教师线上教学开展情况汇报总结(7篇)

第13卷第3期
Z 005年6月光学精密工程
O p tics and Precisi on En g i neeri n g
Vol .13No .3
Jun .Z 005
收稿日期!Z 005-0Z-Z Z "修订日期!Z 005-04-18.基金项目!国家 863 资助项目(No .Z 00Z AA 311050>
文章编号1004-9Z 4X (Z 005>03-0Z 53-07
VCSEL 直接倍频蓝光固态激光器的研究
马莹1!王成Z !缪同群3
"1.中国科学院上海应用物理研究所!上海Z01800#Z .上海交通大学激光与光子生物医学研究所!上海Z00030#3.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所!
吉林长春130033$摘要!980n m 垂直腔面发射激光器(VCSEL >
采用直接倍频和在复合腔中倍频两种方式实现了490n m 蓝光输出 整形采用0.Z 3p @980n m 的自聚焦透镜(GRI N l ens > 倍频晶体选择非线性系数相对较大~允许角相对较宽的LBO 晶体 在VCSEL 输出功率为530m W 时 选取透过波长为980n m ~长度为0.
Z 3p itch 的自聚焦透镜整形
倍频晶体选择Z mm X Z mm X 5mm 的LBO 晶体 输出了50#W 的490n m 蓝光
在增加了曲率半径R =50mm 的外腔镜后得到了70#W 的490n m 蓝光 关键词!垂直腔面发射激光器!直接倍频!复合腔!LBO 晶体!自聚焦透镜!二次谐波振荡中图分类号!TNZ 48.1文献标识码!A
B l ue li g ht l aser b y direct fre <uenc y dOubli n g Of VCSEL
MA Y i n g 1 WANG Chen g Z M I AO Ton g -C un 3
(1.Shan g hai I nstit ute O f A P P lie d Ph S sics Chinese A c ade m S O f Sciences Shan g hai Z 01800 China ;Z .I nstit ute f Or Laser M e dicine biO-P hOt Onics Shan g hai JiaO T On g Uni-
Uersit S Shan g hai Z 00030 China ;3.Chan g c hun I nstit ute O f O P tics Fine M ec hanics and
Ph S sics
Chinese A c ade m S O f Sciences Chan g c hun 1300Z Z China >Abstract :A 980n m verti cal cavit y surf ace e m itti n g (VCSEL >l aser reali zes f re C uenc y doubl ed b y di-rectl y doubli n g and co m p ound cavit y doubli n g and obt ai ns 490n m bl ue l aser .GRI N l ens are used f or
sha p i n g bea m and LBO cr y st al i s e m p l o y ed f or secondar y har moni c g enerati on (S~G >.I n t he ex p eri-m ent t he out p ut p o Wer of t he f unda m ent al f re C uenc y l aser i s 530m W G auss bea mi s ad ust ed b y one GRI N l ens W it h a l en g t h of 0.Z 3p @980n m and a LBO cr y st al W it h di m ensi ons of Z mm X Z mm X 5mm.And 490n m bl ue bea m of 50#Wi s obt ai ned .B y addi n g an ext er nal cavit y m irr or W it h a radi us cur vat ure of 50mm t he out p ut p o Wer of 490n m bl ue bea m i s i ncreased t o 70#W.Ke y WOrds :verti cal cavit y surf ace e m itti n g l aser ;direct f re C uenc y doubli n g ;co m p ound cavit y ;LBO
