LD泵浦6_8W连续Nd_YVO_4_LBO671nm红光激光器

1、第 38卷 第 1期 激 光 与 红 外 V o. l 38, N o . 1 2008年 1月 LA SER &I NFRA RED January , 2008文章编号 :1001-5078(2008 01-0028-04#激光器技术 # LD 泵浦 6. 8W 连续 Nd B YVO 4/LBO 671nm 红光激光器郑玉祥 , 郑 权 , 钱龙生(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 :报道了一种光纤耦合半导体激光二极管 (LD 阵列端面抽运 Nd B YVO 4晶体 , 腔内 I 类临界相位匹配 LB O (L i B 3O 5 晶体倍频 , 实

2、现波长为 671n m 的全固态红光激光器瓦级连续输出的理论分析和实验结果 。 采用短三镜折叠腔结构 , 通过对激光晶体热效应的考虑 , 估算其热透镜焦距 , 用计算机优化设计选取合适谐振腔参数 , 在 26W 的注入泵浦功率下 , 获得了连续输出6. 8W 、 波长为 671n m 的红光基模稳定输出 , 光 -光转化效率达到 26%。关键词 :LD 泵浦 ; 折叠腔 ; LBO 晶体 ; 红光激光器中图分类号 :TN248. 1文献标识码 :ALD Pum ped Nd B YVO 4/LBOC W Re d Laser at 671nmOut put up to 6. 8WZ HENG

3、Yu -x iang , Z H ENG Quan , Q IAN Long -sheng(Changchun Institute o fO ptics , F ine M echan i cs and Phy si cs , T he Chi nese A cademy o f Science , Changchun 130022, Ch i naAb stract :T he analysis and t he exper i m ent o f N d B YVO4crysta l pu m ped by a fi ber coup l ed di ode array , t ype I

4、 cr iti ca lphase ma tch i ng LBO (L i B 3 O5crystal i ntracav ity frequency doub l ed , and h i gh pow er C W red laser at out put w ave -l eng t h o f 671n m is repo rted i n th i s paper . By usi ng a short fo l ded cav ity resonato r , t he the r m al focal leng t h o f N d B YVO4crysta lw as ca

5、 lculated consi der i ng its the r ma l effec t , and the para m eters o f laser cavity w ere se l ected byco m puter opti m um desi gn , w it h i n jecti on pu m p power of 26W, TE M00m ode red l aser a t 671nm o f 6. 8W is obta i ned at l ast , w ith the optica l conversi on effi c i ency up to 26

6、%.K ey w ords :LD pu mped ; fo l ded resonator ; LBO crysta ; l red l ase r1引 言LD 泵浦的全固态大功率红光激光器在医疗、 彩 色显示等 方面具 有广阔 的应 用前 景 , 也可以 作为 C r B L i S AF 类晶体的抽 运源。近 年来红光 激光二极 管的功率虽有较大提高 , 但相对固体激光器其存在 的发散角大、 光束质量差、 线宽宽、 输出功率及波长 随温度漂移等缺点 , 仍然难以在彩色显示、 单纵模运 转、 超短脉冲输出等有特殊要求的领域取代固体红 光激光器。Nd B YVO 4中掺杂的 Nd 3+除了

7、1064nm 的受激 1 Nd 3+在 YVO 4中的掺杂浓度高 , 在 1342n m 处的发 射截面较大 (约为 610-19c m 2, 并且偏振发射 , 很 适合用 LD 抽运 , 经腔内倍频 , 最终输出 671nm 的红 激光。对于 LD 抽运 Nd B YVO 4晶体、 腔内倍频的红光 激光器 , 已经有一些文献报道 , 其中 , 中国科学院物 理研究所用 10W 的 LD 抽运 , 采用了 类临界相位基金项目 :国家 863计划 (No . 2202AA311140 资助项目。 作者简介 :郑玉祥 (1978-, 男 , 工程师 , 理学硕士 , 主要从事大 功率固体激光器研发

8、工作。 E-m a i :l zyx i ang s i na . co m收稿日期 :匹配 KTP 倍频 , 实现了 70mW 的 671nm 输出 2; 该 所用 10W 的 LD 抽运三镜折叠腔结构 , 采用了 类 温 度 匹 配 LBO (Li B 3O 5 进 行 腔 内 倍 频 , 实 现 了 502m W 的 671nm 输 出 , 光 -光 转 换 效 率 超过 了 8. 3%3; 意大利研究人员用 10W 的 LD 抽运三镜 折叠腔结构 , 采用了 类温度匹配 LB O 进行腔内倍 频 , 实现了 430mW 的 671n m 输出 4。比较上述各种方式 , 用 KTP 倍频

