高稳定全固态绿光激光器的研究

高稳定全固态绿光激光器的研究
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来源: 雅信通
霍玉晶何淑芳林彦
北京清华大学电子工程系固体激光与光电子技术研究所
前言
全固态绿激光器具有能量转换效率高、功率大、光束质量好、体积小、寿命长、使用方便等优点，在彩色显示、激光医疗、水下通讯等方面有重要的应用，是国内外光电子技术研究与开发的热点之一。

全固态腔内倍频绿激光器通过高效率的腔内倍频获得绿激光输出，它的结构紧凑，转换效率高，是获得绿激光的主要器件之一。

但是此类绿激光输出功率波动一般都很大。

腔内倍频绿光激光器输出功率的稳定性成为目前全固态绿光激光器的研究重点课题之一[1,2]。

本文报到我们研制的全固化微型全固态绿光激光器和分离元件的全固态脉冲绿光激光器，以及提高它们输出功率稳定性的最新结果。

1、全固化的微型全固态连续绿光激光器
在本文中，“全固化”是指激光头的全部元件被用环氧树脂粘合为一个整体，整个器件中没有任何需要调整的元件，这种器件的使用十分方便。

本文研制的全固化的微型全固态连续绿光激光器采用LD端面抽运Nd:YVO4激光晶体得到1064nm近红外激光，再用KTP晶体作腔内倍频得到532nm绿激光输出。

其原理如图1所示。

它采用北京半导体研究所生产的808nm的1W的LD作为抽运光源。

由于所用LD的输出功率比较小，因此提高器件的光－光转换效率是提高器件性能的关键。

为此，采用半导体制冷器作为温度控制元件，对LD的温度进行控制，以使其工作波长和激光晶体的吸收波长峰值准确重合，提高对抽运光的吸收效率。

在本实验中把LD的工作波长调整到808.5nm。

采用中科院福建物构所生产的Nd:YVO4晶体作激光介质，掺杂浓度为3at％，a轴方向切割，长度为1mm，横截面尺寸为3×3mm2。

采用端面同轴抽运方式使LD的抽运光束和所产生的1.064mm激光光束在空间上更好地耦合，以提高抽运效率。

采用焦距为3mm的非球面透镜把LD的光束聚焦到Nd:YVO4晶体内部，焦点处光斑直径为100mm，抽运光从LD到Nd:YVO4晶体内部的总耦合效率为92％。

采用平凹稳定型谐振腔提高器件的效率和稳定性。

为了提高抽运光利用率，采用凹面后反射镜和平面输出镜组成激光谐振腔。

Nd:YVO4晶体的入射端面是曲率半径为50mm球面。

后反射镜直接镀制在此面上。

它对1064nm的反射率>99.8%，对808nm光的透射率>99.5%。

Nd:YVO4晶体的另一端为平面，镀同时对1064nm和532nm 的双波长增透膜，剩余反射率<0.25%。

平面输出镜对1064nm光的反射率>99.8%，对532nm 光的透射率>97%。

平面输出镜的背面镀有对532nm光的增透膜，剩余反射率<0.25%。

采用北京人工晶体研究院生产的KTP倍频晶体作腔内倍频器，按类临界相位匹配角切割，它的横截面为3×3mm2，通光方向长5mm，两个通光面同时镀对1064nm和532nm的增透膜，每个面的剩余反射率<0.25%。

为了提高器件的稳定性，用环氧树脂把全部元件粘接为一个整体，同时用一个半导体致冷器对它们进行整体控温。

HSH型微型绿激光器的外形尺寸如图2所示。

可以看到，它的体积很小，使用是很方便的。

用滤光器滤除输出光束中的808nm的抽运光和1064nm的基频光后，用Ocean Optics, Inc. 公司的HR2000CG-UV-NI光谱仪测量绿激光的波长，用清华大学研制的HH型F－P共焦球面扫
描干涉仪测量绿激光的纵模，用北京物科光电技术公司的LP－3A型功率计测量532nm输出功率和稳定性。

在LD发出的抽运功率为1W时，得到230mW的TEM00模532nm绿激光的稳定输出，光－光转换效率达23％，4小时的稳定性优于±3%，绿激光中有3－4个纵模，每个纵模的宽度小于40MHz（受仪器分辨率所限）。

