激光二極管泵浦Nd_YVO_4_LBO腔內(nèi)倍頻瓦級(jí)連續(xù)波綠光講解

1、第18卷第7期1998年 7 月光 學(xué) 學(xué) 報(bào) ACT A OPT ICA SIN ICA V ol. 18, N o. 7July ,1998激光二極管泵浦Nd殲VO 4/LBO腔內(nèi)倍頻瓦級(jí)連續(xù)波綠光激光器*何京良王建明侯瑋趙宗源許祖彥吳星楊國(guó)楨1 ,中國(guó)科學(xué)院物理所光物理實(shí)驗(yàn)室，北京1000802 ,中國(guó)科學(xué)院物理所晶體生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)室，北京摘 要 報(bào)道一種激光二極管端面 泵浦N d評(píng)V O 4晶體、L BO腔內(nèi)倍頻的全固態(tài)瓦級(jí)連續(xù)波(CW綠光激光器。對(duì)L BO采用I類非臨界相位匹配(N CPM、溫度調(diào)諧,當(dāng)泵 光功率為5. 5W時(shí),獲得了 1.2W T EM 00模532nm連續(xù)波綠光輸出，光

2、-光轉(zhuǎn)換效率達(dá)22%,電 -光轉(zhuǎn)換效率達(dá)3%。關(guān)鍵詞 全固態(tài)綠光激光器，N d ¥V O 4,L BO腔內(nèi)倍頻。1 2 1 2 1 2 11引 言激光二極管泵浦的全固態(tài)連續(xù)波綠光激光器由于具有效率高、壽命長(zhǎng)、使用方 便、結(jié)構(gòu)緊湊和性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)成為國(guó)際上競(jìng)相研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。特別是 大功率的全固態(tài)綠光激光器，在軍事、醫(yī)療、科研諸多領(lǐng)域有重要的用途。最近有 文獻(xiàn)報(bào)道,用20W激光二極管泵浦Nd殲AG、KT P腔內(nèi)倍頻,獲得6. 3W連續(xù)波 綠光輸出，可代替氬離子激光器泵浦鈦寶石激光器。本文報(bào)道一種采用激光二極管端面泵浦 Nd兗VO 4晶體、LBO腔內(nèi)倍頻的高 效率全固態(tài)連續(xù)波綠光

3、激光器，它的最大輸出功率為1.2W （T EM 00模,532nm。 其光-光轉(zhuǎn)換效率達(dá)22%,電-光轉(zhuǎn)換效率為3%,比同量級(jí)功率輸出的氬離子激光器 高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。12 N d半VO 4/LBO綠光激光器結(jié)構(gòu)Nd訐V O 4/LBO綠光激光器采用三鏡折疊腔結(jié)構(gòu)，如圖1所示。這種腔結(jié)構(gòu) 的優(yōu)點(diǎn)是將倍頻光與基頻光分開(kāi)，從而避免了 Nd殲VO 4對(duì)綠光的吸收，同時(shí)可產(chǎn) 生兩個(gè)束腰，將激光晶體與倍頻晶體分別放在兩束腰處，以求獲得較大的泵光功率密 度和較高的倍頻轉(zhuǎn)換效率。另外，對(duì)端鏡M 3鍍雙色高反膜以實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)雙通倍頻、 單向輸出。實(shí)驗(yàn)用的激光二極管（SDL -3450-P 5 ,在25C時(shí)中心波長(zhǎng)

4、是805nm ,最大輸出 是10W。*國(guó)家九五863重點(diǎn)資助項(xiàng)目。收稿日期：1997-03-22;收到修改稿日期：1997-07-237期何京良等：激光二極管泵浦N d ¥V O 4/L BO腔內(nèi)倍頻瓦級(jí)連續(xù)波綠光激光器863通過(guò)對(duì)其工作環(huán)境溫度的調(diào)節(jié)，使泵光中心波長(zhǎng)落在N d評(píng)VO 4晶體的吸收峰808nm上，此時(shí)最大輸出功率只有8W左右。激光二極管的發(fā)射光通過(guò)光纖耦合輸出,發(fā)散角較大（FWHM值為48°光纖芯徑為400L m,數(shù)值孔徑為0. 42。選用0. 25節(jié)距的自聚焦棒狀透鏡將光纖輸出光束耦合到腔內(nèi),透鏡通光口徑為2mm,長(zhǎng)5. 22mm , N A =0. 46

