LD雙向泵浦_LBO腔內(nèi)倍頻綠光激光器

1、第 33卷 第 5期 激 光 與 紅 外 V ol. 33, No. 5 2003年 10月 LASER &I NFRA RED October, 2003文章編號 :1001-5078(2003 05-0346-02LD 雙向泵浦、 LBO 腔內(nèi)倍頻綠光激光器姜耀亮 , 鄭 權(quán)(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 , 吉林 長春 130022摘 要 :采用兩支國產(chǎn) 2W 單芯半導(dǎo)體激光器 (Diode Laser 作泵浦源 , 雙向端面泵浦 Nd B Y VO 4晶體 , 由 I 類臨界相位匹配 LBO 晶體腔內(nèi)倍頻 , 采用 Z 型諧振腔結(jié)構(gòu) , 在泵浦功率為 3. 12W 的

2、條件下 , 得到功率為 670mW 的 T EM 00模穩(wěn)定綠光輸出 , 測量表明 4h 功率穩(wěn)定性優(yōu)于 3%, 偏振比大于 500B 1, 振幅噪聲小于 0. 5%。關(guān)鍵詞 :LD 泵浦 ; Nd B YVO 4晶體 ; LBO 晶體中圖分類號 :TN248. 1文獻(xiàn)標(biāo)識碼 :ADual Diodes Pumped and LBO Frequency Doubled Green LaserJIANG Yao -liang, ZHENG Quan(Changchun Institute of Opt ics, Fine M echanics and Physics, CAS, Changchu

3、n 130022, ChinaAbstract:A design of dual diodes pumped N d B Y V O 4cr ystal, I -typed critical phase matching L BO cr ystal intra -cav ity frequency doubled g reen laser at 532nm with Z -shaped cavity w as descr ibed in the paper. U nder the condition of 3. 12W incident pumping pow er , green laser

4、 output of 670mW wit h T EM 00mode was obtained at last. M easure -ments showed the long -ter m stability in 4hours better than 3%, polar ization r ate more than 500B 1, and amplitude fluctuation less than 0. 5%.Key words:LD -pumped; Nd B Y VO 4; L BO1引 言LD 泵浦的全固態(tài)激光器已廣泛應(yīng)用在軍事、 醫(yī) 療、 教學(xué)、 科研、 工業(yè)、 娛樂等諸多領(lǐng)

5、域。目前 , 用單芯 LD(200mW 2W 泵浦 Nd B YVO 4晶體 , 采用 KTP 晶體 腔內(nèi)倍頻的綠光激光器產(chǎn)品的輸出功率已從幾毫瓦 發(fā)展到一兩百毫瓦 1。但是 , 由于超過 2W 的 LD 價(jià) 格 昂貴且壽命短 , 并且 KTP 晶體在較大功率下出現(xiàn) 的 /灰線 0等問題 2, 均限制了 200mW 以上中功率綠 光激光器的生產(chǎn)。此時(shí)若采用 LD 列陣代替單芯 LD 做泵源 , 無疑大大地增加了激光器的制作成本 , 從性 能價(jià)格比來說只適宜功率大于 500mW 綠光激光器的 開發(fā)。因此 , 輸出功率為 200500mW 的綠光激光器 一直成為全固態(tài)綠光激光器產(chǎn)品的空檔區(qū)。本文用

6、兩只國產(chǎn)波長為 808nm 的 2W LD 作泵 源 , 雙向端面泵浦 Nd B Y VO 4晶體 , 采用高損 傷閾值 的 LBO 晶體代替 KT P 晶體進(jìn)行腔內(nèi)倍頻 , 通過合 理的腔型及參數(shù)設(shè)計(jì) , 最終獲得了高 效率、 高 偏振 比、 低噪聲的 532nm 綠光連續(xù)波輸出。在兩 LD 總 泵浦功率為 3. 12W 的條件下 , 激光器綠光穩(wěn)定輸出 達(dá) , 表明 , 4小時(shí)功率穩(wěn)定性優(yōu)于 3%, 偏振比大于 500B 1, 振幅噪聲小于 0. 5%。2實(shí)驗(yàn)裝置如圖 1所示 , 實(shí)驗(yàn)采用兩支單芯 2W 的 LD 做 泵源 , 通過耦合系統(tǒng) P 1、 P 2雙向端面泵浦 Z 型激光 諧振腔

