哈激光二極管側抽運雙棒串接準連續(xù)Nd_YAG高功率綠光激光器_圖文

1、第 28卷 第 8期 光 學 學 報Vol. 28, No. 82008年 8月ACTAOP TICA SINICAAugust , 2008文章編號 :025322239(2008 0821543204激光二極管側抽運雙棒串接準連續(xù) N d YA G 高功率綠光激光器馮忠耀 1 李成榮 2 李 修 3 汪 俊 4 白晉濤 31西北大學物理學系 , 陜西 西安 710069;2, 3, 4摘要 (YA G 折疊腔高功率綠光激光器 , 理論分析了熱致 , 。 在考慮了補償后的情況下設計了熱 30個 20W 的 LD 陣列側面抽運的 Nd YA G 棒和 類臨界相位匹配H GTR 2KTP , 在

2、抽運電流均為 21. 6A , 重復頻率為 27. 2k Hz 時 , 獲得了最大平均輸出功率為 164W , 脈沖寬度為 130ns 的 532nm 綠光輸出 , 光 2光轉換效率為 13. 7%, 測得光束質量因子為 M 2x =9. 52, M 2y =9. 86, 不穩(wěn)定度 為 2. 3%。 實驗結果顯示 , 經補償后的激光系統(tǒng)能在寬的穩(wěn)區(qū)范圍內穩(wěn)定運轉 。 關鍵詞 激光器 ; 高功率 ; 熱致雙折射效應 ; 532nm 綠光中圖分類號 TN248. 1 文獻標識碼 A doi :10. 3788/AOS20082808. 1543L as e r 2Di ode S i de 2P

3、u mp ed Tw o Rods Q u as i 2Co nt i n uo us 2Wa veN d YA G Gree n L as e rFeng Zhongyao 1 Li Chengrong 2 Li Xiu 3 Wang J un 4 Bai J intao 31Dep a r t me nt of Physics , Nor t hwest U niversit y , Xi a n , S ha a n xi 710069, Chi n a2Physics a n d Elect rical Engi neeri ng Dep a r t me nt , Yuli n U

4、niversit y , Yuli n , S ha a n xi 719000, Chi n a3I nstit ute of Photonics a n d Photo 2Tech nology a n d Provi nci al K ey L abor ator y of Photoelect ronic Tech nology ,Nor t hwest U niversit y , Xi a n , S ha a nxi 710069, Chi n a4School of I nf or m a tion Science a n d Tech nology , Nor t hwest

5、 U niversit y , Xi a n , S ha a nxi 710069, Chi n aAbs t r act A laser diode (LD side 2pumped two rods quasi 2continuous 2wave (QCW Nd Y AG green laser has been demonst rated. The influence of thermal biref ringence effect is analyzed. Considering the compensation , a heat 2stablized cavity is desig

6、ned. In the experiment , two sequent Nd Y AG rods side 2p umped by 30×20W laser diodes array and type 2 critical phase 2matched HA TR 2KTP crystal are used. The spot sizes on rod B as a f unction of pumping current before and after compensation are simulated. The green laser output power of 164

7、W has been measured at single laser diode p umping current 21. 6A , with the repetition rate of 27. 2kHz , pulse width of 130ns , optical 2to 2optical conversion efficiency of 13. 7%, beam quality factors of M 2x =9. 52, M 2y =9. 86, and output power fluctuation of 2. 3%.The results show that the sy

8、stem can work at wide stable range after the compensation of the thermal biref ringence effect.Key w or ds lasers ; high power ; thermal biref ringence effect ; 532nm green laser 收稿日期 :2007212207; 收到修改稿日期 :2008204202基金項目 :陜西省科技創(chuàng)新重大項目 (2006156 資助課題 。作者簡介 :馮忠耀 (1975- , 男 , 講師 , 主要從事激光器件及信息光學等方面的研究 。 E

9、 2mail :fzhy3039550163. com1 引 言激光二極管 (LD 抽運的調 Q 全固態(tài)綠光激光 器具有功率高 、 體積小 、 壽命長 、 使用方便等特點而成為其他類型的綠光激光器的替代產品 , 在科研 、 醫(yī)療 、 通信 、 國防等領域有著廣闊的應用前景 15。為 了獲得更大功率激光輸出 , 通常采用激光二極管陣 列側面抽運多棒串接工作物質的方式 , 此時抽運功 率較強 , 大量的抽運功率轉化為熱功率 , 直接導致激 光晶體橫截面內的溫度呈不均勻分布 , 從而導致熱 應力 、 熱應力雙折射 、 激光晶體端面變形等多種熱效 應 。 當激光器高功率運轉時 , 激光晶體的熱效應是

