Cr4+_YAG被動調(diào)Q綠光激光器及其腔外倍頻266nm激光的研究

1、第29卷第2期2003年3月光學技術OPTICAL TECHN IQU E Vol. 29No. 2March 2003文章編號:100221582(2003 0220148203Cr 4+YAG 被動調(diào)Q 綠光激光器及其腔外倍頻266nm 激光的研究周城, 葉子青, 鄭權, 王軍營, 錢龍生(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所, 吉林長春130022摘要:通過合理設計以及精密調(diào)控各元件和溫控電流, 得到了平均功率為27mW 、脈沖寬度為15ns 、重復頻率為16kHz 、峰值功率高達108W 的Cr 4+Y A G /Nd Y A G /LBO 綠光脈沖激光器。在腔外用I 類臨界相位匹配

2、的BBO 作為四倍頻晶體, 得到了平均功率為112mW 的266nm 紫外激光, 并分析了橢圓光斑產(chǎn)生的原因。關鍵詞:被動調(diào)Q ; 脈沖激光器; 紫外激光器中圖分類號:TN 248. 1文獻標識碼:ACr 4+YAG passively Q 2switched frequency doubled to ZHOU Cheng , YE Zi 2ZHE , AN Long 2sheng(Changchun Institute , and , Academy of Science , Changchun 130022, China :on , temperature controlling of t

3、he Cr 4+Y A G , Nd Y A G , LBO and LD , passively Q green obtained with average output power of 27mW , pulse duration of 15ns , repetition rate of 16kHz , and power of 108W. Then by a piece of type 2I critical phase matching BBO crystal for extra 2cavity fourth 2har 2monic generation , ultraviolet l

4、aser at 266nm with average power of 1. 2mW is achieved. The reason that the far 2field spot of the 266nm laser is ellipsoid is also discussed.K ey w ords :passively Q 2switch ; pulsed laser ; ultraviolet laser1引言近年來, 伴隨著半導體二極管(LD 技術的進步,LD 泵浦固體激光器的研究及其產(chǎn)業(yè)化取得了突飛猛進的發(fā)展。其輸出波長主要集中在紅外波段和可見光波段。由于266nm 紫外激光器在

5、材料加工、光刻及微刻、醫(yī)療等領域具有廣泛的應用前景, 因此LD 泵浦全固體266nm 紫外激光器的研究正在成為一個新的研究方向。目前人們用于實現(xiàn)532nm 266nm 激光頻率轉(zhuǎn)換的晶體主要是BBO 晶體1,2和CLBO 晶體3。文獻4報道了何京良等人用聲光調(diào)Q 的Nd YVO 4脈沖紅外激光器, 在腔外先用KTP 晶體二倍頻, 然后再用BBO 晶體四倍頻得到了266nm 的紫外激光。該裝置原理簡單, 但集成度低, 調(diào)整和使用都不太方便; 另外聲光調(diào)Q 的Nd YVO 4脈沖紅外激光器造價也比較高。所以限制了該裝置的大范圍應用。本文采用國產(chǎn)LD 泵浦Nd YA G 晶體, 用Cr YA G 晶

6、片作為被動Q 開關, 通過LBO 晶體腔內(nèi)倍頻, 實現(xiàn)了532nm 的調(diào)Q 脈沖輸出。與聲光調(diào)Q 的Nd :YVO 4脈沖紅外激光器腔外倍頻相比, 該裝置提高了倍頻效率, 而且結構緊湊, 制作成本低。在此基礎上, 將532nm 的脈沖綠光用會聚透鏡耦合到BBO 四倍頻晶體上, 得到了266nm 的紫外激光輸出。2綠光脈沖調(diào)Q 激光器LD 泵浦的綠光脈沖激光器的實驗裝置如圖1所示。采用國產(chǎn)1. 3W 的LD 作為泵浦源, 通過調(diào)整TEC 1的制冷電流, 使其發(fā)出的波長為808. 5nm , 與Nd YA G 的吸收峰相匹配, 用自聚焦透鏡SML841收稿日期:2002205215基金項目:國家8

7、63計劃資助項目(8632307222251作者簡介:周城(19742 , 男, 山東省夏津縣人, 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所碩士研究生, 主要從事激光器件和非線性頻率變換技術的研究。 將泵浦光耦合到激光晶體Nd YA G 中。Nd YA G的長度為3. 0mm , 摻雜濃度為111%, 左端面鍍808nmAR/1064nmHR 膜作為激光器的一個腔鏡, 右端面鍍1064nmAR 膜。厚度114mm 的被動調(diào)Q 晶片Cr 4+YA G 對1064nm 的小信號透過率為87%, 兩面均鍍1064nmAR 膜。倍頻晶體LBO 長度為10mm , 采用I 類臨界位相匹配, 兩面均鍍106