9、时晶体不需要 进行精确的温度控制 , 但因走离角大 , 导致晶体有效 工作区短 , 倍频效率低 , 并且光斑质量差 ; 而且因为 KTP 是 类临界相位匹配倍频 , 在大功率红光输出 的情况下 , 随着泵浦功率的增加 KTP 本身受温度影 响很大 , o 光和 e 光的光程差发生了变化 , 从而最终 导致倍频效率的周期变化 5。此外 , 经过较长时间 的工作后 , KTP 内部极容易出现灰线 , 输出功率显著 下降。 LBO 走离 角较小 , 有效工作长度长 , 倍频效 率高 , 并且光斑好 ; 使用温度匹配 LBO 倍频虽然效 率高 , 但对温控要求十分严格 , 难以产业化。特别是 I 类温

10、度匹配 LBO 倍频效率虽然最高 , 但其匹配温 度低 非临界相位匹配 (NCP M 温 度约为 5e ,室 温下要求环境干燥 , 否则晶体表面易结雾 , 影响器件 正常工作。因此有必要寻找新的倍频晶体或倍频方 式来获得高的倍频效率和良好的光 束质量的红光 输出。综上所述 , 本文采用大功率的光纤耦合 LD 抽 运 N d B YVO 4晶 体 , I 类临界相 位匹配 LB O 腔内倍 频 , 采用短三镜折叠腔结构 , 实现大功率 671nm 连 续输出。2理论分析2. 1临界相位匹配 LBO 倍频选择倍频晶体时 , 晶体的匹配类型、 匹配角度、 有效非线性系数、 走离角、 接收角等参数都是

11、要考虑 的。它们一方面决定着对倍频晶体的切割角度和长 度的选取 , 另一方面也 作用于激光谐 振腔的设计。 使用 SNLO 软 件 对 KTP 和 LB O 1342nm 转 化 为 671nm 的角度匹配倍频参数进行了计算。表 1列出 了典型的倍频参数值。由表 1可以看出 , 对 1342n m 倍频时 , LBO 有效 非线性系数 d eff 明显小于 KTP , 但却具有走离角小、 允许角大、 有效作用长度长的优点。根据由走离效 (Lm ax 6:表 1倍频晶体的典型参数 (T =300K Tab. 1M a i n para m eters o f frequency doubled

12、crysta ls(T =300K C rystal KTP LBO LBO cri tical phase m atching Type2Type2Type2CP M angle(H , 5 59. 9, 086. 1, 03. 6, 0 d eff /(pm #V -1 2. 840. 8170. 645 w al k off angl e /m rad 44. 33. 453. 25 accep t ang l e /(mrad #c m 1. 6924. 2926. 07 L max =1. 16w /Q (1 其中 , w 为基频激光束半径 ; Q 为走离角。式 (1 表 明 , 在

13、走离角 Q 很小的情况下 , 适当减小 w 仍有较大 的 L max 值。而减小 w, 会增加腔内经过 LB O 的基频光 功率密度 , 从而提高倍频效率。若设 w =100L m , 则可 计算出对应的基频光波在各晶体中的相互作用最大 长度值。考虑到内腔倍频时倍频光输出功率与有效 非线性系数 d eff 和晶体作用长度 L max 的乘积平方成正 比 , 将 d eff 与 L m ax 相乘 , 可知 类临界匹配 LBO 对应的 值最大 , 为 27. 86(deff =0. 817p m /V, L m ax =34. 1mm ; 类 LBO 其次 , 为 23. 16(d eff =0

14、. 645p m /V,L max = 35. 9mm ; 而 类 KTP 最 小 , 仅 为 7. 38(d eff = 2. 84pm /V,L max =2. 6mm 。 即使 我 们 将 LB O (类 晶体长度取为 L =10mm, 此时的倍频效率也将 高于 KTP 。因此 , 选用较长的 类 LBO, 优化设计出 相对小的光腰尺寸来获得较高的倍频转换效率。同 时由于 类位相匹配比 类相位匹配的波片效应小 得多 , 采用 I 类 LBO 取代常用的 II 类 KTP 倍频 , 可 以减小倍频晶体的褪偏作用 7。2. 2谐振腔设计在大功率抽运条件下 , 激光晶体的热透镜效应 仍很明显

