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1、第18卷第7期 1998年 7 月光 學(xué) 學(xué) 報 ACT A OPT ICA SIN ICA V ol. 18, N o. 7July , 1998 激光二極管泵浦Nd殲VO 4/LBO腔內(nèi) 倍頻瓦級連續(xù)波綠光激光器* 何京良王建明侯瑋趙宗源許祖彥吳星楊國楨 1 ,中國科學(xué)院物理所光物理實驗室，北京100080 2 ,中國科學(xué)院物理所晶體生長實驗室，北京摘 要 報道一種激光二極管端面 泵浦N d評V O 4晶體、L BO腔內(nèi)倍頻的全固態(tài)瓦級連續(xù)波 (CW綠光激光器。對L BO采用I類非臨界相位匹配(N CPM、溫度調(diào)諧,當(dāng)泵 光功率為5. 5W 時,獲得了 1.2W T EM

2、 00模532nm連續(xù)波綠光輸出，光-光轉(zhuǎn)換效率達(dá)22%,電 -光轉(zhuǎn)換效率達(dá) 3%。 關(guān)鍵詞 全固態(tài)綠光激光器，N d ￥V O 4, L BO腔內(nèi)倍頻。1 2 1 2 1 2 1 1引 言 激光二極管泵浦的全固態(tài)連續(xù)波綠光激光器由于具有效率高、壽命長、使用方 便、結(jié)構(gòu)緊湊和性能穩(wěn)定等優(yōu)點，近年來成為國際上競相研究開發(fā)的熱點。特別是 大功率的全固態(tài)綠光激光器，在軍事、醫(yī)療、科研諸多領(lǐng)域有重要的用途。最近有 文獻(xiàn)報道,用20W激光二極管泵浦Nd殲AG、KT P腔內(nèi)倍頻,獲得6. 3W連續(xù)波 綠光輸出，可代替氬離子激光器泵浦鈦寶石激光器。 本文報道一種采用激光二極管端面泵浦 Nd兗VO

3、4晶體、LBO腔內(nèi)倍頻的高 效率全固態(tài)連續(xù)波綠光激光器，它的最大輸出功率為1.2W （T EM 00模,532nm。 其光-光轉(zhuǎn)換效率達(dá)22%,電-光轉(zhuǎn)換效率為3%,比同量級功率輸出的氬離子激光器 高一個數(shù)量級以上。[1]2 N d半VO 4/LBO綠光激光器結(jié)構(gòu) Nd訐V O 4/LBO綠光激光器采用三鏡折疊腔結(jié)構(gòu)，如圖1所示。這種腔結(jié)構(gòu) 的優(yōu)點是將倍頻光與基頻光分開，從而避免了 Nd殲VO 4對綠光的吸收，同時可產(chǎn) 生兩個束腰，將激光晶體與倍頻晶體分別放在兩束腰處，以求獲得較大的泵光功率密 度和較高的倍頻轉(zhuǎn)換效率。另外，對端鏡M 3鍍雙色高反膜以實現(xiàn)腔內(nèi)雙通倍頻、 單向輸出。 實驗用的

4、激光二極管（SDL -3450-P 5 ,在25C時中心波長是805nm ,最大輸出 是10W。 *國家九五863重點資助項目。 收稿日期：1997-03-22;收到修改稿日期：1997-07-23 7期何京良等： 激光二極管泵浦N d ￥V O 4/L BO腔內(nèi)倍頻瓦級連續(xù)波綠 光激光器863通過對其工作環(huán)境溫度的調(diào)節(jié)，使泵光中心波長 落在N d評VO 4晶體的吸收峰808nm上，此時 最大輸出功率只有8W左右。激光二極管的發(fā)射 光通過光纖耦合輸出,發(fā)散角較大（FWHM值為 48°光纖芯徑為400L m,數(shù)值孔徑為0. 42。選 用0. 25節(jié)距的自聚焦棒狀透鏡將光纖輸出光束

5、 耦合到腔內(nèi),透鏡通光口徑為＜2mm,長5. 22 mm , N A =0. 46,盡管棒狀透鏡尺寸很小,但數(shù) F ig . 1Schemat ic o f the a II - solid -stat e g ree n laser. 1:End o f fiber , 2:selfo c. lens,值孔徑大,工作距離短,較適合于光纖和腔 之間 的傳輸耦合。實驗測得它的傳輸效率在 83%以 上。 Nd訐V0 4晶體具有較大的吸收系數(shù)、受激 3:N d WVO 4(M 1 , 4:Brew ster plate , 5:e nd mir ro r M 2, 6:L BO cr y

6、stal , 7:output couple mir r or M 3 發(fā)射截面和大的吸收帶寬，非常適合于激光二極管泵浦。實驗中所用 Nd計VO 4晶體是物理所自己生長的，尺寸為3X3>5mm 3, Nd 3+摻雜的原子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 8%。為減少腔內(nèi)元件數(shù)量、降低損耗，將Nd訐VO 4晶體的一個端面作為輸入腔 鏡,鍍808nm增透和1.064L m的高反膜，另一面鍍1.064L輸出鏡M 2鍍1.064L m的高反膜和532nm的增透m的增透膜。 膜。端鏡M3鍍雙色高反膜。布儒斯特片的插入是為了補(bǔ)償由于折迭腔而產(chǎn) 生的像散。腔長的設(shè)計和腔鏡的選取按照泵光與腔 TEM 00模相匹配的原理，