cr y st al ;GRI N l ens ;secondar y har moni c g enerati on
1引言
垂直腔面发射激光器(VCSEL>是光通信中的一种深具潜力的固体激光光源生产成本低光束质量好其圆形输出光束易与光纤耦合因此在光通信领域取得了巨大的成功但是将其用于固体激光器直接倍频还是一个全新的课题Z00Z年德国l m大学研制成功VECSEL(V erti cal ex-t ended cavit y surf ace e m itti n g l asers>并且将微透镜作为复合腔的腔镜1-Z]实现了VCSEL的直接倍频Z003年美国NO-VOL X公司的J G M cI ner ner A M oora-di an等人研制出利用外加延长腔的垂直腔面发射半导体激光器(NECSEL>直接倍频输出490n m和488n m蓝光3-8]未经聚焦的情况下在延长腔中插入非线性晶体后可以产生约40m W TE M
00
的490n m激光输出转换效率约为10由此可见VC-SEL有可能替代边发射半导体激光器成为最适合倍频的基频光光源
2实验设计
本实验采用了两种方式实现倍频输出一种为垂直腔面发射激光器外腔直接倍频另一种为垂直腔面发射激光器在复合腔中倍频(VECSELs>
垂直腔面发射激光器外腔直接倍频的结构如图1所示:
图1垂直腔面发射激光器外腔直接倍频结构图
i g.1Confi g urati on of VCSEL direct f re-
C uenc y doubli n g i n t he out er cavit y
在外腔直接倍频的结构设计时选取
自聚焦透镜对VCSEL的输出光束整形自
聚焦透镜的参数为:直径D1.8mm聚焦参数\A0.330Z.5数值孔径NA
0.46折射率N01.599T89设自聚焦透镜长度为Z使用ZE MAX软件进行模拟计算获得其理想长度
VCSEL的发光面直径D500#m光束发散角(半角>u 15 在ZE MAX中近似认为发光面的光束是从u15 的光束的反向延长线的交点处发出且此发光点距离自聚焦透镜的近端面距离为L成像点距自聚焦透镜另一端面的距离为L LBO 的入射角也就是允许角等价于自聚焦透镜的出射角LBO的允许角为0.Z4 X c m 所以将VCSEL的光束发散角u 15 和LBO的允许角为0.Z4 归结为已知光束在自聚焦透镜上的入射角和出射角通过ZE MAX计算选择自聚焦透镜合适的位置9-11]经过ZE MAX的计算优化得到如图Z所示的结构
:
图Z ZE MAX计算自聚焦透镜位置
i g.Z Positi on of GRI N l ens co m p ut ed b y
ZE MAX
在ZE MAX中模拟计算得到当自聚焦透镜的长度Z为恒定值时像方孔径角u随着物距L的增加而增大图3所示为Z Z.55mm像方孔径角u*与物距L的关系当L>3mm时无法成像
同理可得当物距L为恒定值时像方孔径角u*随自聚焦透镜长度的增加而增大图4所示为L1.7mm时像方孔径角u*与自聚焦透镜长度Z的关系
45Z光学精密工程第13卷
图3Z Z .55mm 时像方孔径角u *与物距
L 的关系 i g .3Rel ati on shi p bet Ween acce p t ed an g l e
u and ob ect di st ance L When Z Z .55
mm
图4L =1.7mm 时像方孔径角u *与自聚焦
透镜长度Z 的关系 i g .4Rel ati on bet Ween acce p t an g l e and GRI N l ens l en g t h Z When L
1.7mm
综合考虑物距和自聚焦透镜长度的关系9选择自聚焦透镜长Z =Z .55mm 9约为0.1Z 75p itch O VCSEL 光束的反向延长线的交点到自聚焦透镜端面的距离L =