10、激光系統(tǒng)設計 、 優(yōu)化時首要考慮的因素之一 6。 在激光工作物質的熱效應中由溫度梯度引起的 熱透鏡效應起主要作用 , 其次是由熱致應力雙折射 引起的熱效應 , 而端面效應引起的熱透鏡效應最 低 7。 近幾年來 ,世 ,8。論分析與模擬對比 , 采用 LD 側面抽運 Nd YA G 、 雙棒串接 、 H GTR 2KTP 晶體腔內倍頻 、 雙聲光調 Q 技術以及三鏡 V 型腔結構 , 并利用大功率抽運條件 下激光晶體中的熱效應優(yōu)化諧振腔結構 , 在兩個激光 半導體模塊抽運電流均為 21. 6A 時 , 獲得了 164W 準連續(xù)綠光激光輸出 , 脈沖寬度為 130ns , 光 2光轉換 效率為 1

11、3. 7%。2 理論分析應力產生熱應變 , 而熱應變通過光彈效應將改 變介質折射率 。 通過光彈效應理論 , 由熱引入的應 力將會使棒的折射率產生特殊的變化 , 這時激光晶 體則可看作在徑向 (r 和切向 ( 兩個方向上有不同 焦距值的薄透鏡 , 這就是雙折射效應 。 同樣地 , 諧振 腔內光斑模式也將分成沿徑向偏振和切向偏振兩個 部分 。 熱致雙折射將顯著地改變激光光束質量 , 并 且會使輸出功率下降 。補償熱致應力雙折射的技術有 :1 對于含有單 棒的諧振腔 , 可以在激光晶體和反射腔鏡之間插入 45°法拉第旋轉器 。 光在每次往返中都要經過 45°法 拉第旋轉器 ,

12、因此偏振平面旋轉了 90°, 這樣可以實 現雙折射補償 。 2 采用兩個被動光學元件 , 如波羅 (Porro 棱鏡和波片 , 使光線往返通過熱像差棒 , 也 能夠實現雙折射補償 。 3 對于含有兩個激光晶體的 系統(tǒng) , 在兩棒之間插入 90°石英旋轉片也是一種典 型的補償方法 。 采用這種方法 , 徑向和切向兩個偏 振方向在兩個激光晶體之間將發(fā)生改變 , 從而使偏 振得到補償 。 4 在偏振片上設置光學成像系統(tǒng)從而 補償雙折射和雙焦點 。實驗中采用第三種補償方法。 在高功率腔內倍 頻 Nd YA G 激光系統(tǒng)中 , 激光晶體由于吸收大量抽 運能量而被看作類透鏡介質 , 切

13、向熱焦距與徑向熱焦 距分別用 f r 與 f 表示 , 類透鏡介質的傳輸矩陣為M =cos (r , l (n 0r , -1sin (r , l -n 0r , sin (r , l co s (r , l , (1 式中 r , 為引入 f r 和 f , l 為激光晶 體長度 , n 0為折射率 。圖 1諧振腔結構示意圖Fig. 1Schematic drawing of the resonator configuration圖 2補償前 (a 、 后 (b 激光棒 B 上基頻光斑隨抽運電 流的變化關系Fig. 2Fundamental f requency spot size on r

14、od B as a f unction of pumping current before (a and after (b biref ringence compensation如圖 1所示 , 選擇合適的諧振腔參數 , 以激光棒 B 的主平面為參考面 , 采用 A B CD 光學傳輸矩陣和 光斑半徑的表達式 , 我們分別模擬了加入石英旋轉 片前后激光棒 B 上的光斑半徑隨抽運功率的變化 情況 , 如圖 2(a 、 圖 2(b 所示 。由圖 2(a 可知 , 當 不加石英旋轉片時 , 徑向和切向兩個偏振方向上的 光斑半徑重合度不高 , 且穩(wěn)區(qū)范圍差距較大 , 而系統(tǒng) 4451的穩(wěn)定運轉區(qū)域是兩

15、個偏振方向上穩(wěn)區(qū)重合的公共 部分 , 這就使整個系統(tǒng)穩(wěn)區(qū)范圍很窄 ; 加入石英旋轉 片后 圖 2(b , 徑向和切向光斑重合度變高 , 且系 統(tǒng)穩(wěn)區(qū)范圍比不加石英旋轉片時下更寬 , 說明雙折 射效應得到了補償 。3 實驗裝置實驗裝置如圖 1所示 , 將兩個型號相同的半導 體激光抽運組件 (美國 CEO 串接 , 同步驅動 。每個 組件由 30個 20W 的 LD 組成 ,側面抽運 Nd YA G , 1200 Nd YA G 利用 具有抗 灰 線 H 2KTP 作 為 倍 頻 晶 體 (5mm ×5mm 15mm , 以色列 RA ICLO Crystals 公司 , 采用 II 類

