1 123 nm单波长振荡的理论分析
激光晶体每条发射谱线都对应不同的激光阈值，要获得特定谱线的振荡，必须使该谱线的振荡阈值小于其他谱线的振荡阈值。此时，该谱线将优先起振，从而抑制其他谱线在谐振腔内的振荡，最终实现单波长激光输出。四能级激光系统中，谐振腔内产生振荡的阈值泵浦功率[11]为
$$ {{P}_{\text{th}}}=\frac{hv\delta V}{\sigma \tau \eta L}=\frac{hvV}{\sigma \tau \eta L}\left[ aL-\frac{1}{2}\ln \left( Rr \right) \right] $$ (1) 式中：h为普朗克常数；ν为泵浦光频率；V为泵浦体积；δ为平均单程损耗因子；σ为相应波长的受激发射截面；τ为激光上能级寿命；η为泵浦效率；α为激光晶体的单程吸收损耗系数；L为激光晶体长度；R为相应波长在谐振腔前端面的反射率；r为相应波长在谐振腔后端面的反射率。
根据阈值表达式可知，要想获得所需波长的单波长振荡输出，必须满足如下关系式：
$$ \begin{align} & \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ {{P}_{th}}\le {{P}_{thi}} \\ & \frac{h\nu V}{\sigma \tau \eta L}[aL-\frac{1}{2}\text{ln}(Rr)]\le \frac{h\nu V}{{{\sigma }_{i}}{{\tau }_{i}}{{\eta }_{i}}L}[aL-\frac{1}{2}\text{ln}({{R}_{i}}{{r}_{i}})] \\ & \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ [2aL-\text{ln}(Rr)]\le \frac{\sigma }{{{\sigma }_{i}}}[2aL-\text{ln}({{R}_{i}}{{r}_{i}})] \\ & \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \text{ln}({{R}_{i}}{{r}_{i}})\le 2aL-\frac{{{\sigma }_{i}}}{\sigma }[2aL-\text{ln}(Rr)] \\ \end{align} $$ (2) 式中不带下标i的为所需波长的参数，带下标i的为第i个需要抑制波长的参数。对同一激光晶体的同一上能级，可以假设不同波长对应的上能级寿命τ和泵浦效率η以及吸收系数α相同。
由表达式(2)可知，抑制1 112 nm产生1 123 nm需满足的条件为
$$ \;\ln \left( {{R_1}{r_1}} \right) \le 2aL - \frac{{{\sigma _1}}}{\sigma }\left[ {2aL - \ln \left( {Rr} \right)} \right] $$ (3) R1为谐振腔前端面1 112 nm波长的反射率，r1为谐振腔后端面1 112 nm波长的反射率，Nd:YAG晶体中单程损耗系数α取0.001 57/cm[12]，Nd:YAG晶体长度L为10 mm，Nd:YAG晶体中1 112 nm谱线的受激发射截面σ1为3.8×10C-20 cm2，1 123 nm谱线的受激发射截面σ为3×10-20 cm2，谐振腔前端面1 123 nm波长的反射率R为99.8%，谐振腔后端面1 123 nm波长的反射率r为99.8%。将各项数据代入(3)式，计算可得R1×r1≤99.4%，即谐振腔对1 112 nm波长的整体反射率不大于99.4%。由表达(2)式可知，抑制1 116 nm产生1 123 nm需满足的条件为
$$ \;\ln \left( {{R_2}{r_2}} \right) \le 2aL - \frac{{{\sigma _2}}}{\sigma }\left[ {2aL - \ln \left( {Rr} \right)} \right] $$ (4) R2为谐振腔前端面1 116 nm波长的反射率，r2为谐振腔后端面1 116 nm波长的反射率，Nd:YAG晶体中1 116 nm谱线的受激发射截面σ2为2.9×10-20 cm2。将各项数据代入(4)式，计算可得R2×r2≤99.6%，即谐振腔对1 116 nm波长的整体反射率不大于99.6%。
