高功率連續波單頻589nm金剛石鈉導星激光器研究（特邀）

尤崴，楊學宗，孫玉祥，李牧野，5，姜華衛，陳迪俊，陳衛標，馮衍

（1 中國科學院上海光學精密機械研究所，上海 201800）（2 中國科學院大學杭州高等研究院，杭州 310024）（3 山東大學 晶體材料國家重點實驗室， 濟南 250100）（4 山西大學 量子光學與光量子器件國家重點實驗室， 太原 030006）（5 中國科學院大學，北京 100049）

0 引言

單頻589 nm 激光可激發距離地面海拔約100 km 大氣層中鈉原子，使其發生共振，產生強烈的后向散射熒光，這種熒光可以作為地面光學望遠鏡自適應光學系統的信標光，用于糾正大氣擾動造成的波前成像畸變，大幅提高光學望遠鏡實際觀測分辨率。因此，單頻589 nm 激光器在天文觀測［1-2］、空間碎片跟蹤［3-4］、星地激光通信［5-6］、中間層磁場探測［7］等科研和國防等領域有重要的應用價值。

為了實現高效的大氣鈉層原子激發，產生足夠亮度的激光鈉導星，通常需要平均功率大于10 W、光譜線寬MHz 量級的589 nm 激光光源。早期589 nm 光源主要由染料激光器中增益介質受激輻射直接產生［8］，受限于系統體積和維護成本，逐漸被取代。1 064 nm 和1 319 nm 固體激光和頻鈉導星激光器以及基于光纖拉曼和倍頻技術的光纖鈉導星激光器是目前較為成熟的鈉導星激光光源方案。固體和頻鈉導星激光器可實現極高的輸出功率，目前平均功率已突破200 W［9］。光纖拉曼鈉導星激光器具有高穩定性、高光束質量和魯棒性好等優點［10］，國際上已廣泛用于大型光學望遠鏡觀測使用。盡管鈉導星激光器得到了廣泛研究和發展，但是目前該特性光源的研制依然具有挑戰性，特別是在提高激光器性能（輸出功率、光譜線寬、光束質量等）以及縮減激光器成本、體積、能耗等方面。因此研制同時具備高輸出功率、窄線寬、近衍射極限光束質量、高效率、結構集成緊湊的新型鈉導星激光器具有重要的實際應用意義。近年來，隨著人工合成金剛石質量的提升，以單晶金剛石為拉曼增益介質的拉曼激光器也獲得了長足發展［11-14］，不斷刷新著固體拉曼激光器的功率記錄。結合目前較為成熟的1 018 nm 鐿離子摻雜光纖激光器（Yb-doped Fiber Laser， YFL）技術，在金剛石中通過一階拉曼轉換可比較方便地獲得1 178 nm 激光輸出，后續再采用光學倍頻，可將輸出波長拓展至589 nm 鈉導星激光波長。值得一提的是，拉曼增益不存在能級轉置和能量存儲過程，駐波諧振腔中的拉曼振蕩不存在增益空間燒孔效應，因此在獲得單縱模激光輸出方面相比傳統粒子數反轉型激光器有著天然優勢。在金剛石拉曼激光器中已經報導了瓦量級的單縱模1 240 nm 激光輸出［15］，該報導是基于自由運轉的兩鏡線型駐波諧振腔，且腔內未插入任何選模元件，單頻激光功率的提升受到激光器熱致多縱模振蕩的限制。MARTIN K I 等［16］指出，通過腔內倍頻可引入對除主縱模模式外相鄰縱模的額外損耗，實現對其他縱模模式的抑制，進而提升單縱模輸出穩定性?；诖嗽?，YANG Xuezong 等［17-18］在金剛石拉曼腔中實現了穩定的單縱?？梢姽廨敵?，包括準連續38 W 620 nm，連續波22 W 589 nm 以及連續波8 W 590～615 nm波長可調諧的激光輸出。綜上所述，YFL 泵浦金剛石拉曼結合腔內倍頻引入非線性縱模抑制是一種有效的實現穩定高功率鈉導星激光波長輸出的技術路線，但上述報導均側重于實驗，對腔內倍頻理論（如輸出耦合率、倍頻晶體相位匹配條件對輸出激光功率的影響）的研究尚不充分。