15、, 因此 , 在设计腔型前 , 对 Nd B YVO 4晶体的 热透镜焦距进行估算是必要的。在此 , 将受热的激 光晶体等效为一个薄透镜 , 下式为端面抽运情况下 , 热透镜焦距公式 8:1f th=N P ab s4P K c w pd n 0/d T +(n 0-1 A T (2 其中 , f th 为热透镜焦距 ; N 为热负荷比 ; P abs 为吸收的 抽运功率 ; K c 为热导率 ; w p 为平均抽运光斑半径 ; n 0为环境温度 下的 折射率 ; d n 0/d T 为 折射 率温度 系 数 ; A T 为热膨胀系数。实验中所 用 N d B YVO 4的有 为 N =, K

16、 c =0. #c m , p = 29激 光 与 红 外 N o . 12008郑玉祥等 LD 泵浦 6. 8W 连续 N d B YVO4/LBO671n m 红光激光器200L m, n 0=2. 165, A T =4. 4310-6/K。计算可得 , 在 26W 抽运功率下 , 热透镜焦距 f th 约为 150mm 。 实验中采用光纤耦合端面抽运方式 , 图 1所示 的三镜折叠谐振腔结构9。采用端面抽运方式 , 抽运光与基频光之间模式空间交叠好 , 可充分利用抽 运能量 , 获得较高转换效率 ; 三镜折叠型腔的其中一 个优点是有两个光腰 , 于是激光晶体和倍频晶体可 分别放在两个光

17、腰处 , 第一臂光腰可以设计得较大 , 模体积较大 , 激光晶体可以最大限度吸收抽运光 ; 第 二臂光腰可以设计得较小 , 功率密度较高 , 可以提高 倍频晶体的倍频效率。这种腔型的另一优点是基频 光和倍频光分开 , 减少了激光晶体对倍频光的吸收。 其中 , M 1, M 2分别为分臂 1、 分臂 2的端镜 , 曲率半 径分别为 R 1, R 2; 折叠输出镜 M 的曲率半径为 R , F 为激光晶体的等效热透镜 , 假设热透镜中心在激光 晶体的中心 , M 与 M 1, M 2之间的距离为 L 1, L 2 。图 1 折叠腔示意图F i g . 1 the sche m atic of f

18、o l ded cavit y在设计激光谐振腔时 , 必须考虑到伴随热透镜 所产生的高阶球差引起的附加衍射损耗 , 第 1分臂 的基频光腰应略小于抽运光聚焦光斑 , 这样有利于 获得 TE M 00模输出9; 其次 , 由倍 频效率 公式 G =kI(X (k 为与非线性晶体有关的转换因子 可知 , 倍 频效率与基频光强成正比 , 第 2分臂的光腰尺寸要 尽量小。以此两点为前提 , 通过计算机优化设计 , 便 可选取合适的腔型参数。考虑到热透镜效应的补偿 , 抽运能量的充分利 用 , 以及 LBO 倍频效率的提高 , 采用 G 参数等价腔 分析法 , 通过计算机辅助优化设计 , 选取第 1分臂

19、长 为 63mm, 第 2分 臂 长 为 29mm (此 时 w 01约 为 145L m, 位于 Nd B YVO 4晶体内 ; w 02约为 55L m, 放置 LB O 。该腔型为良好的热稳定腔 , 即当改变抽运功 率使激光晶体的热焦距发生变化时 , 谐振腔仍然是 稳定腔。而且谐振腔采用 V 形腔结构 , 能够避免倍 频光通过 YVO 4晶体 ; 可以有效地减少激光晶体及 103 实验结果实验所用装置如图 2所示。抽运源为最大输出 功率 26W 的光纤耦合输出半导体阵列激光器 (耦合 光纤直径为 400L m, 数值孔径为 0. 22, 25e 下输出 中心波长为 806. 6nm ;

20、经准直聚焦系统 (传输耦合效 率约为 80% 会聚成直径 400L m 的抽运光斑 , 注入 到 Nd B YVO 4工作物质中。 N d B YVO 4晶体采用 a 轴 切割 , 掺 杂浓 度 (原 子数 分 数 为 0. 5%, 尺 寸 为 3mm 3mm 5mm, 其 左端镀 808n m 增透 , 1342nm 高反双色膜作为一个腔镜 , 右端对 1342nm 增透 ; 将 其安装在金属座上。由于晶体与金属座之间存在热 阻 , 需在两者之间裹上一层铟箔 , 以达到紧密接触的 目的。增益介质中的热量传给晶体座 , 再通过半导 体制冷器导出至散热片 , 最后通过涡流风扇被空气 吹走。空气冷