2 实验装置
实验装置如图 2所示，抽运源为808 nm激光二极管，最大输出功率为5 W，数值孔径0.22，芯径400 μm。经过两块平凸透镜准直聚焦后入射到激光介质，透镜焦距都为15 mm。激光介质是Nd:YAG晶体，掺杂浓度为1.1%，尺寸为3 mm×3 mm×10 mm。倍频晶体为按1 123 nmⅠ类临界相位匹配切割的LBO晶体，切割角为θ=90°，φ=7.5°，尺寸为2 mm×2 mm×10 mm。激光晶体与倍频晶体一起放置在一块半导体致冷器(TEC)上实现精确温控确保激光器稳定运行。谐振腔的长度约为25 mm。
由于1 064 nm、1 319 nm和946 nm波长与1 123 nm之间的波长差很大，通过对作为谐振腔前腔镜的Nd:YAG输入端面的膜系进行设计，抑制了这3个波长在谐振腔内的振荡，其制备后的透过率曲线如图 3(a)所示。1 064 nm和946 nm的透过率都是95%左右；1 319 nm波长的透过率在30%左右(这里没有画出)，由于1 319 nm的受激发射截面比1 064 nm小很多，30%的透过率也足以抑制1 319 nm的腔内振荡。同时，要求厂家的输入镜的制备在保证1 123 nm具有足够的反射率的同时，尽可能降低1 112 nm和1 116 nm波长的反射率，提高这2个波长的振荡阈值。但由于这2个波长与1 123 nm的波长差较小，其透过率只能略大于1 123 nm。
输出腔镜的镀膜要求与输入镜的制备类似，也要求在保证1 123 nm波长具有足够反射率的同时，尽可能降低1 112 nm和1 116 nm波长的反射率，其制备后的透过率曲线如图 3(b)所示，1 112 nm和1 116 nm的输出镜透过率也略大于1 123 nm。
Nd:YAG晶体输入端的1 112 nm透过率为0.27%，1 116 nm的透过率为0.24%，1 123 nm的透过率为0.12%，由公式R=1－T可得相应波长反射率，即1 112 nm反射率为99.73%，1 116 nm反射率为99.76%，1 123 nm反射率为99.88%。同理可得输出镜的1 112 nm反射率为99.65%，1 116 nm反射率为99.72%，1 123 nm反射率为99.82%。1 116 nm谱线在腔内整体反射率为99.76%×99.72%=99.48%≤99.6%，1 112 nm谱线在腔内整体反射率为99.73%×99.65%=99.38%≤99.4%。计算结果满足了公式(3)和公式(4)的要求。以上结果表明，通过对输出镜和输入镜的膜系制备提出适当的要求，不用在腔内插入波长抑制器件，实现1 123nm单波长振荡是有可能的。
3 实验结果
如图 2搭建光路，LBO倍频晶体未放入光路中。调节LD温控使LD的发射峰中心波长为808 nm，与Nd:YAG晶体的吸收峰重合。经过红外滤光片RG850滤除大部分808 nm泵浦光，用海洋光学公司的NIRQUEST型光谱仪对输出光谱进行扫描，得到基频光输出光谱如图 4所示。从图 4可见，此时基频光输出光谱中只有1 123 nm单波长，无论是增益较大的1 064 nm、946 nm、1 318 nm还是各项特性都非常接近的1 112 nm、1 116 nm谱线都被抑制，因此可以证明所采用的谐振腔镀膜设计能够实现1 123 nm基频光单波长输出。
将LBO沿光路方向放入谐振腔中间位置，微调LBO的角度，使基频光以最佳相位匹配角入射，倍频效率达到最大。这时虽然1 112 nm和1 116 nm分别倍频到556 nm和558 nm也在晶体的接收带宽内，但其倍频效率要小于1 123 nm倍频到561 nm的倍频效率，这样可以促进1 123 nm谱线对应的能级跃迁转移和561 nm的单波长倍频输出。前期在研究通过1 084 nm基频光的腔内倍频获得542 nm输出的激光器时，采用接收带宽窄的BiBO倍频晶体获得了单波长542 nm的激光输出，有效地抑制了受激发射截面最高的1 064 nm谱线的跃迁[13]，这也证明了在多波长激光器中，激光波长向倍频效率高的基频光跃迁波长的转移也可以促进相应倍频光的单波长输出。