7、同時 考慮到倍頻晶體的最佳聚焦點和接收角的大小對倍頻效率的影響及腔的穩(wěn)定性等問 題,選取腔鏡M 2和M 3的曲率半徑均為80m m,總腔長為360mm , LBO倍頻晶體 中心落在距輸出鏡約為42mm的束腰處。 LBO晶體是一種優(yōu)良的非線性倍頻晶體。它的非線性系數(shù)雖然比 KTP小一些, 但光譜透明區(qū)和匹配范圍更寬，且有高的破壞閾值和很小的離散角［3］。在1. 06L m 波段倍頻,可實現(xiàn)I類非臨界相位匹配、溫度調(diào)諧以消除孔徑效應(yīng)。這意味著在大 功率泵浦情況下，可使用較長的倍頻晶體，以獲得更高的轉(zhuǎn)換效率。實驗中用的 LBO晶體是中科院福建物構(gòu)所生長的，尺寸為3X3X14mm 3,兩端鍍雙色

8、增透膜，放 在溫度均勻分布的爐子里。［2］ 3實驗結(jié)果及分析 LBO是一種負(fù)雙軸晶體，根據(jù)I類非臨界相位匹配條件，可推出它的倍頻效率 與溫度的關(guān)系。由Kato修改后的Sellemier方程[4](K以L m為單位： n x (T =n x (T 0 +(-3. 76K +2. 30 10-6 柯>+29. 13 10-3($T 2] n y (T =n y (T 0 +(6. 01K -19. 40 10 > 其中： 2-0. 01388K K -0. 01135 246n 2y (T 0 =2. 5390+-0. 01849K +4. 3025 10-5K -2.9131 10

9、-5K 2-0. 011896 >$T -32. 89 10($T ]-42n z (T =n z (T 0 +(1.50K -9. 70 10-6 檢T -7來 49 10-4($T 2]n 2x (T 0 =2. 4542+( % =-54-56 864光 學(xué) 學(xué) 報18卷 $T =T -T 0 (取室溫 T 0=20 C 在I類非臨界相位匹配,H =90、U =0°時，可以得到： n 1(X =n z (X , T n 2(2X =n y (2X , T 式中n 1(X、n 2(2X分別為慢光和快光的折射率。而倍頻效率 G * sin c 其中$k =22[n 2(2

10、X -n 1(X ]為失諧量。根據(jù)以上公式,通過計算得到倍頻效率與 溫度關(guān)系的理論曲線(圖2中實線所示 與實驗得到的溫度調(diào)諧曲線(圖2中的點線 兩者基本相符。綠光最大功率輸出出現(xiàn)在 T mp =153. 3C ,此值隨泵光功率的變化 略有改變 圖3為實驗中測得的連續(xù)波綠光輸出功率與泵光功率的關(guān)系曲線，泵光閾值為 1. 1W。當(dāng)泵光為5. 5W時，獲得最大連續(xù)波綠光輸出為1.2W ,模式為T EM 00模, 光-光轉(zhuǎn)換效率為22%,電-光轉(zhuǎn)換效率為3%。還對激光器綠光輸出功率的穩(wěn)定性進(jìn) 行了測試:在半小時內(nèi)測得連續(xù)波綠光輸出功率抖動的相對平均值約為 3%。造成綠 光輸出功率不穩(wěn)定的原

11、因除了 China All ri|；hu gervir 札 Publishing Hou^c. 1994 2012 loufnftl ironic L 2 0- 8 ? exp, —theory LBO的溫度控制精度不夠外，另一主要原因是由于腔內(nèi)各振蕩縱模通過和頻而 產(chǎn)生的各縱模非線性耦合作用導(dǎo)致了光能在各個縱模間不斷轉(zhuǎn)換 ，產(chǎn)生綠光輸出功 率的波動,即所謂的 綠光問題” F ig . 2L BO I ? China All rights reserved” Fublhhing How?+ hUpi/A*、 IW-2012 Acidctnic Journ

12、al Ek

13、. 5W時, 綠光功率輸出趨于飽和。這是因為此時激光晶體產(chǎn)生的熱透鏡效應(yīng)已超出了所能調(diào) 節(jié)的范圍。因此，要想獲得更高的輸出效率，除了完善腔的結(jié)構(gòu)以外，如何最大限度 地降低熱效應(yīng)將是今后必須解決的另一重要問題。 結(jié) 論 通過以上實驗發(fā)現(xiàn)：大功率激光二極管泵浦Nd計VO 4、LBO腔內(nèi)倍 頻的全固態(tài)激光器由于具有閾值低、轉(zhuǎn)換效率高和輸出功率大等特點 ，在獲得瓦級 以上連續(xù)波綠光輸出方面顯示出一定的優(yōu)勢和潛力。 7期何京良等： 激光二極管泵浦N d ￥V O 4/L BO腔內(nèi)倍頻瓦級連續(xù)波綠 光激光器865 參考文獻(xiàn) [1] M asaki T sun eka ne, N o b

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17、se A cad emy of S ciences , Beij ing 100080 2 , L aborator y of Cry stal Gr ow th , I nstitute of Phy sics , T he Chinese A cad emy of Scie nces , Beij ing 100080 (Receiv ed 22M ar ch 1997; r evised 23July 1997 Abstract Over 1W of CW TEM 00green out put f rom LD end-pumped Nd YVO 寧 4w ith LBO i

18、n tracavity-doubled all-solid-st ate laser w as dem on strat ed. T he max i- mum CW T EM 00output of 1.2W at 532nm w as obtai ned by usi ng I-t ype non-critical phase-matched (NCPM temperat ure tuning of LBO at the pump ing pow -er of 5. 5W. T he optical-optical coversion eff iciency of t he all-solid-stat e laser is 22%, the electrical- optical coversi on efficie ncy is 3%. Key words all-solid-state green laser, Nd 殲VO 4, LBO in tracavit y freque n-cy doubli ng.