LBO晶体直接倍频获得488nm激光_王旭葆

第37卷，增刊 红外与激光工程 2008年9月 V ol.37 Supplement Infrared and Laser Engineering Sep. 2008收稿日期：2008-07-31基金项目：国家重点基础研究发展计划973计划（2006CB605206）资助课题。

作者简介：王旭葆（1972-），男，黑龙江庆安人，助理研究员，博士后，主要从事激光技术、光学设计等方面研究。

Email:wangxubao@LBO 晶体直接倍频获得488 nm 激光王旭葆，丁 鹏，左铁钏（北京工业大学 激光工程研究院，北京 100124）摘要：利用LBO 晶体直接倍频波长为976 nm 的连续半导体激光二极管，获得了波长为488 nm 的连续蓝光输出，最大输出功率25 mW 。

设计并分析了一个用于976 nm 激光倍频的L 型谐振腔，并在实验基础上，制成了一台小型全固态488 nm 连续蓝光激光器。

关键词：激光； LBO 晶体； 倍频； 转换效率中图分类号：TN248.4 文献标识码：A 文章编号：1007-2276(2008)增(激光探测)-0048-03Compact continuous-wave blue laser at 488 nm with a LBO crystalWANG Xu-bao, DING Peng, ZUO Tie-chuan（Institute of Laser Engineering, Beijing University of Technology. Beijing 100124, China ）Abstract: A compact continuous-wave blue laser at 488 nm, with the maximum output exceeding 25 mW, is demonstrated by direct frequency doubling of a laser diode (LD) with a LBO crystal. Based on the experiments , a compact all - solid state 488 nm blue laser with continuous wave output is made. We present the development and demonstration of tunable high-power blue-green (around 488 nm) laser by using intracavity frequency doubling of a tunable high-power high-brightness external-cavity emitting laser.Key words: Lasers; LBO crystal; Frequency doubling; Conversion efficiency0 引 言近年来，小型的全固态蓝光激光器由于其结构紧凑，稳定性高，寿命长等优点，在高密度储存、水下通信、光学信息处理、医学诊断等领域都有着广泛的应用前景。

实现全固态蓝色激光光源的途径主要有3种[1-2]：(1)直接发射蓝光的激光二极管；(2)激光二极管(LD)倍频的蓝色光源;(3)激光二极管抽运通过非线性光学手段获得的蓝光激光器。

文中利用976 nm 二极管激光器作为基频光光源，利用LBO 晶体进行倍频获得488 nm 激光，对其进行了理论和实验研究。

1 实验装置产生基频光的激光二极管放置在一个安装小型半导体制冷片的热汇上,温度控制在25±1℃,以便保证激光二极管输出稳定的 976 nm 波长的基频激光。

制冷片的驱动及温度控制采用一高效电子制冷器(TEC)控制模块(Analog Technologies, Inc.)，该模块可以直接提供最大2.5 A 的直流电流驱动半导体制冷片,并可以0.1℃的精度调节控制温度,该模块温度控制稳定,精度足以满足实验要求。

激光二极管发出的激光通过一根长1 m 芯径为200 μm 的光纤输出,最大连续输出功率达到1 W 。

实验装置如图1所示，Flat mirror1对基频光（976 nm ）45º高反，对二次谐波（488 nm ）增透，实际当中对于增刊 王旭葆等：LBO 晶体直接倍频获得488nm 激光 49976 nm 反射率大于99.5％，对于488 nm 透过率大约为95.3％。

Flat mirror2对976 nm 和488 nm 双波长高反，反射率均大于99.9％。

LBO 晶体为3 mm ×3 mm ×12 mm ，θ＝32.7º，φ＝90º，Ⅱ类匹配。

弯月形透镜凸面对于976 nm 和488 nm 双波长增透，凹面对976 nm 透过率为96.8％，对于488 nm 波长激光透过率为92％，凹面曲率半径为120.28 mm 。

这样在弯月形透镜凹面和Flat mirror2反射面之间形成一个平凹腔。

图1 实验装置示意图 Fig1 Setup of experiment2 基本原理激光倍频是利用晶体的非线性，把一束光的波长减半，它是混频的一种特殊现象，Ashikin 等在20世纪60年代就曾讨论过光学二次谐波的产生过程[3-4]。