21、却较之循环水冷却具有体积小、 结构 简单的优点。图 2 光纤耦合 LD 抽运 Nd B YVO 4/LBO红光激光示意图F i g . 2 diagra m ofLD pum ped Nd B YVO 4/LBOred laser曲率半径为 50mm 的平凹镜作为折叠输出镜 , 凹面镀 1342nm 高反膜 , 1064nm 和 671nm 增透 膜 , 平面对 671n m 增透 ; 第 2分臂的端镜为曲率半径为 200mm 平凹 镜 , 凹面 镀 1342/671nm高 反 双色 膜。 倍频 晶 体 采 用 类 临界 相 位 匹 配 LBO, 尺 寸 为 2mm 2mm 12mm , 两端

22、面镀 1342n m /671nm增透 双色膜。 Nd B YVO 4与 LBO 分别用制冷器温控 , 实验 中所用制冷器的控温范围为 -20e +50e , 控温 精度为 0. 1e 。 通过温度调节 , 使抽运光中心波长与 Nd B YVO 4的中心吸收波长 808. 9nm 重合 , 在抽运光 功率为 26W 时 , 获得 了 6. 8W 的红 光 连续 输 出 , 光 -光转换效率为 26%。图 3描述了红光输出功率随抽运功率变化的关 系。红光阈值为 1W, 随着泵浦功率的提高 , 红光输 出功率逐渐增加 , 在 LD 泵浦功率约为 26W 时 , 输出 红光激光达到 6. 8W 。此

23、时对红光输出稳定性进行 , 30激 光 与 红 外 第 38卷光斑轮廓分析仪测得输出为单横 模 , 其 M 2因子小 于 1. 3。图 4给出了远场光斑照片 , 能量近高斯函 数分布曲线如图 5所示。使用 OCEAN OPT I CS 公司 的 HR4000CG 光纤光谱仪测量出的光谱图如图 6所 示 , 从图可看出 , 红光波长为 671. 39nm , 无其他波长 激光产生。抽运功率 /W图 3 红光输出功率随抽运功率的变化 Fig . 3red l as er ou t pu t as a f un cti on of 808nm pum p pow er图 4 远场光斑轮廓图 F i

24、g . 4 s pot p rofiler i n far fiel d图 5 能量近高斯分布曲线图Fi g . 5 spati al energy d istri buti on f or t he 671nm l aser4 结 论报 道了 一 种 光 纤 耦合 LD 抽 运 全 固 态 瓦级 Nd B YVO 4/LBO折叠腔红光激光器 , 采用 类临界相 位匹配 LB O 作为倍频晶体 , 26W 抽运功率下 , 利用 优化设计的短三镜折叠腔结构 , 获得了 6. 8W 的红 光连续 TE M 00模输出 , 光 -光转换效率达到 26%, 达 到了全固态大功率红光激光器实用 化和产业

25、化的 w avel engtn /nm图 6 红光激光光谱 F i g . 6 the spectrum of red bea m参考文献 :1 A W T ucker , M B i rnbau m, C L F i ncher , et a. l Sti m ulatede m ission cross sec tion a t 1074and 1342nm in N d B YVO 4J.J . App. l Phys . , 1977, 48(12:4907-4911. 2 W ang Changqi ng , Shen D eyuan ,Lu Ji anren ,e t a. l1.

26、 34L m racav ity frequency doubled N d B YVO 4l aser pu m ped by a laser d i ode J.Ch i nese J . Lasers , 1997, A 24(7 :577-580. (i n Ch i nese3 Zhang H eng l, i H e Ji ngliang, Chen Y uchuan , et a. l D i odepu m ped N d B YVO 4laser e m itting a t 1342n m and 671nm J.A cta Physica S i n i ca , 1998, 47(9:1579-1587. (in Ch i nese4 A A gnes, i G C R eal, i P G G obb. i 4302mW si ng l e trans -verse 2m ode diode pu m ped N d B YVO 4laser at 671nm J.I EEE J . Q uantu m E l ec tron . , 1998, 34(7 :1297-1300.5 Zheng Q uan , T an H ui m i ng , Zhao L i ng, et a. l LD pu m pedN d B