LD泵浦Nd_YVO_4_KTP腔内倍频绿光激光器的研究

WA N G R u-g ang 1, CHEN Zhen-qiang1 , Z HA N G G e2 , L IN L ang 1, D IN G T ao1 ( 1. I nst itute of Op t oel ectr onic Engineering , J inan Univer sity , Guangz hou, 510632, CH N ;
置, 这样能够有效地在 KT P 中产 生二次谐波作用。 实验中, 经过调节M 2, 得到稳定的基模绿光输出时, KT P 的位置距输出镜的距离为20 mm。在1 064 nm 基频光的振荡过程中, 基频光被极化沿着晶体的 C 轴传输, 为了得到最佳的倍频效率和避免二次谐波 输出的绿光波动, 非线性晶体 KT P 的放置应与 N d ∶Y V O 4 晶体的 C 轴成 45°。在实验 中发现 N d ∶ Y V O 4 晶体的温度控制对绿光输出的稳定性有很大 的影响, 但对绿光的输出功率影响不是很大, 我们把 N d∶Y V O 4 晶体温度控制在 20 °C。
目前, 获得绿色激光最有效的方式之一就是在腔内 使用非 线性晶体如 L BO、KT P 等倍频红外激 光波 长, 在倍频过程中最主要的是实现非线性晶体的相 位匹 配[ 3] 。尤 其是 最近几 年, 有关 L D 泵 浦 N d ∶ Y V O 4 晶体并利用 K T P 进行腔内倍频获得基模绿 光输出的研究受到了广泛重视[ 4～6] 。
的腔长选择了105 m m, 激光晶体N d∶Y V O 4 放到准 直泵浦光源的束腰处。由于准直透镜的选取, 使得准
直泵浦光源的束腰距M 1 为 15 m m, 通过大量的实验
观察, 我们发现, 在这种腔型中, 让 M2 处于前后可移 动的状态, 以便能够通过调节M2 的位置, 得到最佳的 输出绿光的模式以及最大输出功率。
Key words: L D-pum ped; int racavity f requence doubling ; Nd∶YVO4/ KT P; gr een laser
引 言
L D 泵浦全固态绿光激光 器由于具有体积小、 寿命长和稳定性好、光子能量高、转换效率高、水中 传输距离远、相对于人眼敏感等一系列优点[ 1, 2] , 被 广泛应用于激光医学、信息存储、激光娱乐、水下通 信、激光光谱与全息、机场导航、海底形貌探测、激光 致盲武器等科学研究中。由于其高亮度和良好的单 色性特点, 也使之成为彩色打印、激光电视中三原色 光源的有效选择之一。因此, 研制开发高性能的绿光 激光器已成为世界各国激光产业竞相追逐的目标。
陈振强( 1965—) , 男, 研究员, 博士。研究方向为激光器件 、晶体材料生长技术、晶体性能表征。 张 戈( 1972—) , 男, 副研究员, 博士。研究方向为新颖固 体激光器件。
第 3 期
王如刚等: L D 泵浦 N d∶Y VO 4/ K T P 腔内倍频绿光 激光器的研究
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1ห้องสมุดไป่ตู้实验技术及装置
用北京卓立仪器有限公司的光栅光谱分析仪得 到的输出的绿光的波形如图 4 所示, 此绿光的中心 波长为 531. 8 nm 。
镜的焦距, L 1 为N d∶YV O 4 距M 1 的距离, 此处为15 m m, L 2 为 N d∶Y V O 4 距 M 2 的距离。
以M 2 为参考面时的基频光的束腰位置为[ 8] :
L=
B(D - A) 2( 1 - A D)
( 2)
结合( 1) 、( 2) 式, 用 MAT L AB 画出束腰位置与 热焦距的关系图, 如图2 所示。从图2 可以看出, 随着
输出的绿光功率和泵浦光功率的关系如图 3 所 示。从图中可以看出二次谐波的输出功率随着泵浦
