LD端面抽运全固态紫外激光器
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关键词: LD ; 端面抽运; 全固态; 紫外 中图分类号: TN 248. 1 文献标识码: A 文章编号: 10052488X (2003) 0220109204
LD End 2pum pe d A ll2s o lid 2s ta te U ltra v io le t L a s e r
GAO L an2lan, TAN H u i2m ing (C hang chun Institu te of Op tics, F ine M echan ics and P hy sics, C hang chun , 130022, C h ina )
第202033卷年第62月期
光 电 子 技 术
O PTO EL ECTRON IC T ECHNOLO GY
V o l. 23 N o. 2 J un. 2003
研究与试制
LD 端面抽运全固态紫外激光器α α
高兰兰, 檀慧明
(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林, 长春 130022)
© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
110
光 电 子 技 术
第 23 卷
前景更广阔。 一般产生紫外激光谱线的方法有两 种: 一是直接采用红外全固体激光器的三倍频或四 倍频取得 355 nm 或 266 nm 等紫外激光谱线, 另 一种方法是先利用倍频技术得到二次谐波然后再 利用和频技术得到紫外激光谱线。前一种方法有效 非线性系数小, 转换效率低, 后一种方法由于利用 的是二次非线性极化率, 转换效率要比前一种高许 多。 目前紫外激光器的研究多集中在用大功率 L D 或其列阵作泵浦源来实现紫外脉冲激光输出[4～ 6], 而小功率紫外脉冲激光器的报道几乎没有。我们采 用 LD 端面泵浦的 N d: YA G 红外脉冲激光器, 经 KT P 腔外倍频和 LBO 腔外和频得到 355 nm 紫外 脉冲激光输出。LD 的泵浦功率为 600 mW 时紫外 输出平均功率为 106 ΛW , 实现了小功率领域的全 固体紫外脉冲激光器。为小型紫外脉冲激光器的发 展开辟了道路。
2 实验装置
根据以上分析, 设计了图 1 所示的实验装置。
图 1 实验装置结构 F ig. 1 T he setup of exp erim en t
类位相匹配方式, 角度为 Η= 4316°, Ω= 90°。它接受 角度宽, 接受波长范围广, 因此更适合于和频。我们 选择LBO 晶体的长度为 15 mm。同样也不需要温 度控制系统。
α 收稿日期: 2002210221 α 基金项目: 国家自然科学基金项目 (N o. 69678016) 和国家“863”高科技计划项目 (N o. 2002AA 311140)
作者简介: 高兰兰 (19752) , 女, 长春光机所在读博士。 主要从事LD 泵浦全固体单频激光技术的研究。 檀慧明 (19542) , 男, 研究员, 博士生导师, 长春光机所新产业公司总工程师。 主要从事非线性光学方面的研 究。
用带宽为 300 M H z L eC roy 9631C 型数字示 波器分别对红外光和倍频光调Q 激光脉冲的输出 特性进行了测量 (如图 2、3 所示)。 其中, 横坐标为 时间, 纵坐标是光信号经光电二极管转换后形成的 电信号的电压伏值。 图 2 是 1 064 nm 红外激光脉 冲的输出特性图, 从图中可以看出红外激光脉冲的 脉宽为 1714 n s。 它的频率为 1617 kH z, 峰值功率 为 240 W 。图 3 为倍频光的输出特性图, 其中脉宽 为 1412 n s, 峰值功率为 25 W 。由于设备限制没有
和频光的位相失配。 K 为波失, Ξ 为圆频率, ςeff (2)
(-
Ξ2;
Ξ1 ,
Ξ1 )
和
ς (2) eff
(-
Ξ3; Ξ1, Ξ2) 分别为非线性
晶体的有效非线性二阶极化率。在倍频过程中由于
基频光到倍频光的转化效率比较高, 基频光沿传播 方向 (z 方向) 的变化 dE 1 (z ) dz ≠0, 因此必须考虑 到基频光在倍频晶体中的损耗, 此时得到倍频光的 耗尽公式
E 2 (z 2) E 1 (z 2) exp ( i∃k 2z 2) (2)
近似解:
式中 E 1, E 2, E 3 分别为基频光、二次谐波 (倍频光)
及和频光的复振幅, n 为折射率, c 为光速, ∃k 1 =
2k 1- k 2 为倍频光的位相失配, ∃k 2 = k 1 + k 2 - k 3 为
摘 要: 报道了分别利用两个非线性晶体对 1 064 nm 红外脉冲激光的倍频及和频过程得到 紫外激光输出的实验研究。 采用最大抽运功率为 600 mW 的 LD 端面泵浦 N d∶YA G C r4+ ∶ YA G 被动调 Q 脉冲激光器, 得到 1 064 nm 输出最大平均功率为 70 mW , 脉宽为 17. 4 n s。利用 长聚焦的方法经 KT P 晶体腔外倍频和 LBO 晶体腔外和频, 实现了高效全固态 355 nm 紫外脉 冲激光输出。 355 nm 紫外脉冲输出的最大平均功率为 106 ΛW , 峰值功率约为 635 mW , 且紫外 光斑的椭圆度达 0. 88。
E 1 (L 1) =