本文基于外腔拉曼腔內倍頻理論對金剛石鈉導星激光器輸出特性進行了研究，定量分析了諧振腔輸出耦合率及倍頻晶體相位匹配條件對輸出功率的影響。實驗上搭建了金剛石拉曼腔內倍頻激光器，以1 018 nm 光纖激光器作為泵浦源，三硼酸鋰（LiB3O5，LBO）作為倍頻晶體，獲得了最高功率16.5 W，光譜線寬16 MHz 的連續波單頻589 nm 激光輸出，光束質量因子為1.05。在本實驗條件下，理論分析和實驗結果均表明，滿足最優激光功率輸出的LBO 晶體溫度與倍頻所需的最優相位匹配溫度間存在約4.5 ℃的差別。

1 理論模型

受激拉曼散射過程中，頻率ωP的泵浦光光子與介質內分子或晶格發生非彈性散射，使其發生振動，產生頻率為ωΩ的光學聲子，同時向外輻射出紅移的Stokes 光子（ωS=ωP-ωΩ）。在慢變振幅近似下，拉曼轉換過程中Stokes 光和泵浦光強度（IS、IP）耦合波方程表示為

式中，gR為介質的拉曼增益系數，為泵浦光的增益系數，α、β為介質對Stokes 光和泵浦光的損耗。

對于外腔拉曼激光器，在泵浦光和Stokes 光強滿足基模高斯光強分布，且腔內沿晶體長度方向上的Stokes 光光強不變時，對式（1）進行二次積分可得泵浦光功率PP為［19］

式中，PSout為輸出Stokes 光功率，PSloss為腔內Stokes 光損耗，η為量子虧損，T為輸出鏡對Stokes 光透射率，G為泵浦到拉曼過程的功率增益?？紤]腔內Stokes 光在兩個方向上均存在，輸出Stokes 光功率與腔內Stokes光功率PSint滿足

當拉曼諧振腔中引入倍頻晶體，在產生的倍頻光全部輸出及小信號近似下，倍頻光功率PSHG為

式中，t為倍頻晶體的實際溫度，ny、nz表示倍頻光和基頻光的折射率，其與波長滿足Sellmeier 方程關系，表示隨溫度變化晶體折射率的變化［20］。

倍頻光的產生增加了腔內Stokes 光損耗，此時PSloss可表示為

式中，αd、αχ2為Stokes 光在金剛石和LBO 中的損耗，Ld為金剛石晶體的長度，κ表示兩種晶體總的全反射損耗。結合式（2）、（3）、（4）、（6），腔內倍頻拉曼諧振腔中泵浦光與輸出倍頻光功率關系為

根據式（7），可對腔內倍頻時輸出耦合率、倍頻晶體相位匹配條件與輸出Stokes 光和倍頻光功率以及效率的關系進行定量分析，優化諧振腔結構設計。

在最優相位匹配條件下，由理論模型計算得到的80.0 W 泵浦光功率下腔內倍頻金剛石拉曼諧振腔輸出倍頻光及Stokes 光功率與諧振腔在Stokes 光波段透過率的關系如圖1 所示，計算中所用各物理參數如表1，倍頻晶體為LBO，其中ΩLBO、ΩP、ΩS分別為拉曼光在LBO 中的束腰半徑、泵浦光在金剛石中的束腰半徑、拉曼光在金剛石中的束腰半徑，以上參量均影響泵浦到拉曼過程的功率增益G，其表達式詳見參考文獻［19］。

圖1 輸出鏡不同透射率下，Stokes 光和倍頻光功率變化趨勢。圖中藍色圓圈為本實驗中所用輸出耦合鏡透過率Fig.1 The Stokes and SHG powers versus the transmittance of the output coupler.The blue circle in the figure is the transmittance of the output coupling mirror used in this experiment

表1 理論模型的參數設置Table 1 Theoretical model parameter

隨著諧振腔腔鏡在Stokes 光波段輸出耦合率的逐漸提升，腔內Stokes 光功率逐漸下降，由式（4）可知，倍頻光功率與腔內Stokes 光功率的平方成正比，因此輸出倍頻光功率逐漸降低，由T=0.03%時的17.1 W降至T=4%時的0 W，如圖1 所示。由于諧振腔輸出耦合率的提高，盡管腔內Stokes 功率逐漸下降，由式（3）計算可知，在0.03%至4%輸出耦合率范圍內實際輸出的Stokes 光功率變化呈拋物線型分布，并在T=2%時達到最高值5.71 W。因此，為獲得高功率倍頻光輸出，需要設計諧振腔輸出耦合率在一階Stokes光波段高反；若要獲得高功率單頻近紅外波段激光，則需優化腔鏡鍍膜以滿足最優Stokes 光輸出［21］。值得注意的是，通過優化輸出耦合率，理論上還可獲得倍頻光和Stokes 光功率均大于5 W 的雙波長單頻激光輸出（如圖1 中T=1.25%）。實驗中，在選擇輸出腔鏡時，通常要求其在多個波段同時進行鍍膜：對1 018 nm泵浦光有高反射率以實現泵浦光雙通，在1 178 nm 拉曼光高反射率，同時對589 nm 倍頻光高透，本實驗中選擇了對1 178 nm 光透射率為0.03%的輸出耦合鏡。