8、4nmAR/532nmAR 膜。輸出耦合鏡OC 為一平凹鏡, 其凹面的曲率半徑為50mm , 鍍1064nmHR/532nmAR 膜, 平面鍍532nmAR 膜。整個諧振腔長度約為17mm , 放在制冷器TEC 2上。通過調(diào)節(jié)TEC 2的制冷電流, 可以改變激光晶體、調(diào)Q 晶片和倍頻晶體的工作溫度。圖1LBO 腔內(nèi)倍頻Nd G /G在精密調(diào)整各元件及LD 和諧振腔的溫控電流條件下, 當LD 的抽運功率為1. 3W 時, 得到了平均功率為27mW 、為15ns 、為16kHz 、。實驗發(fā)現(xiàn)LD 泵浦的Cr YA G 被動調(diào)Q 紅外激光具有明顯的線偏振性。因此在放置倍頻晶體LBO 時, 應該注意使

9、基頻光的偏振入射方向滿足倍頻時的相位匹配條件, 以提高倍頻效率5。由于KTP 晶體在高重復頻率、高功率密度作用下容易出現(xiàn)“灰跡現(xiàn)象”, 因此為了避免“灰跡現(xiàn)象”采用了LBO 作為倍頻晶體6。3腔外倍頻266nm 激光系統(tǒng)3. 1實驗裝置及結果腔外四倍頻獲得266nm 紫外激光的實驗裝置如圖2所示。脈沖綠激光經(jīng)過焦距為30mm 的聚焦圖2BBO 腔外四倍頻266nm 紫外激光裝置圖3266nm 紫外激光遠場光斑形狀透鏡后進入四倍頻晶體BBO (類臨界相位匹配, 長度為4mm , 兩端面均鍍532nmAR/266nmAR 膜 中, 實現(xiàn)了532nm 266nm 的激光頻率轉(zhuǎn)換。通過紫外濾光片將剩余

10、的綠光濾掉, 最后得到了平均功率為1. 2mW 的266nm 紫外激光輸出(此時532nm 266nm 的光2光轉(zhuǎn)換效率為4. 4% 。用紫外卡片接收266nm 的紫外激光, 得到了如圖3所示的橢圓形光斑, 且橢圓的長軸與基頻光的入射面(入射光線與倍頻晶體的光軸所確定的平面 平行。3. 2分析與討論由激光原理知, 倍頻公式為P 2=22n 2n 222cAP 2(1式中, L 為倍頻晶體的長度; d eff 是倍頻晶體的非線性有效系數(shù); n 是基頻光在倍頻晶體中的折射率; n 2是倍頻光在倍頻晶體中的折射率; 2是倍頻光在真空中的波長; c 是真空中的光速; A 是基頻光在倍頻晶體中的光斑面積

11、。由式(1 , 減小基頻光在。因此采用, 以減小基。266nm 的光斑, 這是因為BBO , 且采用類臨界相位匹配。當基頻光以垂直于入射面的偏振態(tài)垂直于晶體表面入射時, 基頻光(o 光 進入晶體后, 光線方向不變, 沿OA 方向傳播。倍頻光(e 光 的波矢方向亦是OA 方向, 但其光線方向卻沿著n 2e (曲線在A 點處的法線方向(夾角為, 稱為走離角 傳播, 如圖圖4倍頻過程中的走離效應4所示, 產(chǎn)生走離效應, 這就使基頻光在晶體內(nèi)沿傳播方向誘發(fā)的極化波不斷輻射出的倍頻光一直偏離基頻光角。因此從倍頻晶體出射的倍頻光斑在入射平面內(nèi)(即平行于入射平面的方向 被“拉長”了, 而在垂直于入射平面的方

12、向上沒有變化。實際上這種現(xiàn)象在所有的非線性倍頻晶體中都存在。但KTP 、LBO 等晶體的走離角非常小(表1 , 對光斑的影響很小, 因而得到的倍頻光的光斑為近似圓光斑。但對BBO 晶體來說, 走離角卻很大, 對光斑產(chǎn)生的影響卻不能忽略。此外, 為了提高532nm 266nm 的轉(zhuǎn)換效率, 使用了較長的BBO 晶體, 進一步使平行于入射平面的方向上的光斑“拉長”了。所以得到了如圖3所示的橢圓光斑。941第2期周城, 等:Cr 4+Y A G 被動調(diào)Q 綠光激光器及其腔外倍頻266nm 激光的研究 表1KTP 、LBO 和BBO 晶體倍頻時的走離角Type of crystal KTP (oee