E1
(0)
sech [L
1
Ξ21
k 2c2
d
eff1E
1
(0)
]
(3)
E 2 (L 1) =
E1
(0)
tanh [L
1
Ξ21
k 2c2
d
eff1
E
1
(0)
]
(4)
I3=
n
8Π2 21n 2cΚ21Ε0
4Π2 Ξ23 Κ23 n 3
d
e2ff1 d
2 eff2
I
31L
21L
2 2
s
in2 (∃k (∃k 2L
2L
2
2
2)
2)
2
=
1。然而, 在非线性晶体中, 能够满
足位相匹配的方向只有一个, 实际的基频光束是高
斯光束, 具有一定的发散角度, 一般情况下只有
T EM 00模的中心光线可以满足位相匹配条件, 而边
缘的光线会偏离匹配方向, 造成位相失配, 导致转
换效率的降低。 因此在设计激光器时, 应尽可能地
1 2
ς eff
(2)
(-
Ξ3; Ξ2, Ξ1)
从式 (7) 我们可以看出, 和频光的输出功率与
两个输入光功率的乘积成正比; 当输入功率一定
时, 则与和频晶体的长度和有效非线性系数的平方
成正比。 如果我们简化 (7) 式等号右边的最后一个
Байду номын сангаас
因子, 并忽略基频光在非线性晶体中的损耗, 即
E 1 (0) = E 1 (z 1) = E 1 (z 2) = E 1, 则可以得到小信号
红外脉冲激光器中采用的 LD 为中科院半导
体所生产, 中心发射波长为 808 nm , 最大输出功率
为 1 W 。LD 发出的泵浦光经过光学耦合系统的准
Key words: LD ; end2p um p ed; a ll2so lid2sta te; u lt ravio let
引 言
LD 泵浦的全固态激光器具有光束质量好, 稳 定性高, 可靠性好, 使用方便等优点正在占据着许
多传统种类激光器的市场。红外和可见光波段的全 固态激光器技术已日见成熟, 产品涉及小功率, 中 功率和大功率[1～ 3]。 而紫外波段的全固态激光器, 由于它的波长短, 光子能量高, 分辨率更高, 因此在 激光医疗、数据存储、精密机械加工等方面应用的
E3 =
i
Ξ23 2k 3c2
ς
eff
(2)
(-
Ξ3; Ξ2, Ξ1) E 1 (L 2) E 1 (0)
tanh [L
1
nΞ11cd eff1E 1
(0)
]
1 ∃k2
(e i∃k2L 2
-
1) (6)
1 理论分析
则和频光的光强为
I3 =
4Π2 Κ23n 3
d
2 eff2
I
1
(0)
I1
(L
2)L
2 2
sin2 (∃k 2L 2 2) (∃k 2L 2 2) 2
假设在非线性晶体中相互作用的光束是沿 z 轴方向传播的无限平面波。 在倍频过程中, 两个基
tanh2 [L 1
8Π2
d
2 eff1
n21n 2cΚ21Ε0
I
1
(
0)
]
(7)
频光相互作用产生倍频光, 在和频过程中倍频光又
与基频光相互作用产生和频光。如果参加倍频的基
sin2 (∃k 2L 2 2) (∃k 2L 2 2) 2
(8)
和频光的功率密度与基频光的功率密度的三次方
成正比。 为了提高和频光的输出功率, 我们应尽量
选择有效非线性系数大的晶体, 并尽量提高基频光
束的注入功率和增长和频晶体的长度, 此外更主要
的 是 必 须 满 足 相 位 匹 配 条 件 即: ∃k 2 = 0 时,
频光相同, 则倍频光及和频光可以分别表示为[7]
dE 2 (z 1) dz 1
=
i
Ξ22 2k 2c2
ς
eff
(2)
(-
Ξ2; Ξ1, Ξ1)
E 1 (z 1) 2exp ( i∃k 1z 1)
(1)
dE 3 (z 2) dz 2
=
i
Ξ23 2k 3c2
ς
eff
(2)
(-
Ξ3; Ξ2, Ξ1)
其中: d = eff2
Abstract: T he u lt ravio let la ser w a s ach ieved by frequency doub ling and sum 2frequency in tw o cry sta ls by u sing la ser p u lses a t 1 064 nm. W ith the m ax im um inciden t p um p pow er of 600 mW LD end2p um p ing the average ou tp u t pow er of the p a ssively Q 2sw itched N d ∶YA G C r4+ ∶YA G 1 064 nm la ser is 70 mW and the p u lse w id th is 17. 4 n s. T h rough KT P cry sta l ex2 terna l cavity frequency doub ling and LBO cry sta l sum 2frequency, the h igh efficiency a ll2so lid2 sta te 355 nm u lt ravio let p u lse la ser w a s a t ta ined by long focu sing. T he average ou tp u t pow er of 355 nm is 106 ΛW , the p eak pow er is a lm o st 635 mW , and ellip t icity is abou t 0. 88.