2 實驗與分析

基于腔內倍頻的外腔金剛石鈉導星激光器實驗裝置如圖2 所示。所用泵浦源為自研的窄線寬連續波1 018 nm 摻鐿光纖激光器。最高輸出功率82 W，長期功率穩定性RMS 優于1%（5 h），光束質量因子M2=1.23，光譜半高全寬15.7 GHz，偏振消光比優于25 dB。為防止殘余泵浦光進入光纖激光器內對其造成損壞，泵浦光后放置了熱透鏡補償的隔離器ISO（SteadiBeam， AFR 公司）。半波片HWP1 用于調整注入隔離器泵浦光的偏振方向。通過隔離器的泵浦光經望遠鏡系統（Telescope）擴束準直后再經反射鏡M1，M2，半波片HWP2 和平凸透鏡L1（f=50 mm）后進入拉曼諧振腔并在金剛石晶體中心處實現緊聚焦，束腰半徑為21 μm。其中半波片HWP2 用于調整泵浦光偏振方向與金剛石晶體［111］軸重合以滿足最優拉曼增益條件［22］。拉曼諧振腔由兩面凹面鏡，輸入鏡IC 和輸出鏡OC 組成，曲率半徑分別為50 mm 和100 mm。IC 與金剛石、金剛石與LBO 晶體、LBO 晶體與OC 距離分別為47.5 mm， 4 mm 和88.3 mm，諧振腔總長156.8 mm。腔內能夠形成穩定振蕩的Stokes 光場，其束腰位于金剛石中心，束腰半徑46 μm。為了提高泵浦光利用效率及腔內拉曼激光倍頻轉化效率，選用輸入鏡IC 鍍有在泵浦光波段高透（T=94.5%）、1 178 nm 波段高反（R>99.99%）、589 nm 波段部分透射（T=79.71%）的寬帶介質膜，輸出鏡OC 鍍有在泵浦光波段高反（R=99.98%），1 178 nm 波段高反（R=99.97%），589 nm 波段高透（T=99.5%）的寬帶介質膜。此外，IC 和OC 鍍膜在1 397 nm 波段均滿足高透過率條件以抑制二階Stokes 光產生。實驗中所用金剛石為英國Element Six公司通過化學氣相沉積法生長的低氮、低雙折射單晶晶體，尺寸為7 mm×4 mm×1.2 mm，底部通過與水冷銅塊（溫度22 ℃）接觸促進散熱，金剛石中通光方向沿著晶體［110］軸。LBO 晶體長度10 mm，慢軸方向與金剛石晶體［111］軸重合，切割角θ=90°，φ=0°，在第I 類相位匹配條件下滿足1 178 nm 拉曼光倍頻的相位匹配溫度為40.4 ℃［23］。LBO 晶體度由高穩定性數字溫控模塊調節，調節精度0.1 ℃。金剛石和LBO 晶體均鍍有在泵浦光和拉曼光波段高透的寬帶介質膜。諧振腔輸出的589 nm 和1 178 nm 激光經平凸透鏡L2 準直后，在長通濾光片LP1100 處實現分離。589 nm 激光為雙向輸出，實驗中總功率根據單向輸出功率計算得到。隨后利用功率計（Nova Ⅱ，Ophir）、光譜儀（AQ6370D，Yokogawa； USB2000+，OceanOptics）和掃描式法布里-珀羅干涉儀（SA200-5B， Thorlabs）對輸出激光功率、光譜、單縱模特性進行表征。