5、,盡管棒狀透鏡尺寸很小,但數(shù) F ig . 1Schemat ic o f the a II - solid -stat e g ree nlaser. 1:End o f fiber , 2:selfo c. lens,值孔徑大,工作距離短,較適合于光纖和腔 之間的傳輸耦合。實(shí)驗(yàn)測(cè)得它的傳輸效率在83%以上。Nd訐V0 4晶體具有較大的吸收系數(shù)、受激 3:N d WVO 4(M 1 , 4:Brew ster plate , 5:e nd mir ro r M 2, 6:L BO cr ystal , 7:output couple mir r or M 3發(fā)射截面和大的吸收帶寬，非常適合于

6、激光二極管泵浦。實(shí)驗(yàn)中所用Nd計(jì)VO4晶體是物理所自己生長(zhǎng)的，尺寸為3X3>5mm 3, Nd 3+摻雜的原子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 8%。為減少腔內(nèi)元件數(shù)量、降低損耗，將Nd訐VO 4晶體的一個(gè)端面作為輸入腔 鏡,鍍808nm增透和1.064L m的高反膜，另一面鍍1.064L輸出鏡M 2鍍1.064L m的高反膜和532nm的增透m的增透膜。膜。端鏡M3鍍雙色高反膜。布儒斯特片的插入是為了補(bǔ)償由于折迭腔而產(chǎn) 生的像散。腔長(zhǎng)的設(shè)計(jì)和腔鏡的選取按照泵光與腔TEM 00模相匹配的原理，同時(shí)考慮到倍頻晶體的最佳聚焦點(diǎn)和接收角的大小對(duì)倍頻效率的影響及腔的穩(wěn)定性等問(wèn) 題,選取腔鏡M 2和M 3的曲率半徑

7、均為80m m,總腔長(zhǎng)為360mm , LBO倍頻晶體 中心落在距輸出鏡約為42mm的束腰處。LBO晶體是一種優(yōu)良的非線性倍頻晶體。它的非線性系數(shù)雖然比KTP小一些,但光譜透明區(qū)和匹配范圍更寬，且有高的破壞閾值和很小的離散角3。在1. 06L m 波段倍頻,可實(shí)現(xiàn)I類非臨界相位匹配、溫度調(diào)諧以消除孔徑效應(yīng)。這意味著在大 功率泵浦情況下，可使用較長(zhǎng)的倍頻晶體，以獲得更高的轉(zhuǎn)換效率。實(shí)驗(yàn)中用的 LBO晶體是中科院福建物構(gòu)所生長(zhǎng)的，尺寸為3X3X14mm 3,兩端鍍雙色增透膜，放 在溫度均勻分布的爐子里。23實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析LBO是一種負(fù)雙軸晶體，根據(jù)I類非臨界相位匹配條件，可推出它的倍頻效率 與溫度

8、的關(guān)系。由Kato修改后的Sellemier方程4(K以L m為單位：n x (T =n x (T 0 +(-3. 76K +2. 30 10-6 柯>+29. 13 10-3($T 2n y (T =n y (T 0 +(6. 01K -19. 40 10>其中：2-0. 01388K K -0. 01135246n 2y (T 0 =2. 5390+-0. 01849K +4. 3025 10-5K -2.9131 10-5K 2-0. 011896 >$T -32. 89 10($T -42n z (T =n z (T 0 +(1.50K -9. 70 10-6 檢T

9、-7來(lái) 49 10-4($T 2n 2x (T 0 =2. 4542+(%=-54-56864光 學(xué) 學(xué) 報(bào)18卷$T =T -T 0(取室溫 T 0=20 C在I類非臨界相位匹配,H =90、U =0°時(shí)，可以得到：n 1(X =n z (X , Tn 2(2X =n y (2X , T式中n 1(X、n 2(2X分別為慢光和快光的折射率。而倍頻效率G * sin c其中$k =22n 2(2X -n 1(X 為失諧量。根據(jù)以上公式,通過(guò)計(jì)算得到倍頻效率與 溫度關(guān)系的理論曲線(圖2中實(shí)線所示 與實(shí)驗(yàn)得到的溫度調(diào)諧曲線(圖2中的點(diǎn)線兩者基本相符。綠光最大功率輸出出現(xiàn)在 T mp =1