dE 3 (z 2) dz 2
=
i
Ξ23 2k 3c2
ς
eff
(2)
(-
Ξ3; Ξ2, Ξ1) E 1 (0)
tanh [L
1
Ξ21
k 2c2
d
eff1
E
1
(0)
]E 1
(L
2) exp
(i∃k2z 2)
(5)
E 1 (L 2) 为和频晶体中的基频光场复振幅。 在小信 号转换近似下, 对 (5) 式从 z 2= 0 到 z 2= L 2 积分, 得 到和频光场的振幅为:
其中: d eff1 =
1 2
ς (2) eff
(-
Ξ2; Ξ1, Ξ1) , E 1 (0) 为基频光
在倍频晶体入射端的光场复振幅。对于和频过程由
于转化效率较低因此引入慢变振幅近似, 可以认为
E 2 (z 2) = E 2 (z 2= 0) , E 1 (z 2) = E 1 (z 2= 0) , 把 (4) 式 带入 (2) 式得
© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第2期
高兰兰等: LD 端面抽运全固态紫外激光器
111
使激光束聚焦到非线性晶体的接受角度范围之内, 尽可能地降低位相失配的影响, 这就要求聚焦不能 太紧。 但这又影响了基频光的功率密度, 进而影响 和频光的转换效率。 在实际操作中, 必须权衡这两 方面的因素使和频光的输出功率达到最高。
LD End 2pum pe d A ll2s o lid 2s ta te U ltra v io le t L a s e r
GAO L an2lan, TAN H u i2m ing (C hang chun Institu te of Op tics, F ine M echan ics and P hy sics, C hang chun , 130022, C h ina )
第202033卷年第62月期
光 电 子 技 术
O PTO EL ECTRON IC T ECHNOLO GY
V o l. 23 N o. 2 J un. 2003
研究与试制
LD 端面抽运全固态紫外激光器α α
高兰兰, 檀慧明
(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林, 长春 130022)
© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
110
光 电 子 技 术
第 23 卷
前景更广阔。 一般产生紫外激光谱线的方法有两 种: 一是直接采用红外全固体激光器的三倍频或四 倍频取得 355 nm 或 266 nm 等紫外激光谱线, 另 一种方法是先利用倍频技术得到二次谐波然后再 利用和频技术得到紫外激光谱线。前一种方法有效 非线性系数小, 转换效率低, 后一种方法由于利用 的是二次非线性极化率, 转换效率要比前一种高许 多。 目前紫外激光器的研究多集中在用大功率 L D 或其列阵作泵浦源来实现紫外脉冲激光输出[4～ 6], 而小功率紫外脉冲激光器的报道几乎没有。我们采 用 LD 端面泵浦的 N d: YA G 红外脉冲激光器, 经 KT P 腔外倍频和 LBO 腔外和频得到 355 nm 紫外 脉冲激光输出。LD 的泵浦功率为 600 mW 时紫外 输出平均功率为 106 ΛW , 实现了小功率领域的全 固体紫外脉冲激光器。为小型紫外脉冲激光器的发 展开辟了道路。
2 实验装置
根据以上分析, 设计了图 1 所示的实验装置。
图 1 实验装置结构 F ig. 1 T he setup of exp erim en t
类位相匹配方式, 角度为 Η= 4316°, Ω= 90°。它接受 角度宽, 接受波长范围广, 因此更适合于和频。我们 选择LBO 晶体的长度为 15 mm。同样也不需要温 度控制系统。
α 收稿日期: 2002210221 α 基金项目: 国家自然科学基金项目 (N o. 69678016) 和国家“863”高科技计划项目 (N o. 2002AA 311140)
作者简介: 高兰兰 (19752) , 女, 长春光机所在读博士。 主要从事LD 泵浦全固体单频激光技术的研究。 檀慧明 (19542) , 男, 研究员, 博士生导师, 长春光机所新产业公司总工程师。 主要从事非线性光学方面的研 究。
