LD双向泵浦_LBO腔内倍频绿光激光器

1、第 33卷 第 5期 激 光 与 红 外 V ol. 33, No. 5 2003年 10月 LASER &I NFRA RED October, 2003文章编号 :1001-5078(2003 05-0346-02LD 双向泵浦、 LBO 腔内倍频绿光激光器姜耀亮 , 郑 权(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 , 吉林 长春 130022摘 要 :采用两支国产 2W 单芯半导体激光器 (Diode Laser 作泵浦源 , 双向端面泵浦 Nd B Y VO 4晶体 , 由 I 类临界相位匹配 LBO 晶体腔内倍频 , 采用 Z 型谐振腔结构 , 在泵浦功率为 3. 12W 的条件下

2、, 得到功率为 670mW 的 T EM 00模稳定绿光输出 , 测量表明 4h 功率稳定性优于 3%, 偏振比大于 500B 1, 振幅噪声小于 0. 5%。关键词 :LD 泵浦 ; Nd B YVO 4晶体 ; LBO 晶体中图分类号 :TN248. 1文献标识码 :ADual Diodes Pumped and LBO Frequency Doubled Green LaserJIANG Yao -liang, ZHENG Quan(Changchun Institute of Opt ics, Fine M echanics and Physics, CAS, Changchun 13

3、0022, ChinaAbstract:A design of dual diodes pumped N d B Y V O 4cr ystal, I -typed critical phase matching L BO cr ystal intra -cav ity frequency doubled g reen laser at 532nm with Z -shaped cavity w as descr ibed in the paper. U nder the condition of 3. 12W incident pumping pow er , green laser out

4、put of 670mW wit h T EM 00mode was obtained at last. M easure -ments showed the long -ter m stability in 4hours better than 3%, polar ization r ate more than 500B 1, and amplitude fluctuation less than 0. 5%.Key words:LD -pumped; Nd B Y VO 4; L BO1引 言LD 泵浦的全固态激光器已广泛应用在军事、 医 疗、 教学、 科研、 工业、 娱乐等诸多领域。目前

5、 , 用单芯 LD(200mW 2W 泵浦 Nd B YVO 4晶体 , 采用 KTP 晶体 腔内倍频的绿光激光器产品的输出功率已从几毫瓦 发展到一两百毫瓦 1。但是 , 由于超过 2W 的 LD 价 格 昂贵且寿命短 , 并且 KTP 晶体在较大功率下出现 的 /灰线 0等问题 2, 均限制了 200mW 以上中功率绿 光激光器的生产。此时若采用 LD 列阵代替单芯 LD 做泵源 , 无疑大大地增加了激光器的制作成本 , 从性 能价格比来说只适宜功率大于 500mW 绿光激光器的 开发。因此 , 输出功率为 200500mW 的绿光激光器 一直成为全固态绿光激光器产品的空档区。本文用两只国产

6、波长为 808nm 的 2W LD 作泵 源 , 双向端面泵浦 Nd B Y VO 4晶体 , 采用高损 伤阈值 的 LBO 晶体代替 KT P 晶体进行腔内倍频 , 通过合 理的腔型及参数设计 , 最终获得了高 效率、 高 偏振 比、 低噪声的 532nm 绿光连续波输出。在两 LD 总 泵浦功率为 3. 12W 的条件下 , 激光器绿光稳定输出 达 , 表明 , 4小时功率稳定性优于 3%, 偏振比大于 500B 1, 振幅噪声小于 0. 5%。2实验装置如图 1所示 , 实验采用两支单芯 2W 的 LD 做 泵源 , 通过耦合系统 P 1、 P 2双向端面泵浦 Z 型激光 谐振腔内的 N

7、d B Y VO 4晶体。采用 Z 型腔结构可以 在 M 1M 2和 M 3M 4两臂内形成两个光腰 , 用来分别 装置 Nd B Y VO 4和 LBO 晶体。合理设计两个光腰的 大小 , 一方面保证在 Nd B Y VO 4所在的 M 1M 2臂上满 足基模光斑略大于泵浦光斑的模匹配条件 , 充分利 用泵浦光 , 保证单横模 (TEM 00 振荡 3; 另一方面 , 在 LBO 所在的 M 3M 4臂上要求有较小的光腰半径 , 从而提高倍频效率 4。图 1中 Z 型腔的折叠角 H 为 15b , M 3M 4臂长 43mm , 总腔长 约 100m m 。各腔镜 基金项目 :国家高技 术研

8、究发 展计划 (2002AA311141 ; 吉林 省 科技发展计划 (20020607 资助。作者简介 :姜耀亮 (1962- , 男 , 硕士 , 副 研究员 , 现 任中国科 学 院长春光机所新产业光 电技术 有限公 司副总 工程师 , 主要 从事 LD 泵浦全固体激光器的产品开发。:均镀制全介质激光双色模 , 其中 M 1和 M 2为平面镜 (HR1064nm , AR 808nm ; M 3为内曲率半径 50mm 的平 凹镜 (HR 1064nm , AR 532nm ; M 4为平面镜 , 镀双色高反 膜 (HR 1064nm , HR 532nm 以实现双程倍频 , 最终 532