10、53. 3C ,此值隨泵光功率的變化略有改變圖3為實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的連續(xù)波綠光輸出功率與泵光功率的關(guān)系曲線，泵光閾值為1. 1W。當(dāng)泵光為5. 5W時(shí)，獲得最大連續(xù)波綠光輸出為1.2W ,模式為T EM 00模, 光-光轉(zhuǎn)換效率為22%,電-光轉(zhuǎn)換效率為3%。還對(duì)激光器綠光輸出功率的穩(wěn)定性進(jìn) 行了測(cè)試:在半小時(shí)內(nèi)測(cè)得連續(xù)波綠光輸出功率抖動(dòng)的相對(duì)平均值約為3%。造成綠光輸出功率不穩(wěn)定的原因除了ChinaAll ri|；hu gervir 札 Publishing Houc.1994 2012loufnftl ironicL 20- 8 exp,theoryLBO的溫度控制精度不夠外，另一主要原因是由于

11、腔內(nèi)各振蕩縱模通過(guò)和頻而 產(chǎn)生的各縱模非線性耦合作用導(dǎo)致了光能在各個(gè)縱模間不斷轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生綠光輸出功率的波動(dòng),即所謂的 綠光問(wèn)題”F ig . 2L BO I©ChinaAll rights reserved”Fublhhing How«+ hUpi/A*、IW-2012Acidctnic Journal Ek<ti<mic-type N CPM SHG temper atur e -tuned curv e F ig . 3N d Y V O 4/L BO laser output po w er at 532nm as a function o f pump

12、pow er由于Nd殲OV 4晶體的導(dǎo)熱性較差，當(dāng)泵光功率超過(guò)某一值時(shí)，在泵光焦點(diǎn)處， 由于功率密度過(guò)大，出現(xiàn)熱透鏡效應(yīng)，使綠光輸出功率下降，模式改變。在此實(shí)驗(yàn)中， 當(dāng)泵光功率為5W時(shí),開(kāi)始出現(xiàn)這一現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)光路參數(shù)，可部分補(bǔ)償熱透鏡效 應(yīng)，此時(shí),綠光功率的輸出仍可隨泵光功率的增大而提高。當(dāng)泵光功率超過(guò)5. 5W時(shí),綠光功率輸出趨于飽和。這是因?yàn)榇藭r(shí)激光晶體產(chǎn)生的熱透鏡效應(yīng)已超出了所能調(diào) 節(jié)的范圍。因此，要想獲得更高的輸出效率，除了完善腔的結(jié)構(gòu)以外，如何最大限度 地降低熱效應(yīng)將是今后必須解決的另一重要問(wèn)題。結(jié) 論 通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：大功率激光二極管泵浦Nd計(jì)VO 4、LBO腔內(nèi)倍頻的全固態(tài)

13、激光器由于具有閾值低、轉(zhuǎn)換效率高和輸出功率大等特點(diǎn)，在獲得瓦級(jí)以上連續(xù)波綠光輸出方面顯示出一定的優(yōu)勢(shì)和潛力。7期何京良等：激光二極管泵浦N d ¥V O 4/L BO腔內(nèi)倍頻瓦級(jí)連續(xù)波綠光激光器865參考文獻(xiàn)1 M asaki T sun eka ne, N o bo r u T aguchi, High-po wer , low -no ise, co nt inuo us-wa ve all-so lid-state T i sap- 寧phir e laser . Op t . L ett . , 1996, 21(23: 191219142 H . Ko gelnik , E

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16、Zuya n Wu Xing Yang Guozhen1 , L aborator y of Op tical P h y s ics , I n stitute of Phy sics , T he Chin ese A cad emy of S ciences , Beij ing 1000802 , L aborator y of Cry stal Gr ow th , I nstitute of Phy sics , T he Chinese A cad emy of Scie nces , Beij ing 100080(Receiv ed 22M ar ch 1997; r evised 23July 1997Abstract Over 1W of CW TEM 00green out put f rom LD end-pumped Nd YVO 寧 4w ith LBO in tracavity-doubled all-solid-st ate laser w as dem on strat ed. T he max i- mum CW T EM 00output of 1.2W at 532nm w as obtai ned by usi ng I-t ype non-critical phase-matched (NCPM temperat ure tu