封面解读

封面展示了由Er:YAG激光器产生的人眼安全波段正交偏振双频激光器及其可能的应用。正弦波的振动方向和颜色代表了激光的偏振态方向和频率。封面中同时展示了人眼安全波段正交偏振双频Er:YAG激光器在干涉测量、雷达探测、太赫兹产生等多个领域的应用潜力。

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研究背景

双频激光器能够同时输出两种不同频率激光，在干涉测量、雷达探测、太赫兹研究等领域具有重要的应用前景。随着科学技术的发展，对双频激光器频率差的要求越来越高。传统的基于纵向塞曼效应的He-Ne气体激光器虽然广泛应用于干涉测量，但其频率差通常为MHz或kHz量级。相比之下，固体激光器具有更宽的增益介质带宽，能够实现更大频率差的输出。尤其是Nd激光增益介质的双频固体激光器，已实现GHz到THz量级的频率差。然而基于Nd激光增益介质的双频激光器输出波段仅限1 μm波段，输出频率差也通常小于2 THz。

北京理工大学高春清教授团队实现的正交偏振双频Er:YAG激光器为双频激光器的发展提供了新思路。实现的正交偏振双频Er:YAG激光器，频率差为3.28 THz，高于已报道的基于Nd激光介质的双频激光器。输出的双频激光可以不同方向输出，也可以通过偏振合束等方式变为同方向输出。这种大频差的双频激光器不仅处于人眼安全波段，而且具有提升干涉测量精度、作为太赫兹产生光源和用于激光雷达遥感探测的潜力。

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研究成果详述

本文实现的正交偏振双频Er：YAG激光器示意图如图1所示。激光器泵浦源为波长为1532 nm的光纤激光器，增益介质为0.25at.%掺杂的Er：YAG晶体，采用偏振分光棱镜将谐振腔分为两个偏振方向正交的谐振腔，并利用法布里-珀罗（F-P）光学标准具，分别实现两个谐振腔的波长调谐和单纵模输出。激光晶体两侧插入四分之一波片的目的是消除驻波腔的空间烧孔效应。

图1 谐振泵浦的正交偏振双频Er: YAG激光器原理图

1617 nm和1645 nm是低掺杂浓度 Er:YAG激光器常见的输出波长。在常温下，Er:YAG激光器的1617 nm和1645 nm增益相近，但更易输出1645 nm激光。因此，本文采用0.15 mm厚的未镀膜的标准具FP1来降低1645 nm激光的透射率，并保持1617 nm激光的透射率，实现波长调谐。在两个激光谐振腔中分别插入两个厚度1.5 mm、反射率40%的标准具FP2，可进一步限制振荡的纵模，以实现单纵模的激光输出。标准具FP1和FP2的透过率和Er:YAG晶体的荧光光谱如图2所示。

图2 标准具FP1和FP2的透过率曲线和Er：YAG的荧光光谱

利用图1所示的激光器设计，实现了P偏振1617 nm单频激光和S偏振的1645 nm单频激光输出。利用自由光谱区为2.44 GHz的FP扫描干涉仪测量了输出激光的频谱特性，测量结果如图3(a)和图3(b)所示，可见在一个自由光谱区内仅有一个透射峰且相邻的自由光谱区之间没有额外的透射峰，说明1617 nm激光和1645 nm激光均为单纵模输出。在激光谐振腔外，采用偏振合束的方式将1617 nm激光和1645 nm激光同时入射FP扫描干涉仪，可以得到如图3(c)所示的扫描图，说明激光器能够同时输出1617 nm和1645 nm的单纵模激光。

图3 Er: YAG激光器的输出激光的纵模特性。(a) 输出的P偏振1617 nm激光的纵模特性；(b)输出的 S偏振1645 nm激光的纵模特性；(c) 输出的正交偏振的1617 nm和1645 nm激光的纵模特性

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总结与展望

本文首次实现了波长1645 nm和1617 nm同时输出的正交偏振双频Er：YAG激光器。未来可利用高精细度的标准具，同时实现大频差、宽调谐的双频激光输出，并利用稳频技术提升激光器的频率稳定性，推动人眼安全大频差双频激光器在雷达探测、干涉测量、太赫兹产生等领域中的实际应用。

作

者

简

介

高春清，北京理工大学教授，博士生导师，中国光学学会荣誉理事，中国电子学会光电子与量子电子学分会副主任委员等，近年来以负责人主持国家自然科学基金重大科研仪器项目/重点项目等科研项目30余项，发表学术论文300余篇，获得发明专利授权30项，出版学术著作3部，是中国电子学会优秀博士论文导师，、《光子学报》、《激光与红外》等刊物编委，近年来在全固态单频激光器、光场调控技术、相干激光雷达等方面进行了深入的研究，取得了多项创新性成果。