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光 电 子 技 术
第 26 卷
光功率的增加而增加, 阈值功率大约在 0. 15 W , 因 为此时不需要考虑热透镜效应, 所以这个阈值功率 仅仅相当于谐振腔内部的损耗。随着泵浦光功率的
增加, 腔内基频光加强, 绿光输出功率得到迅速增 加。在泵浦功率为8. 6 W 时, 得到132 m W 的稳定绿 光输出。由于实验条件限制, 没有继续加大泵浦功 率, 怕损坏激光晶体。为了检验此绿光激光器的稳定 性, 使其在输 出为 100 m W 的 情况下 连续 运转 30 min, 观测到的绿光输出功率变化在 2% 左右。
图 4 输出绿光的波形图 F ig . 4 Wav eleng th of g reen laser
3 结 论
图 3 输出功率与注入功率的关系曲线 F ig . 3 T he r elat ionship betw een incident pow er and
o utput pow er
从实验结果来看, 系统输出的光功率较低, 转换 效率不高, 主要原因有: ( 1) 因为使用的是传统的直 腔, 输出镜对1 064 nm 的基频光全反和对532 nm 的 倍频绿光高透。被输出镜反射回去的基频光通过倍 频晶体 KT P, 形成线偏振的倍频绿光出射。该光经 过激光晶体 N d∶Y V O 4 时被分解为平行于晶体快 轴 和慢轴的 2 个分量, 由于 N d∶Y V O4 在这两个方 向上对 532 nm 绿光的折射率不一样, 所以通过它的 绿光的偏振态会发生改变, 变成椭圆偏振光, 当出射 绿光被全反镜反射再次通过 N d∶Y V O 4 时, 绿光的 线性偏振度又一次降低, 导致输出绿光功率较低[ 7] ; ( 2) 由于镀膜工艺的限制, 使得部分绿光被反射回腔 内, 输出镜反射回腔内的 1 064 nm 、532 nm 的光被 N d∶Y V O 4 的吸收, 腔内能量相对分散, 损耗较大, 减少了输出功率, 降低了转化效率; ( 3) 由于端镜M 1 镀的 808 nm 的增透膜, 经过测量发现在 808. 5 nm 波段的透过率仅为70. 76% , 这也导致了转换效率低 的原因。
热 透镜焦距的变小, 束腰距端镜 M 2 逐渐减小, 但是
靠近 M 2 的位置, 所以在实验中把非线性晶体 K T P 尽量放置靠近M 2 的位置, 以便接近基频光的束腰位
图 2 热焦距与束腰距离的关系图 Fig . 2 T he r elatio nship betw een the leng th of the ther-
本文 报 道 的 是 采 用 传 统 的 直 腔 结 构、Nd ∶ Y V O 4 激光晶体和 K T P 非线性晶体进行腔内倍频 的绿光激光器的研究。通过实验, 分析了光-光转换 效率低的原因, 为今后大功率、高转换效率的全固体 绿光激光器研究提供参考。
收稿日期: 2006-04-12
基金项目: 广东省科技计划基金资助项目( 2003C103017) ; 广州市科技攻关基金资助项目( 2006Z3-D0111) 作者简介: 王如刚( 1975—) , 男, 硕士研究生。研究方向为激光器件与晶体性能表征。( E -mail: w r g3506@ sina. co m)
( 1. 暨南大学光电工 程研究所, 广州, 510632; 2. 福建物质结构研究所, 福州 , 350002)
摘 要: 报道了L D 端面泵浦Nd∶YVO4 晶体、Ⅱ类相位匹配KT P 腔内倍频的绿光激光器。实 验中, 在泵浦功率为 8. 6 W 时, 输出的基模绿光功率为132 mW, 分析了转换效率低的一些原因。
第200266卷年第9 月3期
光 电 子 技 术
OPT OELECT RONIC T ECHNOL OGY
V
ol. 26 Sept .