圖2 實驗裝置圖Fig.2 Schematic diagram of experimental set-up

在LBO 設定溫度為37.8 ℃時，實驗中獲得的二次諧波（Second-Harmonic Generation， SHG）總功率和在隔離器處測得的殘余泵浦功率隨入射泵浦光功率的變化如圖3 所示。諧振腔出光閾值為22.8 W，閾值之上，輸出SHG 功率呈類指數增長，在82.0 W 泵浦光功率下達到最高值16.5 W，從1 018 nm 泵浦光至589 nm倍頻光的光-光轉換效率為20%。根據理論模型（式（7）計算所用參數見表1）可對實驗數據進行擬合，結果如圖3 所示，其中實線為理論模擬結果，圓點為實驗結果。理論計算下的諧振腔出光閾值為22.6 W，在82.0 W 泵浦光功率下的SHG 功率為18.0 W，與實驗結果差值分別為0.9%和9.1%，理論計算結果和實驗結果基本吻合。需要注意的是，圖3 中殘余泵浦功率在閾值之上仍呈上升趨勢，表明此時腔內泵浦光轉換效率較低，增加的泵浦光功率無法有效轉換為589 nm 激光功率輸出，這可能是由于金剛石晶體內泵浦光和拉曼光模式匹配非最優狀態導致的。

圖3 隨著泵浦功率變化，返回泵浦光和倍頻光的變化關系Fig.3 The residual pump and SHG powers as a function of the intracavity pump power

在泵浦光功率82 W，LBO 溫度37.8 ℃時測得的泵浦光、Stokes 光和倍頻光光譜如圖4（a）～4（c）所示，其中泵浦光和Stokes 光光譜由光譜儀（AQ6370D，Yokogawa）測試，其光譜分辨率為0.03 nm，倍頻光光譜由光譜儀（USB2000+，OceanOptics）測試，其光譜分辨率為1.42 nm。由圖4（a）可知，泵浦光中心波長1 018.3 nm，光譜3 dB 線寬為15.7 GHz，經金剛石晶體激發產生的一階Stokes 光中心波長為1 178.1 nm，與金剛石晶體1 332.3 cm?1拉曼頻移量一致，諧振腔總光學長度約為172.6 mm，拉曼振蕩縱模間隔約為868 MHz。由圖4（b）可知，Stokes 光光譜3 dB 線寬為7.3 GHz，已達到所用光譜儀的分辨率極限，其光譜形狀類似于文獻報道中的單縱模光譜［24］。由圖4（c）可知，倍頻光中心波長約為589.1 nm，精細的光譜結構由掃描式法布里-珀羅干涉儀（SA200-5B， Thorlabs，分辨率7.5 MHz，自由光譜范圍1.5 GHz）測得，如圖4（d）所示，其中插圖為對單個峰對應的精細光譜結構。在F-P 干涉儀輸出信號單個自由光譜范圍內，輸出信號中并未出現雜散峰，表明此時輸出589 nm 激光光譜中僅包含單個縱模。本實驗通過高功率（82 W）多縱模寬光譜（15.7 GHz）1 018 nm 泵浦源，獲得了功率16.5 W 的589 nm 單頻激光，其線寬為16 MHz，如圖4（d）所示，因此相比泵浦光其功率譜密度增強因子［25］提升了197 倍。

圖4 光譜特性Fig.4 Spectral characteristics

為研究LBO 晶體溫度相位匹配條件對倍頻光輸出性能的影響，實驗中，采用數字溫控模塊對LBO 晶體溫度（調節步長0.5 ℃）在33.0～51.0 ℃范圍內進行調節，輸出倍頻光功率（黑色矩形）和縱模特性如圖5 中所示。在LBO 晶體最優相位匹配溫度40.5 ℃下，倍頻效率最高，此時腔內Stokes 光非線性損耗最大，腔內Stokes 功率較低，導致此溫度下輸出倍頻光功率反而為附近區域內的極小值10.7 W。在35.0～44.0 ℃范圍內，隨著LBO 晶體溫度遠離最優相位匹配溫度，腔內Stokes 光功率因非線性損耗降低而逐漸提升，盡管相位匹配非最優，但是輸出倍頻光功率最高可達16.5 W，高于中心極小值。在溫度35.5～40.0 ℃范圍內，實驗中589 nm 激光功率功率變化很小，穩定在15 W 左右。隨著LBO 晶體溫度進一步偏離（34.5～36.0 ℃及44.5～47.5 ℃），輸出倍頻光功率快速下降，由36.0 ℃下16.4 W 降至34.5 ℃下0.6 W。在LBO 晶體溫度48.5 ℃處達到倍頻光功率的第二個峰值，為6.6 W，如圖5 中綠色圓圈所示。值得一提的是，在LBO 晶體溫度低于45.0 ℃范圍內，實驗中輸出倍頻光均能保持良好的單縱模（SLM）特性，在45.5 ℃～51 ℃溫度范圍內倍頻光均為多縱模（Multi-Longitudinal Mode，MLM），該結果表明在通過腔內倍頻引入非線性損耗實現單縱模激光輸出時，倍頻晶體的多縱模抑制效果對晶體相位匹配程度的敏感性較低，相比之下，晶體相位匹配程度對倍頻光輸出功率影響較大。