1.7mm 9光束经过自聚焦透镜后在L *=
80mm 处成像大小为w *0=Z .864#m O 像方孔径角(半角)为0.485 O
垂直腔面发射激光器在复合腔中倍频的结构如图5所示9filt er 在这种结构中起的作用就是外腔镜的作用9能够提高倍频效率9使更多的能量耦合进入倍频晶体 1Z -15 O
根据公式w Z =4l L c T
R c L c
L \
c 可以分析
图5垂直腔面发射激光器在复合腔中倍频结构图
i g .5Confi g urati on of VCSEL direct f re-C uenc y doubli n g i n t he co m p ound cavit y
模场直径 腔长和腔镜曲率半径的关系 16
9
其中R c 为外腔镜的曲率半径9L c 为腔长9从LBO 晶体的右端面到腔镜表面的距离9
l 为基频波长O
当外腔镜的曲率半径分别为R c 1 50mm 9R c Z 100mm 9R c 3 Z 00mm 时9在l
980n m 时9分别得到以下图6-8O
图6R c 50mm 时腔长与模场直径的关系 i g .6Rel ati on shi p bet Ween cavit y di s-t ance and t he di a m et er of t he mode fi el d When R c 50mm
分析以上各图可以得到以下结论I (1)
当腔长一定时9如L c Z 5mm 9模场直径分别为w 50 31.19#m 9w 100 54.03#m 9w Z 00 8Z .53#m 9即外腔镜的曲率半径R c 越小9模场直径也越小O (Z )
同理当模场直径一定值时9外腔镜的曲率半径R c 越小9腔长也越短O 因此9选择R c 1=50mm 的腔镜9腔长L c =10mm 时得到模场直径为w 50=
5
5Z 第3期
马莹9等I VCSEL 直接倍频蓝光固态激光器的研究
图7R c 100mm 时腔长与模场直径的关系 i g .7Rel ati on bet Ween cavit y di st ance and
t he di a m et er of t he mode fi el d When
R c 100
mm
图8R c Z 00mm 时腔长与模场直径的关系 i g .8Rel ati on shi p bet Ween cavit y di s-t ance and t he di a m et er of t he mode fi el d When R c Z 00mm
Z 4.96#m 9在电流I =Z .5A 时9VCSEL 的
输出功率为530m W 9
功率密度为Z .71X 104W /c m Z O
3实验结果
实验中所选取的LBO 晶体长度为
5mm 9
所对应的允许角为A S 0.Z 4 Xc m 0.5c m
0.48 O
由于无法得到理论计算所得到的自聚焦透镜长度9所以实验中使用的自聚焦透镜长度为Z 4.73mm 9约为0.Z 3p itch 9其焦距为
f *=
N 1
N 0\A si n \AZ
=1.895Z mm 其中N 0为自聚焦透镜的折射率9N 0=
1.5999\A =0.339N 1为与自聚焦透镜相邻介质的折射率O
在ZE MAX 中计算得到VCSEL 在距离自聚焦透镜前L 1.0mm 处时9自聚焦透镜后的高斯光斑成像距离为3.47mm 9大小为w 0 0.008#m O 像方孔径角(半角)
为8.Z O 如图
9所示C
图9Z 0 0.Z 3p itch 时自聚焦透镜成像光路图 i g .9O p ti cal p at h of GRI N l ens i m a g e When Z 0 0.Z 3p itch
但是由于高阶模式的存在9实际得到的光斑大小比理论计算值要大O
图10是外腔直接直接倍频所
得到的远场光斑图像
图10远场光斑
i g .10O p ti cal s p ot i n t he f ar fi el d
外腔直接倍频的测量结果C 基频980n m 的光功率P w 530m W 9
倍频后490n m 的光功率为P Z O 50#W O
增加复合腔后的测量结果C 基频980n m 的光功率P w 530m W 9
倍频后490n m 的光功率为P Z w 70#W O
