LD泵浦Nd_YVO_4_LBO临界相位匹配腔内倍频瓦级绿光激光器
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引言
半导体泵浦激光器作为一种新型激光器, 以其
体积小、 效率高、 光束质量好、 性能稳定、 寿命长等特 点在国内外得到了日益广泛的关注 而 LD 泵浦全 固态绿光激光器在检测、 干涉测量、 全息、 无损检测、 DNA 排序以及激光演 示等方面 都有广泛 的应用 目前, 国际上全固态绿光激光器正在向高性能和大 功率方向发展 一般地 , 瓦级连续输出的 LD 泵浦全固态绿光 激光器均采 用 KTP 或者非 临界 相位匹 配 ( 温度 匹 配) LBO 作为倍频晶体来获得 KTP 晶体具有非 线性系数大、 允许角大、 走离角小、 倍频效率高等优 点, 广泛用于 1064 nm 的倍频 , 但在高功率密度激光 的长期作用下, 晶体中的 Ti4+ 会得到一个电子变成 Ti , 产生肉 眼可见的 所谓 ∀ 灰线 ( gray tracks) # 灰线一旦形成, 会大量吸收传播光束, 导致产生晶体 损伤、 倍频效率降低、 激光器输出功率下降等一系列 后果 , 极不利于全固态绿光激光器的长期稳定运转 ; 而以非临界相位匹配 ( 温度匹配 ) 的 LBO 作 为倍频 晶体时 , 虽然消除了走离效应而获得了较高的倍频 效率, 但需要在 158 ∃ 的高温下才能工作, 此时 LBO 必须放在恒温箱里 不利于产品化
示 泵浦源为最大输出功率 10 W 的光纤耦合输出 半导 体阵 列激 光器, 25 ∃ 下输出 中心 波长 为 806. 6 nm; 经 准直 聚 焦 系统 ( 传 输 耦 合效 率 约 为 80% ) 会聚成 200 ∀ m 的泵浦光斑 , 注入到 Nd YVO4 工 作物 质 中, Nd YVO4 晶 体 采 用 a 轴 切 割, 掺 杂 浓 度 为 0. 7atm % , 尺 寸 为 3 % 3 % 5mm3 , 其 左 端 镀
01
L3 1 0 1
% %
1 - 2/ R 1 L1
0 1
%
1 L2 0 1
%
约 为 190 ∀ m, ∀ m , 放置 LBO )
02 约 为 100
0 1 G 2 = d - b/ R 2
图 2 瓦级 Nd YVO4/ LBO 绿光激光器装置 Fig. 2 The setup of watt level NdYVO4 / LBO green laser
1162
光
子
学
报 2001, 22( 3) : 6~ 7 Zheng Q. Laser J ournal , 2001, 22( 3) : 6~ 7
32 卷
3
结论
本文报道了一种光纤耦合 LD 泵浦全固态瓦级 类临 界相
4 克希耐尔 W( 著 ) , 孙文 ( 译 ) . 固体激光工程 , 北京 : 科学 出版社 , 2002. 525~ 526 Koechner W ( author) , Sun W ( translator ) . Solid State Laser Engineer. Beijing: Science Press, 2002. 525~ 526 5 Chen Yungfu, Diode pumped Q switched NdYVO4 yellow laser with intracavity sum frequency mix ing Optics Letiers , 2002, 27 ( 6) : 397~ 399 6 吕百达 . 激光光学 成都 : 四川大学出版社 , 1992. 284~ 299 Lu B D. Laser optics. Chengdu: Sichuan University Press, 1992. 284~ 299 7 刘均海 . 高功率端面 抽运 NdYVO4 固 体激 光器模 式匹 配 的研究 . 光学学报 , 2000, 20( 2) : 186~ 189 Liu J H. Acta O p tica Sinica , 2000, 20 ( 2) : 186~ 189 8 郑义 . LD 泵 浦的内 腔倍频 激光器 单频运 转的理 论研究 . 中国激光 , 1997, 24( 8) : 673~ 678 Zheng Y Chinese J ournal o f Laser , 1997, 24 ( 8) : 673~ 678
为了改善全固态大功率绿光激光器的输出特性 和使用寿命 , 本文采用 类临界相位匹配 LBO 代替 KTP 进行腔内倍频 用 LBO 代替 KTP 进行 腔内倍 频, 需要优先解决 LBO 非线性系数小导致倍频效率
*
国家高技 术 研究 发展 计划 ( No. 2002AA311141) 、 吉林 省科 技发展计 划( No. 20020607) 资助项目 Tel: 0431 5602015 Email: wangjunying1978@ sina. com 收稿日期 : 2002 11 15
! # b ! # b
G 1 G 2 ( 1- G 2 G 2 ) G 1 + a 2 G 2 - 2 aG 1 G 2
G 1 G 2 ( 1- G 1 G 2 ) G 2 + d 2 G 1 - 2dG 1 G 2 bG 2 ( a - G 1 ) l 01 = G 1+ a 2 G 2 - 2 aG 1 G 2 bG 1 ( d - G 2 ) l 02 = G 2+ d 2 G 1 - 2 dG 1 G 2
有关的转换因子 ) 可知, 倍频效 率与基频光强 成正 比, 为了提高转换效率 , 第二分臂的光腰尺寸要小 以此两点为前提 , 通过优化设计, 便可选取合适的腔 型参量
2
实验装置及结果分析
通过计算机辅助优化设计 , 实验装置如图 2 所
图 3 中很明显的差别是 : 采用 LBO 倍频时输入 输出曲线呈单调递增趋势, 而采用 KTP 倍频时则呈 周期起伏上升 这主要是因为 KTP 是 & 类临界位 相匹配倍频 , 随着泵浦功率的增加, KTP 本身受温度 影响使经过的 o 光和 e 光的光程差发生了变化, 从 而最终导致倍频效率的周期变化[ 8] 率显著下降 此外, 经过较 长时间的工作后, KTP 内部极容易出现灰线, 输出功
- 6 p=
200 ∀ m, n0 = 2. 165, ! T = 4.