13、(1064532nm LBO (ooe (1064532nm BBO (ooe (532266nm Walk 2off angle/mrad4. 136. 8883. 784結論本文通過合理的設計, 得到了平均功率為27mW 、脈沖寬度為15ns 、重復頻率為16kHz 、峰值功率高達108W 的Cr 4+YA G /Nd YA G /LBO 綠光脈沖輸出。采用腔外類臨界相位的BBO 晶體四倍頻, 得到了平均功率為1. 2mW 的266nm 紫外激光輸出, 其光2光轉(zhuǎn)換效率為414%, 并從非線性光學的角度解釋了橢圓光斑產(chǎn)生的原因。整個激光器的體積小、結構緊湊、成本低, 有利于266nm 紫外

14、激光器的集成化、實用化和產(chǎn)業(yè)化。參考文獻:1Joachim Knittel , A H Kung. Fourth harmonic generation in a reso 2nant ring cavityJ.IEEE J Quantum Electronics , 1997,33(11 :20212028.2Joachim Knittel , A H Kung. 39. 5%conversion of low 2power Q 2switched Nd YA G laser radiation to 266nm by use of a resonant ring cavityJ.Opt L

15、ett , 1997,22(6 :366368.3Y K Yap , M Inagaki , S Nakajima , et al. High 2power fourth 2andfifth 2harmonic generation of a Nd YA G; laser by means of a CsLiB 6O 10J.Opt Lett ,1996,21(17 :13481350. 4何京良, 盧興強, 賈玉磊, 等. BBO 四倍頻全固態(tài)Nd :YVO 4紫外激光器J.物理學報,2000,49(10 :21062108.5董俊, 鄧佩珍, 張影華, 等. LD 抽運Cr 4+,Nd 3

16、+YA G 晶體獲得1. 4W 自調(diào)Q 激光輸出J.中國激光, 2001, A28(6 :484486.6鄭權, 姜耀亮, 錢龍生, 等. 連續(xù)波內(nèi)腔倍頻KTP 抗灰線實驗研究J.激光雜志,2001,22(3 :67.(上接第147頁的R G B 值是兩個或幾個相差較大的R G B 的“平均”(相當于上例中的x 1, x 2, x 3的平均 , 的R G B 打印出的顏色(x a 應的y 值y (y , 神, 這時將會產(chǎn)生更嚴重的問題。這是因為, 對于具有一一對應關系的映射來說, 只要樣本分布足夠密集, 即使采用線性插值也不會造成過大的誤差(誤差大小取決于插值點兩側的兩個樣本點之間的非線性程度

17、 , 例如在圖1的例子中, 如果存在樣本點(y 4, x 4 , 且輸入值y 在兩個樣本的y 值y 4與y 0之間, 則插值得到的x 輸出必定在x 3與x 4之間。但當存在多對一的關系時, 情況將變得復雜, 例如, 假定(y 0, x 1 、(y 0, x 2 、(y 0, x 3 和(y a , x a 、(y a , x 5 、(y a , x 6 都是樣本點, 神經(jīng)網(wǎng)絡對y 0的輸出是x a , 對y a 的輸出是x a 、x 5、x 6的某個平均值x b , 則當指定輸入位于y 0和y a 之間時, 上述“插值”將在x a 與x b 之間進行, 其誤差將難以預測。3結論, L R a

18、b G B 轉(zhuǎn)換的多對一性質(zhì)和神經(jīng)網(wǎng)絡從輸入到輸出的一對一性質(zhì)的限制, 所以當對打印機輸出顏色有定量要求時, 不宜采用神經(jīng)網(wǎng)絡。解決的辦法是采用查找表形式。不過, 在L 3a 3b 32R G B 查找表中, 如果出現(xiàn)同一個L 3a 3b 3對應多于一個的R G B 時, 應該一一列出; 當需要插值時, 應該在兩個相近的R G B 數(shù)組之間進行。順便指出, 根據(jù)本文的分析, 一般來說, 神經(jīng)網(wǎng)絡也不適用于其它存在多個輸出對應于同一個輸入情況的其它應用。參考文獻:1Tominaga S. Color control using neural networks and its applicationJ.Proc SPIE ,1996,2658:253260.2陳勁舟, 黃金龍. 彩色打印機適應性色彩修正技術J.光學工程(臺 ,1998,62(6 :2934.3周雙全, 趙達尊. 基于BP 網(wǎng)絡的打印機色彩控制技術J.光學技術, 2000,26(