用带宽为 300 M H z L eC roy 9631C 型数字示 波器分别对红外光和倍频光调Q 激光脉冲的输出 特性进行了测量 (如图 2、3 所示)。 其中, 横坐标为 时间, 纵坐标是光信号经光电二极管转换后形成的 电信号的电压伏值。 图 2 是 1 064 nm 红外激光脉 冲的输出特性图, 从图中可以看出红外激光脉冲的 脉宽为 1714 n s。 它的频率为 1617 kH z, 峰值功率 为 240 W 。图 3 为倍频光的输出特性图, 其中脉宽 为 1412 n s, 峰值功率为 25 W 。由于设备限制没有
和频光的位相失配。 K 为波失, Ξ 为圆频率, ςeff (2)
(-
Ξ2;
Ξ1 ,
Ξ1 )
和
ς (2) eff
(-
Ξ3; Ξ1, Ξ2) 分别为非线性
晶体的有效非线性二阶极化率。在倍频过程中由于
基频光到倍频光的转化效率比较高, 基频光沿传播 方向 (z 方向) 的变化 dE 1 (z ) dz ≠0, 因此必须考虑 到基频光在倍频晶体中的损耗, 此时得到倍频光的 耗尽公式
E 2 (z 2) E 1 (z 2) exp ( i∃k 2z 2) (2)
近似解:
式中 E 1, E 2, E 3 分别为基频光、二次谐波 (倍频光)
及和频光的复振幅, n 为折射率, c 为光速, ∃k 1 =
2k 1- k 2 为倍频光的位相失配, ∃k 2 = k 1 + k 2 - k 3 为
摘 要: 报道了分别利用两个非线性晶体对 1 064 nm 红外脉冲激光的倍频及和频过程得到 紫外激光输出的实验研究。 采用最大抽运功率为 600 mW 的 LD 端面泵浦 N d∶YA G C r4+ ∶ YA G 被动调 Q 脉冲激光器, 得到 1 064 nm 输出最大平均功率为 70 mW , 脉宽为 17. 4 n s。利用 长聚焦的方法经 KT P 晶体腔外倍频和 LBO 晶体腔外和频, 实现了高效全固态 355 nm 紫外脉 冲激光输出。 355 nm 紫外脉冲输出的最大平均功率为 106 ΛW , 峰值功率约为 635 mW , 且紫外 光斑的椭圆度达 0. 88。
E 1 (L 1) =
E1
(0)
sech [L
1
Ξ21
k 2c2
d
eff1E
1
(0)
]
(3)
E 2 (L 1) =
E1
(0)
tanh [L
1
Ξ21
k 2c2
d
eff1
E
1
(0)
]
(4)
I3=
n
8Π2 21n 2cΚ21Ε0
4Π2 Ξ23 Κ23 n 3
d
e2ff1 d
2 eff2
I
31L
21L
2 2
s
in2 (∃k (∃k 2L
2L
2
2
2)
2)
2
=
1。然而, 在非线性晶体中, 能够满
足位相匹配的方向只有一个, 实际的基频光束是高
斯光束, 具有一定的发散角度, 一般情况下只有
T EM 00模的中心光线可以满足位相匹配条件, 而边
缘的光线会偏离匹配方向, 造成位相失配, 导致转
换效率的降低。 因此在设计激光器时, 应尽可能地
1 2
ς eff
(2)
(-
Ξ3; Ξ2, Ξ1)
从式 (7) 我们可以看出, 和频光的输出功率与
两个输入光功率的乘积成正比; 当输入功率一定
时, 则与和频晶体的长度和有效非线性系数的平方
成正比。 如果我们简化 (7) 式等号右边的最后一个
Байду номын сангаас
因子, 并忽略基频光在非线性晶体中的损耗, 即
E 1 (0) = E 1 (z 1) = E 1 (z 2) = E 1, 则可以得到小信号
红外脉冲激光器中采用的 LD 为中科院半导
体所生产, 中心发射波长为 808 nm , 最大输出功率
为 1 W 。LD 发出的泵浦光经过光学耦合系统的准
Key words: LD ; end2p um p ed; a ll2so lid2sta te; u lt ravio let
引 言
LD 泵浦的全固态激光器具有光束质量好, 稳 定性高, 可靠性好, 使用方便等优点正在占据着许
多传统种类激光器的市场。红外和可见光波段的全 固态激光器技术已日见成熟, 产品涉及小功率, 中 功率和大功率[1～ 3]。 而紫外波段的全固态激光器, 由于它的波长短, 光子能量高, 分辨率更高, 因此在 激光医疗、数据存储、精密机械加工等方面应用的
E3 =
i
Ξ23 2k 3c2
ς
eff
(2)
(-
Ξ3; Ξ2, Ξ1) E 1 (L 2) E 1 (0)
tanh [L
1
nΞ11cd eff1E 1
(0)
]
1 ∃k2
(e i∃k2L 2
-
1) (6)