9、nm 倍频光由 M 3 镜单向输出。图 1 LD 双向端面泵浦的 Nd B YVO 4/LBO 绿激光结构图根据以上参数 , 利用高斯光束在谐振腔内稳定振荡的 ABCD 矩阵公式 , 可计算出谐振腔内各相关 参数。 计算 得 出在 上述 参 数下 腔 内激 光 在 Nd B YVO 4晶体内的基模光束半径为 110L m , 在 LBO 晶 体内的光腰半径约为 60L m 。实验中所选用的单芯 LD 最大输出功率为 2W, 在 25e 时中 心发射波 长分别为 808. 6nm 和 806. 9nm 。通过温度控制使它们的工作波 长与 Nd B Y VO 4晶体的吸收峰 (808. 9nm 相

10、匹配 , 它们在水平和垂 直方向的发散角分别为 (M =68b 和 (L 3639b 。 LD 的耦合系统 (P 1和 P 2 由准直镜头、 整形棱镜对 和聚焦镜头组成 , LD 的泵浦光 经过耦合系统 后在 Nd B Y VO 4晶体内的焦斑半径约为 100L m, 该值略小 于 110L m 的基模光束半径 , 确保了激光器的 T EM 00模输出。Nd B Y VO 4晶体由中科院福建物质结构研究所提 供 , 掺杂 浓度 为 0. 7at. %, 规 格为 3mm 3mm 4mm, 通光长度为 4mm, 在一面上切割成布儒斯特 角 (与 c 轴夹角 24. 75b , 这样既可以防止激光

11、在晶 体内产生次级振荡 , 又可以省去在晶体表面镀制激 光减反膜 , 同时也可部分补偿折叠光路产生的像散。 Nd B Y VO 4晶体的侧面用铟箔包裹并夹于由半导体制 冷器控温的无氧铜块中。由于 KTP 晶体在高功率密度激光的长期作用下 会出现所谓的 /灰线 0, 实验选 LB O 为倍频晶体。 LBO 的非线性系数低于 KTP, 但具有极高的光损伤阈值和 较小的离散角。实验所用的倍频晶体 LBO 由山东大 学化学院提供 , 采用 类临界相位匹配方式工作 (H =90b , =11. 37b , 规格为 2mm 2mm 10mm, 两通光 面镀 1064nm 和 532nm 双色增透膜 , L

12、BO 晶体的侧面 用铟箔包裹并夹于由半导体制冷器精密控温的无氧 铜块中 , 以达到最高的倍频转换效率。 3 实验结果用两只 2W 的 LD 作为泵源 , 泵浦经耦合系统 圆化整形后聚焦注入到 Nd B Y VO 4晶体内。通过仔 细调整各腔镜位置以及 LD 、 Nd B Y VO 4和 LBO 的温 控 , 使由 M 3镜输出的绿光模式为 T EM 00并且绿光 输出功率达到最大。在实验中还测量了两泵源分别 单独工作和一同工作情形下激光器的最大稳定输出 1图 2是两 LD 双向泵浦下绿光输出功率与注入 泵浦 功 率 的 关 系 曲 线。在 两 LD 总泵 浦 功 率 为 3. 12W 的情 形

13、下 , 该装置 绿光稳 定输出 达 670mW 时 , 输出模式为很好的 TEM 00模 , 测量显示其 4h 功 率稳定性优于 3%, 偏振比小于 500B 1, 振幅噪声小于 0. 5%。对比实验表明 , 与 类匹配 KTP 晶体倍频 相比 , 使用 类匹配的 LBO 晶体倍频可以获得高偏 振比和低噪声的绿激光输出特性 5-6。表 1 两泵源分别单独工作和一同工作情形下绿光的最大输出功率工作泵源 (LD 1, 2 LD 工作电流 (mA LD 泵浦功率 (W 绿光功率 (mW 光光转换效率 (% LD 118001. 5823514. 9LD 218001. 5421313. 8LD 1+

14、LD 21800+18001. 58+1. 5467021. 5Incident pump power/mW图 2 绿光输出功率随注入泵浦功率的变化4 结 论本文采用 两只国 产 808nm 的 2W LD 作 泵浦 源 , 采用双向端面泵浦 Nd B Y VO 4晶体 , 类位相匹 配 LBO 腔内倍频 , 通过合理的腔型及参数设计获得 了高效率、 高偏振比、 低噪声 的 532nm 绿光连续波 输出。在两 LD 总泵浦功率为 3. 12W 的情形下 , 激 光器绿光稳定输出达 670mW, 输 出模式为 很好的 TEM 00模 , 测量表明 4h 功率稳定性优 于 3%, 光束 偏振比大于

15、 500B 1, 振幅噪声小于 0. 5%。该设计是 目前解决 200500mW 绿光激光器的低成本生产 和高性能运转的优选方案 , 具有良好的产业化前景。 参考文献 :1 郑权 , 钱龙生 . 我国中低功率 LD 泵浦 全固体 激光器 的研制与开发 J.光机电信息 , 2001, 1:20-2312 G Loiacono. L aser damage formation in KT P and KT Acrystals :gr ay tracks J. J. Appl. Phys. , 1992, 72(7 :2705-2712.3 Paolo Lapor ta, M arcello Brussard. Desig n cr iter ia for mo desize optimization in diode -pumped solid -state lasers J.IEEE J 1of Qu