7、內(nèi)的 Nd B Y VO 4晶體。采用 Z 型腔結(jié)構(gòu)可以 在 M 1M 2和 M 3M 4兩臂內(nèi)形成兩個(gè)光腰 , 用來分別 裝置 Nd B Y VO 4和 LBO 晶體。合理設(shè)計(jì)兩個(gè)光腰的 大小 , 一方面保證在 Nd B Y VO 4所在的 M 1M 2臂上滿 足基模光斑略大于泵浦光斑的模匹配條件 , 充分利 用泵浦光 , 保證單橫模 (TEM 00 振蕩 3; 另一方面 , 在 LBO 所在的 M 3M 4臂上要求有較小的光腰半徑 , 從而提高倍頻效率 4。圖 1中 Z 型腔的折疊角 H 為 15b , M 3M 4臂長 43mm , 總腔長 約 100m m 。各腔鏡 基金項(xiàng)目 :國家高

8、技 術(shù)研究發(fā) 展計(jì)劃 (2002AA311141 ; 吉林 省 科技發(fā)展計(jì)劃 (20020607 資助。作者簡介 :姜耀亮 (1962- , 男 , 碩士 , 副 研究員 , 現(xiàn) 任中國科 學(xué) 院長春光機(jī)所新產(chǎn)業(yè)光 電技術(shù) 有限公 司副總 工程師 , 主要 從事 LD 泵浦全固體激光器的產(chǎn)品開發(fā)。:均鍍制全介質(zhì)激光雙色模 , 其中 M 1和 M 2為平面鏡 (HR1064nm , AR 808nm ; M 3為內(nèi)曲率半徑 50mm 的平 凹鏡 (HR 1064nm , AR 532nm ; M 4為平面鏡 , 鍍雙色高反 膜 (HR 1064nm , HR 532nm 以實(shí)現(xiàn)雙程倍頻 , 最終

9、 532nm 倍頻光由 M 3 鏡單向輸出。圖 1 LD 雙向端面泵浦的 Nd B YVO 4/LBO 綠激光結(jié)構(gòu)圖根據(jù)以上參數(shù) , 利用高斯光束在諧振腔內(nèi)穩(wěn)定振蕩的 ABCD 矩陣公式 , 可計(jì)算出諧振腔內(nèi)各相關(guān) 參數(shù)。 計(jì)算 得 出在 上述 參 數(shù)下 腔 內(nèi)激 光 在 Nd B YVO 4晶體內(nèi)的基模光束半徑為 110L m , 在 LBO 晶 體內(nèi)的光腰半徑約為 60L m 。實(shí)驗(yàn)中所選用的單芯 LD 最大輸出功率為 2W, 在 25e 時(shí)中 心發(fā)射波 長分別為 808. 6nm 和 806. 9nm 。通過溫度控制使它們的工作波 長與 Nd B Y VO 4晶體的吸收峰 (808. 9

10、nm 相匹配 , 它們在水平和垂 直方向的發(fā)散角分別為 (M =68b 和 (L 3639b 。 LD 的耦合系統(tǒng) (P 1和 P 2 由準(zhǔn)直鏡頭、 整形棱鏡對 和聚焦鏡頭組成 , LD 的泵浦光 經(jīng)過耦合系統(tǒng) 后在 Nd B Y VO 4晶體內(nèi)的焦斑半徑約為 100L m, 該值略小 于 110L m 的基模光束半徑 , 確保了激光器的 T EM 00模輸出。Nd B Y VO 4晶體由中科院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所提 供 , 摻雜 濃度 為 0. 7at. %, 規(guī) 格為 3mm 3mm 4mm, 通光長度為 4mm, 在一面上切割成布儒斯特 角 (與 c 軸夾角 24. 75b , 這樣既可以