No . 3 2 006
研究与试制
LD 泵浦Nd∶YVO4/ KTP 腔内倍频绿光激光器的研究
王如刚1, 陈振强1, 张 戈2, 林 浪1, 丁 涛1
2. Fuj ian Research I nstit ut e of the S tructure of M atter, Fuz hou, 350002, CH N )
Abstract: A laser -diode pumped CW Nd∶YVO4gr een laser w it h KT P ( t ype-Ⅱ cr it ical phase mat ching ) is report ed. In t he experim ent , t he T EM 00-m ode green laser output pow er is 132 mW at 8. 6 W incident pump pow er . T he causat ion of lo w co nvert ion is analy zed.
实验采用如图1 所示的直腔结构和L D 端面泵浦 以及腔内倍频方式。泵浦源为武汉凌云光电技术有限 公司生产的半导体激光器, 最大输出功率为 30 W, 设 定它们的工作温度在 28 °C, 使其工作波长为 808. 7 nm, 与 N d∶Y V O 4 晶体吸收峰相匹配, 输出激光的 光束直径为1. 55 mm , 用光纤耦合输出进入聚焦透镜 到激光晶体上, 半径为0. 38 mm 。N d∶Y V O 4 晶体是 由 福建物质结构研究所提供, 掺 N d3+ 浓度为 0. 3% , 尺寸为4 mm ×4 mm ×6 m m, 采用a 轴向切割, 实现 形偏振, 它的后端面镀上 808 nm 的增透膜, 在实验 中, 激光晶体放置应尽可能地靠近M 1 镜, 在高的泵浦 光能量下为了有效控制晶体在20 °C, 使用 T EC 进行 冷却。为了达到更好的致冷效果, 把晶体用锡纸包裹 放入特殊加工的紫铜块调节架中并和T EC 控制芯片 连接。KT P 晶体由青岛海泰公司提供, 尺寸为 5 mm ×5 mm ×8 mm , 两端面镀上1 064 nm 和532 nm 双 色增透膜, 切割成在1 064 nm 的Ⅱ类相位匹配。KT P 是双轴晶体, 具有双折射效应, 根据Ⅱ类相位匹配条 件, 可以推导它的倍频效率与温度的关系, 通过计算 机编程、计算出在 23～31 °C间[ 7] , KT P 的倍频效率 较大, 又由于采用的是角度匹配, 所以, 倍频晶体使用 循环水制冷方式, 室温控制在 24 °C, 可以满足要求。 为了提高对 1 064 nm 基频光转换为绿光的效率, 应 该把K T P 晶体放置在接近基波的束腰位置。M 1 是泵 浦光耦合的平面镜, 镀808 nm 增透和1 064 nm 高反 ( R = 99. 8% ) 双色膜。M2 是曲率半径为100 mm 的平 凹镜, 内侧镀 1 064 nm 高反和 532 nm 高透的双色 膜, M 3 为 1 064 nm 的滤色片。
谐振腔的参数如上所述后, 以 M 2 为参考面, 腔
内光线传输矩阵可以表示为:
AB
1 L2
1 0 1 L1 1 0
=
C D 0 1 - 1/ f T 1 0 1 0 1
1 L 1
1 0 1 L2 1 0 ( 1)
0 1 - 1/ f T 1 0 1 - 1/ f 1
其中: f T 为激光晶体的等价热焦距长度, f 为输出
关键词: 激光二极管泵浦; 腔内倍频; Nd∶YVO4/ KT P; 绿光激光器 中图分类号: T N248 文献标识码: A 文章编号: 1005-488X( 2006) 03-0196-03
Study of LD-pumped Nd∶YVO4/ KTP Intracavity Frequence Doubling Green Laser
mal lens and the beam w aist
图 1 实验装置示意图 Fig. 1 T he setup of o ur ex per im ent
2 实验结果及讨论
为了在腔内得到较高的倍频效率, 必须对倍频晶 体提供一个稳定的聚焦光束, 即把倍频晶体放置在基 频光的束腰位置附近, 为此我们通过 MAT L AB 编程 优化设计, 谐振腔的结构如图 1 所示, M 1 与 M 2 之间