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

1、第18卷第7期1998年 7 月光 學 學 報 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楨1 ,中國科學院物理所光物理實驗室，北京1000802 ,中國科學院物理所晶體生長實驗室，北京摘 要 報道一種激光二極管端面 泵浦N d評V O 4晶體、L BO腔內(nèi)倍頻的全固態(tài)瓦級連續(xù)波(CW綠光激光器。對L BO采用I類非臨界相位匹配(N CPM、溫度調(diào)諧,當泵 光功率為5. 5W時,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22%,電 -光轉(zhuǎn)換效率達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、使用方 便、結(jié)構(gòu)緊湊和性能穩(wěn)定等優(yōu)點，近年來成為國際上競相研究開發(fā)的熱點。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 文獻報道,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22%,電-光轉(zhuǎn)換效率為3%,比同量級功率輸出的氬離子激光器 高一個數(shù)量級以上。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)點是將倍頻光與基頻光分開，從而避免了 Nd殲VO 4對綠光的吸收，同時可產(chǎn) 生兩個束腰，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，對端鏡M 3鍍雙色高反膜以實現(xiàn)腔內(nèi)雙通倍頻、 單向輸出。實驗用的激光二極管（SDL -3450-P 5 ,在25C時中心波長

4、是805nm ,最大輸出 是10W。*國家九五863重點資助項目。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)倍頻瓦級連續(xù)波綠光激光器863通過對其工作環(huán)境溫度的調(diào)節(jié)，使泵光中心波長落在N d評VO 4晶體的吸收峰808nm上，此時最大輸出功率只有8W左右。激光二極管的發(fā)射光通過光纖耦合輸出,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。實驗測得它的傳輸效率在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。實驗中所用Nd計VO4晶體是物理所自己生長的，尺寸為3X3>5mm 3, Nd 3+摻雜的原子質(zhì)量分數(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償由于折迭腔而產(chǎn) 生的像散。腔長的設(shè)計和腔鏡的選取按照泵光與腔TEM 00模相匹配的原理，同時考慮到倍頻晶體的最佳聚焦點和接收角的大小對倍頻效率的影響及腔的穩(wěn)定性等問 題,選取腔鏡M 2和M 3的曲率半徑

7、均為80m m,總腔長為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,可實現(xiàn)I類非臨界相位匹配、溫度調(diào)諧以消除孔徑效應。這意味著在大 功率泵浦情況下，可使用較長的倍頻晶體，以獲得更高的轉(zhuǎn)換效率。實驗中用的 LBO晶體是中科院福建物構(gòu)所生長的，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實驗結(jié)果及分析LBO是一種負雙軸晶體，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 49 10-4($T 2n 2x (T 0 =2. 4542+(%=-54-56864光 學 學 報18卷$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，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,通過計算得到倍頻效率與 溫度關(guān)系的理論曲線(圖2中實線所示 與實驗得到的溫度調(diào)諧曲線(圖2中的點線兩者基本相符。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為實驗中測得的連續(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。當泵光為5. 5W時，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%。還對激光器綠光輸出功率的穩(wěn)定性進 行了測試:在半小時內(nèi)測得連續(xù)波綠光輸出功率抖動的相對平均值約為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)各振蕩縱模通過和頻而 產(chǎn)生的各縱模非線性耦合作用導致了光能在各個縱模間不斷轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生綠光輸出功率的波動,即所謂的 綠光問題”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晶體的導熱性較差，當泵光功率超過某一值時，在泵光焦點處， 由于功率密度過大，出現(xiàn)熱透鏡效應，使綠光輸出功率下降，模式改變。在此實驗中， 當泵光功率為5W時,開始出現(xiàn)這一現(xiàn)象。經(jīng)過調(diào)節(jié)光路參數(shù)，可部分補償熱透鏡效 應，此時,綠光功率的輸出仍可隨泵光功率的增大而提高。當泵光功率超過5. 5W時,綠光功率輸出趨于飽和。這是因為此時激光晶體產(chǎn)生的熱透鏡效應已超出了所能調(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 地降低熱效應將是今后必須解決的另一重要問題。結(jié) 論 通過以上實驗發(fā)現(xiàn)：大功率激光二極管泵浦Nd計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，在獲得瓦級以上連續(xù)波綠光輸出方面顯示出一定的優(yōu)勢和潛力。7期何京良等：激光二極管泵浦N d ¥V O 4/L BO腔內(nèi)倍頻瓦級連續(xù)波綠光激光器865參考文獻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

14、 . Ippe n , A . D ienes et al . , Astigmat ically co mpen sated cavities for CW dy e laser .I E EE J . Qua nt. Electr on . , 1972, QE -8(3： 3733793 Cha ng tia n Che n , Y icha ng W u , A idong Jia ng et al . , N ew no n li near -o ptical crsya l :L iB 3O 5, J . Op t .S oc . A m . (B , 1989, 6(4 : 61

15、66214 K . K ato , T em per ature -tuned 90phase°-match ing pr operties o f L iB 3O 5. I EE E J . Quant . Electr on .,1994, QE -30(12 : 29502952LD Pumped Nd :YVO 4/LBO In tracavity Freque ncy Doubli ngOver 1-W Green Output Laser1 2 1 2 He Jin glia ngWang Jia nming Hou WeiZhao Zon gyua n1 2 1 Xu

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