圖5 倍頻光隨LBO 溫度改變的功率和縱模變化Fig.5 The output power and longitudinal mode characteristic of SHG versus LBO temperature

理論計算中，由式（4）～（7）得到的倍頻光功率隨LBO 晶體溫度變化的結果如圖5 中紅色實線所示。倍頻晶體最優相位匹配溫度為40.4 ℃時，此溫度下倍頻光功率為10.7 W，與實驗結果相似，在此溫度區間內同為極小值，在35.5～45.5 ℃范圍內，倍頻光功率演變呈現先下降再上升的趨勢，在35.5 ℃、45.5 ℃處達到最大值16.9 W。將倍頻光功率為零所對應的LBO 晶體溫度范圍定義為可接受溫度全寬，由圖5 可知，實驗和理論計算下的晶體可接受溫度全寬分別為13.0 ℃和15.0 ℃。此外，理論模型和實驗結果在LBO 晶體最優相位匹配處所得到的倍頻光功率極小值的差值為1.0%，驗證了理論模型的在預測倍頻光功率與倍頻晶體相位匹配條件關系方面的可靠性。主要差別在于，理論模型中倍頻晶體相位匹配條件sinc2函數關于最優相位匹配溫度對稱，而實驗中倍頻光功率在LBO 晶體溫度較低（33.0～35 ℃）和較高（46～48 ℃）時存在一定差別，這可能是由于LBO 晶體中溫度分布不均勻引發的熱致相移導致的，此現象在先前報導中［26-27］也有提及。此外，值得注意的是，雖然圖5 中理論與實驗結果吻合較好，但與先前所報導的實驗結果仍存在一定差別。在文獻［17］中，當泵浦光功率為321 W 時，輸出620 nm 激光功率在最優相位匹配溫度處達到最大值38 W，光光效率僅為12%。

拉曼轉換過程中，泵浦光的相位信息不會傳遞給拉曼光，激發產生拉曼光時，諧振腔內基橫模具有振蕩優勢，表現為輸出拉曼光光束質量的提升，如圖6 所示，輸出倍頻光光束質量因子由入射泵浦光時的1.23 提升至1.05，近基模高斯分布，穩定的高斯基模輸出也表明在此輸出功率情況下，金剛石晶體中不存在明顯熱效應。泵浦光和倍頻光光斑形貌（WinCamD-LCM， DataRay）如圖6 中插圖所示，其中倍頻光光斑形貌在輸出鏡后200 cm 處測得。輸出倍頻光偏振態為線偏振，其偏振消光比為19 dB。

圖6 泵浦光與倍頻光光束質量因子M2Fig.6 Beam quality of pump and SHG

3 結論

1 018 nm 摻鐿光纖激光泵浦金剛石拉曼結合腔內倍頻的方案，在獲得高功率、單縱模、高光束質量的589 nm 鈉導星激光方面展現出極大的優越性。理論分析諧振腔輸出耦合率以及倍頻晶體的相位匹配程度對倍頻光輸出功率和單縱模特性的影響，指導實驗設計高Q 值的拉曼諧振腔，在拉曼光輸出耦合率約為0.03%和倍頻晶體溫度37.8 ℃時，獲得最高輸出功率16.5 W 單縱模589 nm 激光，其光譜線寬為16 MHz，光束質量因子為1.05，理論分析與實驗結果較為接近。實驗上改變LBO 的溫度調節相位匹配條件，在較大溫度變化范圍內，輸出激光均保持了良好的單縱模特性運轉。同時，LBO 溫度匹配與倍頻光功率的關系，其實驗結果與理論分析基本吻合。本文研究工作證實了通過結合摻鐿光纖激光器技術與金剛石晶體拉曼技術獲得高功率鈉導星波長激光輸出的可行性，下一步工作將針對金剛石拉曼鈉導星激光的具體應用對激光效率進行繼續優化，同時通過鎖腔和頻率調節等方案，實現穩定功率輸出并實現鈉吸收譜線頻率精準鎖定。