, 这无疑增加了系统的复杂性 ,
43 % 10 / K 计算可得 , 在 8 W 的泵浦功率下, 热焦 距 f th 约为 160 mm 为了提高对泵浦光的利用及倍频效率, 必须对 谐振腔进行合理的设计 [ 6] , 折叠腔示意图如图 1
- 1 2 p)
[ d n 0 / dT + ( n 0 - 1) ! T]
为热负荷比, P abs 为吸收的泵浦功率 , K c 为
热导率, p 为平均泵浦光斑半径 , n 0 是环境温度下 的折射率, d n 0 / dT 为折射率温度系数 , ! T 为热膨胀 系数 实验中所用 NdYVO4 的有关参量是: = 0. 4, K c = 0 . 0523 W/ Kcm,
[ 2] 3+ [ 3] [ 1, 2]
1
热透镜估算及腔型设计的理论分析
即使在中功率情况下, Nd YVO4 的热透镜效应仍
很明显 [ 4] , 因此, 在设计腔型前, 对激光晶体的热透 镜焦距进行估算是必要的 在此, 我们将受热的激 光晶体等效为一个薄透镜, 下式为端面泵浦情况下, 热透镜焦距公式[ 5] f th = ( P abs/ 4 K c 式中 ,
2 02 = 2 1= 2 2=
通过 温度调节 , 使泵浦光中心 波长与 NdYVO4 的中心吸收波长 808. 9 nm 重合, 在泵浦光功率 8 W 的情况下, 获得了 1. 6 W 的绿光连续 TEM00 模输出, 光 光转化效率为 20% 由检偏器测得偏振比大于 4001, 通 过相干 公司 Labmaster 功 率计 4 h 内 取点 3000 次统计出功 率稳定度为 ! 1 6% 在腔型和其 他元件不变的情况下, 将 LBO 换成 &类临界相位匹 配 KTP( 2 % 2 % 9 mm 3, 两端面镀 1064/ 532 nm 双色增 透膜 ) 可获得 2 W 的绿光输出 , 图 3 描述了 LBO 和 KTP 倍频条件下泵浦电流( 与泵浦光功率成正比 ) 与 绿光功率的关系曲线
为镜 M 2 上的光斑半径
首先 , 考虑到伴随热透镜所产生的高阶球差引 起的附加衍射损耗 , 第一分臂的基频光腰应略小于 泵浦光聚焦光斑 , 这样有利于获得 TEM00 模输出[ 7] ; 其次 , 由倍频效率公式 ∃= kI (
)(
k 为与非线性晶体
图 3 LBO, KTP 分别作为倍频晶体时绿光的输入输出曲线 Fig. 3 The input output curves of green laser with LBO and
摘 要
报道了一种光纤耦合 LD 泵浦 NdYVO4 晶体、 腔内
类临界相位匹配 ( 角度匹配 ) LBO 倍
频、 瓦级输出的全固态绿光激光器的设计方法和实验结果 采用短三镜折叠腔结构, 通过对热透镜 焦距的估算及计算机优化设计选取合适的谐振腔参量, 在 8 W 的泵浦功率下, 获得了 1. 6 W 绿光 基模输出, 光 光转换效率达 20% 经测量, 绿光的偏振比超过 4001, 4 h 功率稳定度为 ! 1 6% 关键词 LD 泵浦; 折叠腔 ; LBO; 绿光激光器 中图分类号 TN248. 1 文献标识码 A 低的问题( LBO 破坏阈值远高于 KTP, 但非线性系数 只有 KTP 的三分之一) 根据倍频理论, 倘若有意缩 小通过 LBO 的基频光斑半径, 即提高基频光功率密 度 , 可以弥补 LBO 非线性转换因子 小的缺点, 仍能 得到较高的倍频效率 实验中, 用光纤耦合 LD 作泵 浦源 , 采用短三镜折叠腔 结构, 在 8 W 的泵浦功率 下 , 实现了 Nd YVO4 / LBOI 类临界相位匹配腔内倍频 1. 6 W 的连续绿光 TEM 00 模输出