经过滤光片(对561 nm波长透过率为86%)对泵浦光以及基频光滤除后，用海洋光学公司HR4000CG-UV-NIR型光谱仪扫描倍频输出光，得到输出光谱如图 5所示，扫描光谱中只存在对应561 nm谱线的单波峰。理论与实际相符，经过特殊设计的谐振腔镀膜膜系确实可以实现561 nm单波长输出。
当泵浦功率为5 W时，最大输出功率为107 mW，经滤光片后用功率计测得数值为92.6 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，100 min内不稳定度为1.2%。
用THORLABS公司的DET10A/M型光电探头测量激光器输出光斑，并连接示波器，测得561 nm激光的噪声曲线如图 7所示，图 8为背景噪声曲线。
由RMS噪声计算公式：
$$ {\rm{RMS噪声 = }}\frac{{{\rm{交流RMS值 - 背景噪声交流RMS值}}}}{{{\rm{直流平均值}}}} $$ (5) 可得RMS噪声为1.2%。
通常情况下，通过LBO倍频的561 nm激光器的1 123 nm基频光附近还有1 112 nm和1 116 nm谱线的跃迁，而1 123 nm、1 112 nm和1 116 nm都在LBO的光谱接收带宽以内，因此在1 123 nm倍频到561 nm的同时，1 112 nm和1 116 nm也分别倍频到556 nm和558 nm。此外，由于这3个波长之间的相互和频也在LBO的光谱接收带宽以内，所以如果不加控制，561 nm腔内倍频激光器可以实现6个波长的输出[14]。因此多波长腔内倍频激光器中存在不同波长之间的和频以及共用能级的波长竞争，使得激光输出的功率稳定性很差以及产生高噪声激光输出。通常表现为在561nm激光光路调试过程中出现颜色闪变现象。
本文通过膜系制备，获得了561 nm的单波长输出，消除了不同波长之间的和频以及共用能级的激光跃迁的波长竞争对激光输出噪声的影响，实现了1.2%的低噪声输出。实验中也发现：当稳定低噪声状态下的561 nm激光器受到外界扰动时，输出光斑出现颜色闪变，噪声明显变大，其噪声曲线如图 9所示。
4 结论
使用808 nm LD泵浦Nd:YAG晶体，采用Ⅰ类临界相位匹配LBO晶体进行腔内倍频，通过对激光器的振荡阈值进行分析计算，设计了合理的镀膜膜系，在简单的直腔结构下，不使用任何选频器件，最终获得了561 nm单波长激光输出。在最大泵浦功率为5 W时，获得了107 mW的高稳定性低噪声输出，5 min内功率不稳定度为0.7%，100 min内不稳定度为1.2%，RMS噪声为1.2%。下一步将在继续优化谐振腔镀膜膜系设计的基础上，控制561 nm波长线宽，抑制模式竞争，以获得稳定性更好，噪声更低的561 nm激光器。
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表 1 Nd:YAG晶体中主要谱线的激光特性比较
Table 1 Comparison of laser performance of Nd:YAG at main laser transitions
波长/nm 跃迁能级 受激发射截面/(10-20cm2) 频宽/cm-1 荧光辐射相对强弱分支比 相对性能 946 R1-Z5 5.1 9 0.04 46 1064 R2-Y3 45.8 5 0.135 100 1112 R2-Y6 3.8 14 0.025 49 1116 R1-Y5 2.9 16 0.034 46 1123 R1-Y6 3 13 0.03 40 1319 R1-X1 8.7 6 0.018 34 
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期刊类型引用(1)
1. 伍秋林，冯新凯，陈怀熹，陈家颖，马翠坪，梁万国. 基于紧凑型Nd∶YAG/PPMgLN模组的561 nm基模激光器. 人工晶体学报. 2024(09): 1512-1518 . 
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