11、防止激光在晶 體內(nèi)產(chǎn)生次級振蕩 , 又可以省去在晶體表面鍍制激 光減反膜 , 同時(shí)也可部分補(bǔ)償折疊光路產(chǎn)生的像散。 Nd B Y VO 4晶體的側(cè)面用銦箔包裹并夾于由半導(dǎo)體制 冷器控溫的無氧銅塊中。由于 KTP 晶體在高功率密度激光的長期作用下 會出現(xiàn)所謂的 /灰線 0, 實(shí)驗(yàn)選 LB O 為倍頻晶體。 LBO 的非線性系數(shù)低于 KTP, 但具有極高的光損傷閾值和 較小的離散角。實(shí)驗(yàn)所用的倍頻晶體 LBO 由山東大 學(xué)化學(xué)院提供 , 采用 Ñ類臨界相位匹配方式工作 (H =90b , <=11. 37b , 規(guī)格為 2mm 2mm 10mm, 兩通光 面鍍 1064nm 和 5

12、32nm 雙色增透膜 , LBO 晶體的側(cè)面 用銦箔包裹并夾于由半導(dǎo)體制冷器精密控溫的無氧 銅塊中 , 以達(dá)到最高的倍頻轉(zhuǎn)換效率。 3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果用兩只 2W 的 LD 作為泵源 , 泵浦經(jīng)耦合系統(tǒng) 圓化整形后聚焦注入到 Nd B Y VO 4晶體內(nèi)。通過仔 細(xì)調(diào)整各腔鏡位置以及 LD 、 Nd B Y VO 4和 LBO 的溫 控 , 使由 M 3鏡輸出的綠光模式為 T EM 00并且綠光 輸出功率達(dá)到最大。在實(shí)驗(yàn)中還測量了兩泵源分別 單獨(dú)工作和一同工作情形下激光器的最大穩(wěn)定輸出 1圖 2是兩 LD 雙向泵浦下綠光輸出功率與注入 泵浦 功 率 的 關(guān) 系 曲 線。在 兩 LD 總泵 浦 功 率

13、 為 3. 12W 的情 形下 , 該裝置 綠光穩(wěn) 定輸出 達(dá) 670mW 時(shí) , 輸出模式為很好的 TEM 00模 , 測量顯示其 4h 功 率穩(wěn)定性優(yōu)于 3%, 偏振比小于 500B 1, 振幅噪聲小于 0. 5%。對比實(shí)驗(yàn)表明 , 與 Ò類匹配 KTP 晶體倍頻 相比 , 使用 Ñ類匹配的 LBO 晶體倍頻可以獲得高偏 振比和低噪聲的綠激光輸出特性 5-6。表 1 兩泵源分別單獨(dú)工作和一同工作情形下綠光的最大輸出功率工作泵源 (LD 1, 2 LD 工作電流 (mA LD 泵浦功率 (W 綠光功率 (mW 光光轉(zhuǎn)換效率 (% LD 118001. 5823514. 9

14、LD 218001. 5421313. 8LD 1+LD 21800+18001. 58+1. 5467021. 5Incident pump power/mW圖 2 綠光輸出功率隨注入泵浦功率的變化4 結(jié) 論本文采用 兩只國 產(chǎn) 808nm 的 2W LD 作 泵浦 源 , 采用雙向端面泵浦 Nd B Y VO 4晶體 , Ñ類位相匹 配 LBO 腔內(nèi)倍頻 , 通過合理的腔型及參數(shù)設(shè)計(jì)獲得 了高效率、 高偏振比、 低噪聲 的 532nm 綠光連續(xù)波 輸出。在兩 LD 總泵浦功率為 3. 12W 的情形下 , 激 光器綠光穩(wěn)定輸出達(dá) 670mW, 輸 出模式為 很好的 TEM 00模

15、 , 測量表明 4h 功率穩(wěn)定性優(yōu) 于 3%, 光束 偏振比大于 500B 1, 振幅噪聲小于 0. 5%。該設(shè)計(jì)是 目前解決 200500mW 綠光激光器的低成本生產(chǎn) 和高性能運(yùn)轉(zhuǎn)的優(yōu)選方案 , 具有良好的產(chǎn)業(yè)化前景。 參考文獻(xiàn) :1 鄭權(quán) , 錢龍生 . 我國中低功率 LD 泵浦 全固體 激光器 的研制與開發(fā) J.光機(jī)電信息 , 2001, 1:20-2312 G Loiacono. L aser damage formation in KT P and KT Acrystals :gr ay tracks J. J. Appl. Phys. , 1992, 72(7 :2705-2712.3 Paolo Lapor ta, M arcello Brussard. Desig n cr iter ia for mo desize optimization in diode -pumped solid -state lasers J.IEEE J 1of Q