速率方程为：[()SHG 13s1s r224s0s1s rd 22d 2nl n l t t n n l L t φφσσησφ=−−−−⎤−⎦p g d d n nn t Λγσφτ=−− s1s0s113s1sd d n n n c n t σφτ−=−+ 式中：n 为反转粒子数；s1n 、s0n 为能级间跃迁粒子数权重；σ为受激发射截面；13σ和24σ为跃迁截面；l 为介质长度；s l 为受激辐射长度；p Λ为泵浦效率；SHG η为基频光单次经过倍频晶体的转换效率；g τ为光子寿命；s τ为粒子寿命；γ为反转因子；L 为激光器的耗散性损耗，这里L 包括非线性倍频晶体LBO 对基频光的损耗。

由此可以得到二倍频峰值功率。

2m m rπ11ln ln 4h P L t R R ϖνΦσγ⎡⎤⎛⎞⎛⎞=+⎜⎟⎜⎟⎢⎥⎝⎠⎝⎠⎣⎦ 式中：m Φ为峰值光子密度；R 为输出镜的反射率。

光—光转换效率可如下计算：η=()121c222c c sin /2tanh /2l k P P l K P A l k ϖϖϖ⎡⎤Δ⎛⎞⎢⎥=⎜⎟Δ⎢⎥⎝⎠⎣⎦32220eff 0r 2K d μϖεε⎛⎞=⎜⎟⎝⎠式中：k Δ为相位失配；A 为基频光束面积；ϖ为基频光频率；eff d 为LBO 非线性系数；r ε为LBO 介电常数。

TEM 00模高斯光束束腰处波阵面是平面，但其强度呈高斯分布，由exp(-ρ2/ω02)描述，高斯光束基波功率[5-9]为：()211010π2P I ω=式中：10I 为基波光束的中心强度；10ω为基波光束束腰半径。

高斯光束的离散长度：10L αα= 式中：α为离散角。

高斯光束的有效焦长：2f 110π2L k ω=式中：1k 为基频波波矢。

只有晶体长度J αL L 和f L 时，转换效率正比于晶体长度的平方。

3 实验结果对上述L 形腔倍频的转换效率和质量进行了实验研究，用一个激光功率计放在激光输出端，测出基频光在不同输入功率P w 的情况下的倍频光输出功率P SHG ,（见图2），图中点为实验值,测量中发现，光－光转换效率大约在2％左右，最大转换效率约为2.5％，倍频效率基本按输入功率的增加而增大。

图2 倍频结果光－光转换效率Fig.2 Optical-optical efficiency of frequency doubling50 红外与激光工程：激光探测、制导与对抗技术第37卷参考文献：[1] PARK S H, KIM J, JEON H, et al. Room-temperature GaNvertical-cavity surface-emitting laser operation in an extended cavityscheme[J]. Appl Phys Lett, 2003, 83, 2121-2123.[2] FAN L, FALLAHI M, MURRAY J T, et al.Tunable high-powerhigh-brightness linearly polarized vertical-external-cavity surface-emitting lasers[J]. Appl Phys Lett, 2006, 88,021-105.[3] ASHKIN A, BOYD G D, et al. Resonant Optical Second HarmonicGeneration and Mixing[J]. IEEE J. of Quantum Electronics. 1966,QE-2, 6: 109-124.[4] BOYD G D, KLEINMAN D A. Parametric Interaction of FocusedGaussian Light Beams[J]. J of App Phy, 1968, 39(8): 3597-3639. [5] 蓝信钜, 等.激光技术[M].北京：科学出版社，2000.[6] OU Z Y, KIMBLE H J. Enhanced Conversion Efficiency for HarmonicGeneration with Double Resonance[J]. Opt Lett, 1993, 18(13): 1053-1055.[7] E. S. Polzik, et al. Frequency Doubling with KNbO3 in an ExternalCavity. Opt. Lett. 1991,16(18): 1400~1402[8] 8．E. Roisse, et al. Walk-off and phase –compensated ResonantlyEnhanced Frequency-doubling of Picosecond Pulses Using Type iinonlinear Crystal. Appl. Phys. 1999,B69,25~27[9] 9．Shuji Sayama, Motoichi Ohtsu.Tunable UV CW Generation byFrequency Tripling of a Ti:sapphire Laser. Opt. Comm.1997,137,295~298。