据我们所知，这种激光器的性能在同类产品中是最好的。

2.脉冲全固态绿光激光器
为了得到高的峰值功率，本文研制了采用声光调Q的腔内倍频脉冲绿光激光器。

图2是它的原理框图。

此声光调Q绿激光器所使用的元件和连续绿激光器的基本相同，只是Nd:YVO4晶体的抽运端球面的曲率半径是100mm，另外在倍频晶体和输出镜之间加入了声光Q开关，其超声波频率为70MHz，通光方向长度为18mm，两个通光面镀有对1064nm和532nm同时高透射的增透
膜，每个面的剩余反射率<0.25%。

为了提高器件性能的稳定性，同时使激光器的调整方便，把抽运LD、致冷器、聚焦系统和激光晶体用环氧树脂固化为一个整体，然后固定在作为热沉的大底座上。

把倍频晶体、声光Q开关和输出镜分别用调整架固定在散热器上，它们的位置和方位是可以进行调整的。

其输出光参数的测量仪器除了进行前述连续绿激光器参数测量所用仪器之外，同时用重庆航伟光电科技有限公司的GT101型硅光电探测器检测绿激光脉冲信号，用Agilent公司的54622A型100MHz示波器测量激光脉冲宽度。

在LD发出的抽运功率为1W时，得到TEM00模532nm绿激光脉冲的稳定输出，激光脉冲的重复频率范围是0－100kHz，脉冲宽度一般为15ns，最短为10ns，最大峰值功率为1.2kW，4小时的稳定性优于±5%。

这种脉冲激光器除了在科研和生产中有较多的应用之外，由于它的元件是可以按照需要进行拆卸和重新组合，从而可用来进行喇曼衍射、连续和脉冲近红外激光器、连续和脉冲绿激光器、激光参数等的演示、调试与测量，是教学的基本仪器，有很大的市场。

3.提高绿光激光器输出功率稳定性的研究
上述连续和脉冲绿激光器的性能已经能满足多数应用的要求。

但是还有一些应用，例如利用光荧光法、光吸收法、光散射法等进行精密测量的应用，在数码印相机中的应用等，需要输出功率更稳定的绿光激光器。

为此，本文对提高前述连续和脉冲绿激光器的输出功率稳定性进行了研究。

引起绿激光器输出功率不稳定的原因主要有谐振腔机械结构不稳定、工作温度变化、热透镜效应、泵浦源功率波动、激光晶体对绿光的吸收、模式跳变等因素[1]。

用于提高绿激光器输出功率稳定性的方法主要有：偏振态控制法、纵模控制法、外腔谐振倍频法、使用调制器的光电反馈法等[2]。

本文用直接控制LD驱动电流的光电反馈法提高绿激光器输出功率的稳定性：根据检测到的输出绿激光功率的变化信号，对抽运LD的工作电流进行反馈控制，从而控制LD的输出功率，继而实现对绿激光器输出功率的控制，提高其稳定性。

本文所用的实验装置如图4所示。

由连续或脉冲绿激光器输出的激光束经过滤光器滤除未被激光晶体吸收的LD的808nm抽运光和透过输出镜的1064nm基频光后，在通过用于进行光取样的分光镜时，有一小部分532nm激光被反射到光探测器以检测其光强变化。

探测器输出的电信号被输入到反馈控制器内被放大和处理；反馈控制器产生控制信号被送到激光驱动器内，对LD的驱动电流进行控制，从而改变LD的抽运功率，使激光晶体的增益发生变化，补偿绿激光器输出绿激光功率的波动，从而使绿激光器的输出功率得到稳定。

图5给出了没有进行光电反馈时的绿激光器输出功率随时间的变化曲线。

从中可以看到，在
自由运转的条件下，绿激光器的输出功率变化还比较大。

这种大变化幅度的绿激光器不能满足对激光稳定性要求高的一些应用的要求。

图6是进行了直接控制LD驱动电流的光电反馈时的绿激光器输出功率随时间的变化曲线。

从中可以看出，绿激光器输出功率的稳定性有了大幅度的提高。

在4小时内，绿激光输出功率的稳定性优于±0.5％。

实验表明，用这种直接对LD驱动电流进行控制的光电反馈法，可以大大提高绿激光器输出功率的稳定性，同时使用很方便。

4.结论
本文报道了全固化的全固态连续绿激光器，采用1W的LD抽运，得到230mW的TEM00模532nm绿激光输出，得到峰值功率达1.2kW的声光调Q全固态脉冲绿激光输出，重复频率达100kHz，脉冲宽度为15ns；不进行反馈控制时的功率稳定性达到±0.3％，采用直接控制LD驱动电流的光电反馈法可以大大提高全固态绿激光器的功率稳定性,长期稳定性可以优于±0.5%。

提高抽运LD的功率，可以大幅度提高绿激光器的输出功率。

相信这些激光器会很快得到广泛的应用。