1 理论分析
则和频光的光强为
I3 =
4Π2 Κ23n 3
d
2 eff2
I
1
(0)
I1
(L
2)L
2 2
sin2 (∃k 2L 2 2) (∃k 2L 2 2) 2
假设在非线性晶体中相互作用的光束是沿 z 轴方向传播的无限平面波。 在倍频过程中, 两个基
tanh2 [L 1
8Π2
d
2 eff1
n21n 2cΚ21Ε0
I
1
(
0)
]
(7)
频光相互作用产生倍频光, 在和频过程中倍频光又
与基频光相互作用产生和频光。如果参加倍频的基
sin2 (∃k 2L 2 2) (∃k 2L 2 2) 2
(8)
和频光的功率密度与基频光的功率密度的三次方
成正比。 为了提高和频光的输出功率, 我们应尽量
选择有效非线性系数大的晶体, 并尽量提高基频光
束的注入功率和增长和频晶体的长度, 此外更主要
的 是 必 须 满 足 相 位 匹 配 条 件 即: ∃k 2 = 0 时,
频光相同, 则倍频光及和频光可以分别表示为[7]
dE 2 (z 1) dz 1
=
i
Ξ22 2k 2c2
ς
eff
(2)
(-
Ξ2; Ξ1, Ξ1)
E 1 (z 1) 2exp ( i∃k 1z 1)
(1)
dE 3 (z 2) dz 2
=
i
Ξ23 2k 3c2
ς
eff
(2)
(-
Ξ3; Ξ2, Ξ1)
其中: d = eff2
Abstract: T he u lt ravio let la ser w a s ach ieved by frequency doub ling and sum 2frequency in tw o cry sta ls by u sing la ser p u lses a t 1 064 nm. W ith the m ax im um inciden t p um p pow er of 600 mW LD end2p um p ing the average ou tp u t pow er of the p a ssively Q 2sw itched N d ∶YA G C r4+ ∶YA G 1 064 nm la ser is 70 mW and the p u lse w id th is 17. 4 n s. T h rough KT P cry sta l ex2 terna l cavity frequency doub ling and LBO cry sta l sum 2frequency, the h igh efficiency a ll2so lid2 sta te 355 nm u lt ravio let p u lse la ser w a s a t ta ined by long focu sing. T he average ou tp u t pow er of 355 nm is 106 ΛW , the p eak pow er is a lm o st 635 mW , and ellip t icity is abou t 0. 88.
dE 3 (z 2) dz 2
=
i
Ξ23 2k 3c2
ς
eff
(2)
(-
Ξ3; Ξ2, Ξ1) E 1 (0)
tanh [L
1
Ξ21
k 2c2
d
eff1
E
1
(0)
]E 1
(L
2) exp
(i∃k2z 2)
(5)
E 1 (L 2) 为和频晶体中的基频光场复振幅。 在小信 号转换近似下, 对 (5) 式从 z 2= 0 到 z 2= L 2 积分, 得 到和频光场的振幅为:
其中: d eff1 =
1 2
ς (2) eff
(-
Ξ2; Ξ1, Ξ1) , E 1 (0) 为基频光
在倍频晶体入射端的光场复振幅。对于和频过程由
于转化效率较低因此引入慢变振幅近似, 可以认为
E 2 (z 2) = E 2 (z 2= 0) , E 1 (z 2) = E 1 (z 2= 0) , 把 (4) 式 带入 (2) 式得
© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第2期
高兰兰等: LD 端面抽运全固态紫外激光器
111
使激光束聚焦到非线性晶体的接受角度范围之内, 尽可能地降低位相失配的影响, 这就要求聚焦不能 太紧。 但这又影响了基频光的功率密度, 进而影响 和频光的转换效率。 在实际操作中, 必须权衡这两 方面的因素使和频光的输出功率达到最高。