输出的490n m 蓝绿光经过格兰棱镜检偏后9得到两明两暗的结果9证明是线偏振光9
因此倍频出射的是激光9而不是激发6
5Z 光学精密工程第13卷
的荧光
实验结果受到很多因素的影响因此不是很理想主要的影响因素有
3.1偏振特性的影响
VCSEL的偏振方向是不稳定的发出的光波是偏振方向在不停变化的线偏光因此在诸多偏振态中所利用的只有符合条件的那部分偏振光而这部分被利用的偏振光的能量是很低的大部分的能量都集中在对倍频没有贡献的偏振态中17-18因此倍频效率很低的最重要因素是偏振态的不确定导致相位失配
3.2发光区域面积与发散角的影响
实验中实际的功率密度约为500W c m Z聚焦系统没有达到要求VC-SEL的发光直径为500#m而发散角的半角却达到了15 为了满足匹配角所要求的允许角只有以大的光斑面积或低的功率密度换得在一定输入功率条件下要提高功率密度必须缩小光斑面积根据拉赫
不变量19n
1S1u1=n Z S Z u Z 当像面面积缩小
时必然导致像的发散角的扩大像的面积和发散角的矛盾转化为功率密度与允许角的矛盾取两者最佳配合值仍然无法实现较高的转换效率所以发光区面积与发散角是影响倍频效率的另外一个重要因素3.3温度的影响
VCSEL的温度对于波长变化的影响是明显的VCSEL的红移率为
0.06n m K Z0温度上升33时波长将漂移Z n m如果VCSEL的中心波长为
980n m则将漂移出允许波长范围实际中的中心波长为983.6n m可以通过调整LBO晶体的角度和方向来实现相位匹配但是当调整好角度后虽然温度的变化导致的失配可以由角度来补偿但是温度是在不断地变化中所以很难确定一个固定的角度因此控制VCSEL的温度是一项很重要的工作虽然实验中已经采用了1Z V Z0W致冷器而且Z0k0热敏电阻在工作时已经降到了10k0但是当电流设定在3.5A以上不久就会自动断电保护因此VCSEL无法在更高的电流下工作也就无法实现在更高功率下的倍频
LBO晶体的温度变化对于倍频效率的影响是不大的由于倍频效率很低功率密度也很低与损伤阈值相差了几个数量级所以LBO的温度变化并不是很明显的对于倍频效率的影响也是不大的
3.4VCSEL中心波长的影响
计算的相位匹配角是按照中心波长为
980n m设计的因此晶体的切割角度也是按照中心波长为980n m切割的但是实际使用的VCSEL的中心波长为983.6n m 所以实际利用的角度并不是晶体的切割角度需要在调整架上进行调整虽然可以通过调整晶体方向和角度找到最佳匹配角度但中心波长的漂移也是不可忽视的影响因素
3.5LB0晶体镀膜的影响
实验中所使用的LBO晶体双面抛光没有镀膜这样会对透过率造成一定的影响未镀膜的晶体表面的菲涅尔反射率大于419所以会有一部分光的能量因此而损失但这种影响并不是倍频效率低的主要影响因素
3.6自聚焦透镜的影响
理论计算所得到的自聚焦透镜长Z Z.55mm约为0.1Z75p itch物距L1.7 mm成像在自聚焦透镜后面L80mm 像斑大小w
0Z.864#m
出射孔径角半角为0.485
实验中使用的自聚焦透镜长度为Z 4.73mm约为0.Z3p itch Z1VCSEL在距离自聚焦透镜前L1.0mm处自聚焦透镜后的高斯光斑成像距离为3.47mm大
小w
0 0.008#m
出射孔径角半角为
75Z
第3期马莹等VCSEL直接倍频蓝光固态激光器的研究
8.Z 而LBO晶体在5mm长时的允许角
为0.48 只有5.8的能量位于允许角之内3.7复合腔实际工作的情况
外腔镜的直径为D4mm腔长L
c 10mm实际的光束在外腔镜处的光斑直径为
d Z.88mm虽然都位于腔镜范围之内但是高阶模式的模场直径远大于4mm只有基模耦合返回腔内高阶的无法返回因此选择口径大的外腔镜有助于将更多的能量限制在延长腔之内实验中可以观察到延长腔的作用并不是很有效果因此改进延长腔的工作状况有待解决4结论
本实验选择1W的980n m VCSEL作为基频光源选择0.Z3p itch的自聚焦透镜对光路整形选取5mm长的LBO晶体作为倍频晶体在外腔直接倍频和增加复合腔两种情况下分别得到蓝光输出证明了VCSEL可以腔外直接倍频输出蓝光而且复合腔结构能够提高VCSEL倍频效率致谢实验中使用VCSEL器件由长春光机所激发态物理重点实验室半导体激光组Z Z提供在此表示感谢
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