16、臨界相位匹配方式 (<=23. 8°, = 90° , 并實施恒溫控制 , 不但減小了倍頻晶體的熱透 鏡效應 , 而且在一定程度上補償了因熱效應引發(fā)的倍 頻晶體相位失配 , 提高了倍頻效率。 調 Q 方式采用正 交放置、 同步驅動的雙聲光調 Q 模塊 , 中心頻率為 27k Hz , 調制頻率在 1100k Hz 可調 , 以實現在高 功率激光運轉下聲光調 Q 所具有的較高的關斷能 力 , 增大基波脈沖的峰值功率 , 減少倍頻晶體的熱效 應 , 提高倍頻效率 。平凹鏡 M 1凹面鍍 1064nm 高 反與 532nm 增透的雙色膜 , 平面鍍 532nm 增透 膜 ;

17、 平凹鏡 M 2凹面鍍 1064nm 與 532nm 雙色高反 膜 ; 平面鏡 M 3內表面鍍 1064nm 與 532nm 雙色高 反膜 。4 實驗結果圖 3是 532nm 綠光輸出功率隨抽運電流的變 化關系 。 由圖可知隨抽運電流的增大 , 綠光輸出功 率逐漸升高 , 當兩塊半導體激光模塊抽運電流均為 I =21. 6A , 重復頻率為 27. 2k Hz 時 , 獲得了 532nm 綠光最大平均輸出功率為 164W , 脈沖寬度為 130ns , 光 2光轉換效率為 13. 7%。整個過程中 , 激光系統(tǒng) 都在穩(wěn)定狀態(tài)下運轉 。在輸出功率 164W 時 , 使用 美國 Spiricon

18、公司生產的 LBA 2200光斑測試儀 , 測 得光束質量因子 M 2x =9. 52, M 2y =9. 86。激光器連 續(xù)工作 2h 以上 , 每隔 15s 測量一次輸出功率 , 輸出 功率 不 穩(wěn) 定 度 為 2. 3%。圖 4為 綠 光 激 光 輸 出 164W 時距輸出鏡 70cm 處激光輸出橫向相對功率 分布圖 (圖中只給出了一維方向上的分布 , 它表明 激光輸出的遠場光斑近似具有 TEM 00模的空間分 布 , 圖中實線代表理論值 , 圓點表示實驗值 。 圖 5為 激光輸出最大功率下綠光的脈沖寬度圖 。圖 3不同抽運電流下綠光輸出功率Fig. 3532nm output powe

19、r at different pumping currents of laser diode圖 4激光輸出橫向相對光強分布Fig. 4Horizontal relative intensity distribution of the output laser beam圖 5綠光脈寬圖Fig. 5Pulse width of green laser5 結 論用石英旋轉片補償熱致雙折射 , 理論分析和實 驗研究表明 , 這種補償方法能使徑向和切向偏振方 向上的光斑重復度變高 , 使激光二極管陣列側面抽 運雙棒串接準連續(xù) Nd YA G 綠光激光器在較寬的 穩(wěn)區(qū)范圍內工作 , 為研究全固態(tài)綠光激光器

20、提供了 一條新的技術途徑 。545 1參 考 文 獻1Sui Chen , Wenxiong Lin , Fei Shi et al. . Energy reduction :a technique for seed 2injection locking of single 2axial 2mode Q 2 switched Nd YA G laserJ.Chin. Opt. Lett. , 2007, 5(4 :223 2252Ji Jianghua , Qi Yunfeng , Zhu Xiaolei et al. . High 2power quasi 2 continuous 2wav

21、e Nd YA G ceramic laserJ.Acta Optica S inica , 2006, 26(3 :415418紀江華 , 漆云鳳 , 朱小磊 等 . 大功率準連續(xù) Nd YA G 陶瓷激光器 研究 J.光學學報 , 2006, 26(3 :4154183Wang Nuanrang , Wang Canzhao , Yuan Ligang et al. . 138W narrow pulse 2widt h solid 2state green laser operationJ.Chin. J. Lasers , 2006, 33(8 :10171020王暖讓 , 王燦召 ,

22、 苑利鋼 等 . 138WJ.中國激光 , 2006, 33(8 :10174Qi Yunfeng , Lou , . W continuous 2O 3J . Acta Optica , :798漆云鳳 , 等 . Y 2O 3陶瓷薄片激光器獲得 10. 5 W 連續(xù)激光輸出 .光學學報 , 2006, 26(5 :7977985Bi Y ong , Sun Zhipei , Li Ruining et al. . High power blue Nd YA G laser by int racavity summing frequency J .Optics and Precision E

23、ngineering , 2005, 13(1 :1621畢 勇 , 孫志培 , 李瑞寧 等 . 高平均功率腔內和頻藍光 Nd YA G 激光器 J.光學精密工程 , 2005, 13(1 :16216Y. F. Chen , T. M. Huang , C. F. Kao et al. . Optimization inscaling fiber 2coupled laser 2diode end 2pumped lasers to higher power :influence of t hermal effect sJ.I E E E Quant. Elect ron. , 1997, 33(8 :142414297W. K oechner. Soli d 2S tate L aser Engineering M .5t h ed. , Beijing :Science Press , 2002. 357364